8.3: Atmósfera de la Tierra

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Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrás:

Diferenciar entre las diversas capas atmosféricas de
Describir la composición química y los posibles orígenes de nuestra atmósfera
Explicar la diferencia entre el clima y el clima

Vivimos en el fondo del océano de aire que envuelve nuestro planeta. La atmósfera, que pesa sobre la superficie de la Tierra bajo la fuerza de la gravedad, ejerce una presión al nivel del mar que los científicos definen como 1 bar (término que proviene de la misma raíz que barómetro, instrumento utilizado para medir la presión atmosférica). Una barra de presión significa que cada centímetro cuadrado de la superficie de la Tierra tiene un peso equivalente a 1.03 kilogramos presionándola hacia abajo. Los humanos han evolucionado para vivir a esta presión; hacer que la presión sea mucho menor o mayor y no funcionamos bien.

La masa total de la atmósfera terrestre es de aproximadamente 5 × 10 ¹⁸ kilogramos. Esto suena como un gran número, pero es sólo alrededor de una millonésima parte de la masa total de la Tierra. La atmósfera representa una fracción menor de la Tierra que la fracción de tu masa representada por el pelo de tu cabeza.

Estructura de la Atmósfera

La estructura de la atmósfera se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\). La mayor parte de la atmósfera se concentra cerca de la superficie de la Tierra, dentro de aproximadamente los 10 kilómetros inferiores donde se forman las nubes y los aviones vuelan. Dentro de esta región —llamada troposfera — el aire caliente, calentado por la superficie, se eleva y es reemplazado por corrientes descendentes de aire más frío; este es un ejemplo de convección. Esta circulación genera nubes y viento. Dentro de la troposfera, la temperatura disminuye rápidamente al aumentar la elevación a valores cercanos a los 50 °C por debajo del punto de congelación en su límite superior, donde comienza la estratosfera. La mayor parte de la estratosfera, que se extiende a unos 50 kilómetros sobre la superficie, es fría y libre de nubes.

Figura\(\PageIndex{1}\) Estructura de la Atmósfera de la Tierra. La altura aumenta hasta el lado izquierdo del diagrama, y los nombres de las diferentes capas atmosféricas se muestran a la derecha. En la ionosfera superior, la radiación ultravioleta del Sol puede despojar electrones de sus átomos, dejando la atmósfera ionizada. La línea roja curva muestra la temperatura (ver la escala en el eje x).

Cerca de la parte superior de la estratosfera se encuentra una capa de ozono (O ₃), una forma pesada de oxígeno con tres átomos por molécula en lugar de los dos habituales. Debido a que el ozono es un buen absorbente de la luz ultravioleta, protege la superficie de parte de la peligrosa radiación ultravioleta del Sol, haciendo posible que la vida exista en la Tierra. La ruptura del ozono agrega calor a la estratosfera, invirtiendo la tendencia decreciente de temperatura en la troposfera. Debido a que el ozono es esencial para nuestra supervivencia, reaccionamos con preocupación justificada ante pruebas que quedaron claras en la década de 1980 que el ozono atmosférico estaba siendo destruido por las actividades humanas. Por acuerdo internacional, la producción de productos químicos industriales que causan el agotamiento del ozono, llamados clorofluorocarbonos, o CFC, ha sido suprimida gradualmente. Como resultado, la pérdida de ozono se ha detenido y el “agujero de ozono” sobre la Antártida se está reduciendo gradualmente. Este es un ejemplo de cómo la acción internacional concertada puede ayudar a mantener la habitabilidad de la Tierra.

Visita el estudio de visualización científica de la NASA para ver un breve video de lo que habría pasado con la capa de ozono de la Tierra para 2065 si no se hubieran regulado los CFC.

A alturas superiores a los 100 kilómetros, la atmósfera es tan delgada que los satélites orbitantes pueden pasar a través de ella con muy poca fricción. Muchos de los átomos están ionizados por la pérdida de un electrón, y esta región a menudo se llama la ionosfera. A estas elevaciones, los átomos individuales pueden escapar ocasionalmente por completo del campo gravitacional de la Tierra. Hay una fuga continua y lenta de la atmósfera, especialmente de los átomos ligeros, que se mueven más rápido que los pesados. La atmósfera terrestre no puede, por ejemplo, aguantar por mucho tiempo al hidrógeno o al helio, que escapan al espacio. La Tierra no es el único planeta que experimenta fugas atmosféricas. Las fugas atmosféricas también crearon la delgada atmósfera de Marte. La atmósfera seca de Venus evolucionó porque su proximidad al Sol vaporizó y disoció cualquier agua, con los gases componentes perdidos en el espacio.

