Tema 4 La atmósfera
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Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ Tema 4 La atmósfera: composición y estructura Composición de la atmósfera Podemos definir la atmósfera como la envoltura gaseosa que rodea la Tierra. Está formada por una mezcla de gases que reciben el nombre de aire. La atmósfera actual parece ser el resultado de varios procesos: en primer lugar se formó una envoltura gaseosa primitiva constituida por los materiales menos densos y, por tanto, menos atraídos por la parte más interna y densa de la Tierra en formación. Un segundo proceso fue el enriquecimiento en ciertos componentes como consecuencia de la desgasificación sufrida por la Tierra desde los inicios al liberar la geosfera ingentes cantidades de polvo y gases a través de los volcanes (algo que sigue sucediendo hoy en día); la actividad biológica de los organismos fotosintéticos modificó drásticamente su composición, debido al aporte de O y N principalmente y a la absorción de dióxido de carbono. El aporte de la hidrosfera, con la emisión de vapor de agua y sal marina también debe tenerse en cuenta. Actualmente, la humanidad incide de manera importante en su composición, alterando gravemente sus propiedades como resultado de las actividades industriales y de la deforestación. Mayoritarios Minoritarios Variables La atmósfera o aire es una mezcla de distintos CH4, CO, O3, Vapor de agua componentes, que clasificamos en tres grupos: N2 78 % NH3, NO2, Partículas de polvo mayoritarios, minoritarios, que por estar en muy O2 20,9 % NO, SO2, Ne, Bacterias pequeñas proporciones se miden en partes por Ar 0,93 % He, Kr, Xe, Sales millón (ppm) y variables, como el vapor de agua. CO2 0,03 % H2, N2O Contaminantes Puesto que la atmósfera es una capa fluida de gases, y como tal es compresible, en sus niveles más bajos (en contacto con la hidrosfera y la geosfera) es donde se encuentra su máxima densidad. Conforme ascendemos, hay menos partículas por unidad de volumen y la densidad de la atmósfera disminuye con gran rapidez. El 97% de la masa total atmosférica está retenida por la atracción gravitatoria en sus primeros 30 km. Los componentes de la atmósfera se encuentran concentrados cerca de la superficie, comprimidos por la atracción de la gravedad. Un concepto importante a tener en cuenta es la presión atmosférica, que se define como el peso ejercido por la masa de aire atmosférico sobre la superficie terrestre. Este valor se mide gracias al barómetro y su valor a nivel del mar y en condiciones “normales” es de una Atmósfera = 760 mm de mercurio = 1.013 milibares. En los mapas del tiempo suele representarse la presión mediante isobaras, que son líneas que unen los puntos de igual presión, referida al nivel del mar. La disminución que experimenta la presión con la altura no es directamente proporcional puesto que el aire es un fluido que puede comprimirse mucho (los gases son muy compresibles), por lo que las masas de aire más próximas al suelo están comprimidas por el propio peso del aire de las capas superiores y son, por tanto, más densas. Al ascender en altura disminuye la presión porque hay menos columna de aire por encima (menos cantidad de aire presionando) y también disminuye la densidad porque el aire no está tan comprimido. Menos densidad significa menos partículas por unidad de volumen. Por esta razón hay problemas para respirar en las altas montañas (hay menos oxígeno) y por eso también hace más frío (la temperatura nos da una idea de la energía térmica media de las partículas. Si en un volumen de aire hay pocas partículas, en conjunto hay muy poca energía térmica). Estructura de la atmósfera. Características de las distintas capas Según su composición química: podemos distinguir dos capas dentro de la atmósfera: Homosfera: es una capa que se extiende hasta unos 80 km de altitud. Se denomina así porque, aunque a lo largo de ella varía la densidad, mantiene una composición química homogénea debido a mecanismos efectivos de mezcla turbulenta, que impiden la estratificación de gases por densidad. Equivale a las capas troposfera, estratosfera y mesosfera que veremos más adelante. En ella, la composición se mantiene más o menos homogénea, Heterosfera: es la capa situada por encima de la anterior y se prolonga hasta el final de la atmósfera. Debido a que en esta capa no existen mecanismos de mezcla, los gases se distribuyen de manera 1 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ estratificada según su densidad. Capa de nitrógeno (N2), acompañada de oxígeno molecular (O2); capa de oxígeno atómico (O); capa de helio (He); capa de hidrógeno atómico (H). El límite entre homosfera y heterosfera se denomina homopausa. Según la temperatura: □ Troposfera: es la capa inferior de la atmósfera. Su altitud es variable estacionalmente (más alta en verano que en invierno) y latitudinalmente (oscila entre los 16 Km. en el ecuador los 12 Km. en las latitudes medias y los 9 Km. en las proximidades de los polos). La troposfera es la zona más densa de la atmósfera, pues, debido a la compresibilidad, los gases se concentran en su parte más baja. Los primeros 500 metros se denominan capa sucia, porque en ellos se concentra el polvo en suspensión, procedente del suelo, de los desiertos, los volcanes, la sal marina y las actividades industriales. Este polvo contribuye a la coloración rojiza del cielo del amanecer y atardecer, sirviendo además como núcleo de condensación que facilita el paso del vapor agua atmosférico a agua líquida. Los fenómenos meteorológicos más importantes, como las nubes y las precipitaciones, tienen lugar en esta parte de la atmósfera. El aire no se calienta directamente por medio de radiación solar, sino que lo hace indirectamente, gracias al calor transmitido desde la