Atmósfera y Océanos La Atmósfera de la Tierra: Composición y estructura

por Anne Egger, Ph.D.

Did you know that without the atmosphere, Earth's surface would be covered with meteor craters and life on this planet would be non-existent? Protecting us from meteorites, regulating temperature, and providing the air we breathe are only some of the ways that the atmosphere makes Earth the home it is.

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Earth's atmosphere contains many components that can be measured in different ways. This module describes these different components and shows how temperature and pressure change with altitude. The scientific developments that led to an understanding of these concepts are discussed.

Términos que usted debe sabertoggle-menu

  • ozone = a form of oxygen, O3, produced by the reaction of sunlight with O2
  • pressure = the application of force; the weight of air in the atmosphere
  • surface = the outside or external part; the topside face of something

Tabla de Contenidotoggle-menu

El hecho de que la superficie de la luna esté cubierta de cráteres producidos por el impacto de meteoritos, es obvio para nosotros hoy en día. En la tierra los cráteres producidos por impactos son pocos y espaciados, aunque la luna no está lejos de nosotros. Resulta que la tierra ha recibido tantos meteoritos como la luna, pero la presencia de la atmósfera ha determinado el destino de muchos de ellos. Los meteoritos pequeños se extinguen en la atmósfera antes de alcanzar la tierra. Aquellos que golpean la superficie y crean un cráter producido por el impacto, se nos pierden de diferentes maneras - los cráteres son rapidamente erosionados por el clima generado en la atmósfera. De ésta manera, la evidencia desaparece. La luna, encambio, no tiene atmósfera, y por consiguiente cada meteoro dirigido a ella, la golpea, produciendo los cráteres que han permanecido esencialmente sin cambios durante 4 billones de años.
Figura 1: Cráteres en el lado lejano de la luna (Izq.) y el cráter Manicouagan en Quebec (Der). Imagen cortesía de NASA

Composición de la atmósfera de la tierra

Los antiguos Griegos consideraban el 'Aire' una de las cuatro sustancias elementales. Junto con la tierra, el fuego y el agua, el aire estaba visto como un componente fundamental del universo. Ya al principio de los años 1800, sin embargo, científicos como John Dalton reconocieron que la atmósfera estaba, en realidad, compuesta de varios gases químicos distintos. El fue capaz de separar y determinar las cantidades relativas dentro de la atmósfera inferior. Dalton pudo, fácilmente, discernir los componentes más importantes de la atmósfera: nitrógeno, oxígeno y una pequeña cantidad de algo incombustible, que después se demostró que era argón. El desarrollo del espectrómetro en los años 1920, permitió a los científicos encontrar gases que existían en concentraciones mucho menores en la atmósfera, como el ozono y el dióxido de carbono. Las concentraciones de estos gases, aunque poca, variaban bastante de lugar a lugar. Es más, los gases atmósfericos son regularmente divididos en los componentes más importantes y constantes, y los componentes variables, tal como muestra la siguiente lista:

Componentes constantes
(las proporciones permanecen iguales en el tiempo y lugar)
Nitrógeno (N2)
78.08%
Oxígeno (O2)
20.95%
Argón (Ar)
0.93%
Neón, Helio, Kriptón
0.0001%
Componentes Variables
(cantidades varían en el tiempo y lugar)
Dióxido de carbono (CO2) 0.0003%
Vapor de Agua(H20) 0-4%
Metano (CH4) trace
Dióxido de sulfuro (SO2) trace
Ozono (O3) rastros
Óxidos de Nitrógeno (NO, NO2) rastros

