Tema 2 - Unidad de Ciencias de la Atmósfera
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Curso: 2016 Materia: Climatología Docente: Verónica Martín-Gómez Licenciaturas: Geografía y Ciencias de la Atmósfera Universidad de la República Facultad de Ciencias Montevideo, Uruguay TEMA2: LA ATMÓSFERA TERRESTRE Objetivo: describir las principales características de la atmósfera terrestre en cuanto a su composición, masa y estructura vertical. Contenido (Capítulo 1 del Arhens): 1. Composición atmosférica 2. Masa de la atmósfera 3. Estructura vertical a. Presión y densidad del aire con la altura b. Capas de la atmósfera Como ya se comentó en el capítulo anterior, la atmósfera es una fina capa gaseosa que envuelve la superficie de la Tierra y representa el componente del sistema climático más importante. Aunque algunas de las características generales ya se vieron en el capítulo anterior, en este nos centraremos en describir con poco más detalle las principales características que presenta la atmósfera. 1. Composición de la atmósfera La Tabla 2.1 muestra los principales gases que componen la atmósfera terrestre. En ella se puede ver que el N2 y O2 son los constituyentes dominantes, representando el 99% del aire seco en la atmósfera. La composición de la atmósfera en relación a estos dos gases es aproximadamente constante hasta la mesopausa (80km aprox.). En proporciones bastante menores, el Ar, Ne y He (todos ellos inertes) son los siguientes gases más abundantes en la atmósfera. Aunque la concentración de todos ellos se mantiene aproximadamente constante a lo largo del tiempo, existen otros cuya concentración además de minoritaria, varía tanto espacial y temporalmente. Es el caso del vapor de agua (H20), el dióxido de carbono (CO2), el ozono (O3), el metano (CH4), el monóxido de dinitrógeno (N2O) y los clorofluorocarbonos (CFCs). Estos gases de concentraciones bastante más pequeñas se conocen como gases traza y presenta un papel muy importante dentro de la atmósfera terrestre debido a su capacidad de absorber radiación emitida por la superficie de la tierra (radiación infrarroja o de onda larga), participando de este modo en el calentamiento del planeta a través del efecto invernadero. De todos los gases traza, los que más contribuyen al efecto invernadero son el vapor de agua, dióxido de carbono y el ozono. El resto también contribuyen al calentamiento del planeta pero en un grado menor. A parte de estos gases, en la atmósfera también existen partículas en suspensión: gotitas de agua o impurezas. Lo que son las gotitas de agua ya lo sabemos, ¿pero a qué nos referimos con impurezas? Las impurezas son todas aquellas partículas sólidas que se encuentran en suspensión en la atmósfera y que pueden tener dos orígenes: natural (partículas de cenizas volcánicas, de sal marina en suspensión, polvo levantado por el viento, partículas procedentes de incendios Curso: 2016 Materia: Climatología Docente: Verónica Martín-Gómez Licenciaturas: Geografía y Ciencias de la Atmósfera Universidad de la República Facultad de Ciencias Montevideo, Uruguay forestales) o antropogénico (partículas en suspensión procedentes de la quema de combustibles fósiles). Estas impurezas ya sean de origen natural o antropogénico se conocen como aerosoles, y dentro de ellas, algunas de las naturales son bastante beneficiosas porque no sólo actúan como superficies sobre las que el vapor de agua se condensa para formar gotitas, sino que también presentan un papel importante en el balance energético del planeta (en concreto actúan enfriando el planeta a través de un aumento del albedo). Por otro lado, la mayoría de los aerosoles antropogénicos son peligrosos para la salud. La quema de combustibles que contienen azufre (como pueden ser el carbón o el petróleo) libera SO2 a la atmósfera de tal modo que, cuando ésta se encuentra lo suficientemente húmeda, el SO2 se podría transformar en pequeñas gotitas de ácido sulfúrico dando lugar a lo que se conoce como lluvia ácida. Este tipo de lluvia corroe metales, acidifica lagos, deteriora construcciones… Además el SO2 serias produce problemas respiratorios. Tabla 2.1. Composición de la atmósfera. H2O El agua es uno de los componentes más importantes de la atmósfera porque no sólo se encuentra en forma de partículas sólidas y líquidas en las nubes (que crecen de tamaño y caen en la Tierra en forma de precipitación), sino que también libera grandes cantidades de energía en forma de calor (calor latente) cuando pasa de vapor a líquido o hielo, y ese calor latente representa una importante fuente de energía en la atmósfera. Además, el vapor de agua es el gas efecto invernadero más potente de la atmósfera porque absorbe una gran proporción de energía en forma de radiación de onda larga emitida por la superficie de la Tierra, y por ende, ejercerá uno de los roles más importantes en el balance de energía del planeta. Su concentración es variable tanto espacial como temporalmente y oscila entre el 0 y el 4%. Las regiones ecuatoriales y tropicales presentan mayor concentración de vapor de agua que las regiones de latitudes altas. Predomina en la baja troposfera. CO2 Es otro de los gases traza más importante de la atmósfera. Su origen radica en la descomposición vegetal, erupciones volcánicas, respiración animal, residuos fósiles…. Su eliminación tiene lugar a través de la fotosíntesis de las plantas. El océano también actúa como un reservorio de dióxido de carbono. Se encuentra bastante bien mezclado por debajo de la mesopausa. Curso: 2016 Materia: Climatología Docente: Verónica Martín-Gómez Licenciaturas: Geografía y Ciencias de la Atmósfera Universidad de la República Facultad de Ciencias Montevideo, Uruguay O3 Predomina en la estratosfera. En