LA ATMÓSFERA
RADIACIÓN SOLAR Y TERRESTRE. ABSORCIÓN DE ENERGÍA POR LA ATMÓSFERA
la Tierra y su atmósfera irradian hacía el espacio una cantidad de calor aproximado igual a la recibida. Si esto no ocurriese, el planeta se calentaría demasiado y pronto sería estéril.
Por supuesto, algo del calor llegado a la superficie terrestre proviene de su interior por flujo térmico, magmatismo, sismicidad, etc., pero su cantidad es despreciable en lo que se refiere al balance energético total.
El calor que llega desde el Sol (330 cal/m2s, la llamada constante solar) se concentra principalmente en latitudes bajas, mientras que, por otro lado, la radiación que libera la Tierra es mucho más uniforme. La corrección del desequilibrio que se produce entre la radiación que entra y sale de la Tierra a diferentes latitudes está directamente relacionada con el calor.
El calor de un objeto se puede transferir por conducción, convección o como radiación electromagnética. La conducción carece de importancia en Meteorología, en cambio, la convección es muy importante en los océanos y en la atmósfera, mientras que la transferencia de calor por la radiación electromagnética es la única forma en que esta energía pueda viajar a través del espacio, y así es como llega la energía solar a la Tierra, con unas longitudes de onda (l) comprendidas entre 0,17 µm y 4 µm (1 µm = 10-3 mm).
La llamada radiación visible oscila entre l = 400 µm (0,4 mm) y l = 700 µm (0,7 mm).
La atmósfera absorbe, de forma selectiva, las distintas longitudes de onda de la radiación solar. Así en la ionosfera o termosfera se absorben las radiaciones de onda corta y alta energía (rayos X y g), mientras que en la ozonosfera se absorbe gran parte de la radiación ultravioleta, especialmente la de mayor energía y de efectos más letales para la vida. Sin embargo las ondas correspondientes al espectro visible atraviesan la atmósfera y alcanzan la superficie terrestre, sin producir calentamiento aparente de aquélla. Las radiaciones infrarrojas, de menor energía, son absorbidas por el 02, vapor de H20 y otros gases atmosféricos y producen un aumento de la temperatura.
De la radiación visible parte es reflejada por las nubes o por la superficie terrestre, siendo devuelta al exterior. Es el llamado albedo, que es del 30-35% en el caso de la Tierra. Así un incremento del albedo, ligado a la presencia de numerosas nubes, de polvo en suspensión o de hielo y nieve, llevaría a un enfriamiento progresivo de la atmósfera. Del 70% restante, la atmósfera absorbe un 23% y la superficie de La Tierra un 47%.
La luz visible absorbida por el suelo provoca su calentamiento y en consecuencia una radiación de calor (radiación infrarroja), la cual es absorbida por algunos gases atmosféricos (principalmente CO2 y vapor de H2O), provocando su calentamiento, proceso conocido como efecto invernadero, efecto natural que ha hecho habitable nuestro planeta, ya que la temperatura media de La Tierra es de 15 ºC, 30 ºC más que si no existiese. La radiación infrarroja que alcanza las nubes es reflejada en parte hacia abajo (contrarradiación atmosférica), incrementándose así el efecto invernadero. Por ello, cuando existen cielos despejados y con bajos niveles de humedad, gran parte de la radiación terrestre escapa al exterior, produciéndose por las noches una importante bajada de las temperaturas, como ocurre por ejemplo en los desiertos. Afortunadamente el balance global entre la energía recibida y la energía radiada al exterior ha permanecido equilibrado a lo largo de la historia de la Tierra, con algunas desviaciones transitorias que se han traducido en cambios climáticos.
La circulación atmosférica y oceánica redistribuye dicha energía estableciendo un flujo desde las zonas con exceso hasta las deficitarias, originando la zonación climática de la Tierra.
Existe otro desequilibrio energético entre la energía que radia la superficie terrestre hacía la atmósfera y la que radia ésta hacia la superficie que se iguala mediante flujos de calor no radiactivo, es decir, la energía consumida por masas de aire caliente que suben y masas frías que bajan (calor sensible), más la energía de evaporación de agua de los océanos y la condensación en la atmósfera (calor latente).
Estas transformaciones de energía debidas a los cambios de estado del agua y la convección térmica atenúan el efecto invernadero de 37 °C de media global a los 15 °C citados anteriormente. El desequilibrio del subsistema atmósfera-superficie terrestre genera el ciclo hidrológico, que no es más que el cambio de estado físico del agua asociado a los trasvases de la misma desde los océanos a las zonas continentales, para volver de nuevo a los océanos.
ESTRUCTURA LA ATMÓSFERA
Como consecuencia del escape al espacio exterior de los gases más ligeros (H2 y He) y de las numerosas reacciones de equilibrio que se producen entre la atmósfera, hidrosfera, litosfera y biosfera, la composición atmosférica es relativamente sencilla, con un 78% (en volumen) de nitrógeno, cerca de un 21% de oxígeno, 0'93% de argón, 0'035% de CO2 y pequeñas cantidades de otros gases, principalmente vapor de H2O, y polvo en suspensión.
La composición y condiciones físicas de la atmósfera no son uniformes en todo su espesor, pudiéndose distinguir varias capas, que se observan en el siguiente perfil vertical:
En virtud de la compresibilidad de los gases, se distinguen dos grandes zonas en la atmósfera, la homosfera y la heterosfera, separadas por una superficie de transición, la homopausa o mesopausa.
