TEMA 3 LA ATMÓSFERA 1. Origen y evolución de la atmósfera 2. Composición y estructura de la atmósfera 3. Funciones de la atmósfera 4. Dinámica atmosférica 5. Clima y tiempo atmosférico 1. Origen y evolución de la atmósfera La atmósfera primitiva estaba constituida por las emisiones de gases y polvo procedentes de la propia Tierra en su formación. La composición más aceptada hoy día es que era mayoritariamente de CO2, vapor de agua y pequeñas cantidades de H2 y CO. Tenía carácter reductor, ya que no existía O2 libre. Según se fue enfriando el planeta, se condensa el agua y se forman los primeros océanos, en los que se originó la vida hace unos 3.800 m. a. con las primeras bacterias heterótrofas anaerobias fermentadoras. Una vez agotados los recursos, hace unos 2.500 m.a. debieron aparecer las primeras bacterias autótrofas fotosintéticas oxigénicas, que utilizando la energía solar y compuestos inorgánicos fabricaban su propia materia orgánica. En este proceso, se desprende como residuo el O2, que fue acumulándose, primero en el agua y posteriormente pasó a la atmósfera, donde oxidó las rocas y se acumuló en la atmósfera y posteriormente dando lugar a la formación de la capa de ozono en la estratosfera. Este periodo duró unos 2.000 m. a. Ahora la atmósfera tiene un carácter oxidante. En la actualidad, la concentración de N2 es de un 78%, cuando en la atmósfera primitiva no llegaba al 5%. El origen de este cambio tan importante, se debe al tiempo de resistencia en la atmósfera (masa (kg) / tasa de eliminación (kg/año)) que es de 42 m. a., mientras que para el oxígeno tiene un valor de 5.000 años. 2. Composición y estructura de la atmósfera 2.1. Composición La atmósfera actual está formada por una mezcla de gases: Constantes: N2, O2, Ar, Ne, He y Kr. Variables: CO2, H2O, CH4, N2O, O3, etc. Esta variación se debe a diversos factores como: corrientes atmosféricas, cercanía a núcleos industriales, actividad volcánica, etc.
2.2. Estructura La atmósfera está organizada en capas, que comenzando desde la superficie son las siguientes: Troposfera Desde la superficie hasta unos 8 km en los polos y unos 16 km en el ecuador. El 80% de los gases se acumulan en esta capa y sobre todo cerca de la superficie. Esto provoca que con la altura disminuya mucho la presión. La temperatura también disminuye 0,65ºC cada 100 m., conforme al gradiente vertical de temperatura (GVT), llegando a los -70ºC en la tropopausa. En esta capa se produce el conocido como efecto invernadero, producido principalmente por el vapor de agua y el CO2, que mantiene la temperatura en unos 15ºC de media, ideal para la vida. También se producen los fenómenos climáticos y meteorológicos. Estratosfera Desde la tropopausa hasta unos 50 km. en la estratopausa. El aire se dispone en estratos horizontales y con poca densidad. A una altura de unos 30 km. se encuentra la capa de ozono que filtra los rayos UV procedentes del Sol. La temperatura va aumentando, llegando a los 4ºC en la estratopausa. Mesosfera Llega hasta la mesopausa a unos 80 km. donde la temperatura desciende hasta los -80ºC. es la zona donde se producen las estrellas fugaces. Termosfera o ionosfera Se extiende hasta los 500 km. donde se sitúa la termopausa. Los gases como el N2 y el O2 absorben las radiaciones de onda más corta procedentes del Sol, liberando electrones y cargándose positivamente y aumentando mucho la temperatura hasta los 1.000ºC. Estas reacciones también producen luminosidad que es observada en forma de la auroras boreales y australes, cerca de los polos. Exosfera Desde la termopausa hasta unos 500 km. a los que ya se considera el espacio exterior, donde la presencia de gases es inexistente. En esta capa se encuentra la magnetosfera.
