1.4: La Atmósfera

INTRODUCCIÓN

La atmósfera, la capa gaseosa que rodea la tierra, se formó hace más de cuatro mil millones de años. Durante la evolución de la tierra sólida, las erupciones volcánicas liberaron gases a la atmósfera en desarrollo. Suponiendo que la desgasificación fue similar a la de los volcanes modernos, los gases liberados incluyeron: vapor de agua (H2O), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), ácido clorhídrico (HCl), metano (CH4), amoníaco (NH3), nitrógeno (N2) y gases de azufre. La atmósfera se redujo debido a que no había oxígeno libre. La mayor parte del hidrógeno y helio que se desgasificaron eventualmente habrían escapado al espacio exterior debido a la incapacidad de la gravedad de la tierra para aferrarse a sus pequeñas masas. También puede haber habido contribuciones significativas de volátiles de los bombardeos meteoriticos masivos que se sabe que ocurrieron temprano en la historia de la tierra.

El vapor de agua en la atmósfera se condensó y llovió, formando finalmente lagos y océanos. Los océanos proporcionaron hogares para los primeros organismos que probablemente fueron similares a las cianobacterias. El oxígeno fue liberado a la atmósfera por estos primeros organismos, y el carbono se secuestró en rocas sedimentarias. Esto condujo a nuestra actual atmósfera oxidante, que está compuesta principalmente por nitrógeno (aproximadamente 71 por ciento) y oxígeno (aproximadamente 28 por ciento). El vapor de agua, el argón y el dióxido de carbono juntos comprenden una fracción mucho menor (aproximadamente el 1 por ciento). La atmósfera también contiene varios gases en trazas, como helio, neón, metano y óxido nitroso. Un gas traza muy importante es el ozono, que absorbe la dañina radiación UV del sol.

ESTRUCTURA ATMOSFÉRICA

La atmósfera terrestre se extiende hacia afuera hasta cerca de mil kilómetros donde transita al espacio interplanetario. No obstante, la mayor parte de la masa de la atmósfera (mayor al 99 por ciento) se ubica dentro de los primeros 40 kilómetros. El sol y la tierra son las principales fuentes de energía radiante en la atmósfera. La radiación del sol abarca las regiones de luz infrarroja, visible y ultravioleta, mientras que la radiación de la tierra es principalmente infrarroja.

El perfil vertical de temperatura de la atmósfera es variable y depende de los tipos de radiación que afectan a cada capa atmosférica. Esto, a su vez, depende de la composición química de esa capa (principalmente involucrando gases traza). En base a estos factores, la atmósfera puede dividirse en cuatro capas distintas: la troposfera, la estratosfera, la mesosfera y la termosfera.

La troposfera es la capa atmosférica más cercana a la superficie terrestre. Se extiende alrededor de 8 a 16 kilómetros de la superficie terrestre. El grosor de la capa varía unos pocos km según la latitud y la estación del año. Es más grueso cerca del ecuador y durante el verano, y más delgado cerca de los polos y durante el invierno. La troposfera contiene el mayor porcentaje de la masa de la atmósfera en relación con las otras capas. También contiene alrededor del 99 por ciento del vapor de agua total de la atmósfera.

La temperatura de la troposfera es cálida (aproximadamente 17º C) cerca de la superficie de la tierra. Esto se debe a la absorción de radiación infrarroja de la superficie por el vapor de agua y otros gases de efecto invernadero (por ejemplo, dióxido de carbono, óxido nitroso y metano) en la troposfera. La concentración de estos gases disminuye con la altitud, y por lo tanto, el efecto de calentamiento es mayor cerca de la superficie. La temperatura en la troposfera disminuye a una velocidad de aproximadamente 6.5º C por kilómetro de altitud. La temperatura en su límite superior es muy fría (aproximadamente -60º C).

Debido a que el aire caliente sube y el aire frío cae, hay un vuelco convectivo constante de material en la troposfera. En efecto, el nombre troposfera significa “región de mezcla”. Por esta razón, todos los fenómenos meteorológicos ocurren en la troposfera. El vapor de agua evaporado de la superficie terrestre se condensa en las regiones superiores más frías de la troposfera y vuelve a caer a la superficie como lluvia. El polvo y los contaminantes inyectados en la troposfera se mezclan bien en la capa, pero eventualmente son lavados por la lluvia. Por lo tanto, la troposfera es autolimpiante.