HOMOSFERA
La mayor parte de la atmósfera está cerca de la superficie comprimida por su propio peso, de forma que en los primeros 6 Km se encuentra el 50% de la masa total, y hasta el 95% por debajo de los 15 Km. En ella las proporciones de los diferentes gases, constituyen lo que coloquialmente se llama aire y éstas se mantienen casi invariables hasta los 80 Km de altitud, donde comienza la heterosfera.
A su vez, la homosfera se puede dividir en tres capas:
LA TROPOSFERA, que alcanza una altitud media de unos 13 Km (7 Km en los polos y hasta 18 Km en el ecuador), aunque su espesor varía con las estaciones. Contiene casi el 80% de la masa de la atmósfera, aquí se encuentra la mayor parte del CO2 y del vapor de agua, y se originan los fenómenos meteorológicos -vientos, nubosidad, precipitaciones-. También hay cantidades variables de polvo en suspensión, que se concentra en los 500 m contiguos a la superficie -capa sucia-. Se produce un descenso constante de la temperatura -aproximadamente 1 ºC cada 150 m- con la altura en esta capa hasta llegar a unos -70 ºC en el límite superior o tropopausa, donde se producen fuertes corrientes de aire, las corrientes en chorro, o "jet streams".
LA ESTRATOSFERA, que se extiende desde la tropopausa hasta los 50 ó 60 Km de altitud. En su parte inferior la temperatura permanece baja, pero aproximadamente entre los 20 y 50 Km de altitud se encuentra la capa de ozono u ozonosfera, que al absorber la radiación ultravioleta solar, produce un aumento de la temperatura en esta zona, hasta alcanzar valores positivos en el límite superior o estratopausa, con un máximo de 0-10 ºC a los 50 km de altura. La transparencia del aire en esta capa es perfecta, debido a la ausencia de vapor de agua y partículas de polvo.
LA MESOSFERA es la última capa de la homosfera y se extiende hasta los 80 Km de altitud, límite denominado mesopausa. En ella disminuye la temperatura mucho hasta alcanzar los valores atmosféricos más negativos, de -80 ºC. No difiere en composición de las capas anteriores, aunque no presenta vapor de agua ni ozono.
En esta capa abundan los vapores de sodio -la llamada por algunos autores sodiosfera- a 70 Km de altitud, que producen efectos lumínicos (nubes noctilucientes, formadas por cristales de hielo).
HETEROSFERA
También recibe el nombre de ionosfera o termosfera, debido a que gran parte de las moléculas gaseosas están ionizadas por la acción de las radiaciones solares de alta energía. Dichos gases ionizados absorben radiación ultravioleta, con lo que la temperatura alcanza valores muy altos, aunque éstos no puedan ser registrados con los termómetros habituales, dada la bajísima densidad del medio en que se producen. La temperatura aumenta hasta unos 400 ºC en fases poco activas del Sol, pero alcanza más de 1000 ºC en momentos de actividad solar.
En esta zona los gases no están homogéneamente mezclados, sino dispuestos en cuatro capas: |
Capa de H - 3.500 a 10.000 km |
En esta capa se dan diversos fenómenos interesantes como la reflexión de ondas de radio y de TV., las auroras boreales, fenómenos luminosos producidos por la interacción de los iones de la termosfera con las partículas atómicas procedentes del Sol que, canalizadas por las líneas de fuerza del campo magnético terrestre, son concentradas en las zonas polares.
Algunos autores consideran la termosfera como la última capa de la atmósfera, sin embargo otros consideran una última capa, la EXOSFERA, que corresponde a una zona con características propias y distintas de la capa inferior.
El límite superior de la atmósfera no existe como tal, aunque éste podría corresponder a la zona de clara influencia y predominio del viento solar, constituido por diversas partículas subatómicas de alta energía que interaccionan con el campo magnético terrestre. Este campo magnético actúa como un escudo protector frente al viento solar, aunque algunas de las partículas aludidas son atrapadas por aquel y oscilan indefinidamente a lo largo de las líneas de fuerza de dicho campo, constituyendo los cinturones de Van Allen -magnetosfera-, a 3.200 Km. y 22.000 Km. de altitud.
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA
Las características químicas de la atmósfera son distintas a diferentes altitudes como consecuencia de su propia estructura física, pero también debido a la influencia de sustancias traza que le confieren propiedades térmicas especiales y condicionan la mezcla vertical. Los límites inferior y superior de la atmósfera constituyen zonas especialmente activas de intercambio. En el límite inferior hay flujos muy importantes con biosfera, litosfera e hidrosfera. En el límite superior se produce la pérdida de los gases más ligeros, H2 y He.
La atmósfera está compuesta:
- Gases mayoritarios, cuya concentración se expresa en porcentajes. N2 ,02 , vapor de agua, Ar y CO2
- Gases minoritarios, cuya concentración se expresa en ppm. Ne, He, CH4 y CO
- Traza, cuya concentración se expresa en ppb. N2O, O3 , SO2 y NO
- Otros, que se expresan en ppt o por n° de átomos o moléculas por m3
De forma general, podríamos decir que la composición de la atmósfera es sencilla, 78% de N2 , 21% de 02, 0,93% de Ar y 0,035% de CO2. La concentración de los gases más abundantes, sigue la misma pauta de disminución en función de la altitud. Debido a ello, la composición porcentual varía muy poco con la altura.
