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La atmósfera
La Atmósfera es la capa gaseosa que rodea a la Tierra. Su límite inferior es la parte sólida y líquida del planeta, pero su límite superior es impreciso (1 000 - 40 000 km).
La atmósfera está unida al resto del planeta por atracción gravitatoria, manteniéndose un equilibrio entre la fuerza de la gravedad y la natural expansión de los gases.
Es un sistema abierto. Aunque su composición se mantiene casi constante, se producen intercambios de materia con otros subsistemas terrestres: vapor de agua, CO2,...
La atmósfera primitiva se formó por desgasificación de la Tierra durante su enfriamiento:
-Polvo atmosférico y gases emitidos por los volcanes (Geosfera).
-Los seres vivos aportaron O2 y N2 rebajando el CO2 (Biosfera).
- Vapor de agua, sal marina, y compuestos de azufre aportados por la Hidrosfera.
La composición de la Atmósfera es la siguiente:
- Aire: mezcla de gases.
- Polvo atmosférico: aerosoles (partículas muy pequeñas que se mantienen mucho tiempo en suspensión en el aire), polvo, sales, esporas, polen, microorganismos, hollín,...
-Aire : mezcla de gases. Mayoritarios: N2 (78%), O2 (21%), argón (0,93%), CO2 (0,03%).
Minoritarios: en proporciones muy pequeñas, se miden en partes por millón: CO, CH4, óxidos de N, H2, óxidos de S,... Variables: vapor de agua y diversos contaminantes (como el ozono troposférico).
Estructura vertical de la atmósfera
Troposfera- Capa inferior de la atmósfera.- Termina en la tropopausa.- Su altitud (12 km de media) varía con: la latitud y las estaciones.- En ella se concentra el 80% de los gases atmosféricos. Es la capa más densa.-La presión atmosférica y la temperatura disminuyen desde su parte inferior hasta la tropopausa. - En ella tiene lugar el efecto invernadero.-Se denomina capa del clima ( fenómenos meteorológicos)-Los contaminantes y del polvo en suspensión se acumula en la denominada capa sucia (primeros 500 m).
Estratosfera- Se extiende desde la tropopausa (12 km) a la estratopausa (50-60 km).- En ella el aire es muy tenue, debido a que su densidad es baja.- Sólo existen movimientos horizontales del aire debido a su disposición en estratos.- No existen nubes, salvo en su parte inferior, en la que se forman unas de hielo, muy tenues (noctilucientes).- En ella se encuentra la capa de ozono (entre los 15-30 km) que impide que la radiación ultravioleta llegue a la Tierra.
- Aumenta la Tª, hasta 0ºC, la presión desciende suavemente.
El ozono (O3) es un gas de olor picante que existe en toda la atmósfera incluida la troposfera en la que es un contaminante. La mayor parte del ozono atmosférico se encuentra en la estratosfera, por donde circula horizontalmente. La capa que forma tiene un espesor variable (máximo en el ecuador y mínimo en los polos). Las cantidades de ozono estratosférico sufren también variaciones diarias y estacionales en función de la cantidad de radiación solar recibida. Los mecanismos de formación y destrucción natural del ozono están en equilibrio dinámico, por lo que la cantidad de ozono en la estratosfera debería mantenerse constante :Formación: Fotolisis del O2 por la luz ultravioleta: O2 + UV O + O-Formación del ozono: O + O2 O3 + calor
Destrucción: O3 + UV O2 + O
Mesosfera- Se extiende desde la estratopausa hasta la mesopausa (80 km).- Densidad del aire muy baja.- Formación de estrellas fugaces (inflamación de los meteoritos al rozar con las partículas de esta capa).- La Tª disminuye hasta –80ºC.- La presión sigue descendiendo muy suavemente
Ionosfera o termosfera- Se extiende desde la mesopausa a la termopausa (600 km).- La Tª aumenta hasta 1000ºC debido a la absorción de las radiaciones solares de onda más corta (rayos X y gamma).- Sus componentes están ionizados.- Rebotan algunas ondas de radio emitidas desde la superficie terrestre que hacen posible las comunicaciones.- Se dan manifestaciones de luz y color: auroras polares
Las auroras polares son debidas al rozamiento de los electrones que llegan del Sol con los gases ionizados de esta capa. Son más frecuentes en el polo N (auroras boreales) que en el S (auroras australes). Las partículas solares son atrapadas por el campo magnético terrestre que las dirige hacia los polos magnéticos.
Exosfera
- Se extiende desde la termosfera hasta aproximadamente 800 - 1 000 km.- Tiene una densidad bajísima. El aire es tan tenue que no puede captar la luz solar y, debido a ello, el color del cielo se va oscureciendo hasta alcanzar la negrura del espacio exterior.
