La estratosfera ( / ˈs t r æ t ə ˌs f ɪər , -t oʊ - / ) es la segunda capa más baja de la atmósfera de la Tierra , ubicada por encima de la troposfera y por debajo de la mesosfera . [2] [ 3] La estratosfera está compuesta por zonas de temperatura estratificadas , con las capas de aire más cálidas ubicadas más arriba (más cerca del espacio exterior ) y las capas más frías más abajo (más 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 , donde el ozono se fotoliza exotérmicamente en oxígeno de manera cíclica . [4] Esta inversión de temperatura contrasta con la troposfera, donde la temperatura disminuye con la altitud, y entre la troposfera y la estratosfera se encuentra el borde de la tropopausa que delimita el comienzo de la inversión de temperatura.
Cerca del ecuador , el borde inferior de la estratosfera se encuentra a 20 km (66 000 pies; 12 mi), en latitudes medias alrededor de 10 km (33 000 pies; 6,2 mi) y en los polos alrededor de 7 km (23 000 pies; 4,3 mi). [4] Las temperaturas varían desde un promedio de -51 °C (-60 °F; 220 K) cerca de la tropopausa hasta 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 a los de la troposfera, alcanzando cerca de 60 m/s (220 km/h; 130 mph) en el vórtice polar sur . [6]
En 1902, Léon Teisserenc de Bort, de Francia, y Richard Assmann , de Alemania, en publicaciones separadas pero coordinadas y tras años de observaciones, publicaron el descubrimiento de una capa isotérmica a unos 11-14 km (6,8-8,7 mi), 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. [7]
El mecanismo que describe la formación de la capa de ozono fue descrito por el matemático y geofísico británico Sydney Chapman en 1930, y se conoce como el ciclo de Chapman o ciclo ozono-oxígeno . [8] El oxígeno molecular absorbe la luz solar de alta energía en la región UV-C , en longitudes de onda más cortas que aproximadamente 240 nm. Los radicales producidos a partir de las 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 ocurre 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 O 3 , liberando calor. La rápida fotólisis y reformación del ozono calienta la estratosfera, lo que resulta en una inversión de temperatura. Este aumento de temperatura con la altitud es característico de la estratosfera; su resistencia a la mezcla vertical significa que está estratificada. En la estratosfera, las temperaturas aumentan con la altitud (véase inversión de temperatura ) ; la parte superior de la estratosfera tiene una temperatura de aproximadamente 270 K (−3 °C o 26,6 °F ). [9] [ página necesaria ]
Esta estratificación vertical , con capas más cálidas por encima y capas más frías por debajo, hace que la estratosfera sea dinámicamente estable: no hay convección regular ni turbulencia asociada en esta parte de la atmósfera. Sin embargo, procesos de convección excepcionalmente energéticos, como columnas de erupciones volcánicas y cimas de sobreimpulso en tormentas eléctricas supercelulares severas , pueden llevar convección a la estratosfera de forma muy local y temporal. En general, la atenuación de la radiación ultravioleta solar 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 entra en la estratosfera debe pasar por la tropopausa , el mínimo de temperatura que divide la troposfera y la estratosfera. El aire ascendente está literalmente liofilizado; la estratosfera es un lugar muy seco. La parte superior 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 requerida ] 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 del 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. El •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 por 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 la actividad biológica en la superficie y se oxida a NO en la estratosfera; los llamados ciclos de radicales NO x 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 antártico.
Paul J. Crutzen, Mario J. Molina y F. Sherwood Rowland recibieron el Premio Nobel de Química en 1995 por su trabajo describiendo la formación y descomposición del ozono estratosférico. [10]
Los aviones comerciales normalmente vuelan 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. [12] Esto optimiza la eficiencia del combustible , principalmente debido a las bajas temperaturas que se encuentran 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 mientras mantiene una sustentación igual al peso del avión. (El consumo de combustible depende de la resistencia, que está relacionada con la sustentación por la relación sustentación-resistencia ). También permite que el avión se mantenga por encima del clima turbulento de la troposfera.
El avión Concorde volaba a Mach 2 a unos 60.000 pies (18 km), y el SR-71 volaba a Mach 3 a 85.000 pies (26 km), todos dentro de la estratosfera.
Debido a que la temperatura en la tropopausa y la estratosfera inferior es en gran medida constante a medida que aumenta la altitud, allí se produce muy poca convección y la turbulencia resultante. La mayor parte de la turbulencia a esta altitud se debe a variaciones en la corriente en chorro y otras cizalladuras del viento locales, aunque las áreas de actividad convectiva significativa ( tormentas eléctricas ) en la troposfera inferior pueden producir turbulencia como resultado de un exceso de convección .
El 24 de octubre de 2014, Alan Eustace se convirtió en el poseedor del récord por alcanzar el récord de altitud para un globo tripulado a 135.890 pies (41.419 m). [13] 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. [14]
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 que consiste en el afloramiento tropical de aire desde la troposfera tropical y el afloramiento extratropical de aire. La circulación estratosférica es una circulación impulsada predominantemente por olas en la que el afloramiento tropical es inducido por la fuerza de las olas por 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, por sus siglas en inglés) en las latitudes tropicales, que es impulsada por ondas de gravedad que se generan por convección en la troposfera . La QBO induce una circulación secundaria que es importante para el transporte estratosférico global de trazadores, como el ozono [15] o el vapor de agua .
Otra característica a gran escala que influye significativamente en la circulación estratosférica es la ruptura de las olas planetarias [16], que da lugar a una intensa mezcla cuasi horizontal en las latitudes medias. Esta ruptura es mucho más pronunciada en el hemisferio invernal, donde esta región se denomina zona de oleaje. Esta ruptura se debe a una interacción altamente no lineal entre las ondas planetarias que se propagan verticalmente y la región aislada de alto potencial de vorticidad conocida como vórtice polar . La ruptura resultante provoca una mezcla a gran escala de aire y otros gases traza en toda la zona de oleaje de latitudes medias. 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 hundimiento 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 eventos a menudo preceden a un clima invernal inusual [17] e incluso pueden ser responsables de los fríos inviernos europeos de la década de 1960. [18]
El calentamiento estratosférico del vórtice polar provoca su debilitamiento. [19] Cuando el vórtice es fuerte, mantiene las masas de aire frío y de alta presión contenidas en el Ártico ; cuando el vórtice se debilita, las masas de aire se mueven hacia el ecuador y dan lugar a cambios rápidos del clima en las latitudes medias.
Los rayos de la alta atmósfera son una familia de fenómenos de ruptura eléctrica de corta duración que ocurren muy por encima de las altitudes de los rayos y las nubes de tormenta normales. Se cree que los rayos de la alta atmósfera son formas de plasma luminoso inducidas eléctricamente . Los rayos que se extienden por encima de la troposfera hacia la estratosfera se conocen como chorro azul y los que llegan a la mesosfera como sprite rojo .
La vida bacteriana sobrevive en la estratosfera, lo que la convierte en parte de la biosfera . [20] 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. [21]
Se ha informado de 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 por un motor a reacción a 11.278 m (37.000 pies) sobre Costa de Marfil . [22] Los gansos indios ( Anser indicus ) a veces migran sobre el monte Everest , cuya cumbre se encuentra a 8.848 m (29.029 pies). [23] [24]
