Atmósfera de la Tierra

La luz azul se dispersa más que otras longitudes de onda por los gases de la atmósfera, rodeando la Tierra en una capa visiblemente azul en la estratosfera , por encima de las nubes de la troposfera , cuando se ve desde el espacio a bordo de la ISS a una altitud de 335 km (208 mi) (la Luna es visible como una media luna en el fondo lejano). [1]

La atmósfera de la Tierra está compuesta por una capa de mezcla de gases que rodea la superficie planetaria de la Tierra (tanto tierras como océanos ), conocida colectivamente como aire , con cantidades variables de aerosoles y partículas suspendidas (que crean características climáticas como nubes y neblinas ), todas retenidas por la gravedad de la Tierra . La atmósfera sirve como un amortiguador protector entre la superficie de la Tierra y el espacio exterior , protege la superficie de la mayoría de los meteoroides y la radiación solar ultravioleta , la mantiene cálida y reduce la variación de temperatura diurna (temperaturas extremas entre el día y la noche ) a través de la retención de calor ( efecto invernadero ), redistribuye el calor y la humedad entre diferentes regiones a través de corrientes de aire , y proporciona las condiciones químicas y climáticas que permiten que la vida exista y evolucione en la Tierra.

Por fracción molar (es decir, por cantidad de moléculas ), el aire seco contiene 78,08% de nitrógeno , 20,95% de oxígeno , 0,93% de argón , 0,04% de dióxido de carbono y pequeñas cantidades de otros gases traza . El aire también contiene una cantidad variable de vapor de agua , en promedio alrededor del 1% a nivel del mar y 0,4% en toda la atmósfera. La composición del aire, la temperatura y la presión atmosférica varían con la altitud . Dentro de la atmósfera, el aire adecuado para su uso en la fotosíntesis por parte de las plantas terrestres y la respiración de los animales terrestres se encuentra solo a 12 kilómetros (7,5 millas) del suelo. [2]

La atmósfera primitiva de la Tierra estaba formada por gases acumulados de la nebulosa solar , pero la atmósfera cambió significativamente con el tiempo, afectada por muchos factores como el vulcanismo , los eventos de impacto , la meteorización y la evolución de la vida (en particular los fotoautótrofos ). Recientemente, la actividad humana también ha contribuido a los cambios atmosféricos , como el cambio climático (principalmente a través de la deforestación y el calentamiento global relacionado con los combustibles fósiles ), el agotamiento del ozono y la deposición ácida .

La atmósfera tiene una masa de aproximadamente 5,15 × 1018  kg, [3] tres cuartas partes de las cuales se encuentran a unos 11 km (6,8 mi; 36.000 ft) de la superficie. La atmósfera se vuelve más delgada a medida que aumenta la altitud, sin un límite definido entre la atmósfera y el espacio exterior . La línea de Kármán , a 100 km (62 mi) o 1,57% del radio de la Tierra, se utiliza a menudo como la frontera entre la atmósfera y el espacio exterior. Los efectos atmosféricos se hacen notables durante la reentrada atmosférica de las naves espaciales a una altitud de alrededor de 120 km (75 mi). Se pueden distinguir varias capas en la atmósfera en función de características como la temperatura y la composición, a saber, la troposfera , la estratosfera , la mesosfera , la termosfera (formalmente la ionosfera ) y la exosfera .

El estudio de la atmósfera terrestre y sus procesos se denomina ciencia atmosférica (aerología) e incluye múltiples subcampos, como la climatología y la física atmosférica . Entre los pioneros en este campo se encuentran Léon Teisserenc de Bort y Richard Assmann . [4] El estudio de la atmósfera histórica se denomina paleoclimatología .

Composición

Composición de la atmósfera terrestre según el recuento molecular, excluyendo el vapor de agua. El gráfico circular inferior representa los gases traza que juntos componen alrededor del 0,0434 % de la atmósfera (0,0442 % en concentraciones de agosto de 2021 [5] [6] ). Las cifras son principalmente de 2000, con CO 2 y metano de 2019, y no representan ninguna fuente única. [7]

Los tres componentes principales de la atmósfera de la Tierra son nitrógeno , oxígeno y argón . El vapor de agua representa aproximadamente el 0,25% de la atmósfera en masa. La concentración de vapor de agua (un gas de efecto invernadero) varía significativamente desde alrededor de 10 ppm por fracción molar en las partes más frías de la atmósfera hasta tanto como 5% por fracción molar en masas de aire caliente y húmedo, y las concentraciones de otros gases atmosféricos se citan típicamente en términos de aire seco (sin vapor de agua). [8] : 8  Los gases restantes a menudo se denominan gases traza, [9] entre los que se encuentran otros gases de efecto invernadero , principalmente dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y ozono. Además del argón, también están presentes otros gases nobles , neón , helio , criptón y xenón . El aire filtrado incluye trazas de muchos otros compuestos químicos . Muchas sustancias de origen natural pueden estar presentes en pequeñas cantidades que varían local y estacionalmente en forma de aerosoles en una muestra de aire sin filtrar, incluyendo polvo de composición mineral y orgánica, polen y esporas , rocío marino y ceniza volcánica . Varios contaminantes industriales también pueden estar presentes en forma de gases o aerosoles, como el cloro (elemental o en compuestos), compuestos de flúor y vapor de mercurio elemental . Los compuestos de azufre como el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de azufre (SO2 ) pueden derivar de fuentes naturales o de la contaminación atmosférica industrial.

Fracción de volumen de los principales componentes de la atmósfera terrestre en función de la altura, basada en el modelo atmosférico MSIS-E-90; el modelo sólo funciona por encima de los 85 km
Principales componentes del aire, por fracción molar [13]
Aire seco
GasFracción molar (A)
NombreFórmulaen ppm (B)en %
NitrógenoN º 2780.84078.084
OxígenoO2​209.46020.946
ArgónArkansas9,3400,9340
Dióxido de carbono
(abril de 2022) (C) [14]		CO2​4170,0417
NeónNordeste18.180,001818
HelioÉl5.240,000524
Metano
(2022) (C) [15]		Capítulo 41.910,000191
CriptónKr1.140,000114
Si el aire no está seco:
Vapor de agua (D)H2O​​0–30 000 (D)0–3 % (E)
Notas

(A) La fracción molar a veces se denomina fracción de volumen ; son idénticas solo para un gas ideal.
(B) ppm: partes por millón por recuento molecular

  • La suma total de ppm anterior suma más de 1 millón (actualmente 83,43 por encima) debido a un error experimental .

