La atmósfera: Composición y estructura

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La Tierra se encuentra rodeada de una capa gaseosa llamada atmósfera. Ésta se fusiona a través de la gravedad con el resto del planeta. Los expertos constatan que el 97% de la masa atmosférica se encuentra retenida en los primeros 30 km debido a la atracción gravitatoria. Por esta razón los elementos se hallan concentrados y comprimidos cerca de la superficie, aunque éstos se van disipando a medida que van subiendo de altura. Conozcamos ahora un poco mejor la atmósfera, cuál es la composición y estructura.

La atmósfera: Composición y estructura

La atmósfera de la Tierra está compuesta de aproximadamente 78% de nitrógeno , 21% de oxígeno y 0,93% de argón. El resto, menos del 0.1%, contiene muchos gases pequeños pero importantes, incluyendo vapor de agua , dióxido de carbono y ozono . Todos estos gases tienen efectos importantes en el clima de la tierra.

Capas de la atmósfera

La atmósfera se puede dividir en capas verticales determinadas por la forma en que la temperatura cambia con la altura. La capa más cercana a la superficie es la troposfera, que contiene más del 80% de la masa atmosférica y casi todo el vapor de agua.

La siguiente capa, la estratosfera, contiene la mayor parte del ozono de la atmósfera, que absorbe la radiación de alta energía del sol y hace posible la vida en la superficie. Por encima de la estratosfera están la mesosfera y la termosfera. Estas dos capas incluyen regiones de átomos y moléculas cargadas , o iones. Llamada ionosfera, esta región es importante para las comunicaciones de radio , ya que las ondas de radio pueden rebotar en la capa y viajar grandes distancias.

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Gases en la atmósfera

Se cree que la atmósfera actual se desarrolló a partir de gases expulsados ​​por volcanes. El oxígeno, del que depende toda la vida animal , probablemente se acumula como un exceso de emisiones de las plantas que lo producen como producto de desecho durante la fotosíntesis . Las actividades humanas pueden estar afectando los niveles de algunos componentes atmosféricos importantes, particularmente el dióxido de carbono y el ozono.

La atmósfera es prácticamente transparente a las radiaciones solares de onda corta, aunque sí puede absorber las de onda larga, que son las radiaciones terrestres. Por esta razón se calienta desde abajo.

Cuanto más se aleja del suelo más desciende la temperatura. Parte de la radiación que emite la Tierra la absorben los gases que hay en la atmósfera, con ello se evita que se escape todo el calor. Otros gases de efecto invernadero son los vapores de CO2 y de agua, los cuales también absorben las radiaciones infrarrojas. Esto favorece que la temperatura se eleve en la parte inferior de la troposfera.

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Otras capas de la atmósfera son la homosfera, la heterosfera

Homosfera

La capa de la homosfera se desarrolla hasta los 80 km de altura aproximadamente. A lo largo del desarrollo va variando la densidad, aunque su composición se mantiene homogénea gracias a una serie de mezclas agitadas que no permiten la estratificación de los gases.

Heterosfera

La heterosfera es una capa que se encuentra sobre la homosfera. Ésta se extiende hasta el lugar en que concluye la atmósfera. En esta capa no dispone de las mezclas agitadas, con lo que los gases se van distribuyendo de forma estratificada dependiendo de la densidad de ésta. Según el gas predominante existen varias capas:

  •  Capa de nitrógeno (entre los 80-200 km).
  •  La capa de oxígeno atómico (entre los 200-1.100 km).
  •  Capa de helio (entre los 1.100-3.500 km).
  •  La capa de hidrógeno atómico (entre los 3.500 y 10.000 km).