Aunque ambos, el nitrógeno y el oxígeno, son esenciales para la vida humana en el planeta, tienen poco efecto en el clima y en los procesos atmósfericos. Los componentes variables, que suman menos que el 1% de la atmósfera, tienen una influencia mucho mayor en el clima a corto y a largo plazo. Por ejemplo, las variaciones del vapor de 'agua en la atmósfera las conocemos como humedad relativa. El vapor de agua, CO2, CH4, N2O, y SO2 tienen una importante propiedad: absorben el calor emitido por la tierra y por lo tanto calientan la atmósfera, creando lo que llamamos el 'efecto invernadero'. Sin los gases llamados gases de invernadero, la superficie de la tierra sería de aproximadamente 30 grados Celsio más fría, demasiado fría para que exista vida tal como la conocemos. Aunque el efecto invernadero es algunas veces caracterizado como algo negativo, rastros de cantidades de gases como el CO2 calientan nuestra atmósfera lo suficiente como para sostener la vida. El calentamiento global, por otra parte, es un proceso distinto que puede ser causado por el aumento de gases de invernadero en la atmósfera.

A parte de los gases, la atmósfera tambíen contiene materias particulares como el polvo, ceniza volcánica, lluvia, y nieve. Estos son, por supuesto, altamente variables y son generalmente menos persistentes que las concentraciones de gas, pero pueden permanecer a veces en la atmósfera durante relativamente largos períodos de tiempo. Ceniza volcánica de la erupción de 1991 del Monte Pinatubo en las Filipinas, por ejemplo, oscureció los cielos del globo durante más de un año.

Aunque los componentes mayores de la atmósfera varían muy poco hoy en día, han cambiado dramáticamente durante toda la existencia de la tierra, más o menos 4.6 billones de años. La atmósfera inicial era muy diferente a la actual, que es una capa de aire que sostiene la vida. La mayoría de los geólogos creen que los principales constituyentes en ese entonces eran el gas nitrógeno y el dióxido de carbono, pero no el oxígeno libre. Es más, no hay evidencia de oxígeno libre en la atmósfera hasta hace 2 billones de añós, cuando la bacteria que realiza la fotosíntesis evolucionó y empezó a tomar el dióxido de carbono atmosférico soltando oxígeno. La cantidad de oxígeno en la atmósfera ha aumentado de manera constante de 0% hace 2 billones de años a 21% hoy en día.

Control de Comprensión

Nitrogen and oxygen, which make up more than 99% of Earth's atmosphere, have a bigger influence on climate than other components of the atmosphere.

Midiendo la atmósfera

Actualmente tenemos el monitoreo continuo de la atmósfera por satélite y el radar Doppler que nos comunican si vamos a tener lluvia o no. Antiguamente, sin embargo, las medidas atmósfericas eran pocas y espaciadas. Hoy, las medidas como la temperatura y la presión no sólo nos ayudan a predecir el clima, sino también nos ayudan a ver los cambios a largo plazo en el clima global. Sin embargo, los primeros científicos de la atmósfera estaban menos preocupados con las predicciones climáticas, y más interesados en la composición y estructura de la atmósfera.

Los dos instrumentos más importantes para tomar las medidas de la atmósfera de la tierra fueron desarrollados hace cientos de años: se cree que Galileo inventó el termómetro en 1593, y que Evangelista Torricelli inventó el barómetro en 1643. Con estos dos instrumentos, la temperatura y la presión podían ser medidas a cualquier hora y en cualquier lugar. Por supuesto, las medidas iniciales de la presión y la temperatura fueron tomadas sobre la superficie de la tierra. Esto pasó cientos de años antes que el termómetro y el barómetro pudieran volar. Aunque hay mucha gente que conoce el papalote o volantín de Ben Franklin -un experimento importante que probó los rayos para ver la presencia de la electricidad- pocas personas saben que los papalotes o volantines eran el vehículo por excelencia para obtener las medidas atmosféricas lejos de la superficie de la tierra. Durante los siglos 18 y 19, los instrumentos en los papalotes o volantines recolectaron las medidas de la presión, la temperatura, la humedad. Desafortunadamente, los científicos sólo podían alcanzar una altitud de más o menos 3 km con esta técnica.
NASA Jet Propulsion Laboratory
Figura 2: Un científico lanza una radiosonda. Los instrumentos para recolectar datos están en la caja blanca con anaranjado.