3. Funciones de la atmósfera La atmósfera es la principal causa de la existencia de vida en su superficie. Ejerce dos acciones principales: 3.1. Protectora Actúa como un filtro de determinadas radiaciones electromagnética emitidas por el Sol reduciendo sus efectos perjudiciales. Podemos distinguir las siguientes radiaciones: Onda corta: rayos X, rayos y rayos UV. Quedan frenados en la ionosfera. Onda larga: rayos UV que penetran hasta la estratosfera, donde son filtrados por la capa de ozono, pero parte llegan hasta la superficie. Espectro visible: Llegan a la superficie y su principal valor está en el mantenimiento de la vida, comenzando con el proceso de fotosíntesis. Infrarroja de onda larga. Penetran hasta la troposfera, donde es absorbida por los gases de efecto invernadero, que también absorben la procedente de la superficie de la Tierra. Mantienen por tanto la temperatura adecuada para la vida. 3.2. Reguladora Se da principalmente en la troposfera, donde se producen los fenómenos meteorológicos. Intervienen en esta regulación los siguientes factores: Presencia de nubes. Incrementa el albedo de la Tierra, evitando que la temperatura aumente. Efecto invernadero. Aumenta la temperatura. Diferencias de presión y temperatura entre las capas altas y bajas de la troposfera. Provocan los movimientos verticales y horizontales de aire que son la base de la dinámica atmosférica.
4. Dinámica atmosférica El principal motor del movimiento de las masas de aire es la diferencia de radiación incidente que se da en dos puntos de la superficie en un momento determinado, que genera gradientes de presión, temperatura, humedad o densidad. 4.1. Dinámica vertical El aire tiende a calentarse en la parte baja de la atmósfera debido al calor recibido desde la superficie. Este aire caliente disminuye su densidad y asciende disminuyendo poco a poco su temperatura. El aire que está en la parte superior de la troposfera está frío y denso por lo que desciende a la superficie, ocupando el hueco del aire caliente que ha ascendido. Este movimiento circular se conoce como células de convección. Para conocer la estabilidad o inestabilidad atmosférica, debemos conocer los siguientes gradientes: Gradiente vertical de temperatura (GVT). Tiene un valor de -0,65ºC/100m. Es el gradiente del aire en reposo en condiciones normales. Gradiente adiabático seco (GAS). Tiene un valor de -1ºC/100m. Es el gradiente de una masa de aire seco en ascenso. Cuando la temperatura del aire en movimiento es igual a la del aire que lo rodea, en reposo, el movimiento se detiene. Gradiente adiabático húmedo (GAH). Tiene un valor de -0,4ºC/100m. Es el gradiente de una masa de aire saturado de agua, por lo que se forman las nubes. El proceso de condensación libera calor, y por eso el gradiente es menor que el GAS. Dependiendo de las condiciones iniciales de temperatura del aire en reposo y del aire en movimiento, podemos tener situaciones de estabilidad o inestabilidad atmosférica. Cuando las masas de aire descienden provocan un aumento de la presión en esa zona, formándose el anticiclón y un descenso de presión cuando asciende formándose la borrasca. En un mapa del tiempo, se representan las líneas de igual presión, denominadas isobaras. Los vientos se desplazan en superficie desde el anticiclón a la borrasca. No lo hacen en línea recta, debido a la fuerza de Coriolis, generada por la rotación de la Tierra, que los hace girar en el sentido de las agujas del reloj en el hemisferio norte y al contrario en el hemisferio sur. El movimiento del aire en las borrascas se produce, al contrario. Hay que tener en cuenta que el aire se va calentando al descender, ya que las temperaturas aumentan, de modo que va perdiendo agua y secándose. Existe una relación directa entre la dinámica vertical de las masas de aire y la estabilidad e inestabilidad atmosférica.
