La estratosfera ( / ˈs t r æ t əˌ s fɪər , -t oʊ -/ ) es la segunda capa de la atmósfera de la Tierra , situada encima de la troposfera y debajo de la mesosfera . [2] [3] La estratosfera es una capa atmosférica compuesta de capas de temperatura estratificadas , con las capas de aire cálido en lo alto del cielo y las capas de aire frío en el cielo bajo, cerca de la superficie planetaria de la Tierra. El aumento de la temperatura con la altitud es el resultado de la absorción de la radiación ultravioleta (UV) del Sol por la capa de ozono . [4] La inversión de temperatura contrasta con la troposfera y cerca de la superficie de la Tierra, donde la temperatura disminuye con la altitud.
Entre la troposfera y la estratosfera se encuentra la frontera de la tropopausa que demarca el inicio de la inversión de temperatura . Cerca del ecuador, el borde inferior de la estratosfera alcanza una altura de 20 km (66.000 pies; 12 millas), en latitudes medias alrededor de 10 km (33.000 pies; 6,2 millas), y en los polos alrededor de 7 km (23.000 pies; 4,3 millas). ). [4] Las temperaturas varían desde un promedio de -51 °C (-60 °F; 220 K) cerca de la tropopausa a un promedio de -15 °C (5,0 °F; 260 K) cerca de la mesosfera. [5] Las temperaturas estratosféricas también varían dentro de la estratosfera a medida que cambian las estaciones, alcanzando temperaturas particularmente bajas en la noche polar (invierno). [6] Los vientos en la estratosfera pueden superar con creces los de la troposfera, alcanzando cerca de 60 m/s (220 km/h; 130 mph) en el vórtice polar sur . [6]
El mecanismo que describe la formación de la capa de ozono fue descrito por el matemático británico Sydney Chapman en 1930, y se conoce como ciclo de Chapman o ciclo ozono-oxígeno . [7] El oxígeno molecular absorbe luz solar de alta energía en la región UV-C , en longitudes de onda inferiores a aproximadamente 240 nm. Los radicales producidos a partir de moléculas de oxígeno divididas homolíticamente se combinan con el oxígeno molecular para formar ozono. El ozono, a su vez, se fotoliza mucho más rápidamente que el oxígeno molecular, ya que tiene una absorción más fuerte que se produce en longitudes de onda más largas, donde la emisión solar es más intensa. La fotólisis del ozono (O 3 ) produce O y O 2 . El producto del átomo de oxígeno se combina con el oxígeno molecular atmosférico para reformar el O 3 y liberar calor. La rápida fotólisis y reformación del ozono calientan la estratosfera, lo que provoca una inversión de temperatura. Este aumento de temperatura con la altitud es característico de la estratosfera; su resistencia a la mezcla vertical hace que esté estratificado. Dentro de la estratosfera las temperaturas aumentan con la altitud (ver inversión de temperatura ) ; la parte superior de la estratosfera tiene una temperatura de aproximadamente 270 K (-3 °C o 26,6 °F ). [8]
Esta estratificación vertical , con capas más cálidas arriba y capas más frías debajo, hace que la estratosfera sea dinámicamente estable: no hay convección regular ni turbulencia asociada en esta parte de la atmósfera. Sin embargo, los procesos de convección excepcionalmente energéticos, como las columnas de erupción volcánica y las cimas que sobrepasan las tormentas supercelulares severas , pueden llevar la convección a la estratosfera de forma muy local y temporal. En general, la atenuación de los rayos UV solares en longitudes de onda que dañan el ADN por la capa de ozono permite que exista vida en la superficie del planeta fuera del océano. Todo el aire que ingresa a la estratosfera debe pasar por la tropopausa , la temperatura mínima que divide la troposfera y la estratosfera. El aire ascendente está literalmente liofilizado; la estratosfera es un lugar muy seco. La cima de la estratosfera se llama estratopausa , por encima de la cual la temperatura disminuye con la altura.
Sydney Chapman dio una descripción correcta de la fuente del ozono estratosférico y su capacidad para generar calor dentro de la estratosfera; [ cita necesaria ] también escribió que el ozono puede destruirse al reaccionar con el oxígeno atómico, formando dos moléculas de oxígeno molecular. Ahora sabemos que existen mecanismos adicionales de pérdida de ozono y que estos mecanismos son catalíticos, lo que significa que una pequeña cantidad de catalizador puede destruir una gran cantidad de moléculas de ozono. El primero se debe a la reacción de los radicales hidroxilo (•OH) con el ozono. •OH se forma por la reacción de átomos de oxígeno excitados eléctricamente, producidos por la fotólisis del ozono, con vapor de agua. Mientras la estratosfera está seca, se produce vapor de agua adicional in situ por la oxidación fotoquímica del metano (CH 4 ). El radical HO 2 producido por la reacción de OH con O 3 se recicla a OH mediante reacción con átomos de oxígeno u ozono. Además, los eventos de protones solares pueden afectar significativamente los niveles de ozono a través de la radiólisis con la posterior formación de OH. El óxido nitroso (N 2 O) se produce por actividad biológica en la superficie y se oxida a NO en la estratosfera; Los llamados ciclos de radicales NOx también agotan el ozono estratosférico. Finalmente, las moléculas de clorofluorocarbono se fotolizan en la estratosfera liberando átomos de cloro que reaccionan con el ozono dando ClO y O 2 . Los átomos de cloro se reciclan cuando el ClO reacciona con el O en la estratosfera superior, o cuando el ClO reacciona consigo mismo en la química del agujero de ozono de la Antártida.
