8.3: La Atmósfera
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Ilustrada en la Figura 8.4, la atmósfera que tiene una masa total de aproximadamente 5.15×10 15 toneladas es una capa de gases que cubren la Tierra que disminuye rápidamente en densidad al aumentar la altitud. Más del 99% de la masa de la atmósfera se encuentra a menos de 40 kilómetros (km) de la superficie de la Tierra, con la mayor parte del aire por debajo de los 10 km de altitud (en comparación con el diámetro de la Tierra de casi 13,000 km). Una persona expuesta al aire a la altitud aproximada de 13,000 m a la que vuelan los aviones a reacción comerciales podría permanecer consciente por sólo unos 15 segundos sin oxígeno suplementario. No hay un límite superior claramente definido para la atmósfera, que sigue adelgazándose con el aumento de la altitud. Un límite superior práctico puede considerarse una altitud de aproximadamente 1000 km por encima de la cual las moléculas de aire pueden perderse en el espacio (una región llamada la exósfera).
La atmósfera nutre la vida en la Tierra en muchos aspectos importantes. Algunos de los principales de estos son los siguientes:
• La atmósfera constituye gran parte del capital natural de la Tierra debido a sus atributos que se enumeran a continuación.
• La atmósfera es una fuente de O 2 molecular para todos los organismos que lo requieran, incluidos los humanos y todos los demás animales. Además, se extrae oxígeno puro, argón y neón de la atmósfera para usos industriales.
• Con aproximadamente 0.039% de dióxido de carbono, CO 2, la atmósfera es la fuente de carbono que las plantas y otros organismos fotosintéticos utilizan para sintetizar biomasa
• Consiste principalmente en N 2 molecular, la atmósfera sirve como fuente de nitrógeno que es un componente esencial de proteínas y otros bioquímicos, así como un constituyente de una variedad de químicos sintéticos. Los organismos “fijan” este nitrógeno en la biosfera químicamente por la acción de bacterias como Rhizobium y se fija sintéticamente en la antrosfera bajo condiciones mucho más severas de temperatura y presión.
•La atmósfera actúa como una manta para mantener la superficie de la Tierra a una temperatura promedio de aproximadamente 15° C a nivel del mar y dentro de un rango de temperatura que permite que exista vida (el “buen” efecto invernadero).
•La atmósfera terrestre absorbe radiación ultravioleta de longitud de onda muy corta del sol y del espacio, que, si llegara a los organismos en la superficie de la Tierra, destrozaría las complejas biomoléculas esenciales para la vida. En este sentido, la capa de ozono estratosférico es de particular importancia
• La atmósfera contiene y transporta vapor de agua evaporado de los océanos que forma lluvia y otros tipos de precipitación sobre la tierra en el ciclo hidrológico (Figura 8.1)
La atmósfera es de 1— 3% en volumen de vapor de agua, un nivel que es algo mayor en las regiones tropicales y menor en las zonas desérticas y a mayores altitudes donde la condensación a gotas líquidas y cristales de hielo elimina el vapor de agua. Excluyendo vapor de agua, en base seca el aire es 78.1% en volumen de gas nitrógeno (N 2), 21.0% O 2, 0.9% gas noble argón, y casi 0.039% CO 2, nivel que sigue aumentando un poco más de 0.001% anual. Además, existen numerosos gases traza en la atmósfera a niveles por debajo de 0.002% incluyendo amoníaco, monóxido de carbono, helio, hidrógeno, kriptón, metano, neón, dióxido de nitrógeno, óxido nitroso, ozono, dióxido de azufre y xenón.
