jueves, 20 de octubre de 2016

Sistema Teleférico Mukumbarí



Mukumbarí: 
El ascensor de la Sierra más largo y alto del Mundo 
(Primera parte)

Orlando B. Escalona T. 
Gregoria Cabral


Fig. 1 La majestuosidad de la sierra se retrata en esta postal.

Mukumbarí, “lugar donde duerme el Sol” en lengua originaria para designar a la majestuosa Sierra Nevada (figura 1), despierta hoy como el ingenio mecánico en su tipo, técnicamente más elaborado del planeta. Ya entró en funcionamiento el nuevo sistema teleférico que cada día nos acerca más a la cima de las altas cumbres andinas para contemplar de cerca las Cinco Águilas Blancas de Don Tulio Febres Cordero, que “vinieron del cielo estrellado en una época muy remota”, “…revolotearon por encima de las crestas desnudas de la cordillera, y se sentaron al fin, cada una sobre un risco, clavando sus garras en la viva roca; y se quedaron inmóviles, silenciosas, con las cabezas vueltas hacia el Norte, extendidas las gigantescas alas en actitud de remontarse nuevamente al firmamento azul”, originándose así cinco enormes masa de hielo, los picos: Bolívar, Humboldt, Bonpland, La Concha y El Toro.

    Totalmente reconstruido por el Gobierno Bolivariano. Desde la estación Barinitas a 1.578 m s.n.m (figura 2.a) en la ciudad de Mérida, Venezuela, inicia su recorrido hasta el Pico Espejo ubicado a 4.765 m s.n.m en el Parque Nacional Sierra Nevada de la Cordillera Andina. En sus modernos funiculares (cabinas) se asciende 3.188 m a lo largo del sistema de guayas de 12,5 km de longitud a la velocidad promedio de 9 m/s (32 km/h), haciendo escala en cuatro tramos con sus respectivas estaciones de trasbordo (La Montaña, La Aguada, Loma Redonda y Pico Espejo).


Fig. 2.a Estación Barinitas en la ciudad de Mérida.
Fotografía de: @Minturvenezuela (Mérida, 2016).


Fig. 2.b Estación La Montaña. 
Fotografía de: @Minturvenezuela (Mérida, 2016).


Fig. 2.c Vista de la ciudad de Mérida desde la estación La Montaña. 
Fotografía de: Grupo WhatsApp La Tropa (Mérida, 2016).


Fig. 2.d Estación la Aguada. 
Fotografía de: Grupo WhatsApp La Tropa (Mérida, 2016). 

    Este elevador de la Sierra Nevada, además de la contemplación del exótico paisaje andino, permite la exploración y estudio de la diversidad de procesos naturales relacionados con cambios de las condiciones atmosféricas. El ascenso y descenso del teleférico se realiza en la tropósfera, capa atmosférica en contacto con la superficie terrestre a nivel del mar (0 m s.n.m) con alrededor de 16 km de espesor en el ecuador terrestre. 


Caracterización de la tropósfera

El estudio de cualquier sistema físico requiere su caracterización previa, al igual que la de aquellos agentes externos con los cuales interacciona, a partir de las teorías y leyes establecidas por la Física. Esto permite cuantificar la importancia de los procesos que se manifiestan en el sistema, y sus trascendencias en la conformación de su estructura y evolución temporal.

    El aire atmosférico, el cual se extiende desde la superficie terrestre, ha sido confinado y estructurado por la gravedad en capas con características particulares que han permitido el desarrollo y mantenimiento de la vida en el planeta. Cinco son las capas que conforman la atmósfera: tropósfera, estratósfera, mesósfera, termósfera y exósfera; cada una con sus particularidades físicas y funciones específicas en la dinámica atmosférica. En el presente trabajo, restringimos el análisis a la tropósfera, escenario de nubes, vientos, lluvias y nevadas, y teatro de operaciones de nuestro magno artilugio electromecánico de la sierra.

    La tropósfera, ubicada a menor altitud en la atmósfera terrestre, es una suerte de amalgama de varios gases neutros; está compuesto de 78 % de nitrógeno (N2), 21 % de oxígeno (O2), trazas de otros elementos (argón, neón, dióxido de carbono, metano, óxido nitroso, ozono, hidrógeno, helio), aerosoles (partículas de polvo, polen, ceniza volcánica, esporas) y vapor de agua (H2O); aunque esta composición varía a medida que se asciende. El oxígeno es vital para la vida, el CO2 permite la fotosíntesis, y el vapor de agua actúa como regulador térmico, entre otras funciones. 

