UD 1

UNIDAD 1.- La atmósfera. Subir y bajar.


Examina el camino que seguirá nuestra sonda a través de la atmósfera y las condiciones en las que se encontrará en cada fase. Una vez hecho esto se procede a la construcción del habitáculo.

ÍNDICE:
La atmósfera y sus capas.

La atmósfera es una envoltura gaseosa que rodea la tierra. El nombre de atmósfera deriva de dos voces griegas: "atmos", vapor, aliento, y "sphaira", esfera. Está constituida por aire, mezcla de gases y vapores conteniendo en suspensión materias sólidas finamente divididas, así como iones y hasta partículas nucleares en sus regiones más alejadas.
La composición de la atmósfera es la siguiente: nitrógeno (78,09%), oxígeno ( 20,95%), dióxido de carbono (0,03%); gases traza como neón (0,0018%), helio (0,0005%), metano (0,00017%), criptón (0,0,0011%), hidrógeno (0,00005%), xenón (0,00009%) y ozono (0,00006%); y cantidades variables de vapor de agua y partículas llevadas en suspensión por el aire. La composición de la atmósfera varía con la latitud y las estaciones.
El 98% de la atmósfera está comprendida entre el nivel del mar y 30,5 Km de altitud. 
La presión atmosférica a nivel del mar es de 1000 mb (milibares, 1 mb es igual a una fuerza de 100 newtons actuando sobre 1 metro cuadrado. 1013 mb es 1 atmósfera) y desciende hasta 10 mb a 30,5 km de altitud. De 30,5 km de altitud hasta los 61 km de altitud desciende a 0,1 mb y así sucesivamente, es decir, cuanto más altitud menos presión. El instrumento que mide la presión se denomina barómetro.
La atmósfera es más elevada en el ecuador que en los polos Norte y Sur.

Las capas en las que se divide la atmósfera de manera horizontal tomando como base la temperatura son tres cálidas ( cerca de la superficie, entre 50 km y 60 km, y por encima de 120 km) y dos relativamente frías ( entre 10 y 30 km, y entre 80 y 100 km). Su división desde 0 Km de altitud hasta el espacio exterior son:


La Tropoesfera:
Es la capa inferior de la atmósfera más cercana a la superficie. Su altura varía entre el ecuador y los polos siendo su altitud máxima 16 km y 8 km respectivamente. Es la capa donde ocurren todos los fenómenos meteorológicos conocidos, lluvias, vientos, tormentas, nevadas, etc. La temperatura disminuye con la altura siendo su mínima de -60º C a los 10 Km. Cabe destacar un hecho relevante en esta zona relacionada con el mundo de las comunicaciones en banda VHF, pues cuando la  temperatura en sus capas más altas es más fría que en sus capas más bajas, suceso conocido como inversión, se pueden escuchar comunicaciones muy lejanas que no han llegado por medio de satélites ni por repetidores terrestres. A esta propagación de ondas se le conoce por propagación troposférica (refracción de ondas electromagnéticas).


La Tropopausa
Es la capa que se establece como frontera entre la Tropoesfera y la Estratosfera pues sus características varían para pasar de una a otra.



La Estratosfera:
Es la segunda capa de la atmósfera que comienza a los 16 Km de altitud si estamos en el ecuador terrestre o a los 8 Km si nos encontramos en los polos. Su límite superior se establece entorno a los 50 Km de altitud. Su temperatura se mantiene estable desde los 10 Km hasta los 20 Km en -60ºC donde comienza a ascender rápidamente hasta los -40º C a los 31 Km de altura, desde esta altitud la temperatura asciende de manera más pausada hasta estabilizarse a -5º C en torno a los 50 Km de altura. En esta capa los gases se encuentras diferenciados por sus pesos y no existen fenómenos meteorológicos. Nuestro globo sonda podrá llegar hasta los 32 Km de altitud más o menos, es decir hasta esta capa de la atmósfera.


La Estratopausa:
Es la capa que se establece como frontera entre la Estratosfera y la Mesoesfera.


La Mesosfera:
Comprendida entre los 50 Km y los 80 Km sobre el nivel del mar su temperatura en esta capa comienza a descender desde los -5º C hasta los -80ºC en su límite superior. En esta región solo encontramos el 0,1% del total de gases que componen la atmósfera. Las estelas que vemos de las comúnmente denominadas estrellas fugaces se producen en esta capa al desintegrarse las formaciones rocosas que por fricción se calientan con los gases de la mesosfera debido a su gran velocidad. Cuando estas estelas son muy luminosas se denominan bólidos y ocurren porque dichas rocas son mucho más grandes.

La Mesopausa:
Es la capa que se establece como frontera entre la Mesosfera y la Termosfera o Ionoesfera.

