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LA ATMÓSFERA: COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA
Introducción
Definición
Podemos definir a la atmósfera como la envolvente de gases de nuestro planeta, el lugar
donde se desarrollan todas las manifestaciones del tiempo y el clima. La atmósfera juega un
papel esencial en el equilibrio energético de la Tierra ya que controla la cantidad de radiación
que llega desde el Sol y la radiación terrestre que es devuelta al espacio. Así pues, es el
principal medio de transferencia de calor en nuestro planeta. Con frecuencia se le compara
con una maquina térmica gigante, impulsada por el desequilibrio permanente de
temperaturas entre los Polos y el Ecuador.
Composición
La Atmósfera terrestre esta formada por el aire, que es una mezcla de gases, que podríamos
considerar teóricamente como gases perfectos, sin reacciones químicas entre si, así como
por un gran número de partículas sólidas (polvo, humo y cenizas, polen, esporas, partículas
salinas) y líquidas (vapor de agua) en suspensión, todo ello mantenido al nivel de la
superficie terrestre por la acción de la fuerza de la gravedad. No debemos confundir mezcla
con combinación química de gases. Muchos de los gases que se encuentran en la atmósfera
son combinaciones químicas como es el caso del dióxido de carbono (CO2).
Distribución de masa
Como consecuencia de la baja compresibilidad del aire, casi toda la masa se encuentra
concentrada en las capas más bajas de la atmósfera. La disminución de la densidad del aire
con la altura es no lineal. La mitad de la masa atmosférica total se encuentre concentrada en
los primeros 5.000 m, a 10.000 m podemos hablar de 2/3 partes del total, a 60.000 m de
altitud tendríamos toda la masa atmosférica exceptuando una milésima parte. Podemos
establecer la presencia de la atmósfera hasta aproximadamente 10.000 kms, lugar donde es
prácticamente indistinguible del medio interplanetario.
En resumen podemos establecer que la presencia de la atmósfera no pasa desapercibida ya
que el aire es una sustancia material y tangible que ejerce una presión al nivel del mar de
aproximadamente 1 kg/cm2 y que disminuye a medida que aumenta la altura al disminuir su
densidad.
Cálculo de la masa total
La masa de la atmósfera se estima en aproximadamente 5,3 x 1018 kg. Sin embargo, este
valor es apenas una millonésima parte de la masa terrestre total.
A partir de la presión atmosférica podemos obtener fácilmente la masa de la atmósfera.
Sabemos que la presión es fuerza por unidad de superficie, P = F/S = (M a)/S, en donde M
es la masa de la atmósfera que deseamos determinar, “a” es en este caso la aceleración de
la gravedad, a = g = 9,8 m/s2 y S es la superficie total de la Tierra. S puede obtenerse como
4πR2, siendo R el radio terrestre de aproximadamente 6.376 x 103 m, S ≅ 5,1 x 1014 m2.
Despejando M de la expresión anterior y sustituyendo la P a nivel del mar como 1,013 x 105
Nm, M = (1,013 105 x 5,1 1014 )/9.8 = 5,28 x 1018 kg.
Valor de la densidad del aire
Otro valor interesante es la densidad del aire que normalmente se mide a nivel del mar y a
0º C, y es 1,293 g/dm3.
En la imagen de la Tierra de la izquierda, la esfera representa todo el agua del mundo, esto es, la hidrosfera, incluyendo el agua de los océanos, hielo, lagos, ríos, aguas subterráneas o la presente en las nubes. La masa total de la hidrosfera supone 1,4×1021 kg. En la imagen de la Tierra de la derecha, la esfera representa todo el aire de la atmósfera, considerando una densidad uniforme medida a nivel del mar. La masa total de la atmósfera es de 5,3 x 1018. Las dos representaciones se muestran en relación con el volumen del planeta Tierra.
Composición química de la atmósfera
En la atmósfera podemos distinguir dos capas en función de su composición química: la
homosfera y la heterosfera.
La homosfera tiene una composición química uniforme y convencionalmente se considera
hasta una altitud de 80 km. Por su parte, la heterosfera posee una composición química que
varía en función de la altura con diferentes gases que están dispuestos en capas esféricas en
función de su peso molecular.
La homosfera
Desde la superficie terrestre hasta unos 80 km de altura la composición de la atmósfera es
muy uniforme en lo que a proporción de los gases constituyentes se refiere. Podríamos
pensar que los gases más ligeros, especialmente el hidrógeno y helio, tendrían que ser mas
abundantes en la partes superiores de esta capa, pero la mezcla turbulenta a gran escala
evita que se produzca esta separación debido a la difusión. Las variaciones en altura que en
realidad se observan se deben atribuir a la localización de fuentes de los gases no
permanentes más importantes como el vapor de agua y ozono, responsables en gran medida
de la distribución vertical de temperaturas en la atmósfera, ya que ambos tienen la
capacidad de absorber parte de la radiación solar y terrestre.
