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Introducción a las Ciencias de la Atmósfera y los Océanos Composición y estructura vertical de la Atmósfera M. Elizabeth Castañeda 2011
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Introducción a las Ciencias de la
Atmósfera y los Océanos
Composición y estructura
vertical de la Atmósfera
M. Elizabeth Castañeda 2011
Una mirada general a la
atmósfera de la Tierra• La atmósfera es un delicado manto de
aire que rodea la Tierra.
• Sin la atmósfera de la Tierra no
existirían lagos u océanos.
• La energía radiante del sol da energía
a la atmósfera, conduciendo el
“tiempo” día a día.
Los tiempos geológicos en el precámbrico
Arqueano
o Arcaico
Hadeico
Proterozoico
Precámbrico
Historia de la atmósfera
• Atmósfera Primaria (protoatmósfera)– Hidrógeno, Helio
– Estos gases son relativamente raros en la Tierra en comparación con otros lugares del universo y probablemente se perdieron en el espacio temprano en la historia de la Tierra, porque
• la gravedad de la Tierra no era lo suficientemente fuerte como para mantener los gases más ligeros
• la Tierra todavía no tenía un núcleo diferenciado (sólido interior / núcleo externo líquido)
– Una vez que el núcleo diferenciado se formó los gases más pesados pudieron ser retenidos
Historia de la atmósfera
• Atmósfera Secundaria– Producido por liberación gases de origen
volcánico.
– Los gases producidos son probablemente similares a los creados por los volcanes modernos (H2O, CO2, SO2, CO, S2, N2, H2) y NH3(amoníaco) y CH4 (metano)
– No hay O2 libre en este momento (no se encuentran en los gases volcánicos).
– Formación de Mar - A medida que la Tierra se enfrió, H2O producido por gasificación pudo existir como líquido en el Arcaico Temprano, lo que permitió formar los océanos.
– ~ 3.800 millones de años atrás.
Historia de la atmósfera• Adición de O2 a la atmósferaHoy en día, la atmósfera es de ~ 21% de oxígeno libre. ¿Cómo llegar a estos
niveles de oxígeno en la atmósfera? Revisar el ciclo del oxígeno:
• Producción de oxígeno– disociación fotoquímica - ruptura de las moléculas de agua por
ultravioletas
• Produjo niveles de O2. 1-2% de los niveles actuales
• En estos niveles el O3 (ozono) puede formarse para proteger la superficie de la Tierra de los rayos UV
– La fotosíntesis - CO2 + H2O + luz solar = compuestos orgánicos + O2 - producido por las cianobacterias, y finalmente las plantas superiores - suministrado el resto de O2 a la atmósfera.
• Consumición de oxígeno– meteorización química - a través de la oxidación de los materiales de
la superficie (consumidor temprano)
– respiración animal (mucho más tarde)
– quema de combustibles fósiles (mucho, mucho más tarde)
Historia de la atmósfera
• Arcaico - poco o ningún oxígeno libre en la atmósfera (<1% de los niveles de presencia).
– Cianobacterias, (bacterias que en el océano comenzaron a producir O2 a través de la reacción foto-sintética (3500 Ma)
– Se consumió probablemente por el proceso de oxidación. Una vez que las rocas en la superficie estuvieron suficientemente oxidadas, más oxígeno pudo permanecer libre en la atmósfera.
• Proterozoico - la cantidad de O2 en la atmósfera aumentó de 1 - 10%. La mayor parte de éste fue liberado por las fitoplancton (incluye cianobacterias), que aumentan en abundancia en el registro fósil de 2300 Ma. Los niveles presentes de O2 probablemente no fueron alcanzados hasta ~ 400 Ma.
Los tiempos geológicos en el precámbrico
Arqueano
o Arcaico
Hadeico
Proterozoico
Precámbrico
Atmósfera
Secundaria
cianobacterias
O2 < 1%
fitoplancton
Otra alternativa de la formación
de Oxígeno:
• Otra fuente posible de Oxígeno es la
fotodisociación del Hidrógeno:
– 2H2O + UV -> 2H2 + O2
• Oxigeno presente en la atmósfera
primitiva fue inicialmente consumido
en la oxidación de las rocas.
• La acumulación del O2 en la atmósfera
conlleva la formación de una capa de Ozono
(O3) a través de dos reacciones químicas.
• La primera reacción “consume” la radiación
Ultravioleta (UV), de forma que la formación
de la capa de Ozono permite que los
organismos vivos se acerquen a la
superficie del océano y eventualmente
salgan a la tierra unos 400 Ma atrás.
99% de la atmósfera se concentra en los primeros 30 km
Atmósfera: es la capa gaseosa que cubre la Tierra y que se mantiene atrapada a ella por la fuerza de gravitacional.
