Atmósfera terrestre

La característica composición del aire permite que laslongitudes de ondaazules sean más visibles que las de otros colores, lo cual da un color azulado a la atmósfera terrestre desde el espacio. En el trasfondo se puede apreciar laLunaligeramentedistorsionadapor el aire.

Laatmósfera terrestrees la partegaseosade laTierra,siendo por esto la capa más externa y menosdensadel planeta. Está constituida por varios gases que varían en cantidad según la presión a diversas alturas. Esta mezcla de gases que forma la atmósfera recibe genéricamente el nombre deaire.El 75 % demasaatmosférica se encuentra en los primeros 11kmde altura, desde la superficie del mar. Los principales gases que la componen son: eloxígeno(21 %) y elnitrógeno(78 %), seguidos delargón,eldióxido de carbonoy elvapor de agua.

La atmósfera y lahidrosferaconstituyen elsistemade capasfluidassuperficialesdel planeta, cuyosmovimientosdinámicos están estrechamente relacionados. Las corrientes de aire reducen drásticamente las diferencias detemperaturaentre eldíay lanoche,distribuyendo el calor por toda la superficie del planeta. Este sistema cerrado evita que las noches sean gélidas o que los días sean extremadamente calientes.

La atmósfera protege lavidasobre la Tierra, absorbiendo gran parte de laradiación solarultravioletaen lacapa de ozono.Además, actúa como escudo protector contra losmeteoritos,los cuales se desintegran en polvo a causa de lafricciónque sufren al hacer contacto con el aire.

Comprende la atmósfera terrestre de un vistazo.

Durante millones de años, lavidaha transformado, una y otra vez, la composición de la atmósfera. Por ejemplo; su considerable cantidad deoxígenolibre es posible gracias a las formas de vida —como son lasplantas— que convierten eldióxido de carbonoen oxígeno, el cual es a su vez respirable por las demás formas de vida, tales como losseres humanosy losanimalesen general.

Composición

En la atmósfera terrestre se pueden distinguir dos regiones con distinta composición, lahomosferay laheterosfera.

Homosfera

Lahomosferaocupa los 100kminferiores y tiene una composición constante y uniforme.

Composición de la atmósfera terrestre (aire seco, porcentajes por volumen)​

Gas	ppmv	%
Nitrógeno(N2)	780.840	78,084
Oxígeno(O2)	209.460	20,946
Argón(Ar)	9.340	0,934
Dióxido de carbono(CO2)	421	0,042
Neón(Ne)	18,18	0,001818
Helio(He)	5,24	0,000524
Metano(CH4)	1,79	0,000179
Kriptón(Kr)	1,14	0,000114
Hidrógeno(H2)	0,55	0,000055
Óxido nitroso(N2O)	0,3	0,00003
Xenón(Xe)	0,09	9 × 10-6
Ozono(O3)	0,0 - 0,07	0 - 7 × 10-6
Dióxido de nitrógeno(NO2)	0,02	2 × 10-6
Yodo(I2)	0,01	1 × 10-6
Monóxido de carbono(CO)	0,1	0,00001
Amoníaco(NH3)	Trazas
Excluido por ser aire en seco
Agua(vapor) (H2O)	–0,40 % a nivel atmosférico, en superficie: 1 %-4 %

Heterosfera

Laheterosferase extiende desde los 80 km hasta el límite superior de la atmósfera (unos 10 000 km); está estratificada, es decir, formada por diversas capas con composición diferente.

km	Capa de
80 - 400	Nitrógeno molecular
400 - 1100	Oxígeno atómico
1100 - 3500	Helio
3500 - 10000	Hidrógeno

Variación de la presión con la altura

La variación con la altura de lapresión atmosféricacon el conocimiento que se tiene del magnetismo o de ladensidadatmosférica es lo que se conoce comoley barométrica.La diferencia de presión entre dos capas separadas por un$\Delta h$es:

$\Delta P=-\rho g\Delta h$

pues se supone la densidad constante. Laley de la densidadsuponiendo el aire como un gas ideal

$\rho ={\frac {P}{RT}}$

aplicada a la superficie de la Tierra resulta una densidad del aire$\rho _{0}=1,225\cdot {\frac {\text{g}}{{\text{dm}}^{3}}}$.

