Geofrik's Blog

Fotografía de la atmósfera terrestre. Autor: desconocido.

La atmósfera terrestre es la capa más externa de la Tierra y, como todas las atmósferas, está constituida por un conjunto de gases retenidos por la fuerza de atracción gravitatoria (ejercida en este caso por el propio planeta Tierra), que no los deja escapar. Debido a su composición gaseosa, la atmósfera terrestre es la capa de menor densidad de todo el planeta, midiendo más de 10.000 kilómetros de altura (sobre el nivel del mar) y estando, a su vez, organizada en capas concéntricas de propiedades fisico-químicas diferentes, ordenadas de abajo a arriba por orden decreciente de densidades. Al conjunto de los gases que componen la atmósfera terrestre se lo denomina aire.

Composición química:

Atendiendo a la composición química de la atmósfera terrestre, se reconocen dos zonas o capas composicionales bien diferenciadas: la homosfera y la heterosfera.

• La homosfera es la capa composicional inferior de la atmósfera, extendiéndose hasta los 100 kilómetros de altura y caracterizándose por tener una concentración constante de la mayoría de los gases que la constituyen.

• La heterosfera es la capa composicional superior de la atmósfera, extendiéndose a partir de los 100 kilómetros de altura. La composición del aire no es constante como en la homosfera (debido a fenómenos de difusión molecular), habiendo una mayor concentración de los componentes más ligeros, que se disponen de forma estratificada: nitrógeno, oxígeno, helio e hidrógeno.

80-400 km – capa de nitrógeno molecular
400-1.100 km – capa de oxígeno atómico
1.100-3.500 km – capa de helio
3.500-10.000 km – capa de hidrógeno

NOTA: El 75% de la masa de la atmósfera terrestre se encuentra localizado en los primeros 11 kilómetros de altura (medidos desde la superficie del mar), por lo que, en cómputos globales, la homosfera es mucho más densa que la heterosfera.

Estructura de la atmósfera:

Atendiendo a la variación de (1) las propiedades físico-químicas de la atmósfera terrestre (sobre todo la temperatura) y (2) la dinámica y el comportamiento del aire a distintas alturas, la atmósfera puede ser subdividida en una serie de capas concéntricas de características diferentes. Desde la superficie terrestre hacia arriba se reconocen las siguientes capas: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera y exosfera. Las divisiones entre una capa y otra se denominan respectivamente tropopausa, estratopausa, mesopausa y termopausa.

Primeras cuatro capas de la atmósfera terrestre. De abajo a arriba: troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera. Los límites que hay entre ellas llevan el nombre de la capa que tienen inmediatamente debajo: tropopausa, estratopausa, mesopausa y termopausa. En la imagen se indican, además, la posición de la línea de Kármán y la ozonosfera. Autor: desconocido.

• La troposfera o tropósfera es la capa más delgada de la atmósfera terrestre, situándose en contacto con la superficie de la Tierra. Tiene alrededor de 18 km de espesor en el ecuador terrestre y solo 6 km en los polos, siendo debida esta variación a la fuerza centrípeta que se genera en los polos y que causa el movimiento de rotación terrestre, y a la fuerza centrífuga que se produce en la zona intertropical y que causa dicha rotación.

En esta capa de la atmósfera terrestre se concentra la mayor parte del oxígeno y del vapor de agua (este último actúa como un regulador térmico del planeta; sin él, las diferencias térmicas entre el día y la noche serían tan grandes que los organismos no podrían sobrevivir). En ella ocurren todos los fenómenos meteorológicos que influyen en los seres vivos, como los vientos, la lluvia y la nieve, entre otros.

La temperatura en la troposfera desciende a razón de, aproximadamente, 6,5 ºC por kilómetro de altura (a partir de los 2.000 msnm –metros sobre el nivel del mar–), llegando en su parte más alta (la tropopausa) a alcanzar los -55 °C, aproximadamente.

• La estratosfera o estratósfera es una de las capas más importantes de la atmósfera (su nombre obedece a que está dispuesta en capas más o menos horizontales –estratos–). situándose entre la troposfera y la mesosfera y extendiéndose hasta la estratopausa, localizada a unos 50 km de altura, aproximadamente. En la estratosfera se localiza la capa de ozono u ozonosfera, que absorbe la mayoría de los rayos ultravioleta procedentes del Sol; en la parte baja de la estratosfera la temperatura es relativamente estable, habiendo muy poca humedad en toda la capa.

