Atmósfera de la Tierra


La atmósfera de la Tierra es la capa de gases , comúnmente conocida como aire , retenida por la gravedad terrestre , que rodea al planeta Tierra y forma su atmósfera planetaria . La atmósfera de la Tierra protege la vida en la Tierra creando presión que permite que exista agua líquida en la superficie de la Tierra , absorbiendo la radiación solar ultravioleta , calentando la superficie a través de la retención de calor ( efecto invernadero ) y reduciendo las temperaturas extremas entre el día y la noche (elvariación de temperatura diurna ).

Foto de la NASA que muestra la atmósfera de la Tierra al atardecer , con la silueta de la Tierra
La luz azul se dispersa más que otras longitudes de onda por los gases en la atmósfera, rodeando la Tierra en una capa visiblemente azul cuando se ve desde el espacio a bordo de la ISS a una altitud de 335 km (208 millas). [1]
Composición de la atmósfera terrestre en volumen, excluido el vapor de agua. El pastel inferior representa los gases traza que juntos componen aproximadamente el 0,043391% de la atmósfera (0,04402961% a la concentración de abril de 2019 [2] [3] ). Los números son principalmente de 2000, con CO
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y metano de 2019, y no representan una sola fuente. [4]

Por volumen, el aire seco contiene 78,09% de nitrógeno , 20,95% de oxígeno , 0,93% de argón , 0,04% de dióxido de carbono y pequeñas cantidades de otros gases. [8] El aire también contiene una cantidad variable de vapor de agua , en promedio alrededor del 1% al nivel del mar y el 0,4% en toda la atmósfera. La composición del aire, la temperatura y la presión atmosférica varían con la altitud, y el aire adecuado para la fotosíntesis de las plantas terrestres y la respiración de los animales terrestres se encuentra solo en la troposfera de la Tierra y en atmósferas artificiales .

La atmósfera de la Tierra ha cambiado mucho desde su formación como principalmente una atmósfera de hidrógeno, y ha cambiado drásticamente en varias ocasiones; por ejemplo, el Gran Evento de Oxidación hace 2.400 millones de años, aumentó considerablemente el oxígeno en la atmósfera desde prácticamente ningún oxígeno a niveles más cercanos a los actuales. . Los seres humanos también han contribuido a cambios significativos en la composición atmosférica a través de la contaminación del aire, especialmente desde la industrialización , lo que ha llevado a cambios ambientales rápidos como el agotamiento del ozono y el calentamiento global .

La atmósfera tiene una masa de aproximadamente 5,15 × 10 18  kg, [9] tres cuartas partes de los cuales se encuentran a unos 11 km (6,8 millas; 36.000 pies) de la superficie. La atmósfera se vuelve más y más delgada a medida que aumenta la altitud, sin un límite definido entre la atmósfera y el espacio exterior . La línea de Kármán , a 100 km (62 millas), o el 1,57% del radio de la Tierra, se utiliza a menudo como el límite entre la atmósfera y el espacio exterior. Los efectos atmosféricos se vuelven notables durante la reentrada atmosférica de una nave espacial a una altitud de alrededor de 120 km (75 millas). Se pueden distinguir varias capas en la atmósfera, en función de características como la temperatura y la composición.

El estudio de la atmósfera terrestre y sus procesos se denomina ciencia atmosférica (aerología) e incluye múltiples subcampos, como la climatología y la física atmosférica . Los primeros pioneros en el campo incluyen a Léon Teisserenc de Bort y Richard Assmann . [10] El estudio de la atmósfera histórica se llama paleoclimatología .

Vapor de agua atmosférico medio

Los tres componentes principales de la atmósfera terrestre son el nitrógeno , el oxígeno y el argón . El vapor de agua representa aproximadamente el 0,25% de la atmósfera en masa. La concentración de vapor de agua (un gas de efecto invernadero) varía significativamente desde alrededor de 10 ppm por volumen en las porciones más frías de la atmósfera hasta tanto como 5% por volumen en masas de aire caliente y húmedo, y las concentraciones de otros gases atmosféricos generalmente se citan en términos de aire seco (sin vapor de agua). [11] Los gases restantes se denominan a menudo gases traza, [12] entre los que se encuentran los gases de efecto invernadero , principalmente dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y ozono. Además del argón, ya mencionado, también están presentes otros gases nobles , neón, helio, criptón y xenón. El aire filtrado incluye trazas de muchos otros compuestos químicos . Muchas sustancias de origen natural pueden estar presentes en pequeñas cantidades variables local y estacionalmente como aerosoles en una muestra de aire sin filtrar, incluido el polvo de composición mineral y orgánica, polen y esporas , rocío de mar y ceniza volcánica . También pueden estar presentes varios contaminantes industriales como gases o aerosoles, como el cloro (elemental o en compuestos), compuestos de flúor y vapor de mercurio elemental . Los compuestos de azufre como el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de azufre (SO 2 ) pueden derivarse de fuentes naturales o de la contaminación atmosférica industrial.

