Introducción a las Ciencias de la Atmósfera y los Océanos

Transcripción

1 Introducción a las Ciencias de la Atmósfera y los Océanos Composición y estructura vertical de la Atmósfera M. Elizabeth Castañeda 2011

2 Una mirada general a la atmósfera de la Tierra La atmósfera es un delicado manto de aire que rodea la Tierra. Sin la atmósfera de la Tierra no existirían lagos u océanos. La energía radiante del sol da energía a la atmósfera, conduciendo el tiempo día a día.

3

4 Los tiempos geológicos en el precámbrico Proterozoico Precámbrico Arqueano o Arcaico Hadeico

5 Historia de la atmósfera Atmósfera Primaria (protoatmósfera) Hidrógeno, Helio Estos gases son relativamente raros en la Tierra en comparación con otros lugares del universo y probablemente se perdieron en el espacio temprano en la historia de la Tierra, porque la gravedad de la Tierra no era lo suficientemente fuerte como para mantener los gases más ligeros la Tierra todavía no tenía un núcleo diferenciado (sólido interior / núcleo externo líquido) Una vez que el núcleo diferenciado se formó los gases más pesados pudieron ser retenidos

6 Historia de la atmósfera Atmósfera Secundaria Producido por liberación gases de origen volcánico. Los gases producidos son probablemente similares a los creados por los volcanes modernos (H 2 O, CO 2, SO 2, CO, S 2, N 2, H 2 ) y NH 3 (amoníaco) y CH 4 (metano) No hay O 2 libre en este momento (no se encuentran en los gases volcánicos). Formación de Mar - A medida que la Tierra se enfrió, H 2 O producido por gasificación pudo existir como líquido en el Arcaico Temprano, lo que permitió formar los océanos. ~ millones de años atrás.

7 Historia de la atmósfera Adición de O 2 a la atmósfera Hoy en día, la atmósfera es de ~ 21% de oxígeno libre. Cómo llegar a estos niveles de oxígeno en la atmósfera? Revisar el ciclo del oxígeno: Producción de oxígeno disociación fotoquímica - ruptura de las moléculas de agua por ultravioletas Produjo niveles de O % de los niveles actuales En estos niveles el O 3 (ozono) puede formarse para proteger la superficie de la Tierra de los rayos UV La fotosíntesis - CO2 + H2O + luz solar = compuestos orgánicos + O2 - producido por las cianobacterias, y finalmente las plantas superiores - suministrado el resto de O2 a la atmósfera. Consumición de oxígeno meteorización química - a través de la oxidación de los materiales de la superficie (consumidor temprano) respiración animal (mucho más tarde) quema de combustibles fósiles (mucho, mucho más tarde)

8 Historia de la atmósfera Arcaico - poco o ningún oxígeno libre en la atmósfera (<1% de los niveles de presencia). Cianobacterias, (bacterias que en el océano comenzaron a producir O 2 a través de la reacción foto-sintética (3500 Ma) Se consumió probablemente por el proceso de oxidación. Una vez que las rocas en la superficie estuvieron suficientemente oxidadas, más oxígeno pudo permanecer libre en la atmósfera. Proterozoico - la cantidad de O 2 en la atmósfera aumentó de 1-10%. La mayor parte de éste fue liberado por las fitoplancton (incluye cianobacterias), que aumentan en abundancia en el registro fósil de 2300 Ma. Los niveles presentes de O 2 probablemente no fueron alcanzados hasta ~ 400 Ma.

9 Los tiempos geológicos en el precámbrico Precámbrico fitoplancton Proterozoico O 2 < 1% Arqueano o Arcaico cianobacterias Hadeico Atmósfera Secundaria

10 Otra alternativa de la formación de Oxígeno: Otra fuente posible de Oxígeno es la fotodisociación del Hidrógeno: 2H 2 O + UV -> 2H 2 + O 2 Oxigeno presente en la atmósfera primitiva fue inicialmente consumido en la oxidación de las rocas.

11 La acumulación del O2 en la atmósfera conlleva la formación de una capa de Ozono (O3) a través de dos reacciones químicas. La primera reacción consume la radiación Ultravioleta (UV), de forma que la formación de la capa de Ozono permite que los organismos vivos se acerquen a la superficie del océano y eventualmente salgan a la tierra unos 400 Ma atrás.

