4.1: Composición Atmosférica

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Los principales gases que componen la atmósfera actual se encuentran en la Tabla\(\PageIndex{1}\). La relación de mezcla de un gas X se define como la fracción de moles totales que son los moles de gas X. Por ejemplo, 78 moles de cada 100 moles totales de aire son nitrógeno, por lo que la relación de mezcla del nitrógeno es 0.78. Obsérvese que en la composición atmosférica, la relación de mezcla son los moles del gas divididos entre los moles totales de aire. En contraste, la relación de mezcla de vapor de agua es la masa de vapor de agua dividida por la masa de aire seco.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Constituyentes principales en la atmósfera actual de la Tierra
Constituyente	Masa molecular (g/mol)	Relación de mezcla (mol mol ^-1)	Papel en la Atmósfera
nitrógeno (N ₂)	28.013	0.7808	transparente; proporciona capacidad térmica e impulso; intercambiado con biomasa; descompuesto en combustión
oxígeno (O ₂)	31.998	0.2095	transparente excepto en ultravioleta extremo; proporciona cierta capacidad térmica e impulso; intercambiado con vida; fuente de importantes gases reactivos como el ozono
argón (Ar)	39.948	0.0093	sin rol
dióxido de carbono (CO ₂)	44.010	0.000385 (385 ppmv)	transparente en visible; absorbe luz infrarroja (es decir, contribuye al calentamiento global); intercambiada con vida; producto de la combustión
neón (Ne)	20.183	0.0000182	no hay papel, pero hace coloridas señales brillantes
vapor de agua (H ₂ O)	18.015	2x10 ^-6 a 0.05	gas transparente en visible; absorbe luz infrarroja (es decir, contribuye al calentamiento global); existe como vapor, líquido y sólido; intercambiado con vida; producto de la combustión
partículas de aerosol	varía	0-500 ug m ^-3 (tenga en cuenta diferentes unidades)	esencial para la formación de nubes; interactuar con luz visible e infrarroja; intercambiado con superficies y vida
metano (CH ₄)	16.04	0.00000182 (1820 ppbv)	transparente en visible; absorbe en infrarrojo (es decir, contribuye al calentamiento global); intercambiado con vida; fuente de CO ₂ y H ₂ O
ozono (O ₃)	48.00	0.01 — 10 ppm	transparente en visible; absorbe en UV e infrarrojos; reactivo y fuente de gases más reactivos
partículas	varía	0-100's µg m ^-3 de aire	absorbe y dispersa la luz; actúa como CCN e IN (ver abajo)

Las características clave de los gases incluyen su compresibilidad (es decir, capacidad de expandirse o encogerse en volumen), su transparencia en lo visible, su momento 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 (CCN) o para mantener una estructura reticular similar al hielo para ser Núcleos de Hielo (IN), así como su capacidad para absorber y dispersar la luz solar. Estas propiedades dependen completamente del tamaño de partícula y composición. La mayoría de los gases atmosféricos participan en la química de la atmósfera, la cual es iniciada por la luz solar, como pronto verás.

Unidades utilizadas al cuantificar la composición atmosférica

Normalmente se utilizan tres unidades diferentes cuando se especifican las cantidades de gases. Una es la relación de mezcla de masa, que es la masa de una especie química dividida por la masa total de aire. Ya te has encontrado con esto con la humedad específica del vapor de agua. Un segundo es la relación de mezcla volumétrica, que es solo el número de moléculas de una especie química en una unidad de volumen dividido por el número total de todas las moléculas en una unidad de volumen. Para gases con fracciones relativamente grandes como nitrógeno, oxígeno y argón, usamos el porcentaje para indicar esta fracción. Para gases menores como el dióxido de carbono y el ozono, utilizamos partes por millón (10 ^-6) ppmv o partes por mil millones (10 ^-9) ppbv en volumen (es decir, por número, no por masa). Por último, necesitamos usar la concentración, o número por unidad de volumen, para calcular las velocidades de reacción y la vida útil.

Para convertir entre proporciones de mezcla volumétrica y concentraciones, utilice el siguiente procedimiento. Para una especie X, para convertir de una relación de mezcla, anotada χ _X, a una concentración, anotada [X], utilice la Ley de Gas Ideal para encontrar el número de moléculas totales en un cm ³ y luego multiplicarse por χ _X, expresado como fracción. Supongamos p = 960 hPa (o mb) y T = 296K, y X = 60 ppbv, entonces

\[[X]=\frac{p}{k T} \chi_{X}=\frac{96000 P a}{\left(1.38 \times 10^{-23} J K^{-1} \text { molecule }^{-1}\right)(296 K)}\left(\frac{1 m^{3}}{10^{6} c m^{3}}\right) 60 x 10^{-9}=1.4 \times 10^{12}\,molecules cm^{−3}\]