2.1 - La atmósfera La atmósfera es la capa gaseosa que rodea la geosfera o corteza terrestre. Características y propiedades Composición Está formada por aire y partículas en suspensión. El aire es una mezcla gaseosa en distinta proporción, los más importantes son: nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, vapor de agua y otros gases en menor proporción. En la atmósfera también flotan diversas cantidades de partículas diminutas sólidas como polen, arena fina, cenizas volcánicas, bacterias... Todas ellas componen el polvo atmosférico. Composición del aire Nitrógeno... 78% Oxígeno... 21% Argón y Neón... 0,965% Dióxido de carbono... 0,035% También hay helio, hidrógeno, ozono y gases nobles en pequeñas cantidades. Se llama aire seco a los gases que se encuentran en proporciones más o menos constantes, estos son el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno y algunos gases nobles. Los gases que se encuentran en proporciones variables son: el vapor de agua, el dióxido de carbono y el ozono. La atmósfera y la vida La atmósfera tiene varios aspectos muy importantes para la vida en nuestro planeta. En primer lugar, gracias a ella se mantiene el calor procedente del Sol y las temperaturas no varían bruscamente, como sucede en otros planetas del Sistema Solar. Además, la atmósfera nos protege del impacto de la mayoría de los meteoritos y filtra muchos rayos solares que son perjudiciales para la vida. Por otra parte, contiene los gases necesarios para la respiración de los seres vivos y para la fotosíntesis de las plantas y las algas. Características de la atmósfera Densidad. La densidad de la atmósfera disminuye conforme ascendemos en altura. Cuando subimos a la cima de una montaña, o a un punto de una ladera muy elevada, decimos que el aire está "enrarecido" porque la mayor parte de la masa del aire está en las zonas bajas atraído por la gravedad de la Tierra y está como "aplastado" por su propio peso y cuanto más ascendemos, el aire es más liviano, tenue y ligero. En las capas altas existe menos presión y la densidad es menor. La densidad y la presión del aire disminuyen con la altura. El mal de altura Se produce cuando se asciende velozmente a grandes altitudes (de 2100 metros hasta los 8000 metros de altitud), debido a que la concentración de oxígeno disminuye provocando la falta del mismo en el organismo (hipoxia). Sin embargo, el cuerpo humano posee adaptaciones a corto y largo plazo que le permiten compensar, en forma parcial, la falta de oxígeno. Los atletas utilizan estas adaptaciones para mejorar su rendimiento. Estos síntomas normalmente desaparecen al descender a cotas más bajas. Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 1
Color. Durante el día y desde la superficie terrestre, el color de la atmósfera se ve azul. El color de la atmósfera se debe a que las moléculas del aire dispersan la luz blanca que procede del Sol. A pleno día, los rayos son casi perpendiculares y el color es azul. Al atardecer o al amanecer los rayos inciden de forma oblicua en la Tierra, realizando un mayor recorrido hasta alcanzar la superficie terrestre; durante este camino se absorben todos los colores y sólo llegan los rojizos. Arriba: El color del cielo a pleno día, al amanecer y al atardecer. Abajo: Ilustración del Principito a quién una de las cosas que más le gustaba de su planeta chiquito (su asteroide) era que con sólo correr la silla podía ver una y otra vez el atardecer. (La caída del Sol siempre nos ha fascinado por su belleza, por sus colores) Temperatura. La temperatura del aire tiende a disminuir con la altitud, aunque en algunas regiones altas de la atmósfera aumenta, debido a que algunos gases absorben las radiaciones solares y las transforman en calor. En el apartado siguiente estudiaremos las distintas capas de la atmósfera y hablaremos con detalle de la variación de temperatura. Capas de la atmósfera La atmósfera es la responsable de la formación de los fenómenos atmosféricos, filtra las radiaciones solares e impide la pérdida excesiva de calor. Tiene una altura de casi 1.000 kilómetros y se compone de varias capas, que son menos densas según se alejan del suelo: troposfera, estratosfera, mesosfera, ionosfera y exosfera. Las divisiones entre una capa y otra se denominan respectivamente tropopausa, estratopausa, mesopausa y termopausa. Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 2