superficie terrestre (se verá con detalle en el siguiente tema). Por este motivo, la temperatura de la troposfera es máxima en su parte inferior (unos 15ºC como media), y a partir de ahí comienza a descender con la altura en una proporción aproximada de 0,65ºC/100 metros. Este valor medio se conoce como gradiente vertical de temperatura (GVT), hasta alcanzar un valor mínimo de -70ºC en su parte final, la tropopausa. La temperatura disminuye progresivamente en altura por no existir vapor de agua en la parte alta ni CO2 (responsables del efecto invernadero) y por ir disminuyendo la concentración de los gases mayoritarios (menor densidad de la atmósfera). □ Estratosfera: se extiende desde la tropopausa hasta la estratopausa, situada a los 50-60 km de altitud. En ella el aire es muy tenue y existen movimientos verticales del aire muy reducidos, pero los horizontales son muy importantes. Nubes de hielo cuya estructura es muy tenue (noctilucientes). Entre los 15 y los 30 km de altura se encuentra la capa de ozono u ozonosfera, en la que se concentra la mayor parte del ozono atmosférico. La temperatura en esta capa aumenta (debido a la absorción de radiación ultravioleta) hasta alcanzar su valor máximo (entre 0 y 4ºC) en la estratopausa. □ Mesosfera: se extiende hasta la mesopausa, situada hacia el kilómetro 80. Aunque la densidad del aire aquí es muy reducida, resulta suficiente como para que el roce de las partículas que contiene provoque la inflamación de los meteoritos procedentes del espacio, dando lugar a la formación de estrellas fugaces. De esta manera, la gran mayoría de ellos se consume y no alcanza la superficie terrestre, donde constituirían un riesgo. La temperatura en esta capa disminuye de nuevo hasta unos – 80º C. □ Termosfera o ionosfera: se prolonga hasta el kilómetro 600 aproximadamente donde se localiza la termopausa. Aquí la temperatura aumenta hasta unos 1.000º C debido a la absorción de las radiaciones solares de onda más corta (rayos X y gamma) llevada a cabo por las moléculas de nitrógeno y de oxígeno presentes que, debido a ello, se transforman en iones de carga positiva, liberándose electrones. En determinadas ocasiones, en las zonas polares, algunas de las partículas que forman el viento solar (protones y electrones) consiguen entrar, chocando con las moléculas de nitrógeno y oxígeno, liberando calor y produciendo espectaculares manifestaciones de luz y color, son las auroras polares (boreales y australes). 2 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ □ Exosfera: es la última capa y su límite viene marcado por una bajísima densidad atmosférica, similar a la del espacio exterior. Aquí 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. Según su estado de ionización o desde el punto de vista eléctrico: distinguimos dos grandes capas: Neutrosfera: parte inferior de la atmósfera en la cual las partículas no están ionizadas (0 – 80km). Ionosfera: situada por encima de la anterior (por encima de la mesosfera) en la que las moléculas están ionizadas. Se extiende desde los 80 hasta los 500 km (coincide prácticamente con la termosfera). Se debe a la absorción de las radiaciones solares de onda más corta (rayos X y gamma) llevada a cabo por las moléculas de nitrógeno y de oxígeno presentes que, debido a ello, se transforman en iones de carga positiva, liberándose electrones. Estos electrones liberados circulan por la capa dotándola de propiedades eléctricas. Esto da lugar a un campo magnético comprendido entre la ionosfera cargada positivamente y la superficie terrestre cargada negativamente. Desde la ionosfera fluyen cargas positivas hasta la superficie terrestre y desde esta última ascienden cargas negativas hasta la ionosfera. En esta capa rebotan algunas ondas de radio emitidas desde la Tierra, haciendo posibles las comunicaciones Desde el punto de vista magnético: la Tierra actúa como un gigantesco imán, cuyo eje coincide casi con el eje de giro. El campo magnético terrestre forma una especie de vaina que se conoce como magnetosfera. La magnetosfera no tiene forma esférica, ya que el viento solar la deforma. Por el lado que se enfrenta al Sol, está comprimida y se extiende hasta una distancia de 10 radios terrestres (65.000 km), y presenta las líneas de campo magnético cerradas. Por el otro lado, se extiende en una larga cola a más de 100 radios terrestres, y presenta líneas de campo abiertas. El viento solar es un flujo de protones y electrones de alta energía procedentes de la superficie del Sol. Esta radiación choca con la magnetosfera desviándose y dispersándose por el espacio interplanetario. Dentro de la magnetosfera se localizan dos anchos cinturones que, en forma de croissant, envuelven casi la totalidad de la Tierra. Son los Anillos de Van Allen que actúan como trampas magnéticas para las partículas que no son desviadas y consiguen entrar. El cinturón exterior está compuesto en su mayor parte por electrones, mientras que el interior está formado principalmente por protones. Coincidiendo con momentos de fuerte actividad solar (como la emisión de fulguraciones), las partículas atrapadas en los anillos de Van Allen escapan por los extremos irrumpiendo en la atmósfera de las altas latitudes, ionizando sus partículas y dando lugar a las auroras polares. Función protectora y reguladora de la atmósfera Tipos de radiaciones solares El Sol, emite continuamente un flujo de materia en forma de átomos, iones y partículas subatómicas (electrones y neutrones) y de energía en forma de ondas electromagnéticas. Las radiaciones electromagnéticas constituyen un tipo de energía transmisible que presenta una doble naturaleza: corpuscular y ondulatoria (se comporta a la vez como partículas en movimiento y como ondas). Introducción: la radiación electromagnética. Todo cuerpo con una