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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 millas). ) (la Luna es visible en forma de media luna al fondo). [1]

La atmósfera de la Tierra es la capa de gases , conocidos colectivamente como aire , retenidos por la gravedad terrestre que rodea el planeta y forma su atmósfera planetaria . La atmósfera de la Tierra crea presión , absorbe la mayoría de los meteoroides y la radiación solar ultravioleta , calienta la superficie mediante la retención de calor ( efecto invernadero ) y reduce las temperaturas extremas entre el día y la noche (la variación diurna de temperatura ), manteniendo las condiciones que permiten que exista vida y agua líquida. en la superficie de la Tierra .

A partir de 2023, por fracción molar (es decir, por número 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. [8] El aire también contiene una cantidad variable de vapor de agua , en promedio alrededor del 1% al nivel del mar y el 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 apto para ser utilizado en la fotosíntesis de las plantas terrestres y en la respiración de los animales terrestres se encuentra sólo en la troposfera de la Tierra . [ cita necesaria ]

La atmósfera primitiva de la Tierra estaba formada por gases de la nebulosa solar , principalmente hidrógeno. La atmósfera cambió significativamente con el tiempo, afectada por muchos factores como el vulcanismo , la vida y la meteorización . Recientemente, la actividad humana también ha contribuido a los cambios atmosféricos , como el calentamiento global , el agotamiento de la capa de ozono y la deposición ácida .

La atmósfera tiene una masa de aproximadamente 5,15 × 1018  kg, [9] tres cuartas partes de los cuales se encuentran a unos 11 km (6,8 millas; 36.000 pies) 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 millas) o el 1,57% del radio de la Tierra, se utiliza a menudo como frontera entre la atmósfera y el espacio exterior. Los efectos atmosféricos se vuelven notables durante el reingreso atmosférico de naves espaciales a una altitud de alrededor de 120 km (75 millas). Se pueden distinguir varias capas en la atmósfera, según características como la temperatura y la composición.

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 primeros pioneros en este campo se encuentran Léon Teisserenc de Bort y Richard Assmann . [10] El estudio de la atmósfera histórica se llama paleoclimatología .

Composición

Composición de la atmósfera terrestre por recuento molecular, excluido el vapor de agua. El pastel inferior representa gases traza que en conjunto componen aproximadamente el 0,0434 % de la atmósfera (0,0442 % en concentraciones de agosto de 2021 [4] [5] ). Las cifras son principalmente del año 2000, con CO 2 y metano de 2019, y no representan una sola fuente. [3]

Los tres componentes principales de la atmósfera terrestre 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 hasta un 5% por fracción molar en masas de aire caliente y húmedo, y las concentraciones de otros gases atmosféricos suelen ser más bajas. cotizado en términos de aire seco (sin vapor de agua). [11] : 8  Los gases restantes a menudo se denominan gases traza, [12] entre los que se encuentran otros gases de efecto invernadero , principalmente dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y ozono. Además del argón, ya mencionado, también están presentes otros gases nobles , como el neón, el helio, el criptón y el xenón. El aire filtrado incluye trazas de muchos otros compuestos químicos . Muchas sustancias de origen natural pueden estar presentes en pequeñas cantidades variables local y estacionalmente como aerosoles en una muestra de aire sin filtrar, incluido el polvo de composición mineral y orgánica, el polen y las esporas , la espuma marina y las cenizas volcánicas . También pueden estar presentes varios contaminantes industriales 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 (SO 2 ) pueden derivarse de fuentes naturales o de la contaminación atmosférica industrial.

El peso molecular promedio del aire seco, que puede usarse para calcular densidades o para convertir entre fracción molar y fracción másica, es de aproximadamente 28,946 [15] o 28,96 [16] [17]  g/mol. Esto disminuye cuando el aire está húmedo.