Gases principales en la atmósfera

El gas atmosférico más común, el nitrógeno (símbolo químico N 2 ) representa aproximadamente el 78% de la atmósfera. El gas nitrógeno es en gran parte inerte, lo que significa que no reacciona fácilmente con otras sustancias para formar nuevos compuestos químicos. El siguiente gas más común, el oxígeno (O 2 ), constituye aproximadamente el 21% de la atmósfera. Se requiere oxígeno para la respiración (respiración) de toda la vida animal en la Tierra , desde humanos hasta bacterias . A diferencia del nitrógeno, el oxígeno es extremadamente reactivo. Participa en la oxidación, un tipo de reacción química que se puede observar en todas partes. Algunos ejemplos comunes de oxidación son las manzanas que cambian de blanco a marrón después de ser cortadas, la oxidación del hierro y la reacción de oxidación muy rápida que llamamos fuego. Poco menos del 1% de la atmósfera está compuesta de argón (Ar), que es un gas noble muy inerte, lo que significa que no participa en ninguna reacción química en circunstancias normales.

Juntos, estos tres gases representan el 99.96% de la atmósfera. El 0.04% restante contiene una amplia variedad de gases traza, varios de los cuales son cruciales para la vida en la Tierra.

Gases traza importantes

El dióxido de carbono (CO 2 ) afecta el clima de la tierra y desempeña un papel importante de apoyo en la biosfera , la colección de seres vivos que pueblan la superficie de la tierra. Solo alrededor del 0.0325% de la atmósfera es CO 2. La vida vegetal requiere dióxido de carbono para la fotosíntesis, el proceso de usar la luz solar para almacenar energía como azúcares simples, de los cuales depende toda la vida en la Tierra. El dióxido de carbono también es uno de una clase de compuestos llamados gases de efecto invernadero. Estos gases están formados por moléculas que absorben y emiten radiación infrarroja, que sentimos como calor.

La energía solar irradiada desde el sol se encuentra principalmente en el rango visible, dentro de una banda estrecha de longitudes de onda. Esta radiación es absorbida por la superficie de la tierra, luego se irradia de regreso al espacio no como luz visible , sino como radiación infrarroja de longitud de onda más larga. Las moléculas de gases de efecto invernadero absorben parte de esta radiación antes de que escape al espacio, y vuelven a emitir parte de ella hacia la superficie. De esta manera, estos gases atrapan parte del calor que escapa y aumentan la temperatura general de la atmósfera. Si la atmósfera no tuviera gases de efecto invernadero, se estima que la superficie terrestre estaría a 90 ° F (32 ° C) más fría.

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El vapor de agua (H 2 O) se encuentra en la atmósfera en cantidades pequeñas y altamente variables. Si bien está casi ausente en la mayoría de la atmósfera, su concentración puede variar hasta un 4% en áreas muy cálidas y húmedas cercanas a la superficie. A pesar de su relativa escasez, el agua atmosférica probablemente tiene más impacto en la tierra que cualquiera de los gases principales, aparte del oxígeno. El vapor de agua participa en el ciclo hidrológico , el proceso que mueve el agua entre los océanos, las aguas superficiales de la tierra, la atmósfera y los casquetes polares. Esta agua determina el clima de la tierra y establece condiciones climáticas que hacen que las áreas de tierra sean secas o húmedas, habitables o inhóspitas. Cuando se enfría lo suficiente, el vapor de agua forma nubes que al condensarse producen gotas de agua líquida o, a temperaturas más bajas, cristales de hielo sólidos. Además de crear lluvia o nieve, las nubes afectan el clima de la Tierra al reflejar parte de la energía que proviene del sol, lo que hace que el planeta sea algo más frío. El vapor de agua también es un importante gas de efecto invernadero. Se concentra cerca de la superficie y es mucho más frecuente cerca de los trópicos que en las regiones polares.

El ozono (O 3 ) se encuentra casi en su totalidad en una capa de aproximadamente 9–36 mi (15–60 km) de actitud. El gas ozono es irritante para los ojos y la piel de las personas, y ataca químicamente el caucho y el tejido vegetal . Sin embargo, es vital para la vida en la Tierra porque absorbe la mayor parte de la radiación de alta energía del sol que es dañina para las plantas y los animales. Una porción de la energía irradiada por el sol se encuentra en la región ultravioleta (UV). Esta radiación de longitud de onda más corta es responsable de los bronceadores y es lo suficientemente potente como para dañar las células, causar cáncer de piel y quemar tejidos, como sabe cualquier persona que haya tenido una quemadura solar dolorosa.