• Pretendemos subir una montaña no excesivamente alta (para que la densidad sea constante) y queremos saber como disminuirá la presión a medida que ascendemos

Como la densidad del mercurio es:$\rho _{\text{Hg}}=13,6{\text{g}}\cdot {\text{cm}}^{-3}$es 11 100 veces mayor que la densidad del aire resulta que la presión disminuye 1 mm de Hg cuando nos elevamos 11 100 mm es decir 11,1m.Ahora bien como 4hPason 3 mm de Hg la presión disminuye 4 hPa cada 33,3 m es decir 1 hPa cada 8 m de ascenso.

En una atmósfera isoterma la presión varía con la altura siguiendo la ley:

$p=p_{0}e^{\frac {-Mg(h-h_{0})}{RT}}$

Símbolo	Nombre
$M$	Masa molecular
$g$	Aceleración de la gravedad
$h-h_{0}$	Diferencia de alturas entre los niveles
$T$	Temperatura absolutamedia entre los niveles
$p_{0}$	Presión
$p$	Presión
$R$	Constante universal de los gases

El hecho de que la temperatura varíe sí limita la validez de la fórmula. Por el contrario, la variación de la aceleración de la gravedad es tan mínima que no afecta.

Altura de escala

La altura de escala es la altura a la que hay que elevarse en unaatmósferapara que lapresión atmosféricadisminuya en unfactore= 2,718182. Es decir la disminución de presión es 1-1/e= 0,632 (= 63,2 %). Para calcularla basta con poner en la Ley barométrica$P=P_{0}/e\,$resulta:

$H={\frac {RT}{M\cdot g}}\,$

Para laatmósferade la Tierra la escala de alturas H es de unos 7,6 km, considerando una temperatura media de la atmósfera de unos 260K.​ En función de la escala de alturas H la presión puede expresarse:

$P_{h}=P_{0}e^{-{\frac {(h-h_{0})}{H}}}\,$

y análogamente para la densidad:

$\rho _{h}=\rho _{0}e^{-{\frac {(h-h_{0})}{H}}}\,$

Capas de la atmósfera terrestre y la temperatura

La temperatura de la atmósfera terrestre varía con la altitud. La relación entre la altitud y la temperatura es distinta dependiendo de la capa atmosférica considerada:troposfera,estratosfera,mesosfera,termosferayexosfera.A esto se le llamagradiente térmico atmosférico.

Las divisiones entre una capa y otra se denominan respectivamentetropopausa,estratopausa,mesopausaytermopausa.

Troposfera

Sus principales características son:

• Su espesor alcanza desde lasuperficie terrestre(tanto continental como oceánica) hasta una altitud variable entre los 6 km en las zonas polares y los 18 o 20 km en la zona intertropical.
• El aire de la troposfera se calienta a partir delcaloremitido por la superficie terrestre. La temperatura es máxima en la superficie terrestre, alrededor de 15 °C de media, y a partir de ahí comienza a descender con la altura según ungradiente térmicovertical (GTV) de 6,5 °C de descenso cadakmque se asciende en altura (la temperatura baja 0,65 °C cada 100 m de altura) hasta llegar a -70 °C a los 12 km de altura.​
• Una excepción al gradiente térmico es lainversión térmicaque se debe a causas locales o regionalmente determinadas.
• En la troposfera suceden los fenómenos que componen lo que llamamostiempo meteorológico.

Estratosfera

Su nombre obedece a que está dispuesta en capas más o menos horizontales (o estratos). Se extiende entre los 9 o 18 km hasta los 50 km de altitud. La estratosfera es la segunda capa de la atmósfera de la Tierra. A medida que se sube, la temperatura en la estratosfera aumenta. Este aumento de la temperatura se debe a que los rayos ultravioleta transforman al oxígeno en ozono, proceso que involucra calor: al ionizarse el aire, se convierte en un buen conductor de la electricidad y, por ende, del calor. Es por ello que a cierta altura existe una relativa abundancia de ozono (ozonosfera) lo que implica también que la temperatura se eleve a unos –3 °C o más. Sin embargo, se trata de una capa muy enrarecida, muy tenue.

Ozonosfera

Capas de la atmósfera terrestre

Se denomina capa de ozono, u ozonosfera, a la zona de la estratosfera terrestre que contiene una concentración relativamente alta de ozono. Esta capa, que se extiende aproximadamente de los 15 km a los 40 km de altitud, reúne el 90 % del ozono presente en la atmósfera y absorbe del 97 % al 99 % de la radiación ultravioleta de alta frecuencia.

