La atmósfera de la Tierra

La Atmósfera de la Tierra, es la capa gaseosa que rodea al planeta Tierra. La atmósfera es una mezcla de gases. Está constituida principalmente por nitrógeno (N₂, (78%) y Oxígeno (O₂, (21%). El 1% restante lo forman el Argón (Ar,(0,9%), el dióxido de carbono CO2(0,035%=350 p.p.m.), distintas proporciones de vapor de agua, y trazas de hidrógeno, ozono, metano, monóxido de carbono, helio, neón, kriptón y xenón.

Se divide en varias capas concéntricas sucesivas. Estas son, desde la superficie hacia el espacio exterior: troposfera, tropopausa, estratosfera, estratopausa, mesosfera y termosfera.

La atmósfera es uno de los componentes más importantes del clima terrestre. Su balance energético es quien determina primordialmente el clima global, por ello es esencial comprender su composición y estructura. Los gases que la constituyen están bien mezclados en la atmósfera pero no es físicamente uniforme pues su composición tiene variaciones significativas con la altura sobre el nivel del mar.

Composición de la atmósfera terrestre

La composición del aire terrestre ha sido medido en detalle, al menos cerca de la Tierra. Estos datos son representativos de la composición global de la atmósfera de la Tierra, aunque tengan lugar variaciones en la composición a gran altitud.

Componente	% en volumen de aire seco	p.p.m.
Nitrógeno (N₂)	78,084		Fijo
Oxígeno (O₂)	20,946		Fijo
Vapor de Agua	0-3		Variable
Argón (Ar)	0,934		Fijo
Dióxido de carbono (C0₂)	0,0325	325	Variable
Neón (Ne)	0,00182	18,2	Fijo
Helio (He)	0,000524	5,24	Fijo
Ozono (O₃)		0-2	Variable
Metano (CH₄)	0,00015	1,5	Fijo
Criptón (Kr)	0,000114	1,14	Fijo
Hidrógeno (H2)	0,00005	0,5	Fijo
Anhídrido nitroso (N₂O)	<0,00002	0-0,2	Variable
Xenón (Xe)	0,0000087	0,08	Fijo
Monóxido de carbono (C0)	<0,00001	0-0,1	Variable

El nitrógeno es un gas que difícilmente reacciona con los demás por lo que en el transcurso de la vida del planeta se ha ido acumulando. La mayor parte del Argón atmosférico es el Ar 40, producido por la desintegración radioactiva del Potasio 40 en el manto y corteza terrestre y desprendido a la atmósfera por los volcanes. El Neón existente procede de la nebulosa inicial. El oxigeno no varía por un equilibrio entre su producción por fotosíntesis por parte de las plantas y su utilización por medio de animales y bacterias. El oxigeno sólo existiría en trazas si la vida vegetal no se hubiese desarrollado en la Tierra.

Hay trazas de vapor de agua, y dióxido de carbono que son importantes, no obstante, porque estos gases absorben la radiación infrarrojo emitida por la Tierra, tienen, por lo tanto. un efecto sobre las temperaturas atmosféricas, que denominaremos efecto invernadero.

Vapor de agua

El contenido de vapor de agua del aire es considerablemente variable, de 190 partes por millón (ppm) a -40 °C hasta 42.000ppm a 30 °C.
El vapor de agua pasa fácilmente a agua a las temperaturas dominantes sobre la Tierra, por lo tanto, la concentración de vapor de agua en el aire depende de la temperaturas y de la proximidad de masas de agua, tales como el océano. Su concentración es, por lo tanto, máxima en verano y en las latitudes bajas. Existen, sin embargo, excepciones evidentes a esta regla de carácter general, como son, por ejemplo, las zonas desérticas situadas en los trópicos.
Si la temperatura media de la superficie terrestre fuera más alta de lo que es, los océanos se evaporarían y la composición de la atmósfera cambiaría drásticamente debido a la adición de una gran cantidad de vapor de agua. Esto significaría que la atmósfera de la Tierra sería 300 veces más densa de la actual. Por esta razón, no debemos descuidar el océano cuando consideramos la composición de la atmósfera.
El vapor de agua llega a representar el 4% del volumen de la atmósfera cerca del suelo, pero está totalmente ausente por arriba de los 10 km. La razón estriba en que la densidad máxima posible de vapor de agua en el aire frío es siempre muy baja. El agua pasa a la atmósfera por evaporación de las aguas superficiales y por transpiración de las plantas y la turbulencia atmosférica lo transporta hasta las capas superiores de esta, pero el fenómeno pierde importancia por encima de los 10 Km. de altura y ello unido a la razón esbozada antes hace que la mayoría del vapor de agua esté por debajo de los 10 km.