Composición atmosférica y origen

En la superficie de la Tierra, la atmósfera consiste en 78% de nitrógeno (N ₂), 21% de oxígeno (O ₂) y 1% de argón (Ar), con trazas de vapor de agua (H ₂ O), dióxido de carbono (CO ₂) y otros gases. También se encuentran suspendidas en el aire cantidades variables de partículas de polvo y gotas de agua.

Un censo completo de los materiales volátiles de la Tierra, sin embargo, debería mirar más que el gas que ahora está presente. Los materiales volátiles son aquellos que se evaporan a una temperatura relativamente baja. Si la Tierra estuviera un poco más cálida, algunos materiales que ahora son líquidos o sólidos podrían pasar a formar parte de la atmósfera. Supongamos, por ejemplo, que nuestro planeta se calentara por encima del punto de ebullición del agua (100 °C, o 373 K); eso es un cambio grande para los humanos, pero un pequeño cambio en comparación con el rango de temperaturas posibles en el universo. A 100 °C, los océanos hervirían y el vapor de agua resultante pasaría a formar parte de la atmósfera.

Para estimar cuánto vapor de agua se liberaría, tenga en cuenta que hay suficiente agua para cubrir toda la Tierra a una profundidad de unos 300 metros. Debido a que la presión ejercida por 10 metros de agua es igual a aproximadamente 1 bar, la presión promedio en el fondo oceánico es de aproximadamente 300 bares. El agua pesa lo mismo ya sea en forma líquida o de vapor, por lo que si los océanos se evaporan, la presión atmosférica del agua seguiría siendo de 300 bares. Por lo tanto, el agua dominaría en gran medida la atmósfera de la Tierra, con nitrógeno y oxígeno reducidos al estado de oligoconstituyentes.

En una Tierra más cálida, se encontraría otra fuente de atmósfera adicional en las rocas carbonatadas sedimentarias de la corteza. Estos minerales contienen abundante dióxido de carbono. Si todas estas rocas se calentaran, liberarían alrededor de 70 bares de CO2, mucho más que la presión actual de CO ₂ de solo 0.0005 bar. Así, la atmósfera de una Tierra cálida estaría dominada por vapor de agua y dióxido de carbono, con una presión superficial cercana a los 400 bares.

Varias líneas de evidencia muestran que la composición de la atmósfera terrestre ha cambiado a lo largo de la historia de nuestro planeta. Los científicos pueden inferir la cantidad de oxígeno atmosférico, por ejemplo, estudiando la química de los minerales que se formaron en diversos momentos. Examinamos este tema con más detalle más adelante en este capítulo.

Hoy vemos que CO _{2, H ₂} O, dióxido de azufre (SO ₂), y otros gases son liberados desde lo más profundo dentro de la Tierra a través de la acción de los volcanes. (Para el CO ₂, la fuente primaria hoy en día es la quema de combustibles fósiles, que libera mucho más CO ₂ que el de las erupciones volcánicas). Gran parte de este gas aparentemente nuevo, sin embargo, es material reciclado que ha sido subducido a través de tectónica de placas. Pero, ¿de dónde vino la atmósfera original de nuestro planeta?

Existen tres posibilidades para la fuente original de la atmósfera y los océanos de la Tierra: (1) la atmósfera podría haberse formado con el resto de la Tierra a medida que se acumulaba a partir de los escombros sobrantes de la formación del Sol; (2) podría haber sido liberada del interior a través de la actividad volcánica, posterior a la formación de la Tierra; o (3) puede haber sido derivada de impactos de cometas y asteroides de las partes exteriores del sistema solar. La evidencia actual favorece una combinación del interior y las fuentes de impacto.