(C) La concentración de CO 2 ha aumentado en las últimas décadas , al igual que la de CH 4 .
(D) El vapor de agua representa aproximadamente el 0,25 % en masa sobre la atmósfera completa .
(E) El vapor de agua varía significativamente a nivel local [8]

El peso molecular promedio del aire seco, que se puede utilizar para calcular densidades o para convertir entre fracción molar y fracción de masa, es de aproximadamente 28,946 [16] o 28,96 [17] [18]  g/mol. Este valor disminuye cuando el aire es húmedo.

La concentración relativa de gases permanece constante hasta unos 10.000 m (33.000 pies). [19]

Estratificación

Atmósfera terrestre. Las cuatro capas inferiores de la atmósfera en tres dimensiones, vistas en diagonal desde arriba de la exobase. Las capas están dibujadas a escala, los objetos dentro de ellas no están a escala. Las auroras que se muestran en la parte inferior de la termosfera pueden formarse a cualquier altitud dentro de esta capa.

En general, la presión y la densidad del aire disminuyen con la altitud en la atmósfera. Sin embargo, la temperatura tiene un perfil más complicado con la altitud y puede permanecer relativamente constante o incluso aumentar con la altitud en algunas regiones (véase la sección de temperatura). Debido a que el patrón general del perfil de temperatura/altitud, o gradiente térmico , es constante y medible por medio de sondeos con globos instrumentados , el comportamiento de la temperatura proporciona una métrica útil para distinguir las capas atmosféricas. Esta estratificación atmosférica divide la atmósfera de la Tierra en cinco capas principales: [20]

  • Exosfera: 700 a 10 000 km (435 a 6 214 millas) [21]
  • Termosfera: 80–700 km (50–435 mi) [22]
  • Mesosfera: 50–80 km (31–50 mi)
  • Estratosfera: 12–50 km (7–31 mi)
  • Troposfera: 0–12 km (0–7 mi) [23]

Exosfera

La exosfera es la capa más externa de la atmósfera terrestre (aunque es tan tenue que algunos científicos la consideran parte del espacio interplanetario en lugar de parte de la atmósfera). Se extiende desde la termopausa (también conocida como "exobase") en la parte superior de la termosfera hasta un límite poco definido con el viento solar y el medio interplanetario . La altitud de la exobase varía de unos 500 kilómetros (310 mi; 1.600.000 pies) a unos 1.000 kilómetros (620 mi) en épocas de mayor radiación solar entrante. [24]

El límite superior varía según la definición. Diversas autoridades consideran que termina en unos 10.000 kilómetros (6.200 mi) [25] o alrededor de 190.000 kilómetros (120.000 mi), aproximadamente la mitad del camino hacia la Luna, donde la influencia de la gravedad de la Tierra es aproximadamente la misma que la presión de radiación de la luz solar. [24] La geocorona visible en el ultravioleta lejano (causada por hidrógeno neutro) se extiende al menos hasta 100.000 kilómetros (62.000 mi). [24]

Esta capa está compuesta principalmente por densidades extremadamente bajas de hidrógeno, helio y varias moléculas más pesadas, incluyendo nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono, más cerca de la exosfera. Los átomos y las moléculas están tan separados que pueden viajar cientos de kilómetros sin chocar entre sí. Por lo tanto, la exosfera ya no se comporta como un gas y las partículas escapan constantemente al espacio . Estas partículas que se mueven libremente siguen trayectorias balísticas y pueden migrar dentro y fuera de la magnetosfera o el viento solar. Cada segundo, la Tierra pierde alrededor de 3 kg de hidrógeno, 50 g de helio y cantidades mucho más pequeñas de otros componentes. [26]

La exosfera se encuentra demasiado lejos de la Tierra para que se produzcan fenómenos meteorológicos . Sin embargo, las auroras terrestres (las auroras boreales y australes) a veces se producen en la parte inferior de la exosfera, donde se superponen con la termosfera. La exosfera contiene muchos de los satélites artificiales que orbitan alrededor de la Tierra.

Termosfera

La termosfera es la segunda capa más alta de la atmósfera terrestre. Se extiende desde la mesopausia (que la separa de la mesosfera) a una altitud de unos 80 km (50 mi; 260.000 pies) hasta la termopausa en un rango de altitud de 500-1000 km (310-620 mi; 1.600.000-3.300.000 pies). La altura de la termopausa varía considerablemente debido a los cambios en la actividad solar. [22] Debido a que la termopausa se encuentra en el límite inferior de la exosfera, también se la conoce como exobase . La parte inferior de la termosfera, de 80 a 550 kilómetros (50 a 342 mi) sobre la superficie de la Tierra, contiene la ionosfera .

La temperatura de la termosfera aumenta gradualmente con la altura y puede alcanzar los 1500 °C (2700 °F), aunque las moléculas de gas están tan separadas que su temperatura en el sentido habitual no es muy significativa. El aire está tan enrarecido que una molécula individual (de oxígeno , por ejemplo) viaja un promedio de 1 kilómetro (0,62 mi; 3300 ft) entre colisiones con otras moléculas. [27] Aunque la termosfera tiene una alta proporción de moléculas con alta energía, no la sentiría caliente para un humano en contacto directo, porque su densidad es demasiado baja para conducir una cantidad significativa de energía hacia o desde la piel.

Esta capa está completamente despejada de nubes y libre de vapor de agua. Sin embargo, en la termosfera se observan ocasionalmente fenómenos no hidrometeorológicos como las auroras boreales y australes . La Estación Espacial Internacional orbita en esta capa, entre 350 y 420 km (220 y 260 mi). Es en esta capa donde se encuentran muchos de los satélites que orbitan alrededor de la Tierra.

