El aire como una mezcla de Dalton

 En nuestras actividades diarias y en el ámbito académico, es común encontrar la idea errónea de que aire y oxígeno son equivalentes. Sin embargo, esta percepción es incorrecta. El aire es una mezcla compleja de gases, mientras que el oxígeno es solo su segundo componente más abundante. El principal constituyente del aire seco es el nitrógeno molecular (N₂), que representa aproximadamente el 78 % en volumen, seguido por el oxígeno molecular (O₂), con un 21 %. Otros gases —como dióxido de carbono (CO₂), argón y vapor de agua— aparecen en proporciones menores, aunque desempeñan roles esenciales en la química atmosférica y en numerosos procesos ambientales.

Figura 1. La importancia de la ley de las presiones parciales se destaca especialmente en el contexto del aire. Este último consiste en una mezcla de gases, tales como nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, vapor de agua y otros componentes menores.

No es una composición constante

La composición actual del aire es el resultado de millones de años de interacción entre procesos geológicos y procesos biológicos. La atmósfera primitiva contenía principalmente dióxido de carbono, vapor de agua y gases volcánicos. A medida que la Tierra se enfrió, el vapor de agua se condensó formando los océanos, mientras que organismos fotosintéticos primitivos, como las cianobacterias, comenzaron a liberar oxígeno mediante fotosíntesis. Con el paso del tiempo, este oxígeno se acumuló en la atmósfera, permitiendo el desarrollo de formas de vida más complejas. Paralelamente, el nitrógeno, proveniente de la desgasificación volcánica, se estabilizó como el componente predominante gracias a su alta estabilidad química.

A pesar de representar menos del 0.04 % del aire, el dióxido de carbono (CO₂) ejerce un efecto desproporcionado en el clima global debido a su capacidad de actuar como gas de efecto invernadero, atrapando energía térmica y contribuyendo al calentamiento global. En este contexto, las emisiones humanas son un factor determinante. En 2022, China emitió alrededor de 12 000 millones de toneladas métricas de CO₂, seguida por Estados Unidos con aproximadamente 5 000 millones. Europa, África y Latinoamérica emitieron cerca de 3 000, 1 200 y 1 300 millones de toneladas respectivamente. Estas diferencias reflejan contrastes profundos en industrialización, desarrollo económico y políticas ambientales entre regiones.

 

Figura 2.  Una bomba ciclónica ocurre cuando una baja presión se intensifica rápidamente por el choque entre aire cálido ascendente y aire polar muy frío. El calentamiento global aumenta su potencia al elevar corrientes de aire que luego se enfrían más, intensificando la caída de presión. En 2022, este fenómeno provocó una helada extrema en EE. UU., causando decenas de muertes y daños severos. (Enlace).

 En el ámbito climático, un aumento de energía térmica no siempre se traduce en un incremento uniforme del calor. Factores como la densidad del aire, su dinámica vertical y la interacción entre masas frías y cálidas determinan cómo se distribuye la energía en la atmósfera. El aire caliente, al ser menos denso, asciende, se enfría en las capas superiores y luego desciende, formando ciclos convectivos que redistribuyen el calor de manera desigual. Estos procesos pueden intensificar fenómenos extremos, como heladas severas, tormentas violentas y variaciones abruptas de temperatura, evidenciando la profunda interconexión de los sistemas atmosféricos.

Un ejemplo de esta dinámica se observa en grandes centros urbanos. En ciudades industriales de China, las concentraciones de contaminantes como las PM2.5 suelen alcanzar valores promedio entre 30 y 50 µg/m³, afectando la calidad del aire y amplificando los efectos térmicos locales. En Latinoamérica, urbes como Ciudad de México presentan valores cercanos a 25 µg/m³, mientras que en parte de Europa, gracias a regulaciones ambientales estrictas, algunas ciudades mantienen niveles más bajos, en torno a 10–15 µg/m³, aunque los picos en días críticos pueden superar ampliamente estos rangos.

Tabla 1. La tabla muestra que el aire es una mezcla gaseosa descrita mediante fracciones molares, de volumen y de masa, permitiendo cuantificar la contribución de cada gas. También incluye la masa molar ponderada, con la cual se obtiene la masa molar promedio del aire (≈28.96 g/mol), un valor global muy estable. Pequeñas variaciones en su composición generan grandes efectos climáticos.

Cuidar el aire implica no solo preservar su composición química, sino también comprender su dinámica atmosférica y su relación directa con el clima global. La sostenibilidad requiere ciudadanos científicamente informados, capaces de impulsar prácticas responsables y políticas adecuadas. Desde la expansión de energías renovables en Europa, pasando por la reducción de la deforestación en Latinoamérica, hasta el desarrollo de tecnologías de captura de carbono en Estados Unidos, cada región desempeña un papel clave en la protección de este recurso esencial. El aire no es simplemente una mezcla de gases: es el vínculo vital que conecta a todos los seres vivos con el planeta.