Mesosfera

Es la tercera capa de la atmósfera de la Tierra. Se extiende entre los 50 y 80 km de altura, contiene solo el 0.1 % de la masa total del aire. Es la zona más fría de la atmósfera, pudiendo alcanzar los –80 °C. Es importante por laionizacióny las reacciones químicas que ocurren en ella. La baja densidad del aire en la mesosfera determina la formación deturbulenciasy ondas atmosféricas que actúan a escalas espaciales y temporales muy grandes.

Termosfera o ionosfera

En latermosfera(de 69/90 a los 600/800 km), la temperatura aumenta con la altitud, de ahí su nombre. Coincide prácticamente con la región llamada ionosfera. Es la cuarta capa de la atmósfera de la Tierra. Se encuentra encima de la mesosfera. A esta altura, el aire es muy tenue y la temperatura cambia con la mayor o menor radiación solar tanto durante el día como a lo largo del año. Si el sol está activo, las temperaturas en la termosfera pueden llegar a 1500 °C e incluso más altas. En ella se encuentra el 0.1 % de los gases. En esta capa, se encuentra laLínea de Kármán,que es el límite entre atmósfera y espacio exterior, a efectos de aviación y astronáutica.

Exosfera

La última capa de la atmósfera de la Tierra es la exosfera (600/800-2000/10 000 km). Está compuesta principalmente porhidrógenoyhelioy las partículas van disminuyendo hasta desaparecer. En razón de la bajaatracción gravitatoriaalgunas pueden llegar a escapar al espacio interplanetario. Como su nombre indica, es la región atmosférica más distante de la superficie terrestre. Su límite superior está en altitudes que alcanzan los 1000 e incluso 10000 km, siendo relativamente indefinida. Es la zona de tránsito entre la atmósfera terrestre y el espacio interplanetario. Su temperatura diurna alcanza hasta los 1.500 °C y la nocturna a 0 °C.

Regiones atmosféricas

Ozonosfera

Es la región de la atmósfera donde se concentra la mayor parte delozono.Está situada en laestratosfera,entre los 15 y 32 km, aproximadamente. Esta capa protege a la Tierra de laradiación ultravioletadel Sol.

Ionosfera

Es la regiónionizadapor el bombardeo producido por la radiación solar. La ionización de esta capa produce la reflexión de lasondasderadioemitidas desde la superficie terrestre, lo que permite su recepción a grandes distancias. Se corresponde aproximadamente con latermosfera.

Magnetosfera

Es la región exterior a la Tierra donde el campo magnético, generado por elnúcleo terrestre,actúa como protector de los vientos solares.

Capas deairglow

Son capas situadas cerca de lamesopausa,que se caracterizan por laluminiscencia,incluso nocturna, causada por la reestructuración de átomos en forma de moléculas que habían sido ionizadas por laluz solardurante el día, o por rayos cósmicos. Las principales capas son la del OH, a unos 85 km, y la de O₂,situada a unos 95 km de altura, ambas con un grosor aproximado de unos 10 km.

Dinámica de la atmósfera

Se llama dinámica de la atmósfera o dinámica atmosférica a una parte de la Termodinámica que estudia las leyes físicas y los flujos de energía involucrados en los procesos atmosféricos. Estos procesos presentan una gran complejidad por la enorme gama de interacciones posible tanto en el mismo seno de la atmósfera como con las otras partes (sólida y líquida) de nuestro planeta.

La termodinámica establece tres leyes, además de lo que se conoce como principio cero de la termodinámica. Estas tres leyes rigen en todo el mundo físico-natural y establecen la base científica de los procesos que constituyen el campo de la dinámica de la atmósfera. Así pues, la dinámica atmosférica involucra a todos los movimientos que se presentan en el seno de la atmósfera terrestre y estudia también las causas de dichos movimientos, los efectos de los mismos y, en general todos los flujos de energía térmica, eléctrica, físico-química, y de otros tipos que ocurren en la capa de aire que rodea a la Tierra.

Funciones de la atmósfera

Fricción atmosférica

La atmósfera funciona como un escudo protector contra los impactos de enorme energía que pueden provocar los pequeños objetos espaciales al colisionar a altísima velocidad contra la superficie del planeta.

Sin atmósfera, la velocidad de colisión de estos objetos sería la suma de su propia velocidad inercial espacial (medida desde nuestro planeta) más la aceleración provocada por la gravitación terrestre.

La energía cinética de los meteoritos se transforma en calor por la fricción de los mismos en el aire y desde la superficie vemos unmeteoro,meteorito o también estrella fugaz.