Una zona estrecha en la parte superior de la troposfera se llama tropopausa. Efectivamente separa la troposfera subyacente y la estratosfera suprayacente. La temperatura en la tropopausa es relativamente constante. Aquí también ocurren fuertes vientos hacia el este, conocidos como la corriente en chorro.

La estratosfera es la siguiente capa atmosférica importante. Esta capa se extiende desde la tropopausa (aproximadamente 12 kilómetros) hasta aproximadamente 50 kilómetros por encima de la superficie terrestre. El perfil de temperatura de la estratosfera es bastante diferente al de la troposfera. La temperatura permanece relativamente constante hasta aproximadamente 25 kilómetros y luego aumenta gradualmente hasta el límite superior de la capa. La cantidad de vapor de agua en la estratosfera es muy baja, por lo que no es un factor importante en la regulación de la temperatura de la capa. En cambio, es el ozono (O3) el que provoca la inversión de temperatura observada.

La mayor parte del ozono en la atmósfera está contenido en una capa de la estratosfera de aproximadamente 20 a 30 kilómetros. Esta capa de ozono absorbe la energía solar en forma de radiación ultravioleta (UV), y la energía se disipa finalmente como calor en la estratosfera. Este calor conduce al aumento de la temperatura. El ozono estratosférico también es muy importante para los organismos vivos en la superficie de la tierra ya que los protege absorbiendo la mayor parte de la dañina radiación UV del sol. El ozono se produce y destruye constantemente en la estratosfera en un ciclo natural. Las reacciones básicas que involucran solo oxígeno (conocidas como las "Reacciones de Chapman “) son las siguientes:

La producción de ozono a partir de oxígeno molecular implica la absorción de radiación UV (UVA) de alta energía en la atmósfera superior. La destrucción del ozono por absorción de radiación UV implica radiación de energía moderada y baja (UVB y UVC). La mayor parte de la producción y destrucción de ozono ocurre en la estratosfera en latitudes más bajas donde la radiación ultravioleta es más intensa.

El ozono es muy inestable y se destruye fácilmente por reacciones con otras especies atmosféricas como nitrógeno, hidrógeno, bromo y cloro. De hecho, la mayor parte del ozono se destruye de esta manera. El uso de clorofluorocarbonos (CFC) por los humanos en las últimas décadas ha afectado en gran medida el ciclo natural del ozono al aumentar la velocidad de su destrucción debido a las reacciones con el cloro. Debido a que la temperatura de la estratosfera se eleva con la altitud, hay poca mezcla convectiva de los gases. Por lo tanto, la estratosfera es muy estable. Las partículas que se inyectan (como la ceniza volcánica) pueden permanecer en alto durante muchos años sin regresar al suelo. Lo mismo ocurre con los contaminantes producidos por los humanos. El límite superior de la estratosfera se conoce como la estratopausia, la cual está marcada por una disminución repentina de la temperatura.

La tercera capa en la atmósfera terrestre se llama mesosfera. Se extiende desde la estratopausia (unos 50 kilómetros) hasta aproximadamente 85 kilómetros sobre la superficie terrestre. Debido a que la mesosfera tiene cantidades insignificantes de vapor de agua y ozono para generar calor, la temperatura desciende a través de esta capa. Se calienta desde el fondo por la estratosfera. El aire es muy delgado en esta región con una densidad de alrededor de 1/1000 la de la superficie. Al aumentar la altitud esta capa se vuelve cada vez más dominada por gases más ligeros, y en los tramos exteriores, los gases restantes se estratifican por peso molecular.

La cuarta capa, la termosfera, se extiende hacia afuera desde unos 85 kilómetros hasta unos 600 kilómetros. Su límite superior está mal definido. La temperatura en la termosfera aumenta con la altitud, hasta 1500º C o más. Las altas temperaturas son el resultado de la absorción de radiación solar intensa por parte de las últimas moléculas de oxígeno restantes. La temperatura puede variar sustancialmente dependiendo del nivel de actividad solar.