Troposfera La troposfera es la capa en contacto con el suelo, con una altura de unos trece kilómetros. Aquí se encuentra el aire que respiran los seres vivos y ocurren los fenómenos meteorológicos responsables del tiempo que hace, como los vientos, la lluvia y los huracanes. En la troposfera se concentra la mayor parte del oxígeno y del vapor de agua; en particular este último actúa como un regulador térmico del planeta; sin él, las diferencias térmicas entre el día y la noche serían tan grandes que no podríamos sobrevivir. La troposfera, al estar en contacto con el agua de los ríos, mares y océanos, contiene el 90% del agua y también la mayor parte del dióxido de carbono que hay en la Tierra. Por esta zona circulan los aviones y la temperatura va descendiendo con la altura hasta llegar a los -70ºC. Estratosfera Comprende desde el límite de la troposfera hasta una altura de 50 km aproximadamente. A medida que se sube, la temperatura aumenta debido a que los rayos ultravioleta transforman el oxígeno en ozono (hasta 80ºC). En la estratosfera superior se encuentra la capa de ozono (ozonosfera) que actúa como filtro, o escudo protector, ya que absorbe las radiaciones ultravioletas del Sol dejando pasar sólo las que permiten la vida en el planeta. Mesosfera Se encuentra entre 50 y 80 km de altura aproximadamente. Hasta aquí llega la mayor parte de los rayos ultravioletas del Sol, provocando reacciones químicas en el aire. En esta zona se dan las temperaturas más bajas de la atmósfera (hasta -90ºC). Ionosfera Llega aproximadamente hasta los 500 km de altura y está formada por gases cargados eléctricamente a causa de los rayos UV, de los rayos X y de los rayos gamma, que provocan la ionización de los átomos y moléculas. En este proceso se desprende gran cantidad de calor por lo que la temperatura puede alcanzar los 1.500ºC. En esta capa se desintegran la mayoría de los meteoritos debido al rozamiento con el aire. En las regiones polares las partículas cargadas portadas por el viento solar son atrapadas por el campo magnético terrestre dando lugar a la formación de auroras. Entre las propiedades de la ionosfera, encontramos que esta capa contribuye esencialmente a la reflexión de las ondas de radio emitidas desde la superficie terrestre, lo que posibilita que éstas puedan viajar grandes distancias sobre la Tierra. Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 3
Auroras La aurora es un fenómeno, propio de la ionosfera, en forma de brillo o luminiscencia que aparece en el cielo nocturno, usualmente en zonas polares, aunque puede aparecer en otras partes del mundo por cortos periodos de tiempo. En el hemisferio norte se conoce como "aurora boreal" y en el hemisferio sur como "aurora austral". Su nombre proviene de Aurora, la diosa romana del amanecer, y de la palabra griega boreas, que significa norte. La aurora boreal es visible de octubre a marzo, aunque en ciertas ocasiones hace su aparición durante el transcurso de otros meses, siempre y cuando la temperatura atmosférica sea lo suficientemente baja. Los mejores meses para verla son enero y febrero, ya que es en estos meses donde las temperaturas son más bajas. Su equivalente en latitud sur, la aurora austral, será visible de junio a septiembre (invierno austral). La aurora polar se produce cuando las partículas de una masa gaseosa expulsada por el Sol choca con los polos norte o sur de la magnetosfera terrestre. Estas partículas, al chocar, aumenta la energía de los átomos o moléculas de oxígeno y nitrógeno. Estos átomos o moléculas devuelven esta energía produciendo una luz difusa de varios colores en la ionosfera terrestre. Aurora boreal en Alaska Aurora austral en Nueva Zelanda Exosfera Es la zona más externa de la atmósfera frontera entre esta y el espacio exterior. En esta capa los gases van perdiendo sus propiedades físico-químicas y poco a poco se dispersan hasta que la composición es similar a la del espacio. Aquí se encuentran los satélites artificiales y hay un alto contenido de polvo cósmico. Alcanza una distancia de más de 1.000 kilómetros y su temperatura es aproximadamente de 2.400 ºC. Fenómenos atmosféricos En esta sección haremos una breve descripción de los principales fenómenos atmosféricos. Entre ellos se encuentran la presión atmosférica, los vientos, los frentes y las precipitaciones. La presión atmosférica se debe al peso del aire sobre un cierto punto de la superficie terrestre por lo tanto, es lógico suponer que cuanto más alto esté el punto, tanto menor será la presión, ya que también es menor la cantidad de aire que hay por encima. Si tomamos como referencia el nivel del mar donde a la presión atmosférica se le asigna un valor de 1 atm (unidad de presión en el Sistema Internacional), en una cumbre situada a unos 1.500 metros sobre el nivel del mar, la presión atmosférica vale Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 4
