Atmósfera terrestre

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Atmósfera terrestre

  1. 1.    Atmósfera terrestre      Composición En la atmósfera terrestre se pueden distinguir dos regiones con distinta composición, la homosfera y la heterosfera.  Homosfera La homosfera ocupa los 100 km inferiores y tiene una composición constante y uniforme.   Composición de la atmósfera terrestre (aire seco, porcentajes por volumen)1  ppmv: partes por millón por volumen  Gas  Volumen  nitrógeno (N2)  780,840 ppmv (78.084%)  oxígeno (O2)  209,460 ppmv (20.946%)  argón (Ar)  9,340 ppmv (0.9340%)  dióxido de carbono (CO2)  387 ppmv (0.0387%)  neón (Ne)  18.18 ppmv (0.001818%)  helio (He)  5.24 ppmv (0.000524%)  metano (CH4)  1.79 ppmv (0.000179%) 
  2. 2. kriptó ón (Kr)  1.14 ppm mv (0.000114% %)  hidróg geno (H2)  0.55 ppm mv (0.000055% %)  óxido nitroso (N2O)  0.3 ppmv v (0.00003%) xenón n (Xe)  mv (9x10−6%) 0.09 ppm ozono 3)  o (O 07 ppmv (0%  to 7x10−6%) 0.0 to 0.0 dióxid do de nitrógeno (NO2)  mv (2x10−6%) 0.02 ppm yodo (I)  mv (1x10−6%) 0.01 ppm monó óxido de carbo ono (CO)  0.1 ppmv v  amoniaco (NH3)  trazas  Exclui ido por ser ai ire en seco  agua ( (vapor) (H2O) )  ~0.40% a a nivel atmosf férico, en sup perficie: 1%‐4 4%   Heteerosfera La he eterosfera se extiende des sde los 100 km m hasta el lím mite superior dde la atmósfeera (unos 10.0 000 km); está á estra atificada, es decir, formada a por diversas s capas con coomposición d diferente. 100‐4400 km ‐ capa a de nitrógen no molecular 400‐11.100 km ‐ caapa de oxígeno atómico 1.1000‐3.500 km ‐ capa de helio o 3.5000‐10.000 km ‐ ‐ capa de hidrógeno [editar]Variación dde la presión con la altura Artículo principal: Atmósfera. La va ariación con laa altura de la presión atmoosférica con eel conocimien nto que se tie ene del magneetismo o de la densidad atmos sférica es lo q que se conocee como Ley ba arométrica. La dif ferencia de ppresión entre dos capas sep paradas por u un   es:   pues se supone la a densidad constante. La ley dad suponiendo el aire com y de la densid mo un gas ide eal   aplicada a la supe una densidad del aire  erficie de la Tierra resulta u . Preteendemos subir una montaña no excesiv vamente alta (para que la  densidad sea a constante) y y queremos saber como disminuirá la pres sión a medida a que ascende emos Como o la densidad d del mercurio o es:   es 11.100 v veces mayor q que la densidad del aire re esulta que la presi ión disminuyee 1 mm de Hg g cuando nos elevamos 11 1100 mm es d decir 11,1 m. A Ahora bien coomo 4 hPa so on 3 mm de Hg la a presión dism minuye 4 hPa cada 33,3 m es decir 1 hPa cada 8 m de e ascenso.  na atmósfera isoterma la pEn un presión varía con la altura siguiendo la  ley:   dondde M es la maasa molecular r, g la acelerac ción de la gra avedad, h‐h0 e es la diferenc cia de alturas entre los nive eles con presi iones P y P0 y T es la tempeeratura absol luta media en ntre los dos n iveles, y R la constante de e los gases perfectos. El hecho de que la teemperatura v varíe sí limita la validez de la fórmula. P Por el contrario, la variació ón de la aceleración de la  edad es tan suave que no afecta. grave  
  3. 3.  Escalla de altura La es scala de alturaa es la altura a la que hay que elevarse en una atmó ósfera para qu ue la presión atmosférica d disminuya en n un fa 8182. Es decir la disminució actor e=2,718 ón de presión n es   Para calcularla basta con pone er en la Ley ba arométrica   resulta:   Para la atmósfera de la Tierra la escala de alturas H es de e 8,42 km. En fu unción de la eescala de altur ras H la presió ón puede exppresarse:   y aná álogamente p para la densid dad:     as de la atmósfera terreCapa estre y la tem mperatura     Capa as de la atmós sfera y las zon nas intermedias entre las m mismas. La temperatura de e la atmósfer ra terrestre vaaría con la alt titud. La relac altitud y la temperatura es ción entre la a s distinta depe endiendo de la capa atmos sférica considerada: tropos sfera, estrato osfera, mesos sfera y termosfera. Las d divisiones entre una capa y y otra se deno ominan respe ectivamente t tropopausa, e estratopausa, mesopausa y termopaus a.  