     La atracción gravitacional atrae las moléculas y trata de mantenerlas cerca de la superficie terrestre; pero no se mantienen a esa altura porque, en primer lugar, la luz solar calienta la superficie de los continentes, y luego reemite una parte de esa energía en forma de radiación infrarroja; radiación, que al ser absorbida por las moléculas, les suministran suficiente energía para desplazarse, rotar sobre sí mismas y excitarse. En segundo lugar, la tropósfera también adquiere energía térmica por conducción debido a la diferencia de temperatura que mantiene con la superficie caliente; y en tercer lugar, mediante el desplazamiento vertical de masas caliente de aire, proceso termodinámico de transporte e intercambio energético conocido como convección de calor. En consecuencia, las moléculas se mueven en forma aleatoria con diferentes velocidades, y el aire adquiere la temperatura y la presión que caracteriza su estado termodinámico. De tal enjambre de moléculas, aquellas con mayor masa como el nitrógeno (N2) y el oxígeno (O2) molecular, serán más lentas, y con mayor fuerza serán atraídas por la Tierra hacia el fondo de la tropósfera (0 m s.n.m), aumentando sus concentraciones a nivel del mar; aquellas otras de menor masa, como el hidrógeno (H2) y el helio (He), podrán adquirir velocidades más altas, y estarán más concentradas en las capas superiores de la atmósfera (termósfera y exósfera), de dónde algunas se han escapado hacia el espacio interplanetario. En resumen, por acción del campo gravitatorio terrestre, las capas inferiores de la atmósfera más cercanas al nivel del mar, estarán comprimidas por el peso de las capas superiores, resultando que se establezca en la tropósfera un gradiente de presión, con disminución de ésta con la altura. En parte, esto provoca a su vez la disminución de la temperatura y la densidad del aire con la altura, como veremos más adelante. 

   Como todo gas neutro, la tropósfera está caracterizada por tres parámetros termodinámicos (presión p, densidad ρ y temperatura T) relacionados mediante la conocida ecuación de estado p = f(ρ,T). La presión atmosférica es el peso por unidad de área ejercida por la columna de gas ubicada por encima del punto de medida. Se mide en pascal, atmósfera, Torr, psi (lib/pulg2), mmHg, entre otras unidades; a nivel del mar la presión atmosférica es de 101.325 Pa = 1,01325 bar = 760 Torr = 760 mmHg = 14,70 psi (en comparación algunos cauchos de automóvil se podrían inflar a 30 psi de presión), por ejemplo. La densidad es la masa por unidad de volumen y se mide en g/cm3 o kg/m3; a nivel del mar la densidad del aire es de 1,31 kg/m3 (es decir, un volumen de 1  m3 contiene una masa de 1,31 kg). Por otra parte, la temperatura nos permite tener idea de qué tan caliente, tibio o frío está un cuerpo respecto a un valor de referencia, está asociada con los movimientos aleatorios (desordenados) de traslación de los átomos y moléculas de la atmósfera, y depende proporcionalmente de la energía cinética promedio debido al movimiento de traslación de las moléculas; en consecuencia, a mayor agitación molecular mayor es la temperatura de la atmósfera. La temperatura se mide en grados kelvin (K) o grados Celsius (oC) (dónde T(oK)= t (oC)+ 273 es la relación entre éstas). 

    Por las consideraciones anteriores, nuestra tropósfera no es más que un gas ideal conformado por aire seco (moléculas diatómicas) y vapor de agua (entre el 2% y el 5%), confinado por la gravedad terrestre, y calentado por la luz visible y ultravioleta de la radiación solar. Este modelo se conoce como Atmósfera Estándar Internacional (en inglés ISA, International Standard Atmosphere), y a pesar de su simplicidad da cuenta de la estructura y comportamiento general de la tropósfera (ver Tema avanzado). 

    El aire de la tropósfera es húmedo ya que contiene, en mayor o menor grado, cierta cantidad de vapor de agua en suspensión; cantidad que dependerá de la temperatura que tenga el aire en ese momento, de modo que podrá alojar más vapor de agua mientras mayor sea su temperatura. Se define de varias formas. La humedad absoluta del aire se mide por la masa (g) de vapor de agua contenida en cierto volumen (m3) de aire, para determinados valores de presión y temperatura; aunque también se puede medir mediante la humedad específica, expresada como la masa (kg) de vapor de agua contenido en cierta masa (kg) de aire húmedo. También se define la humedad relativa como la relación del número de moles -otra forma de medir la masa- de vapor de agua al número de moles del aire húmedo no saturado, para cierta temperatura; no saturado significa que el aire a esa temperatura no acepta más vapor de agua, de modo que cualquier cantidad extra de vapor que se le agregue al aire, condensaría, pasando al estado líquido. La humedad absoluta del aire no supera los 40 g/m3 y la relativa varía entre 0 y 100%. Una atmósfera con 90 % de humedad contiene mucho vapor de agua. Así por ejemplo, la humedad absoluta en la estación Pico Espejo durante el mes de julio de 2005, en promedio fue de 6,5 g/m3, con fluctuaciones de hasta de 2,0 g/m3 entre la noche y el día; según registro de la Red Bioclimática del Parque Nacional Sierra Nevada de Mérida. En forma porcentual la humedad relativa fue del 85% en promedio. 