aproximadamente 0,83 atm, es decir, la presión disminuye con la altura. Los vientos. El viento es la circulación del aire en la troposfera. Estas corrientes de aire se deben fundamentalmente a variaciones de la temperatura y densidad del aire de unos lugares a otros. El aire, al calentarse, se expande por lo que disminuye su densidad y asciende por encima de un aire frío y más denso. El viento va desde las zonas de aire más frío (más denso) hacia las zonas de aire más caliente (menos denso). Los vientos se caracterizan por no soplar en línea recta ya que la rotación de la Tierra les otorga un movimiento circular. Como ya hemos visto, en el hemisferio norte el aire de los anticiclones o altas presiones circula en sentido horario mientras que el aire de las borrascas o zonas de bajas presiones circula en sentido contrario. En el hemisferio sur ocurre lo contrario. Las precipitaciones. Las nubes son formaciones carac-terísticas de la troposfera, que están ligadas al ciclo del agua en nuestro planeta (lo estudiaremos en el tema siguiente). Su proceso de formación es muy simple: como consecuencia de la evaporación en la superficie, se produce continuamente el ascenso del vapor de agua a la atmósfera. Conforme asciende, el vapor se enfría, con lo que se produce la condensación del agua en forma de pequeñas gotas líquidas o su solidificación como diminutos cristales de hielo. Este enfriamiento puede suceder también cuando en la atmósfera colisionan frentes fríos y cálidos: el súbito enfriamiento del vapor de agua contenido en la masa de aire caliente provoca el desarrollo de nubes. Normalmente, la presencia de partículas de polvo, polen, etc., en la atmósfera ayuda a la formación de nubes, ya que dichas partículas actúan como núcleos de condensación del agua. Las partículas de agua o los cristales de hielo de las nubes se mantienen suspendidos en la atmósfera debido a su poco peso. Si, como consecuencia de cambios en la temperatura, vientos, choque con obstáculos naturales (montañas), etc. se produce la unión de estas partículas, estas aumentan de peso y, finalmente, la gravedad hace que se produzca la precipitación. Esta puede ser en forma de agua, de nieve o de granizo, en función de las condiciones atmosféricas de ese momento. La nieve se produce cuando la temperatura del aire es inferior a 0 ºC. El granizo se origina cuando el viento es fuerte y las temperaturas muy bajas, los fuertes vientos llevan entonces grandes gotas de agua que al congelarse forman granizo o pedrisco que puede alcanzar hasta varios centímetros de diámetro. Existen distintos tipos de nubes que se distinguen por el color, el aspecto (deshilachado, algodonoso, globoso), y la altitud a la que aparecen. Así tenemos cúmulos, estratos, cirros, nimboestratos y cumulonimbos. Cuando se agrega la palabra nimbo al nombre de una nube, se quiere indicar que se trata de una nube que suele provocar lluvias. El Arco iris. Es un fenómeno óptico y meteorológico que se produce cuando los rayos del Sol atraviesan pequeñas gotas de agua contenidas en la atmósfera terrestre. Se manifiesta en forma de un arco multicolor de 7 colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta) con el rojo hacia la parte exterior y el violeta hacia la interior. Menos Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 5
frecuente es el arco iris doble, el cual incluye un segundo arco más tenue con los colores invertidos, es decir, el rojo hacia el interior y el violeta hacia el exterior. El arco iris puede verse en la lluvia, en la niebla o en el agua pulverizada de cascadas y cataratas. Cúmulos. Nubes en forma de grandes copos de algodón. Estratos. Nubes dispuestas en varias capas que cubren todo el cielo. Cirros. Nubes de color blanco y aspecto alargado y deshilachado. Suelen estar formados por cristales de hielo. Cumulonimbos iluminados por su propio aparato eléctrico (Foto de David Ayut) Nimboestratos. Son nubes griises, a veces muy bajas, que cubren el cielo y originan precipitaciones. Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 6