FUNCIÓN REGULADORA Y PROTECTORA DE LA ATMÓSFERA
El Sol emite: Partículas: protones y electrones.- Radiaciones electromagnéticas: De onda corta: rayos gamma, rayos X y parte del ultravioleta.De onda media: radiación infrarroja y ultravioleta próxima y luz visible.De onda larga: ondas de radio, microondas y parte del infrarrojo.
La atmósfera como filtro protector
Sólo las radiaciones electromagnéticas situadas en el centro del espectro consiguen atravesarla sin dificultad: en su mayoría es luz visible (con algo de ultravioleta e infrarrojo próximos).
Las radiaciones de longitud de onda corta y alta energía (rayos gamma y rayos X) son filtradas por la termosfera. La capa de ozono de la estratosfera absorbe la mayoría de la radiación ultravioleta de onda más corta. Esta y los rayos gamma y X son letales. Si todas estas radiaciones llegaran a la Tierra, actuarían como cuchillos rompiendo moléculas debido a la ionización de sus átomos.
Las radiaciones de longitud de onda más larga ( ondas de radio) penetran pero quedan ahogadas por las emitidas desde la Tierra. La mayoría de las radiaciones infrarrojas son absorbidas en la troposfera por los gases que producen el efecto invernadero.
La atmósfera reguladora del clima terrestre
- El efecto invernadero.
- Produciendo los fenómenos meteo- rológicos que conforman el clima.
La desigual incidencia de los rayos solares sobre los distintos puntos de la superficie terrestre genera grandes diferencias de Tª entre los polos y el ecuador, que provocan un complicado sistema de corrientes circulatorias (atmosféricas y oceánicas) con el fin de reequilibrar las desigualdades térmicas.
En ese reequilibrio de calor participa la atmósfera por medio de los fenómenos meteorológicos que tienen lugar en ella y que conforman el clima de las distintas zonas del planeta. Así enormes cantidades de agua son evaporadas en los trópicos, y llevadas por los vientos, son desplazadas a grandes distancias de su punto de origen antes de precipitarse en forma de lluvia, nieve o granizo sobre los mares y continentes.
En cuanto al balance energético terrestre , la Tierra es un sistema en equilibrio energético, de manera que la diferencia entre la energía aportada al sistema y la que el sistema devuelve debe ser cero. Gracias a esto la temperatura media de la Tierra permanece constante (15ºC). Cuando esto no suceda se puede producir un cambio climático.
climàtics.
DINÁMICA ATMOSFÉRICA - Movimientos verticales: movimientos de convección-Movimientos horizontales: viento
- Circulación general de la atmósfera
Movimientos verticales de la atmósfera: movimientos de convección
Los movimientos verticales que tienen lugar en la troposfera se denominan movimientos de convección. Se deben a variaciones de temperatura, humedad o presión atmosférica.
Tipos de movimientos de convección a.- Convección térmica
b.- Convección por humedad
c.- Movimientos verticales debidos a la presión atmosférica
Convección térmica
Son originados por las diferencias de Tª entre la parte superficial (más caliente y menos densa) y la superior (más fría y densa) de la troposfera. Se forman corrientes térmicas.
Aire frío y denso
Aire caliente y menos denso
Convección por humedad
Se origina por la presencia de vapor de agua en el aire que lo hace menos denso que el aire seco: + humedad - densidad (ver libro)
Hay dos maneras de medirlo:
-Humedad absoluta
-Humedad relativa
Humedad absoluta : es la cantidad de vapor de agua que hay en un volumen determinado de aire (g/m3). Pero la cantidad de vapor de agua que hay en el aire depende de la Tª: Aire frío admite poca humedadAire caliente admite mucha humedad
Cuando el aire no puede admitir más humedad se dice que está saturado. Se puede construir una curva de saturación. A cada punto de la curva le corresponde una Tª de saturación (en abscisas) que se denomina punto de rocío (Tª a la que se produce condensación) y una cantidad de humedad concreta (en ordenadas).
Humedad relativa : es la cantidad, en %, de vapor de agua que hay en 1m3 de aire en relación con la máxima que podría contener a la Tª en la que se encuentra.
Humedad absoluta Humedad relativa = ------------------------------- 100
Humedad máxima
Ej.: Tª = 20º
Humedad absoluta = 10 g/m3
10 g/m3Humedad relativa = --------------- = 0,58 -> 58 %
17 g/m3 Higrómetro de cabello
Cuando una masa de aire se eleva, se va enfriando hasta alcanzar la Tª del punto de rocío, entonces el vapor de agua comienza a condensarse y se hace visible. A la altura a la que esto sucede, nivel de condensación, comenzará a visualizarse en forma de nube.