La tabla 1.1 nos muestra la composición media del aire puro y seco de la homosfera, es
decir, excluyendo tanto las partículas sólidas como liquidas en suspensión, así como el vapor
de agua, ya que su presencia es muy variable. De todas formas no olvidemos que las
partículas de vapor de agua forman parte de la atmósfera real.
Dado que la composición de los gases en la tabla 1.1 es por volumen porcentual, todos los
porcentajes se corresponden con el número de moléculas de gas que habría en un volumen
de aire seco de la homosfera que contuviese 100 moléculas de sus diferentes gases.
Tabla 1.1. Composición química de la homosfera
Componente y fórmula química % en Volumen de aire seco
Nitrógeno N2 78,08
Oxigeno O2 20,95
Argón Ar 0,93
Dióxido de carbono CO2 350 ppmv
Neón Ne 18,2 ppmv
Helio He 5,24 ppmv
Metano CH4 2 ppmv
Kripton Kr 1,1 ppmv
Hidrógeno H2 0,5 ppmv
Oxido Nitroso N2O 0,3 ppmv
Xeón Xe 0,08 ppmv
Monoxido de carbono CO 0,05 – 0,2 ppmv
Ozono O3 0,02 – 0,03 ppmv
Observamos como el nitrógeno, oxígeno y argón constituyen el 99,5 % del volumen
atmosférico mientras que el resto de componentes como el hidrógeno, neón, helio, etc.,
están en cantidades tan pequeñas que sus concentraciones deben expresarse en partes por
millón. Además de esta mezcla de gases sin reacciones químicas entre si, también forman
parte de la atmósfera real, los aerosoles y el vapor de agua.
Aerosoles
Los aerosoles son partículas de polvo, humo, cenizas, sales y materia orgánica, procedentes
tanto de la actividad humana como de fuentes naturales. Su importancia radica en el hecho
de que pueden actuar como núcleos de condensación a partir de los cuales se forman las
nubes y nieblas, a la vez que influyen notablemente en la transparencia del aire. Los
aerosoles tienen una concentración muy variable y función de la localización geográfica.
Vapor de agua
Por su parte, el vapor de agua, es otro de los constituyentes de la homosfera. Este
componente atmosférico tiene una concentración variable, siendo la principal fuente de
aportación del mismo, la evaporación de las aguas superficiales. La concentración del vapor
de agua varía desde un 5% en volumen a nivel del suelo en regiones ecuatoriales costeras,
hasta casi desaparecer por encima de los 10 o 12 km. El concepto de concentración de vapor
de agua recibe el nombre de humedad. Cabe destacar la capacidad del vapor de agua para
absorber las radiaciones infrarrojo-térmicas emitidas por la superficie terrestre y su
transmisión de energía en forma de calor latente.
Ozono
Otro gas de gran importancia para la vida en la Tierra es el ozono. El ozono actúa como filtro
de las radiaciones solares ultravioletas situadas en el espectro electromagnético justo por
debajo de la radiación visible. El ozono se encuentra desde los 15 km de altura hasta los 85.
Esta capa recibe el nombre de ozonosfera. La máxima concentración se sitúa entre los 25 y
30 km.
Mecanismo de formación de ozono
Cabe preguntarse porque se encuentra el ozono a esas alturas. Las radiaciones de onda muy
corta entre 0,12 y 0,2 micras son capaces de romper la molécula biatómica de oxígeno en
sus dos átomos. El oxígeno atómico reacciona con el oxígeno molecular en presencia de
nitrógeno, que actúa como catalizador, produciéndose la molécula triatómica de oxígeno
(ozono, O3). De esta forma podemos entender, que en el proceso de formación de ozono se
ha absorbido la radiación solar de onda corta. Además de lo comentado, la molécula de
ozono por su parte, tiene una gran capacidad de absorber la radiación solar de onda corta
situada entre las 0,2 y 0,29 micras, lo que determina su fotodisociación en oxígeno atómico
y biatómico.
Concluimos, que a pesar de los mecanismos de reacción contrarios anteriores, como las
velocidades de estas reacciones son diferentes, coexisten todas las especies de moléculas
comentadas.
La heterosfera
Por encima de los 80 km de altura, la atmósfera pierde la uniformidad en la composición
química del aire, de forma que resulta imposible mostrar una tabla única con los gases que
la componen, haciéndose necesario considerar diferentes niveles que caracterizaremos por el
predominio de un determinado gas sobre los demás.
Tabla 1.2. Composición química de la heterosfera.