La región inferior de la termosfera (hasta unos 550 kilómetros) también se conoce como la ionosfera. Debido a las altas temperaturas en esta región, las partículas de gas se ionizan. La ionosfera es importante porque refleja ondas de radio de la superficie terrestre, permitiendo la comunicación por radio de larga distancia. El fenómeno atmosférico visual conocido como la aurora boreal también ocurre en esta región. La región exterior de la atmósfera se conoce como la exósfera. La exosfera representa la transición final entre la atmósfera y el espacio interplanetario. Se extiende alrededor de 1000 kilómetros y contiene principalmente helio e hidrógeno. La mayoría de los satélites operan en esta región.

La radiación solar es la principal fuente de energía para el calentamiento atmosférico. La atmósfera se calienta cuando el vapor de agua y otros gases de efecto invernadero en la troposfera absorben la radiación infrarroja ya sea directamente del sol o re-irradiada desde la superficie terrestre. El calor del sol también evapora el agua del océano y transfiere calor a la atmósfera. La temperatura de la superficie terrestre varía con la latitud. Esto se debe al calentamiento desigual de la superficie terrestre. La región cercana al ecuador recibe luz solar directa, mientras que la luz solar golpea las latitudes más altas en ángulo y se dispersa y se extiende sobre un área más grande. El ángulo en el que la luz solar golpea las latitudes más altas varía durante el año debido a que el plano ecuatorial de la Tierra está inclinado 23.5º con respecto a su plano orbital alrededor del sol. Esta variación es responsable de las diferentes estaciones que experimentan las latitudes no ecuatoriales.

VIENTO

Las masas de aire de convección en la troposfera crean corrientes de aire conocidas como vientos, debido a diferencias horizontales en la presión del aire. Los vientos fluyen de una región de mayor presión a una de menor presión. El movimiento aéreo global comienza en la región ecuatorial porque recibe más radiación solar. El flujo general de aire desde el ecuador hacia los polos y hacia atrás se ve interrumpido, sin embargo, por la rotación de la tierra. La superficie terrestre viaja más rápido bajo la atmósfera en el ecuador y más lentamente en los polos. Esto hace que las masas de aire que se mueven hacia el norte se desvíen hacia la derecha, y las masas de aire que se mueven hacia el sur se desvíen hacia la izquierda. Esto se conoce como el "Efecto Coriolis”. El resultado es la creación de seis enormes celdas de convección situadas en diferentes latitudes. Cinturones de vientos superficiales predominantes forman y distribuyen aire y humedad sobre la tierra.

Las corrientes en chorro son bandas de viento extremadamente fuertes que se forman en o cerca de la tropopausa debido a grandes diferenciales de presión de aire. Las velocidades del viento pueden llegar hasta los 200 kilómetros por hora. En América del Norte, hay dos corrientes de chorro principales: la corriente de chorro polar, que se produce entre los occidentales y los orientales polares, y la corriente en chorro subtropical, que ocurre entre los vientos alisios y los occidentales.

CLIMA

El término clima se refiere a los cambios a corto plazo en las características físicas de la troposfera. Estas características físicas incluyen: temperatura, presión del aire, humedad, precipitación, nubosidad, velocidad y dirección del viento. La energía radiante del sol es la fuente de energía para el clima. Impulsa la mezcla convectiva en la troposfera que determina las condiciones climáticas atmosféricas y superficiales.

Ciertas condiciones atmosféricas pueden conducir a fenómenos meteorológicos extremos como tormentas eléctricas, inundaciones, tornados y huracanes. Se forma una tormenta eléctrica en una región de inestabilidad atmosférica, que a menudo ocurre en el límite entre frentes fríos y cálidos. El aire cálido y húmedo se eleva rápidamente (corriente ascendente) mientras que el aire más frío fluye hacia la superficie (corriente descendente). Las tormentas producen lluvias intensas, relámpagos y truenos. Si la inestabilidad atmosférica es muy grande y hay un gran aumento en la fuerza del viento con la altitud (cizalladura vertical del viento), la tormenta eléctrica puede llegar a ser severa. Una tormenta eléctrica severa puede producir inundaciones repentinas, granizo, violentos vientos superficiales y tornados.

Las inundaciones pueden ocurrir cuando las condiciones atmosféricas permiten que una tormenta permanezca en un área determinada por un período de tiempo, o cuando una tormenta eléctrica severa arroja grandes cantidades de lluvia en un corto período de tiempo. Cuando el suelo se satura de agua, el exceso de escorrentía desemboca en zonas bajas o ríos y provoca inundaciones.