Mesosfera

Resplandor residual de la troposfera (naranja), la estratosfera (azul) y la mesosfera (oscura) en la que comienza la entrada atmosférica , dejando rastros de humo, como en este caso de la reentrada de una nave espacial

La mesosfera es la tercera capa más alta de la atmósfera terrestre y ocupa la región situada por encima de la estratosfera y por debajo de la termosfera. Se extiende desde la estratopausa, a una altitud de unos 50 km (31 mi; 160.000 ft), hasta la mesopausia, a 80–85 km (50–53 mi; 260.000–280.000 ft) sobre el nivel del mar.

Las temperaturas descienden a medida que aumenta la altitud hasta la mesopausia , que marca la parte superior de esta capa intermedia de la atmósfera. Es el lugar más frío de la Tierra y tiene una temperatura media de alrededor de -85  °C (-120  °F ; 190  K ). [28] [29]

Justo debajo de la mesopausia, el aire es tan frío que incluso el escaso vapor de agua a esta altitud puede condensarse en nubes noctilucentes polares-mesosféricas de partículas de hielo. Estas son las nubes más altas de la atmósfera y pueden ser visibles a simple vista si la luz del sol se refleja en ellas aproximadamente una o dos horas después del atardecer o de manera similar antes del amanecer. Son más fácilmente visibles cuando el Sol está alrededor de 4 a 16 grados por debajo del horizonte. Las descargas inducidas por rayos conocidas como eventos luminosos transitorios (TLE) se forman ocasionalmente en la mesosfera sobre las nubes de tormenta troposféricas . La mesosfera es también la capa donde la mayoría de los meteoros se queman al entrar en la atmósfera. Está demasiado alta sobre la Tierra para ser accesible a aviones y globos propulsados ​​​​por jet, y demasiado baja para permitir naves espaciales orbitales. Se accede a la mesosfera principalmente mediante cohetes de sondeo y aviones propulsados ​​​​por cohetes .

Estratosfera

La estratosfera es la segunda capa más baja de la atmósfera terrestre. Se encuentra por encima de la troposfera y está separada de ella por la tropopausa . Esta capa se extiende desde la parte superior de la troposfera, a unos 12 km (7,5 mi; 39.000 pies) sobre la superficie de la Tierra, hasta la estratopausa, a una altitud de unos 50 a 55 km (31 a 34 mi; 164.000 a 180.000 pies).

La presión atmosférica en la parte superior de la estratosfera es aproximadamente 1/1000 de la presión a nivel del mar . Contiene la capa de ozono , que es la parte de la atmósfera de la Tierra que contiene concentraciones relativamente altas de ese gas. La estratosfera define una capa en la que las temperaturas aumentan con el aumento de la altitud. Este aumento de temperatura es causado por la absorción de la radiación ultravioleta (UV) del Sol por la capa de ozono, que restringe la turbulencia y la mezcla. Aunque la temperatura puede ser de -60 °C (-76 °F; 210 K) en la tropopausa, la parte superior de la estratosfera es mucho más cálida y puede estar cerca de 0 °C. [30]

El perfil de temperatura de la estratosfera crea condiciones atmosféricas muy estables, por lo que la estratosfera carece de la turbulencia del aire que produce el clima, tan frecuente en la troposfera. En consecuencia, la estratosfera está casi completamente libre de nubes y otras formas de clima. Sin embargo, ocasionalmente se ven nubes estratosféricas polares o nacaradas en la parte inferior de esta capa de la atmósfera, donde el aire es más frío. La estratosfera es la capa más alta a la que se puede acceder con aviones a reacción .

Troposfera

Imagen de la troposfera de la Tierra, con diferentes tipos de nubes a baja y alta altitud que proyectan sombras. La luz del sol, que se filtra y adquiere un tono rojizo al atravesar gran parte de la troposfera al atardecer, se refleja en el océano. La estratosfera que se encuentra por encima se puede ver en el horizonte como una banda de su característico resplandor de luz solar azul dispersa .

La troposfera es la capa más baja de la atmósfera terrestre. Se extiende desde la superficie terrestre hasta una altura media de unos 12 km (7,5 mi; 39.000 pies), aunque esta altitud varía desde unos 9 km (5,6 mi; 30.000 pies) en los polos geográficos hasta 17 km (11 mi; 56.000 pies) en el ecuador , [23] con alguna variación debido al clima. La troposfera está limitada por encima por la tropopausa , un límite marcado en la mayoría de los lugares por una inversión de temperatura (es decir, una capa de aire relativamente cálido sobre una más fría), y en otros por una zona que es isotérmica con la altura. [31] [32]

Aunque se producen variaciones, la temperatura suele disminuir con el aumento de la altitud en la troposfera porque la troposfera se calienta principalmente a través de la transferencia de energía desde la superficie. Por lo tanto, la parte más baja de la troposfera (es decir, la superficie de la Tierra) es típicamente la sección más cálida de la troposfera. Esto promueve la mezcla vertical (de ahí el origen de su nombre en la palabra griega τρόπος, tropos , que significa "giro"). La troposfera contiene aproximadamente el 80% de la masa de la atmósfera de la Tierra. [33] La troposfera es más densa que todas sus capas superpuestas porque un mayor peso atmosférico se asienta sobre la troposfera y hace que se comprima más severamente. El cincuenta por ciento de la masa total de la atmósfera se encuentra en los 5,6 km (3,5 mi; 18.000 pies) inferiores de la troposfera.

Casi todo el vapor de agua o la humedad atmosférica se encuentra en la troposfera, por lo que es la capa donde se produce la mayor parte del clima de la Tierra. Básicamente, contiene todos los tipos de nubes asociadas al clima generadas por la circulación activa del viento, aunque nubes de tormenta cumulonimbus muy altas pueden penetrar la tropopausa desde abajo y ascender a la parte inferior de la estratosfera. La mayor parte de la actividad de la aviación convencional tiene lugar en la troposfera, y es la única capa accesible para los aviones propulsados ​​por hélice .