temperatura superficial superior a 0K, es decir, por encima de -273ºC (273º bajo cero), emite radiación electromagnética. Esta, es un tipo de energía en forma de ondas a las que van asociados corpúsculos o cuantos de energía, que en algunos casos llamamos fotones (la energía va “empaquetada” en forma de cuantos o fotones. La radiación electromagnética es un tipo de energía caracterizada por un conjunto o espectro de ondas electromagnéticas de una amplia gama de longitudes de onda, que se propaga a una velocidad próxima a 3 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ los 300.000 km/s en el vacío y en línea recta. Se trata, pues, de una clase de movimiento vibratorio u ondulatorio. Estos movimientos, de los que hay numerosos ejemplos cotidianos (el sonido, las ondas que aparecen en una superficie acuática tras el impacto de un objeto, la ondulación de una cuerda batida por un extremo o pulsada estando sujeta por los dos extremos y tensa, las ondas sísmicas, etc.) se caracterizan por varios parámetros, a saber: la longitud de onda, o distancia recorrida durante una vibración, el número de vibraciones por segundo o frecuencia, y la velocidad de transmisión. Los movimientos ondulatorios “normales” como el sonido o las ondas sísmicas la vibración se propaga, pero no lo hace la materia, requiriendo en estos casos las ondas para su propagación un medio material, sea el agua, el aire o las rocas. Sin embargo, la radiación electromagnética no necesita de un medio material para su transmisión y por ello pueden propagarse en el vacío. (Hay otra característica que es la amplitud de la onda, que está relacionada con la intensidad de la energía transmitida). El espectro electromagnético es el conjunto de las diferentes ondas electromagnéticas, que se diferencian entre sí por su longitud de onda y en consecuencia por la cantidad de energía que portan. Las ondas de radio y de televisión, las microondas, la radiación infrarroja, los rayos ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma son ondas electromagnéticas de la misma naturaleza que la luz y aunque no podemos verlas con los ojos, sí podemos captarlas con distintos aparatos. (La radiación infrarroja o calor podemos percibirla a través de los termorreceptores de la piel y la ultravioleta es capaz de inducir a ciertas células, también de la piel, a fabricar melanina). Además de estas radiaciones, el Sol emite enormes cantidades de partículas a gran velocidad. Estas partículas, que por la energía con la que se mueven supondrían un gran peligro para la vida no llegan hasta nuestro planeta gracias a la presencia de la magnetosfera, Nuestro Sol es una estrella que por su tamaño y su edad, emite básicamente radiación electromagnética dentro del rango (“la subfamilia”) de la luz visible. Lo cual no quiere decir que no emita radiaciones de otras longitudes de onda ni partículas, pero éstas no son mayoritarias Toda la energía que llega a la Tierra alcanza en primer lugar la atmósfera, donde sus distintos componentes absorberán y reflejarán selectivamente las diferentes radiaciones; así, esta envoltura hará de filtro eficaz de muchas de estas ondas electromagnéticas, que por sus características son muy perjudiciales para la mayor parte de los seres vivos. La Tierra tiene una temperatura media en la superficie de 15 ºC y emite radiación de onda larga, comprendida dentro del rango infrarrojo del espectro. Cada sustancia, por su naturaleza, es capaz de captar sólo ciertas radiaciones pero no otras. Esta propiedad es responsable de los fenómenos de absorción y reflexión de la energía. Pero se da otro fenómeno interesante: la energía es absorbida sólo momentáneamente (por el átomo o molécula), siendo expulsada o reemitida por la sustancia que la captó, pero transformada en radiación de mayor longitud de onda que la que recibió en principio. Efecto protector de la ionosfera y de la ozonosfera: la atmósfera absorbe parte de la radiación que llega del Sol antes de que ésta llegue a la superficie sólida del planeta y, además, lo hace de forma selectiva. Estos procesos son de suma importancia para los seres vivos, ya que algunas radiaciones (especialmente las de menor longitud de onda) producen efectos nocivos (mutaciones, cánceres de piel, etc.). Las diversas capas de la atmósfera actúan como un filtro que protege a los seres vivos de las radiaciones perjudiciales. 4 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ La ionosfera: absorbe las radiaciones solares de onda más corta (rayos X, rayos gamma y parte de los ultravioleta). La absorción la llevan a cabo as moléculas de nitrógeno y de oxígeno presentes en la capa que, debido a ello, se ionizan y liberan calor, provocando el incremento de temperatura de la capa. La capa de ozono presente en la estratosfera es responsable de la absorción de la radiación ultravioleta, y esto origina un aumento de la temperatura de la capa. La mayor parte del ozono atmosférico se encuentra concentrado hacia los 25 km, formando la ozonosfera. La capa de ozono existe porque existe radiación ultravioleta procedente del Sol. Es la radiación UV la que fabrica la capa de ozono. Si el Sol no emitiera este tipo de radiación, no habría capa de ozono El ozono estratosférico se forma y se destruye continuamente, lo que origina variaciones diarias y estacionales, en función de la radiación solar. Mecanismo de formación y destrucción natural del ozono 1º. Fotólisis (ruptura) del oxígeno por la luz ultravioleta: O 2 + UV ---- O + O 2º. Formación del ozono: O + O2 ---- O3 + calor 3º. Destrucción del ozono. Existen dos mecanismos: a) Fotólisis del ozono: O3 + UV ---- O2 + O b) Reacción del ozono con el oxígeno atómico: O + O3 --- O2 + O2 El proceso de formación del ozono es más intenso en latitudes bajas donde la insolación es mayor. Sin embargo, es