6.1: Composición y estructura de la atmósfera

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Caralyn Zehnder, Kalina Manoylov, Samuel Mutiti, Christine Mutiti, Allison VandeVoort, & Donna Bennett
Georgia College and State University via GALILEO Open Learning Materials

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Objetivos de aprendizaje

Al final de este capítulo, los alumnos podrán

Describir la composición y estructura de la atmósfera.
Explicar la importancia de la capa de ozono, su agotamiento y los pasos específicos que se han tomado para abordarla.
Distinguir entre la contaminación del aire interior y exterior y cómo se comparan entre los países industrializados y los menos industrializados
Identificar fuentes naturales y antropogénicas de contaminación del aire
Explicar los efectos de la contaminación del aire en la salud humana y de los ecosistemas
Explicar cómo funciona la legislación de la Ley de Aire Limpio y describir sus resultados

La atmósfera se refiere a la capa de gases que rodea a la Tierra y se mantiene en su lugar por la atracción gravitacional de la Tierra (gravedad). La mezcla de gases en la atmósfera forma un sistema complejo organizado en capas que juntas soportan la vida en la Tierra. Si bien existen numerosos gases, como se muestra en la Tabla\(\PageIndex{1}\), los cuatro gases superiores constituyen 99.998% del volumen de aire limpio y seco (aire no contaminado que no contiene vapor de agua). De esta composición seca de la atmósfera el nitrógeno, por mucho, es el más común (78%).

Captura de pantalla (68) .png — Figura\(\PageIndex{1}\): Las emisiones de esta central eléctrica en Nuevo México contenían cantidades excesivas de dióxido de azufre. Imagen del Servicio de Parques Nacionales (Dominio Público).

El nitrógeno diluye el oxígeno y evita la quema rápida o instantánea en la superficie de la Tierra, ya que el gas oxígeno es un reactivo necesario del proceso de combustión. El nitrógeno también es necesario y utilizado por los seres vivos para elaborar proteínas, aunque como gas nitrógeno, N ₂, no está disponible para la mayoría de los seres vivos. El oxígeno es utilizado por todos los seres vivos para hacer moléculas que son esenciales para la vida. También es esencial para la respiración aeróbica así como para la combustión o la quema. El argón es un gas no reactivo y lo utilizamos en bombillas, en ventanas de doble cristal, y para preservar documentos invaluables como la Declaración de Independencia original y la Constitución. El dióxido de carbono es un gas esencial que utilizan las plantas y otros organismos para elaborar azúcar (alimento) a través de la fotosíntesis. Este proceso también es esencial para otras vidas porque durante la fotosíntesis, las moléculas de agua se separan y su oxígeno se libera de nuevo a la atmósfera. El dióxido de carbono también actúa como una manta que impide el escape de calor al espacio exterior (ver más sobre esto en el Capítulo 7). El ambiente rara vez, si alguna vez, es completamente seco. El vapor de agua (agua en estado 'gaseoso') suele estar presente hasta aproximadamente 4% del volumen total dependiendo de la ubicación. En las regiones desérticas de la Tierra (30° N/S) cuando soplan vientos secos, la contribución del vapor de agua a la composición de la atmósfera será cercana a cero.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Composición promedio del aire limpio y seco en la atmósfera inferior
Gas	Símbolo	Contenido
Nitrógeno	N ₂	78.08%
Oxígeno	O ₂	20.95%
Argón	Ar	0.93%
Carbono	CO ₂	0.03% (esto y los tres anteriores se suman al 99.998%)
Neón	Ne	18.20 partes por millón
Helio	Él	5.20 ppm
Krypton	Kr	1.10 ppm
Dióxido de azufre	SO ₂	1.00 ppm
Metano	CH ₄	2.00 ppm
Hidrógeno	H ₂	0.50 ppm
Óxido nitroso	N ₂ O	0.50 ppm
Xenon	Xe	0.09 ppm
Ozono	O ₃	0.07 ppm
Dióxido de nitrógeno	NO ₂	0.02 ppm
Yodo	I ₂	0.01 ppm
Monóxido de Carbono	CO	Rastro
Amoníaco	NH ₃	Rastro

Fuente: Servicio Meteorológico Nacional www.srh.noaa.gov/jetstream/at... tmos_intro.htm