El anhídrido carbónico

El CO₂ está distribuido uniformemente pero su contenido en la atmósfera aumenta uniformemente 1,4 p.p.m. al año y en el año 2000 alcanzará las 332 p.p.m. un 18% más que el contenido de 1970. Presenta una gran variación estacional (unas 8 p.p.m.) en las altas latitudes del hemisferio norte. A 50º N dicha concentración oscila entre un mínimo a finales de verano y un máximo en primavera. Los valores bajos observados durante el verano están relacionados con la asimilación de CO₂ por los mares fríos de la región polar. A lo largo de todo el año tiene lugar un pequeño transporte neto de CO₂, desde las latitudes bajas a las altas, manteniéndose así constante su contenido en el aire.
Entre el depósito oceánico de iones bicarbonato (HCO^-₃) y carbonato (CO⁼₃) y el depósito de carbono localizado en las rocas calizas (CO₃Ca Carbonato cálcico) hay 20 veces más carbono que en la atmósfera.
Otros elementos que en ocasiones constituyen parte de la atmósfera en cantidades minúsculas son el amoniaco, el sulfuro de hidrógeno y óxidos, como los de azufre y nitrógeno cerca de los volcanes, arrastrados por la lluvia o la nieve. No obstante, el principal riesgo se centra en los óxidos y otros contaminantes emitidos a la atmósfera por las industrias y los vehículos debido a los efectos dañinos que originan cuando forman la lluvia ácida.
Las cantidades de dióxido de carbono y de ozono que contiene la atmósfera pueden variar en el transcurso de un período largo de tiempo; estos cambios tienen especial importancia a causa de su posible efecto sobre el balance de radiación. El dióxido de carbono (CO₂) penetra en la atmósfera principalmente por la acción de los organismos vivos de la tierra y el océano. La descomposición de elementos orgánicos del suelo y la quema de combustibles fósiles son fuentes secundarias adicionales. Es evidente que, si esta producción no estuviese compensada de algún modo, la cantidad total de dióxido de carbono existente en la atmósfera aumentaría de una manera continua. Se mantiene un equilibrio dinámico a causa principalmente de la fotosíntesis, que elimina aproximadamente el 3 % de la producción anual total de dióxido de carbono en el mundo. En los océanos, el dióxido de carbono se emplea en último término en la producción de carbonato cálcico, destinado en parte a formar las conchas y esqueletos de los animales marinos. En los continentes, la materia muerta se convierte en humus, que puede transformarse posteriormente en combustible fósil. Los intercambios entre la atmósfera y los otros depósitos están prácticamente equilibrados. Sin embargo, este equilibrio no es absoluto, ya que se estima que, entre 1900 y 1935, la cantidad total de dióxido de carbono en la atmósfera aumentó en un 9 %, a causa, según se cree, de la creciente utilización de combustibles fósiles. Sin embargo, el aumento correspondiente a esta combustión, según los cálculos realizados, debería ser el doble de esta cifra. Los resultados globales están basados en observaciones realizadas principalmente en países industrializados, pero, a pesar de la poca exactitud de estos datos, la discrepancia es lo suficientemente grande como para indicar que uno de los principales depósitos de dióxido de carbono, probablemente el océano, absorbe cerca de la mitad del que penetra en la atmósfera, actuando por tanto como un amortiguador de intercambio. El dióxido de carbono absorbe una gran cantidad de la radiación terrestre que, de otra manera, se perderla en el espacio. Por lo tanto, un exceso de dióxido de carbono haría que la atmósfera almacenase cantidades mayores de la energía que proporciona el sol. Parece existir una relación entre el contenido de dióxido de carbono y el aumento de temperatura del aire y el efecto invernadero, pero debe tenerse en cuenta que el aumento de temperatura ha sido más marcado en las latitudes polares que en los países industriales del mundo.