Componente, fórmula química
y Peso Atómico Altura
Nitrógeno molecular N2 (28) 100 – 200 km
Oxígeno atómico O (16) 200 – 1000 km
Helio He (4) 1000 – 3500 km
Hidrógeno atómico H (1) 3500 km
En la heterosfera la densidad del aire es muy baja por lo que las capas señaladas se
corresponden más con zonas de transición que con superficies de separación bien definidas.
La ordenación de las capas en función del peso atómico del componente principal responde
a la ausencia de la barrera turbulenta de la masa gaseosa. Los gases más pesados se
acumulan en las capas bajas y los más ligeros tienden a concentrarse en los niveles
superiores. Lo comentado significa que las capas de gases más alejadas de la superficie
terrestre no son del todo retenidas por la acción gravitatoria. Hoy en día sabemos que la
atmósfera pierde al espacio exterior del orden de 1kg/s de hidrógeno. Este hidrógeno
proviene principalmente de la escisión de las moléculas de agua que hay en la estratosfera
(que son muy pocas) por la radiación ultravioleta, siendo este uno de los dos fenómenos que
generan el oxígeno de la Tierra, junto con la fotosíntesis.
Estructura térmica
Vamos a dividir la atmósfera en diferentes capas en función de la temperatura a la que se
encuentran.
Troposfera
La troposfera es la capa inferior de la atmósfera, situada entre la superficie terrestre
(litosfera o hidrosfera) y una altura promedio de 9km en los Polos, 11km en latitudes medias
y 15km en el Ecuador. Esta la es la región atmosférica donde tienen lugar los fenómenos
que conocemos como el tiempo (nubosidad y precipitaciones). Aquí abundan las corrientes
térmicas verticales como consecuencia de las diferencias de calentamiento y la disminución
de la temperatura con la altura.
La troposfera podemos dividirla a su vez en dos capas:
a.- Baja troposfera: La temperatura decrece con la altura de forma irregular. Los primeros 2
o 3 km están formados por capas isotermas donde la temperatura es constante o a veces
aumenta con la altura, lo que se conoce con el nombre de inversiones térmicas. Las
diferencias térmicas mencionadas junto con las variaciones entre el día y la noche y las
irregularidades del terreno, son importantes en esta sub-capa en contacto directo con el
suelo. El nombre con que se conoce a esta región es capa límite planetaria o capa frontera
donde se producen turbulencias muy importantes.
b.- Alta troposfera: En esta el decrecimiento de la temperatura con la altura es mucho más
regular y podemos fijarlo en aproximadamente 6º C por cada km. De manera que la
temperatura en el limite superior, que llamamos tropopausa, alcanza aproximadamente los
– 50º C.
La tropopausa es la capa a partir de la cual la temperatura deja de disminuir con la altura y
donde el viento en altura es máximo.
Variación de la temperatura con la altura en la troposfera.
La tropopausa no es una superficie concéntrica con la Tierra sino que tiene una estructura
laminar, es decir, no constituye una capa continua única, y además, entre las diversas
láminas existen profundas fallas por donde circulan fuertes corrientes de viento.
De acuerdo a latitud en la que nos encontremos la tropopausa puede ser dividida a su vez
en:
� Tropopausa polar: desde los Polos hasta 45º de latitud con una altura de 9km
� Tropopausa de latitudes medias: desde 45º hasta 20º con una altura de 11 a 12km.
� Tropopausa ecuatorial: desde 20º al Ecuador con una altura de 15km.
Ya que la tropopausa es mal alta en el Ecuador, su temperatura es más baja, y al ser la capa
inmediatamente superior, la estratosfera, una capa isoterma, mantiene la temperatura con la
altura, siendo la temperatura en los polos mas alta que en el Ecuador.
Entre las diferentes láminas de la tropopausa nos encontramos unas corrientes que circulan
en sentido Oeste-Este envolviendo la Tierra. Los estudios han demostrado que tienen forma
tubular. Estas corrientes reciben el nombre de “jet stream” (corrientes de chorro). Al haber
tres laminas tenemos dos corrientes de chorro: corriente de chorro polar y corriente de
chorro subtropical. Las corrientes no siempre se encuentran en la misma latitud sino que
sufren ligeras oscilaciones. Nos interesa mucho su localización para determinar la evolución
de las borrascas (se encuentran normalmente en la vertical de situaciones de inestabilidad
en superficie).
Estructura laminar de la tropopausa y corrientes de chorro.
Estratosfera
La estratosfera esta situada entre la tropopausa y unos 50 km de altura. Su estructura
térmica vertical es aproximadamente isoterma (aumentando su temperatura a medida que
nos elevamos dentro de la capa de ozono). Pero en sentido horizontal, los polos son menos
fríos que el Ecuador debido a la diferencia de altura de la troposfera. De hecho, contiene la
máxima concentración de ozono a unos 22km de altura (un mecanismo de circulación,
transporta el ozono a este nivel donde los factores de destrucción del mismo son menos
probables), pero las temperaturas mas altas (0º C) no se alcanzan hasta los niveles
superiores de la estratopausa donde la exposición a la radiación solar es superior.