La concentración relativa de gases permanece constante hasta unos 10.000 m (33.000 pies). [18]

Estratificación

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

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 (consulte la sección de temperatura a continuación). Debido a que el patrón general del perfil de temperatura/altitud, o tasa de caída , es constante y mensurable mediante sondeos instrumentados con globos , el comportamiento de la temperatura proporciona una métrica útil para distinguir las capas atmosféricas. De esta forma, la atmósfera terrestre se puede dividir (lo que se denomina estratificación atmosférica) en cinco capas principales: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera y exosfera. [19] Las altitudes de las cinco capas son las siguientes:

Exosfera

La exosfera es la capa más externa de la atmósfera de la Tierra (aunque es tan tenue que algunos científicos la consideran parte del espacio interplanetario en lugar de la atmósfera). Se extiende desde la termopausa (también conocida como "exobase") en la parte superior de la termosfera hasta un límite mal definido con el viento solar y el medio interplanetario . La altitud de la exobase varía desde unos 500 kilómetros (310 millas; 1.600.000 pies) hasta unos 1.000 kilómetros (620 millas) en épocas de mayor radiación solar entrante. [23]

El límite superior varía según la definición. Varias autoridades consideran que termina a unos 10.000 kilómetros (6.200 millas) [24] o unos 190.000 kilómetros (120.000 millas), aproximadamente a 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. [23] La geocorona visible en el ultravioleta lejano (causada por el hidrógeno neutro) se extiende al menos a 100.000 kilómetros (62.000 millas). [23]

Esta capa está compuesta principalmente por densidades extremadamente bajas de hidrógeno, helio y varias moléculas más pesadas, incluidas nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono, más cercanas a la exobase. Los átomos y las moléculas están tan separados que pueden viajar cientos de kilómetros sin chocar entre sí. Así, 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 del viento solar. Cada segundo, la Tierra pierde unos 3 kg de hidrógeno, 50 g de helio y cantidades mucho menores de otros constituyentes. [25]

La exosfera está demasiado por encima de la Tierra para que sean posibles los fenómenos meteorológicos . Sin embargo, las auroras de la Tierra , la aurora boreal (luces del norte) y la aurora australis (luces del sur), a veces ocurren en la parte inferior de la exosfera, donde se superponen con la termosfera. La exosfera contiene muchos de los satélites artificiales que orbitan la Tierra.

termosfera

La termosfera es la segunda capa más alta de la atmósfera terrestre. Se extiende desde la mesopausa (que la separa de la mesosfera) a una altitud de aproximadamente 80 km (50 millas; 260.000 pies) hasta la termopausa en un rango de altitud de 500 a 1000 km (310 a 620 millas; 1.600.000 a 3.300.000 pies). ). La altura de la termopausa varía considerablemente debido a los cambios en la actividad solar. [21] 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 millas) sobre la superficie de la Tierra, contiene la ionosfera .

La temperatura de la termosfera aumenta gradualmente con la altura y puede alcanzar hasta 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) recorre una media de 1 kilómetro (0,62 mi; 3300 pies) entre colisiones con otras moléculas. [26] Aunque la termosfera tiene una alta proporción de moléculas con alta energía, un ser humano no la sentiría caliente 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 y libre de vapor de agua. Sin embargo, ocasionalmente se observan en la termosfera fenómenos no hidrometeorológicos como la aurora boreal y la aurora australis . La Estación Espacial Internacional orbita en esta capa, entre 350 y 420 km (220 y 260 millas). Es en esta capa donde están presentes muchos de los satélites que orbitan la Tierra.

mesosfera

Resplandor de la troposfera (naranja), la estratosfera (azul) y la mesosfera (oscuro) en el que comienza la entrada atmosférica , dejando estelas 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 por encima de la estratosfera y por debajo de la termosfera. Se extiende desde la estratopausa a una altitud de aproximadamente 50 km (31 millas; 160 000 pies) hasta la mesopausa a 80 a 85 km (50 a 53 millas; 260 000 a 280 000 pies) sobre el nivel del mar.

Las temperaturas descienden a medida que aumenta la altitud hasta la mesopausa que marca la parte superior de esta capa media de la atmósfera. Es el lugar más frío de la Tierra y tiene una temperatura promedio de alrededor de -85  °C (-120  °F ; 190  K ). [27] [28]

Justo debajo de la mesopausa, el aire es tan frío que incluso el muy escaso vapor de agua a esta altitud puede condensarse en nubes noctilucentes de partículas de hielo de la mesosfera polar . 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 entre 4 y 16 grados por debajo del horizonte. Las descargas inducidas por rayos conocidas como eventos luminosos transitorios (TLE) ocasionalmente se forman en la mesosfera por encima de 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 alto sobre la Tierra para que sea accesible a aviones y globos propulsados ​​por reactores, y demasiado bajo para permitir naves espaciales orbitales. A la mesosfera se accede principalmente mediante cohetes sonda y aviones propulsados ​​por cohetes .