Otras capas

Dentro de las cinco capas principales anteriores, que están determinadas en gran medida por la temperatura, se pueden distinguir varias capas secundarias por otras propiedades:

  • La capa de ozono se encuentra en la estratosfera. En esta capa, las concentraciones de ozono son de aproximadamente 2 a 8 partes por millón, lo que es mucho más alto que en la atmósfera inferior, pero aún muy pequeño en comparación con los principales componentes de la atmósfera. Se encuentra principalmente en la porción inferior de la estratosfera, a unos 15-35 km (9,3-21,7 mi; 49.000-115.000 pies), aunque el espesor varía según la estación y la geografía. Aproximadamente el 90% del ozono en la atmósfera de la Tierra se encuentra en la estratosfera.
  • La ionosfera es una región de la atmósfera que se ioniza por la radiación solar. Es responsable de las auroras . Durante las horas diurnas, se extiende de 50 a 1000 km (31 a 621 mi; 160 000 a 3 280 000 pies) e incluye la mesosfera, la termosfera y partes de la exosfera. Sin embargo, la ionización en la mesosfera cesa en gran medida durante la noche, por lo que las auroras normalmente se ven solo en la termosfera y la exosfera inferior. La ionosfera forma el borde interior de la magnetosfera . Tiene importancia práctica porque influye, por ejemplo, en la propagación de radio en la Tierra.
  • La homosfera y la heteroesfera se definen por si los gases atmosféricos están bien mezclados. La homosfera superficial incluye la troposfera, la estratosfera, la mesosfera y la parte más baja de la termosfera, donde la composición química de la atmósfera no depende del peso molecular porque los gases se mezclan por turbulencia. [34] Esta capa relativamente homogénea termina en la turbopausa que se encuentra a unos 100 km (62 mi; 330.000 pies), el mismo borde del espacio según lo aceptado por la FAI , que lo coloca a unos 20 km (12 mi; 66.000 pies) por encima de la mesopausia.
Por encima de esta altitud se encuentra la heteroesfera, que incluye la exosfera y la mayor parte de la termosfera. En esta zona, la composición química varía con la altitud. Esto se debe a que la distancia que pueden recorrer las partículas sin chocar entre sí es grande en comparación con la magnitud de los movimientos que provocan la mezcla. Esto permite que los gases se estratifiquen por peso molecular, y los más pesados, como el oxígeno y el nitrógeno, solo estén presentes cerca de la parte inferior de la heteroesfera. La parte superior de la heteroesfera está compuesta casi por completo de hidrógeno, el elemento más ligero. [35]
  • La capa límite planetaria es la parte de la troposfera que está más cerca de la superficie de la Tierra y se ve directamente afectada por ella, principalmente a través de la difusión turbulenta . Durante el día, la capa límite planetaria suele estar bien mezclada, mientras que por la noche se vuelve establemente estratificada con una mezcla débil o intermitente. La profundidad de la capa límite planetaria varía desde tan solo unos 100 metros (330 pies) en noches claras y tranquilas hasta 3000 m (9800 pies) o más durante la tarde en regiones secas.

La temperatura media de la atmósfera en la superficie de la Tierra es de 14 °C (57 °F; 287 K) [36] o 15 °C (59 °F; 288 K), [37] dependiendo de la referencia. [38] [39] [40]

Propiedades físicas

Comparación del gráfico de la atmósfera estándar de EE. UU. de 1962 de la altitud geométrica frente a la densidad del aire , la presión , la velocidad del sonido y la temperatura con altitudes aproximadas de varios objetos. [41]

Presión y espesor

La presión atmosférica media a nivel del mar está definida por la Atmósfera Estándar Internacional como 101325 pascales (760,00  Torr ; 14,6959  psi ; 760,00  mmHg ). A veces se la denomina unidad de atmósferas estándar (atm) . La masa atmosférica total es 5,1480×10 18 kg (1,135×10 19 lb), [42] aproximadamente un 2,5 % menos de lo que se inferiría a partir de la presión media a nivel del mar y la superficie de la Tierra de 51007,2 megahectáreas, siendo esta parte desplazada por el terreno montañoso de la Tierra. La presión atmosférica es el peso total del aire por encima de la unidad de superficie en el punto donde se mide la presión. Por tanto, la presión del aire varía con la ubicación y el clima .

Si toda la masa de la atmósfera tuviera una densidad uniforme igual a la densidad del nivel del mar (aproximadamente 1,2 kg por m3 ) desde el nivel del mar hacia arriba, terminaría abruptamente a una altitud de 8,50 km (27 900 pies).

La presión del aire disminuye exponencialmente con la altitud, reduciéndose a la mitad cada 5,6 km (18.000 pies) o por un factor de 1/ e (0,368) cada 7,64 km (25.100 pies), (esto se llama altura de escala ) para altitudes de hasta alrededor de 70 km (43 mi; 230.000 pies). Sin embargo, la atmósfera se modela con mayor precisión con una ecuación personalizada para cada capa que tiene en cuenta los gradientes de temperatura, composición molecular, radiación solar y gravedad. A alturas superiores a los 100 km, es posible que una atmósfera ya no esté bien mezclada. Entonces, cada especie química tiene su propia altura de escala.

En resumen, la masa de la atmósfera de la Tierra se distribuye aproximadamente de la siguiente manera: [43]

  • El 50% está por debajo de 5,6 km (18.000 pies).
  • El 90% está por debajo de los 16 km (52.000 pies).
  • El 99,99997 % se encuentra por debajo de los 100 km (62 mi; 330 000 ft), la línea de Kármán . Por convención internacional, esto marca el comienzo del espacio, donde los viajeros humanos son considerados astronautas .

En comparación, la cumbre del Monte Everest está a 8.848 m (29.029 pies); los aviones comerciales normalmente vuelan entre 10 y 13 km (33.000 y 43.000 pies) donde la menor densidad y temperatura del aire mejoran el ahorro de combustible; los globos meteorológicos alcanzan 30,4 km (100.000 pies) y más; y el vuelo más alto del X-15 en 1963 alcanzó 108,0 km (354.300 pies).