Troposfera Sus p principales características s son: Su es spesor alcanza desde la superficie terre estre (tanto te errestre como o acuática o m marina) hasta a una altitud v variable entre e los 6 km en las zonas polares y y los 18 o 20 kkm en la zona intertropicall, por las razoones indicadas más adelante. Su te emperatura disminuye con n la altitud. La a troposfera ees la capa infe erior (más próóxima a la sup perficie terrestre) de la atmó ósfera de la Tierra. A medida que se sub be, disminuye e la temperat tura en la trop posfera, salvo o algunos casos de in nversión térmica que siemp pre se deben a causas loca ales o regiona almente deteerminadas. La lat titud del lugar determina e el mayor o menor espesor r de la tropos fera, siendo m mucho mayor en la zona intertropical por la fuerza cent trífuga del mo ovimiento de rotación terr restre, y muchho menor en las zonas pol lares por la fue erza centrípetta (achatamie ento polar). En la troposfera suceden los fe enómenos que componen lo que llamam mos tiempo m meteorológic co. La ca apa inferior dee la troposferra se denomin na la capa geo ográfica, quee es donde se producen la mayor propo orción de fenómenos geográficos, tanto en el campo de la geograf fía física comoo en el campo o de la geografía humana. .  
  4. 4.  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 atmósfera muy enrarecida, muy tenue.  Ozonosfera 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 la ionización y las reacciones químicas que ocurren en ella. La baja densidad del aire en la mesosfera determina la formación de turbulencias y ondas atmosféricas que actúan a escalas espaciales y temporales muy grandes.  Ionosfera En la termosfera o ionosfera (de 69/90 a los 600/800 km), la temperatura aumenta con la altitud, de ahí su nombre. La termosfera es la cuarta capa de la atmósfera de la Tierra. Se encuentra arriba 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 1.500° C e incluso más altas. La termosfera de la Tierra también incluye la región llamada ionosfera. En ella se encuentra el 0.1% de los gases.  Exosfera La última capa de la atmósfera de la Tierra es la exosfera (600/800 ‐ 2.000/10.000 km). Esta es el área donde los átomos se escapan hacia el espacio. Como su nombre indica, es la región atmosférica más distante de la superficie terrestre. Su límite superior se localiza a altitudes que alcanzan los 960 e incluso 1000 km., y está relativamente indefinida. Es la zona de tránsito entre la atmósfera terrestre y el espacio interplanetario.  Regiones atmosféricas Ozonosfera: región de la atmósfera donde se concentra la mayor parte del ozono. Está situada en la estratosfera, entre los 15 y 32 km, aproximadamente. Esta capa nos protege de laradiación 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.  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 constituyen la base científica de los procesos que constituyen el campo de 
  5. 5. 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.  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. La energía cinética de los meteoritos se transforma en calor por la fricción de los mismos en el aire y desde la superficie vemos un meteoro, 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 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.  Filtro de las radiaciones solares Las radiaciones solares nocivas, como la ultravioleta, son absorbidas casi en un 90% por la capa de ozono de la estratosfera. La actividad mutágena de dicha radiación es muy elevada, originadodímeros de timina que inducen la aparición de melanoma en la piel. Sin ese filtro, la vida fuera de la protección del agua no sería posible.2  Efecto invernadero Gracias a la atmósfera, la Tierra no tiene grandes contrastes térmicos; debido al efecto invernadero natural, que está producido por todos los componentes gaseosos del aire, que absorben gran parte de la radiación infrarroja re‐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 la diatermancia, 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 (3 ) 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 la constante solar (calorías que 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.2  
  6. 6.  Evolución La composición de la atmósfera terrestre no permanece estacionaria, sino que varía con el paso del tiempo por diversas causas. Además, los elementos ligeros están continuamente escapándose de la gravedad terrestre; de hecho, en la actualidad se fugan unos tres kilogramos de hidrógeno y 50 gramos de helio cada 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.4 Se pueden establecer diferentes etapas evolutivas de la atmósfera según su composición:  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 lo que generó un aumento de la Gravedad. Enfriamiento de la Tierra. Formación de 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.  

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