superficie es el ingrediente principal del smog fotoquímico. El smog fotoquímico consiste en la contaminación del aire principalmente en zonas urbanas por la presencia de ozono originado en reacciones fotoquímicas con compuestos emitidos por los automóviles (NO2 + luz + hidrocarburo O3). El O3 es un compuesto oxidante que puede provocar problemas respiratorios en el ser humano. Se suele generar en aquellas ciudades con demasiado tráfico por la contaminación de los automóviles (los cuales emiten NO2, CO2 e hidrocarburos). El color que toma la atmósfera es amarillento. En general, la mayor parte del ozono se encuentra en la estratosfera, donde se forma naturalmente. Su máximo concentración se encuentra a los 25km de altura donde actúa como protector de la vida en el planeta absorbiendo la radiación ultravioleta procedente del sol. CFCs Son derivados de hidrocarburos en los que el hidrógeno es sustituido por átomos de cloro y/o flúor. Los CFCs no sólo afectan a la temperatura del planeta participando en el efecto invernadero sino que también son los encargados de la destrucción del ozono estratosférico. 2. Masa de la atmósfera En cualquier punto de la superficie de la Tierra, la atmósfera ejerce una fuerza hacia el centro de la misma asociada a la atracción gravitatoria del planeta. Como aproximación, supongamos que la gravedad se mantiene aproximadamente constante con la altura y que la presión en superficie (PS) es en promedio 985hPa: Ps M atm ·g Fuerza Superficie 4R 2 tierra M atm 2 Ps ·4· ·Rtierra 98500·4· ·(6370000 ) 2 5.12·10 18 kg g 9.81 3. Estructura vertical Presión y densidad del aire con la altura. La fuerza de la gravedad tiende a hacer que las moléculas del aire se aglomeren cerca de la superficie y no escapen hacia el espacio. Como consecuencia de ello, el número de moléculas por unidad de volumen (densidad) es máximo en superficie y va disminuyendo conforme aumenta la altura (ver Figura 2.1). Por otro lado, las moléculas del aire tienen un peso que ejerce una fuerza sobre la superficie. La fuerza que por unidad de área ejerce el peso de la columna vertical de aire sobre la superficie se llama presión atmosférica. Cómo el número de moléculas decrece con la altura, la presión también lo hace (ver Figura 2.1). Curso: 2016 Materia: Climatología Docente: Verónica Martín-Gómez Licenciaturas: Geografía y Ciencias de la Atmósfera Universidad de la República Facultad de Ciencias Montevideo, Uruguay La Figura 2.1 muestra los perfiles verticales de la presión y la densidad. En ella se puede ver que en la atmósfera, la magnitud de ambas desciende con la altura, y que ese decrecimiento es mayor cerca de la superficie que en altura. Figura 2.1. Decaimiento de la presión y de la densidad con la altura. Capas de la atmósfera Atendiendo al perfil de temperaturas, la atmósfera puede dividirse en 4 capas bien diferenciadas: troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera (figura 2.2): Troposfera: es la capa que se desarrolla desde la superficie hasta los primeros 9 o 16 km de altura dependiendo de la latitud (9km es el promedio en los polos y 16km en el ecuador). En ella se produce una disminución de la temperatura con la altura a una razón de 6.5ºC/km. Contiene aproximadamente el 80% de la masa de la atmósfera y en ella acontecen la mayoría de los fenómenos meteorológicos. En esta capa existe una gran mezcla vertical. La troposfera está separada de la estratosfera a través de la tropopausa, una capa muy fina donde la temperatura permanece constante con la altura con un valor de unos -55ºC. Estratosfera: es la capa que se desarrolla por encima de la tropopausa y hasta los 50km. En ella la temperatura aumenta con la altura como consecuencia de la absorción de la radiación ultravioleta procedente del sol por parte del ozono. Ese aumento de la temperatura con la altura hace que la estratificación de la capa sea estable y la mezcla vertical se vea bastante inhibida. La estratosfera está separada de la mesosfera a través de una fina capa de temperatura constante llamada estratopausa. Mesosfera: es la capa que se encuentra por encima de la estratopausa y que se desarrolla hasta los 80km. En ella la temperatura vuelve a descender con la altura hasta llegar a su mínimo en la mesopausa, pequeña capa de temperatura constante que separa la mesosfera de la termosfera. Curso: 2016 Materia: Climatología Docente: Verónica Martín-Gómez Licenciaturas: Geografía y Ciencias de la Atmósfera Universidad de la República Facultad de Ciencias Montevideo, Uruguay Termosfera: se encuentra por encima de la mesopausa. En ella la temperatura vuelve a presentar un aumento con la altura pero esta vez asociado a la absorción de radiación ultravioleta procedente del sol por parte de las moléculas de N2 y O2. Los rayos ultravioletas solares que no fueron atrapados en la termosfera por las moléculas de N2 y O2, llegan hasta la estratosfera y ahí se encuentran con el ozono, la segunda berrera “defensora”. Figura 2.2. Capas de la atmósfera según el perfil vertical de la atmósfera. Si la atmósfera fuera una simple capa transparente a la radiación solar y opaca a la radiación terrestre, la temperatura de la misma disminuiría monotónicamente con la altura. Sin embargo, como se ha podido ver en la figura 2.2, las variaciones de la temperatura con la altura distan mucho de ser monotónicamente decrecientes, existiendo diferentes perfiles de temperatura como consecuencia de la interacción entre la radiación y la atmósfera. En el tema 3 veremos cómo la atmósfera interacciona con la radiación, en el apartado 4 sólo mostramos un pequeño resumen. Referencias Ahrens, C. D. (2012). Meteorology today: an introduction to weather, climate, and the environment. Cengage Learning.Capítulo 1