Incluso por encima de la línea de Kármán, todavía se producen efectos atmosféricos significativos, como las auroras . Los meteoros comienzan a brillar en esta región, aunque los más grandes pueden no arder hasta que penetran más profundamente. Las diversas capas de la ionosfera de la Tierra , importantes para la propagación de radio HF , comienzan por debajo de los 100 km y se extienden más allá de los 500 km. En comparación, la Estación Espacial Internacional y el Transbordador Espacial orbitan típicamente a 350-400 km, dentro de la capa F de la ionosfera, donde encuentran suficiente resistencia atmosférica para requerir reimpulsos cada pocos meses, de lo contrario, se producirá una desintegración orbital que resultará en un regreso a la Tierra. Dependiendo de la actividad solar, los satélites pueden experimentar una resistencia atmosférica notable a altitudes de hasta 700-800 km.

Temperatura

Tendencias de temperatura en dos capas gruesas de la atmósfera medidas entre enero de 1979 y diciembre de 2005 por unidades de sondeo por microondas y unidades de sondeo por microondas avanzadas en satélites meteorológicos de la NOAA . Los instrumentos registran las microondas emitidas por las moléculas de oxígeno en la atmósfera. Fuente: [44]

La división de la atmósfera en capas, principalmente en función de la temperatura, se ha analizado anteriormente. La temperatura disminuye con la altitud a partir del nivel del mar, pero las variaciones en esta tendencia comienzan por encima de los 11 km, donde la temperatura se estabiliza a lo largo de una gran distancia vertical a través del resto de la troposfera. En la estratosfera , a partir de unos 20 km, la temperatura aumenta con la altura, debido al calentamiento dentro de la capa de ozono causado por la captura de una cantidad significativa de radiación ultravioleta del Sol por el dioxígeno y el gas ozono en esta región. Otra región en la que la temperatura aumenta con la altitud se da a altitudes muy elevadas, en la termosfera , que recibe su nombre por encima de los 90 km.

Velocidad del sonido

Dado que en un gas ideal de composición constante la velocidad del sonido depende únicamente de la temperatura y no de la presión o la densidad, la velocidad del sonido en la atmósfera con la altitud adopta la forma de un perfil de temperatura complicado (véase la ilustración a la derecha) y no refleja los cambios altitudinales en la densidad o la presión.

Densidad y masa

Temperatura y densidad de masa en función de la altitud del modelo atmosférico estándar NRLMSISE-00 (las ocho líneas punteadas en cada "década" están en los ocho cubos 8, 27, 64, ..., 729)

La densidad del aire a nivel del mar es de aproximadamente 1,2 kg/m 3 (1,2 g/L, 0,0012 g/cm 3 ). La densidad no se mide directamente, sino que se calcula a partir de mediciones de temperatura, presión y humedad utilizando la ecuación de estado del aire (una forma de la ley de los gases ideales ). La densidad atmosférica disminuye a medida que aumenta la altitud. Esta variación se puede modelar de forma aproximada utilizando la fórmula barométrica . Se utilizan modelos más sofisticados para predecir la descomposición orbital de los satélites.

La masa media de la atmósfera es de unos 5 cuatrillones (5 × 1015 ) toneladas o 1/1.200.000 de la masa de la Tierra. Según el Centro Nacional de Investigación Atmosférica de Estados Unidos , "la masa media total de la atmósfera es de 5,1480 × 1018  kg con un rango anual debido al vapor de agua de 1,2 o 1,5 × 1015  kg, dependiendo de si se utilizan datos de presión superficial o de vapor de agua; algo menor que la estimación anterior. La masa media de vapor de agua se estima en 1,27 × 1016  kg y la masa de aire seco como 5,1352 ±0,0003 × 10" 18  kilos."

Propiedades tabuladas

Propiedades físicas y térmicas del aire a presión atmosférica [45] : 602  [46]
Temperatura
[ K ]		Densidad
[ kg/ m3 ]
Calor específico
[ J/(kg⋅°C) ]
Viscosidad dinámica
[ kg/(m⋅s) ]
Viscosidad cinemática
[ m 2 /s ]
Conductividad térmica
[ W/(m⋅°C) ]
Difusividad térmica
[ m 2 /s ]
Número de Prandtl
[1]
Módulo volumétrico
[ K −1 ]
1003.6011 026 .66,92 × 10 −61,92 × 10 −60,000 9252,50 × 10 −60,770,01
1502.36751 009 .91,03 × 10 −54,34 × 10 −60,013 7355,75 × 10 −60,7530,006 667
2001.76841 006 .11,33 × 10 −57,49 × 10 −60,018 091,02 × 10 −50,7380,005
2501.41281 005 .31,60 × 10 −51,13 × 10 −50,022 271,57 × 10 −50,7220,004
3001.17741 005 .71,85 × 10 −51,57 × 10 −50,026 242,22 × 10 −50,7080,003 333
3500,99810092,08 × 10 −52,08 × 10 −50,030 032,98 × 10 −50,6970,002 857
4000,882610142,29 × 10 −52,59 × 10 −50,033 653,76 × 10 −50,6890,0025
4500,78331 020 .72,48 × 10 −53,17 × 10 −50,037 074,22 × 10 −50,6830,002 222
5000,70481 029 .52,67 × 10 −53,79 × 10 −50,040 385,56 × 10 −50,680,002
5500,64231 039 .22,85 × 10 −54,43 × 10 −50,04366,53 × 10 −50,680,001 818
6000,58791 055 .13,02 × 10 −55,13 × 10 −50,046 597,51 × 10 −50,680,001 667
6500,5431 063 .53,18 × 10 −55,85 × 10 −50,049 538,58 × 10 −50,6820,001 538
7000,5031 075 .23,33 × 10 −56,63 × 10 −50,05239,67 × 10 −50,6840,001 429
7500,47091 085 .63,48 × 10 −57,39 × 10 −50,055 091,08 × 10 −40,6860,001 333
8000,44051 097 .83,63 × 10 −58,23 × 10 −50,057 791,20 × 10 −40,6890,001 25
8500,41491 109 .53,77 × 10 −59,08 × 10 −50,060 281,31 × 10 −40,6920,001 176
9000,39251 121 .23,90 × 10 −59,93 × 10 −50,062 791,43 × 10 −40,6960,001 111
9500,37161 132 .14,02 × 10 −51,08 × 10 −40,065 251,55 × 10 −40,6990,001 053
10000,35241 141 .74,15 × 10 −51,18 × 10 −40,067 531,68 × 10 −40,7020,001
11000,320411604,44 × 10 −51,39 × 10 −40,07321,97 × 10 −40,7040.000 909
12000,294711794,69 × 10 −51,59 × 10 −40,07822,25 × 10 −40,7070,000 833
13000,270711974,93 × 10 −51,82 × 10 −40,08372,58 × 10 −40,7050,000 769
14000,251512145,17 × 10 −52,06 × 10 −40,08912,92 × 10 −40,7050,000 714
15000,235512305,40 × 10 −52,29 × 10 −40,09463,26 × 10 −40,7050,000 667
16000,221112485,63 × 10 −52,55 × 10 −40,13,61 × 10 −40,7050,000 625
17000,208212675,85 × 10 −52,81 × 10 −40,1053,98 × 10 −40,7050,000 588
18000,19712876,07 × 10 −53,08 × 10 −40,1114,38 × 10 −40,7040,000 556
19000,185813096,29 × 10 −53,39 × 10 −40,1174,81 × 10 −40,7040,000 526
20000,176213386,50 × 10 −53,69 × 10 −40,1245,26 × 10 −40,7020,0005
21000,168213726,72 × 10 −54,00 × 10 −40,1315,72 × 10 −40,70,000 476
22000,160214196,93 × 10 −54,33 × 10 −40,1396,12 × 10 −40,7070,000 455
23000,153814827,14 × 10 −54,64 × 10 −40,1496,54 × 10 −40,710,000 435
24000,145815747,35 × 10 −55,04 × 10 −40,1617,02 × 10 −40,7180,000 417
25000,139416887,57 × 10 −55,44 × 10 −40,1757,44 × 10 −40,730,0004

