La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra. Comenzó a formarse hace unos 4600 millones de años con el nacimiento de la Tierra. La mayor parte de la atmósfera primitiva se perdería en el espacio, pero nuevos gases y vapor de agua se fueron liberando de las rocas que forman nuestro planeta.
La atmósfera de las primeras épocas de la historia de la Tierra estaría formada por vapor de agua, dióxido de carbono(CO2) y nitrógeno, junto a muy pequeñas cantidades de hidrógeno (H2) y monóxido de carbono pero con ausencia de oxígeno. Era una atmósfera ligeramente reductora hasta que la actividad fotosintética de los seres vivos introdujo oxígeno y ozono (a partir de hace unos 2 500 o 2000 millones de años) y hace unos 1000 millones de años la atmósfera llegó a tener una composición similar a la actual.
También ahora los seres vivos siguen desempeñando un papel fundamental en el funcionamiento de la atmósfera. Las plantas y otros organismos fotosintéticos toman CO2 del aire y devuelven O2, mientras que la respiración de los animales y la quema de bosques o combustibles realiza el efecto contrario: retira O2 y devuelve CO2 a la atmósfera.
Los gases fundamentales que forman la atmósfera son:
| % (en vol) | |
| Nitrógeno | 78.084 |
| Oxígeno | 20.946 |
| Argón | 0.934 |
| CO2 | 0.033 |
Otros gases de interés presentes en la atmósfera son el vapor de agua, el ozono y diferentes óxidos de nitrógeno, azufre, etc.
También hay partículas de polvo en suspensión como, por ejemplo, partículas inorgánicas, pequeños organismos o restos de ellos, NaCl del mar, etc. Muchas veces estas partículas pueden servir de núcleos de condensación en la formación de nieblas (smog o neblumo) muy contaminantes.
| Materiales sólidos en la atmósfera (Partículas/cm3) | |
| Alta mar | 1000 |
| Alta montaña (más de 2000 m) | 1000 |
| Colinas (hasta 1000 m) | 6000 |
| Campos cultivados | 10 000 |
| Ciudad pequeña | 35 000 |
| Gran ciudad | 150 000 |
Los volcanes y la actividad humana son responsables de la emisión a la atmósfera de diferentes gases y partículas contaminantes que tienen una gran influencia en los cambios climáticos y en el funcionamiento de los ecosistemas, como veremos.
Figura 3-1 > Cúpula de polvo sobre una ciudad
Los componentes de la atmósfera se encuentran concentrados cerca de la superficie, comprimidos 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.
La mezcla de gases que llamamos aire mantiene la proporción de sus distintos componentes casi invariable hasta los 80 km, aunque cada vez más enrarecido (menos denso) conforme vamos ascendiendo. A partir de los 80 km la composición se hace más variable.
Atendiendo a diferentes características la atmósfera se divide en:
- La troposfera, que abarca hasta un límite superior llamado tropopausa que se encuentra a los 9 Km en los polos y los 18 km en el ecuador. En ella se producen importantes movimientos verticales y horizontales de las masas de aire (vientos) y hay relativa abundancia de agua, por su cercanía a la hidrosfera. Por todo esto es la zona de las nubes y los fenómenos climáticos: lluvias, vientos, cambios de temperatura, etc. Es la capa de más interés para la ecología. En la troposfera la temperatura va disminuyendo conforme se va subiendo, hasta llegar a -70ºC en su límite superior.
La estratosfera comienza a partir de la tropopausa y llega hasta un límite superior llamado estratopausa que se sitúa a los 50 kilómetros de altitud. En esta capa la temperatura cambia su tendencia y va aumentando hasta llegar a ser de alrededor de 0ºC en la estratopausa. Casi no hay movimiento en dirección vertical del aire, pero los vientos horizontales llegan a alcanzar frecuentemente los 200 km/hora, lo que facilita el que cualquier sustancia que llega a la estratosfera se difunda por todo el globo con rapidez, que es lo que sucede con los CFC que destruyen el ozono. En esta parte de la atmósfera, entre los 30 y los 50 kilómetros, se encuentra el ozono que tan importante papel cumple en la absorción de las dañinas radiaciones de onda corta.
La ionosfera y la magnetosfera se encuentran a partir de la estratopausa. En ellas el aire está tan enrarecido que la densidad es muy baja. Son los lugares en donde se producen las auroras boreales y en donde se reflejan las ondas de radio, pero su funcionamiento afecta muy poco a los seres vivos.
