Una atmósfera (del griego antiguo ἀτμός ( atmós ) 'vapor' y σφαῖρα ( sphaîra ) 'esfera') [1] es una capa de gases que envuelve un objeto astronómico , mantenida en su lugar por la gravedad del objeto. Un planeta retiene una atmósfera cuando la gravedad es grande y la temperatura de la atmósfera es baja. Una atmósfera estelar es la región exterior de una estrella, que incluye las capas por encima de la fotosfera opaca ; las estrellas de baja temperatura pueden tener atmósferas externas que contienen moléculas compuestas .
La atmósfera de la Tierra está compuesta de nitrógeno (78%), oxígeno (21%), argón (0,9%), dióxido de carbono (0,04%) y gases traza. [2] La mayoría de los organismos utilizan oxígeno para la respiración ; los rayos y las bacterias realizan la fijación de nitrógeno que produce amoníaco que se utiliza para fabricar nucleótidos y aminoácidos ; las plantas , las algas y las cianobacterias utilizan dióxido de carbono para la fotosíntesis . La composición en capas de la atmósfera minimiza los efectos nocivos de la luz solar , la radiación ultravioleta , el viento solar y los rayos cósmicos y, por lo tanto, protege a los organismos del daño genético. La composición actual de la atmósfera de la Tierra es el producto de miles de millones de años de modificación bioquímica de la paleoatmósfera por parte de los organismos vivos. [3]
Las atmósferas son nubes de gas ligadas a un foco astronómico de masa suficientemente dominante y que lo envuelven , aumentando su masa, posiblemente escapando de él o colapsando en él. Debido a esto último, tales núcleos planetarios pueden desarrollarse a partir de nubes moleculares interestelares o discos protoplanetarios en objetos astronómicos rocosos con atmósferas de espesor variable, gigantes gaseosos o fusores .
La composición y el espesor están determinados originalmente por la química y la temperatura de la nebulosa estelar, pero también pueden ser el resultado de procesos dentro del cuerpo astronómico que desgasifican una atmósfera diferente.
Las atmósferas de los planetas Venus y Marte están compuestas principalmente de dióxido de carbono y nitrógeno , argón y oxígeno . [4]
La composición de la atmósfera terrestre está determinada por los subproductos de la vida que sustenta. El aire seco (mezcla de gases) de la atmósfera terrestre contiene 78,08% de nitrógeno, 20,95% de oxígeno, 0,93% de argón, 0,04% de dióxido de carbono y trazas de hidrógeno, helio y otros gases "nobles" (en volumen), pero generalmente también está presente una cantidad variable de vapor de agua, en promedio alrededor del 1% a nivel del mar. [5]
Las bajas temperaturas y la mayor gravedad de los planetas gigantes del Sistema Solar ( Júpiter , Saturno , Urano y Neptuno ) les permiten retener con mayor facilidad gases con masas moleculares bajas . Estos planetas tienen atmósferas de hidrógeno y helio, con trazas de compuestos más complejos.
Dos satélites de los planetas exteriores poseen atmósferas significativas. Titán , una luna de Saturno, y Tritón , una luna de Neptuno, tienen atmósferas principalmente de nitrógeno . [6] [7] Cuando está en la parte de su órbita más cercana al Sol, Plutón tiene una atmósfera de nitrógeno y metano similar a la de Tritón, pero estos gases están congelados cuando está más lejos del Sol.
Otros cuerpos del Sistema Solar tienen atmósferas extremadamente delgadas que no están en equilibrio. Entre ellos se encuentran la Luna ( gas de sodio ), Mercurio (gas de sodio), Europa (oxígeno), Ío ( azufre ) y Encélado ( vapor de agua ).
El primer exoplaneta cuya composición atmosférica se ha determinado es HD 209458b , un gigante gaseoso con una órbita cercana a una estrella en la constelación de Pegaso . Su atmósfera se calienta a temperaturas superiores a los 1.000 K y se escapa constantemente al espacio. Se han detectado hidrógeno, oxígeno, carbono y azufre en la atmósfera inflada del planeta. [8]
La atmósfera de la Tierra está compuesta de capas con diferentes propiedades, como composición gaseosa específica, temperatura y presión.
La troposfera es la capa más baja de la atmósfera. Se extiende desde la superficie planetaria hasta el fondo de la estratosfera . La troposfera contiene entre el 75 y el 80 % de la masa de la atmósfera [9] y es la capa atmosférica en la que se produce el clima; la altura de la troposfera varía entre 17 km en el ecuador y 7,0 km en los polos.
La estratosfera se extiende desde la parte superior de la troposfera hasta la parte inferior de la mesosfera , y contiene la capa de ozono , a una altitud de entre 15 km y 35 km. Es la capa atmosférica que absorbe la mayor parte de la radiación ultravioleta que la Tierra recibe del Sol.
La mesosfera se extiende desde 50 km hasta 85 km y es la capa en la que se incineran la mayoría de los meteoritos antes de llegar a la superficie.
La termosfera se extiende desde una altitud de 85 km hasta la base de la exosfera a 690 km y contiene la ionosfera , donde la radiación solar ioniza la atmósfera. La densidad de la ionosfera es mayor a corta distancia de la superficie planetaria durante el día y disminuye a medida que la ionosfera se eleva durante la noche, lo que permite que una mayor variedad de frecuencias de radio viajen distancias mayores.