Al contrario que en la troposfera, en la que la temperatura desciende con la altitud, la temperatura de la estratosfera aumenta progresivamente desde los -55 °C que hay en la tropopausa hasta los 0 °C que tiene la estratopausa, aunque según algunos autores puede alcanzar incluso los 17 °C o más. Este incremento de la temperatura se debe a que los rayos ultravioleta transforman al oxígeno en ozono, proceso que involucra calor: al ionizarse el aire, se convierte en un buen conductor de la electricidad y, por ende, del calor.

• La mesosfera o mesósfera es la capa de la atmósfera situada por encima de la estratosfera y por debajo de la termosfera, extendiéndose desde la estratopausa hasta una altura de unos 80 kilómetros (la mesopausa). Al igual que ocurría en la troposfera, la temperatura vuelve a descender con la altura, llegando a alcanzar valores próximos a los -70 °C ó -90 °C en la mesopausa.

La mesosfera contiene sólo cerca del 0,1% de la masa total del aire, y en ella tienen mucha importancia los procesos de ionización y las reacciones químicas, generándose fenómenos meteorológicos extraños y, hasta hace muy poco, desconocidos (como los ELT). La baja densidad del aire en la mesosfera determina la formación de turbulencias y ondas atmosféricas que actúan a escalas espaciales y temporales muy grandes. También en esta capa se observan las estrellas fugaces (que son meteoroides que se han desintegrado en la termosfera).

• La termosfera es la capa de la atmósfera terrestre que se encuentra entre la mesosfera y la exosfera; su extensión comienza en la mesopausa (localizada a unos 80 kilómetros de altura) y finaliza en la termopausa (a unos 500-1.000 kilómetros de la superficie terrestre). Dentro de esta capa, la radiación ultravioleta, los rayos gamma y los rayos X provenientes del Sol provocan la ionización de los átomos de sodio y las moléculas. En dicho proceso, los gases que la componen elevan su temperatura varios cientos de grados (de ahí el nombre termosfera). Las partículas de aire en la termósfera están muy separadas.

• La exosfera o exósfera es la capa de la atmósfera terrestre en la que los gases se dispersan poco a poco con la altura, hasta que la composición es similar a la del espacio exterior. Es la última capa de la atmósfera, y se localiza por encima de la termopausa (situada a unos 500-1.000 metros de altitud, aproximadamente), alcanzando los 2.000-10.000 kilómetros de altura, donde existe prácticamente el vacío. En esta capa la temperatura no varía y el aire pierde sus cualidades físico-químicas, teniendo una densidad despreciable. Como la fuerza de atracción gravitatoria de la Tierra es muy reducida a esta distancia, los gases más livianos (hidrógeno y helio) escapan hacia el espacio interplanetario.

Además de esta división de la atmósfera terrestre en capas concéntricas, se reconocen (atendiendo a diferentes propiedades) una serie de regiones atmosféricas:

• La ozonosfera u ozonósfera es la región de la estratosfera terrestre que contiene una concentración relativamente alta de ozono. Esta región, que se extiende aproximadamente desde los 15 hasta los 50 kilómetros de altitud, reúne el 90% del ozono presente en la atmósfera y absorbe el 97-99% de la radiación ultravioleta de alta frecuencia.
• La ionosfera o ionósfera es la región de la atmósfera terrestre permanentemente ionizada, como resultado de la fotoionización que provoca la radiación solar. Ocupa las capas altas de la mesosfera y toda la termosfera, extendiéndose en promedio desde los 80 hasta los 500 kilómetros de altitud, aproximadamente. Entre las propiedades de la ionosfera, esta capa contribuye esencialmente en la reflexión de las ondas de radio emitidas desde la superficie terrestre, lo que posibilita que éstas puedan viajar grandes distancias sobre la Tierra.
• La magnetosfera o magnetósfera es la región que hay alrededor de un planeta con campo magnético (en este caso, la Tierra) y que queda limitada en su parte más externa por este. El campo magnético del planeta desvía la mayor parte del viento solar, formando un escudo protector contra las partículas cargadas de alta energía procedentes del Sol; como resultado de la intensidad del viento solar, la magnetosfera terrestre queda deformada, adquiriendo un aspecto achatado en la parte más próxima al Sol (el que ejerce resistencia) y alargado en el lado opuesto (el que es arrastrado). El límite superior de la magnetosfera, llamado magnetopausa, se localiza a unos 60.000 kilómetros de altura en su punto más bajo (el más próximo al Sol) y a unos 300.000 kilómetros en su punto más alto (el más alejado del Sol).
• Las capas de airglow son capas situadas cerca de la mesopausa que se caracterizan por la luminiscencia (incluso nocturna) causada por la reestructuración de átomos en forma de moléculas que habían sido ionizadas por la luz solar durante el día, o por rayos cósmicos. Las principales capas son la del OH, localizada a unos 85 km, y la del O₂, situada a unos 95 km de altura, ambas con un grosor aproximado de unos 10 kilómetros.