    El vapor de agua que se aloja en el aire atmosférico actúa como regulador térmico mediante el intercambio de calor y energía entre los diferentes componentes del sistema climático.


Agentes externos de interacción

Varios factores intervienen en el sistema que hemos denominado tropósfera. Campos externos, radiación y partículas, articulan sus efectos para generar la estructura troposférica con las propiedades que conocemos.

    La masa terrestre es, principalmente, la fuente de la gravedad en el espacio ocupado por la atmósfera. La intensidad del campo gravitacional g tiene un valor aproximado de 9,80 N/kg a nivel del mar y disminuye con la altura. En consecuencia, la Tierra actúa con una fuerza de atracción (llamada peso) dirigida hacia su centro e induce aceleraciones de 9,80 m/s2 sobre los cuerpos que se mueven cerca de su superficie; y de menor magnitud a elevadas alturas. Por consiguiente, la Tierra atrae con menor fuerza a los cuerpos que se encuentran a mayor altura, de modo que al ascender verticalmente disminuye el peso de los mismos. Sin embargo, aun en el límite superior de la tropósfera a 16 km de altura, podemos considerar g constante; aunque, para una altitud fija, cambia de región a región sobre la superficie terrestre dependiendo de las características particulares de la topografía local y su composición química.

    Para caracterizar la atmósfera terrestre, hay que tener en cuenta lo siguiente. Como ya mencionamos, se trata de un sistema gaseoso homogéneo constituido por moléculas de diversos tipos más algunos aerosoles, sometido a la acción de los campos gravitacional, magnético y eléctrico de la Tierra, expuesto al efecto de la radiación (espectro electromagnético) y viento solar (núcleos de hidrógeno y helio), así como a la radiación electromagnética (rayos x, rayos gamma) y rayos cósmicos (electrones, protones y partículas alfa) del espacio intergaláctico. Sin embargo, consideraremos aquí un modelo muy simplificado de este complejo caldo de componentes atómicos y moleculares, bajo la acción de agentes externos que inducen la diversidad de procesos físicos de la atmósfera. Por su parte, el campo magnético terrestre, viento solar, rayos gamma, rayos cósmicos, rayos x, neutrinos, entre otros, no intervienen directamente en la dinámica atmosférica a nivel troposférico, aunque sí son determinantes de diferentes procesos que se dan en las capas superiores (de ozono, magnetósfera) ubicadas a elevada altura, indispensables en la protección de la vida del planeta. 

    Nuestro Sol es la fuente principal de la energía que llega a la Tierra, con su amplio abanico espectral electromagnético de radiación infrarroja, ultravioleta, luz visible, rayos x y rayos gamma. La energía interceptada por la Tierra, en promedio, es de 1.350 W/m, es decir, a cada metro cuadrado de superficie le cae 1.350 W (J/s); en consecuencia, sí toda esta energía se aprovechara, en principio se podrían prender 13 bombillos de 100 W cada uno. Aproximadamente el 50% de la luz visible y una fracción de la ultravioleta pasa a través de su atmósfera e incide sobre la superficie terrestre (continentes), y al ser absorbida por ésta, la calienta. El aire de la región más baja de la troposfera se calienta también por conducción al estar en contacto con un suelo de mayor temperatura. Por efecto del calentamiento, el suelo emite radiación infrarroja de longitudes de onda largas que son absorbidas por la capa de aire más adyacente de la tropósfera, la calienta y aumenta su temperatura. 

 Modelo de Atmósfera Estándar

Por debajo de 86 km los diferentes componentes atmosféricos se han mezclado tan bien, que se cuenta con un gas homogéneo. Bajo estas condiciones el aire seco o húmedo se comporta como un gas ideal con peso molecular promedio M, presión P, densidad ρ y temperatura T; y en cualquier punto de la atmósfera estas magnitudes están relacionadas mediante la ecuación de estado del gas ideal P = R ρ T/M, donde R es la constante universal de los gases; y donde P es igual a la suma de las presiones parciales de los componentes atmosféricos. 

    Por otra parte, como el aire troposférico se encuentra sometido a la acción del campo gravitacional constante g, se mantiene en equilibrio mecánico (hidrostático) con un gradiente vertical de presión, y en consecuencia la presión P sólo depende de la altitud z. Relación analítica dada por

dP/dz = -g ρ z, 

donde ρ es la densidad del aire atmosférico. Esta ecuación resalta el hecho de que la atmósfera se puede considerar estratificada en capas delgadas y que el peso de cada cada una de ellas es soportado por el gradiente vertical de presión; con la cual se puede encontrar la dependencia de la presión de la altitud.