Durante el verano la temperatura aumenta claramente con la altura pero se encuentra
obviamente la tropopausa ecuatorial mas fría. En el invierno la distribución de temperaturas
es más complicada, registrándose temperaturas alrededor de – 80º C en la tropopausa
ecuatorial que es la más elevada. Estos valores se mantienen hasta alturas de la estratosfera
media excepto en las latitudes entre 50-60º N, donde existe una región notablemente cálida
(-50 y -45º C) casi isoterma.
El aumento de temperatura mencionado, dificulta los movimientos verticales, dado que las
capas inferiores son más frías y por tanto mas densas, a la vez que no se desarrollan las
clásicas manifestaciones del tiempo (nubes y precipitaciones). Una parte del ozono
estratosférico penetra en la troposfera a través de la zona de confluencia de la troposfera de
latitudes medias con la tropical y la polar, entre los 30-60º de latitud. Se estima que pasen
una mil toneladas por año de ozono, jugando un papel importante en la química
troposférica.
Mesosfera
La mesosfera está comprendida entre el límite superior de la estratosfera (estratopausa) y
los 90km de altura. Aquí la temperatura tiene una clara tendencia a disminuir. A partir de
este nivel podemos hablar de la atmósfera superior y no se tiene un criterio definido
aceptado universalmente. A latitudes altas, ésta es la capa donde se observan las nubes
luminosas durante las noches del verano, que parecen producidas por pequeñas partículas
de polvo que actúan como núcleos de sublimación de pequeños cristales de hielo.
Con respecto a la presión, podemos decir que disminuye desde 1 mb a 50km hasta 0,01 mb
a 90km.
Nubes noctilucentes
Termosfera
Es la capa comprendida entre la mesopausa y un poco mas de los 400 km de altura. A pesar
de que mas allá de la mesopausa las densidades atmosféricas son muy bajas, esta puede
ofrecer una resistencia suficiente a los aerolitos del espacio.
La parte inferior de la termosfera tiene un predominio de Nitrógeno sobre el Oxígeno, tanto
en forma molecular como atómica, mientras que por encima de los 200 km, es el Oxígeno
atómico el que domina sobre el Nitrógeno. Debido a la absorción de las radiaciones
ultravioletas por parte del oxígeno atómico, las temperaturas que en teoría se podrían
alcanzar son de 1200 K a los 350 km. Sin embargo las observaciones realizadas por satélites
no han llegado a medir estas temperaturas a consecuencia del enrarecimiento del aire.
Por encima de 100 km, la atmósfera se ve afectada por rayos X y radiación UV que arrancan
electrones de los átomos de oxígeno y las moléculas de nitrógeno. Las auras boreales y
australes, se producen por la penetración, desde los 300 a los 80 km, de estas partículas
ionizadas, especialmente en latitudes polares.
Auroras
Estructura térmica de la atmósfera.
Exosfera
Los límites para esta capa atmosférica son imprecisos, se considera que su base puede estar
entre los 500 y 750 km de altura. Básicamente esta formada por átomos de oxigeno,
hidrógeno y helio que pueden escapar al espacio exterior debido a la baja densidad a estas
alturas y la perdida de atracción gravitacional.
Estructura electrónica
Desde el punto de vista de la conductividad eléctrica podemos distinguir dos regiones en la
atmósfera:
La Ozonosfera: A pesar de que el ozono tiene su máxima concentración entre los 25 y 30
km, este componente es detectable desde los 15 hasta los 85 km, casi la misma extensión
de la propia mesosfera. Ya hemos comentado la importancia de este componente que filtra
la radiación ultravioleta protegiéndonos de los rayos solares.
La Ionosfera : Esta comprendida entre los 60 km de altura y el final de la atmósfera. Como
su nombre indica es una capa muy ionizada pero su estructura vertical no es uniforme, es
decir, a diferentes niveles la concentración y los átomos varían. La ionosfera se subdivide en
las siguientes capas:
a.- Capa D. Sólo aparece durante el día y es sumamente absorbente para frecuencias por
debajo de unos 10 MHz, protegiendo la superficie terrestre de gran parte de la radiación
espacial.
b.- Capa E (Kenelly-Heaviside): concentración de iones más alta
c.- Capas F1 y F2. Estas capas tienen importancia para la transmisión de las ondas
radioelectricas que se perderían en el espacio si no se reflejaran en ellas. Por la acción de los
rayos solares estas capas se desdoblan durante el día pero se unen durante la noche.