Inestabilidad Atmosférica Existe inestabilidad atmosférica cuando el gradiente adiabático seco es menor que el gradiente vertical de temperatura (GAS < GVT). Esto significa que la temperatura de la masa de aire ascendente disminuye más lentamente que la temperatura del aire circundante inmóvil. Cuando esto ocurre, el aire asciende con facilidad originando un núcleo de baja presión en la superficie y la convergencia del aire circundante hacia el mismo. Estas zonas son depresiones, borrascas o ciclones. Esta situación es de mal tiempo, porque el aire a medida que asciende se va enfriando y el vapor de agua se condensa en forma de nubes, que pueden dar lugar a precipitaciones. Estabilidad Atmosférica En este caso el gradiente adiabático seco es mayor que el gradiente vertical de temperaturas (GAS > GTV). Esto quiere decir que, si una masa de aire es forzada a ascender, su temperatura disminuirá más deprisa que la del aire circundante inmóvil, por lo que de manera natural tenderá a descender. Estas áreas de alta presión o anticiclones son consideradas como situaciones de buen tiempo pues el aire a medida que desciende se va calentando y el agua que contiene se evapora por lo que las nubes desaparecen o a lo sumo existen nubes bajas. Inversión térmica Las inversiones térmicas se dan a cualquier altura de la troposfera, pero un caso muy corriente es el que se produce a nivel del suelo sobre todo con cielo despejado, aire en calma y una fuerte irradiación nocturna de calor de la superficie terrestre. A medida que se enfría el suelo, también lo hace el aire situado sobre él de manera que
éste adquiere una temperatura inferior a la que existe en las capas superiores. En estas circunstancias los contaminantes atmosféricos quedan atrapados cerca de la superficie al impedir su ascenso la capa de aire caliente superior. La situación se agrava si se forma niebla. La inversión térmica se rompe cuando la radiación solar llega a la superficie con la suficiente intensidad y duración como para calentar la masa de aire fría. Humedad atmosférica: formación de nubes El agua tiene un peso molecular muy bajo, por lo que cuanto más vapor de agua tenga el aire, tendrá una menor densidad. Es decir, el aire húmedo asciende y el seco desciende. La humedad se puede medir de dos maneras: Absoluta. Son los gramos de vapor de agua en un m 3 de aire (g/m 3 ). La cantidad de vapor de agua que puede contener el aire depende de la temperatura. Cuando una masa de aire no puede contener más vapor de agua, se dice que ha alcanzado el punto de saturación o de rocío. Relativa. Tanto por ciento (%) del vapor de agua que hay en 1 m 3. Cuando el valor sea del 100%, el agua ha alcanzado su punto de saturación. Cuando el aire húmedo empieza a ascender en la atmósfera, debido a su baja densidad, va encontrándose cada vez con menos temperatura, lo que significa que será capaz de contener cada vez menos vapor de agua y llegará al punto de saturación en el que condensará y se formarán las nubes. 4.2. Dinámica horizontal Las radiaciones solares inciden de manera diferente según la latitud. Esto supone que el calentamiento de la superficie presente diferencias notables de unas zonas a otras. La mayor radiación se da en el ecuador, lo que implica que el calentamiento del aire tienda a ascender, dando lugar a las borrascas ecuatoriales. En los polos, al contrario, el frío intenso produce un descenso de las masas de aire, formando los anticiclones polares.
En principio, los vientos deberían circular en superficie desde los polos al ecuador y por las capas altas desde el ecuador a los polos en una célula de convección. Debido a la rotación de la Tierra, se produce la fuerza de Coriolis, que desvía los vientos y da lugar a la formación de 3 células de convección, tanto hacia el norte como hacia el sur: Célula de Hadley. Entre los 0º y 30º de latitud. El aire que ha ascendido en el ecuador, desciende en la zona de convergencia intertropical (ZCIT), formando el anticiclón subtropical, del que parten los vientos alisios hacia el ecuador y los vientos del oeste hacia los polos. Célula polar. Entre los 90º y 60º de latitud. El anticiclón polar produce los vientos de levante que ascienden dando lugar a las borrascas subpolares. Célula de Ferrel. Entre los 60º y los 30º de latitud. Los vientos del oeste y los de levante ascienden en las borrascas subpolares y viajan en altura hasta descender en los anticiclones polares y en los subtropicales. 5. Clima y tiempo atmosférico 5.1. El clima El clima es un fenómeno en el que intervienen factores tan diversos como la latitud, la altitud, la orografía, la orientación, la incidencia de los vientos, la continentalidad, etc. Su estudio, por tanto, es sumamente complejo, ya que un cambio en cualquiera de estas variables supone un cambio del sistema climático en su conjunto. Para definir el clima de un lugar hay que tener en cuenta los valores medios del tiempo atmosférico recogidos durante un largo periodo de tiempo, unos 30 años.