Propiedades ópticas

La radiación solar (o luz solar) es la energía que la Tierra recibe del Sol . La Tierra también emite radiación al espacio, pero en longitudes de onda más largas que los humanos no pueden ver. Parte de la radiación entrante y emitida es absorbida o reflejada por la atmósfera. [47] [48] En mayo de 2017, se descubrió que los destellos de luz, vistos como centelleantes desde un satélite en órbita a un millón de millas de distancia, eran luz reflejada de cristales de hielo en la atmósfera. [49] [50]

Dispersión

Cuando la luz pasa a través de la atmósfera de la Tierra, los fotones interactúan con ella a través de la dispersión . Si la luz no interactúa con la atmósfera, se llama radiación directa y es lo que ves si miras directamente al Sol . La radiación indirecta es luz que se ha dispersado en la atmósfera. Por ejemplo, en un día nublado cuando no puedes ver tu sombra, no hay radiación directa que te llegue, toda se ha dispersado. Como otro ejemplo, debido a un fenómeno llamado dispersión de Rayleigh , las longitudes de onda más cortas (azules) se dispersan más fácilmente que las longitudes de onda más largas (rojas). Es por eso que el cielo se ve azul; estás viendo luz azul dispersa. También es por eso que las puestas de sol son rojas. Debido a que el Sol está cerca del horizonte, los rayos del Sol pasan a través de más atmósfera de lo normal antes de llegar a tu ojo. Gran parte de la luz azul se ha dispersado, dejando la luz roja en una puesta de sol.

Absorción

Gráfico aproximado de la transmitancia (u opacidad) atmosférica de la Tierra para varias longitudes de onda de radiación electromagnética, incluida la luz visible

Diferentes moléculas absorben diferentes longitudes de onda de radiación. Por ejemplo, el O2 y el O3 absorben casi toda la radiación con longitudes de onda inferiores a 300 nanómetros . El agua (H2O ) absorbe en muchas longitudes de onda superiores a 700 nm. Cuando una molécula absorbe un fotón, aumenta su energía. Esto calienta la atmósfera, pero esta también se enfría al emitir radiación, como se explica a continuación.

Los espectros de absorción combinados de los gases en la atmósfera dejan "ventanas" de baja opacidad , permitiendo la transmisión de sólo ciertas bandas de luz. La ventana óptica va desde alrededor de 300 nm ( ultravioleta -C) hasta el rango que los humanos pueden ver, el espectro visible (comúnmente llamado luz), a aproximadamente 400-700 nm y continúa hasta el infrarrojo hasta alrededor de 1100 nm. También hay ventanas infrarrojas y de radio que transmiten algunas ondas infrarrojas y de radio en longitudes de onda más largas. Por ejemplo, la ventana de radio va desde aproximadamente un centímetro hasta aproximadamente once metros de longitud de onda.

Emisión

La emisión es lo opuesto a la absorción, es cuando un objeto emite radiación. Los objetos tienden a emitir cantidades y longitudes de onda de radiación dependiendo de sus curvas de emisión de " cuerpo negro ", por lo tanto, los objetos más calientes tienden a emitir más radiación, con longitudes de onda más cortas. Los objetos más fríos emiten menos radiación, con longitudes de onda más largas. Por ejemplo, el Sol tiene aproximadamente 6000  K (5730  °C ; 10  340 °F ), su radiación alcanza un máximo cerca de los 500 nm y es visible para el ojo humano. La Tierra tiene aproximadamente 290 K (17 °C; 62 °F), por lo que su radiación alcanza un máximo cerca de los 10 000 nm y es demasiado larga para ser visible para los humanos.

Debido a su temperatura, la atmósfera emite radiación infrarroja. Por ejemplo, en las noches despejadas la superficie terrestre se enfría más rápido que en las noches nubladas. Esto se debe a que las nubes (H2O ) son fuertes absorbentes y emisores de radiación infrarroja. Por eso también hace más frío por la noche en las zonas altas.

El efecto invernadero está directamente relacionado con este efecto de absorción y emisión. Algunos gases de la atmósfera absorben y emiten radiación infrarroja, pero no interactúan con la luz solar en el espectro visible. Ejemplos comunes de estos gases son el CO2 y el H2O .