El peso molecular medio del aire seco, que se puede utilizar para calcular densidades o para convertir entre fracción molar y fracción de masa, es aproximadamente 28,946 [14] o 28,96 [15] [16]  g / mol. Esto disminuye cuando el aire es húmedo.

La concentración relativa de gases permanece constante hasta aproximadamente 10,000 m (33,000 pies). [17]

La fracción de volumen de los principales componentes de la atmósfera terrestre en función de la altura según el modelo atmosférico MSIS-E-90.

Atmósfera de la Tierra 4 capas inferiores de la atmósfera en 3 dimensiones como se ve en diagonal desde arriba de la exobase. Capas dibujadas a escala, los objetos dentro de las capas no están a escala. Las auroras que se muestran aquí en la parte inferior de la termosfera en realidad pueden formarse a cualquier altitud en esta capa atmosférica.

En general, la presión y la densidad del aire disminuyen con la altitud en la atmósfera. Sin embargo, la temperatura tiene un perfil más complicado con la altitud y puede permanecer relativamente constante o incluso aumentar con la altitud en algunas regiones (consulte la sección de temperatura , a continuación). Debido a que el patrón general del perfil de temperatura / altitud, o tasa de caída , es constante y medible por medio de sondas con globos instrumentados , el comportamiento de la temperatura proporciona una métrica útil para distinguir las capas atmosféricas. De esta manera, la atmósfera de la Tierra se puede dividir (lo que se denomina estratificación atmosférica) en cinco capas principales. Excluyendo la exosfera, la atmósfera tiene cuatro capas primarias, que son la troposfera, la estratosfera, la mesosfera y la termosfera. [18] De mayor a menor, las cinco capas principales son:

  • Exosfera: 700 a 10.000 km (440 a 6.200 millas)
  • Termosfera: 80 a 700 km (50 a 440 millas) [19]
  • Mesosfera: 50 a 80 km (31 a 50 millas)
  • Estratosfera: 12 a 50 km (7 a 31 millas)
  • Troposfera: 0 a 12 km (0 a 7 millas) [20]

Exosfera

La exosfera es la capa más externa de la atmósfera de la Tierra (es decir, el límite superior de la atmósfera). Se extiende desde la exobase , que se encuentra en la parte superior de la termosfera a una altitud de unos 700 km sobre el nivel del mar, hasta unos 10.000 km (6.200 millas; 33.000.000 pies) donde se fusiona con el viento solar .

Esta capa se compone principalmente de densidades extremadamente bajas de hidrógeno, helio y varias moléculas más pesadas que incluyen nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono más cerca de la exobase. Los átomos y las moléculas están tan separados que pueden viajar cientos de kilómetros sin chocar entre sí. Por lo tanto, la exosfera ya no se comporta como un gas y las partículas escapan constantemente al espacio. Estas partículas en movimiento libre siguen trayectorias balísticas y pueden migrar dentro y fuera de la magnetosfera o el viento solar.

La exosfera se encuentra demasiado por encima de la Tierra para que sea posible cualquier fenómeno meteorológico. Sin embargo, la aurora boreal y la aurora austral a veces ocurren en la parte inferior de la exosfera, donde se superponen con la termosfera. La exosfera contiene muchos de los satélites que orbitan la Tierra.

Termosfera

La termosfera es la segunda capa más alta de la atmósfera de la Tierra. Se extiende desde la mesopausia (que la separa de la mesosfera) a una altitud de unos 80 km (50 millas; 260.000 pies) hasta la termopausa en un rango de altitud de 500-1.000 km (310-620 millas; 1.600.000-3.300.000 pies ). La altura de la termopausa varía considerablemente debido a los cambios en la actividad solar. [19] Debido a que la termopausa se encuentra en el límite inferior de la exosfera, también se la conoce como exobase . La parte inferior de la termosfera, de 80 a 550 kilómetros (50 a 342 millas) sobre la superficie de la Tierra, contiene la ionosfera .

La temperatura de la termosfera aumenta gradualmente con la altura y puede subir hasta 1500 ° C (2700 ° F), aunque las moléculas de gas están tan separadas que su temperatura en el sentido habitual no es muy significativa. El aire está tan enrarecido que una molécula individual (de oxígeno , por ejemplo) viaja un promedio de 1 kilómetro (0,62 millas; 3300 pies) entre colisiones con otras moléculas. [21] Aunque la termosfera tiene una alta proporción de moléculas con alta energía, no se sentiría caliente para un ser humano en contacto directo, porque su densidad es demasiado baja para conducir una cantidad significativa de energía hacia o desde la piel.

