La atmósfera, el oxígeno y el ozono.
La atmosfera es la capa gaseosa que envuelve y rodea al planeta Tierra, se divide en varias capas concéntricas sucesivas. Estas son, desde la superficie hacia el espacio exterior: troposfera, tropopausa, estratosfera, estratopausa, mesosfera y termosfera.
La atmósfera es uno de los componentes más importantes del clima terrestre. Es el presupuesto energético de ella la que primordialmente determina el estado del clima global, por ello es esencial comprender su composición y estructura. Ha sido y es uno de los elementos que ha permitido la vida en el planeta. Los gases que la constituyen están bien mezclados en la atmósfera pero no es físicamente uniforme pues tiene variaciones importantes en temperatura y presión, relacionado con la altura sobre el nivel del mar. Es transparente e impalpable, y no resulta fácil señalar exactamente su espesor, ya que no posee una superficie superior definida que la limite, sino que se va haciendo menos densa a medida que aumenta la altura, hasta ser imperceptible.
La atmósfera comenzó a formarse hace unos 4,600 millones de años con el nacimiento de la Tierra. La mayor parte de la atmósfera primitiva se perdería en el espacio, pero nuevos gases y vapor de agua se fueron liberando de las rocas que forman nuestro planeta.
La atmósfera no siempre ha estado igual durante la vida de la Tierra. Ha ido variando durante los años, y se puede establecer en diferentes etapas: Su origen se produce por Pérdida de la capa de gases de la nebulosa original (H y He), Aumento de la masa de la Tierra, Gravedad, Enfriamiento de la Tierra, Desgasificación de la corteza terrestre, Formación de una capa de gases. Esta atmósfera inicial tiene una composición parecida a las emisiones volcánicas actuales, donde dominarían el N2, CO2, HCl y SO2, Algunos gases y el H2O de procedencia externa (Cometas).
La atmósfera de las primeras épocas de la historia de la Tierra estaría formada por vapor de agua, dióxido de carbono (CO2) y nitrógeno, junto a muy pequeñas cantidades de hidrógeno (H2) y monóxido de carbono pero con ausencia de oxígeno. Era una atmósfera ligeramente reductora hasta que la actividad fotosintética de los seres vivos introdujo oxígeno y ozono (a partir de hace unos 2,500 o 2,000 millones de años) y hace unos 1,000 millones de años la atmósfera llegó a tener una composición similar a la actual.
Etapa prebiótica: Antes de la vida, la atmósfera sufrió unos cambios: Condensación del vapor de agua, formación de los océanos y disolución de gases en ellos (CO2, HCl y SO2), el principal gas de la atmósfera era el Nitrógeno (N2), no había oxígeno (O2).
Etapa microbiológica: Etapa con la aparición de las primeras bacterias anaeróbicas (que usan H y H2S) y fotosintéticas (Bacterias del azufre y cianobacterias): Comienza la producción de O2 del océano, el O2 producido se utiliza para oxidar las sustancias reducidas del océano. Prueba de ello son la deposición de las formaciones de hierro en bandas: Fe+3 + O2 Fe2O3, una vez oxidado las sustancias, empieza la producción de O2 para la atmósfera, el O2 liberado se gasta para oxidar sustancias reducidas de la corteza terrestre. Prueba de ello son la formación de capas rojas de origen continental.
Etapa biológica: Etapa con la aparición de organismos eucariotas con fotosíntesis más eficiente: Aumento del O2 en la atmósfera hasta la concentración actual (21%), formación del escudo de O3 (protección de la radiación ultravioleta del Sol), permitiendo la colonización de las tierras emergidas.
La atmósfera es la capa gaseosa que cubre la Tierra pero que se mantiene atrapada a ella por la fuerza de atracción gravitacional. En términos relativos al tamaño de la Tierra, cuyo radio es alrededor de 6,400 Km., el espesor de la atmósfera es muy pequeño considerando que el 99% de su masa se concentra en los primeros 30 Km. sobre la superficie de la Tierra. Los gases fundamentales que forman la atmósfera son: Nitrógeno 78%, Oxígeno 20%, Argón 0.9%, CO2 0.03%. Otros gases de interés presentes en la atmósfera son el vapor de agua, el ozono y diferentes óxidos de nitrógeno, azufre, etc.
El oxígeno forma aproximadamente el 20% de la atmósfera, y es el gas más importante desde el punto de vista biológico. Es utilizado por los seres vivos en la respiración, mediante la cual obtienen la energía necesaria para todas las funciones vitales; también interviene en la absorción de las radiaciones ultravioleta del Sol que, de llegar a la Tierra en toda su magnitud, destruirían la vida animal y vegetal. La atmósfera es también la fuente principal de suministro de oxígeno al agua, y entre ambas se establece un intercambio gaseoso continuo.
La atmósfera está formada por varias capas concéntricas:
* las capas bajas, que no mantienen una altura constante, y a las que se denomina troposfera y estratosfera;
* las capas altas, a las que se da el nombre de ionosfera y exosfera.