Figura 3-2 > Estructura de la atmósfera
La presión disminuye rápidamente con la altura (ver Tabla 2-1), pero además hay diferencias de presión entre unas zonas de la troposfera y otras que tienen gran interés desde el punto de vista climatológico. Son las denominadas zonas de altas presiones, cuando la presión reducida al nivel del mar y a 0ºC, es mayor de 1.013 milibares o zonas de bajas presiones si el valor es menor que ese número. En meteorología se trabaja con presiones reducidas al nivel del mar y a 0ºC para igualar datos que se toman a diferentes alturas y con diferentes temperaturas y poder hacer así comparaciones.
El aire se desplaza de las áreas de más presión a las de menos formándose de esta forma los vientos.
Se llaman isobaras a las líneas que unen puntos de igual presión. Los mapas de isobaras son usados por los meteorólogos para las predicciones del tiempo.
La atmósfera contiene agua en forma de:
- vapor que se comporta como un gas
- pequeñas gotitas líquidas (nubes)
- cristalitos de hielo (nubes)
Agua contenida en la atmósfera
- Contiene unos 12 000 km3 de agua
- Entre 0 y 1 800 m está la mitad del agua
- Se evaporan (y licúan) unos 500 000 km3/año
- Evaporación potencial en l/m2/año:
- en océanos: 940 mm/año
- en continentes: 200-6000 mm/año
Una masa de aire no puede contener una cantidad ilimitada de vapor de agua. Hay un límite a partir del cual el exceso de vapor se licúa en gotitas. Este límite depende de la temperatura ya que el aire caliente es capaz de contener mayor cantidad de vapor de agua que el aire frío. Así, por ejemplo, 1 m3 de aire a 0ºC puede llegar a contener como máximo 4,85 gramos de vapor de agua, mientras que 1 m3 de aire a 25ºC puede contener 23,05 gramos de vapor de agua. Si en 1 m3 de aire a 0ºC intentamos introducir más de 4,85 gramos de vapor de agua, por ejemplo 5 gramos, sólo 4,85 permanecerán como vapor y los 0,15 gramos restantes se convertirán en agua. Con estas ideas se pueden entender los siguientes conceptos muy usados en las ciencias atmosféricas:
- Humedad de saturación.- Es la cantidad máxima de vapor de agua que puede contener un metro cúbico de aire en unas condiciones determinadas de presión y temperatura.
| Humedad de saturación del vapor de agua en el aire | |
| Temperatura ºC | Saturación g · m-3 |
| - 20 | 0.89 |
| -10 | 2.16 |
| 0 | 4.85 |
| 10 | 9.40 |
| 20 | 17.30 |
| 30 | 30.37 |
| 40 | 51.17 |
- Humedad absoluta.- Es la cantidad de vapor de agua por metro cúbico que contiene el aire que estemos analizando.
Humedad relativa.- Es la relación entre la cantidad de vapor de agua contenido realmente en el aire estudiado (humedad absoluta) y el que podría llegar a contener si estuviera saturado (humedad de saturación). Se expresa en un porcentaje. Así, por ejemplo, una humedad relativa normal junto al mar puede ser del 90% lo que significa que el aire contiene el 90% del vapor de agua que puede admitir, mientras un valor normal en una zona seca puede ser de 30%.
El vapor que se encuentra en la atmósfera procede de la evaporación del agua de los océanos, de los ríos y lagos y de los suelos húmedos. Que se evapore más o menos depende de la temperatura y del nivel de saturación del aire, pues un aire cuya humedad relativa es baja puede admitir mucho vapor de agua procedente de la evaporación, mientras que un aire próximo a la saturación ya no admitirá vapor de agua por muy elevada que sea la temperatura.
El concepto de evapotranspiración es especialmente interesante en ecología pues se refiere al conjunto del vapor de agua enviado a la atmósfera en una superficie, y es la suma del que se evapora directamente desde el suelo y el que las plantas y otros seres vivos emiten a la atmósfera en su transpiración.
Tabla 2.1. Características de la atmósfera en distintas alturas. Promedios válidos para las latitudes templadas
| Altura(m) | Presión(milibares) | Densidad(g · dm-3) | Temperatura(ºC) |
| 0 | 1013 | 1,226 | 15 |
| 1000 | 898,6 | 1,112 | 8,5 |
| 2000 | 794,8 | 1,007 | 2 |
| 3000 | 700,9 | 0,910 | -4,5 |
| 4000 | 616,2 | 0,820 | -11 |
| 5000 | 540 | 0,736 | -17,5 |
| 10000 | 264,1 | 0,413 | -50 |
| 15000 | 120,3 | 0,194 | -56,5 |
¿Qué es la atmósfera?
La atmósfera es la capa de gases que se encuentra alrededor de la Tierra, evitando que los rayos del sol la atraviesen, dando lugar a la vida. La atmósfera también se ve involucrada en la lluvia, permitiendo que las plantas crezcan, y nos aporten oxígeno para respirar.
