Atmósfera terrestre

Diagrama del contenido de vapor en la atmósfera terrestre.

La atmósfera terrestre es la capa gaseosa que rodea a la Tierra. Está compuesta por:

• oxígeno (20,946%) y
• nitrógeno (78,084%),

con pequeñas cantidades de

• argón (0,93%),
• dióxido de carbono (variable, pero alrededor de 0,033% ó 330 ppm),
• vapor de agua (aprox. 1%),
• neón (18,2 ppm),
• helio (5,24 ppm),
• kriptón (1,14 ppm),
• hidrógeno (5 ppm) y
• ozono (11,6 ppm).

Protege la vida de la Tierra absorbiendo en la capa de ozono parte de la radiación solar ultravioleta, reduciendo las diferencias de temperatura entre el día y la noche, y actuando como escudo protector contra los meteoritos. El 75% de la atmósfera se encuentra en los primeros 11 km de altura desde la superficie planetaria.

Variación de la presión con la altura

La variación con la altura de la presión atmosférica con el conocimiento que se tiene del magnetismo o de la densidad atmosférica es lo que se conoce como Ley barométrica.

La diferencia de presión entre dos capas separadas por un $\Delta h$ es:

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

pues se supone la densidad constante.

La ley de la densidad suponiendo el aire como un gas ideal

$\rho ={\frac {P\cdot M}{R\cdot T}}$

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

• 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: $\rho _{Hg}=13,6{\frac {g}{cm^{3}}}\,$ es 11.100 veces mayor que la densidad del aire resulta que la presión disminuye 1 mm de Hg cuando nos elevamos 11100 mm es decir 11,1 m. Ahora bien como 4 hPa son 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:

$P=P_{0}\cdot e^{\frac {-M\cdot g\cdot (h-h_{0})}{R\cdot T}}$

donde M es la masa molecular, g la aceleración de la gravedad, h-h₀ es la diferencia de alturas entre los niveles con presiones P y P₀ y T es la Temperatura absoluta media entre los dos niveles, y R la constante de los gases perfectos. 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 suave que no afecta.

Escala de altura

La escala de altura es la altura a la que hay que elevarse en una atmósfera para que la presión atmosférica disminuya en un factor e=2,718182. Es decir la disminución de presión es $1-{\frac {1}{e}}=0,632=63,2\%$ Para calcularla basta con poner en la ley barométrica $P=P_{0}/e\,$ resulta:

$H={\frac {R\cdot T}{M\cdot g}}\,$

Para la atmósfera de la Tierra la escala de alturas H es de 8,42 km.

En función de la escala de alturas H la presión puede expresarse:

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

y análogamente para la densidad:

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

Capas de la atmósfera terrestre y la temperatura

Capas de la atmósfera

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:

• Tropósfera: 0 - 9/18 km, la temperatura disminuye con la altitud.
• Estratosfera: 9/18 - 50 km, la temperatura permanece constante para después aumentar con la altitud.
• Mesosfera: 50 - 80/90 km, la temperatura disminuye con la altitud.
• Termosfera o Ionosfera: 80/90 - 600/800 km, la temperatura aumenta con la altitud.
• Exosfera: 600/800 - 2.000/10.000 km

Las divisiones entre una capa y otra se denominan respectivamente tropopausa, estratopausa, mesopausa y termopausa.

Regiones atmosféricas

• Ozonosfera: región de la atmósfera donde se concentra la mayor parte del ozono. Se encuentra en la baja estratosfera, entre los 15 y 32 km, aproximadamente. Esta capa nos protege de la radiación ultravioleta del Sol.
• Ionosfera: región ionizada por el bombardeo producido por la radiación solar. Se corresponde aproximadamente con toda la termosfera.
• Magnetosfera: Región exterior a la Tierra donde el campo magnético, generado por el núcleo terrestre, actúa como protector de los vientos solares.
• Capas de airglow: Son capas situadas cerca de la mesopausa, que se caracterizan por la luminiscencia (incluso nocturna) causada por la reestructuración de átomos en forma de moléculas que habían sido ionizadas por la luz solar durante 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.

Fricción atmosférica

La atmósfera es un escudo protector contra los impactos de enorme energía que provocarían aún pequeños objetos espaciales al colisionar a altísima velocidad 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.

Una partícula del tamaño del punto de esta "i", incidiendo a más de 40.000 km/h (11 km/s), sería capaz de perforar el techo de un automóvil si no tuviésemos atmósfera. Al tener la energía cinética se transforma en luz y desde la superficie vemos un meteoro.

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 decreciente en caída libre

Un cuerpo en caída libre dentro 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 sólo 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 los ciclos biogeoquímicos. La composición actual de la atmósfera es debida a la actividad de la biosfera (fotosíntesis), controla el clima y el ambiente en el que vivimos y engloba dos de los tres elementos esenciales (nitrógeno y carbono); aparte del oxígeno. Se encuentra bien mezclada, es decir, refleja cambios globales.

La actividad del hombre está modificando su composición, como el aumento del dióxido de carbono o el metano, causando el efecto invernadero o el óxido de nitrógeno, causando la lluvia ácida.

Evolución

La atmósfera no siempre ha estado igual durante la vida de la Tierra. Ha ido variando durante los años, y se puede establecer en diferentes etapas:

Origen

Su origen se produce por:

• Pérdida de la capa de gases de la nebulosa original (H y He).
• Aumento de la masa de la Tierra: Gravedad.
• Enfriamiento de la Tierra.
• la atmósfera primitiva
• Desgasificación de la corteza terrestre.
• Formación de una capa de gases: atmósfera primitiva. Esta atmósfera, tiene una composición parecida a las emisiones volcánicas actuales, donde dominarían el N₂, CO₂, HCl y SO₂.
• Algunos gases y el H₂O de procedencia externa (Cometas).

Etapa prebiótica

Antes de la vida, la atmósfera sufrió unos cambios:

• Condensación del vapor de agua: formación de los océanos y disolución de gases en ellos (CO₂, HCl y SO₂).
• Principal gas de la atmósfera: Nitrógeno (N₂).
• No había oxígeno (O₂).

Etapa microbiológica

Etapa con la aparición de las primeras bacterias anaeróbicas (que usan H y H₂S) y fotosintéticas (Bacterias del azufre y cianobacterias):

• Comienza la producción de O₂ del océano.
• El O₂ producido se utiliza para oxidar las sustancias reducidas del océano. Prueba de ello son la deposición de las formaciones de hierro en bandas:
  Fe⁺³ + O₂ → Fe₂O₃
• Una vez oxidado las sustancias, empieza la producción de O₂ para la atmósfera.
• El O₂ liberado se gasta para oxidar sustancias reducidas de la corteza terrestre. Prueba de ello son la formación de capas rojas de origen continental.

Etapa biológica

Etapa con la aparición de organismos eucariotas con fotosíntesis más eficiente:

• Aumento del O₂ en la atmósfera hasta la concentración actual (21%).
• Formación de la capa de O₃ (protección de la radiación ultravioleta del Sol), permitiendo la colonización de las tierras emergidas.

Enlaces externos

• Imágenes del satélite meteosat. meteosat.com
• Grupo de Física de la Atmósfera (GFAT) de la Universidad de Granada (UGR)
• Centro de Ciencias de la Atmósfera UNAM