La Atmosfera

La Atmósfera

La atmósfera es, en general, una capa gaseosa que rodea a un cuerpo celeste y lo sigue constantemente en todos sus movimientos.

La atmósfera permite evitar las oscilaciones de temperatura en la superficie terrestre, disminuye la radiación solar durante el día e impide la pérdida excesiva de calor durante la noche. Dentro de nuestro Sistema Solar, poseen atmósfera el Sol, la Tierra, Venus, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno y Plutón. La Luna y el planeta Mercurio, carecen de ella. Esto depende exclusivamente del tamaño de los astros, ya que los más grandes tienen más fuerza de gravedad, lo que los lleva a conservar su capa de gas; los de menor volumen, en cambio, se desprenden de ella.

La atmósfera terrestre está compuesta por un 78% de nitrógeno y un 21% de oxígeno. El resto es argón (0.93%), bióxido de carbono o anhídrido de carbono (0.03%) y restos de otros gases como vapor de agua (varía de 0,1% a 5% según el clima) neón, helio, kriptón, xenón e hidrógeno.

Estructura de la atmósfera

La atmósfera cuenta con una estructura muy bien definida. Se divide en cuatro capas o esferas distribuidas según su altitud de la siguiente manera:

La tropósfera es la parte inferior y más densa de la atmósfera; es la más cercana a la superficie terrestre y en ella ocurren los fenómenos climáticos como lluvias, nubes y tormentas. A causa de la altitud existente (11 km en promedio), la temperatura va disminuyendo en esta capa de la atmósfera, llegando casi a 55¼ bajo cero en el límite entre la troposfera y la estratosfera, variación que se conoce con el nombre de gradiente vertical de la temperatura. Más del 75% del peso total del aire, gran parte de la humedad y casi todo el polvo atmosférico, están contenidos en la troposfera.

La segunda capa de la atmósfera es la estratósfera, que se extiende hasta los 80 km de altitud, compuesta de aire claro y seco. Es bastante más estable que la troposfera, al igual que su temperatura que se mantiene constante en su parte inferior, ya que se va calentando producto de la absorción de energía solar por parte de su capa de ozono, que es la variedad de oxígeno que existe en esta zona, capaz de capturar las radiaciones ultravioletas (U.V.) dañinas del sol para que no lleguen a la superficie terrestre.

La humedad casi no existe en la estratosfera, lo que trae como consecuencia una baja producción de nubes. La estratósfera, en su límite superior, alcanza una temperatura aproximada de 10¼ Celsius. Las capas inferiores de la troposfera son utilizadas para el tránsito aéreo.

Luego viene la mesósfera, donde la temperatura va disminuyendo considerablemente hasta llegar aproximadamente a los 100¼ bajo cero en el límite superior. Dada la menor densidad del aire, la difusión de la luz, que es la que da el color azul al cielo, no es capaz de concretarse.

También se le llama ionósfera, básicamente por la baja densidad del aire y la gran riqueza de iones. La importancia de esta capa es la transmisión de las ondas radiales, ya que de lo contrario, se perderían en el espacio en caso que no se reflejaran en ella.

La cuarta capa de la atmósfera se llama termósfera y a diferencia de la anterior su temperatura va en aumento hasta alcanzar los 1.000° Celsius a los 300 kilómetros de altura.

Una última zona, que no se considera como parte de la atmósfera por estar fuera de la Tierra, es la exósfera, donde las partículas materiales son tan pequeñas en número que podrán avanzar varios kilómetros y nunca chocar unas con otras. Sin embargo, posee mucho polvo cósmico que cae sobre la Tierra, y que en consecuencia, aumenta su peso aproximadamente en 10 mil ó 20 mil toneladas

La atmósfera: Equilibrio gaseoso

Corresponde a una importante capa protectora que posibilita la mayoría de los procesos vitales del planeta. Su porción más cercana a la superficie terrestre está directamente relacionada con el clima y los fenómenos meteorológicos.