Estratosfera

La estratosfera es la segunda capa más baja de la atmósfera de la Tierra. 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 aproximadamente 12 km (7,5 millas; 39.000 pies) sobre la superficie de la Tierra hasta la estratopausa a una altitud de aproximadamente 50 a 55 km (31 a 34 millas; 164.000 a 180.000 pies).

La presión atmosférica en la cima de la estratosfera es aproximadamente 1/1000 de la presión al nivel del mar . Contiene la capa de ozono , que es la parte de la atmósfera terrestre que contiene concentraciones relativamente altas de ese gas. La estratosfera define una capa en la que las temperaturas aumentan al aumentar la altitud. Este aumento de temperatura es causado por la absorción de la radiación ultravioleta (UV) del Sol por la capa de ozono, lo 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 los 0 °C. [29]

El perfil de temperatura estratosférica crea condiciones atmosféricas muy estables, por lo que la estratosfera carece de la turbulencia del aire que produce el clima y que es 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 polares estratosféricas 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 mediante aviones a reacción .

Troposfera

Una imagen de la troposfera de la Tierra con sus diferentes tipos de nubes de altitudes bajas y altas que proyectan sombras. La luz del sol se refleja en el océano, después de que se filtrara en una luz rojiza al pasar por gran parte de la troposfera al atardecer. La estratosfera que se encuentra arriba se puede ver en el horizonte como una banda de su característico brillo de luz solar azul dispersa .

La troposfera es la capa más baja de la atmósfera terrestre. Se extiende desde la superficie de la Tierra hasta una altura promedio de aproximadamente 12 km (7,5 millas; 39.000 pies), aunque esta altitud varía desde aproximadamente 9 km (5,6 millas; 30.000 pies) en los polos geográficos hasta 17 km (11 millas; 56.000 pies). en el Ecuador , [22] con alguna variación debido al clima. La troposfera está limitada arriba 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 otra más fría), y en otros por una zona que es isotérmica con la altura. [30] [31]

Aunque se producen variaciones, la temperatura suele disminuir al aumentar la altitud en la troposfera porque la troposfera se calienta principalmente mediante la transferencia de energía desde la superficie. Por tanto, la parte más baja de la troposfera (es decir, la superficie de la Tierra) suele ser 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 terrestre. [32] La troposfera es más densa que todas las capas superpuestas porque un peso atmosférico mayor se asienta encima de 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 inferiores (3,5 millas; 18.000 pies) 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 tiene lugar la mayor parte del clima de la Tierra. Tiene básicamente todos los tipos de nubes asociadas con el clima generadas por la circulación activa del viento, aunque los cumulonimbos muy altos pueden penetrar la tropopausa desde abajo y elevarse hasta 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 aviones propulsados ​​por hélice .

Otras capas

La fracción en volumen de los principales gases de la atmósfera terrestre según la altura. El límite entre la homosfera (izquierda) y la heterosfera (derecha) está a unos 100 km. La capa más externa de la exosfera (fuera del gráfico) está dominada por hidrógeno. [33]

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:

Por encima de esta altitud se encuentra la heterosfera, que incluye la exosfera y la mayor parte de la termosfera. Aquí, la composición química varía con la altitud. Esto se debe a que la distancia que las partículas pueden recorrer 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, estando los más pesados, como el oxígeno y el nitrógeno, presentes sólo cerca del fondo de la heterosfera. La parte superior de la heterosfera está compuesta casi en su totalidad por hidrógeno, el elemento más ligero. [33]

La temperatura promedio de la atmósfera en la superficie de la Tierra es de 14 °C (57 °F; 287 K) [35] o 15 °C (59 °F; 288 K), [36] según la referencia. [37] [38] [39]

Propiedades físicas

Comparación del gráfico de atmósfera estándar de EE. UU. de 1962 de altitud geométrica con la densidad del aire , la presión , la velocidad del sonido y la temperatura con altitudes aproximadas de varios objetos. [40]

Presión y espesor

La presión atmosférica promedio al 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 hace referencia a esto como unidad de atmósferas estándar (atm) . La masa atmosférica total es 5,1480×10 18 kg (1,135×10 19 lb), [41] aproximadamente un 2,5% menos de lo que se inferiría de la presión promedio al nivel del mar y el área de la Tierra de 51007,2 megahectáreas, siendo esta porción desplazada por el terreno montañoso de la Tierra. La presión atmosférica es el peso total del aire por encima de la unidad de área en el punto donde se mide la presión. Por tanto, la presión del aire varía según 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 m 3 ) desde el nivel del mar hacia arriba, terminaría abruptamente a una altitud de 8,50 km (27.900 pies).