Paul J. Crutzen, Mario J. Molina y F. Sherwood Rowland recibieron el Premio Nobel de Química en 1995 por sus trabajos que describen la formación y descomposición del ozono estratosférico. [9]
Los aviones comerciales suelen volar a altitudes de 9 a 12 km (30 000 a 39 000 pies), que se encuentran en los tramos más bajos de la estratosfera en latitudes templadas. [11] Esto optimiza la eficiencia del combustible , principalmente debido a las bajas temperaturas encontradas cerca de la tropopausa y la baja densidad del aire, lo que reduce la resistencia parásita en la estructura del avión . Dicho de otra manera, permite que el avión vuele más rápido manteniendo una sustentación igual al peso del avión. (El consumo de combustible depende de la resistencia, que está relacionada con la sustentación mediante la relación sustentación-resistencia ). También permite que el avión se mantenga por encima del clima turbulento de la troposfera.
El avión Concorde navegó a Mach 2 a unos 60.000 pies (18 km), y el SR-71 a Mach 3 a 85.000 pies (26 km), todo dentro de la estratosfera.
Debido a que la temperatura en la tropopausa y la estratosfera inferior es en gran medida constante al aumentar la altitud, allí se produce muy poca convección y la turbulencia resultante. La mayor parte de la turbulencia a esta altitud es causada por variaciones en la corriente en chorro y otras cizalladuras del viento locales, aunque áreas de actividad convectiva significativa ( tormentas eléctricas ) en la troposfera debajo pueden producir turbulencia como resultado de un exceso convectivo .
El 24 de octubre de 2014, Alan Eustace se convirtió en el poseedor del récord de altitud para un globo tripulado a 135.890 pies (41.419 m). [12] Eustace también rompió los récords mundiales de paracaidismo de velocidad vertical, alcanzado con una velocidad máxima de 1.321 km/h (822 mph) y una distancia total de caída libre de 123.414 pies (37.617 m), con una duración de cuatro minutos y 27 segundos. [13]
La estratosfera es una región de intensas interacciones entre procesos radiativos, dinámicos y químicos, en la que la mezcla horizontal de componentes gaseosos se produce mucho más rápidamente que la mezcla vertical. La circulación general de la estratosfera se denomina circulación de Brewer-Dobson , que es una circulación unicelular, que se extiende desde los trópicos hasta los polos, y consiste en el ascenso tropical de aire desde la troposfera tropical y el descenso extratropical de aire. . La circulación estratosférica es una circulación predominantemente impulsada por olas en el sentido de que el afloramiento tropical es inducido por la fuerza de las olas de las ondas de Rossby que se propagan hacia el oeste , en un fenómeno llamado bombeo de ondas de Rossby.
Una característica interesante de la circulación estratosférica es la oscilación cuasi bienal (QBO) en las latitudes tropicales, que es impulsada por ondas de gravedad que se generan convectivamente en la troposfera . El QBO induce una circulación secundaria que es importante para el transporte estratosférico global de trazadores, como el ozono [14] o el vapor de agua .
Otra característica a gran escala que influye significativamente en la circulación estratosférica son las olas planetarias rompientes [15] que dan como resultado una intensa mezcla cuasi horizontal en las latitudes medias. Este rompimiento es mucho más pronunciado en el hemisferio invernal donde esta región se llama zona de surf. Esta ruptura se debe a una interacción altamente no lineal entre las ondas planetarias que se propagan verticalmente y la región aislada de vorticidad de alto potencial conocida como vórtice polar . La ruptura resultante provoca una mezcla a gran escala de aire y otros gases traza en toda la zona de olas de latitud media. La escala de tiempo de esta rápida mezcla es mucho menor que las escalas de tiempo mucho más lentas de afloramiento en los trópicos y descendentes en los extratrópicos.
Durante los inviernos del hemisferio norte, se pueden observar calentamientos estratosféricos repentinos , causados por la absorción de ondas de Rossby en la estratosfera, en aproximadamente la mitad de los inviernos cuando se desarrollan vientos del este en la estratosfera. Estos fenómenos suelen preceder a un clima invernal inusual [16] e incluso pueden ser responsables de los fríos inviernos europeos de la década de 1960. [17]
El calentamiento estratosférico del vórtice polar provoca su debilitamiento. [18] Cuando el vórtice es fuerte, mantiene contenidas las masas de aire frío y de alta presión en el Ártico ; cuando el vórtice se debilita, las masas de aire se mueven hacia el ecuador y provocan rápidos cambios de clima en las latitudes medias.
La vida bacteriana sobrevive en la estratosfera, lo que la convierte en parte de la biosfera . [19] En 2001, se recogió polvo a una altura de 41 kilómetros en un experimento con globo a gran altitud y se descubrió que contenía material bacteriano cuando se examinó más tarde en el laboratorio. [20]
Se ha informado que algunas especies de aves vuelan en los niveles superiores de la troposfera. El 29 de noviembre de 1973, un buitre de Rüppell ( Gyps rueppelli ) fue ingerido en un motor a reacción a 11.278 m (37.000 pies) sobre Costa de Marfil . [21] Los gansos con cabeza de barra ( Anser indicus ) a veces migran sobre el Monte Everest , cuya cumbre es de 8.848 m (29.029 pies). [22] [23]
En 1902, Léon Teisserenc de Bort de Francia y Richard Assmann de Alemania, en publicaciones separadas pero coordinadas y después de años de observaciones, publicaron el descubrimiento de una capa isotérmica a unos 11-14 km (6,8-8,7 millas), que es la base de la estratosfera inferior. Esto se basó en perfiles de temperatura de globos instrumentados en su mayoría no tripulados y algunos tripulados. [24]