Nuestro planeta posee características únicas que facilitan el desarrollo de la vida. Además de contar con importantes recursos hídricos, debemos agregar la existencia de una capa gaseosa adecuada para la existencia de la vida que envuelve la Tierra y mantiene su temperatura, la protege de la radiación cósmica y constituye un eficiente sistema de intercambio de energía solar entre las regiones cálidas y frías. Nos referimos a la atmósfera terrestre.

Su formación ocurrió hace millones de años, en tiempos de la Tierra primitiva, producto de varias transformaciones en la superficie y en la composición de los gases que emanaban de ella.

La gran actividad volcánica de esos años generó importantes concentraciones de dióxido de carbono, vapor de agua y nitrógeno, elementos que por la fuerza de gravedad quedaron suspendidos y formaron una precaria e inestable atmósfera.

Posteriormente, la aparición de agua en la superficie del planeta y el trabajo fotosintético de las primeras plantas fueron algunos de los factores que alteraron la composición atmosférica, constituyendo finalmente los elementos que conocemos hoy.

Actualmente, la atmósfera terrestre está compuesta por un 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno, 0,93% de argón, 0,035 de dióxido de carbono y un 0,04% de otros gases (entre ellos, helio, neón y vapor de agua)  Si bien son rangos establecidos, estos cambian a medida que ascendemos desde la superficie terrestre hacia el espacio exterior, así como también varía la cantidad de vapor de agua en función de la temperatura y la humedad relativa.

Capas constituyentes

La atmósfera está compuesta por cinco capas, cada una de ellas con características y funciones propias. La capa más cercana a la superficie terrestre se denomina troposfera. Se ubica a partir del nivel del mar hasta, aproximadamente, 10 kilómetros de altura (en el Ecuador, la distancia alcanza los 19 kilómetros, mientras que en los polos llega a 9). Es la capa más gruesa de la atmósfera, formando el 75% del peso total del aire y conteniendo gran parte de la humedad y el polvo atmosférico. También se le llama "capa meteorológica", ya que en ella ocurren los principales fenómenos meteorológicos, como la formación de las nubes, lluvias y tormentas.

La segunda capa atmosférica es la estratosfera, que llega hasta los 50 kilómetros de altura. En ella se desarrollan los vientos constantes y las masas de aire se disponen en franjas o estratos. Alberga la mayor concentración de ozono (O3), variedad de oxígeno que nos protege de las dañinas radiaciones ultravioletas provenientes del Sol.

También en este sector, gracias a la ausencia de cambios meteorológicos y su consecuente seguridad, se realizan los vuelos comerciales.

A continuación y hasta los 80 kilómetros de altitud se ubica la mesosfera, que en su porción superior posee temperaturas inferiores a los -100ºC. Es catalogada como una capa de bajas presiones, ya que la concentración de gases, como el nitrógeno y el oxígeno, es menor.

Sobre los 80 kilómetros encontramos la termosfera o ionosfera, cuyo nombre se relaciona directamente con las altas temperaturas de esta zona. Este fenómeno se debe a que las moléculas de aire absorben la radiación proveniente del Sol y los gases presentes están ionizados. En este sector se desintegran algunos meteoritos que alcanzan la Tierra, los que al entrar en contacto con esta capa disminuyen de tamaño y se convierten en estrellas fugaces.

La última capa atmosférica se llama exosfera y cuenta con una considerable cantidad de moléculas de gas escapando constantemente hacia el espacio; aquí es el único lugar donde los gases pueden escapar, ya que la gravedad no es tan fuerte.

En esta zona el aire es muy transparente, existe una gran cantidad de polvo cósmico y por ella transitan muchos de los satélites meteorológicos.