12

13

14 Atmósfera: es la capa gaseosa que cubre la Tierra y que se mantiene atrapada a ella por la fuerza de gravitacional. 99% de la atmósfera se concentra en los primeros 30 km

15 Composición de la Atmósfera Gases Permanentes Gases Variables Gas Nitrógeno Oxigeno Argón Neón Helio Hidrógeno Xenón Símbolo N 2 O 2 Ar Ne He H2 Xe % por vol Gas Vapor de agua Dióxido Carbono Metano Oxido Nitroso Ozono Partículas (polvo, etc) También llamados aerosoles Símbol o H 2 O CO 2 CH 4 N 2 O O 3 % por vol Clorofluorocarbonos (CFCs)

16 Nitrógeno Es removido de la atmósfera principalmente por procesos biológicos que involucran a las bacterias presentes en los suelos. Retorna a la atmósfera principalmente a través de la degradación de la materia orgánica por la acción de microorganismos.

17 Oxígeno Es removido de la atmósfera con la degradación de la materia orgánica y con los procesos de oxidación en los que el oxígeno se combina con otras sustancias. El oxígeno también es consumido en la respiración de los seres vivos, en la cual se libera además dióxido de carbono. La adición de oxígeno a la atmósfera ocurre en los procesos de fotosíntesis.

18 Vapor de agua La concentración del vapor de agua, varía enormemente de un lugar a otro. Cerca de la superficie, en las regiones tropicales, el vapor de agua puede constituir hasta el 4% de los gases atmosféricos, mientras que en regiones polares representa bastante menos del 1%.

19 El vapor de agua no sólo es un componente de la atmósfera extremadamente importante por su papel en los procesos de condensación del agua, sino también porque constituye una reserva de calor en la atmósfera. Durante la condensación, en la que el vapor de agua se transforma en agua líquida, se liberan grandes cantidades de energía (calor latente) que constituyen el motor de fenómenos meteorológicos.

20 Dióxido de Carbono Componente natural de la atmósfera que ocupa un pequeño (pero importante) porcentaje del volumen de aire, de alrededor del 0,038%. Entra a la atmósfera principalmente por la degradación de la materia vegetal, pero también lo hace por las erupciones volcánicas, la respiración de los seres vivos y por actividades humanas como el uso de combustibles y la deforestación.

21 La remoción del CO 2 de la atmósfera toma lugar durante la fotosíntesis, cuando las plantas consumen CO 2 para producir materia verde. Los océanos actúan como enormes reservorios de CO 2, debido a que el fitoplancton lo fija en sus células. El CO 2, que se disuelve directamente en el agua superficial, se mezcla y circula a grandes profundidades. Se estima que los océanos almacenan más de 50 veces el contenido de dióxido de carbono presente en la atmósfera.

22

23 La concentración atmosférica de CO 2 ha aumentado más del 20% desde 1958, cuando se mide por primera vez en el observatorio Mauna Loa en Hawai.

24 El dióxido de carbono registra un tiempo de residencia atmosférica de 100 a 150 años.

25 La atmósfera contiene también otros gases en menor proporción que los citados previamente que afectan al clima. Los más importantes son el metano (CH 4 ), el óxido nitroso (N 2 O) y los clorofluorocarbonos (CFCs).

26 Metano (CH 4 ) El metano se produce en forma natural por la descomposición de sustancias orgánicas en ambientes pobres en oxígeno. También se produce en el sistema digestivo de rumiantes y otros animales, en la explotación de combustibles fósiles y en la quema de biomasa.

27 Aproximadamente la mitad de la producción de metano proviene de los sembradíos de arroz y de la actividad animal. Una cuarta parte proviene de tierras pantanosas y húmedas. Un 15% de la producción industrial de gas natural y carbón mineral. Los rellenos de basura y otras sustancias orgánicas en descomposición contribuyen con un 5% de las emisiones de metano.

28 La concentración de metano en la atmósfera se ha duplicado en los últimos 200 años. Su tiempo de residencia en la atmósfera es de 7 a 10 años.

29 Óxido nitroso (N 2 O) gas hilarante o de la risa El óxido de nitroso proviene principalmente de las chimeneas de las centrales energéticas que utilizan carbón, de los caños de escape de los automóviles, y por la acción de los fertilizantes nitrogenados que se utilizan en la agricultura. También provienen de la descomposición de materia orgánica por microbios.

30 Su tiempo de permanencia media en la atmósfera es de 150 años. Actualmente se atribuye el 5 % del efecto invernadero artificial a este gas.