Ozono

El Ozono desempeña un papel fundamental para la vida en la Tierra, pues actúa como filtro de la radiaciones ultravioleta evitando que lleguen a la superficie de la Tierra. (sólo los de mayor longitud de onda, que son los menos energéticos, llegan hasta el suelo). El papel así representado por el ozono es vital : si los rayos ultravioletas duros llegaran al suelo, la vida de los animales y de las plantas sería imposible.

Metano

Hay preocupación por el brusco aumento del contenido de metano en la atmósfera. Su concentración ha aumentado un 11% desde 1978. Más o menos el 80% del gas es producido por descomposición en arrozales, pantanos, intestinos de los animales herbívoros, y por las termitas tropicales. Añadido al efecto invernadero, el metano reduce el volumen atmosférico de iones hidroxilo, alterando así la capacidad de la atmósfera para depurarse de contaminantes.

Capas de la atmósfera

La troposfera o baja atmósfera, es la que está en íntimo contacto con la superficie terrestre. Se extiende hasta unos 16 km en las regiones tropicales (con una temperatura de -79 °C) y hasta unos 9,7km en latitudes templadas (con una temperatura de unos -51 °C). La diferencia de grosor, se debe principalmente a la diferencia de balance energético en esos lugares . Abarca el 75% de la masa de gases totales que componen la atmósfera, el 99% de la masa de la atmósfera se encuentra bajo los 30 km. s.n.m. El aire de la troposfera incluye vapor de agua en cantidades variables de acuerdo a condiciones locales, por ejemplo, desde 0,01% en los polos hasta 5% en los trópicos (Miller, 1991). La temperatura disminuye con la altura, en promedio, 6,5° C por kilómetro. La mayoría de los fenómenos que involucran el clima ocurren en esta capa de la atmósfera (Kaufmann, 1968), en parte sustentado por procesos convectivos que son establecidos por calentamiento de gases superficiales, que se expanden y ascienden a niveles más altos de la troposfera donde nuevamente se enfrían (GCCIP, 1997). Esta capa incluye además los fenómenos biológicos.

Capas de la atmósfera y variación de la temperatura

La tropopausa marca el límite superior de la troposfera. En su parte inferior la temperatura es prácticamente constante, o bien aumenta ligeramente con la altitud, especialmente en las regiones tropicales. Esta condición térmica evita la convección del aire y confina de esta manera el clima a la troposfera (GCCIP, 1997). Luego hacia los 20 km. s.n.m. vuelve a aumentar.

La capa encima de la tropopausa en la que la temperatura comienza a ascender se llama estratosfera, una vez que se alcanzan los 50 km. de altura, la temperatura ha llegado a los 0°C . Por lo tanto, se extiende desde los 20 km. hasta 48-50 km. s.n.m. (Miller, 1991; GCCIP, 1997). Contiene pequeñas cantidades de los gases de la troposfera en densidades decrecientes proporcional a la altura. Incluye también cantidades bajísimas de Ozono (O₃) que filtran el 99% de los rayos ultravioleta (UV) provenientes de las radiaciones solares (Miller, 1991). Es esta absorción de UV la que hace ascender la temperatura hasta cerca de los 0°C. Así casi a 50km sobre el nivel del mar, es casi igual a la de la superficie terrestre. Este perfil de temperaturas permite que la capa sea muy estable y evita turbulencias, algo que caracteriza a la estratosfera. Esta, a su vez, está cubierta por la estratopausa, otra inversión térmica a los 50 km. (GCCIP, 1997).

El estrato llamado mesosfera, se extiende desde los 50 a los 80 km, se caracteriza por un marcado descenso de la temperatura hasta -100 °C al ir aumentando la altura.

Por encima de la mesosfera, se extiende la termosfera, en ella la temperatura asciende continuamente hasta sobre los 1000 °C . Pero la baja densidad de los gases a esas altitudes hace que estas condiciones de temperatura no signifiquen lo mismo que en la superficie (GCCIP, 1997).

Gracias a las investigaciones sobre la propagación y la reflexión de las ondas de radio, sabemos que a partir de los 80km, la radiación ultravioleta, los rayos X y la lluvia de electrones procedente del sol ionizan varias capas de la atmósfera, con lo que se convierten en conductoras de electricidad. Estas capas reflejan de vuelta a la Tierra ciertas frecuencias de ondas de radio. Debido a la concentración relativamente elevada de iones en la atmósfera por encima de los 80km, esta capa, que se extiende hasta los 640km, recibe el nombre de ionosfera. También se la conoce como termosfera, a causa de las altas temperaturas (en torno a los 400 km se alcanzan unos 1.200 °C). La región que hay más allá de la ionosfera recibe el nombre de exosfera y se extiende hasta los 9.600km, lo que constituye el límite exterior de la atmósfera.

