350px|thumb|La característica composición del aire permite que las longitudes de onda azules sean más visibles que las de otros colores, lo cual da un color azulado a la atmósfera terrestre desde el espacio. En el trasfondo se puede apreciar la Luna ligeramente distorsionada por el aire.
La atmósfera terrestre es la parte gaseosa de la Tierra, siendo por esto la capa más externa y menos densa del planeta. Está constituida por varios gases que varían en cantidad según la presión a diversas alturas. Esta mezcla de gases que forma la atmósfera recibe genéricamente el nombre de aire. El 75 % de masa atmosférica se encuentra en los primeros 11 km de altura, desde la superficie del mar. Los principales gases que la componen son: el oxígeno (21 %) y el nitrógeno (78 %), seguidos del argón, el dióxido de carbono y el vapor de agua.
La atmósfera y la hidrosfera constituyen el sistema de capas fluidas superficiales del planeta, cuyos movimientos dinámicos están estrechamente relacionados. Las corrientes de aire reducen drásticamente las diferencias de temperatura entre el día y la noche, distribuyendo el calor por toda la superficie del planeta. Este sistema cerrado evita que las noches sean gélidas o que los días sean extremadamente calientes.
La atmósfera protege la vida sobre la Tierra, absorbiendo gran parte de la radiación solar ultravioleta en la capa de ozono. Además, actúa como escudo protector contra los meteoritos, los cuales se desintegran en polvo a causa de la fricción que sufren al hacer contacto con el aire. centro|miniaturadeimagen|730x730px|Comprende la atmósfera terrestre de un vistazo. Durante millones de años, la vida ha transformado, una y otra vez, la composición de la atmósfera. Por ejemplo; su considerable cantidad de oxígeno libre es posible gracias a las formas de vida —como son las plantas— que convierten el dióxido de carbono en oxígeno, el cual es a su vez respirable por las demás formas de vida, tales como los seres humanos y los animales en general.
Composición
En la atmósfera terrestre se pueden distinguir dos regiones con distinta composición, la homosfera y la heterosfera.
Homosfera
La homosfera ocupa los 100 km inferiores y tiene una composición constante y uniforme. + Composición de la atmósfera terrestre (aire seco, porcentajes por volumen)Source for figures: Carbon dioxide, NASA Earth Fact Sheet, (updated 2007.01). Methane, IPCC TAR table 6.1 , (updated to 1998). The NASA total was 17 ppmv over 100%, and CO2 was increased here by 15 ppmv. To normalize, N2 should be reduced by about 25 ppmv and O2 by about 7 ppmv. Gas % Nitrógeno (N2) 780 84078,084 Oxígeno (O2) 209 46020,946 Argón (Ar) 93400,934 Dióxido de carbono (CO2) 4210,042 Neón (Ne) 18,180,001818 Helio (He) 5,240,000524 Metano (CH4) 1,790,000179 Kriptón (Kr) 1,140,000114 Hidrógeno (H2) 0,550,000055 Óxido nitroso (N2O) 0,30,00003 Xenón (Xe) 0,09 Ozono (O3) 0,0 - 0,070 - Dióxido de nitrógeno (NO2) 0,02 Yodo (I2) 0,01 Monóxido de carbono (CO) 0,10,00001 Amoníaco (NH3) TrazasExcluido por ser aire en seco Agua (vapor) (H2O) –0,40 % a nivel atmosférico, en superficie: 1 %-4 %
Heterosfera
La heterosfera se extiende desde los 80 km hasta el límite superior de la atmósfera (unos 10 000 km); está estratificada, es decir, formada por diversas capas con composición diferente.