Para que se forme una nube es necesario que la humedad relativa sea del 100% y que existan en la atmósfera núcleos de condensación (polvo, humo, óxidos de N,...). Una nube está formada por millones de pequeñas gotitas o pequeños cristales de hielo que se encuentran suspendidos en el aire. El hielo se forma en la parte más elevada de las nubes altas.
Movimientos verticales debidos a la presión atmosférica
La presión atmosférica es la presión que ejerce la atmósfera por unidad de superficie. Varia con:Altitud: a nivel del mar es de 1 atmósfera, 760 mm de mercurio o 1013 milibares. Disminuye con la altura, ya que la masa de aire es cada vez menor.En un punto geográfico determinado depende de: la humedad del aire y de la temperatura.
+ humedad - densidad - peso aire - presión atmosfér.
+ temperatura + humedad - presión
atmosférica
Isobaras: líneas que unen los puntos geográficos de igual presión atmosférica.
Anticiclón (A): zona de alta presión atmosférica, rodeada de una serie de isobaras cuya presión disminuye desde el centro hacia el exterior.
¿Cómo se forma un anticiclón? Se forma cuando una masa de aire frío (más denso) que se halla situada a cierta altura, tiende a descender hasta contactar con el suelo. En la zona de contacto se acumula mucho aire (hay mucha presión) y el viento tiende a salir desde el centro hacia el exterior.
Borrasca o condición ciclónica (B): zona de baja presión atmosférica, rodeada de isobaras cuyos valores van aumentando desde el centro hacia el exterior.
¿Cómo se forma una borrasca? Se produce cuando existe una masa de aire poco denso (cálido y/o húmedo) en contacto con la superficie terrestre que comienza a elevarse empujada por unas corrientes térmicas ascendentes. Como consecuencia de su elevación, en el lugar que previamente ocupaba la masa, se crea un vacío (disminuye la presión) que es ocupado por el aire frío de los alrededores originándose un viento que sopla desde el exterior hasta el centro de la borrasca.
Gradientes verticales
-Gradiente vertical de Tª (GVT)
- Gradientes adiabáticos
Gradiente vertical de Tª (GVT)
Representa la variación vertical de la Tª del aire en condiciones estáticas o de reposo. Su valor suele ser de 0,65ºC/100m.
Pero este valor de gradiente es teórico pues depende de la altura, la latitud, la estación,...
Es frecuente encontrar inversiones térmicas , espacio aéreo en el cual la Tª aumenta con la altura en vez de disminuir, es decir, el GVT es negativo.
Estas inversiones impiden los movimientos verticales del aire al actuar como tapadera (queda el aire frío abajo), produciéndose nieblas, heladas,… (sobre todo en invierno, pues el suelo enfría la atmósfera inmediata) y dificultando la dispersión de los contaminantes.
Estas variaciones de la Tª con la altura se pueden representar mediante curvas de estado.
temperatura
Curvas de estado
Gradientes adiabáticosEn la troposfera, los ascensos y descensos del aire
se producen con la suficiente rapidez como para que, dada la mala conductividad térmica del aire, no se intercambie calor con los gases de los alrededores. Es decir, que los ascensos y descensos de aire se pueden considerar como procesos adiabáticos (cuando no se produce intercambio calorífico entre el sistema en el que se realiza y el exterior).
Existen dos tipos de ascensos y descensos adiabáticos, según se produzcan o no cambios de estado en el vapor de agua de la masa de aire que se desplaza. Los cambios de estado, en el caso de producirse, implican liberación o absorción de energía.Gradiente adiabático húmedo (GAH)Gradiente adiabático seco (GAS)
Gradiente adiabático seco (GAS) es la disminución o el aumento de temperatura que sufre una masa de aire que asciende o desciende, cuando dentro de esa masa de aire no se producen cambios de estado del vapor de agua. Es un valor fijo: 1ºC/100 m.
Gradiente adiabático húmedo (GAH) es la disminución o el aumento de temperatura que sufre una masa de aire que asciende o desciende, cuando en ella tienen lugar cambios de estado en el vapor de agua.
Por ejemplo, si una masa asciende disminuye su temperatura y si este descenso de temperatura es suficiente como para que se condense el vapor de agua se libera una energía (calor de vaporización) que ocasiona un enfriamiento más lento de la masa de aire ascendente; el gradiente adiabático húmedo dependerá de la cantidad de agua que se condensa, un valor aproximado puede ser 0,5ºC/100 m.
Vapor de agua Agua líquida
Condensación(libera energía)
Evaporación(consume energía)
No hay que confundir la variación de la temperatura del aire ambiente (es decir, el que se encuentra en los diferentes niveles atmosféricos considerados), lo que hemos llamado gradiente vertical de Tª (curvas de estado), con las temperaturas sucesivas de una misma masa de aire cuando asciende o desciende (su representación son las curvas de evolución)
temperatura
curvas de estado curvas de evolución
Condiciones de inestabilidad
-Masa de aire caliente con movimiento ascendente (GAS = 1ºC/100m) en el seno de una masa de aire estática con GVT.