en las latitudes altas donde se acumula debido a la circulación atmosférica que transporta el ozono desde el ecuador hasta los polos y, en estos la fotólisis es menor al ser menor la radiación recibida. La atmósfera hace, como ya se ha visto, que sólo llegue a su superficie una parte de las radiaciones emitidas por el Sol. Sin embargo, hay radiaciones solares para las cuales la atmósfera es transparente y que llegan a la superficie de nuestro planeta porque no son absorbidos por la atmósfera. La atmósfera terrestre es transparente al campo visible (entre 0,4 y 0,8 micras aproximadamente) y al campo de las ondas de radio (entre 1 mm. y 15 metros aproximadamente). La atmósfera es transparente a la radiación de onda corta del Sol, pero sí absorbe la radiación terrestre de onda larga. Debido a esto, la atmósfera no es calentada por la radiación solar, sino que se calienta desde el suelo hacia arriba. Mientras más lejos se está del suelo, la temperatura es inferior. Esto explica la disminución de temperatura con la altura en la troposfera (0,65 ºC/100 m = gradiente vertical de temperatura GVT). Función reguladora de la atmósfera. El efecto invernadero natural: La atmósfera actúa durante el día reflejando y absorbiendo parte de la energía solar, lo que evita que ésta llegue íntegramente hasta la superficie terrestre y la caliente en exceso. También absorbe parte de la radiación infrarroja que emite la superficie de la Tierra. El calor almacenado en su seno es expulsado lentamente, y parte de él vuelve de nuevo a la Tierra como contrarradiación. Este fenómeno hace que la superficie se enfríe más lentamente durante la noche y no de manera brusca actuando, por lo tanto, como un eficaz termorregulador. La radiación infrarroja (calor) es absorbida principalmente por las moléculas de H 2O y CO2 pero también existen otras moléculas capaces de absorberla, incluso en mayor medida, como las de CH4, NO2 y O3, aunque sus bajas concentraciones en la atmósfera nos hacen considerarlas menos relevantes. Estos gases 5 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ absorbentes actúan tal y como lo hace el vidrio o el plástico en un invernadero, almacenando calor y por eso reciben el nombre de gases de efecto invernadero. La circulación atmosférica moviliza grandes masas de aire y nubes desde las zonas calientes intertropicales hasta las frías de las altas latitudes, de modo que existe una transferencia de calor que tiende a compensar los desequilibrios de temperatura ocasionados por la desigual insolación que tiene lugar en las diferentes latitudes de nuestro planeta. El CO2 se encuentra en pequeña proporción, tan sólo en un 0,0355% (355 ppm o partes por millón o mg. por litro) aunque esta cantidad está aumentando desde la Revolución Industrial debido a los aportes producidos por los humanos. Las fuentes de CO2 pueden ser de origen natural, debido a erupciones volcánicas, respiración de los seres vivos, descomposición de la materia orgánica y reacciones de combustión (incendios naturales), pero también de origen antrópico, mayoritariamente por consumo de combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural). El CO2 (junto con el vapor de agua) es absorbente y emisor de radiación infrarroja. Su aumento tenderá a elevar el nivel de absorción de este tipo de radiación emitida por la superficie terrestre, produciendo un cambio en el balance energético consistente en una elevación de la temperatura media del aire en la troposfera (efecto invernadero). Según numerosos expertos en el tema, este incremento de temperatura conducirá a cambios importantes en los modelos climáticos y en la distribución de las precipitaciones en un futuro no muy lejano. [Cuando se dice que es absorbente y emisor de radiación infrarroja hay que entender que siempre emitirá infrarrojos de longitud de onda mayor que los que ha absorbido: la “calidad” de la energía siempre varía entre la que se absorbe y la que se emite. Como la energía infrarroja que absorbe la atmósfera procede, por emisión o radiación, de la que anteriormente absorbió el suelo como luz, se denomina contrarradiación. Es algo así como la radiación de la radiación]. No se debe olvidar que las radiaciones procedentes del Sol que llegan a la superficie de la Tierra (océanos y continentes) son básicamente de onda corta, es decir, LUZ VISIBLE. Apenas llegan ultravioletas, infrarrojos y otras (ventana de emisión). Así pues, el agua de mar, las rocas y el suelo absorben luz. Las moléculas se activan, e inmediatamente reemiten esa energía para volver a su estado mínimo energético. Pero la “calidad” de esa energía se ve modificada, emitiéndose radiación de onda larga, de tipo infrarrojo o calor. Si la atmósfera es transparente a la luz, como el plástico o el vidrio de un invernadero, es opaca a los infrarrojos, absorbiéndolos y reemitiendo esa radiación de onda larga en radiación de onda más larga (aunque todavía dentro del rango del infrarrojo). El efecto invernadero tiene una gran importancia biológica. Si no hubiese atmósfera, y por tanto no hubiese gases con capacidad de absorción de radiaciones de onda larga rodeando la superficie sólida y líquida del planeta, la temperatura media en la superficie sería de unos –18º C en lugar de los 15º C actuales, lo que la haría inhabitable. No debemos confundir este beneficioso efecto con otro, denominado incremento del efecto invernadero, que consiste en un aumento desmesurado de los gases de efecto invernadero. Este incremento constituye un grave problema ambiental, que provoca un excesivo calentamiento de la atmósfera. Balance energético de la radiación solar: el balance 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. Radiación solar entrante: considerando que a la atmósfera llega un 100% de radiación solar, sólo un 45% de radiación llega a la superficie terrestre, el resto es reflejada, dispersada o absorbida por los componentes atmosféricos. Reflexión: aproximadamente el 30% de la energía solar que llega al tope de la atmósfera es reflejada al espacio. A esta energía reflejada se le denomina albedo planetario. Un 20% es reflejada por las nubes, un 5% por el aire y un 5% por la superficie terrestre. El albedo terrestre depende de la cubierta vegetal, tipo de rocas (color), acumulación de nieve, humedad del suelo (cambia el color), cobertura nubosa, inclinación de los rayos solares, partículas en el aire, etc. El albedo de las nubes depende de su espesor (aumenta con él) y del tipo de nube. Esta energía reflejada se pierde y no interviene en el calentamiento de la atmósfera. 