En realidad, la presión del aire disminuye exponencialmente con la altitud, cayendo a la mitad cada 5,6 km (18 000 pies) o en un factor de 1/ e (0,368) cada 7,64 km (25 100 pies), (esto se llama altura de escala ), para altitudes superiores. a unos 70 km (43 millas; 230.000 pies). Sin embargo, la atmósfera se modela con mayor precisión con una ecuación personalizada para cada capa que tiene en cuenta gradientes de temperatura, composición molecular, radiación solar y gravedad. A alturas superiores a los 100 km, es posible que la atmósfera ya no esté bien mezclada. Entonces cada especie química tiene su propia altura de escala.

En resumen, la masa de la atmósfera terrestre se distribuye aproximadamente de la siguiente manera: [42]

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

Incluso por encima de la línea de Kármán se siguen produciendo importantes efectos atmosféricos, como las auroras . Los meteoros comienzan a brillar en esta región, aunque es posible que los más grandes no se quemen hasta que penetren 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 normalmente orbitan entre 350 y 400 km, dentro de la capa F de la ionosfera, donde encuentran suficiente resistencia atmosférica como para requerir reinicios cada pocos meses; de lo contrario, se producirá una desintegración orbital que resultará en un retorno a Tierra. Dependiendo de la actividad solar, los satélites pueden experimentar una notable resistencia atmosférica a altitudes de hasta 700 a 800 km.

Temperatura

Tendencias de temperatura en dos capas gruesas de la atmósfera medidas entre enero de 1979 y diciembre de 2005 mediante unidades de sondeo por microondas y unidades avanzadas de sondeo por microondas en los satélites meteorológicos de la NOAA . Los instrumentos registran las microondas emitidas por las moléculas de oxígeno en la atmósfera. Fuente: [43]

La división de la atmósfera en capas principalmente en función de la temperatura se analiza 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 en 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 importante radiación ultravioleta del Sol por el dioxígeno y el gas ozono en esta región. Otra región más en la que la temperatura aumenta con la altitud se produce a altitudes muy elevadas, en la termosfera, acertadamente llamada, por encima de los 90 km.

Velocidad del sonido

Debido a que en un gas ideal de composición constante la velocidad del sonido depende sólo de la temperatura y no de la presión o la densidad, la velocidad del sonido en la atmósfera con la altitud toma la forma de un complicado perfil de temperatura (ver ilustración a la derecha), y no refleja cambios altitudinales en densidad o presión.

Densidad y masa

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

La densidad del aire al 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 aproximadamente utilizando la fórmula barométrica . Se utilizan modelos más sofisticados para predecir la desintegración 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 Estadounidense de Investigación Atmosférica , "La masa media total de la atmósfera es 5,1480 × 1018  kg con un rango anual debido al vapor de agua de 1,2 o 1,5 × 1015  kg, según se utilicen 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 es 5,1352 ±0,0003 × 1018  kilos."

Propiedades tabuladas

Tabla de propiedades físicas y térmicas del aire a presión atmosférica: [44] [45]

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. [46] [47] 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, reflejaban la luz de los cristales de hielo en la atmósfera. [48] ​​[49]

Dispersión

Cuando la luz atraviesa la atmósfera terrestre, los fotones interactúan con ella mediante dispersión . Si la luz no interactúa con la atmósfera, se llama radiación directa y es lo que se ve si miras directamente al Sol. La radiación indirecta es luz que se ha dispersado en la atmósfera. Por ejemplo, en un día nublado en el que no puedes ver tu sombra, no te llega radiación directa, 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). Por eso el cielo se ve azul; estás viendo una luz azul dispersa. Por eso también los atardeceres son rojos. Debido a que el Sol está cerca del horizonte, los rayos del Sol atraviesan más atmósfera de lo normal antes de llegar al 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 a varias longitudes de onda de radiación electromagnética, incluida la luz visible .