La fricción es la manifestación macroscópica de una transferencia de energía cinética, o su transformación en otro tipo de energía, por la que un cuerpo "pierde" movimiento cediéndoselo a otro ya sea transfiriéndole parte de su propio movimiento o transformándose en movimientos moleculares (calor, vibración sonora, etc.)

Velocidad constante en caída libre

Un cuerpo encaída libredentro de la atmósfera puede tener velocidad decreciente, dado que la atracción gravitacional produce un movimiento uniformemente acelerado solamente en el vacío.

Si un cuerpo comienza a caer atravesando la atmósfera, se va acelerando hasta que su peso es igual a la fuerza de fricción que se produce por el desplazamiento dentro del aire. En ese momento deja de acelerar, y su velocidad comienza a decrecer a medida que la atmósfera aumenta su densidad, provocando una fuerza de fricción mayor.

Puede desacelerar la velocidad de caída no solo por la densidad de la atmósfera sino también por la variación del área de sección atravesada, lo que aumenta la fricción. Los acróbatas aéreos de caída libre pueden variar su velocidad de caída acelerando o desacelerando: si se desplazan de cabeza aceleran hasta equilibrar su peso, y si abren los brazos y piernas desaceleran.

Ciclos biogeoquímicos

La atmósfera tiene una gran importancia en losciclos biogeoquímicos.La composición actual de la atmósfera es debida a la actividad de labiosfera(fotosíntesis), controla el clima y el ambiente en el que vivimos y engloba dos de los tres elementos esenciales (nitrógenoycarbono); aparte deloxígeno.

La actividad del hombre está modificando su composición, como el aumento deldióxido de carbonoo elmetano,causando elefecto invernaderoo elóxido de nitrógeno,causando lalluvia ácida.

Filtro de las radiaciones solares

Lasradiacionessolaresnocivas, como laultravioleta,son absorbidas casi en un 90 % por lacapa de ozonode laestratosfera.La actividadmutágenade dicha radiación es muy elevada, originadodímeros de timinaque inducen la aparición demelanomaen lapiel.Sin ese filtro, la vida fuera de la protección del agua no sería posible.​

Efecto invernadero

Gracias a la atmósfera, la Tierra no tiene grandes contrastes térmicos; debido alefecto invernaderonatural, que está producido por todos los componentes gaseosos del aire, que absorben gran parte de laradiación infrarrojare-emitida por la superficie terrestre; este calor queda retenido en la atmósfera en vez de perderse en el espacio gracias a dos características físicas del aire: su compresibilidad, que comprime el aire en contacto con la superficie terrestre por el propio peso de la atmósfera lo que, a su vez, determina la mayor absorción de calor del aire sometido a mayor presión y ladiatermancia,que significa que la atmósfera deja pasar a la radiación solar casi sin calentarse (la absorción directa de calor procedente de los rayos solares es muy escasa), mientras que absorbe gran cantidad del calor oscuro (​) reenviado por la superficie terrestre y, sobre todo, acuática de nuestro planeta. Este efecto invernadero tiene un papel clave en las suaves temperaturas medias del planeta. Así, teniendo en cuenta laconstante solar(caloríasque llegan a la superficie de la Tierra por centímetro cuadrado y por minuto), la temperatura media del planeta sería de -27 °C, incompatible con la vida tal y como la conocemos; en cambio, su valor real es de unos 15 °C debido precisamente al efecto invernadero.​

Evolución

La composición de la atmósfera terrestre no ha sido siempre la misma, sino que ha variado a lo largo de la vida del planeta por diversas causas. Además, los elementos ligeros escapan continuamente de lagravedadterrestre; de hecho, en la actualidad se fugan unos treskilogramosdehidrógenoy 50 gramos deheliocada segundo, cifras que en tiempos geológicos (millones de años) resultan decisivas, aunque compensan, al menos en gran parte, la materia recibida del sol en forma de energía.​ Esta compensación también tiende a equilibrarse en el tiempo, de acuerdo a la mayor o menor energía solar recibida, generando un ciclo complejo, diario, estacional y de ciclos más largos (de acuerdo con la mayor o menor actividad solar) y una respuesta equivalente de la atmósfera en el almacenamiento de dicha energía y su posterior liberación en el espacio. Por ejemplo, la formación delozono(O₃) en la capa denominada precisamente,ozonosfera,absorbe la mayor parte de laradiación ultravioletarecibida del sol pero cede esa energía al volverse a transformar durante la noche en oxígeno (O₂).