Gases Permanentes
0.000009XeXenón
0.00005H2Hidrógeno
0.005HeHelio
0.0018NeNeón
0.93ArArgón
20.95O2Oxigeno
78.08N2Nitrógeno
% por volSímboloGas
0.00000001Clorofluorocarbonos
(CFCs)
0.000001
Partículas (polvo, etc)
También llamados
aerosoles
0.000004O3Ozono
0.0003N2OOxido Nitroso
0.00017CH4Metano
0.038CO2Dióxido Carbono
0-4H2OVapor de agua
% por volSímbol
o Gas
Gases Variables
Composición de la Atmósfera
Es removido de la atmósfera principalmente por
procesos biológicos que involucran a las bacterias
presentes en los suelos.
Retorna a la atmósfera principalmente a través de la
degradación de la materia orgánica por la acción de
microorganismos.
Nitrógeno
Es removido de la atmósfera con la degradación de la
materia orgánica y con los procesos de oxidación en los
que el oxígeno se combina con otras sustancias. El
oxígeno también es consumido en la respiración de los
seres vivos, en la cual se libera además dióxido de
carbono.
La adición de oxígeno a la atmósfera ocurre en los
procesos de fotosíntesis.
Oxígeno
Vapor de agua
La concentración del vapor de agua, varía
enormemente de un lugar a otro.
Cerca de la superficie, en las regiones tropicales, el
vapor de agua puede constituir hasta el 4% de los
gases atmosféricos, mientras que en regiones
polares representa bastante menos del 1% .
El vapor de agua no sólo es un
componente de la atmósfera
extremadamente importante por su papel
en los procesos de condensación del agua,
sino también porque constituye una
reserva de calor en la atmósfera.
Durante la condensación,
en la que el vapor de agua
se transforma en agua
líquida, se liberan grandes cantidades de energía (calor latente) que
constituyen el “motor” de
fenómenos
meteorológicos.
Dióxido de Carbono
Componente natural de la atmósfera que ocupa un
pequeño (pero importante) porcentaje del
volumen de aire, de alrededor del 0,038%.
Entra a la atmósfera principalmente por la degradación
de la materia vegetal, pero también lo hace por las
erupciones volcánicas, la respiración de los seres vivos y
por actividades humanas como el uso de combustibles y
la deforestación.
La remoción del CO2 de la
atmósfera toma lugar durante la
fotosíntesis, cuando las plantas
consumen CO2 para producir
materia verde.
Los océanos actúan como enormes reservorios
de CO2, debido a que el fitoplancton lo fija en
sus células. El CO2, que se disuelve
directamente en el agua superficial, se mezcla y
circula a grandes profundidades. Se estima que
los océanos almacenan más de 50 veces el
contenido de dióxido de carbono presente en la
atmósfera.
La concentración atmosférica de CO2 ha aumentado más del 20% desde
1958, cuando se mide por primera vez en el observatorio Mauna Loa en
Hawai.
El dióxido de carbono registra un tiempo de
residencia atmosférica de 100 a 150 años.
La atmósfera contiene también otros
gases en menor proporción que los
citados previamente que afectan al
clima.
Los más importantes son
el metano (CH4),
el óxido nitroso (N2O) y
los clorofluorocarbonos (CFCs).
Elmetano se produce en forma natural por
la descomposición de sustancias orgánicas
en ambientes pobres en oxígeno. También
se produce en el sistema digestivo de
rumiantes y otros animales, en la
explotación de combustibles fósiles y en la
quema de biomasa.
Metano (CH4)
Aproximadamente la mitad de la producción de
metano proviene de los sembradíos de arroz y de la
actividad animal.
• Una cuarta parte proviene de tierras pantanosas y
húmedas.
• Un 15% de la producción industrial de gas natural y
carbón mineral.
• Los rellenos de basura y otras sustancias orgánicas
en descomposición contribuyen con un 5% de las
emisiones de metano.
La concentración de metano en la atmósfera se ha
duplicado en los últimos 200 años. Su tiempo de
residencia en la atmósfera es de 7 a 10 años.
El óxido de nitroso proviene principalmente de
las chimeneas de las centrales energéticas que
utilizan carbón, de los caños de escape de los
automóviles, y por la acción de los fertilizantes
nitrogenados que se utilizan en la agricultura.
También provienen de la descomposición de
materia orgánica por microbios.
Óxido nitroso (N2O)
“gas hilarante o de la risa”
Su tiempo de permanencia media en la atmósfera es
de 150 años. Actualmente se atribuye el 5 % del efecto
invernadero artificial a este gas.
Propulsores en los aerosoles.
Hoy, se utilizan principalmente como refrigerantes,
propulsores como espuma aislante, y como solventes
para la limpieza de microcircuitos electrónicos.