Esta capa está completamente despejada y libre de vapor de agua. Sin embargo, en la termosfera se observan ocasionalmente fenómenos no hidrometeorológicos como la aurora boreal y la aurora austral . La Estación Espacial Internacional orbita en esta capa, entre. 350 y 420 km (220 y 260 mi). Es esta capa donde están presentes muchos de los satélites que orbitan la Tierra.

Mesosfera

La mesosfera es la tercera capa más alta de la atmósfera de la Tierra, ocupando la región por encima de la estratosfera y por debajo de la termosfera. Se extiende desde la estratopausa a una altitud de unos 50 km (31 millas; 160.000 pies) hasta la mesopausia a 80-85 km (50-53 millas; 260.000-280.000 pies) sobre el nivel del mar.

Las temperaturas bajan al aumentar la altitud hasta la mesopausia que marca la parte superior de esta capa intermedia de la atmósfera. Es el lugar más frío de la Tierra y tiene una temperatura promedio de alrededor de -85  ° C (-120  ° F ; 190  K ). [22] [23]

Justo debajo de la mesopausia, el aire es tan frío que incluso el muy escaso vapor de agua a esta altitud puede sublimarse en nubes noctilucentes polar-mesosféricas . Estas son las nubes más altas de la atmósfera y pueden ser visibles a simple vista si la luz del sol se refleja en ellas una o dos horas después del atardecer o de manera similar antes del amanecer. Son más fácilmente visibles cuando el Sol está entre 4 y 16 grados por debajo del horizonte. Las descargas inducidas por rayos, conocidas como eventos luminosos transitorios (TLE), se forman ocasionalmente en la mesosfera por encima de las nubes de tormenta troposféricas . La mesosfera es también la capa donde la mayoría de los meteoros se queman al entrar en la atmósfera. Está demasiado alto por encima de la Tierra para que sea accesible a aviones y globos propulsados ​​por reactores, y demasiado bajo para permitir que naves espaciales orbitales. Se accede principalmente a la mesosfera mediante cohetes sonoros y aviones propulsados por cohetes .

Estratosfera

La estratosfera es la segunda capa más baja de la atmósfera de la Tierra. Se encuentra por encima de la troposfera y está separada de ella por la tropopausa . Esta capa se extiende desde la parte superior de la troposfera a aproximadamente 12 km (7,5 millas; 39.000 pies) sobre la superficie de la Tierra hasta la estratopausa a una altitud de aproximadamente 50 a 55 km (31 a 34 millas; 164.000 a 180.000 pies).

La presión atmosférica en la parte superior de la estratosfera es aproximadamente 1/1000 de la presión al nivel del mar . Contiene la capa de ozono , que es la parte de la atmósfera terrestre que contiene concentraciones relativamente altas de ese gas. La estratosfera define una capa en la que las temperaturas aumentan a medida que aumenta la altitud. Este aumento de temperatura se debe a la absorción de la radiación ultravioleta (UV) del Sol por la capa de ozono, que restringe la turbulencia y la mezcla. Aunque la temperatura puede ser de -60 ° C (-76 ° F; 210 K) en la tropopausa, la parte superior de la estratosfera es mucho más cálida y puede estar cerca de los 0 ° C. [24]

El perfil de temperatura estratosférica crea condiciones atmosféricas muy estables, por lo que la estratosfera carece de la turbulencia del aire que produce el clima que es tan frecuente en la troposfera. En consecuencia, la estratosfera está casi completamente libre de nubes y otras formas de clima. Sin embargo, ocasionalmente se observan nubes estratosféricas o nacaradas polares en la parte inferior de esta capa de la atmósfera donde el aire es más frío. La estratosfera es la capa más alta a la que se puede acceder mediante aviones a reacción .

Troposfera

La troposfera es la capa más baja de la atmósfera terrestre. Se extiende desde la superficie de la Tierra hasta una altura promedio de unos 12 km (7,5 millas; 39.000 pies), aunque esta altitud varía de unos 9 km (5,6 millas; 30.000 pies) en los polos geográficos a 17 km (11 millas; 56.000 pies). en el Ecuador , [20] con algunas variaciones debido al clima. La troposfera está delimitada por encima de la tropopausa , un límite marcado en la mayoría de los lugares por una inversión de temperatura (es decir, una capa de aire relativamente caliente sobre una más fría), y en otros por una zona que es isotérmica con la altura. [25] [26]

Aunque ocurren variaciones, la temperatura generalmente disminuye con el aumento de la altitud en la troposfera porque la troposfera se calienta principalmente a través de la transferencia de energía desde la superficie. Por lo tanto, la parte más baja de la troposfera (es decir, la superficie de la Tierra) es típicamente la sección más cálida de la troposfera. Esto promueve la mezcla vertical (de ahí el origen de su nombre en la palabra griega τρόπος, tropos , que significa "giro"). La troposfera contiene aproximadamente el 80% de la masa de la atmósfera terrestre. [27] La troposfera es más densa que todas sus capas atmosféricas suprayacentes porque un peso atmosférico mayor se asienta sobre la troposfera y hace que se comprima más severamente. El cincuenta por ciento de la masa total de la atmósfera se encuentra en los 5,6 km inferiores (3,5 millas; 18 000 pies) de la troposfera.