6 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ Dispersión: la radiación solar viaja en línea recta, pero los gases y partículas en la atmósfera pueden desviar esta energía, lo que se llama dispersión. Esto explica cómo un área con sombra está iluminada ya que le llega la luz difusa o radiación difusa. Absorción: un 25% de la energía incidente es absorbida por la atmósfera (partículas de polvo, vapor de agua, CO2 y nubes). Cuando un gas absorbe energía, ésta se transforma en movimiento molecular interno, que produce un aumento de temperatura, por lo que la emiten en forma de radiación térmica (onda larga). Ningún gas atmosférico absorbe radiación en longitudes de onda comprendidas entre 0,3 y 0,7 μm, por lo que se tiene un vacío en la región de luz visible, y se dice que la atmósfera es transparente a la radiación solar entrante.. Esto explica que la radiación visible llegue a la Tierra. El 45% de radiación restante es absorbido por la superficie terrestre (continentes, océanos y sólo un 0,2% por los vegetales para realizar la fotosíntesis). Radiación saliente del sistema Tierra: recordemos que del 100% de la energía solar que llega a la atmósfera, un 30% era reflejada y no conseguía entrar (albedo), mientras que el 70% restante es absorbida por el sistema, un 25% por la atmósfera y un 45% por la superficie terrestre (continentes, océanos, vegetación). Pues bien es ese 70% de energía el que tendrá que salir del sistema para mantener el equilibrio. Pero como la Tierra tiene una temperatura mucho menor que la del Sol, la radiación terrestre es emitida en longitudes de onda larga (comprendidas entre 1 y 30 μm, dentro del rango infrarrojo del espectro, por esta razón se llama radiación de onda larga o radiación infrarroja. El 25% de radiación solar de onda corta absorbida por la atmósfera, es convertida en energía radiante de onda larga que se emite al espacio directamente desde la propia atmósfera. Un 24% se pierde como calor latente a través del vapor de agua que se evapora en continentes y océanos. Al condensarse el vapor de agua en la atmósfera se libera el calor latente, aumentando la temperatura del aire. Un 5% se pierde como calor sensible, que asciende por movimientos turbulentos y se pierde como conducción directa a la atmósfera. El calor se transfiere directamente desde la superficie del mar o del suelo al aire en contacto con él, o viceversa si el aire está más caliente que la superficie. Un 16% se emite por radiación directamente desde el suelo. La mayor parte de esta radiación de onda larga es absorbida por las capas inferiores de la atmósfera (vapor de agua y CO 2 fundamentalmente) y irradiada o devuelta hacia la superficie terrestre, lo que se denomina contrarradiación, que es responsable del efecto invernadero. Sólo una mínima parte no es absorbida por la atmósfera y escapa directamente al espacio (ventana atmosférica, banda de radiación de onda larga comprendida entre los 8 – 11 μm que la atmósfera es incapaz de absorber). Como vemos, la atmósfera no es calentada por la radiación solar, sino que se calienta desde el suelo hacia arriba. 7 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ Recursos energéticos relacionados con la atmósfera La energía solar La vida en la Tierra es posible gracias a la energía solar. Es la energía que puede ser aprovechada por los vegetales, y ya sabemos que estos seres son las base de las cadenas tróficas y por lo tanto el sustento del resto de los seres vivos. La energía solar también, y gracias a la acción reguladora de la atmósfera, mantiene nuestro planeta en unas condiciones imprescindibles para el desarrollo de la vida. Las temperaturas reinantes en gran parte del planeta posibilitan que la mayor parte del agua se halle en estado líquido, lo cual es indispensable para los seres vivos. La energía del Sol es prácticamente ilimitada (a nuestra estrella le queda una vida aproximada de cuatro mil millones de años) por lo que podemos considerarla renovable y es el origen de otras muchas fuentes de energía aunque las consideraremos aparte: desde la energía eólica a la hidráulica, pasando por la energía de la biomasa y los propios recursos alimentarios –ganadería, pesca, agricultura- recursos forestales e incluso hasta los combustibles fósiles (restos de seres vivos). Conviene aclarar que aunque sea inagotable, es una energía difícil de captar o más bien de concentrar y la tecnología actual no permite que una central solar pueda competir con una central nuclear o térmica de carbón en cuanto a cantidad de energía eléctrica producida. Los mecanismos de aprovechamiento de la energía solar directa podemos diferenciarlos en dos tipos: energía solar térmica y energía solar fotovoltaica. Energía solar térmica En estos casos la luz del Sol se concentra y emplea para conseguir calor. Una de las utilidades de esta energía solar térmica es la de producir electricidad (centrales termosolares). Se calienta el agua hasta llevarla a estado de vapor. Este vapor a presión tiene la capacidad de mover una turbina que a su vez