LA ATMÓSFERA: FUNCIONES
FUNCIÓN PROTECTORA DE LA ATMÓSFERA
El calor de un objeto se puede transferir por conducción, convección o como radiación electromagnética. La conducción carece de importancia en Meteorología, en cambio, la convección es muy importante en los océanos y en la atmósfera, mientras que la transferencia de calor por la radiación electromagnética es la única forma en que esta energía pueda viajar a través del espacio, y así es como llega la energía solar a la Tierra, con unas longitudes de onda comprendidas entre 0,17 µm y 4 µm (1 µm = 10*-3 mm).
Los rayos solares abarcan una amplia gama del espectro electromagnético, dicha radiación es filtrada por la atmósfera y no toda llega a la Tierra.
En la termosfera se absorben las radiaciones de onda menores de 0,2 µm (200 nm), es decir, los rayos gamma, los rayos X y parte de los ultravioleta. El nitrógeno absorbe la radiación menor de 0,1 µm y el oxígeno molecular las comprendidas entre 0,1 y 0,2 µm.
En la estratosfera se absorbe, gracias al ozono, la radiación entre 0,2 y 0,3 µm (ultravioleta corto). La evolución biológica es posible gracias a la capa protectora llamada ozonosfera. El ozono rápidamente se destruye por la radiación ultravioleta formándose oxígeno molecular y atómico, este último vuelve a iniciar el proceso de formación de ozono, manteniendo un equilibrio natural
Molécula de ozono
Cuando los rayos llegan a la troposfera, los rayos más perjudiciales para los seres vivos han desaparecido totalmente. Los rayos hasta 4 µm (400 nm) llegan a la superficie de la Tierra y son utilizados para la realización de la fotosíntesis, iluminación terrestre y el calentamiento de la Tierra.
Formación, destrucción y reacciones del ozono en la estratosfera
El ozono está continuamente formándose y destruyéndose en la estratosfera, en una serie de reacciones, llamadas reacciones de Chapman, que se pueden simplificar así:
Formación del ozono
O2 + radiación (< 240 nm) ----> O + O
O + O2 ---------------------------> O3 + calor
Destrucción del ozono
O3 + radiación (< 320 nm) ----> O + O2
O + O3 ----------------------------> O2 + O2
Formación del ozono: Como se observa en la reacción, los enlaces de la molécula de oxígeno se pueden romper al absorber la energía de un fotón de radiación ultravioleta de ongitud de onda menor de 240 nm, formando dos átomos de oxígeno libres. En la segunda reacción, un átomo de oxígeno libre reacciona con una molécula de oxígeno formando una de ozono.
Destrucción del ozono: Se observa que las moléculas de ozono absorben radiaciones ultravioleta de menos de 320 nm, rompiéndose en moléculas de oxígeno más átomos de oxígeno libres. Posteriormente, los átomos de oxígeno libres reaccionan con más moléculas de ozono formándose oxígeno molecular.
En este conjunto de reacciones, el átomo de oxígeno libre formado en las reacciones encuentra una molécula de oxígeno, y se une a ella formando de nuevo ozono. Este sistema de reacciones es muy interesante porque se absorben radiaciones de baja longitud de onda, mientras que no se reemiten radiaciones de ese tipo, sino de mucha mayor longitud de onda (calor), con lo que su resultado global es convertir radiaciones UV en calor.
No debe considerarse el proceso natural de destrucción del ozono como una pérdida de ozono, ya que inmediatamente se reinicia su formación, sino el mecanismo por el cual el ozono absorbe totalmente la radiación ultravioleta en el rango 200-300 nm (UV-C), que son más energéticas, evitando así sus efectos nocivos.
En conjunto, en condiciones normales, se forma un sistema en equilibrio en el que tantas moléculas de ozono se forman por unidad de tiempo como las que se destruyen, por lo que su concentración permanece constante. El ozono es mucho más raro que el oxígeno normal en la alta atmósfera. De cada 10 millones de moléculas de aire, unos 2 millones son oxígeno normal y sólo 3 moléculas son de ozono.
Como veremos en la contaminación atmosférica, diversas substancias como los óxidos de nitrógeno (NO y NO2), el hidrógeno y sus óxidos (H, OH, and HO2) y el cloro y sus óxidos (Cl, ClO y ClO2) actúan como catalizadores acelerando la destrucción del ozono. En esta reacción es donde inciden de forma mas relevante las substancias de origen humano que destruyen la capa de ozono.
FUNCIÓN REGULADORA DE LA ATMÓSFERA
Ya hemos visto que la atmósfera absorbe, de forma selectiva, las distintas longitudes de onda de la radiación solar. Así en la ionosfera o termosfera se absorben las radiaciones de onda corta y alta energía (rayos X y gamma), mientras que en la ozonosfera se absorbe gran parte de la radiación ultravioleta, especialmente la de mayor energía y de efectos más letales para la vida.
Albedo terrestre
De la radiación visible, parte es reflejada por las nubes o por la superficie terrestre, siendo devuelta al exterior. Es el llamado albedo, que es del 30-35% en el caso de la Tierra.
Las superficies claras presentan mayor albedo que las oscuras. Así, las nubes, el hielo y la nieve son las superficies con mayor albedo mientras que los bosques, los océanos y, en definitiva, la roca pelada tiene un albedo inferior. La Tierra tiene un albedo de alrededor del 31,3% causado en su mayor parte por las nubes y los casquetes polares.