Clima y Tiempo

Todos los planetas con atmósferas tienen clima, que es el nombre que le damos a la circulación de la atmósfera. La energía que alimenta el clima se deriva principalmente de la luz solar que calienta la superficie. Tanto la rotación del planeta como los cambios estacionales más lentos provocan variaciones en la cantidad de luz solar que golpea diferentes partes de la Tierra. La atmósfera y los océanos redistribuyen el calor de zonas más cálidas a frías. El clima en cualquier planeta representa la respuesta de su atmósfera a las cambiantes entradas de energía del Sol (ver Figura\(\PageIndex{2}\) para un ejemplo dramático).

alt — Figura\(\PageIndex{2}\) Tormenta desde el espacio: Esta imagen de satélite muestra el huracán Irene en 2011, poco antes de que la tormenta azotara tierra en la ciudad de Nueva York. La combinación del eje de rotación inclinado de la Tierra, la rotación moderadamente rápida y los océanos de agua líquida puede conducir a un clima violento en nuestro planeta.

Clima es un término utilizado para referirse a los efectos de la atmósfera que perduran a través de décadas y siglos. Los cambios en el clima (a diferencia de las variaciones aleatorias del clima de un año a otro) suelen ser difíciles de detectar en periodos cortos de tiempo, pero a medida que se acumulan, su efecto puede ser devastador. Un dicho es que “El clima es lo que esperas, y el clima es lo que obtienes”. La agricultura moderna es especialmente sensible a la temperatura y las precipitaciones; por ejemplo, los cálculos indican que una caída de solo 2 °C a lo largo de la temporada de crecimiento reduciría a la mitad la producción de trigo en Canadá y Estados Unidos. En el otro extremo, un aumento de 2 °C en la temperatura promedio de la Tierra sería suficiente para derretir muchos glaciares, incluida gran parte de la capa de hielo de Groenlandia, elevar el nivel del mar hasta en 10 metros, inundar muchas ciudades y puertos costeros, y poner pequeñas islas completamente bajo el agua.

Los cambios mejor documentados en el clima de la Tierra son las grandes edades de hielo, que han bajado la temperatura del Hemisferio Norte periódicamente durante el último medio millón de años más o menos (Figura\(\PageIndex{3}\)). La última edad de hielo, que terminó hace unos 14 mil años, duró unos 20 mil años. A su altura, el hielo tenía casi 2 kilómetros de espesor sobre Boston y se extendía tan al sur como la ciudad de Nueva York.

alt — Figura Edad\(\PageIndex{3}\) de Hielo. Esta imagen generada por computadora muestra las áreas congeladas del hemisferio norte durante las épocas de hielo pasadas desde el punto de vista de mirar hacia abajo en el Polo Norte. El área en negro indica la glaciación más reciente (cobertura por glaciares), y la zona en gris muestra el nivel máximo de glaciación jamás alcanzado.

Estas edades de hielo fueron principalmente el resultado de cambios en la inclinación del eje de rotación de la Tierra, producidos por los efectos gravitacionales de los otros planetas. Estamos menos seguros acerca de la evidencia de que al menos una vez (y quizás dos veces) hace unos mil millones de años, todo el océano se congeló, una situación llamada bola de nieve Tierra.

El desarrollo y evolución de la vida en la Tierra también ha producido cambios en la composición y temperatura de la atmósfera de nuestro planeta, como veremos en la siguiente sección.

Conceptos clave y resumen

La atmósfera tiene una presión superficial de 1 bar y está compuesta principalmente por\(N_2\) y\(O_2\), además de gases traza tan importantes como\(H_2O\),\(CO_2\), y\(O_3\). Su estructura consiste en la troposfera, estratosfera, mesosfera e ionosfera. Cambiar la composición de la atmósfera también influye en la temperatura. La circulación atmosférica (clima) es impulsada por la deposición de luz solar que cambia estacionalmente. Muchas variaciones climáticas a largo plazo, como las edades de hielo, están relacionadas con cambios en la órbita y la inclinación axial del planeta.

Glosario

bar: una fuerza de 100,000 Newtons que actúa sobre una superficie de 1 metro cuadrado; la presión promedio de la atmósfera terrestre al nivel del mar es de 1.013 bares

ozono: (\(\ce{O3}\)) una molécula pesada de oxígeno que contiene tres átomos en lugar de los dos más normales

estratosfera: la capa de la atmósfera terrestre por encima de la troposfera y por debajo de la ionosfera

troposfera: el nivel más bajo de la atmósfera de la Tierra, donde se produce la mayor parte del clima