Efecto importante en nuestra atmósfera: no sólo
tienen el potencial para elevar las temperaturas
globales, sino que también desempeñan un papel en
la destrucción del gas ozono en la estratosfera
Clorofluorocarbonos (CFCs)
Es el componente más dañino del smogsmogfotoqufotoquíímicomico y causa daños importantes a la salud,
cuando está en concentraciones altas, y frena el
crecimiento de las plantas y los árboles.
Ozono
El ozono (O3) es un compuesto químico
formado por tres átomos de oxígeno (O).
Es una sustancia que cumple dos papeles
totalmente distintos según se encuentre en la
estratósfera o en la tropósfera.
El que está en la estratósfera (de 10 a 50 km) es
imprescindible para que la vida se mantenga
en la superficie del planeta porque absorbe las
radiaciones ultravioletas perjudiciales que
llegan del sol.
El agujero de ozono no
es técnicamente un
"agujero" donde no hay
ozono presente; en
realidad es una región
en la estratosfera donde
el ozono se ve
excepcionalmente
empobrecido sobre la
Antártida, que ocurre al
comienzo de la
primavera del
Hemisferio Sur (agosto-
octubre).
Un aerosol es un sólido o líquido en suspensión estable en
un gas, en este caso el aire.
Contaminantes: pequeñas partículas en suspensión, que
suponen una molestia para los seres vivientes.
dióxido de nitrógeno (NO2): motores de automóviles; con luz
solar reacciona con los hidrocarburos y otros gases para producir
ozono.
monóxido de carbono (CO) : gas venenoso; se forma por
combustión incompleta del carbono que contienen el combustible de
los vehículos.
Azufre --> dióxido de azufre (SO2) --> ácido sulfúrico.
lluvia ácida
(Quema de combustibles)
Estructura vertical de la atmósfera
Perfil vertical de la atmósfera
Criterios:
� Variación de la temperatura
� Composición
• Presión del aire y densidad del aire– Peso = masa x gravedad
– Densidad = masa/volumen
• Presión del aire y densidad del aire– Peso = masa x gravedad
– Densidad = masa/volumen
– Presión = fuerza/área
– Presión estándar a nivel del mar es 1013.25 mb = 1013.25 hPa = 29.92 in Hg
– La presión atmosférica disminuye con la altura sobre el Tierra.
Capas de la Atmósfera
Temperatura
TROPÓSFERA
Es la capa más baja en la que se
desarrolla la vida y la mayoría de los
fenómenos meteorológicos.
Se extiende en promedio hasta 12 km
de altura (con un mínimo de 8 km en
los polos y 18 km en el Ecuador).
La temperatura disminuye con la altura
hasta -55°C a razón de 0.65°C/100m.
El límite superior de la tropósfera se
denomina tropopausa.
Definición
Gradiente de la propiedad A =
variación de A con la distancia
γγγγ = δδδδT/ δδδδz = - 0.65°C/100m = -6.5°C/1 km
Variación de la altura de la tropopausa según la latitud.
ESTRATÓSFERA
Se extiende hasta los 45 km de
altura.
En ella la temperatura
aumenta con la altura hasta un
valor cercano a 0°C en su
límite superior denominado
estratopausa.
La concentración de masa
atmosférica en los niveles
superiores de la estratósfera y
en las capas por encima de
ella es tan baja (99% de la
masa está concentrada por
debajo de los 30 km
aproximadamente) que el
significado de la temperatura
no es el mismo que tiene a
nivel de la superficie del
planeta.
Inversión
térmica
MESÓSFERA
La temperatura
disminuye con la altura
y culmina a unos 80 km
de altitud donde la
temperatura es del
orden de -90°C
(mesopausa). Por
encima de ese nivel, y
hasta un nivel superior
no bien definido la
temperatura vuelve a
aumentar con la altura
definiendo la capa
denominada
TERMÓSFERA.
Está compuesta
por iones y
electrones
libres.
Los iones son
átomos y
moléculas que
perdieron o
ganaron uno o
más electrones.
La IONÓSFERA es una parte especial de la atmósfera que forma parte
de la termósfera.
La IONÓSFERA se divide en las
regiones D, E y F.
Las regiones D y
E reflejan las
ondas de radio
AM de regreso a
la Tierra.
Las ondas de
radio con menor
alcance se
reflejan en las
región F.
La comunicación a larga distancia por radio es posible
ya que las diferentes regiones de la ionósfera reflejan las
ondas radiales de regreso a la Tierra.
Estructura de la atmósfera según sucomposición
Se extiende hasta 80 km de altura aproximadamente. La concentración de la mayoría de los constituyentes del aire permanece casi constante debido a fenómenos de mezcla convectiva y turbulenta. Las excepciones son el ozono y el vapor de agua
HOMÓSFERA
Se ubica por encima de los 80 km. La composición del aire ya no es constante debido a fenómenos de difusión molecular. Hay mayor concentración de los componentes más ligeros y de forma estratificada: N2, O, He, H.
HETERÓSFERA