La exosfera comienza a 690 a 1.000 km de la superficie y se extiende hasta aproximadamente 10.000 km, donde interactúa con la magnetosfera de la Tierra.
La presión atmosférica es la fuerza (por unidad de área) perpendicular a una unidad de área de la superficie planetaria, determinada por el peso de la columna vertical de gases atmosféricos. En dicho modelo atmosférico, la presión atmosférica , el peso de la masa del gas, disminuye a gran altitud debido a la disminución de la masa del gas por encima del punto de medición barométrica . Las unidades de presión del aire se basan en la atmósfera estándar (atm), que es 101.325 Pa (equivalente a 760 Torr o 14,696 psi ). La altura a la que la presión atmosférica disminuye por un factor de e (un número irracional igual a 2,71828) se llama altura de escala ( H ). Para una atmósfera de temperatura uniforme, la altura de escala es proporcional a la temperatura atmosférica y es inversamente proporcional al producto de la masa molecular media del aire seco y la aceleración local de la gravedad en el punto de medición barométrica.
La gravedad superficial difiere significativamente entre los planetas. Por ejemplo, la gran fuerza gravitatoria del planeta gigante Júpiter retiene gases ligeros como el hidrógeno y el helio que escapan de los objetos con menor gravedad. En segundo lugar, la distancia al Sol determina la energía disponible para calentar el gas atmosférico hasta el punto en que una fracción del movimiento térmico de sus moléculas exceda la velocidad de escape del planeta , lo que permite que estas escapen de la atracción gravitatoria de un planeta. Así, los distantes y fríos Titán , Tritón y Plutón pueden retener sus atmósferas a pesar de sus gravedades relativamente bajas.
Dado que un conjunto de moléculas de gas puede moverse a una amplia gama de velocidades, siempre habrá algunas lo suficientemente rápidas como para producir una fuga lenta de gas al espacio. Las moléculas más ligeras se mueven más rápido que las más pesadas con la misma energía cinética térmica , por lo que los gases de bajo peso molecular se pierden más rápidamente que los de alto peso molecular. Se cree que Venus y Marte pueden haber perdido gran parte de su agua cuando, después de ser fotodisociados en hidrógeno y oxígeno por la radiación ultravioleta solar, el hidrógeno escapó. El campo magnético de la Tierra ayuda a evitar esto, ya que, normalmente, el viento solar aumentaría en gran medida el escape de hidrógeno. Sin embargo, durante los últimos 3 mil millones de años, la Tierra puede haber perdido gases a través de las regiones polares magnéticas debido a la actividad auroral, incluido un 2% neto de su oxígeno atmosférico. [10] El efecto neto, teniendo en cuenta los procesos de escape más importantes, es que un campo magnético intrínseco no protege a un planeta del escape atmosférico y que para algunas magnetizaciones la presencia de un campo magnético funciona para aumentar la tasa de escape. [11]
Otros mecanismos que pueden causar el agotamiento de la atmósfera son la pulverización inducida por el viento solar , la erosión por impacto , la meteorización y el secuestro (a veces denominado "congelación") en el regolito y los casquetes polares .
Las atmósferas tienen efectos dramáticos en las superficies de los cuerpos rocosos. Los objetos que no tienen atmósfera, o que solo tienen una exosfera, tienen un terreno cubierto de cráteres . Sin una atmósfera, el planeta no tiene protección contra los meteoroides , y todos ellos chocan con la superficie como meteoritos y crean cráteres.
En los planetas con una atmósfera importante, la mayoría de los meteoritos se queman antes de impactar la superficie del planeta. Cuando los meteoritos impactan, los efectos suelen ser borrados por la acción del viento. [12]
La erosión eólica es un factor importante en la conformación del terreno de los planetas rocosos con atmósferas y, con el tiempo, puede borrar los efectos tanto de los cráteres como de los volcanes . Además, dado que los líquidos no pueden existir sin presión, una atmósfera permite que haya líquido en la superficie, lo que da lugar a lagos , ríos y océanos . Se sabe que la Tierra y Titán tienen líquidos en su superficie y el terreno del planeta sugiere que Marte tuvo líquido en su superficie en el pasado.
La circulación de la atmósfera se produce debido a las diferencias térmicas cuando la convección se convierte en un transportador de calor más eficiente que la radiación térmica . En los planetas donde la fuente principal de calor es la radiación solar, el exceso de calor en los trópicos se transporta a latitudes más altas. Cuando un planeta genera una cantidad significativa de calor internamente, como es el caso de Júpiter , la convección en la atmósfera puede transportar energía térmica desde el interior, donde la temperatura es más alta, hasta la superficie.
Desde la perspectiva de un geólogo planetario , la atmósfera actúa para dar forma a la superficie planetaria. El viento levanta polvo y otras partículas que, al chocar con el terreno, erosionan el relieve y dejan depósitos ( procesos eólicos ). Las heladas y las precipitaciones , que dependen de la composición atmosférica, también influyen en el relieve. Los cambios climáticos pueden influir en la historia geológica de un planeta. Por el contrario, el estudio de la superficie de la Tierra conduce a una comprensión de la atmósfera y el clima de otros planetas.
Para un meteorólogo , la composición de la atmósfera de la Tierra es un factor que afecta al clima y sus variaciones.
Para un biólogo o paleontólogo , la composición atmosférica de la Tierra depende estrechamente de la aparición de la vida y su evolución .
