4: Composición Atmosférica

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Objetivos de aprendizaje

Al final de este capítulo, deberías ser capaz de:

explicar el papel que cada constituyente atmosférico juega en la estructura atmosférica y el clima
identificar cambios en cantidades menores y trazas de gas y los impactos que estos cambios tienen en la atmósfera
explicar cómo la atmósfera se limpia usando metano como ejemplo
usar ecuaciones químicas para mostrar cómo se forma el ozono en la estratosfera y la troposfera y en qué se diferencian
Diagrama del ciclo de vida de las partículas de aerosol con énfasis en su papel en el clima

La atmósfera consiste principalmente en aire seco -principalmente nitrógeno molecular (78%), oxígeno molecular (21%) y Argón (0.9%) - y cantidades muy variables de vapor de agua (desde partes por millón en el aire hasta algunos por ciento). Ahora consideraremos gases y partículas en la atmósfera a niveles de traza. El más abundante de los gases traza en la atmósfera global es el dióxido de carbono (~400 partes por millón, o 400 x 10 ^-6), pero hay miles de gases traza con fracciones mucho menores que unas pocas partes por millón. Algunos, particularmente el radical hidroxilo reactivo (OH), son importantes a pesar de que su abundancia es menor a 1 parte por billón (10 ^-12). La atmósfera también contiene pequeñas partículas con tamaños desde nanómetros (^10-9 m) hasta micrones (^10-6 m) provenientes de muchas fuentes. Estos gases traza y partículas son tan importantes para la estructura atmosférica y el clima como el nitrógeno, el oxígeno y el vapor de agua y también juegan un papel muy importante en la salud humana y ecológica y en el clima global. En este capítulo, examinaremos la composición de la atmósfera y sus cambios a lo largo del tiempo. La atmósfera está continuamente inundada con emisiones superficiales de gases y partículas (y algunas desde el espacio) pero tiene mecanismos químicos para limpiarse. Veremos cómo se producen dos contaminantes atmosféricos -el ozono y las partículas pequeñas-. En lecciones posteriores, veremos que sin estos procesos químicos y partículas, no habría nubes y, por lo tanto, ningún clima real.

4.1: Composición Atmosférica
Las características clave de los gases incluyen su compresibilidad, su transparencia en lo visible, su impulso y su capacidad calorífica. El vapor de agua tiene la característica adicional importante de existir en las fases de vapor, líquido y sólido en la atmósfera y en la superficie de la Tierra. Las propiedades más importantes de las partículas pequeñas incluyen su capacidad de disolverse en agua para ser Núcleos de Condensación de Nube o para mantener una estructura reticular similar al hielo para ser Núcleos de Hielo.
4.2: Cambios en la composición atmosférica
Desde el ascenso del oxígeno, hace 2 mil millones de años, las fracciones de nitrógeno y oxígeno en la atmósfera se han mantenido estables. El vapor de agua es muy variable pero, en promedio, también parece haber sido bastante estable. Datos recientes de satélites y sondas indican que el agua perceptible (la cantidad total de agua que se encuentra en una columna de la superficie al espacio) ha aumentado 1.3 ± 0.3% por década sobre los océanos en los últimos 25 años (Trenberth et al., Climate Dynamics, 2005).
4.3: Otros gases traza
Cientos de diferentes trazas de gases se han medido en la atmósfera y quizás miles más aún no se han medido. Muchos de estos son compuestos orgánicos volátiles (COV). Volátil significa que el compuesto puede existir en la fase líquida o sólida pero que se evapora fácilmente. Orgánico significa que el compuesto contiene carbono pero no es dióxido de carbono, monóxido de carbono, ni carburos y carbonatos que se encuentran en las rocas.
4.4: Formación de ozono estratosférico
El ozono es ozono sin importar dónde se encuentre en la atmósfera. El buen ozono es bueno sólo porque está en la estratosfera donde no podemos respirarlo. El mal ozono también absorbe la luz ultravioleta solar, pero está abajo cerca de la superficie de la Tierra donde podemos respirarla. Para la protección UV, nos interesa el número total de moléculas de ozono entre nosotros y el Sol. El 90% de las moléculas de ozono están en la estratosfera y el 10% están en la troposfera, algunas abajo cerca de la superficie de la Tierra donde podemos respirarlas.
4.5: La historia del PAC-MAN de la atmósfera
La capacidad de oxidación de la atmósfera es su capacidad de limpiarse de todos los gases que se emiten en ella. ¿Qué tiene que ver el ozono estratosférico con la capacidad de oxidación de la atmósfera, que ocurre principalmente en la troposfera y principalmente por el PAC-MAN, hidroxilo (OH) de la atmósfera? Resulta que los procesos dinámicos naturales en realidad tiran el aire hacia abajo de la estratosfera y lo mezclan con la troposfera, eventualmente mezclando algo de este ozono a la superficie de la Tierra.
4.6: ¿De dónde provienen los Núcleos de Condensación de Nube (CCN)?
Las partículas atmosféricas provienen de muchas fuentes diferentes. Los buenos núcleos de condensación de nubes (CCN) deben ser partículas pequeñas, para que no se asienten demasiado rápido, y deben ser hidrófilos, lo que significa que el agua se puede pegar. Pueden ser solubles (es decir, solubles en agua), o insolubles, pero la mayoría son solubles.
4.7: Resumen y Tareas Finales

Miniaturas: Imagen del agujero de ozono antártico más grande jamás registrado sobre el Polo Sur en septiembre de 2006. (Dominio público; NASA vía Wikipedia).