Atmósfera terrestre. Autor: desconocido.

Funciones de la atmósfera:

• Fricción atmosférica:

La atmósfera terrestre, protegida por el campo magnético de la Tierra, sirve a su vez como escudo protector para el planeta, reduciendo o anulando los efectos de los impactos de enorme energía que tienen lugar a diario sobre su superficie. Sin la atmósfera, la velocidad de colisión de los objetos espaciales que impactan a la Tierra sería la suma de su propia velocidad inercial espacial (medida desde nuestro planeta) más la aceleración provocada por la gravitación terrestre.

Pero debido a la presencia de la atmósfera terrestre, la energía cinética de los meteoritos se transforma en calor por la fricción de los mismos en el aire, reduciéndose su velocidad y su tamaño (la fricción es la manifestación macroscópica de una transferencia de energía cinética o su transformación en otro tipo de energía, por la que un cuerpo «pierde» movimiento cediéndoselo a otro, ya sea transfiriéndole parte de su propio movimiento o transformándose en movimientos moleculares (calor, vibración sonora, etc).

• Velocidad constante en caída libre:

Un cuerpo en caída libre dentro de la atmósfera puede tener velocidad decreciente, dado que la atracción gravitacional produce un movimiento uniformemente acelerado solamente en el vacío. Si un cuerpo comienza a caer atravesando la atmósfera, se va acelerando hasta que su peso es igual a la fuerza de fricción que se produce por el desplazamiento dentro del aire. En ese momento deja de acelerar, y su velocidad comienza a decrecer a medida que la atmósfera aumenta su densidad, provocando una fuerza de fricción mayor.

La desaceleración de la velocidad de caída puede deberse no sólo a la densidad de la atmósfera sino también a la variación del área de sección atravesada, lo que aumenta la fricción. Los acróbatas aéreos de caída libre pueden variar su velocidad de caída acelerando o desacelerando: si se desplazan de cabeza aceleran hasta equilibrar su peso, y si abren los brazos y piernas desaceleran.

• Ciclos biogeoquímicos:

La atmósfera tiene una gran importancia en los ciclos biogeoquímicos. La composición actual de la atmósfera es debida a la actividad de la biosfera (fotosíntesis), controla el clima y el ambiente en el que vivimos, y engloba dos de los tres elementos esenciales (nitrógeno y carbono), aparte del oxígeno. La actividad del hombre está modificando su composición, como el aumento del dióxido de carbono o el metano, incrementando el efecto invernadero o el óxido de nitrógeno, que genera la lluvia ácida.

• Filtro de las radiaciones solares:

Las radiaciones solares nocivas, como la ultravioleta, son absorbidas casi en un 90% por la capa de ozono de la estratosfera. La actividad mutágena de dicha radiación es muy elevada, originado dímeros de timina que inducen la aparición de melanoma en la piel. Sin ese filtro, la vida fuera de la protección del agua no sería posible.