Las moléculas de ozono, junto con las moléculas de O 2, absorben casi todos los rayos UV de alta energía, protegiendo la superficie de la tierra de la radiación más dañina. El primer paso en este proceso ocurre en la atmósfera, donde las moléculas de O 2 absorben radiación UV de muy alta energía. Al hacerlo, cada molécula absorbente se divide en dos átomos de oxígeno. Los átomos de oxígeno finalmente chocan con otra molécula de O 2 , formando una molécula de ozono, O 3 (se requiere una tercera molécula en la colisión para eliminar el exceso de energía). El ozono a su vez puede absorber los rayos UV de una longitud de onda ligeramente más larga, lo que elimina uno de sus átomos de oxígeno y deja O 2 . El átomo de oxígeno libre, siendo muy reactivo, se recombinará casi inmediatamente con otro O 2, formando más ozono. Los últimos dos pasos de este ciclo se repiten, pero no crean nuevos compuestos químicos; solo actúan para absorber la radiación ultravioleta. La cantidad de ozono en la estratosfera es diminuta. Si todo se transportara a la superficie, el gas de ozono formaría una capa de aproximadamente 0.1-0.16 pulgadas (2.5-4.0 mm) de espesor. Esta capa, tan delgada como es, es suficiente para proteger a los ocupantes de la tierra de la dañina radiación solar.

Aerosoles

Además de los gases, la atmósfera tiene una gran variedad de pequeñas partículas suspendidas en el aire, conocidas colectivamente como aerosoles . Estas partículas pueden ser líquidas o sólidas, y son tan pequeñas que pueden requerir tiempos muy largos para establecerse fuera de la atmósfera por gravedad. Los ejemplos de aerosoles incluyen trozos de tierra suspendida o arena del desierto , pequeñas partículas de humo de un incendio forestal, partículas de sal que quedan después de que se haya evaporado una gota de agua del océano, polen de plantas, penachos de polvo volcánico y partículas formadas por la contaminación creada por un carbón. planta de energía ardiente Los aerosoles afectan significativamente el equilibrio del calor atmosférico, el crecimiento de las nubes y las propiedades ópticas.

Los aerosoles cubren un rango de tamaño muy amplio. Las gotas de lluvia suspendidas en una nube tienen aproximadamente 0.04–0.24 pulgadas (1–6 mm) de diámetro. Las finas arenas del desierto y las gotas de nubes varían en diámetro hasta aproximadamente 0,0004 pulgadas (0,01 mm). Las partículas de sal marina y de humo son 1/100 de esto, aproximadamente 0.0001 mm, o 0.1 micrómetro, de diámetro (1 micrómetro = una milésima de milímetro). Las más pequeñas de todas son las partículas que se forman cuando se condensan ciertos gases; es decir, cuando varias moléculas de gas se unen para formar un grupo estable. Estos son los núcleos de Aitkin, cuyos diámetros se pueden medir hasta unos pocos nanómetros (1 nanómetro = una millonésima parte de un milímetro).

Algunos aerosoles son del tamaño justo para dispersar eficientemente la luz solar, haciendo que la atmósfera se vea borrosa. En las condiciones adecuadas, los aerosoles actúan como puntos de recolección de moléculas de vapor de agua, estimulando el crecimiento de las gotas de nubes y acelerando la formación de nubes. También pueden desempeñar un papel en el clima de la Tierra; Se sabe que los aerosoles reflejan una porción de la radiación solar entrante de regreso al espacio, lo que reduce la temperatura de la superficie de la tierra. La investigación actual se centra en estimar cuánto enfriamiento proporcionan los aerosoles, así como cómo y cuándo se forman los aerosoles en la atmósfera.

Características de la atmósfera

Existe un límite entre la heterosfera y la homosfera, y ésta se llama homopausa.