Casi todo el vapor de agua o la humedad atmosférica se encuentra en la troposfera, por lo que es la capa donde se desarrolla la mayor parte del tiempo de la Tierra. Tiene básicamente todos los tipos de géneros de nubes asociados con el clima generados por la circulación activa del viento, aunque las nubes de trueno cumulonimbus muy altas pueden penetrar la tropopausa desde abajo y ascender a la parte inferior de la estratosfera. La mayor parte de la actividad de la aviación convencional tiene lugar en la troposfera y es la única capa a la que se puede acceder mediante aviones propulsados por hélice .

Transbordador espacial Endeavour orbitando en la termosfera. Debido al ángulo de la foto, parece estar a horcajadas sobre la estratosfera y la mesosfera que en realidad se encuentran a más de 250 km (160 millas) debajo. La capa naranja es la troposfera , que da paso a la estratosfera blanquecina y luego a la mesosfera azul . [28]

Otras capas

Dentro de las cinco capas principales anteriores, que están determinadas en gran medida por la temperatura, varias capas secundarias pueden distinguirse por otras propiedades:

  • La capa de ozono está contenida dentro de la estratosfera. En esta capa, las concentraciones de ozono son aproximadamente de 2 a 8 partes por millón, que es mucho más alta que en la atmósfera inferior pero aún muy pequeña en comparación con los componentes principales de la atmósfera. Se encuentra principalmente en la parte más baja de la estratosfera de aproximadamente 15 a 35 km (9,3 a 21,7 millas; 49 000 a 115 000 pies), aunque el grosor varía estacionalmente y geográficamente. Aproximadamente el 90% del ozono de la atmósfera terrestre está contenido en la estratosfera.
  • La ionosfera es una región de la atmósfera ionizada por la radiación solar. Es responsable de las auroras . Durante las horas del día, se extiende de 50 a 1,000 km (31 a 621 millas; 160,000 a 3,280,000 pies) e incluye la mesosfera, la termosfera y partes de la exosfera. Sin embargo, la ionización en la mesosfera cesa en gran medida durante la noche, por lo que las auroras normalmente solo se ven en la termosfera y la exosfera inferior. La ionosfera forma el borde interior de la magnetosfera . Tiene importancia práctica porque influye, por ejemplo, en la propagación de radio en la Tierra.
  • La homoesfera y la heteroesfera se definen por si los gases atmosféricos están bien mezclados. La homoesfera de superficie incluye la troposfera, la estratosfera, la mesosfera y la parte más baja de la termosfera, donde la composición química de la atmósfera no depende del peso molecular porque los gases se mezclan por turbulencia. [29] Esta capa relativamente homogénea termina en la turbopausa que se encuentra a unos 100 km (62 millas; 330.000 pies), el borde mismo del espacio según lo aceptado por la FAI , que lo sitúa a unos 20 km (12 millas; 66.000 pies) por encima de la mesopausia.
Por encima de esta altitud se encuentra la heteroesfera, que incluye la exosfera y la mayor parte de la termosfera. Aquí, la composición química varía con la altitud. Esto se debe a que la distancia que las partículas pueden moverse sin chocar entre sí es grande en comparación con el tamaño de los movimientos que provocan la mezcla. Esto permite que los gases se estratifiquen por peso molecular, con los más pesados, como el oxígeno y el nitrógeno, presentes solo cerca del fondo de la heteroesfera. La parte superior de la heteroesfera está compuesta casi en su totalidad por hidrógeno, el elemento más ligero. [ aclaración necesaria ]
  • La capa límite planetaria es la parte de la troposfera que está más cerca de la superficie de la Tierra y se ve directamente afectada por ella, principalmente a través de la difusión turbulenta . Durante el día, la capa límite planetaria suele estar bien mezclada, mientras que por la noche se estratifica de manera estable con una mezcla débil o intermitente. La profundidad de la capa límite planetaria varía desde tan solo unos 100 metros (330 pies) en noches despejadas y tranquilas hasta 3.000 m (9.800 pies) o más durante la tarde en regiones secas.