Índice de refracción

Efecto distorsionador de la refracción atmosférica sobre la forma del sol en el horizonte

El índice de refracción del aire es cercano a 1, pero apenas mayor. Las variaciones sistemáticas del índice de refracción pueden provocar la desviación de los rayos de luz a lo largo de largas trayectorias ópticas. Un ejemplo es que, en determinadas circunstancias, los observadores a bordo de barcos pueden ver otros buques justo en el horizonte porque la luz se refracta en la misma dirección que la curvatura de la superficie de la Tierra.

El índice de refracción del aire depende de la temperatura, [51] lo que da lugar a efectos de refracción cuando el gradiente de temperatura es grande. Un ejemplo de tales efectos es el espejismo .

Circulación

Una vista idealizada de tres pares de grandes células circulantes.

La circulación atmosférica es el movimiento a gran escala del aire a través de la troposfera y el medio (con la circulación oceánica ) por el cual se distribuye el calor alrededor de la Tierra. La estructura a gran escala de la circulación atmosférica varía de un año a otro, pero la estructura básica permanece bastante constante porque está determinada por la velocidad de rotación de la Tierra y la diferencia de radiación solar entre el ecuador y los polos.

Evolución de la atmósfera terrestre

Atmósfera más antigua

La primera atmósfera, durante el eón Hádico de la Tierra Primitiva , consistía en gases en la nebulosa solar , principalmente hidrógeno , y probablemente hidruros simples como los que ahora se encuentran en los gigantes gaseosos ( Júpiter y Saturno ), en particular vapor de agua , metano y amoníaco . Durante esta era más temprana, la colisión que formó la Luna y numerosos impactos con grandes meteoritos calentaron la atmósfera, expulsando los gases más volátiles. La colisión con Tea , en particular, derritió y expulsó grandes porciones del manto y la corteza de la Tierra y desgasificó cantidades significativas de vapor que finalmente se enfrió y condensó para contribuir al agua del océano al final del Hádico. [52] : 10 

Segunda atmósfera

La creciente solidificación de la corteza terrestre al final del Hádico cerró la mayor parte de la transferencia de calor advectivo a la superficie, lo que provocó que la atmósfera se enfriara, lo que condensó la mayor parte del vapor de agua del aire y precipitó en un superocéano . Una mayor desgasificación del vulcanismo , complementada con gases introducidos por enormes asteroides durante el Bombardeo Pesado Tardío , creó la posterior atmósfera del Arcaico , que consistía principalmente en nitrógeno más dióxido de carbono , metano y gases inertes . [52] Una parte importante de las emisiones de dióxido de carbono se disolvieron en agua y reaccionaron con metales como el calcio y el magnesio durante la erosión de las rocas de la corteza para formar carbonatos que se depositaron como sedimentos . Se han encontrado sedimentos relacionados con el agua que datan de hace 3.800 millones de años. [53]

Hace unos 3.400 millones de años, el nitrógeno constituía el componente principal de la entonces estable "segunda atmósfera". La influencia de la evolución de la vida debe tenerse en cuenta bastante pronto en la historia de la atmósfera, porque los indicios de las primeras formas de vida aparecieron hace 3.500 millones de años. [54] Cómo la Tierra en esa época mantenía un clima lo suficientemente cálido para el agua líquida y la vida, si el Sol primitivo emitía un 30% menos de radiación solar que hoy, es un enigma conocido como la " paradoja del Sol joven débil ".

Sin embargo, el registro geológico muestra una superficie relativamente cálida durante todo el registro temprano de temperatura de la Tierra, con la excepción de una fase glacial fría hace unos 2.400 millones de años. A finales del Neoarcaico , comenzó a desarrollarse una atmósfera que contenía oxígeno, aparentemente debido a mil millones de años de fotosíntesis de cianobacterias (ver Gran Evento de Oxigenación ), que se han encontrado como fósiles de estromatolitos de hace 2.700 millones de años. La isotopía básica temprana del carbono ( proporciones de la relación isotópica ) sugiere firmemente condiciones similares a las actuales, y que las características fundamentales del ciclo del carbono se establecieron ya hace 4.000 millones de años.

Los sedimentos antiguos de Gabón, que datan de hace entre 2.150 y 2.080 millones de años, proporcionan un registro de la evolución dinámica de la oxigenación de la Tierra. Estas fluctuaciones en la oxigenación probablemente fueron impulsadas por la excursión isotópica del carbono de Lomagundi. [55]

Tercera atmósfera

Contenido de oxígeno en la atmósfera durante los últimos mil millones de años [56] [57]

La reorganización constante de los continentes por la tectónica de placas influye en la evolución a largo plazo de la atmósfera al transferir dióxido de carbono hacia y desde los grandes depósitos de carbonato continentales . El oxígeno libre no existía en la atmósfera hasta hace unos 2.400 millones de años durante el Gran Evento de Oxigenación y su aparición está indicada por el final de las formaciones de hierro bandeado (que señala el agotamiento de los sustratos que pueden reaccionar con el oxígeno para producir depósitos férricos ) durante el eón Proterozoico temprano .

Antes de este momento, cualquier oxígeno producido por la fotosíntesis de las cianobacterias sería fácilmente eliminado por la oxidación de sustancias reductoras en la superficie de la Tierra, en particular hierro ferroso , azufre y metano atmosférico . Las moléculas de oxígeno libre no comenzaron a acumularse en la atmósfera hasta que la tasa de producción de oxígeno comenzó a superar la disponibilidad de materiales reductores que eliminaban el oxígeno. Este punto significa un cambio de una atmósfera reductora a una atmósfera oxidante . El O 2 mostró variaciones importantes durante el Proterozoico, incluido un período de mil millones de años de euxinia , hasta alcanzar un estado estable de más del 15% al ​​final del Precámbrico . [58] El surgimiento de los fotoautótrofos eucariotas más robustos ( algas verdes y rojas ) inyectó más oxigenación al aire, especialmente después del final de la glaciación global criogénica , que fue seguida por un evento de radiación evolutiva durante el período Ediacárico conocido como la explosión de Avalon , donde proliferaron por primera vez formas de vida metazoarias complejas (incluidos los primeros cnidarios , placozoos y bilaterales ). El siguiente lapso de tiempo desde hace 539 millones de años hasta la actualidad es el eón Fanerozoico , durante el período más temprano del cual, el Cámbrico , la vida metazoaria de movimiento más activo comenzó a aparecer y a diversificarse rápidamente en otro evento de radiación llamado explosión cámbrica , cuyo metabolismo locomotor fue impulsado por el aumento del nivel de oxígeno.