31 Clorofluorocarbonos (CFCs) Propulsores en los aerosoles. Hoy, se utilizan principalmente como refrigerantes, propulsores como espuma aislante, y como solventes para la limpieza de microcircuitos electrónicos. Efecto importante en nuestra atmósfera: no sólo tienen el potencial para elevar las temperaturas globales, sino que también desempeñan un papel en la destrucción del gas ozono en la estratosfera

32 Ozono Es el componente más dañino del smog fotoquímico y causa daños importantes a la salud, cuando está en concentraciones altas, y frena el crecimiento de las plantas y los árboles.

33 El ozono (O3) es un compuesto químico formado por tres átomos de oxígeno (O). Es una sustancia que cumple dos papeles totalmente distintos según se encuentre en la estratósfera o en la tropósfera. El que está en la estratósfera (de 10 a 50 km) es imprescindible para que la vida se mantenga en la superficie del planeta porque absorbe las radiaciones ultravioletas perjudiciales que llegan del sol.

34 El agujero de ozono no es técnicamente un "agujero" donde no hay ozono presente; en realidad es una región en la estratosfera donde el ozono se ve excepcionalmente empobrecido sobre la Antártida, que ocurre al comienzo de la primavera del Hemisferio Sur (agostooctubre).

35 Un aerosol es un sólido o líquido en suspensión estable en un gas, en este caso el aire. Contaminantes: pequeñas partículas en suspensión, que suponen una molestia para los seres vivientes. dióxido de nitrógeno (NO 2 ): motores de automóviles; con luz solar reacciona con los hidrocarburos y otros gases para producir ozono. monóxido de carbono (CO) : gas venenoso; se forma por combustión incompleta del carbono que contienen el combustible de los vehículos. Azufre --> dióxido de azufre (SO 2 ) --> ácido sulfúrico. (Quema de combustibles) lluvia ácida

36 Estructura vertical de la atmósfera Perfil vertical de la atmósfera Criterios: Variación de la temperatura Composición

37 Presión del aire y densidad del aire Peso = masa x gravedad Densidad = masa/volumen

38

39 Presión del aire y densidad del aire Peso = masa x gravedad Densidad = masa/volumen Presión = fuerza/área Presión estándar a nivel del mar es mb = hpa = in Hg La presión atmosférica disminuye con la altura sobre el Tierra.

40

41 Capas de la Atmósfera Temperatura

42

43 TROPÓSFERA Es la capa más baja en la que se desarrolla la vida y la mayoría de los fenómenos meteorológicos. Se extiende en promedio hasta 12 km de altura (con un mínimo de 8 km en los polos y 18 km en el Ecuador). La temperatura disminuye con la altura hasta -55 C a razón de 0.65 C/100m. El límite superior de la tropósfera se denomina tropopausa. Definición Gradiente de la propiedad A = variación de A con la distancia γ = δt/ δz = C/100m = -6.5 C/1 km

44 Variación de la altura de la tropopausa según la latitud.

45 ESTRATÓSFERA Se extiende hasta los 45 km de altura. En ella la temperatura aumenta con la altura hasta un valor cercano a 0 C en su límite superior denominado estratopausa. La concentración de masa atmosférica en los niveles superiores de la estratósfera y en las capas por encima de ella es tan baja (99% de la masa está concentrada por debajo de los 30 km aproximadamente) que el significado de la temperatura no es el mismo que tiene a nivel de la superficie del planeta. Inversión térmica

46 MESÓSFERA La temperatura disminuye con la altura y culmina a unos 80 km de altitud donde la temperatura es del orden de -90 C (mesopausa). Por encima de ese nivel, y hasta un nivel superior no bien definido la temperatura vuelve a aumentar con la altura definiendo la capa denominada TERMÓSFERA.

47 La IONÓSFERA es una parte especial de la atmósfera que forma parte de la termósfera. Está compuesta por iones y electrones libres. Los iones son átomos y moléculas que perdieron o ganaron uno o más electrones.

48 La comunicación a larga distancia por radio es posible ya que las diferentes regiones de la ionósfera reflejan las ondas radiales de regreso a la Tierra. La IONÓSFERA se divide en las regiones D, E y F. Las regiones D y E reflejan las ondas de radio AM de regreso a la Tierra. Las ondas de radio con menor alcance se reflejan en las región F.

49 Estructura de la atmósfera según su composición

50

51 HOMÓSFERA Se extiende hasta 80 km de altura aproximadamente. La concentración de la mayoría de los constituyentes del aire permanece casi constante debido a fenómenos de mezcla convectiva y turbulenta. Las excepciones son el ozono y el vapor de agua HETERÓSFERA Se ubica por encima de los 80 km. La composición del aire ya no es constante debido a fenómenos de difusión molecular. Hay mayor concentración de los componentes más ligeros y de forma estratificada: N2, O, He, H.