La Figura 8.4 muestra algunas de las principales características y aspectos de la atmósfera y su relación con otras esferas ambientales. A excepción de algunos aviadores que vuelan brevemente a la estratosfera, los organismos vivos experimentan la capa más baja llamada troposfera caracterizada por la disminución de la temperatura y la densidad al aumentar la altitud. La troposfera se extiende desde el nivel de la superficie, donde la temperatura promedio es de 15° C, hasta aproximadamente 11 km (la altitud aproximada de crucero de aviones comerciales a reacción) donde la temperatura promedio es de —56° C (la tropopausa discutida en la Sección 8.2)
Por encima de la troposfera se encuentra la estratosfera en la que la temperatura promedio aumenta de aproximadamente —56° C en su límite inferior a aproximadamente —2° C en su límite superior. La estratosfera es calentada por la energía de la intensa radiación solar que incide en las moléculas del aire. Debido a que esta radiación puede romper los enlaces que mantienen unidas las moléculas de O 2, a mayores altitudes la estratosfera mantiene un nivel significativo de átomos de O y de moléculas de ozono (O 3) formadas por la combinación de átomos de O con moléculas de O 2. Las moléculas de ozono estratosférico son esenciales para la capacidad de los humanos y otros organismos de existir en la superficie de la Tierra debido a su capacidad para filtrar la radiación ultravioleta dañina antes de que pueda penetrar en la superficie de la Tierra. Aunque el ozono de la estratosfera se extiende a lo largo de muchos km de altitud, comúnmente se le llama capa de ozono. Si todo este ozono que es tan esencial para la vida estuviera en una sola capa de ozono puro en condiciones cercanas a la superficie de la Tierra, ¡tendría solo unos 3 milímetros de grosor! Se sabe que algunas clases de especies químicas, especialmente los clorofluorocarbonos o freones utilizados anteriormente como refrigerantes, reaccionan de manera que destruyen el ozono estratosférico, y su eliminación del comercio ha sido uno de los principales objetivos de los esfuerzos para lograr la sustentabilidad.
Por encima de la estratosfera se encuentran la mesosfera atmosférica y la termoesfera. que son relativamente menos importantes en la discusión de la atmósfera. La radiación lo suficientemente energética como para separar electrones de las moléculas atmosféricas y los átomos llega a estas regiones dando lugar a una región que contiene iones llamada ionosfera.
La atmósfera terrestre es crucial para absorber, distribuir e irradiar la enorme cantidad de energía que proviene del sol. Un metro cuadrado de superficie directamente expuesta a la luz solar sin filtrar por el aire recibiría energía del sol a un nivel de potencia de 1,340 vatios. Llamado el flujo solar, este nivel de energía que incide en solo un metro cuadrado podría alimentar una plancha eléctrica o trece bombillas de 100 vatios más una bombilla de 40 vatios. Si se considera el área transversal de la Tierra, la tasa de energía solar entrante total es enorme. La radiación solar entrante es en forma de radiación electromagnética, que tiene un carácter ondular en el que las longitudes de onda más cortas son más energéticas. La radiación entrante en forma de radiación electromagnética centrada en la región de longitud de onda visible con una intensidad máxima a una longitud de onda de 500 nanómetros (1 nm = 10-9 m) es absorbida en gran medida y convertida en calor en la atmósfera y en la superficie de la Tierra.
En promedio, la energía solar entrante debe equilibrarse con la energía térmica irradiada de regreso al espacio; de lo contrario, la Tierra se habría derretido y vaporizado hace mucho tiempo. La energía térmica de salida irradia al espacio como radiación infrarroja entre aproximadamente 2 micrómetros y 40 μm (1 μm = 10 -6 m) con una intensidad máxima de aproximadamente 10 μm). Esta energía se retrasa en su camino de salida al ser reabsorbida por moléculas de agua, dióxido de carbono, metano y otras especies menores en la atmósfera. Esto tiene un efecto de calentamiento (invernadero) que es muy importante para sostener la vida en la Tierra. Como se discute en el Capítulo 10, las descargas antrosféricas de gases de efecto invernadero, especialmente dióxido de carbono y metano, probablemente estén causando un efecto invernadero excesivo, que tendrá efectos nocivos sobre el clima global.