Globos sin seres humanos eran capaces de tomar medidas a más altura que los papalotes o volantines. Pero ya que eran lanzados, simplemente, sin pasajeros y sin hilos atados, tenían que ser recuperados para poder obtener los datos que habían recolectado. Ésto cambió con el desarrollo de la radiosonda, un globo sin ser humano capaz de alcanzar grandes alturas, al principio de los años 1930. Dentro de sus diferentes instrumentos, esta radiosonda incluía un transmisor de radio que permitía transmitir los datos a medida que eran recolectados. De esta manera, ya no había que recuperar los globos. Una red de radiosondas fue desarrollada en los Estados Unidos en 1937, y continúa hoy en día bajo los auspicios de los Servicios Nacionales del Clima.

Control de Comprensión

What was an advantage of the radiosonde over earlier data collection instruments?

Temperatura en la atmósfera

A través del examen de las medidas recolectadas por la radiosonda y naves aéreas (y después por cohetes), los científicos se dieron cuenta que la atmósfera no era uniforme. Mucha gente ya se había dado cuenta que la temperatura disminuía con la altura. Si alguna vez usted ha escalado una alta montaña, sabrá que debe llevar una chaqueta para ponerse en la cima aunque haga calor en la base. Sin embargo no sería hasta el inicio de los años 1900 que las radiosondas revelaron una capa, aproximadamente 18 km. sobre la superficie, donde la temperatura cambiaba abruptamente y empezaba a disminuir con la altura. El descubrimiento de este cambio produjo la división de la atmósfera en capas basadas en sus propiedades termales.
Figura 3: Este gráfico muestra cómo la temperatura varía con la altitud en la atmósfera de la Tierra.
En los 12-18 km. más bajos de la atmósfera, llamados la tropoesfera, es donde ocurre todo el clima: se forman las nubes y la precipitación cae, el viento sopla, la humedad varía de lugar a lugar, y la atmósfera interactúa con la superficie de la tierra que está debajo. Dentro de la tropoesfera, la temperatura disminuye con la altura a un ratio de aproximadamente 6.5° C por kilómetro. A 8,856 m. de altura, el Monte Everest sólo alcanza la mitad de la tropoesfera. Si asumimos que la temperatura a nivel del mar sea de 26° C (80° F), esto significa que la temperatura en la cima del Everest sería de aproximadamente 31° C (-24° F)! En realidad, la temperatura en la cima del Everest tiene una media de -36° C, mientras que la temperatura en Nueva Delhi (en la cercana India), a una elevación de 233m, tiene una media de aproximadamente 28° C. En el borde superior de la tropoesfera, la temperatura del aire alcanza más o menos -100° C y después empieza a aumentar con la altura. Esta capa de temperatura en aumento es llamada estratósfera. La causa del cambio de temperatura es una capa de ozono concentrado. La capacidad del ozono de absorber la radiación ultravioleta (UV) proveniente del sol, fue descubierta en 1881, pero la existencia de la capa de ozono a una altura de 20-50 km. no fue postulada hasta los años 1920. Al absorber los rayos UV, la capa de ozono calienta el aire del alrededor y nos protege en la superficie de las radiaciones de onda corta dañinas que pueden causar cáncer de piel.

Es importante reconocer la diferencia entre la capa de ozono en la estratósfera y el ozono presente en minimas cantidades, rastros, en la tropoesfera. El ozono estratosférico se produce cuando la energía del sol rompe moléculas de gas de O2 en átomos de O. Después, estos átomos de O se unen con otras moléculas de O2 para formar el O3, ozono. Este proceso fue descrito primero en 1930 por Sydney Chapman, un geofísicio que sintetizó muchos de los hechos conocidos de la capa de ozono. El ozono tropoesférico, en cambio, es un contaminante producido cuando las emisiones de combustible de fósiles interactuan con la luz solar.