    Aunque la tropósfera está en equilibrio mecánico, no está en equilibrio térmico; de modo que la temperatura T (en grados oK) también será función de la altitud z (en m), y se puede expresar aproximadamente como:

T= To - GA z

donde To es la temperatura de referencia a nivel del mar e igual a 288,15 oK (15 oC) para el modelo estándar de aire seco, y GA es el gradiente adiabático. Aquí se toma en cuenta el hecho de que la disminución de la temperatura en grados oC con la altitud es aproximadamente GA = 6,5 oC/km; significa esto que cada vez que se asciende verticalmente 1 km, la temperatura disminuye 6,5 oC. Este parámetro se conoce como gradiente adiabático húmedo y su valor depende del grado de humedad del aire; el gradiente adiabático húmedo con el valor anterior de 6,5 oC/km se diferencia del gradiente adiabático seco cuyo el cual es de 9,8 oC/km.

     Con las tres ecuaciones anteriores se puede demostrar que la presión y la altitud z siguen la dependencia potencial expresada de la siguiente manera: 

P = Po (1 - GA x/To)5,23

donde Po = 760 mm Hg es la presión atmosférica a nivel del mar, (ver Tema Avanzado). Según esta última ecuación, la estación Barinitas en la ciudad de Mérida, ubicada a 1.578 m, tiene la presión atmosférica de 729 mm Hg, y Pico espejo a 4.765 m, tiene 419 mm Hg; es decir, al subir a la estación Pico Espejo, la más alta del Sistema Teleférico Mucumbarí, la presión disminuye en un 40% comparada con Barinitas. 

    Las correspondientes gráficas de la variaciones de la presión P (en mm Hg) y la temperatura t (en oC) con la altitud z (en m), se muestran en las figuras 3 y 4, respectivamente. Se dan los valores de las presiones en las demás estaciones, considerando que GA es de 6,1 oC/km, a fin de hacer el ajuste correspondiente de parámetros para reproducir, dentro del intervalo de oscilaciones diarias, los valores medios de presión y temperatura. Se puede observar cómo disminuyen P y t con z a medida que se asciende hasta la última estación. Como las estaciones Barinitas y Pico Espejo están separadas 3.200 m de altura, la diferencia de temperatura será de aproximadamente 20 oC .


Fig. 3 Presión atmosférica P en función de la altitud z. 
Se muestran los valores en cada estación del teleférico. 



Fig. 4 Temperatura del aire t en función de la altitud z. 
Se muestran los valores en cada estación del teleférico. 

    A medida que se realiza el ascenso desde la primera estación, las condiciones térmicas de la atmósfera cambian; la presión atmosférica, en primer lugar, disminuye; por igual, la temperatura se reduce; así mismo, la densidad del aire. Esto ocurre porque la gravedad terrestre, entre otros factores termodinámicos, establece gradientes de presión, densidad y temperatura con la altura, es decir, disminuciones progresivas a medida que se asciende. Tales cambios de temperatura, presión y densidad no son estáticos, al contrario, varían durante el día y los años, ajustándose a los cambios atmosféricos continentales. 

    En las gráficas de las figuras 5 y 6 se muestran las variaciones de la temperatura en las estaciones La montaña y Loma Redonda, durante el mes de julio de 2005, según los registros climáticos de la Red Bioclimática del Parque Nacional Sierra Nevada de Mérida. Se pueden notar las fluctuaciones diarias de la temperatura entre el día y la noche, así como la variación día a día. Por ejemplo, en Loma Redonda se dieron variaciones de hasta 16 oC entre el día y la noche, aunque pueden ser mayores según la época del año. 


Fig. 5 Temperatura del aire en función del tiempo durante 21 días del mes de julio de 2005 en la estación Loma Redonda según registro climáticos de la Red Bioclimática del Parque Nacional Sierra Nevada de Mérida (disponible en http://www.cme.farm.ula.ve/registros.html). La línea roja horizontal corresponde al valor medio de ese mes. Adaptación hecha por los autores. 



Fig. 6 Temperatura del aire en función del tiempo durante 21 días del mes de julio de 2005 en la estación La Montaña según registro climáticos de la Red Bioclimática del Parque Nacional Sierra Nevada de Mérida (disponible en http://www.cme.farm.ula.ve/registros.html). La línea roja horizontal corresponde al valor medio de ese mes. Adaptación hecha por los autores. 

    Por otra parte, en relación a la estación Pico Espejo, se puede señalar que la temperatura media es de 1 oal mediodía, con variaciones que van desde -8 oC en la madrugada hasta 4 oal mediodía.

Continuará!