+kmCapa de80 - 400Nitrógeno molecular400 - 1100Oxígeno atómico1100 - 3500Helio3500 - 10000Hidrógeno
Variación de la presión con la altura
La variación con la altura de la presión atmosférica con el conocimiento que se tiene del magnetismo o de la densidad atmosférica es lo que se conoce como ley barométrica. La diferencia de presión entre dos capas separadas por un es:
pues se supone la densidad constante. La ley de la densidad suponiendo el aire como un gas ideal
aplicada a la superficie de la Tierra resulta una densidad del aire . Pretendemos subir una montaña no excesivamente alta (para que la densidad sea constante) y queremos saber cómo disminuirá la presión a medida que ascendemos. Como la densidad del mercurio es: es 11 100 veces mayor que la densidad del aire resulta que la presión disminuye 1 mm de Hg cuando nos elevamos 11 100 mm es decir 11,1 m. Ahora bien como 4 hPa son 3 mm de Hg la presión disminuye 4 hPa cada 33,3 m, es decir 1 hPa cada 8 m de ascenso.
En una atmósfera isoterma la presión varía con la altura siguiendo la ley:
+SímboloNombreMasa molecularAceleración de la gravedadDiferencia de alturas entre los nivelesTemperatura absoluta media entre los nivelesPresiónPresiónConstante universal de los gases El hecho de que la temperatura varíe sí limita la validez de la fórmula. Por el contrario, la variación de la aceleración de la gravedad es tan mínima que no afecta.
Altura de escala
La altura de escala es la altura a la que hay que elevarse en una atmósfera para que la presión atmosférica disminuya en un factor e = 2,718182. Es decir la disminución de presión es 1-1/e = 0,632 (= 63,2 %). Para calcularla basta con poner en la Ley barométrica resulta:
Para la atmósfera de la Tierra la escala de alturas H es de unos 7,6 km, considerando una temperatura media de la atmósfera de unos 260 K. En función de la escala de alturas H la presión puede expresarse:
y análogamente para la densidad:
Capas de la atmósfera terrestre y la temperatura
La temperatura de la atmósfera terrestre varía con la altitud. La relación entre la altitud y la temperatura es distinta dependiendo de la capa atmosférica considerada: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera y exosfera. A esto se le llama gradiente térmico atmosférico.
Las divisiones entre una capa y otra se denominan respectivamente tropopausa, estratopausa, mesopausa y termopausa.
Troposfera
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Sus principales características son: Su espesor alcanza desde la superficie terrestre (tanto continental como oceánica) hasta una altitud variable entre los 6 km en las zonas polares y los 18 o 20 km en la zona intertropical. El aire de la troposfera se calienta a partir del calor emitido por la superficie terrestre. La temperatura es máxima en la superficie terrestre, alrededor de 15 °C de media, y a partir de ahí comienza a descender con la altura según un gradiente térmico vertical (GTV) de 6,5 °C de descenso cada km que se asciende en altura (la temperatura baja 0,65 °C cada 100 m de altura) hasta llegar a -70 °C a los 12 km de altura.Tema 3. La atmósfera. Universidad de Murcia. Una excepción al gradiente térmico es la inversión térmica que se debe a causas locales o regionalmente determinadas. En la troposfera suceden los fenómenos que componen lo que llamamos tiempo meteorológico.
Estratosfera
Su nombre obedece a que está dispuesta en capas más o menos horizontales (o estratos). Se extiende entre los 9 o 18 km hasta los 50 km de altitud. La estratosfera es la segunda capa de la atmósfera de la Tierra. A medida que se sube, la temperatura en la estratosfera aumenta. Este aumento de la temperatura se debe a que los rayos ultravioleta transforman al oxígeno en ozono, proceso que involucra calor: al ionizarse el aire, se convierte en un buen conductor de la electricidad y, por ende, del calor. Es por ello que a cierta altura existe una relativa abundancia de ozono (ozonosfera) lo que implica también que la temperatura se eleve a unos –3 °C o más. Sin embargo, se trata de una capa muy enrarecida, muy tenue.
Ozonosfera
thumb|800x800px|Capas de la atmósfera terrestre Se denomina capa de ozono, u ozonosfera, a la zona de la estratosfera terrestre que contiene una concentración relativamente alta de ozono. Esta capa, que se extiende aproximadamente de los 15 km a los 40 km de altitud, reúne el 90 % del ozono presente en la atmósfera y absorbe del 97 % al 99 % de la radiación ultravioleta de alta frecuencia.
