3.1: Composición Atmosférica
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Nuestra atmósfera es una mezcla dinámica de gases que envuelven la Tierra. Dos gases, nitrógeno y oxígeno, conforman la mayor parte de la atmósfera por volumen. De hecho, son importantes para mantener la vida e impulsar una serie de procesos cerca de la superficie de la Tierra. Muchos de los llamados “gases menores” (conocidos aquí como “gases variables”) juegan un papel igualmente importante en el sistema terrestre. Estos gases incluyen aquellos que tienen un impacto significativo en el presupuesto de calor y la disponibilidad de humedad a través de la Tierra. La atmósfera no es una masa homogénea de gases, sino que tiene una estructura estratificada definida por los cambios verticales de temperatura.
Se pueden identificar dos regiones amplias utilizando la composición del aire como medio para subdividir la atmósfera. La heteroesfera es la esfera más externa donde los gases se distribuyen en distintas capas por gravedad según su peso atómico. Extendiéndose desde una altitud de 80 km (50 mi), los elementos más ligeros (hidrógeno y helio) se encuentran en los márgenes exteriores de la atmósfera. Los elementos más pesados (nitrógeno y oxígeno) se encuentran en la base de la capa.
La homosfera se encuentra entre la superficie de la Tierra y la heteroesfera. Los gases se mezclan casi uniformemente a través de esta capa a pesar de que la densidad disminuye con la altura sobre la superficie. Las únicas excepciones son la “capa de ozono” de 19 a 50 km (12 a 31 millas) y variaciones cercanas a la superficie en el vapor de agua, dióxido de carbono y contaminantes del aire.
Gases Constantes
El nitrógeno, el oxígeno y el argón se denominan los "gases constantes" porque su concentración se ha mantenido prácticamente igual durante gran parte de la historia reciente de la tierra. El nitrógeno (78%) es un gas relativamente inerte producido principalmente por la actividad volcánica. Es un componente importante de la proteína en la carne, la leche, los huevos y los tejidos de las plantas, especialmente los granos y miembros de la familia del guisante. No puede ser ingerida directamente por organismos sino puesta a disposición de las plantas, y luego a los animales, por compuestos en el suelo. La mayor parte del nitrógeno atmosférico ingresa al suelo por microorganismos fijadores de nitrógeno.
El oxígeno (21%) es importante para los procesos respiratorios de plantas y animales. También es importante para las reacciones químicas (oxidación) que descomponen los materiales rocosos (meteorización química). Sin oxígeno, las cosas tampoco pueden quemar. El oxígeno libre en la atmósfera es un producto de la fotosíntesis vegetal. Las plantas absorben dióxido de carbono y en el proceso de fotosíntesis liberan oxígeno.
El argón (0.93%) es un gas relativamente inerte incoloro, inodoro, razón por la que utiliza para bombillas eléctricas, tubos fluorescentes. Se utiliza para formar una atmósfera inerte para la soldadura por arco y el crecimiento de cristales semiconductores.
Gases Variables
Los llamados "gases variables” son los presentes en cantidades pequeñas y variables. Estos incluyen dióxido de carbono, metano, ozono, vapor de agua y partículas entre otros. A pesar de que representan una pequeña porción de la atmósfera en su conjunto, ejercen un gran control sobre nuestro entorno.
Dióxido de carbono
El dióxido de carbono (CO 2) constituye solo 0.036% de la atmósfera en volumen. El dióxido de carbono es esencial para los procesos fotosintéticos de las plantas. Grandes cantidades de carbono se almacenan en tejidos vegetales, depósitos de carbón, turba, petróleo y gas. El dióxido de carbono es absorbido por las plantas y durante la fotosíntesis se combina con agua y energía para formar oxígeno e hidratos de carbono. Los carbohidratos almacenados se utilizan para alimentar la respiración y el crecimiento de las plantas. El carbono también se almacena en rocas calizas que se han formado por la compactación de conchas ricas en carbonato de vida oceánica. Debido a que la vegetación absorbe tanto dióxido de carbono, a menudo nos referimos a las plantas como un “sumidero” para ello.