Un tornado comienza en una tormenta eléctrica severa. La cizalladura vertical del viento hace que la corriente ascendente en la tormenta gire y forme un embudo. Las velocidades rotacionales del viento aumentan y el estiramiento vertical ocurre debido al momento angular. A medida que el aire se introduce en el núcleo del embudo, se enfría rápidamente y se condensa para formar una nube de embudo visible. La nube de embudo desciende a la superficie a medida que se aspira más aire. Las velocidades del viento en tornados pueden llegar a varios cientos de millas por hora. Los tornados son los más prevelantes en la región de las Grandes Llanuras de Estados Unidos, formándose cuando el aire polar seco frío de Canadá choca con el aire tropical cálido y húmedo del Golfo de México.

Un ciclón es un área de baja presión con vientos que soplan en sentido antihorario (hemisferio norte) o en sentido horario (hemisferio sur) a su alrededor. A los ciclones tropicales se les dan diferentes nombres dependiendo de su velocidad del viento. Los ciclones tropicales más fuertes del Océano Atlántico (la velocidad del viento supera las 74 millas por hora) se denominan huracanes. Estas tormentas se llaman tifones (Océano Pacífico) o ciclones (Océano Índico) en otras partes del mundo. Los huracanes son el más poderoso de todos los sistemas meteorológicos, caracterizados por fuertes vientos y fuertes lluvias sobre amplias áreas. Se forman sobre el cálido océano tropical y pierden intensidad rápidamente cuando se mueven sobre tierra. Los huracanes que afectan a los Estados Unidos continentales generalmente ocurren de junio a noviembre.

CORRIENTES OCEÁNICAS

La superficie de la tierra supera el 71 por ciento de agua, por lo que no es de extrañar que los océanos tengan un efecto significativo en el clima y el clima. Debido a la alta capacidad calorífica del agua, el océano actúa como un amortiguador de temperatura. Es por ello que los climas costeros son menos extremos que los climas interiores. La mayor parte del calor radiante del sol es absorbido por las aguas superficiales del océano y las corrientes oceánicas ayudan a distribuir este calor.

Las corrientes son el movimiento del agua en un patrón predecible. Las corrientes oceánicas superficiales son impulsadas principalmente por vientos predominantes. El “Efecto Coriolis” hace que las corrientes fluyan en patrones circulares. Estas corrientes ayudan a transportar calor desde los trópicos a las latitudes más altas. Dos grandes corrientes superficiales cerca de Estados Unidos son la corriente de California a lo largo de la costa oeste y la Corriente del Golfo a lo largo de la costa este. Las corrientes oceánicas profundas son impulsadas por diferencias en la temperatura y densidad del agua. Se mueven en un patrón convectivo.

El agua tibia menos densa (menor salinidad) en las regiones ecuatoriales se eleva y se mueve hacia las regiones polares, mientras que el agua fría más densa (mayor salinidad) en las regiones polares se hunde y se mueve hacia las regiones ecuatoriales. A veces esta fría agua profunda regresa a la superficie a lo largo de una costa en un proceso conocido como surgencia. Esta fría agua profunda es rica en nutrientes que sustentan caladeros productivos.

Aproximadamente cada tres a siete años, el agua caliente del Pacífico ecuatorial occidental se traslada al Pacífico ecuatorial oriental debido a los vientos alisios debilitados. El Océano Pacífico oriental se vuelve así más cálido de lo habitual por un período de aproximadamente un año. A esto se le conoce como El Niño. El Niño evita las crecimientos de agua fría rica en nutrientes a lo largo de la costa occidental de América del Sur. También impacta las condiciones climáticas globales. Algunas regiones reciben precipitaciones más pesadas de lo habitual, mientras que otras regiones sufren condiciones de sequía con precipitaciones inferiores a las habituales.

Probablemente la parte más importante del clima es la precipitación como lluvia o nevadas. El agua de los vastos océanos salados se evapora y cae sobre la tierra como agua dulce. Es la lluvia la que proporciona agua dulce para las plantas terrestres y los animales terrestres. Las nevadas invernales en regiones montañosas proporcionan un suministro almacenado de agua dulce que se derrite y desemboca en arroyos durante la primavera y el verano.