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

Movimientos de la atmósfera
Los movimientos en la atmósfera se producen a diversas escalas, se pueden registrar desde movimientos milimétricos hasta de miles de kilómetros, la mayor escala de movimiento, es decir la escala en kilómetros, se denomina circulación general. La circulación general es causada por los cambios térmicos y de presiones en el globo terrestre y modificada por la rotación de la Tierra. La Tierra y los océanos introducen modificaciones adicionales y contribuyen a iniciar circulaciones secundarias. La topografía local introduce circulaciones terciarias y así sucesivamente, hasta llegar al movimiento molecular para finalmente cesar debido a la viscosidad del aire.
La atmósfera de la Tierra. Nuestro planeta está rodeado por una envoltura gaseosa denominada atmósfera, con una altura de unos 2.000 kilómetros. La densidad de los gases que la componen, desciende con la altitud, de tal manera que la mitad de su masa se encuentra en una capa que tiene un espesor de unos 5 kilómetros. Se puede decir que la atmósfera ha sido divida en capas para su estudio según sus características y eventos o movimientos que se suceden en ellas y que afectan la vida del planeta.
Capas de la Atmósfera: La atmósfera esta compuesta por capas concéntricas:
	• Troposfera (del griego tropos: giro y sphaira: esfera): Es la zona inferior de la atmósfera que se extiende desde el nivel del mar hasta unos 16 Km. Es una zona de gran agitación a causa de los vientos y otras perturbaciones atmosféricas que tiene gran influencia en el cambio de los climas y la modificación del relieve terrestre. Las fuertes corrientes ascendentes y descendentes hacen que las masas de aire en esta capa de la atmósfera estén muy mezcladas. Su espesor es muy variable y se estima que es de unos 16 km en las zonas ecuatoriales, 14 km en las zonas templadas y unos 10 km en las zonas polares.
El límite superior de la troposfera se denomina tropopausa, allí el aire tiene una temperatura muy baja (hasta –85ºC). Son capas muy delgadas que se distinguen por la presencia de las nubes denominadas cirros muy finos o por delgados horizontes de neblina. Entre los 8 y 16 Km de altura, los vientos alcanzan grandes velocidades desde 100 a 500 Km/h. En esta zona es donde se originan las llamadas corrientes de chorro, o sea la que se forma en el vacío comprendido entre dos contrastes térmicos; el aire polar prácticamente seco se cambia en los dos sentidos con el aire húmedo de la troposfera tropical y subtropical.
La troposfera es una capa muy densa, en ella se encuentran más de las ¾ partes del aire de la atmósfera, además contiene mucho vapor de agua condensado en forma de nubes, y gran cantidad de polvo. La temperatura en la troposfera va disminuyendo a medida que se aleja de la corteza terrestre. En ciertos lugares sobre el nivel del mar puede estimarse en 29ºC en la denominadas zonas ecuatoriales, en las zonas templadas se encuentra a unos 15ºC y a –3ºC en las zonas polares. A los 6.000 metros de altura llega a los –24ºC y se hace constante hasta los 11 km.
	• Estratosfera (del latín, stratum: capa). Tiene un espesor aproximado de 60 Km. y se encuentra por encima de la tropopausa. Casi no hay movimiento en dirección vertical del aire, pero los vientos horizontales llegan a alcanzar frecuentemente los 200 km/h, lo que facilita que cualquier sustancia que llega a la estratosfera se difunda por todo el globo con rapidez.
Por ejemplo, esto es lo que ocurre con los CFC que destruyen el ozono. En esta parte de la atmósfera, entre los 30 y los 50 kilómetros, se encuentra el ozono, el cual es un elemento químico de gran importancia ya que absorbe las dañinas radiaciones de onda corta. La temperatura en la estratosfera va aumentando hasta llegar a ser de alrededor de 0ºC en la estratopausa.