arrastra un generador de electricidad. Los dispositivos de concentración varían en su diseño; desde espejos planos a parábolas. En Sanlúcar la Mayor (Sevilla) se ha instalado la mayor central termosolar de Europa y que funciona con espejos planos orientables. Cerca de Guadix (Granada), hay otra que emplea espejos paraboloides. Otros usos experimentales que se han hecho son los hornos solares, que sirven para fundir metales. (Ver diapositivas de todo ello). Otro empleo de la energía solar térmica, cada vez más extendido, es el doméstico, que permite según los casos, obtener agua caliente sanitaria y calefacción de los edificios, si bien estos sistemas deben ser apoyados con otros dispositivos para compensar los días nublados. Se trata de paneles captadores de luz orientados hacia el Sol con una superficie de color negro por entre la que circula agua. El dispositivo se encuentra aislado bajo un cristal para mejorar el rendimiento (efecto invernadero). Hay que añadir actualmente otro sistema más eficiente que es el de tubos de vacío, tubos de vidrio a los que se ha hecho el vacío para evitar pérdidas de calor y dentro de los cuales hay otro tubo que contiene un líquido que se vaporiza con la luz del Sol. El gas caliente sirve para calentar el agua. Este sistema permite aprovechar la luz difusa que hay en días nublados, cosa que los paneles solares tradicionales no hacen tan eficientemente. Estos dispositivos son caros, pero poco a poco han ido mejorando su eficiencia y durabilidad y van bajando de precio. España es uno de los países europeos con mayor insolación anual (horas de sol y energía recibida por unidad de superficie) y está modificando sus políticas energéticas: hay ayudas estatales para promover la instalación de paneles en bloques de viviendas. En España se aprobó una ley por la que es obligatorio instalar estos sistemas de agua caliente sanitaria en los edificios de nueva construcción. Hay otra forma de aprovechar la energía solar térmica diferente a los anteriores mecanismos mencionados. Es lo que se conoce como arquitectura bioclimática. Se trata de sistemas arquitectónicos pasivos: gran parte de la energía que consume un edificio se gasta en calentarlo o enfriarlo e iluminarlo. Una construcción que tenga en cuenta la orientación, el espesor y aislamiento de los tabiques, suelos y techos, el tamaño, diseño y el tipo de acristalamiento, el color de las fachadas, entre otros detalles, puede resultar eficaz a la hora de captar y conservar la energía solar que recibe (o bien de evitar que entre más de la cuenta). 8 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ Energía solar fotovoltaica. Existen unos dispositivos muy originales capaces de captar la energía solar transformándola directamente en electricidad. Desde el punto de vista de rendimiento energético se entiende fácilmente que son mucho más eficientes que los mecanismos de captación térmicos vistos anteriormente (energía solar→ energía térmica→ energía cinética→ energía eléctrica). Pero también tienen sus problemas, y el primero de ellos es su elevado coste, lo cual impide que pueda ser una alternativa real a las fuentes energéticas tradicionales. Otros problemas son la necesidad de grandes superficies de captación y, por último, que se halla a expensas del Sol, así que no se puede contar con esta energía en días nublados y por las noches (intermitente). Es una energía muy dispersa, y varía en función de la latitud, de la estacionalidad, etc. El principio físico de estos artilugios es la producción de una corriente de electrones a través de un material semiconductor cuando éste es iluminado. Ese material es el silicio puro. (Las placas de mayor rendimiento emplean el silicio monocristalino, las hay también de silicio policristalino y por último, las menos eficaces pero más baratas son las de silicio amorfo). Un panel solar consta de multitud de células o celdas que producen una pequeña cantidad de electricidad a un bajo voltaje, de ahí que haya que colocar muchas en serie (para elevar el voltaje) y en paralelo (para aumentar la intensidad). Este tipo de dispositivos se emplean en aquellas viviendas a las que no llega un suministro “normal” de electricidad por cable (casas aisladas en el campo). También se emplean paneles solares fotovoltaicos en ciertos instrumentos que requieren poco consumo de electricidad como calculadoras, indicadores en las carreteras, (los parquímetros de Jaén los tienen), etc. La política de fomentar el uso de estas energías renovables en nuestro país está facilitando la instalación de paneles solares a particulares y a empresas permitiendo la venta de los kilovatios obtenidos a la red de distribución eléctrica a un alto precio: el estado da una prima a cada kilovatio producido por estos sistemas. Estas instalaciones se llaman “huertos solares” y han proliferado en los últimos años en nuestra geografía. Podríamos pensar que si cubriéramos el tejado de cada casa con paneles fotovoltaicos, podríamos dejar de comprar electricidad, pero la realidad es que para conseguir la cantidad de electricidad que precisa una simple lavadora, necesitaríamos “muchos tejados” de paneles. También debemos saber que con la electricidad hay un problema aún no resuelto por la tecnología, que es su almacenamiento en el caso de que en un momento dado sobrase. 