La atmósfera terrestre se divide en cuatro capas distintas en función de las características térmicas (cambios de temperatura), la composición química, el movimiento y la densidad (Figura\(\PageIndex{2}\)). La troposfera es la capa más baja que se extiende desde la superficie hasta aproximadamente 18 km por encima de la superficie dependiendo de la ubicación (varía desde tan solo 6 km hasta tan alto como 20 km). Hay flujo continuo y remolinos de aire constantemente a través de corrientes de convección que redistribuyen el calor y la humedad en todo el mundo. Esto da como resultado los patrones de corta duración y locales de temperatura y humedad que llamamos clima. Debido a que la gravedad retiene la mayoría de las moléculas de aire cerca de la superficie de la Tierra, la troposfera es la más densa de todas las capas, conteniendo alrededor del 75% de la masa total de la atmósfera. La densidad de los gases en esta capa disminuye con la altura por lo que el aire se vuelve más delgado. En respuesta, la temperatura en la troposfera también disminuye con la altura. A medida que uno sube, la temperatura desciende de un promedio de alrededor de 17°C (62°F) al nivel del mar a aproximadamente -51°C (-60°F) en la tropopausa, un límite agudo en la parte superior de la troposfera que limita la mezcla entre la troposfera y las capas superiores.

Captura de pantalla (69) .png — Figura\(\PageIndex{2}\): Perfil de temperatura promedio a través de las capas inferiores de la atmósfera. La altura (en millas y kilómetros) se indica a lo largo de cada lado. Fuente: Servicio Meteorológico Nacional *www.srh.noaa.gov/jetstream/at... atmprofile.htm*

La estratosfera es la capa que se extiende desde la tropopausa hasta aproximadamente 50 km hasta 53 km sobre la superficie de la Tierra dependiendo de la ubicación. Las proporciones de la mayoría de los gases en esta capa son similares a las de la troposfera con dos excepciones principales: 1) casi no hay vapor de agua en la estratosfera y 2) la estratosfera tiene casi mil veces más ozono (O ₃) que la troposfera. Con sólo alrededor del 19% de la masa total de la atmósfera, la densidad de la estratosfera es significativamente menor que la troposfera. Sin embargo, la temperatura en esta región aumenta con la altura como resultado del calor que se produce durante la formación de ozono (más sobre el ozono en la sección 6.2). Este calor es responsable de aumentos de temperatura desde un promedio de -51 °C (-60 °F) en la tropopausa hasta un máximo de aproximadamente -15°C (5°F) en la parte superior de la estratosfera. Este aumento de temperatura con altura significa que el aire más cálido se encuentra por encima del aire más frío. Esto evita la “convección” ya que no hay movimiento vertical ascendente de los gases. La consecuencia de esta poca o ninguna mezcla de gases en la estratosfera la hace relativamente tranquila pero también significa que una vez que sustancias como los contaminantes ingresan a esta zona, pueden permanecer suspendidas por muchos años. La parte superior de la estratosfera está unida por un límite conocido como la estratopausia.

Por encima de la estratosfera se encuentra la mesosfera que se extiende a unos 85 km sobre la superficie de la Tierra. La mesosfera no tiene moléculas de ozono y los otros gases como el oxígeno y el nitrógeno siguen siendo menos densos con la altura. Como resultado, no mucha radiación ultravioleta y de rayos X del sol es absorbida por las moléculas en esta capa por lo que la temperatura disminuye con la altitud. Tanto la estratosfera como la mesosfera se consideran la atmósfera media.

Entre unos 85 km y 600 km se encuentra la termosfera. Esta capa es conocida como la atmósfera superior. A diferencia de la mesosfera, los gases en esta capa absorben fácilmente la radiación ultravioleta y de rayos X de alta energía entrante del sol. Debido a esta absorción, la temperatura en la termosfera aumenta con la altura y puede alcanzar hasta 2,000°C (3,600°F) cerca de la parte superior dependiendo de la actividad solar. No obstante, a pesar de la alta temperatura, esta capa de la atmósfera aún se sentiría muy fría a nuestra piel debido a la atmósfera muy delgada. La alta temperatura indica la cantidad de energía absorbida por las moléculas pero con tan pocas en esta capa, el número total de moléculas no es suficiente para calentar nuestra piel. No hay ningún límite agudo que marque el final de la atmósfera. La presión y la densidad simplemente continúan disminuyendo con la distancia hasta que se vuelven indistinguibles del casi vacío del espacio exterior.