Clima
En gran parte determinado por las condiciones de la atmósfera, el clima es crucial para el bienestar de los humanos y otros organismos en la Tierra. El clima se refiere a factores tales como lluvia, viento, nubosidad, presión atmosférica y temperatura, mientras que el clima involucra estas condiciones durante un largo período de tiempo como el clima cálido y de baja humedad que prevalece en el sur de California o las condiciones frías, generalmente lluviosas de Irlanda. La meteorología es la ciencia de la atmósfera y el clima y el clima es abordado por la climatología.
Gran parte de la fuerza impulsora detrás del clima y el clima se debe a que el flujo entrante de energía solar es muy intenso en las regiones alrededor del ecuador y muy bajo en las regiones polares debido a los ángulos en los que el flujo solar incide sobre la Tierra en estas regiones. El aire ecuatorial calentado tiende a expandirse y fluir lejos de las regiones ecuatoriales, creando vientos y llevando consigo grandes cantidades de energía y vapor de agua evaporado de los océanos. A medida que el aire se enfría, el vapor de agua se condensa formando precipitación y calentando el aire del calor liberado cuando el agua pasa de vapor a líquido. Este proceso es la fuerza impulsora detrás de huracanes y tifones que pueden resultar en lluvias torrenciales y vientos dañinos.
Los fenómenos meteorológicos tienen una influencia importante en la contaminación del aire. Un ejemplo importante ocurre con las inversiones de temperatura en las que una capa de aire relativamente cálido confina una capa superficial de aire estancado algo más frío y denso cerca del suelo. Los hidrocarburos y óxidos de nitrógeno confinados en la masa de aire estancada son accionados por la energía solar para cocer la mezcla nociva de ozono, oxidantes, aldehídos y otros materiales desagradables que constituyen el smog fotoquímico.
Los vientos son importantes en la contaminación del aire. La falta de viento sustancial se requiere para la formación de smog fotoquímico. El dióxido de azufre emitido a la atmósfera puede ser relativamente inocuo cerca del punto de descarga pero transformado en lluvia ácida dañina ya que es transportado a cierta distancia por el viento. Esa es la razón por la que Nueva Inglaterra y partes de Canadá pueden verse afectadas por la lluvia ácida del dióxido de azufre emitido por las centrales eléctricas de carbón a cierta distancia en el valle del río Ohio.
Clima y sustentabilidad van de la mano. Las condiciones climáticas favorables y una atmósfera relativamente no contaminada son partes importantes del capital natural. Se requiere un clima favorable para mantener la productividad alimentaria. Una de las mayores preocupaciones con la emisión de cantidades excesivas de gases de efecto invernadero a la atmósfera es el calentamiento que resultará en una sequía catastrófica en regiones agrícolas anteriormente productivas, lo que conducirá a una producción muy reducida de alimentos e incluso a una inanición generalizada.
Influencias antrosféricas en la atmósfera
Las actividades humanas en la antrosfera influyen fuertemente en la atmósfera y tienen un enorme potencial para afectar el medio ambiente de la Tierra en su conjunto. El smog fotoquímico con su ozono destructivo y otros oxidantes junto con otros contaminantes y partículas atmosféricas que oscurecen la visibilidad resulta cuando los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos reactivos, en gran parte de los escapes de los motores de los vehículos de combustión interna, se emiten a la atmósfera desde la antrosfera . El dióxido de azufre y el óxido de nitrógeno precursores de los ácidos sulfúrico y nítrico fuertes en la lluvia ácida provienen de actividades antrosféricas asociadas con la combustión de combustibles fósiles y otras fuentes como el tostado de minerales metálicos de sulfuro. Por factores como estos, uno de los aspectos más importantes de la sustentabilidad es la construcción y operación de la antrosfera en formas que preserven la calidad de la atmósfera. Uno de los aspectos importantes de la química verde es utilizar productos y procesos que no contribuyan a dañar la atmósfera.