9 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ La energía eólica. Ventajas e inconvenientes La energía eólica (Eolo es el dios griego del viento) lleva empleándose milenios, desde los barcos de vela a los molinos de viento, o las bombas de agua (en Holanda, los “molinos de viento” son bombas de achique de agua con las que desde hace siglos han ido ganando terreno al mar). En muchos países, la energía del viento también se ha empleado para sacar agua del subsuelo. Actualmente, el viento está siendo explotado como recurso energético mediante unos dispositivos llamados aerogeneradores que son rotores de varias palas que giran accionados por el viento y que mueven un generador de corriente eléctrica. Estos artilugios han mejorado en sus rendimientos y en sus prestaciones (durabilidad, precio, energía producida) y se han convertido en parte del paisaje de muchas regiones de España, de Europa y de otros lugares del mundo. Sin duda, la energía eólica es muy interesante pero conviene hablar de sus pros y sus contras. A favor de esta energía hay que decir que es renovable e inagotable, que no produce contaminación de las aguas y tampoco contamina la atmósfera en gran medida. Es por lo tanto una energía limpia y con los rendimientos de los nuevos aerogeneradores su presencia va a ser cada vez mayor. Sus inconvenientes no obstante también son varios: producen ruido (es un tipo de contaminación atmosférica); para conseguir una cantidad razonable de electricidad y un abaratamiento de las instalaciones hay que montar muchos aerogeneradores en una misma zona (parque eólico); la construcción y mantenimiento de estos parques significa un gran movimiento de tierras, con la construcción de caminos, de estaciones transformadoras y de tendidos eléctricos. Otro inconveniente es que no se pueden instalar en cualquier sitio: debe haber viento el mayor número de días al año y que sople a una velocidad razonable sin cambios bruscos de dirección. Y las zonas donde hay viento son, en muchos casos, las cumbres de las sierras y las costas. Esto hace que muchos enclaves de alto valor paisajístico (es otro recurso que no debe olvidarse) están sufriendo serios impactos. Se impone elaborar una ordenación del territorio para compatibilizar ambos recursos (energía y paisaje) antes de que sea demasiado tarde y se vean afectados muchos entornos que hasta ahora estaban bien conservados. Por otra parte, en algunos lugares estos parques producen efectos perjudiciales sobre las aves en sus desplazamientos migratorios (en Cádiz, cerca de Tarifa hay instalados miles de estos aerogeneradores en la zona más concurrida de aves de toda Europa). Por eso, los parques eólicos están teniendo algunos problemas de instalación. En estos momentos en nuestro país se debate la construcción de parques eólicos en el mar, alejados de la costa lo suficiente para que no causen impacto visual, pero se están encontrando con la resistencia de los pescadores que temen que dichas instalaciones alteren la pesca de la zona. Otra pega que se puede achacar a la energía eólica es que se trata de una fuente sumamente variable y por lo tanto impredecible por lo que no se puede prescindir de otros tipos de instalaciones que nos aseguren el suministro eléctrico en todo momento (Tener centrales nucleares y de carbón construidas y paradas para cuando no sople viento adecuadamente es por otra parte muy caro). Dado el problema de la inestabilidad del suministro eléctrico, se está pensando para un futuro no muy lejano, utilizar la energía eléctrica eólica para obtener hidrógeno por hidrólisis (descomposición del agua). Este 10 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ hidrógeno serviría para alimentar unos dispositivos llamados pilas de hidrógeno que permiten obtener electricidad. Energías renovables. Como están las cosas hoy. En los últimos tres años algo más del 30% de toda la energía eléctrica producida en España procede de fuentes renovables (mayoritariamente de la energía hidráulica y de los parques eólicos). Estos datos hace sólo diez años eran impensables. Por eso, las energías renovables están tomando un papel protagonista en el conjunto de las fuentes de energía tanto en Europa obtener hidrógeno por hidrólisis (descomposición del agua). Este hidrógeno serviría para alimentar unos dispositivos llamados pilas de hidrógeno que permiten obtener electricidad. como en nuestro país. (Otras renovables como la biomasa, todavía son minoritarias). Hasta hace muy poco tiempo en nuestro país las energías solar y eólica han estado creciendo sin cesar gracias a las ayudas gubernamentales. Estas ayudas en forma de primas a la producción han sido congeladas a comienzos del año 2012 por el gobierno con la excusa de que suponen una gran carga para el Estado, ahora en plena crisis (decir Estado es decir que esa ayuda que se da a cada kilovatio producido por energía renovable la pagamos entre todos los ciudadanos a través de nuestros impuestos). Esta paralización está llevando a que en nuestro país, pionero en estas tecnologías y poseedor de grandes recursos (es el país con más radiación solar de toda Europa), muchas empresas relacionadas con la construcción de dispositivos (paneles y aerogeneradores) estén desapareciendo así como las empresas que instalaron energía solar y eólica porque contaban con ayudas para amortizar las inversiones. En cambio se está potenciando la búsqueda de petróleo (por ejemplo frente al as costas delas islas Canarias) y se ha permitido que el fracking o fractura hidráulica puedan llegar a España. En ambos casos se trata de buscar fuentes de energía no renovable y con graves problemas de impacto medioambiental. Muchos expertos opinan que este cambio de rumbo en las renovables está relacionado con la presión que ejercen sobre los políticos las grandes empresas eléctricas (Endesa, Iberdrola o Gas Natural) puestos que tienen centrales eléctricas de tecnología no renovable (nucleares, carbón, gas) y las energías renovables les hacen la competencia. (No hay que olvidar que se trata de empresas muy poderosas y que dos expresidentes del Gobierno de España, Felipe González y José Mª Aznar están contratados –son consejeros- por dos de ellas). En la misma línea va un nuevo Decreto Ley propuesto por el Gobierno sobre la Energía (Real Decreto Ley 9/2013 de 12 de julio) que da un paso más y penaliza con un impuesto a quienes tengan energías renovables para su autoconsumo. El impuesto se llama “peaje de respaldo” y trata de evitar que las grandes empresas productoras de electricidad sufran pérdidas si una parte de la población decide fabricar su propia electricidad. En resumen, el tema energético en nuestro país está muy revuelto. Hay demasiados intereses económicos en torno a la energía y el gobierno parece tratar de favorecer a las empresas antes que a sus ciudadanos y al medioambiente. Llevamos varios años de subidas continuas del recibo de la luz y parece que seguirá siendo así en el futuro. 