Para representar el clima de un determinado lugar se realiza una representación gráfica llamada climograma. A partir del climograma podemos analizarlo calculando la temperatura media, amplitud térmica, precipitación total, hemisferio del clima, zona climática (cálida, templada o fría), tipo de clima (mediterráneo, continental u oceánico) y paisaje asociado. La escala de precipitaciones debe ser siempre el doble que la de temperaturas si se quiere que el climograma represente correctamente la existencia o no de estación seca, ya que según el índice de aridez de Gaussen: El índice de aridez = Precipitaciones en mm / Temperaturas en C x 2 Cuando este valor es menor que 1 nos indica que el mes es seco. 5.2. El tiempo atmosférico Se define según las condiciones de estabilidad o inestabilidad que se presentan en un lugar y momento determinados. Se consideran precipitaciones a cualquier caída de agua, ya sea en forma líquida o sólida sobre la superficie de la Tierra. La formación de precipitaciones puede tener lugar por los siguientes procesos: Nubes de convección térmica. Se producen por un ascenso de una masa de aire cálido y húmedo hasta alcanzar su punto de saturación. Las nubes tienen forma de cúmulo o cumulonimbo. Dentro de éstas, la diferencia de temperatura en su interior provoca corrientes de ascenso que elevan las pequeñas gotitas de agua, que se unen a otras para caer en forma de lluvia. Suelen descargar la lluvia en grandes cantidades y en corto espacio de tiempo. Si en la zona alta de la nube las temperaturas son muy bajas, el agua puede congelar, produciendo nieve y granizo.
Nubes de convección en un frente. Un frente es una zona de contacto entre dos masas de aire, una cálida y una fría. Podemos distinguir los siguientes tipos: o Frente frío. Cuando la masa de aire frío se desplaza hacia la de aire cálido y la obliga a ascender rápidamente formándose cumulonimbos que descargan lluvia abundante. o Frente cálido. Al contrario que antes, la que se mueve es la de aire cálido. La primera asciende sobre la fría de un modo progresivo formando nubes horizontales, los nimbostratos y altoestratos, que producen lluvia de poca intensidad, pero de larga duración. En la zona superior se forman los cirros, nubes pequeñas y disgregadas.
o Frente ocluido. Cuando uno de los frentes se eleva por encima del otro perdiendo el contacto con el suelo. o Frente estacionario. Cuando las masas de aire permanecen en la misma zona sin apenas movimiento. Nubes de ascenso orográfico. Cuando el aire es obligado a ascender por el relieve terrestre. Se forman nubes bajas horizontales denominadas estratos, que producen lluvia en esta cara de la montaña. Al superar el otro lado, el aire seco desciende, produciendo el secado del terreno. Por este fenómeno, conocido como efecto Foehn o sombra de lluvias, las cadenas montañosas tienen su ladera de barlovento con mucha vegetación, mientras que en sotavento están casi desérticas.
ENLACES INTERESANTES La formación de la atmósfera https://youtu.be/cjnvrbzv_ys El efecto Coriolis https://youtu.be/20iagayirds https://youtu.be/gegkm7ucfnc Cómo hacer un climograma en Excel https://youtu.be/uyzjrqwfndm Cómo interpretar un climograma https://youtu.be/tbhdjl-pcss Tipos de nubes https://youtu.be/q8prps7iz_c Distintos tipos de frentes https://youtu.be/d5qmetxmwhc Efecto Foehn https://youtu.be/rly2kozwguo https://youtu.be/ooq6sxdeuem