Mesosfera
Es la tercera capa de la atmósfera de la Tierra. Se extiende entre los 50 y 80 km de altura, contiene solo el 0.1 % de la masa total del aire. Es la zona más fría de la atmósfera, pudiendo alcanzar los –80 °C. Es importante por la ionización y las reacciones químicas que ocurren en ella. La baja densidad del aire en la mesosfera determina la formación de turbulencias y ondas atmosféricas que actúan a escalas espaciales y temporales muy grandes.
Termosfera o ionosfera
En la termosfera (de 69/90 a los 600/800 km), la temperatura aumenta con la altitud, de ahí su nombre. Coincide prácticamente con la región llamada ionosfera. Es la cuarta capa de la atmósfera de la Tierra. Se encuentra encima de la mesosfera. A esta altura, el aire es muy tenue y la temperatura cambia con la mayor o menor radiación solar tanto durante el día como a lo largo del año. Si el sol está activo, las temperaturas en la termosfera pueden llegar a 1500 °C e incluso más altas. En ella se encuentra el 0.1 % de los gases. En esta capa, se encuentra la Línea de Kármán, que es el límite entre atmósfera y espacio exterior, a efectos de aviación y astronáutica.
Exosfera
La última capa de la atmósfera de la Tierra es la exosfera (600/800-2000/). Está compuesta principalmente por hidrógeno y helio y las partículas van disminuyendo hasta desaparecer. En razón de la baja atracción gravitatoria algunas pueden llegar a escapar al espacio interplanetario. Como su nombre indica, es la región atmosférica más distante de la superficie terrestre. Su límite superior está en altitudes que alcanzan los 1000 e incluso 10000 km, siendo relativamente indefinida. Es la zona de tránsito entre la atmósfera terrestre y el espacio interplanetario. Su temperatura diurna alcanza hasta los 1500 °C y la nocturna a 0 °C.
Regiones atmosféricas Ozonosfera
Es la región de la atmósfera donde se concentra la mayor parte del ozono. Está situada en la estratosfera, entre los 15 y 32 km, aproximadamente. Esta capa protege a la Tierra de la radiación ultravioleta del Sol.
Ionosfera
Es la región ionizada por el bombardeo producido por la radiación solar. La ionización de esta capa produce la reflexión de las ondas de radio emitidas desde la superficie terrestre, lo que permite su recepción a grandes distancias. Se corresponde aproximadamente con la termosfera.
Magnetosfera
Es la región exterior a la Tierra donde el campo magnético, generado por el núcleo terrestre, actúa como protector de los vientos solares.
Capas de airglow
Son capas situadas cerca de la mesopausa, que se caracterizan por la luminiscencia, incluso nocturna, causada por la reestructuración de átomos en forma de moléculas que habían sido ionizadas por la luz solar durante el día, o por rayos cósmicos. Las principales capas son la del OH, a unos 85 km, y la de O2, situada a unos 95 km de altura, ambas con un grosor aproximado de unos 10 km.
Dinámica de la atmósfera
Se llama dinámica de la atmósfera o dinámica atmosférica a una parte de la Termodinámica que estudia las leyes físicas y los flujos de energía involucrados en los procesos atmosféricos. Estos procesos presentan una gran complejidad por la enorme gama de interacciones posible tanto en el mismo seno de la atmósfera como con las otras partes (sólida y líquida) de nuestro planeta.
La termodinámica establece tres leyes, además de lo que se conoce como principio cero de la termodinámica. Estas tres leyes rigen en todo el mundo físico-natural y establecen la base científica de los procesos que constituyen el campo de la dinámica de la atmósfera. Así pues, la dinámica atmosférica involucra a todos los movimientos que se presentan en el seno de la atmósfera terrestre y estudia también las causas de dichos movimientos, los efectos de los mismos y, en general todos los flujos de energía térmica, eléctrica, físico-química, y de otros tipos que ocurren en la capa de aire que rodea a la Tierra.
Funciones de la atmósfera
Fricción atmosférica