Diferentes moléculas absorben diferentes longitudes de onda de radiación. Por ejemplo, el O 2 y el O 3 absorben casi toda la radiación con longitudes de onda inferiores a 300 nanómetros . El agua (H 2 O) se absorbe en muchas longitudes de onda por encima de 700 nm. Cuando una molécula absorbe un fotón, aumenta la energía de la molécula. Esto calienta la atmósfera, pero la atmósfera también se enfría mediante la emisión de radiación, como se analiza a continuación.

Los espectros de absorción combinados de los gases de la atmósfera dejan "ventanas" de baja opacidad , que permiten la transmisión sólo de determinadas bandas de luz. La ventana óptica va desde aproximadamente 300 nm ( ultravioleta -C) hasta el rango que los humanos pueden ver, el espectro visible (comúnmente llamado luz), aproximadamente entre 400 y 700 nm y continúa hasta el infrarrojo hasta aproximadamente 1100 nm. También hay ventanas de radio y de infrarrojos que transmiten algunas ondas de radio y de infrarrojos en longitudes de onda más largas. Por ejemplo, la ventana de radio abarca desde aproximadamente un centímetro hasta aproximadamente once metros 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 y tienen longitudes de onda más largas. Por ejemplo, el Sol está aproximadamente a 6.000  K (5.730  °C ; 10.340  °F ), su radiación alcanza un máximo cerca de 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 de la Tierra se enfría más rápido que en las noches nubladas. Esto se debe a que las nubes (H 2 O) son fuertes absorbentes y emisoras de radiación infrarroja. Esta es también la razón por la que hace más frío por la noche en las zonas más 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 son CO 2 y H 2 O.

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 ligeramente superior. Las variaciones sistemáticas en el índice de refracción pueden provocar que los rayos de luz se desvíen a lo largo de trayectorias ópticas largas. Un ejemplo es que, en algunas circunstancias, los observadores a bordo de barcos pueden ver otros barcos justo sobre 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, [50] dando 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 células circulatorias grandes.

La circulación atmosférica es el movimiento a gran escala del aire a través de la troposfera y el medio (junto 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 temprana

La primera atmósfera estaba formada por gases de la nebulosa solar , principalmente hidrógeno . Probablemente existieron hidruros simples como los que ahora se encuentran en los gigantes gaseosos ( Júpiter y Saturno ), en particular vapor de agua, metano y amoníaco . [51]

Segunda atmósfera

La desgasificación del vulcanismo , complementada con los gases producidos durante el último intenso bombardeo de la Tierra por enormes asteroides , produjo la siguiente atmósfera, compuesta principalmente de nitrógeno más dióxido de carbono y gases inertes. [51] 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 terrestre 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. [52]

Hace unos 3.400 millones de años, el nitrógeno formaba la mayor parte de la entonces estable "segunda atmósfera". La influencia de la vida debe tenerse en cuenta bastante pronto en la historia de la atmósfera, porque los indicios de formas de vida tempranas aparecieron hace 3.500 millones de años. [53] Cómo la Tierra en ese momento mantuvo un clima lo suficientemente cálido para agua líquida y vida, si el Sol primitivo emitía un 30% menos de radiación solar que hoy, es un enigma conocido como la " paradoja del Sol joven y débil ".

Sin embargo, el registro geológico muestra una superficie continua 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 Eón Arcaico comenzó a desarrollarse una atmósfera que contenía oxígeno, aparentemente producida por cianobacterias fotosintetizadoras (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 proporción de isótopos ) sugiere fuertemente condiciones similares a las actuales, y que las características fundamentales del ciclo del carbono se establecieron ya hace 4 mil millones de años.

Los sedimentos antiguos en Gabón que datan de hace entre 2,15 y 2,08 mil 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 del isótopo de carbono de Lomagundi. [54]

Tercera atmósfera

Contenido de oxígeno de la atmósfera durante los últimos mil millones de años [55] [56]

La constante reorganización 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 continentales de carbonato. El oxígeno libre no existió 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 bandas de hierro .