La cantidad de oxígeno en la atmósfera ha fluctuado durante los últimos 600 millones de años, alcanzando un pico de alrededor del 30% hace unos 280 millones de años durante el período Carbonífero , significativamente más alto que el 21% actual. Dos procesos principales gobiernan los cambios en la atmósfera: la evolución de las plantas y su creciente papel en la fijación de carbono , y el consumo de oxígeno por parte de la fauna animal en rápida diversificación y también por parte de las plantas para la fotorrespiración y sus propias necesidades metabólicas durante la noche. La descomposición de la pirita y las erupciones volcánicas liberan azufre a la atmósfera, que reacciona y, por lo tanto, reduce el oxígeno en la atmósfera. Sin embargo, las erupciones volcánicas también liberan dióxido de carbono, que puede impulsar la fotosíntesis oxigénica de las plantas terrestres y acuáticas . La causa de la variación de la cantidad de oxígeno en la atmósfera no se entiende con precisión. Los períodos con más oxígeno en la atmósfera a menudo se asociaron con un desarrollo más rápido de los animales.

Contaminación del aire

La animación muestra la acumulación de CO2 troposférico en el hemisferio norte, con un máximo alrededor de mayo. El máximo en el ciclo de vegetación se produce a finales del verano. Después del pico de vegetación, se hace evidente la reducción del CO2 atmosférico debido a la fotosíntesis, en particular en los bosques boreales .

La contaminación del aire es la introducción de sustancias químicas , partículas o materiales biológicos en suspensión en el aire que causan daño o malestar a los organismos. [59] El crecimiento de la población , la industrialización y la motorización de las sociedades humanas han aumentado significativamente la cantidad de contaminantes transportados por el aire en la atmósfera de la Tierra, causando problemas notables como el smog , las lluvias ácidas y las enfermedades relacionadas con la contaminación . El agotamiento de la capa de ozono estratosférico , que protege la superficie de las radiaciones ultravioleta ionizantes dañinas , también es causado por la contaminación del aire, principalmente por clorofluorocarbonos y otras sustancias que agotan la capa de ozono.

Desde 1750, la actividad humana, especialmente después de la Revolución Industrial , ha aumentado las concentraciones de varios gases de efecto invernadero , los más importantes de los cuales son el dióxido de carbono, el metano y el óxido nitroso . Las emisiones de gases de efecto invernadero , junto con la deforestación y la destrucción de humedales a través de la tala y el desarrollo de la tierra , han causado un aumento observado en las temperaturas globales , con temperaturas superficiales promedio globales1,1 °C más altos en el decenio 2011-2020 que en 1850. [60] Ha suscitado preocupación por el cambio climático provocado por el hombre , que puede tener importantes impactos ambientales como el aumento del nivel del mar , la acidificación de los océanos , el retroceso de los glaciares (que amenaza la seguridad hídrica ), el aumento de los fenómenos meteorológicos extremos y los incendios forestales , el colapso ecológico y la muerte masiva de la vida silvestre .

Imágenes desde el espacio

El 19 de octubre de 2015, la NASA lanzó un sitio web que contiene imágenes diarias del lado de la Tierra completamente iluminado por el Sol en https://epic.gsfc.nasa.gov/. Las imágenes se toman del Observatorio Climático del Espacio Profundo (DSCOVR) y muestran la Tierra mientras gira durante un día. [61]

  • La atmósfera superior del lado nocturno de la Tierra aparece desde abajo como bandas de resplandor que iluminan la troposfera en naranja con siluetas de nubes y la estratosfera en blanco y azul. A continuación, la mesosfera (área rosa) se extiende hasta la línea naranja y ligeramente verde del resplandor atmosférico más bajo, a unos cien kilómetros en el borde del espacio y el borde inferior de la termosfera (invisible). A continuación, bandas verdes y rojas de auroras se extienden a lo largo de varios cientos de kilómetros.
    La atmósfera superior del lado nocturno de la Tierra aparece desde abajo como bandas de resplandor que iluminan la troposfera en naranja con siluetas de nubes y la estratosfera en blanco y azul. A continuación, la mesosfera (área rosa) se extiende hasta la línea naranja y ligeramente verde del resplandor atmosférico más bajo , a unos cien kilómetros en el borde del espacio y el borde inferior de la termosfera (invisible). Continuando con bandas verdes y rojas de auroras que se extienden por varios cientos de kilómetros.
  • Vista de la atmósfera terrestre desde el limbo. Los colores indican aproximadamente las capas de la atmósfera.
    Vista de la atmósfera terrestre desde el limbo. Los colores indican aproximadamente las capas de la atmósfera.
  • Esta imagen muestra la Luna en el centro, con el borde de la Tierra cerca de la parte inferior en transición hacia la troposfera de color naranja. La troposfera termina abruptamente en la tropopausa, que aparece en la imagen como el límite nítido entre la atmósfera de color naranja y azul. Las nubes noctilucentes de color azul plateado se extienden muy por encima de la troposfera de la Tierra.
    Esta imagen muestra la Luna en el centro, con el borde de la Tierra cerca de la parte inferior en transición hacia la troposfera de color naranja. La troposfera termina abruptamente en la tropopausa, que aparece en la imagen como el límite nítido entre la atmósfera de color naranja y azul. Las nubes noctilucentes de color azul plateado se extienden muy por encima de la troposfera de la Tierra.
  • La atmósfera de la Tierra iluminada por el Sol en un eclipse observado desde el espacio profundo a bordo del Apolo 12 en 1969
    La atmósfera de la Tierra iluminada por el Sol en un eclipse observado desde el espacio profundo a bordo del Apolo 12 en 1969

Véase también

Referencias

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Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la atmósfera de la Tierra .
Wikiquote tiene citas relacionadas con Aire .
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  • Mapa global interactivo de las condiciones actuales de la atmósfera y la superficie del océano.
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