Variación en la composición de la atmósfera

La atmósfera terrestre varía en su composición con la altura. En los primeros kilómetros la convección la hace homogénea. Casi todo el vapor de agua de la atmósfera se halla contenido en los 5km inferiores de ésta. Como las partículas sólidas muy finas sirven de núcleos de condensación del vapor de agua de las nubes, es en esa capa inferior donde tienen lugar los fenómenos esenciales que determinan el tiempo. El primer cambio de la composición del aire propiamente dicho se produce a unos 20km, a partir de cuya altitud aparece en proporciones crecientes el ozono, que alcanza su máxima concentración hacia los 25km.

Densidad y presión

Al aumentar la altitud el aire es cada vez menos denso. También su presión disminuye ya que, a cualquier altura, queda disminuida del peso del aire situado por debajo. Así, los 5km inferiores de la atmósfera contienen ya la mitad de la masa total del aire; los 30 primeros kilómetros representan las nueve décimas partes del mismo y, más arriba de los 60km, ya no subsiste más cine una milésima parte de la materia atmosférica.

En el nivel del mar la presión del aire es de 1013 mb y equivale al peso de una columna de mercurio de 760 mm. Luego disminuye, según la Ley barométrica.

Temperatura

En la capa inferior, la troposfera, la temperatura suele bajar 5,5 °C por cada 1.000 metros. Es la capa en la que se forman la mayor parte de las nubes. Si la temperatura en vez de bajar, sube lo denominamos inversión. En la tropopausa la temperatura se estabiliza, luego aumenta un poco debido al calentamiento producido por la absorción de los rayos ultravioletas por el ozono. En esa zona cálida el aire alcanza su máxima temperatura a unos 60 km; entonces se vuelve cada vez más frío y llega a su temperatura mínima hacia los 80km, altitud a partir de la cual se calienta constantemente hasta alcanzar millares de grados.

En un aire tan enrarecido esas temperaturas no tienen el mismo significado que en el suelo. La temperatura es la expresión numérica de la fuerza con que se entrechocan las moléculas. Pero, una temperatura elevada solo tiene efectos térmicos en la materia, por ejemplo en nuestra piel, si el número de las moléculas que la golpean es suficientemente grande. Ahora bien, son tan escasas éstas en el aire enrarecido de la alta atmósfera que, por elevada que sea, la temperatura no es perceptible, dado lo irrisorio de la cantidad de calor liberada por el choque de tan pocas moléculas.

El papel del Océano

La descripción de la atmósfera se complica por la presencia de los océanos. Hay un continuo intercambio de materia, energía y cantidad de movimiento entre el mar y el aire que tiene encima. Este intercambio motiva que el comportamiento de cada uno, hasta cierto punto, dependa del comportamiento del otro. Para algunos propósitos, por lo tanto, es conveniente considerar el océano y la atmósfera como partes del mismo sistema físico.

La atmósfera primitiva

Al formarse la Tierra, hace unos 4 600 millones años, se halló rodeada por una atmósfera primitiva, que tenía una composición parecida a la nebulosa inicial, constituida esencialmente por los restos no condensados de la nebulosa primitiva como hidrógeno, helio, metano, amoníaco, gas carbónico, vapor de agua, etc. Esa atmósfera primitiva ha evolucionado desde entonces como consecuencia de procesos que son perfectamente conocidos. Por una parte, los gases ligeros como H₂ y He, en un proceso llamado desgasificación, han ido disipándose en el espacio interplanetario porque sus moléculas, al chocar entre si, alcanzaron, unas tras otras, la velocidad de liberación. Por eso la atmósfera terrestre carece hoy casi de hidrógeno, mientras que el helio, gas también ligero pero no tanto como el hidrógeno, ha podido subsistir en íntimas proporciones, así como también los llamados gases nobles (argón, criptón, neón y xenón).

La atmósfera perdió sus elementos volátiles y los sustituyó por los gases invernadero procedentes de las emisiones volcánicas del planeta, especialmente CO₂, dando lugar a una atmósfera de segunda generación. Los volcanes constituyeron un aporte de vapor de agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre y nitrógeno.