• Efecto invernadero:

Gracias a la atmósfera, la Tierra no tiene grandes contrastes térmicos; debido al efecto invernadero natural, que está producido por todos los componentes gaseosos del aire, que absorben gran parte de la radiación infrarroja re-emitida por la superficie terrestre; este calor queda retenido en la atmósfera en vez de perderse en el espacio gracias a dos características físicas del aire: (1) su compresibilidad, que comprime el aire en contacto con la superficie terrestre por el propio peso de la atmósfera, lo que, a su vez, determina la mayor absorción de calor del aire sometido a mayor presión, y (2) la diatermancia, que significa que la atmósfera deja pasar a la radiación solar casi sin calentarse (la absorción directa de calor procedente de los rayos solares es muy escasa), mientras que absorbe gran cantidad del calor oscuro reenviado por la superficie terrestre y, sobre todo, acuática de nuestro planeta.

Este efecto invernadero tiene un papel clave en las suaves temperaturas medias del planeta. Así, teniendo en cuenta la constante solar (calorías que llegan a la superficie de la Tierra por centímetro cuadrado y por minuto), la temperatura media del planeta sería de -27 °C, incompatible con la vida tal y como la conocemos; en cambio, su valor real es de unos 15 °C, debido precisamente al efecto invernadero.

Evolución de la atmósfera terrestre:

La composición de la atmósfera terrestre no permanece estacionaria, sino que varía con el paso del tiempo por diversas causas. Además, los elementos ligeros escapan continuamente de la gravedad terrestre; de hecho, en la actualidad se fugan unos tres kilogramos de hidrógeno y 50 gramos de helio cada segundo, cifras que en escala geológica (que se mide en millones de años) resultan decisivas, aunque compensan, al menos en gran parte, la materia recibida del Sol en forma de energía.

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Figuras:
Las siguientes figuras tienen una licencia Creative Commons Attribution 3.0 Unported o posterior. Para la publicación de las mismas en otros sitios web debe referenciarse al autor y su página web.
–Colaboradores de Wikipedia (2013). “Atmósfera.svg”. Wikipedia, la enciclopedia libre: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b0/Atm%C3%B3sfera.svg
–Colaboradores de Wikipedia (2013). “Composición de la atmósfera terrestre (aire seco, porcentajes por volumen)”. Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sfera_terrestre

Es probable que la siguiente figura tenga copyright. Para la publicación de la misma en otros sitios web debe referenciarse la dirección web que se indica en ella.
–Hukm e Azaan (2009). “How Much We Know About Atmosphere?». Hukm e Azaan: http://www.hukmeazaan.com/wp-content/uploads/2012/09/earth-atmosphere-wallpapers.jpg

La siguiente figura es de dominio público.
–Colaboradores de Wikipedia (2013). “Full moon partially obscured by atmosphere.jpg”. Wikipedia, la enciclopedia libre: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/df/Full_moon_partially_obscured_by_atmosphere.jpg

Fuentes:
–Colaboradores de Wikipedia (2013). «Aire». Wikipedia, la enciclopedia libre: http://es.wikipedia.org/wiki/Aire
–Colaboradores de Wikipedia (2013). «Airglow». Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Capas_de_airglow
–Colaboradores de Wikipedia (2013). «Atmósfera terrestre». Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sfera_terrestre
–Colaboradores de Wikipedia (2013). «Capa de ozono». Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Ozonosfera
–Colaboradores de Wikipedia (2013). «Estratosfera». Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Estratosfera
–Colaboradores de Wikipedia (2013). «Exosfera». Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Exosfera
–Colaboradores de Wikipedia (2013). «Homosfera». Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Homosfera
–Colaboradores de Wikipedia (2013). «Ionosfera». Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Ionosfera
–Colaboradores de Wikipedia (2013). «Magnetosfera». Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Magnetosfera
–Colaboradores de Wikipedia (2013). «Mesosfera». Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Mesosfera
–Colaboradores de Wikipedia (2013). «Termosfera». Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Termosfera
–Colaboradores de Wikipedia (2013). «Troposfera». Wikipedia, la enciclopedia libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Troposfera
–Costa, M. et al. (2009). Ciències de la Terra i del Medi Ambient. Ed. Castellnou, Barcelona.
–Escamilla, R. (2010). «Modelo Atmosférico y de Radiación Solar para Reconocimiento de Firmas Espectrales». Proyecto Final de Carrera, Universidad Politécnica de Cataluña: http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/9992/1/PFC_Raul_Escamilla.pdf