La Termosfera o Ionoesfera:
En esta capa la temperatura vuelve a aumentar y mucho, desde los -80º C hasta los 1500º C, este ascenso es muy gradual y pausado. Su límite inferior está en los 80 Km de altitud y el superior a 400 Km. En esta zona la partícula más singular que podemos encontrar es el ion. Un ion es una partícula cuya carga no es neutra, si tiene más electrones que protones y su carga es negativa se denomina anión y si, por el contrario, le faltan electrones y tiene más protones se conoce como catión. La presencia de estas partículas crea un hecho muy importante y curioso en el mundo de las comunicaciones realizadas en la banda HF, pues es capaz de rebotar las ondas electromagnéticas que se emiten desde la tierra, enviándolas de nuevo hacía abajo. Este rebote es continuado hasta que las ondas electromagnéticas topan con una región de la Ionosfera desionizada, pudiendo escapar entonces hacia el espacio exterior como en el resto de ondas. Dicha ionización es producida por el Sol, y existen programas informáticos que pueden predecir con alguna precisión este suceso denominado "reflexión ionosférica". Gracias a los iones, podemos comunicarnos con lugares muy remotos en la tierra sin necesidad de satélites ni repetidores terrestres.

Ionopausa:
Es la capa que se establece como frontera entre la Termosfera o Ionoesfera y la Exosfera.

Exosfera:
Esta capa comienza sobre los 600 Km de altitud y su límite superior se encuentra sobre los 10.000 Km. La exosfera se entrelaza con la Magnetosfera, pues esta última se comprende entre los 500 y los 60.000 Km. Cabe destacar que no existe densidad en el aire. Podemos encontrar los Cinturones de Van Allen que son zonas de la magnetosfera donde se acumulan partículas cargadas. Los gases más ligeros pueden escapar al espacio exterior pues las fuerzas gravitatorias son inapreciables y por el contrario son más intensas las magnéticas.

Exopausa:
Es la capa que se establece como frontera entre la Exosfera y el espacio exterior

¿Por qué sube el globo? Densidad. Volumen. Principio de Arquímedes.
Para poder comprender por qué subirá nuestro globo, primero debemos conocer que elementos utilizaremos en nuestro experimento. Los ingredientes culpables de que el globo ascienda hasta la estratosfera son el aire de la atmósfera y el helio que insuflaremos dentro del globo de látex. Cómo ya estudiamos la composición del aire de la atmósfera en las capas de la troposfera y la estratosfera podremos explicar un nuevo concepto denominado densidad y así ordenar los gases de menor a mayor según esta nueva medida:
hidrógeno (H2 ) 0,09 Kg/ m^3

helio (He) 0,178 Kg/ m^3

metano (CH4) 0,717 Kg/ m^3


neón (Ne) 0,90 Kg/ m^3


nitrógeno (N2) 1,25 Kg/ m^3


oxígeno (O2) 1,429 Kg/ m^3


dióxido de carbono (CO2) 1,977 Kg/ m^3 


ozono (O3) 2,140 Kg/ m^3


criptón (Kr) 3,73 Kg/ m^3


xenón (Xe) 5,89 Kg/m^3


Cómo podéis observar el gas que es menos denso es el hidrógeno pero como este es altamente inflamable utilizamos como sustituto el helio.


Pero os estaréis preguntando ¿Qué es la densidad? Y ¿cómo influye en la ascensión del globo?, ¿verdad?. Pues muy fácil la densidad es la cantidad de masa de un elemento que encontramos en un volumen determinado. En la tabla anterior medimos la masa en Kilogramos y el volumen en metros cúbicos. Pero debéis de tener en cuenta que la masa se puede presentar no solo en Kg sino también en Hectogramo, decagramo, gramo, decigramo, centigramo, miligramo. Por otro lado el volumen puede aparecer además de en Metros cúbicos en sus múltiplos: Kilómetro cúbico, Hectómetro cúbico, Decámetro cúbico y en sus submúltiplos Decímetro cúbico, Centímetro cúbico, Milímetro cúbico. Dentro del volumen no es extraño encontrar otras unidades de medida comunes en Castilla la Mancha cómo: la arroba, la cántara, el celemín o la fanega. 


Bueno vamos a centrarnos ¿Por qué el Helio tiende a situarse por encima de los gases del aire? Pues muy sencillo porque su densidad en menor y un metro cúbico de helio tiene un peso específico mucho menor que un metro cúbico de aire, así este último tiende a situarse debajo del volumen del helio.


Lo mismo ocurre cuando dentro de un vaso introducimos aceite y agua, como la densidad del agua es mayor que la del aceite, el agua se sitúa en el fondo del vaso y el aceite encima.


Una vez aclarado el concepto de densidad necesitamos especificar qué es el volumen y lo podemos definir como el espacio que ocupa un objeto multiplicando la longitud por su anchura por su altura teniendo en cuenta que cada figura geométrica simple posee una formula propia para averiguar su volumen.


Para terminar aclararemos el principio de Arquímedes que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons:

E = m ∙ g = pf ∙ g ∙ V

PRÁCTICA.  ANÁLISIS DE HIPOTÉTICOS DATOS RECOGIDOS POR GLOBO SONDA.