Arcoiris Rayos y relámpagos. Tormentas eléctricas. Las nubes cumulonimbos suelen producir lluvias intensas y tormentas eléctricas, especialmente cuando ya están plenamente desarrolladas. Cuando en el interior de estas nubes los cristales que las forman, se cargan eléctricamente por rozamiento, se puede producir una descarga entre eléctrica que conocemos como rayo. El rayo es una poderosa descarga electrostática producida durante una tormenta eléctrica. Si la descarga eléctrica se produce entre la nube y la Tierra, se habla propiamente de rayos. En cualquier otro caso (descargas dentro de la propia nube o entre dos nubes o entre una nube y la ionosfera) se trata de relámpagos. Relámpago y rayo. Los frentes. Al chocar dos masas de aire con características climáticas distintas no se mezclan fácilmente, sino que se mantienen separadas a lo largo de una franja bien definida. Es lo que se conoce como frente. Los frentes fríos se generan cuando una masa de aire caliente, relativamente inmóvil, es alcanzada por una masa de aire frío. Debido a que el aire frío es más denso (y por lo tanto más pesado), tiende a deslizarse debajo de la masa de aire caliente. Esta última es desplazada rápidamente hacia arriba, se enfría conforme gana altitud y genera al condensarse nubes de tipo cumulonimbos. Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 7
Cuando una masa de aire caliente se desplaza hacia una masa de aire frío, haciendo que esta retroceda, se produce lo que se conoce como frente cálido. Al ser menos denso (y por lo tanto más ligero) el aire caliente se desliza hacia arriba. Como sucede en los frentes fríos, el aire caliente al subir se enfría y genera condensaciones, pero en este caso es común que se formen nubes de tipo nimboestrato. Las grandes tormentas. Las mayores demostraciones de inestabilidad de la atmósfera, que pueden causar catástrofes, son los ciclones tropicales. En general, un ciclón es un sistema de bajas presiones, con lluvia y actividad eléctrica, y vientos que rotan en sentido antihorario en el hemisferio Norte. Dependiendo de la velocidad del viento, los ciclones pueden ser depresiones tropicales, tormentas tropicales y huracanes (vientos de más de 118 km/h). Los ciclones más peligrosos y destructivos son los huracanes, llamados tifones en Asia. Otros fenómenos que pueden ser muy destructivos son los tornados, ciclones pequeños de vida muy corta en los que se producen torbellinos de aire con vientos que pueden superar los 500 km/h. Otros fenómenos. La niebla: es la condensación de minúsculas gotas de agua en el aire cercano al suelo. Puede ser desde una simple bruma o neblina hasta una niebla densa, que dificulte extraordinariamente la visión. El rocío y la escarcha: son fenómenos que se producen cuando el vapor de agua se enfría por la noche y se condensa formando gotitas de agua sobre el suelo y las plantas. Si la temperatura está por debajo de 0ºC, en lugar del rocío, se forma la escarcha. En este caso el agua se congela sobre la superfice de las plantas, las rocas y el suelo. Niebla Rocío Escarcha La atmósfera para la vida El gran invernadero La atmósfera regula el calor de la superficie terrestre al comportarse como los cristales o los plásticos de un invernadero. La atmósfera deja pasar las radiaciones solares que calientan la superficie de la Tierra, pero impide la salida de gran parte de la radiación infrarroja que la superficie terrestre devuelve manteniendo así el calor y por lo tanto favoreciendo la vida en el planeta Tierra. A este fenómeno se le llama efecto invernadero, es un efecto natural y se debe sobre todo al CO 2 y al vapor de agua de la troposfera. No ocurre lo mismo con el incremento de este efecto debido al aumento de la concentración de los gases invernadero en la atmósfera y que crean un grave problema ambiental. La concentración anormal de estos gases hace que el efecto invernadero se intensifique, lo cual puede conducir, en muy poco tiempo, a un calentamiento global. Este calentamiento sería peligroso para la vida en el planeta y podría tener importantes consecuencias para la población humana. El incremento de los gases del efecto invernadero se debe, principalmente, a: A) La quema masiva de combustibles fósiles para obtener energía hace que aumente la cantidad de CO 2 en la atmósfera. B) La deforestación general y principalmente en las selvas vírgenes, hace que disminuya la captación del CO 2 por la fotosíntesis. C) La ganadería excesiva y los arrozales hacen que aumenten los niveles de metano. Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 8