El albedo terrestre procede en un 22,5% nubes y la difusión atmosférica, y un 8,8% de la superficie terrestre. Las nubes y los gases atmosféricos (dispersión atmosférica) reflejan hacia el espacio el 22,5% de la radiación solar incidente. Aproximadamente un 12% de la radiación incidente es difundida por el aire de las que el 5% es difundido hacia la superficie terrestre y el 7% se pierde en el espacio. El 28,7% de la radiación solar llega directamente a la Tierra siendo reflejado directamente al espacio exterior un 8,8%.
Del 70% restante, la atmósfera absorbe un 23% y la superficie de La Tierra un 47%.
Las ondas correspondientes al espectro visible atraviesan la atmósfera y alcanzan la superficie terrestre, sin producir calentamiento aparente de aquélla. Las radiaciones infrarrojas, de menor energía, son absorbidas por el O2, vapor de H2O y otros gases atmosféricos y producen un aumento de la temperatura.
Los rayos solares de onda corta que llegan a la Tierra se degradan y son emitidos otra vez desde el suelo y los océanos (radiación terrestre) hacia la atmósfera en forma de radiación infrarroja de onda larga (4-50 µm); la atmósfera es opaca a casi toda esta radiación, así que es absorbida por el vapor de agua, el CO2 y el ozono, lo cual provoca el calentamiento de la Tierra.
Esta radiación absorbida y convertida en calor es reemitida y radiada una parte hacia el espacio y otra, hacia la superficie de la Tierra (contrarradiación atmosférica) provocando el efecto invernadero natural. Este hecho es importantísimo porque hace que la temperatura de la Tierra sea de unos 15ºC, de no existir la atmósfera la temperatura terrestre sería de -18ºC.
Comparación del efecto invernadero natural de varios planetas con atmósfera
Se denominan gases de efecto invernadero (GEI) o gases de invernadero a los gases cuya presencia en la atmósfera contribuye al efecto invernadero. Los más importantes están presentes en la atmósfera de manera natural (vapor de agua, CO2 y metano), aunque su concentración puede verse modificada por la actividad humana, pero también entran en este concepto algunos gases artificiales, producto de la industria (NOx, CFCs...).
Animación efecto invernadero y gases responsables
http://aliusmedia.com/admin/fotos/infografia/GreenhouseES2706/index1.html
Así, el efecto invernadero natural es un fenómeno atmosférico que se manifiesta por la retención del calor que proviene directamente del Sol, así como del que se refracta del suelo después de que el Sol lo ha calentado. Esta retención de calor –semejante a la que se realiza en los invernaderos–, es aumentada por contaminantes como el dióxido de carbono, que al acumularse cerca de la superficie terrestre, impide que el calor se disipe en las capas atmosféricas. Con el efecto invernadero se permite que el dióxido de carbono tenga la capacidad de actuar como condensador de calor.
BALANCE DE CALOR
La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo, por lo que ha de existir un balance entre la cantidad de radiación solar entrante y la radiación terrestre saliente, sino se calentaría o enfriaría continuamente. Por lo tanto debe existir un balance de calor, que se produce en dos formas:
1. Balance de energía total tierra/atmósfera. La cantidad de energía que llega a la superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmósfera, tiene que ser igual a la cantidad de energía que se refleja desde la superficie mas la que emite la Tierra al espacio.
2. Balance de energía entre diferentes zonas del planeta. En promedio la zona latitudinal entre 35ºN y 35ºS reciben mas energía que la que pierden y lo contrario ocurre en zonas polares. Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones más cálidas del planeta, lo contrario se produce en altas latitudes, donde se pierde mas calor por emisión de radiación de onda larga que la recibida en onda corta del Sol. Pero estas zonas no se calientan ni enfrían continuamente, por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con déficit de calor. Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa, que lo realizan la atmósfera y los océanos a través de los vientos y las corrientes
En resumen, la energía recibida y emitida por el sistema tierra - atmósfera es la misma, hay ganancia de energía entre los trópicos y pérdida en zonas polares, el exceso y déficit es balanceado por la circulación general de la atmósfera y de los océanos. Además el balance de radiación de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa, composición de la atmósfera, el ángulo de incidencia del Sol y la longitud del día. Así las áreas de exceso y déficit de energía migran estacionalmente con los cambios en la longitud del día y del ángulo de inclinación del Sol.
Si de la radiación efectiva recibida por el suelo restamos la que se pierde, obtenemos el 29% de la constante solar, radiación que queda atrapada en el planeta. Esto es lo que se utiliza para calentar la tierra y el aire, evaporar agua, derretir nieve etc. Es decir en producir el Tiempo y Clima. Se trata del combustible con el que trabajan la atmósfera y los océanos
El desequilibrio que se produce en el sistema superficie-atmósfera (+29 y -29%) se compensa al transferir esa energía a través en forma de movimiento de las masas de aire caliente que suben y masas frías que bajan (calor sensible), más la energía de evaporación de agua de los océanos y la condensación en la atmósfera (calor latente).
A través de los fenómenos meteorológicos que tienen lugar en la atmósfera se produce ese reequilibrio del calor y que conforman las diferentes zonas climáticas del planeta.
ver calor sensible y calor latente
La CIRCULACIÓN ATMOSFÉRICA a través de los movimientos de las masas de aire y los cambios de estado del agua junto con la CIRCULACIÓN OCEÁNICA redistribuyen dicha energía estableciendo un flujo desde las zonas con exceso hasta las deficitarias, originando la zonación climática de la Tierra.