La temperatura promedio de la atmósfera en la superficie de la Tierra es 14 ° C (57 ° F; 287 K) [30] o 15 ° C (59 ° F; 288 K), [31] dependiendo de la referencia. [32] [33] [34]

Comparación del gráfico de la atmósfera estándar de los EE. UU. De 1962 de la altitud geométrica con la densidad del aire , la presión , la velocidad del sonido y la temperatura con altitudes aproximadas de varios objetos. [35]

Presión y espesor

La presión atmosférica promedio al nivel del mar está definida por la Atmósfera Estándar Internacional como 101325 pascales (760.00  Torr ; 14.6959  psi ; 760.00  mmHg ). A veces, esto se denomina unidad de atmósferas estándar (atm) . La masa atmosférica total es 5.1480 × 10 18 kg (1.135 × 10 19 lb), [36] aproximadamente un 2.5% menos de lo que se inferiría de la presión promedio al nivel del mar y el área de la Tierra de 51007.2 megahectáreas, siendo esta porción desplazada por el terreno montañoso de la Tierra. La presión atmosférica es el peso total del aire por encima del área de la unidad en el punto donde se mide la presión. Por lo tanto, la presión del aire varía según la ubicación y el clima .

Si toda la masa de la atmósfera tuviera una densidad uniforme igual a la densidad del nivel del mar (aproximadamente 1,2 kg por m 3 ) desde el nivel del mar hacia arriba, terminaría abruptamente a una altitud de 8,50 km (27,900 pies). En realidad, disminuye exponencialmente con la altitud, disminuyendo a la mitad cada 5,6 km (18.000 pies) o en un factor de 1 / e cada 7,64 km (25.100 pies), la altura de escala promedio de la atmósfera por debajo de 70 km (43 millas; 230.000 pies). . Sin embargo, la atmósfera se modela con mayor precisión con una ecuación personalizada para cada capa que tiene en cuenta los gradientes de temperatura, composición molecular, radiación solar y gravedad.

En resumen, la masa de la atmósfera terrestre se distribuye aproximadamente de la siguiente manera: [37]

  • El 50% está por debajo de 5,6 km (18.000 pies).
  • El 90% está por debajo de los 16 km (52.000 pies).
  • 99,99997% está por debajo de 100 km (62 millas; 330.000 pies), la línea Kármán . Por convención internacional, esto marca el comienzo del espacio donde los viajeros humanos se consideran astronautas .

En comparación, la cima del monte. El Everest está a 8.848 m (29.029 pies); los aviones comerciales normalmente navegan entre 10 y 13 km (33 000 y 43 000 pies) donde el aire más fino mejora la economía de combustible; los globos meteorológicos alcanzan los 30,4 km (100.000 pies) y más; y el vuelo más alto del X-15 en 1963 alcanzó los 108,0 km (354,300 pies).

Incluso por encima de la línea de Kármán, todavía se producen efectos atmosféricos significativos, como las auroras . Los meteoritos comienzan a brillar en esta región, aunque es posible que los más grandes no se quemen hasta que penetren más profundamente. Las diversas capas de la ionosfera de la Tierra , importantes para la propagación de radio en ondas decamétricas , comienzan por debajo de los 100 km y se extienden más allá de los 500 km. En comparación, la Estación Espacial Internacional y el Transbordador Espacial suelen orbitar a 350-400 km, dentro de la capa F de la ionosfera, donde encuentran suficiente resistencia atmosférica para requerir refuerzos cada pocos meses; de lo contrario, se producirá una desintegración orbital que dará como resultado un retorno a tierra. Dependiendo de la actividad solar, los satélites pueden experimentar una notable resistencia atmosférica a altitudes de hasta 700 a 800 km.

Temperatura y velocidad del sonido

Tendencias de temperatura en dos capas gruesas de la atmósfera medidas entre enero de 1979 y diciembre de 2005 por unidades de sondeo por microondas y unidades de sondeo por microondas avanzadas en los satélites meteorológicos de la NOAA . Los instrumentos registran las microondas emitidas por las moléculas de oxígeno en la atmósfera. Fuente: [38]

La división de la atmósfera en capas principalmente por referencia a la temperatura se discutió anteriormente. La temperatura disminuye con la altitud a partir del nivel del mar, pero las variaciones en esta tendencia comienzan por encima de los 11 km, donde la temperatura se estabiliza a través de una gran distancia vertical a través del resto de la troposfera. En la estratosfera , comenzando por encima de unos 20 km, la temperatura aumenta con la altura, debido al calentamiento dentro de la capa de ozono causado por la captura de radiación ultravioleta significativa del Sol por el gas dioxígeno y ozono en esta región. Aún otra región de aumento de temperatura con la altitud se produce en altitudes muy elevadas, en la termosfera acertadamente denominada por encima de los 90 km.

Debido a que en un gas ideal de composición constante la velocidad del sonido depende solo de la temperatura y no de la presión o densidad del gas, la velocidad del sonido en la atmósfera con la altitud toma la forma de un perfil de temperatura complicado (ver ilustración a la derecha) y no refleja cambios altitudinales en densidad o presión.