Arriba de la estratósfera, la temperatura empieza a decaer de nuevo en la siguiente capa de la atmósfera llamada mesoesfera, tal como se ve en la figura anterior. Esta temperatura disminuye como resultado del rápido descenso de la densidad del aire a esta altura. Finalmente, en las partes lejanas de la atmósfera de la tierra, la radiación intensa no filtrada del sol provoca que las moléculas como el O2 and N2 se rompan en iones. La descarga de energía de estas reacciones provocan, en realidad, que la temperatura aumente otra vez en la termoesfera, la capa más lejana. La termoesfera se extiende hasta más o menos 500 km. sobre la superficie de la tierra, todavía a algunos cientos de kilómetros debajo de la altura de la mayoría de los satélites en órbita.

Control de Comprensión

All weather, including clouds, wind, and precipitation, occurs in the

Presión en la atmósfera

Figura 4: La presión y la densidad disminuyen rápidamente con la altitud.

La presión atmosférica puede ser imaginada como el peso de una columna recubierta de aire. Al contrario que la temperatura, la presión disminuye exponecialmente con la altura. Pueden ser detectados rastros de atmósfera tan lejos como a 500 km sobre la superficie de la tierra, pero 80% de la masa de la atmósfera está contenida el los 18km. más cercanos a la superficie. La presión atmósferica es generalmente medida en milibares (mb). Esta unidad de medida es equivalente a 1 gramo por centímetro cuadrado (1 g/cm2). Otras unidades son usadas ocasionalmente, como bares, atmósferas, o mm de mercurio. La correspondencia entre estas unidades se puede ver en la siguiente tabla.

bars
milibares
atmósferas
milímetros de mercurio
1.013 bar
=
1013 mb
=
1 atm
=
760 mm Hg
Al nivel del mar, la presión va, más o menos, de 960 mb. a 1050 mb, con una media de 1013mb. En la cima del Monte Everest, la presión es tan baja como 300 mb. Ya que la presión del gas está en relación con la densidad, esta baja presión significa que hay ~1/3 menos de moléculas de gas inhaladas en cada respiración en la cima del Monte Everest, que al nivel del mar. Es por esto que los escaladores experimentan una insuficiencia de respiración más severa a medida que van subiendo ya que en cada respiración, se inhala una menor cantidad de oxígeno . Por lo que sabemos, aunque otros planetas tienen atmósferas, la presencia de oxígeno libre y vapor de agua, hace que nuestra atmósfera sea única. Estos componentes animaron y protegieron la vida mientras se desarrollaba sobre la tierra, no sólamente porque proveían oxígeno para la respiración, sino también porque protegían a los organismos de rayos UV dañinos e incineraban los pequeños meteoros antes de golpear la superficie. Además, la composición y estrucutura de este recurso único son claves importantes para entender la circulación de la atmósfera, el ciclo biogeoquímico de los nutrientes, los patrones locales del clima a corto plazo, y los cambios globales del clima a largo plazo.

Conceptos Clavetoggle-menu

  • La atmósfera de la tierra esta compuesta por una combinación de gases. Los mayores componentes de nitrógeno, oxígeno y argón se mantienen constantes a través del tiempo y el espacio, mientras que componentes como el CO2 y el vapor de agua varían considerablemente a través de del espacio y el tiempo.
  • La atmósfera se divide en termósfera, mesósfera, estratósfera y tropósfera, y los bordes entre estas capas son definidas por cambios en gradientes de temperatura.
  • La presión se disminuye exponencialmente con la altitud en la atmósfera.
  • Nuestro conocimiento acerca de la atmósfera se ha desarrollado en base a los datos de una variedad de fuentes, incluyendo medidas directas de globos y aeronaves, así mismo como medidas remotas tomadas desde satélites artificiales.

Lectura Adicionaltoggle-menu

Anne Egger, Ph.D. “La Atmósfera de la Tierra” Visionlearning Vol. EAS (5), 2003.

Ven! Nombraré los Cuatro primeros elementos ,
Cuando se alzaron a la vista todas las cosas que ahora poseemos—
La Tierra, el muy ondeado Mar, el húmedo Aire,
Y el Éter, el Titán, que sujeta el globo terrestre.

-Empédocles

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