En dicha atmósfera son importantes los efectos de los gases de invernadero emitidos de forma natural en volcanes y sumideros termales. Por otro lado, la cantidad de óxidos de azufre y otros aerosoles emitidos por los volcanes contribuyen a lo contrario, a enfriar la Tierra. Del equilibrio entre ambas emisiones saldrá un balance radiativo determinado.

Otro proceso fue la condensación. Al enfriarse, la mayor parte del vapor de agua de origen volcánico se condensó, dando lugar a los antiguos océanos. También se produjeron reacciones químicas. Parte del dióxido de carbono debió reaccionar con las rocas de la corteza terrestre para formar carbonatos, algunos de los cuales se disolverían en los nuevos océanos.

Con la aparición de la vida, la Tierra sumó un nuevo agente estabilizador el total de organismos vivos, la biosfera. Mas tarde, cuando evolucionó en ellos la vida primitiva capaz de realizar la fotosíntesis, los organismos marinos recién aparecidos empezaron a producir oxígeno. Se cree que casi todo el oxígeno que en la actualidad se encuentra libre en el aire procede de la combinación fotosintética de dióxido de carbono y agua. Hace unos 570 millones de años, el contenido en oxígeno de la atmósfera y los océanos aumentó lo bastante como para permitir la existencia de la vida marina y la evolución de animales terrestres capaces de respirar aire.

Inicialmente, los organismos autótrofos por fotosíntesis o capturaron gran parte del abundante CO₂ de la atmósfera primitiva, a la vez que empezaba acumularse Oxígeno (a partir del proceso abiótico de la fotólisis del agua). La aparición de la fotosíntesis oxigénica, que realizan las cianobacterias y sus descendientes los Plato, dio lugar a una presencia masiva de oxígeno (O₂) como la que caracteriza la atmósfera actual, y aun superior. Esta modificación de la composición de la atmósfera propició la aparición de formas de vida nuevas, aeróbicas que se aprovechaban de la nueva composición del aire. Aumentó así el consumo de oxígeno y disminuyó el consumo neto de CO₂ llegándose al equilibrio o clímax, y formándose así la atmósfera de tercera generación actual. Este delicado equilibrio entre lo que se emite y lo que se absorbe se hace evidente en el ciclo del CO₂, la presencia del cual fluctúa a lo largo del año según las estaciones de crecimiento de las plantas.

Balance energético y gases invernadero

A pesar de estar en bajas cantidades, los gases de invernadero cumplen un rol crucial en la dinámica atmosférica. Entre éstos contamos al CO₂, el metano, los óxidos nitrosos, ozono, halocarbonos, aerosoles, entre otros. Debido a su importancia y el rol que juegan en el cambio climático global, se analizan a continuación.

Balance energético del sistema Tierra-Atmósfera.

Previamente es importante entender que el clima terrestre depende del balance energético entre la radiación solar y la radiación emitida por la Tierra. En esta reirradiación, sumada a la emisión de energía geotectónica, los gases de efecto invernadero juegan un rol crucial. Al analizar los gases atmosféricos, incluidos los gases invernadero, es importante identificar las fuentes, reservorios o sinks y el ciclo de vida de cada uno de ellos, datos cruciales para controlar la contaminación atmosférica.

Una fuente es el punto o lugar donde un gas, o contaminante, es emitido o sea, donde entran a la atmósfera.
Un reservorio o sumidero, es un punto o lugar en el cual el gas es removido de la atmósfera, o por reacciones químicas o absorción en otros componentes del sistema climático, incluyendo océanos, hielos y tierra.
El ciclo de vida denota el periodo promedio que una molécula de contaminante se mantiene en la atmósfera. Esto se determina por las velocidades de emisión y de captación en reservorios o sinks.

El aumento de gases invernadero atmosféricos ha incrementado la capacidad que tiene para absorber ondas infrarrojas, aumentando su reforzamiento radiativo, que aumenta la temperatura superficial. Las emisiones de de invernadero por la humanidad ya han perturbado el balance energético global en aproximadamente 2,5 Watts por metro cuadrado.

Tratemos algunos temas más a fondo:

La ley barométrica en la atmósfera de los planetas
Balance energético terrestre
Insolación en la parte superior de la atmósfera (Tierra)
Insolación recibida en la superficie de la Tierra

Fuentes:

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