• Mesosfera: se extiende entre los 50 y 80 km de altura, contiene sólo cerca del 0,1% de la masa total del aire. Es importante por la ionización y las reacciones químicas que ocurren en ella. La disminución de la temperatura combinada con la baja densidad del aire en la mesosfera determinan la formación de turbulencias y ondas atmosféricas que actúan a escalas espaciales y temporales muy grandes. La mesosfera es la región donde las naves espaciales que vuelven a la Tierra empiezan a notar la estructura de los vientos de fondo y del freno aerodinámico.
• Ionosfera: se extiende desde una altura de casi 80 km sobre la superficie terrestre hasta 640 km o más. Cuando las partículas de la atmósfera experimentan una ionización por radiación ultravioleta, tienden a permanecer ionizadas debido a las mínimas colisiones que se producen entre los iones. La ionosfera tiene una gran influencia sobre la propagación de las señales de radio. Una parte de la energía radiada por un transmisor hacia la ionosfera es absorbida por el aire ionizado y otra es refractada, o desviada, de nuevo hacia la superficie de la Tierra. Este último efecto permite la recepción de señales de radio a distancias mucho mayores de lo que sería posible con ondas que viajan por la superficie terrestre.
• Exosfera: es la última capa de la atmósfera. Se estima que presenta un espesor de 2.500 Km, esta conformada principalmente por helio.
Composición del aire La troposfera es la zona que contiene el aire que se respira y en ella también se producen los fenómenos meteorológicos que determinan el clima. El aire es una mezcla de una serie de elementos y está constituido por dos grupos de componentes, unos constantes y otros accidentales. Los componentes constantes son el nitrógeno (78.084%), oxígeno (20.946%), argón (0.934%) y los gases inertes o nobles. Esta mezcla de gases mantiene la proporción de sus distintos componentes casi invariable hasta los 80 km, mientras más lejos de la tierra el aire es menos denso. Hay otros dos componentes que están siempre presentes, pero cuya cantidad es variable según el lugar y el tiempo, que son el dióxido de carbono y el vapor de agua, el ozono y diferentes óxidos. También hay partículas de polvo en suspensión como, por ejemplo, partículas inorgánicas, pequeños organismos o restos de ellos y sal marina. Muchas veces estas partículas pueden servir de núcleos de condensación en la formación de nieblas muy contaminantes. Los volcanes y la actividad humana son responsables de la emisión de diferentes gases y partículas contaminantes que van directamente a la atmósfera y tienen una gran influencia en los cambios climáticos y en el funcionamiento de los ecosistemas. El aire se encuentra concentrado cerca de la superficie, comprimido por la atracción de la gravedad y, conforme aumenta la altura, la densidad de la atmósfera disminuye con gran rapidez. En los 5,5 kilómetros más cercanos a la superficie se encuentra la mitad de la masa total y antes de los 15 kilómetros de altura está el 95% de toda la materia atmosférica. El origen de la atmósfera La mezcla de gases que forma el aire actual se ha desarrollado a lo largo de 4.500 millones de años. Se cree que la atmósfera en sus inicios debió estar compuesta por emanaciones volcánicas, como vapor de agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre y nitrógeno, con una muy baja proporción de oxígeno.
Para lograr la transformación han tenido que desarrollarse una serie de procesos, uno de ellos es la condensación del vapor de agua de origen volcánico, dando lugar a los antiguos océanos. También se produjeron reacciones químicas donde parte del dióxido de carbono debió reaccionar con las rocas de la corteza terrestre para formar carbonatos, algunos de los cuales se disolverían en los nuevos océanos.
Más tarde, cuando evolucionó la vida primitiva y se comenzó a producir la fotosíntesis, este proceso generó el oxígeno. Hace unos 570 millones de años, el contenido en oxígeno de la atmósfera y los océanos aumentó lo bastante como para permitir la existencia de la vida marina. Más tarde, hace unos 400 millones de años, la atmósfera contenía el oxígeno suficiente para permitir la evolución de animales terrestres capaces de respirar aire. Además de proteger el planeta y proporcionar los gases que necesitan los seres vivos, la atmósfera determina el tiempo y el clima.