Densidad y masa

Temperatura y densidad de masa contra la altitud del modelo de atmósfera estándar NRLMSISE-00 (las ocho líneas de puntos en cada "década" están en los ocho cubos 8, 27, 64, ..., 729)

La densidad del aire al nivel del mar es de aproximadamente 1,2 kg / m 3 (1,2 g / L, 0,0012 g / cm 3 ). La densidad no se mide directamente, sino que se calcula a partir de mediciones de temperatura, presión y humedad utilizando la ecuación de estado para el aire (una forma de la ley de los gases ideales ). La densidad atmosférica disminuye a medida que aumenta la altitud. Esta variación se puede modelar aproximadamente mediante la fórmula barométrica . Se utilizan modelos más sofisticados para predecir la desintegración orbital de los satélites.

La masa promedio de la atmósfera es de aproximadamente 5 billones (5 × 10 15 ) de toneladas o 1 / 1.200.000 la masa de la Tierra. Según el Centro Nacional Estadounidense de Investigación Atmosférica , "la masa media total de la atmósfera es de 5,1480 × 10 18  kg con un rango anual debido al vapor de agua de 1,2 o 1,5 × 10 15  kg, dependiendo de si la presión superficial o los datos de vapor de agua se utilizan; algo menor que la estimación anterior. La masa media de vapor de agua se estima en 1,27 × 10 16  kg y la masa de aire seco en 5,1352 ± 0,0003 × 10 18  kg ".

La radiación solar (o luz solar) es la energía que la Tierra recibe del Sol . La Tierra también emite radiación de regreso al espacio, pero a longitudes de onda más largas que no podemos ver. Parte de la radiación entrante y emitida es absorbida o reflejada por la atmósfera. En mayo de 2017, se descubrió que los destellos de luz, vistos como parpadeos desde un satélite en órbita a un millón de millas de distancia, eran luz reflejada de los cristales de hielo en la atmósfera. [39] [40]

Dispersión

Cuando la luz atraviesa la atmósfera de la Tierra, los fotones interactúan con ella a través de la dispersión . Si la luz no interactúa con la atmósfera, se llama radiación directa y es lo que ves si miras directamente al Sol. La radiación indirecta es la luz que se ha dispersado en la atmósfera. Por ejemplo, en un día nublado cuando no puede ver su sombra, no hay radiación directa que le llegue, todo se ha dispersado. Como otro ejemplo, debido a un fenómeno llamado dispersión de Rayleigh , las longitudes de onda más cortas (azules) se dispersan más fácilmente que las longitudes de onda más largas (rojas). Por eso el cielo se ve azul; está viendo una luz azul dispersa. Esta es también la razón por la que los atardeceres son rojos. Debido a que el Sol está cerca del horizonte, los rayos del Sol atraviesan más atmósfera de lo normal para llegar a su ojo. Gran parte de la luz azul se ha dispersado, dejando la luz roja en una puesta de sol.

Absorción

Gráfico aproximado de la transmitancia (u opacidad) atmosférica de la Tierra a varias longitudes de onda de radiación electromagnética, incluida la luz visible .

Diferentes moléculas absorben diferentes longitudes de onda de radiación. Por ejemplo, el O 2 y el O 3 absorben casi todas las longitudes de onda inferiores a 300 nanómetros . El agua (H 2 O) absorbe muchas longitudes de onda por encima de 700 nm. Cuando una molécula absorbe un fotón, aumenta la energía de la molécula. Esto calienta la atmósfera, pero la atmósfera también se enfría emitiendo radiación, como se explica a continuación.

Los espectros de absorción combinados de los gases en la atmósfera dejan "ventanas" de baja opacidad , permitiendo la transmisión de solo ciertas bandas de luz. La ventana óptica va desde alrededor de 300 nm ( ultravioleta -C) hasta el rango que los humanos pueden ver, el espectro visible (comúnmente llamado luz), a aproximadamente 400-700 nm y continúa hasta el infrarrojo hasta alrededor de 1100 nm. También hay ventanas infrarrojas y de radio que transmiten algunas ondas infrarrojas y de radio a longitudes de onda más largas. Por ejemplo, la ventana de radio se extiende desde aproximadamente un centímetro hasta ondas de aproximadamente once metros.

Emisión

La emisión es lo opuesto a la absorción, es cuando un objeto emite radiación. Los objetos tienden a emitir cantidades y longitudes de onda de radiación dependiendo de sus curvas de emisión de " cuerpo negro ", por lo tanto, los objetos más calientes tienden a emitir más radiación, con longitudes de onda más cortas. Los objetos más fríos emiten menos radiación, con longitudes de onda más largas. Por ejemplo, el Sol tiene aproximadamente 6.000  K (5.730  ° C ; 10.340  ° F ), su radiación alcanza su punto máximo cerca de los 500 nm y es visible para el ojo humano. La Tierra tiene aproximadamente 290 K (17 ° C; 62 ° F), por lo que su radiación alcanza su punto máximo cerca de los 10,000 nm y es demasiado larga para ser visible para los humanos.