Antes de este tiempo, el oxígeno producido por la fotosíntesis se consumía mediante la oxidación de materiales reducidos, en particular el hierro. Las moléculas de oxígeno libres no comenzaron a acumularse en la atmósfera hasta que la tasa de producción de oxígeno comenzó a exceder 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 grandes variaciones hasta alcanzar un estado estacionario superior al 15% a finales del Precámbrico. [57] El siguiente lapso de tiempo desde hace 539 millones de años hasta el día de hoy es el Eón Fanerozoico , durante el período más temprano del cual, el Cámbrico , formas de vida metazoarias que requieren oxígeno comenzaron a aparecer.

La cantidad de oxígeno en la atmósfera ha fluctuado durante los últimos 600 millones de años, alcanzando un máximo de alrededor del 30% hace unos 280 millones de años, significativamente más alto que el 21% actual. Dos procesos principales gobiernan los cambios en la atmósfera: las plantas usan dióxido de carbono de la atmósfera y liberan oxígeno, y luego las plantas usan algo de oxígeno por la noche mediante el proceso de fotorrespiración , mientras que el oxígeno restante se usa para descomponer el material orgánico. La descomposición de la pirita y las erupciones volcánicas liberan azufre a la atmósfera, que reacciona con el oxígeno y, por tanto, reduce su cantidad en la atmósfera. Sin embargo, las erupciones volcánicas también liberan dióxido de carbono, que las plantas pueden convertir en oxígeno. Se desconoce la causa de la variación de la cantidad de oxígeno en la atmósfera. Los períodos con mucho oxígeno en la atmósfera están asociados con el rápido desarrollo de los animales.

La contaminación del aire

La contaminación del aire es la introducción a la atmósfera de sustancias químicas , partículas o materiales biológicos que causan daño o malestar a los organismos. [58] El agotamiento del ozono estratosférico es causado por la contaminación del aire, principalmente por clorofluorocarbonos y otras sustancias que agotan la capa de ozono.

Desde 1750, la actividad humana ha aumentado las concentraciones de diversos gases de efecto invernadero, sobre todo dióxido de carbono, metano y óxido nitroso. Este aumento ha provocado un aumento observado en las temperaturas globales . Las temperaturas superficiales promedio globales fueron1,1 °C más en la década 2011-2020 que en 1850. [59]

La animación muestra la acumulación de CO 2 troposférico en el hemisferio norte con un máximo alrededor de mayo. El máximo en el ciclo de vegetación se produce a finales del verano. Tras el pico de vegetación, la reducción del CO 2 atmosférico debido a la fotosíntesis es evidente, particularmente en los bosques boreales .

Imágenes desde el espacio

El 19 de octubre de 2015, la NASA inició un sitio web que contiene imágenes diarias del lado completamente iluminado por el sol de la Tierra en https://epic.gsfc.nasa.gov/. Las imágenes fueron tomadas desde el Observatorio Climático del Espacio Profundo (DSCOVR) y muestran la Tierra mientras gira durante un día. [60]

  • La atmósfera terrestre vista desde el espacio. Desde abajo, el resplandor ilumina la troposfera en naranja con siluetas de nubes, y la estratosfera en blanco y azul. A continuación, la mesosfera (rosa) y la línea rosada de brillo del aire de la termosfera inferior (oscura), que alberga auroras verdes y rojas a lo largo de varios cientos de kilómetros.
    La atmósfera terrestre vista desde el espacio. Desde abajo, el resplandor ilumina la troposfera en naranja con siluetas de nubes, y la estratosfera en blanco y azul. A continuación, la mesosfera (rosa) y la línea rosada de brillo del aire de la termosfera inferior (oscura), que alberga auroras verdes y rojas a lo largo de varios cientos de kilómetros.
  • Vista lateral de la atmósfera terrestre. Los colores indican aproximadamente las capas de la atmósfera.
    Vista lateral de la atmósfera terrestre. Los colores indican aproximadamente las capas de la atmósfera.
  • Esta imagen muestra la Luna en el centro, con el limbo de la Tierra cerca del fondo en transición hacia la troposfera de color naranja. La troposfera termina abruptamente en la tropopausa, que aparece en la imagen como el límite definido 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 limbo de la Tierra cerca del fondo en transición hacia la troposfera de color naranja. La troposfera termina abruptamente en la tropopausa, que aparece en la imagen como el límite definido 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.

Ver también

Referencias

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enlaces externos

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