Supongamos que los siguientes datos han sido recogidos por nuestro globo sonda:

Altura (km)
Presión hPa
Temperatura K
Temperatura ºC
Densidad kg/m3
0
1013.25
288.15
15
1.23
0.5
954.61
284.9
11.75
1.17
1
898.75
281.65
8.5
1.11
1.5
845.56
278.4
5.25
1.06
2
794.95
275.15
2
1.01
2.5
747

-1.2
0.96
3
701.09
268.65
-4.5
0.91
3.5
657

-7.8
0.86
4
616.40
262.15
-11
0.82
4.5
577

-14.2
0.78
5
540.20
255.65
-17.5
0.74
5.5
505

-20.8
0.7
6
471.81
249.15
-24
0.66
7
410.61
242.65
-30.5
0.59
8
356.00
236.15
-37
0.53
9
307.43
229.65
-43.5
0.47
10
264.36
223.15
-50
0.47
11
226.32
216.65
-56.5

12
193.30
216.65
-56.5

13
165.10
216.65
-56.5

14
141.01
216.65
-56.5

15
120.44
216.65
-56.5
0.19
16
102.87
216.65
-56.5

17
87.86
216.65
-56.5

18
75.04
216.65
-56.5

19
64.09
216.65
-56.5

20
54.74
216.65
-56.5
0.09
21
46.78
217.65
-55.5

22
40.00
218.65
-54.5

23
34.22
219.65
-53.5

24
29.30
220.65
-52.5

25
25.11
221.65
-51.5

26
21.53
222.65
-50.5

27
18.47
223.65
-49.5

28
15.86
224.65
-48.5

29
13.63
225.65
-47.5

30
11.72
226.65
-46.5
0.01
31
10.08
227.65
-45.5

32
8.68
228.65
-44.5

33
7.48
231.45
-41.7

34
6.46
234.25
-38.9

35
5.59
237.05
-36.1

36
4.84
239.85
-33.3

37
4.20
242.65
-30.5

38
3.65
245.45
-27.7

39
3.18
248.25
-24.9

40
2.78
251.05
-22.1
0
41
2.42
253.85
-19.3

42
2.12
256.65
-16.5

43
1.86
259.45
-13.7

44
1.63
262.25
-10.9

45
1.43
265.05
-8.1

46
1.26
267.85
-5.3

47
1.11
270.65
-2.5

48
0.98
270.65
-2.5

49
0.86
270.65
-2.5

50
0.76
270.65
-2.5

51
0.67
270.65
-2.5


utiliza estos datos para realizar una tabla Excel y analízalos de la siguiente forma:

  • Representa gráficamente la altura (km) frente a la temperatura (ºC). Una vez que tengas la gráfica, pégala en un programa de edición de imágenes (puede ser el Paint) y de acuerdo a las distancias que se muestra en la tabla “Estructura vertical de la atmósfera”, indica las partes de la atmósfera que se pueden apreciar en tu gráfica, con el nombre de los límites de cada capa incluidos, como la Tropopausa y la Estratopausa. 
Importante: chequea que tu representación gráfica tiene sentido y que las capas que vas indicando en tu retoque digital respetan los datos de Temperatura que se mencionan en la tabla “Estructura vertical de la atmósfera”.
  • Explica por qué se producen las variaciones de temperatura en cada capa de la atmósfera que tienes en tu representación gráfica. 
  • A continuación representa la altitud (km) frente a la Presión (hPa) y explica el comportamiento de la presión frente a la altura. 
  • Por último, representa la altitud frente a la densidad (kg/m3) y explica su comportamiento. 

¿Cómo funciona un paracaídas?. Caída libre. Galileo.  Velocidad terminal.

Estos son los globos y paracaídas que vamos a utilizar:

Globo Totex TA 1500 y dos paracaídas Spherachute 42in

Estos son los datos que tomamos de referencia para los cálculos, teniendo en cuenta los datos de fabricante
 
Globo sonda
altura de explosión
velocidad de ascenso
Peso globo
Diámetro rotura
Totex TA1000
 
35958
5
1 kg
7,86
Totex TA1200
37656
5
1,2 kg
8,63
Totex TA1500
38242
5
1,5 kg
9,44
Totex TA2000
38138
5
2 kg
10,2
Pawan CPR 2000
38138
5
2 kg
10,2
Pawan CPR 1600
37982
5
1,6 kg
9,5
Pawan CPR 1200
38807
5
1,2 kg
9,1
Pawan CPR 800
33419
5
0,8 kg
6,6
 

Estos datos están calculados considerando que el peso que subirán será de 1,2 Kg

Paracaídas

SpheraChute 54in cargado con 2kg de peso baja a 4,68 m/s con 1,5 kg a 3,31 m/s
SpheraChute 48in cargado con 2kg de peso baja a 5,27 m/s con 1,5 kg a 3,73 m/s
SpheraChute 42in cargado con 2kg de peso baja a 6,02 m/s con 1,5 kg a 4,26 m/s
5 pird RocketMan cargado con 2 kg de peso baja a 4,71 m/s con 1,5 kg a 3,33
4ft RocketMan cargado con 2 kg de peso baja a 5,89 m/s con 1,5 kg a 4,17 m/s

Estas velocidades son velocidades de descenso estimadas a nivel del mar

PRÁCTICA.  Diseño y construcción del habitáculo.




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