Debido a su temperatura, la atmósfera emite radiación infrarroja. Por ejemplo, en las noches despejadas, la superficie de la Tierra se enfría más rápido que en las noches nubladas. Esto se debe a que las nubes (H 2 O) son fuertes absorbentes y emisores de radiación infrarroja. Esta es también la razón por la que hace más frío por la noche en las elevaciones más altas.

El efecto invernadero está directamente relacionado con este efecto de absorción y emisión. Algunos gases en la atmósfera absorben y emiten radiación infrarroja, pero no interactúan con la luz solar en el espectro visible. Ejemplos comunes de estos son CO
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y H 2 O.

Índice de refracción

Efecto distorsionador de la refracción atmosférica sobre la forma del sol en el horizonte.

El índice de refracción del aire está cerca, pero apenas es mayor que 1. Las variaciones sistemáticas en el índice de refracción pueden conducir a la curvatura de los rayos de luz en trayectos ópticos largos. Un ejemplo es que, en algunas circunstancias, los observadores a bordo de los barcos pueden ver otros barcos justo sobre el horizonte porque la luz se refracta en la misma dirección que la curvatura de la superficie de la Tierra.

El índice de refracción del aire depende de la temperatura, [41] dando lugar a efectos de refracción cuando el gradiente de temperatura es grande. Un ejemplo de tales efectos es el espejismo .

Una vista idealizada de tres pares de grandes células de circulación.

La circulación atmosférica es el movimiento a gran escala del aire a través de la troposfera y el medio (con la circulación oceánica ) por el cual el calor se distribuye alrededor de la Tierra. La estructura a gran escala de la circulación atmosférica varía de un año a otro, pero la estructura básica permanece bastante constante porque está determinada por la tasa de rotación de la Tierra y la diferencia de radiación solar entre el ecuador y los polos.

Atmósfera más temprana

La primera atmósfera consistió en gases en la nebulosa solar , principalmente hidrógeno . Probablemente hubo hidruros simples como los que ahora se encuentran en los gigantes gaseosos ( Júpiter y Saturno ), en particular vapor de agua, metano y amoníaco . [42]

Segunda atmósfera

La desgasificación del vulcanismo , complementada por los gases producidos durante el intenso bombardeo tardío de la Tierra por enormes asteroides , produjo la siguiente atmósfera, que consta principalmente de nitrógeno más dióxido de carbono y gases inertes. [42] Una gran parte de las emisiones de dióxido de carbono se disolvieron en agua y reaccionaron con metales como el calcio y el magnesio durante la meteorización de las rocas de la corteza para formar carbonatos que se depositaron como sedimentos. Se han encontrado sedimentos relacionados con el agua que datan de hace 3.800 millones de años. [43]

Hace unos 3.400 millones de años, el nitrógeno formaba la mayor parte de la entonces estable "segunda atmósfera". La influencia de la vida debe tenerse en cuenta bastante pronto en la historia de la atmósfera porque los indicios de formas de vida tempranas aparecen ya hace 3.500 millones de años. [44] Cómo la Tierra en ese momento mantenía un clima lo suficientemente cálido para el agua líquida y la vida, si el Sol temprano emitía un 30% menos de radiación solar que hoy, es un rompecabezas conocido como la " paradoja del Sol joven y débil ".

Sin embargo, el registro geológico muestra una superficie continua relativamente cálida durante el registro completo de temperatura temprana de la Tierra, con la excepción de una fase glacial fría hace unos 2.400 millones de años. A finales del Eón Arcaico comenzó a desarrollarse una atmósfera que contenía oxígeno, aparentemente producida por cianobacterias fotosintetizadoras (ver Gran Evento de Oxigenación ), que se han encontrado como fósiles de estromatolitos de hace 2.700 millones de años. La isotopía básica del carbono ( proporciones de la relación de isótopos ) sugiere fuertemente condiciones similares a las actuales, y que las características fundamentales del ciclo del carbono se establecieron hace 4 mil millones de años.

Los sedimentos antiguos en el Gabón que datan de hace aproximadamente 2,15 a 2,08 mil millones de años proporcionan un registro de la evolución de la oxigenación dinámica de la Tierra. Estas fluctuaciones en la oxigenación probablemente fueron impulsadas por la excursión del isótopo de carbono de Lomagundi. [45]

Tercera atmósfera

Contenido de oxígeno de la atmósfera durante los últimos mil millones de años [46] [47]

La reordenación constante de los continentes por la tectónica de placas influye en la evolución a largo plazo de la atmósfera mediante la transferencia de dióxido de carbono hacia y desde las grandes reservas continentales de carbonato. El oxígeno libre no existía en la atmósfera hasta hace unos 2.400 millones de años durante el Gran Evento de Oxigenación y su aparición está indicada por el final de las formaciones de hierro en bandas .