El dióxido de carbono en la atmósfera varía a lo largo del año, disminuyendo ligeramente durante el verano a medida que las plantas salen hojas, y luego aumenta durante el invierno a medida que las plantas van inactivas y la fotosíntesis disminuye. El patrón en zigzag de las mediciones de dióxido de carbono tomadas en Mauna Loa, Hawai en la Figura\(\PageIndex{1}\) a continuación ilustra esta estacionalidad.
Los cambios estacionales en la geografía de captación y liberación de dióxido de carbono durante 2004 se muestran en la Figura\(\PageIndex{2}\) por CarbonTracker de la NOAA. Los puntos en blanco y negro son ubicaciones donde se recopilan datos de CO 2. Un modelo informático basado en estos datos y un conocimiento de fuentes superficiales y sumideros genera los patrones para todo el globo. Nuevamente, la gran variación de estación a estación se debe a la vida vegetal. Los colores azules sobre el hemisferio norte durante julio en las latitudes medias son el resultado de bosques y cultivos que absorben grandes cantidades de CO 2. Las áreas rojas intensas de liberación de CO 2 durante julio, agosto y septiembre en el hemisferio sur se deben en gran parte a la quema de biomasa. Algunas quemaduras son naturales, como las hierbas secas de sabana encendidas por los rayos. La mayoría se debe a que la gente quema campos en preparación para la siembra, o quema de bosques para nuevas tierras agrícolas.
Video: Rastreador de Carbono de la NOAA (Cortesía del Laboratorio de Investigación del Sistema Terrestre
Metano
El metano (CH 4) es un gas de efecto invernadero que contribuye a cerca del 18% del calentamiento global y ha ido en aumento en las últimas décadas. Aunque el metano constituye mucho menos de la atmósfera (.0002%) que el dióxido de carbono, es 20 veces más potente que el CO 2 como gas de efecto invernadero. El metano es un producto de la descomposición de la materia orgánica, siendo las principales fuentes naturales la que se produce de humedales, termitas, océanos e hidratos.
Una fuente importante de metano proviene de las termitas. Las termitas comen madera y producen metano como resultado de la descomposición de la celulosa en sus tractos digestivos. Se cree que son responsables del 11% del metano en la atmósfera (algunas estimaciones son tan altas como 20% - 40%). La tala de las selvas tropicales impacta en gran medida las poblaciones de termitas y a su vez el contenido de metano de la atmósfera. Cuando se despeja un parche de selva tropical, las poblaciones de termitas explotan debido a la amplia fuente de alimentos que queda atrás.
Las actividades humanas han contribuido al aumento del metano en nuestra atmósfera. Los rellenos sanitarios, la agricultura arrozal, los sistemas de gas natural y la producción ganadera parecen ser contribuyentes significativos de fuentes antropogénicas de metano.
Ozono
El ozono (O 3) es beneficioso y dañino para la vida en la Tierra. Gran parte del ozono en la atmósfera se encuentra en la estratosfera. Aquí, el ozono absorbe la luz UV del Sol impidiendo que llegue a la superficie. Sin esta manta, los humanos estarían expuestos a quemaduras solares graves y riesgo potencial de cáncer de piel. El ozono también se encuentra en la capa más baja de la atmósfera, la troposfera. Aquí el ozono puede actuar como irritante ocular y respiratorio. El ozono también causa daño celular dentro de las hojas de las plantas causando manchas marrones, afectando la absorción de dióxido de carbono e interrumpiendo el aparato fotosintético. Dicho daño puede causar pérdidas económicas a través de la reducción de los rendimientos de los cultivos También daña el papel de “sumidero” de carbono de la vegetación dejando más dióxido de carbono en la atmósfera para potenciar el efecto invernadero y el potencial calentamiento global.
Los compuestos producidos por humanos como los clorofluorocarbonos y los haluros que contienen cloro y bromo destruyen el ozono y han alterado la frágil capa de ozono estratosférico sobre la Antártida y el Ártico. El agotamiento del ozono sobre la Antártida ocurre durante la primavera cuando la luz solar regresa al Polo Sur y las temperaturas siguen siendo muy frías.