- Se forma una borrasca en superficie, lo que dará lugar a un viento que converge desde el exterior hacia el interior de la misma.
- Puede haber precipitaciones, si la masa de aire ascendente contiene la suficiente cantidad de vapor de agua y este se condensa.
- Eliminación de la contaminación, ya que el aire ascendente provoca la elevación y dispersión de la misma.
Condiciones de estabilidad o subsidencia
-Masa de aire frío y denso con movimiento descendente.
- Se forma un anticiclón en superficie, lo que dará lugar a vientos divergentes.-El aire al descender se va secando y debido también a los vientos divergentes hay ausencia de precipitaciones.
- Difícil de dispersar la contaminación, sobre todo en invierno si hay inversiones térmicas.
Movimientos horizontales de la atmósfera
La atmósfera tiene también movimientos horizontales que tratan de amortiguar las diferencias de temperatura originadas por la mayor irradiación solar en el ecuador que en los polos. El transporte de calor desde las zonas con superávit a las de déficit es llevado a cabo por el viento.
Si un anticiclón y una borrasca se encuentran próximos, el viento que sale de los anticiclones penetra en las borrascas, y por arriba el que asciende en las borrascas, desciende por los anticiclones. Se forman así las llamadas células de circulación del viento.
La trayectoria del viento no es rectilínea por dos razones:
- la topografía: el relieve puede frenarlo, amplificarlo o formar torbellinos.
- el efecto Coriolis.
El efecto Coriolis es una consecuencia del movimiento de rotación terrestre y de su sentido antihorario (de oeste a este). Dicha fuerza no es constante, alcanza su grado máximo en los polos y disminuye progresivamente hacia el ecuador donde se anula. El resultado es una desviación hacia la derecha en la trayectoria inicial de un móvil en el hemisferio norte. Para un móvil situado en el hemisferio sur la desviación será hacia la izquierda.
Debido a la fuerza de Coriolis, los vientos que circulan desde los anticiclones a las borrascas son desviados y su trayectoria es tangencial a las isobaras, girando, en el hemisferio norte, en sentido horario en los anticiclones y antihorario en las borrascas.
Circulación general de la atmósfera
Las causas de la circulación general de la atmósfera son:
- La distinta insolación de la superficie terrestre produce un calentamiento desigual.
- La rotación de la Tierra que produce el efecto Coriolis y que impide que la trayectoria anterior sea continua.
- Rozamiento contra la superficie del globo.
En las zonas ecuatoriales el calentamiento es intenso debido a que los rayos solares inciden verticales. Debido a ello, el aire caliente por contacto con la superficie terrestre tenderá a ascender, dando lugar a borrascas ecuatoriales (B).
En las zonas polares, las bajas temperaturas van a provocar el aplastamiento del aire frío contra el suelo y el asentamiento de un anticiclón polar (A) permanente sobre ellas.
Por este motivo, teóricamente, el viento superficial podría recorrer el globo terrestre de forma que, partiendo de los anticiclones polares, en el sentido de los meridianos, alcanzaría las borrascas ecuatoriales.
A
B
Como consecuencia de esto en la circulación general de la atmósfera podemos distinguir tres células de convección (célula de Hadley, célula de Ferrel y célula polar), en lugar de una ya que la trayectoria de los vientos se ve notoriamente modificada por la fuerza de Coriolis.
- Zona de borrascas ecuatoriales o zona de convergencia intertropical (ZCIT). En esta zona las lluvias son constantes por la confluencia de los vientos alisios de ambos hemisferios, lo que produce un ascenso convectivo muy enérgico. La ZCIT no coincide con el ecuador geográfico, desplazándose estacionalmente desde los 5º S hasta los 10º N.
- Los vientos de altura, generados por las bajas presiones ecuatoriales, descienden en la zona de los anticiclones subtropicales, situados hacia los 30º de latitud. Generan vientos divergentes: los alisios, que soplan hacia el ecuador (proceden del nordeste en el hemisferio norte y del sureste en el hemisferio sur) y los vientos del oeste (westerlies), que soplan hacia las zonas templadas (proceden del suroeste en el hemisferio norte y del noroeste en el hemisferio sur).
Los anticiclones subtropicales que se asientan sobre continentes dan lugar a los mayores desiertos del planeta, debido a que, como vimos antes, los vientos que salen de ellos impiden la entrada de las lluvias.
- Zona de borrascas subártica o subantártica, hacia los 60º de latitud. En ella confluyen los vientos del oeste que transportan aire cálido con los fríos levantes procedentes de los polos.- Zonas de anticiclones polares de donde parte el viento frío levante polar (vientos del este).