Las nubes atmosféricas son las generadoras de precipitación. Las nubes se forman cuando una masa de aire ascendente se enfría y la temperatura y la humedad son adecuadas para que ocurra la condensación. La condensación no ocurre espontáneamente, sino que requiere núcleos de condensación. Se trata de partículas de polvo o humo diminutas (menos de 1µm). La gotita de condensación es lo suficientemente pequeña (aproximadamente 20 µm) que es soportada por la atmósfera contra el tirón de la gravedad. El resultado visible de estas gotitas de condensación es una nube.

En las condiciones adecuadas, las gotitas pueden continuar creciendo por condensación continua sobre la gotita y/o coalescencia con otras gotitas a través de colisiones. Cuando las gotitas llegan a ser suficientemente grandes empiezan a caer como precipitación. Las gotas de lluvia típicas son de aproximadamente 2 mm de diámetro. Dependiendo de la temperatura de la nube y del perfil de temperatura de la atmósfera desde la nube hasta la superficie terrestre, pueden ocurrir diversos tipos de precipitación: lluvia, lluvia helada, aguanieve o nieve. Las tormentas muy fuertes pueden producir trozos de hielo relativamente grandes llamados granizo.

CLIMA

El clima puede considerarse como una medida del clima promedio de una región a lo largo de un período de tiempo. Al definir un clima, se debe tener en cuenta la geografía y el tamaño de la región. Un microclima podría involucrar un patio trasero en la ciudad. Un macroclima podría abarcar a un grupo de estados. Cuando toda la tierra está involucrada, es un clima global. Varios factores controlan climas a gran escala como latitud (intensidad de radiación solar), distribución de tierra y agua, patrón de vientos predominantes, intercambio de calor por las corrientes oceánicas, ubicación de regiones globales de alta y baja presión, altitud y ubicación de barreras montañosas.

El esquema más utilizado para clasificar el clima es el Sistema Köppen. Este esquema utiliza la temperatura y precipitación promedio anual y mensual para definir cinco tipos de clima:

1.	climas húmedos tropicales: la temperatura promedio mensual es siempre superior a 18°C
2.	climas secos: precipitación deficiente la mayor parte del año
3.	climas húmedos de latitudes medias con inviernos suaves
4.	climas húmedos de latitudes medias con inviernos severos
5.	climas polares: inviernos y veranos extremadamente fríos.

Usando el sistema Köppen y el dominio estacional de masas de aire a gran escala (por ejemplo, marítimas o continentales), las zonas climáticas de la tierra se pueden agrupar de la siguiente manera:

1.	húmedo tropical
2.	tropical húmedo y seco
3.	desierto tropical
4.	latitud media húmeda
5.	verano seco de latitud media
6.	invierno seco de latitud media
7.	húmedo polar
8.	desierto seco y polar

Los Ángeles tiene un clima de verano seco de latitud media, mientras que Nueva Orleans tiene un clima húmedo de latitud media.

Los datos de los registros climáticos naturales (por ejemplo, sedimentos oceánicos, anillos de árboles, núcleos de hielo antártico) muestran que el clima de la tierra cambió constantemente en el pasado, con períodos alternos de climas más fríos y cálidos. La edad de hielo más reciente terminó hace apenas unos 10 mil años. El sistema natural que controla el clima es muy complejo. Consiste en un gran número de mecanismos de retroalimentación que involucran procesos e interacciones dentro y entre la atmósfera, la biosfera y la tierra sólida.

Algunas de las causas naturales del cambio climático global incluyen la tectónica de placas (cambios en la masa terrestre y en la corriente oceánica), la actividad volcánica (polvo atmosférico y gases de efecto invernadero) y las variaciones a largo plazo en la órbita terrestre y el ángulo de su eje de rotación (variaciones absolutas y espaciales en la radiación solar).

Más recientemente, los factores antropogénicos (humanos) pueden estar afectando el clima global. Desde finales del siglo XIX, la temperatura promedio de la tierra ha aumentado alrededor de 0.3 a 0.6º C. Muchos científicos creen que esta tendencia al calentamiento global es el resultado de la mayor liberación de gases de efecto invernadero (por ejemplo, CO2) a la atmósfera a partir de la combustión de combustibles fósiles.