Video: Explorando el ozono (Cortesía NASAExplorer)
Vapor de Agua
El vapor de agua es un gas extremadamente importante que se encuentra en la atmósfera. Puede variar de 4% en el trópico humeante a casi inexistente en las regiones frías y secas de la Antártida. El vapor de agua es un buen absorbente de la radiación saliente de la Tierra y por lo tanto se considera un gas de efecto invernadero. Cuando el vapor de agua se convierte en líquido durante la condensación, se forman nubes. Las nubes son buenos absorbentes de la radiación que desprende la superficie de la Tierra. La absorción de esta energía eleva la temperatura del aire. Pero las nubes son generalmente de color claro y por lo tanto reflejan la radiación solar entrante de sus cimas. La luz reflejada es enviada de regreso al espacio, nunca llegando al suelo para calentar la Tierra. Así, las nubes pueden tener un efecto de calentamiento o enfriamiento sobre la temperatura del aire. Se ha pensado que estos efectos se equilibran entre sí pero el informe All Things Considerated de Radio Pública Nacional sugiere que esto podría no ser cierto, obligando a los climatólogos a repensar el tema.
Partículas y Aerosoles
Las partículas atmosféricas y los aerosoles son partículas muy pequeñas de sólido o líquido suspendidas en el aire. Las partículas y los aerosoles desempeñan varios papeles importantes en los procesos atmosféricos. La materia particulada incluye polvo, suciedad, hollín, humo y partículas diminutas de contaminantes. Las principales fuentes naturales de partículas son los volcanes, los incendios, el suelo y la arena soplados por el viento, la sal marina y el polen. Fuentes humanas como fábricas, centrales eléctricas, incineradores de basura, vehículos de motor y actividad de construcción también aportan partículas a la atmósfera.
Las partículas son muy efectivas para alterar los equilibrios de energía y humedad del sistema terrestre. Las partículas difunden la luz solar reduciendo la cantidad e intensidad de la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra. Los amaneceres y atardeceres más espectaculares son el resultado de que la luz se refracta a partir de partículas en la atmósfera. Las partículas también reflejarán la luz solar hacia el espacio, sin dejar que llegue a la superficie. La disminución de cantidades significativas de radiación solar entrante puede hacer que las temperaturas globales disminuyan. La erupción del monte. Pinatubo en 1991 provocó una disminución de .5 o C en las temperaturas globales. Sin embargo, las partículas pueden absorber la radiación de onda larga emitida por la Tierra, haciendo que la atmósfera también se caliente. Las partículas sirven como núcleos de condensación para el agua. Para que el agua cambie de un gas a un líquido, casi siempre se requiere un núcleo sobre el cual el vapor de agua se pueda unir por sí mismo. Sin partículas, poca agua se condensaría para formar nubes y precipitaciones.
Científicos de la NASA que utilizan datos satelitales y modelos de computadora encontraron que el hollín negro de combustión incompleta puede estar contribuyendo a cambios en el hielo marino, la nieve y las temperaturas atmosféricas cerca del Polo Norte. Descubrieron que el momento y la ubicación del aumento de las temperaturas y la pérdida de hielo marino durante el final del siglo XX es consistente con un aumento significativo de los aerosoles producidos por humanos. Sus modelos sugieren que un tercio del hollín proviene del sur de Asia, un tercio de la quema de biomasa y el resto de Rusia, Europa y América del Norte. El hollín depositado sobre la nieve y el hielo marino disminuye la reflectividad de la superficie provocando que se absorba más luz solar. El hollín aerotransportado calienta la atmósfera ártica y afecta los patrones climáticos y las nubes.
Video: Cambio climático y aerosoles
El Dr. Jim Haywood, científico investigador de Aerosoles del Met Office habla sobre el cambio climático y los aerosoles.
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Definir la homosfera y la heteroesfera
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Homosfera: Esfera que se encuentra entre la superficie y la heteroesfera donde los gases se mezclan uniformemente. Heterosfera: “esfera” más externa de la atmósfera donde los gases se distribuyen en distintas capas.
Enumere los gases “permanentes (constantes)”.
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nitrógeno, oxígeno, argón
¿Qué gas de efecto invernadero es más efectivo para calentar la atmósfera, el dióxido de carbono o el metano?
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Metano
¿Qué gas filtra la luz UV en la estratosfera, el dióxido de carbono, el ozono o el metano?
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Ozono.
¿El hollín aumenta o disminuye la reflectividad dando como resultado la fusión cuando se deposita sobre la nieve
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Disminuye