1. La atmósfera. Concepto, composición y estructura. Conceptos básicos: homosfera, heterosfera, troposfera, tropopausa, estratosfera, ozonosfera, estratopausa, mesosfera, mesopausa, termosfera, ionosfera, termopausa, exosfera. 2. Función protectora y reguladora de la atmósfera. Efecto protector de la ionosfera y de la ozonosfera. El efecto invernadero. Conceptos básicos: tipos de radiaciones solares, formación del ozono, albedo, gases de efecto invernadero. 3.Recursos energéticos relacionados con la atmósfera. Energía solar. Energía eólica. Ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. Conceptos básicos: energía solar fotovoltaica, energía térmica solar, parques eólicos. 11 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ Actividades Temas largos 1) Composición y estructura de la atmósfera. 2) Estructura de la atmósfera. Criterios para su división en capas. 3) La atmósfera: composición y estructura. Efecto protector y regulador. 4) Efecto protector de la ionosfera y la ozonosfera. El efecto invernadero. 5) Características de la radiación solar y su balance energético en la Tierra. 6) Incidencia de las radiaciones solares en la atmósfera. 7) El Sol como fuente de energía. Calor absorbido y reflejado. Balance energético. 8) Energía solar y eólica: aprovechamiento energético. Preguntas cortas 9) ¿Qué es el albedo y dónde se produce?. 10) ¿En qué dos capas de la atmósfera la temperatura aumenta con la altura?. ¿Qué explicación tiene este hecho?. 11) ¿Cuáles serían las condiciones actuales de la atmósfera si no existieran los seres vivos?. 12) ¿Por qué decimos que la atmósfera tiene un efecto regulador?. Explica cómo se lleva a cabo. 13) Indica cuáles de los siguientes ejemplos tendrá mayor albedo: un bosque, una zona nevada, un desierto. 14) Indica todas las capas atmosféricas que nos protegen de la radiación solar y la misión de cada una de ellas. 15) ¿Cómo varía la densidad de la atmósfera con la altura?. Razona la respuesta. 16) ¿Por qué en la troposfera la temperatura disminuye con la altura?. 17) ¿Cómo varía la composición química de la atmósfera en la vertical?. 18) ¿Qué tipo de radiaciones solares son absorbidas por la troposfera?. 19) ¿Qué tipo de radiaciones solares son filtradas por la ionosfera?. ¿Por qué se llama así?. 20) ¿En qué capa de la atmósfera es máxima la concentración de ozono?. ¿Por qué?. 21) ¿Qué es la contrarradiación atmosférica?. 22) ¿Por qué existe mayor probabilidad de heladas en noches de invierno estrelladas que en noches nubladas?. 23) ¿Qué es el albedo?. ¿Es invariable para toda la superficie de la Tierra?. ¿Cómo afectaría la deforestación masiva al albedo terrestre?. 24) ¿Por qué la presión atmosférica disminuye rápidamente desde la superficie hasta alcanzar la tropopausa?. 12 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ Preguntas de aplicación 25) El gráfico adjunto representa la variación de la temperatura (Tª) en la atmósfera terrestre en función de la altura. Reproduzca en su papel de examen dicha gráfica y, a partir de ella, contesta razonadamente a las siguientes cuestiones: a) Indica la situación de las capas de la atmósfera y los límites entre ellas. b) Sitúa aproximadamente la altura a la que se registra la máxima concentración de ozono. ¿Por qué la temperatura es alta cuando se alcanzan altitudes de 50 km? c) ¿Dónde se producen los fenómenos meteorológicos que determinan el clima terrestre? ¿Qué tipo de radiaciones llegan a esta capa atmosférica? 26) Teniendo en cuenta el diagrama adjunto, responde razonadamente a las siguientes cuestiones: a) ¿En qué consiste el albedo?.Indica algunos factores que puedan modificarlo. b) ¿Cuánta energía absorbe la Tierra?. ¿Cuánta energía remite al espacio?. c) En qué consiste el efecto invernadero?. 27) Las fuentes de energía disponibles para la humanidad son diversas. La principal fuente renovable es el Sol. La energía solar presenta dos características específicas: es dispersa e intermitente. Su radiación se puede utilizar en forma de calor, obtenido mediante colectores planos, o en forma de electricidad obtenida por células fotovoltaicas. Sin embargo, la importancia de la energía solar es debida, sobre todo, a sus contribuciones indirectas por vía climática (energía eólica y energía hidráulica) y por vía biológica (la fotosíntesis), que permite la formación de la biomasa. 13 Dpto. de Biología y Geología del I.E.S. Trassierra Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente ____________________________________________________________________________________________________________________________ a) ¿Qué significa que la energía solar es dispersa e intermitente?. ¿Cuáles son los problemas técnicos que hay que abordar para que su utilización sea mayor?. b) ¿Qué es un colector o panel solar plano?. ¿Y una célula solar o fotovoltaica?. c) Indica cómo aprovecha la humanidad la energía solar por la vía de la fotosíntesis. 28) Observa la imagen y responde las cuestiones: a) Comenta el funcionamiento de esta planta solar. b) ¿Qué aprovechamiento se obtiene de una planta de este tipo?. c) Explica las ventajas e inconvenientes de la energía solar. 14