Dentro de estas capas existen otras capas que se dividen según su temperatura:

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Troposfera

Esta capa acaba en la tropopausa y es la capa inferior de la atmósfera. La altitud que tiene puede variar, 16 km en el ecuador y 9 km en los polos. En la troposfera está concentrada el 80% de la masa atmosférica, tanto la presión como la densidad van disminuyendo con el ascenso al igual que la temperatura.

Aquí es donde se producen el efecto invernadero, las precipitaciones, vientos, nubes, etcétera. También el lugar donde se concentran las partículas de polvo y los contaminantes provocando una capa sucia.

Estratosfera

La estratosfera empieza en la tropopausa y llega hasta la estratopausa, aproximadamente a unos 60 km de altura. En esta capa el viento vertical es más ligero y son casi inapreciables. Sin embargo, los horizontales tienen su importancia. Entre los 15 y 30 km de altitud se percibe la capa de ozono. Aquí la temperatura va en aumento hasta llegar a los 4°, ya que ésta absorbe los rayos ultravioletas.

Mesosfera

Esta capa se desarrolla hasta los 80 Km de altitud y llega hasta la mesopausa. La densidad del aire en esta zona es muy reducida y alcanza los -80°. Sin embargo, es suficiente para inflamar las partículas de polvo de los meteoritos que vienen del espacio, y eso es lo que provoca que se formen las estrellas fugaces.

Termosfera

También llamada ionosfera, esta capa asciende has los 600 km de altitud, en la termopausa. La temperatura aquí vuelve a aumentar alcanzando los 1.000°, puesto que aquí se concentran las radiaciones absorbidas por moléculas de oxígeno e hidrógeno.

Uno de los fenómenos increíbles son las auroras boreales y australes. Éstas se forman cuando las partículas el viento solar penetran en esta capa, haciendo que choquen con las moléculas soltando calor, y de ahí las auroras.

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Exosfera

Ésta es la última capa de la atmósfera, su densidad es muy baja y parecida a la del espacio. El aire aquí es tan sumamente tenue que no puede absorber la luz del sol. Por esa razón el cielo aquí es tan oscuro.

Dependiendo del estado de ionización o eléctrico, se pueden apreciar otras dos capas, la neutrosfera y la ionosfera.

Neutrosfera

Ésta se encuentra en la zona inferior de la atmósfera, donde las partículas (átomos y moléculas) no se encuentran ionizadas, entre 0 y los 80 km de altitud, también llamada quimiosfera. La razón por la que están ionizadas es porque las radiaciones que penetran no disponen de la energía necesaria para poder hacerlo.

Ionosfera

Esta capa se ubica por encima de la capa anterior, aquí las partículas sí se encuentran ionizadas. Se desarrolla desde el km 80 hasta los 500 km de altitud, coincidiendo con la termosfera. En esa zona los rayos X y los gamma son absorbidos por las moléculas de nitrógeno y oxígeno, lo que generan los iones de carga positiva y liberando electrones.

Estos electrones van circulando por la capa ofreciéndole ciertas propiedades eléctricas. Este proceso genera un campo magnético que se entiende desde la ionosfera con carga positiva hasta la superficie de la Tierra con carga negativa. Esta es la capa donde algunas ondas de radios que se emiten desde la Tierra hacen posible la comunicación.

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La Tierra ejerce como un imán enorme, su campo magnético genera una estructura conocida por magnetosfera. No tiene una forma definida puesto que el viento solar la va deformando. Este viento se compone de flujos de electrones y protones de mucha energía que proceden de la superficie solar. La radiación se golpea con la magnetosfera y seguido se dispersa hacia el espacio.

Dentro de esta estructura se encuentran dos cinturones con forma de meda luna y con ellos rodean prácticamente el total del planeta. Se llaman anillos de Van Allen, y proceden como escudos magnéticos para los elementos que no han desviadas y han conseguido entrar. El cinturón situado más al exterior se compone, en gran parte, de electrones, mientras que el otro se compone de protones.

Cuando la actividad solar se hace notoria, los elemento atrapados en esos anillos se dispersan penetrando en la parte superior de la atmósfera. Con este proceso se consigue las partículas se ionicen dando lugar a los fenómenos llamados auroras polares.

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