El efecto protector de la capa de ozono La capa de ozono estratosférica ejerce la importante función de repeler la radiación ultravioleta. Esta radiación es perjudicial para la vida. En la actualidad, y debido al debilitamiento de la capa de ozono en las zonas polares se detecta un aumento de esta radicación en la superficie terrestre en dichos lugares. Son los famosos agujeros de la capa de ozono que dejan pasar más radiación ultravioleta de lo normal. El incremento de esta radiación ya está causando los primeros daños a los animales de estas regiones. La pérdida de la capa de ozono se debe a compuestos como los clorofluorocarbonos (CFC's) que se liberan en grandes cantidades a la atmósfera por grandes industrias. Los CFC's se utilizan, por ejemplo, en los sistemas de refrigeración y los aerosoles. Estos productos se han utilizado mucho porque son seguros en la troposfera, pero en la estratosfera impiden que el oxígeno se transforme en ozono (O 3). La atmósfera como escudo La atmósfera nos protege de los impactos de los meteoritos. Estas rocas procedente del espacio exterior son atraídas por la gravedad y caen sobre la superficie terrestre. Al entrar en contacto con los gases de la atmósfera, a gran velocidad, el rozamiento hace que se calienten tanto que se ponen incandescentes y acaban desintegrándose no llegando al suelo. Sólo los más grandes pueden atravesar la atmósfera y llegar al suelo provocando grandes catástrofes: destrucción de la zona de impacto, cambios climáticos, extinción de especies, etc. La atmósfera y los seres vivos La atmósfera controla el clima y el ambiente en que vivimos. Muchos seres vivos utilizan los gases atmosféricos en sus procesos vitales. Así pues, las plantas emplean el dióxido de carbono en la fotosíntesis y animales y plantas respiran oxígeno. La composición actual de la atmósfera se debe a la actividad de la biosfera (fotosíntesis). Sin embargo, la actividad humana está modificando su composición. El aumento de las emisiones de dióxido de carbono procedente de los combustibles fósiles o de metano procedente de la ganadería acentúan el efecto invernadero. Los óxidos de nitrógeno o de azufre procedentes de las chimeneas de las industrias causan la lluvia ácida. Los seres humanos también dependemos de la atmósfera para sobrevivir, ya que respiramos oxígeno, pero además utilizamos la energía del viento para mover molinos, barcos a vela o en los aerogeneradores que producen electricidad. Contaminación atmosférica La contaminación atmosférica es la presencia en el aire de materias que en determinadas cantidades implican un riesgo, daño o molestia grave para las personas y demás seres vivos, bienes de cualquier naturaleza, así como que puedan atacar a distintos materiales, reducir la visibilidad o producir olores desagradables. La contaminación atmosférica puede ser natural, producida por erupciones volcánicas o incendios forestales no provocados o por la actividad biológica de los seres vivos (el excesivo polen de las plantas en determinadas estaciones del año). Pero este tipo de contaminación ha existido siempre y el planeta Tierra es capaz de autorregularse. La contaminación atmosférica debida a las actividades del ser humano es la más dañina siendo los procesos industriales y la quema de combustibles fósiles los principales focos de contaminación. Las principales sustancias que el ser humano emite a la atmósfera son gases nocivos y partículas sólidas o líquidas. Los gases emitidos son principalmente óxidos de nitrógeno y de azufre que provocan la lluvia ácida. Como ya se ha comentado en el apartado anterior, los CFC's presentes en sistemas de refrigeración, frigoríficos y aerosoles destruyen la capa de ozono de la ionosfera. El metano y el dióxido de carbono alteran el efecto invernadero natural de la atmósfera. Una elevada concentración de estos gases impide la salida de la radiación infrarroja con el consiguiente Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 9
aumento del efecto invernadero favoreciendo así el cambio climático. Las partículas más nocivas son los humos y cenizas procedentes de la combustión de combustibles fósiles, las "nieblas" y aerosoles que escapan de algunas industrias químicas, el polvo de de las canteras y explotaciones mineras. Tampoco debemos olvidar la contaminación acústica y la contaminación lumínica. La contaminación produce sobre los seres humanos y animales: bronquitis crónica, catarros y dificultades respiratorias, cansancio y cefaleas, irritación de los ojos y mucosas, afecta a la inteligencia de los niños, produce modificaciones genéticas y malformaciones en los fetos. Algunos de estos son cancerígenos. Sobre las plantas produce alteración de diversos mecanismos vitales y daños en las hojas, flor y fruto. La acción de los contaminantes atmosféricos sobre los materiales causa daños irreparables sobre los objetos y los monumentos de alto valor histórico-artístico bien por la sedimentación de partículas sobre la superficie de los mismos, afeando su aspecto externo, o por ataque químico al reaccionar el contaminante con la piedra. Otro efecto a tener en cuenta es la corrosión de los metales en puentes y otras estructuras. La calidad del aire en grandes ciudades como Madrid, se mantiene en niveles prohibitivos en numerosas ocasiones. Ciencias de la Naturaleza NIVEL I. 10