Evolución de la composición del aire

La evolución del oxígeno en la Tierra ha sido fundamental para la configuración de la vida y los procesos geológicos. Hace aproximadamente 3.5 mil millones de años, la atmósfera primitiva contenía cantidades insignificantes de oxígeno libre. La vida anaerobia predominaba, y el oxígeno que se producía era absorbido por procesos químicos. Las cianobacterias, mediante la fotosíntesis, comenzaron a liberar oxígeno alrededor de 2.4 mil millones de años atrás, lo que desencadenó la Gran Oxidación o Crisis del Oxígeno. Durante este evento, el oxígeno se acumuló gradualmente en la atmósfera, cambiando la química global. Uno de los principales indicadores de este cambio fue el enrojecimiento de las bandas de hierro en los océanos, conocidas como Formaciones de Hierro Bandeado (BIF, por sus siglas en inglés). Estas formaciones ocurrieron cuando el oxígeno reaccionó con el hierro disuelto en los océanos, oxidándolo y provocando la precipitación de óxidos de hierro, que se depositaron en los fondos oceánicos. Este proceso marcó el inicio de la acumulación de oxígeno en la atmósfera (Kump, 2008).

Hace aproximadamente 600 millones de años, el oxígeno atmosférico alcanzó concentraciones cercanas a las actuales, lo que permitió la aparición de formas de vida más complejas y aeróbicas. Sin embargo, su nivel no permaneció estable; fluctuó a lo largo de las eras geológicas. Un periodo especialmente notable fue el Carbonífero (359–299 millones de años), cuando el oxígeno alcanzó su máximo histórico, llegando hasta un 35 %, muy por encima del 21 % actual. Este exceso alteró profundamente el equilibrio entre herbívoros y plantas, favoreciendo la expansión de vastas “superjunglas” que cubrieron una parte significativa del planeta.

 Un elemento clave en esta dinámica fue la ausencia de hongos capaces de descomponer lignina, el principal componente estructural de la madera. Aunque los bosques producían enormes cantidades de biomasa, gran parte de ella no se descomponía y quedaba acumulada en pantanos y suelos anóxicos. Esto interrumpía el reciclaje del carbono hacia la atmósfera y permitía que el oxígeno continuara acumulándose. Con el paso del tiempo, estas capas de material vegetal comprimido dieron origen a los grandes depósitos de carbón fósil que hoy explotamos. No es casualidad que el periodo lleve el nombre de Carbonífero, precisamente por la magnitud de estos depósitos.

Este ambiente excepcionalmente rico en oxígeno también favoreció el desarrollo de organismos gigantes, especialmente entre los artrópodos. A diferencia de los vertebrados, los artrópodos dependen de un sistema respiratorio de tráqueas donde el oxígeno se difunde pasivamente, lo que en la actualidad limita su tamaño. Pero en el Carbonífero, la abundancia de oxígeno permitió superar esta restricción fisiológica, dando lugar a criaturas enormes: libélulas con más de 70 cm de envergadura y miriápodos de casi 2 metros de longitud. En este contexto, el tamaño de los artrópodos estaba directamente condicionado por la disponibilidad atmosférica de oxígeno, lo que explica la existencia de una megafauna invertebrada irrepetible en la historia de la Tierra.

Figura 3.  Arthropleura fue un miriápodo gigante del Carbonífero, el mayor invertebrado terrestre conocido, alcanzando 2.5 metros. Vivió en superbosques húmedos y probablemente fue herbívoro. Su enorme tamaño se debió a los altos niveles de oxígeno de la época. Desapareció por el cambio climático, la reducción del oxígeno y la aparición de nuevos depredadores vertebrados, que transformaron su ecosistema.

La columna de aire

La concentración de oxígeno disponible en la atmósfera varía considerablemente con la altitud. A nivel del mar, el aire contiene cerca del 21 % de oxígeno, pero a medida que se asciende, la presión atmosférica disminuye, lo que reduce la cantidad efectiva de oxígeno que puede inhalarse. Aunque el porcentaje se mantiene prácticamente igual, la menor presión parcial de oxígeno hace que cada respiración aporte menos moléculas, dificultando el funcionamiento normal del cuerpo.

Figura 4.  Los pilotos de cazas como el F-22, los Sukhoi rusos o los J-20 chinos enfrentan cambios extremos de presión y fuerzas G que causarían hipoxia sin asistencia. Por ello usan cabinas presurizadas, máscaras conectadas al sistema OBOGS, que genera oxígeno en tiempo real, y trajes anti-G, que mantienen el flujo sanguíneo cerebral. Estos sistemas les permiten operar maniobras y altitudes extremas con seguridad.

Un ejemplo extremo se encuentra en la cima del Monte Everest (8848 metros), donde la presión atmosférica es aproximadamente un tercio de la que hay al nivel del mar. En estas condiciones, la disponibilidad de oxígeno se reduce de manera drástica, provocando hipoxia severa. Por esta razón, la mayoría de los escaladores necesita utilizar oxígeno suplementario, ya que el organismo humano no puede adaptarse completamente a presiones tan bajas en escaladas rápidas.

De forma similar, los aviones comerciales vuelan entre 10 000 y 12 000 metros, altitudes donde la presión es demasiado baja para la supervivencia humana sin asistencia. Para garantizar seguridad y confort, la cabina se mantiene presurizada a condiciones equivalentes a las de unos 2400 metros de altitud, lo que asegura una presión parcial de oxígeno suficientemente alta para que pasajeros y tripulación respiren con normalidad.

Figura 5.  La figura muestra que, en presencia de gravedad, los gases no se distribuyen homogéneamente en contenedores altos. Las partículas se concentran en la parte inferior, igual que en la atmósfera terrestre, donde la densidad y la presión son mayores al nivel del mar y disminuyen con la altitud. Este gradiente afecta fenómenos meteorológicos, la aviación y la disponibilidad de oxígeno para los seres vivos.

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