La circulación de la atmósfera La baja densidad de los gases que conforman la atmósfera terrestre permite su desplazamiento sobre la superficie. Como ocurre con todos los gases, el aire modifica su densidad en función de la temperatura y esto hace que pueda ascender y descender. Las constantes variaciones de temperatura entre unos puntos y otros de la Tierra, permiten que el aire esté en continuo movimiento. Su ascenso o descenso no se efectúa en línea recta, y esto origina los vientos. El vapor de agua que contiene el aire se convierte en líquido (se condensa) cuando asciende a capas más frías, por lo que se producen las precipitaciones.
La gran banda transportadora acuática con corrientes profundas frías y corrientes superficiales calientes (Fuente: DKRZ/MPI-Hamburgo)	El calor La energía del Sol que atraviesa la atmósfera de la Tierra puede llegar al mar o a las rocas de un continente, las rocas tienen tendencia a calentarse y enfriarse más rápidamente que el agua. Es así que los continentes se enfrían y se calientan antes que los océanos, creando zonas con distintas temperaturas. Esto genera las corrientes frías o cálidas que provocan determinados movimientos en la atmósfera.
La cantidad de energía que recibe cada porción de la Tierra depende también de la inclinación de los rayos solares, cuanto más verticales, más energía. Por esto, las regiones cercanas a los polos son mucho más frías que las que se encuentran cerca del ecuador. Además, en el hemisferio norte la proporción de tierras emergidas es mucho mayor que en el sur. Esto influirá también en la formación de corrientes de aire cálido o frío.
Latitud y altitud
La latitud determina la posición de un punto determinado de la Tierra con relación al ecuador. Se mide dividiendo el hipotético cuadrante terrestre en 90 paralelos, cada uno de los cuales corresponde a un grado del ángulo recto. El ecuador tiene latitud 0º y los polos, 90º. Las latitudes altas reciben mucho menos calor que las bajas.
La altitud se refiere a la altura de un punto determinado en relación al nivel del mar. A medida que aumenta la altitud, disminuye la densidad de la atmósfera y, por tanto, su capacidad de absorción del calor. Por esto, cuanto más alto esté un lugar, menor temperatura tendrá.
El aire en movimiento A causa de las diferencias entre agua y tierra, de la latitud y de la altitud, se crean zonas en las que el aire más caliente y ligero tiende a ascender, mientras que el aire más pesado y frío desciende. Estas diferencias de presión son las causantes de los vientos. La zona del planeta y sus características particulares determinaran el tipo de movimiento atmosférico, es así que a lo largo del ecuador se concentraran las zonas de baja presión, en las zonas subtropicales se concentran altas presiones, las zonas templadas de baja presión y por último las zonas polares con altas presiones. Es así que las masas de aire se mueven entre estas zonas con presiones distintas.
La rotación de la Tierra La tierra, al girar sobre su eje, produce fuerzas centrífugas y de inercia que arrastran el aire. Además, al estar en contacto con la superficie, se originan también fuerzas de rozamiento. Todas estas fuerzas tienen una enorme influencia sobre la forma en que se mueve el aire.
Cuando por diferencias de presión el aire se pone en movimiento, la rotación de la Tierra lo desvía según la dirección de marcha: hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur. Todo este complejo sistema de fuerzas hace que el viento se desplace describiendo amplios círculos o espirales. También se originan diferentes tipos de vientos como los alisios y los ponientes gracias a la influencia de otro tipo de fuerzas tales como la fuerza de Coriolis y colocar debajo de la imagen: Esquema del movimiento que tendría el aire sometido exclusivamente a la fuerza de Coriolis. ) que actúa sobre la masa de aire a causa de la rotación de la Tierra. La fuerza de Coriolis afecta a los vientos predominantes, a la formación de tormentas y de corrientes oceánicas. Mientras que la fricción desempeña un papel relativamente menor, debido a que las masas de aire se mueven esencialmente en direcciones paralelas. Los vientos geostróficos se forman por la acción las fuerzas de Coriolis y de fricción juntas. Como consecuencia, los sistemas de bajas presiones rotan en sentido contrario a las agujas del reloj en el hemisferio norte, mientras que los sistemas de altas presiones rotan en sentido de las agujas del reloj. Los ciclones en el hemisferio Sur rotan en el sentido de las agujas del reloj, como establecen las leyes de Buys-Ballot.