Se pueden establecer diferentes etapas evolutivas de la atmósfera según su composición:

Origen

La atmósfera se deriva de diversas fuentes, estaba y está condicionada por factores como:

• La pérdida de la gruesa capa de gases original (primera atmósfera), originada directamente de lanebulosaque forma el sistema solar (HyHe).
• El aumento de la masa de la Tierra lo que generó un aumento de lagravedadterrestre.
• El enfriamiento de la Tierra.
• La composición atmósfera primitiva.
• La desgasificación de lacorteza terrestre.​
• La formación de una capa de gases:atmósfera primitiva.Esta atmósfera, tiene una composición parecida a las emisiones volcánicas actuales, donde dominarían elN₂,CO₂,HClySO₂.
• Algunos gases y elH₂Ode procedencia externa (cometas).

Etapa prebiótica

Antes de la vida, la atmósfera sufrió algunos cambios importantes:

• Condensación delvapor de agua:formación de losocéanosydisoluciónde gases en ellos (CO₂,HCl y SO₂).
• Principal gas de la atmósfera de acuerdo a la composición de la misma: Nitrógeno (N₂).
• No había oxígeno (O₂).

Etapa microbiológica

Etapa con la aparición de las primerasbacteriasanaeróbicas(que usabanHyH₂S) yfotosintéticas(Bacterias del azufreycianobacterias):

• Comenzó la producción deO₂del océano.
• El O₂producido se utilizó paraoxidarlas sustancias reducidas del océano y de la corteza terrestre. Prueba de ello son la deposición de las formaciones de hierro en bandas o capas:

Fe⁺³+ O₂→ Fe₂O₃

• Una vez oxidadas las sustancias, empezó la acumulación de O₂en la atmósfera.

Etapa biológica

Etapa con la aparición deorganismoseucariotascon fotosíntesis más eficiente:

• Aumento delO₂en la atmósfera hasta la concentración actual (21 %).
• Formación de la capa deO₃(protección de la radiaciónultravioletadel Sol), permitiendo la colonización, por parte de los seres vivos, de las tierras emergidas.

Imágenes desde el espacio

La luz azul se dispersa másde otras longitudes de onda por los gases en la atmósfera, dando a la Tierra unhaloazul cuando se ve desde el espacio. La luz azul se dispersa másde otras longitudes de onda por los gases en la atmósfera, dando a la Tierra unhaloazul cuando se ve desde el espacio. Latormenta geomagnéticacausa magnífico espectáculo deAuroraa través de la atmósfera. Latormenta geomagnéticacausa magnífico espectáculo deAuroraa través de la atmósfera. Vista del Limbo de la atmósfera terrestre. Los colores denotan más o menos las capas de la atmósfera. Vista del Limbo de la atmósfera terrestre. Los colores denotan más o menos las capas de la atmósfera. Esta imagen muestra la luna en el centro, con la extremidad de la Tierra cerca de la parte inferior la transición a la troposfera de color naranja. La troposfera termina abruptamente en la tropopausa, que aparece en la imagen como la fuerte límite entre la atmósfera naranja y azul de color. Lasnubes noctilucentes-plateadas azules se extienden muy por encima de latroposferade la Tierra. Esta imagen muestra la luna en el centro, con la extremidad de la Tierra cerca de la parte inferior la transición a la troposfera de color naranja. La troposfera termina abruptamente en la tropopausa, que aparece en la imagen como la fuerte límite entre la atmósfera naranja y azul de color. Lasnubes noctilucentes-plateadas azules se extienden muy por encima de latroposferade la Tierra. La atmósfera de la Tierra iluminada por el Sol en unEclipseobservada desde el espacio profundo a bordo delApolo 12en 1969. La atmósfera de la Tierra iluminada por el Sol en unEclipseobservada desde el espacio profundo a bordo delApolo 12en 1969. Untifónvisto desde la órbita baja de la Tierra. Untifónvisto desde la órbita baja de la Tierra.

Véase también

• Atmósfera
• Aire
• Química de la atmósfera
• Climatología
• Diatermancia
• Dinámica de la atmósfera
• Meteorología
• Ciclo biogeoquímico

Referencias

Enlaces externos

• Wikimedia Commonsalberga una categoría multimedia sobreAtmósfera terrestre.
• Imágenes del satélite meteosat.
• Grupo de Física de la Atmósfera (GFAT) de la Universidad de Granada (UGR).
• Centro de Ciencias de la Atmósfera. UNAM.

• Datos:Q3230
• Multimedia:Earth's atmosphere/Q3230