Antes de este tiempo, el oxígeno producido por la fotosíntesis se consumía por la oxidación de materiales reducidos, en particular el hierro. Las moléculas de oxígeno libre no comenzaron a acumularse en la atmósfera hasta que la tasa de producción de oxígeno comenzó a exceder la disponibilidad de materiales reductores que eliminaban el oxígeno. Este punto significa un cambio de una atmósfera reductora a una atmósfera oxidante . El O 2 mostró grandes variaciones hasta alcanzar un estado estacionario superior al 15% al ​​final del Precámbrico. [48] El siguiente lapso de tiempo desde hace 541 millones de años hasta el día de hoy es el Eón Fanerozoico , durante el período más temprano del cual, comenzaron a aparecer las formas de vida metazoicas del Cámbrico que requieren oxígeno .

La cantidad de oxígeno en la atmósfera ha fluctuado durante los últimos 600 millones de años, alcanzando un pico de alrededor del 30% hace unos 280 millones de años, significativamente más alto que el 21% actual. Dos procesos principales gobiernan los cambios en la atmósfera: las plantas usan dióxido de carbono de la atmósfera y liberan oxígeno, y luego las plantas usan algo de oxígeno por la noche mediante el proceso de fotorrespiración y el resto del oxígeno se usa para descomponer el material orgánico adyacente. La descomposición de la pirita y las erupciones volcánicas liberan azufre a la atmósfera, que se oxida y, por lo tanto, reduce la cantidad de oxígeno en la atmósfera. Sin embargo, las erupciones volcánicas también liberan dióxido de carbono, que las plantas pueden convertir en oxígeno. Se desconoce la causa exacta de la variación de la cantidad de oxígeno en la atmósfera. Los períodos con mucho oxígeno en la atmósfera están asociados con el rápido desarrollo de los animales. La atmósfera actual contiene un 21% de oxígeno, lo que es suficiente para este rápido desarrollo de los animales. [49]

La contaminación del aire

La contaminación del aire es la introducción a la atmósfera de sustancias químicas , partículas o materiales biológicos que causan daño o malestar a los organismos. [50] El agotamiento del ozono estratosférico es causado por la contaminación del aire, principalmente por clorofluorocarbonos y otras sustancias que agotan el ozono.

El consenso científico es que los gases de efecto invernadero antropogénicos que se acumulan actualmente en la atmósfera son la principal causa del cambio climático . [51]

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La animación muestra la acumulación de CO troposférico
2
en el hemisferio norte con un máximo alrededor de mayo. El máximo en el ciclo de la vegetación sigue a finales del verano. Tras el pico de vegetación, la reducción del CO atmosférico
2
debido a la fotosíntesis es evidente, particularmente en los bosques boreales .

El 19 de octubre de 2015, la NASA inició un sitio web que contiene imágenes diarias del lado de la Tierra completamente iluminado por el sol en http://epic.gsfc.nasa.gov/ . Las imágenes se toman del Observatorio del Clima del Espacio Profundo (DSCOVR) y muestran a la Tierra mientras gira durante un día. [52]

  • Perspectiva aérea
  • Aire (elemento clásico)
  • Resplandor del aire
  • Airshed
  • Modelado de dispersión atmosférica
  • Electricidad atmosférica
  • Centro de Investigación del Clima de Medición de Radiación Atmosférica (ARM) (en los EE. UU.)
  • Estratificación atmosférica
  • Biosfera
  • Sistema de clima
    • Presupuesto energético de la Tierra
  • Ambiente de referencia internacional COSPAR (CIRA)
  • Impacto ambiental de la aviación
  • Oscurecimiento global
  • Registro histórico de temperatura
  • Hidrosfera
  • Hipermovilidad (viajes)
  • Protocolo de Kyoto
  • Lixiviación (agricultura)
  • Litosfera
  • Modelo atmosférico de referencia

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    2
    valor, que es 413,32 ppmv. [2] Aunque menor, el valor de enero de 2019 para CH
    4
    es 1866,1 ppbv (partes por mil millones). [3] Dos fuentes confiables más antiguas tienen composiciones atmosféricas secas, incluidas las moléculas traza, que suman menos del 100%: atmósfera estándar de EE. UU., 1976 [6] (99,9997147%); y Cantidades astrofísicas [7] (1976, 99,9999357%).
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  • Mapa global interactivo de las condiciones actuales de la superficie atmosférica y oceánica.