Conceptos Clave de la Atmósfera Terrestre y la Medición de Altitud Aeronáutica

Introducción a la Atmósfera Terrestre

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea la Tierra. No existe un límite definido; las partículas de aire son cada vez menos numerosas a medida que aumenta la altitud hasta que, gradualmente, superan la fuerza de la gravedad y escapan al espacio exterior.

Estructura y Capas de la Atmósfera

La atmósfera se clasifica en diferentes capas según sus características predominantes:

Capas según la Temperatura

• Troposfera: La capa más cercana a la superficie terrestre, donde ocurren la mayoría de los fenómenos meteorológicos.
• Estratosfera: Contiene la capa de ozono, que absorbe la radiación ultravioleta del sol.
• Mesosfera: Capa donde la temperatura disminuye con la altitud.
• Termosfera: Capa con temperaturas muy elevadas debido a la absorción de radiación solar de alta energía.
• Exosfera: La capa más externa, donde las partículas de gas escapan al espacio.

Capas según su Composición

• Homosfera: Las capas inferiores donde la composición de los gases es relativamente uniforme.
• Heterosfera: Las capas superiores donde los gases se estratifican según su peso molecular.

Capas según las Propiedades Eléctricas

• Troposfera: Aunque no es una capa eléctrica principal, tiene cierta actividad.
• Ozonosfera: Parte de la estratosfera rica en ozono.
• Ionosfera: Capa ionizada por la radiación solar, importante para las comunicaciones de radio.
• Magnetosfera: Región del espacio alrededor de la Tierra donde el campo magnético terrestre es dominante.

Principios Físicos de la Atmósfera

Ecuación de Estado de los Gases Perfectos

La relación entre presión, densidad y temperatura en un gas se describe mediante la siguiente ecuación:

P = R · ρ · T

Donde:

• P es la presión.
• R es la constante específica del gas.
• ρ (rho) es la densidad.
• T es la temperatura absoluta.

La Atmósfera Estándar Internacional (ISA)

La Atmósfera Estándar Internacional (ISA) es un modelo teórico que define cómo varían la presión, la temperatura y la densidad con la altitud en una atmósfera idealizada. Es fundamental para la calibración de instrumentos aeronáuticos y el diseño de aeronaves.

Ecuación Fundamental de la Fluidostática

La variación de la presión con la altitud se rige por la ecuación fundamental de la fluidostática:

dP = -ρ · g · dh

Donde:

• dP es el cambio infinitesimal de presión.
• ρ es la densidad del fluido.
• g es la aceleración de la gravedad.
• dh es el cambio infinitesimal de altura.

Hipótesis de la Atmósfera Estándar

La ISA se basa en las siguientes suposiciones:

• El aire es seco y limpio (sin humedad ni polvo).
• Se comporta como un gas perfecto.
• Cumple la ecuación de estado, permitiendo determinar las tres propiedades (presión, densidad, temperatura) conociendo los valores de dos.
• Está sometida a una aceleración de la gravedad constante de 9,81 m/s² (no varía con la altitud).
• Al nivel medio del mar (MSL), se establecen unos valores fijos de referencia:
  • Presión (P₀): 1013 mb o hPa
  • Densidad (ρ₀): 1,225 kg/m³
  • Temperatura (T₀): 15 °C

Ajustes y Calibración del Altímetro

Los altímetros son instrumentos esenciales en aviación que miden la altitud basándose en la presión atmosférica. Para una lectura precisa, requieren ajustes específicos:

Tipos de Ajuste del Altímetro

• QNE: Consiste en establecer el valor de presión de la ISA a nivel del mar (1013 hPa). Así, el altímetro marca la altitud de presión, utilizada para determinar los niveles de vuelo estandarizados.
• QFE: Es el valor de la presión barométrica en el lugar en que nos encontramos. Al colocar el altímetro a cero en cualquier posición (por ejemplo, en la pista de un aeropuerto), nos muestra la altitud de presión relativa a ese punto.
• QNH: Presión a nivel del mar calculada a partir de la presión atmosférica local. Al introducir este valor en el altímetro, nos mostrará la elevación conocida del aeródromo o la altitud real sobre el nivel del mar.

Conceptos Fundamentales de Altitud

Terminología Clave

• Altitud: Distancia vertical desde una posición considerada al nivel del mar.
  • Altitud geopotencial: La que corresponde a suponer la aceleración de la gravedad constante en los cálculos de presión en función de la altitud.
  • Altitud geométrica: Distancia del punto considerado al nivel del mar y se puede hallar considerando la ecuación fluidostática y la aceleración real a cada altitud.
• Elevación: Distancia vertical desde el nivel del mar a un punto del terreno (por ejemplo, la elevación de una montaña o un aeropuerto).
• Altura: Distancia vertical al suelo que se está sobrevolando (por ejemplo, la altura de un avión sobre el terreno).

Clasificación de Altitudes

• Altitud de Presión: Lectura del altímetro con la escala de ajuste en 1013 mb (QNE).
• Altitud de Densidad: Altitud resultante de corregir el valor de la altitud de presión respecto a la atmósfera estándar, o bien la altitud estándar considerando la densidad del lugar. Es crucial para el rendimiento de las aeronaves.
• Altitud Indicada: La que marca el altímetro con el ajuste realizado (QNH o QFE).
• Altitud Calibrada: Resulta de corregir la altitud indicada en cuanto a errores internos del instrumento y de posición de toma estática.
• Altitud Verdadera: Altitud calibrada corregida para las condiciones reales de temperatura. Es la altitud real sobre el nivel del mar.

Errores Comunes del Altímetro

Los errores en la lectura del altímetro son causados principalmente por la diferencia entre la densidad local del aire y la del nivel del mar en un día estándar. Estos incluyen:

• Error de Instrumento: Imperfecciones en la fabricación o calibración del altímetro.
• Error de Posición: Causado por la ubicación de la toma estática en la aeronave, que puede verse afectada por el flujo de aire.
• Error de Compresibilidad: Relacionado con la suposición de incompresibilidad del aire en ciertos cálculos, que no es del todo cierta a altas velocidades.