	Contaminación atmosférica. La contaminación atmosférica ha crecido de manera alarmante en los últimos años, como consecuencia del aumento de humos, gases tóxicos y productos químicos generados por la actividad humana. La gran capacidad que tiene la atmósfera para acoger todo tipo de gases y partículas y luego trasladarlos a enormes distancias, es lo que permite que la contaminación generada en una zona determinada afecte a otras más distantes.
Sin embargo, esta capacidad de dispersión de contaminantes, no es totalmente cierta en un determinado momento y lugar. Bajo ciertas condiciones la atmósfera sufre estancamientos, ocasionando así una gran concentración de contaminantes, debido a las escasas condiciones de ventilación que puede presentar.
La dispersión atmosférica de un contaminante depende en primer lugar, de las condiciones meteorológicas y, después de los parámetros y condiciones en que se produce la emisión del contaminante, es decir, depende de la velocidad y temperatura de los gases, la masa y peso molecular de los diferentes compuestos. El grado de dispersión de los contaminantes dependerá del estado de la atmósfera en un instante y lugar determinado.
Estados de la atmósfera: En un cierto instante y en un determinado lugar, la atmósfera se puede comportar como:
Atmósfera estable: se caracteriza por la ausencia de movimientos verticales y horizontales, lo que la aproxima a un estado de reposo. Los contaminantes no tienden a subir, sino a permanecer en niveles cercanos a la superficie terrestre y en ausencia de vientos tampoco son arrastrados horizontalmente. En otras palabras hay escasa o nula dispersión de los contaminantes. Atmósfera inestable: se caracteriza por la gran cantidad de movimientos verticales que se presentan en la atmósfera, tornándose turbulenta. Los contaminantes tienden a ser arrastrados tanto vertical como horizontalmente esto crea un gran poder de dispersión.
Situaciones meteorológicas asociadas a condiciones de estabilidad: Anticiclones cálidos: Los anticiclones son centros de altas presiones caracterizados por movimientos descendentes. Cuando estos ejercen su acción sobre el continente los movimientos descendentes abarcan la casi totalidad de la atmósfera, a excepción de los primeros metros sobre el suelo.
El calentamiento diurno, da origen a pequeños movimientos ascendentes en los primeros metros, los cuales chocan en un determinado nivel con los descendentes. En dicho nivel por fricción se produce un calentamiento, constituyendo lo que se conoce como “inversión térmica”. La capa comprendida entre el suelo y este nivel de inversión térmica, concentra y confina la totalidad de los contaminantes y a ausencia de vientos, estos permanecen por varios días sobre el lugar. Así, el enfriamiento nocturno se encarga de que dicho nivel de inversión térmica descienda hasta las proximidades del suelo empeorando las condiciones de ventilación. Anticiclones fríos: estas masas de origen polar se caracterizan por bajas temperaturas en su seno y gran densidad. A diferencia de los anticiclones cálidos donde por razones dinámicas el aire es forzado a descender, aquí el aire frío permanece en los niveles bajos por efectos gravitatorios (aire pesado). Estos anticiclones originan condiciones de gran estabilidad atmosférica, inhibiendo los movimientos ascendentes, razón por la cual los contaminantes se concentran a nivel del suelo y con escaso desplazamiento horizontal a ausencia de vientos.