La troposfera es la capa inferior y más próxima a la superficie terrestre. A medida que se sube, disminuye la temperatura en la troposfera. La troposfera o baja atmósfera, es la que está en íntimo contacto con la superficie terrestre y se extiende hasta los 11 Km. SNM. en promedio. Tiene un grosor que varía desde 8 Km. en los polos hasta 16 Km. en el ecuador, principalmente debido a la diferencia de presupuesto energético en esos lugares . Abarca el 75% de la masa de gases totales que componen la atmósfera, el 99% de la masa de la atmósfera se encuentra bajo los 30 Km. SNM. Consta en particular, en 99% de dos gases, el Nitrógeno (N2, 78%) y Oxígeno (O2, 21%). El 1% que resta consta principalmente de Argón (Ar 1%) y Dióxido de Carbono (CO2, 0,035%). El aire de la troposfera incluye vapor de agua en cantidades variables de acuerdo a condiciones locales, por ejemplo, desde 0,01% en los polos hasta 5% en los trópicos. La temperatura disminuye con la altura, en promedio, 6,5°C por kilómetro. La mayoría de los fenómenos que involucran el clima ocurren en esta capa de la atmósfera, en parte sustentado por procesos convectivos que son establecidos por calentamiento de gases superficiales, que se expanden y ascienden a niveles más altos de la troposfera donde nuevamente se enfrían. Esta capa incluye además los fenómenos biológicos, pues en ella se producen importantes movimientos verticales y horizontales de las masas de aire (vientos) y hay relativa abundancia de agua, por su cercanía a la hidrosfera. Por todo esto es la zona de las nubes y los fenómenos climáticos: lluvias, vientos, cambios de temperatura, etc. Es la capa de más interés para la ecología. En la troposfera es donde tienen lugar los cambios de tipo de tiempo que nos interesan, y más nos afectan. La concentración de vapor de agua y agua en suspensión depende de la existencia de un área de evaporación o una temperatura reducida.
La tropopausa marca el límite superior de la troposfera, sobre la cual la temperatura se mantiene constante antes de comenzar nuevamente a aumentar por sobre los 20 Km. SNM. Esta condición térmica evita la convección del aire y confina de esta manera el clima a la troposfera.
La estratosfera es la segunda capa de la atmósfera de la Tierra. A medida que se sube, la temperatura en la estratosfera aumenta. Una vez que se alcanzan los 50 Km. de altura, la temperatura ha llegado a los 0°C . Por lo tanto, se extiende desde los 20 Km. hasta 48-50 Km. SNM. Contiene pequeñas cantidades de los gases de la troposfera en densidades decrecientes proporcional a la altura. Incluye también cantidades bajísimas de Ozono (O3) que filtran el 99% de los rayos ultravioleta (UV) provenientes de las radiaciones solares. Es esta absorción de UV la que hace ascender la temperatura hasta cerca de los 0°C. Este perfil de temperaturas permite que la capa sea muy estable y evita turbulencias, algo que caracteriza a la estratosfera. Esta, a su vez, está cubierta por la estratopausa, otra inversión térmica a los 50 Km. Casi no hay movimiento en dirección vertical del aire, pero los vientos horizontales llegan a alcanzar frecuentemente los 200 Km./hora, lo que facilita el que cualquier sustancia que llega a la estratosfera se difunda por todo el globo con rapidez, que es lo que sucede con los CFC que destruyen el ozono. En esta parte de la atmósfera, entre los 30 y los 50 kilómetros, se encuentra el ozono que tan importante papel cumple en la absorción de las dañinas radiaciones de onda corta.
La mesosfera se extiende por encima de los 50 Km., la temperatura desciende hasta -100 °C a los 80 Km. su límite superior. La mesosfera es la tercera capa de la atmósfera de la Tierra. La temperatura disminuye a medida que se sube, como sucede en la troposfera. Puede llegar a ser hasta de -90° C. Es la zona más fría de la atmósfera.
La termosfera es la cuarta capa de la atmósfera de la Tierra. Se encuentra arriba de la mesosfera. A esta altura, el aire es muy tenue y la temperatura cambia con la actividad solar. Si el sol está activo, las temperaturas en la termosfera pueden llegar a 1,500° C o mayores.
La ionosfera y la magnetosfera se encuentran a partir de la estratopausa. En ellas el aire está tan enrarecido que la densidad es muy baja. Son los lugares en donde se producen las auroras boreales y en donde se reflejan las ondas de radio, pero su funcionamiento afecta muy poco a los seres vivos. Por sobre los 80 Km. SNM., encima de la mesosfera, se extiende la termosfera, en ella la temperatura asciende continuamente hasta sobre los 1000 °C . Por la baja densidad de los gases a esas altitudes no son condiciones de temperatura comparables a las que existirían en la superficie.
La última capa de la atmósfera de la Tierra es la exosfera. Esta es el área donde los átomos se escapan hacia el espacio.
Los componentes de la atmósfera se encuentran concentrados cerca de la superficie, comprimidos por la atracción de la gravedad y, conforme aumenta la altura la densidad de la atmósfera disminuye con gran rapidez. En los 5,5 kilómetros más cercanos a la superficie se encuentra la mitad de la masa total y antes de los 15 kilómetros de altura está el 95% de toda la materia atmosférica.
La mezcla de gases que llamamos aire mantiene la proporción de sus distintos componentes casi invariable hasta los 80 Km., aunque cada vez más enrarecido (menos denso) conforme vamos ascendiendo. A partir de los 80 Km. la composición se hace más variable.
La presión de la atmósfera disminuye rápidamente con la altura pero además hay diferencias de presión entre unas zonas de la troposfera y otras que tienen gran interés desde el punto de vista climatológico. Son las denominadas zonas de altas presiones, cuando la presión reducida al nivel del mar y a 0ºC, es mayor de 1.013 milibares o zonas de bajas presiones si el valor es menor que ese número. En meteorología se trabaja con presiones reducidas al nivel del mar y a 0ºC para igualar datos que se toman a diferentes alturas y con diferentes temperaturas y poder hacer así comparaciones. El aire se desplaza de las áreas de más presión a las de menos formándose de esta forma los vientos. Se llaman isobaras a las líneas que unen puntos de igual presión. Los mapas de isobaras son usados por los meteorólogos para las predicciones del tiempo.
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