La atmósfera está formada en un 78% de nitrógeno, en un 21% de oxígeno, en un 1% de vapor de agua y en una cantidad ínfima de otros gases como el argón o el monóxido de carbono.
La combinación de todos estos gases ayuda a absorber la radiación ultravioleta procedente del Sol y a mantener la temperatura de la superficie terrestre. El 75% de la masa atmosférica se encuentra de la Tierra hacia el exterior a 11 km. A medida que vas ascendiendo en la atmósfera, se vuelve más fina, pero no hay una línea marcando la separación entre la atmósfera del espacio, por lo que no está claro; sin embargo, la línea Karman, a 100 km, es la que se toma como referencia principal entre la atmósfera y el espacio exterior.
A lo largo de la historia de la Tierra ha habido tres tipos diferentes de atmósferas o una que ha evolucionado en tres grandes etapas. La primera atmósfera surgió como resultado de una precipitación importante en todo el planeta causando la formación de un gran océano. La segunda atmósfera se comenzó a desarrollar hace 2,7 billones de años aproximadamente. Aparentemente, la presencia de oxígeno comenzó por la liberación de la fotosíntesis de las algas. La tercera atmósfera entró en juego cuando el planeta comenzó a estirar sus piernas, por así decirlo.
Las placas tectónicas comenzaron a reorganizar constantemente los continentes hace aproximadamente 3,5 billones de años, y esto también ayudó a la evolución del clima, permitiendo la transferencia a la tierra de grandes proporciones de carbonato. El oxígeno libre no existió hasta hace 1,7 billones de años, pudiéndose apreciar a través de la evolución de las capas rojas y con las formaciones de hierro. Esto significa un cambio,de una atmósfera reductora a una atmósfera oxidante. El oxigenó mostró altos y bajos hasta alcanzar un estado estable de más del 15%.
La atmósfera terrestre actúa como una pareja de trucos ópticos. El color azul del cielo es debido a la dispersión de Rayleigh, que significa como la luz se mueve a través de la atmósfera, la longitud mayor de onda pasa a través de ella. Las luces rojas, naranjas y amarillas se ven poco afectada por el aire; sin embargo, las longitudes de onda corta como la luz son absorbidas por las moléculas de gas. Posteriormente, la luz azul es radiada en todas las direcciones. Así que, no importa a donde mires, el cielo siempre dispersará luz azul.
La atmósfera también es la responsable de las auroras boreales. Estas son causadas por el bombardeo de electrones solares en átomos de oxígeno y nitrógeno en la atmósfera. Literalmente, los electrones excitan a los átomos de oxígeno y nitrógeno en la atmósfera para crear la luz tan bonita que conocemos como aurora.
Capas de la Tierra
Troposfera
Esta es la capa de la atmósfera más cercana a la superficie de la Tierra, se extiende hacia arriba aproximadamente de 10 a 15 km. Contiene el 75% de la masa atmosférica. La temperatura y la presión cae a medida que asciendes por la troposfera.
En la parte más alta de la troposfera puedes encontrar la tropopausa donde la temperatura alcanza un mínimo estable. Algunos científicos llaman a la tropopausa una “capa térmica” o “una trampa fría” debido a que este es el punto donde el vapor de agua no puede ir más alto, ya que cambia a hielo y es atrapada. Si no hubiera una trampa fría, la Tierra podría perder toda su agua.
El tiempo, que nosotros conocemos, también se produce en la troposfera. El calentamiento desigual de las regiones de la troposfera por el Sol causa la convección de corrientes y vientos. La tropopausa actúa como una barrera invisible y es la razón por la que dentro de ella se formen nubes y el fenómeno del tiempo.
Estratosfera
Esta capa se encuentra encima de la troposfera y tiene una profundidad de 35 km aproximadamente. Se extiende desde la superficie de la tierra de 15 a 50 km. La estratosfera es más caliente en la parte superior que en la inferior. La parte más baja tiene una temperatura constante pero la parte de arriba se incrementa con la altitud debido a la absorción de los rayos solares por ozono. Por lo tanto, la situación de la temperatura es la contraria a la que sucede en la troposfera.
Mesosfera
Directamente encima de la estratosfera extendiéndose por encima de la superficie de la Tierra de 50 a 80 km se encuentra la mesosfera, una capa fría cuya temperatura decrece al incrementarse la altitud. En esta capa la atmósfera está muy enrarecida, pero aún así es lo suficientemente gruesa como para enlentecer a los meteoritos de precipitarse en la atmósfera, donde se queman, dejando rastros de fuego en el cielo nocturno.
Termosfera
La termosfera se extiende desde la superficie de la Tierra a 80 km hacia el espacio exterior. La temperatura es caliente, pudiendo estar a miles de grados. Las pocas partículas que se encuentran presentes en esta capa cuentan con una gran cantidad de energía procedente del Sol.
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