la atmósfera: parte de nuestro cielo
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Presentación muy completa (61 hojas) para una charla a los compañeros de la asociación Astroingeo de Alicante. Año 2008.TRANSCRIPT
NUESTRA ATMÓSFERA: PARTE DE NUESTRO CIELO
Definición, composición, estructura y origen.
DEFINICIÓN DE ATMÓSFERA
La atmósfera terrestre es la capa gaseosa que rodea a la Tierra.
Está compuesta por oxígeno (20,946%) y nitrógeno (78,084%), con pequeñas cantidades de argón (0,93%), dióxido de carbono (variable, pero alrededor de 0,033% ó 330 ppm), vapor de agua (aprox. 1%), neón (18,2 ppm), helio (5,24 ppm), kriptón (1,14 ppm), hidrógeno (5 ppm) y ozono (11,6 ppm).
Protege la vida de la Tierra absorbiendo en la capa de ozono parte de la radiación solar ultravioleta, reduciendo las diferencias de temperatura entre el día y la noche, y actuando como escudo protector contra los meteoritos.
El 75% de la atmósfera se encuentra en los primeros 11 km de altura desde la superficie planetaria.
EL ESPESOR DEL CIELO
¿cómo de alto es nuestro cielo?
A una altura de 16 kilómetros la densidad de la atmósfera es el 10% de la existente al nivel del mar
A una altura de 50 kilómetros la densidad se ha reducido a un 1% de la existente al nivel del mar
La atmósfera es una envoltura relativamente delgada:
El 99.99997% del total está en 100 kilómetros
El radio de la Tierra es de unos 6500 kilómetros
100 / 6500 = 1.5%
Las tormentas pueden ascender hasta los 12 kms en la atmósfera.
12 / 6500 = 0.2%
Masa total de la atmósfera: 5.14 x 1015 kilogramos
5.140.000.000.000.000 kilos
Casi nada.
PRINCIPALES GASES ATMOSFÉRICOS
componente % volumen aire seco ppm de aire Tiempo de residencia
nitrógeno (N2) 78.084 1.6. 107 oxígeno (O2) 20.946 3 000-10 000 argon (Ar) 0.934 neon (Ne) 0.00182 18.2 helio (He) 0.000524 5.24 106 años metano (CH4) 0.00015 1.5 9 años kripton (Kr) 0.000114 1.14 hidrógeno (H2) 0.00005 0.5 4-8 años variables vapor de agua (H2O) 0-5 10 días dióxido de carbono (CO2) 0.0340 340 3-4 monóxido de carbono (CO) 100 60 días dióxido de azufre 0-1 1 día dióxido de nitrógeno (NO2) 0-0.2 0.5 – 2 días ozono (O3) 0-10 100 días
NITRÓGENO (DINITROGENO)
Fuentes donde se encuentra: residuos agrícolas y ganaderos.erupciones volcánicas.
Sumideros que lo absorben:plantas.vida marina.
Tiempo medio de permanencia en la atmósfera
100 millones de años.100 millones de años.
CICLO DEL NITRÓGENO
OXÍGENO (DIOXÍGENO)
Fuentes de origen: fotosíntesis.
Sumideros que lo absorbe: personas y animales. disuelto en el agua. descomposición de materia orgánica. reacciones químicas.
Tiempo medio de permanencia en la atmósfera
3.000 años.3.000 años.
El O2 le confiere un carácter oxidante a la atmósfera.
Se formó por fotólisis de H
2O, formándose H2 y O2:
H2O + hν → 1/2O2.
El O3 se formó a partir de O2 por interacción con radiación ultravioleta, y parte del ozono formado vuelve a dar oxígeno:
3O2 + hν → 2O3 O3 + hν' → O2 + O
VAPOR DE AGUA
Muy variable en sus concentraciones (muy diferente sobre los desiertos y sobre los mares ecuatoriales).
Fuentes: masas de agua.
Sumideros: lluvia. nieve.
Tiempo medio de permanencia
11 días.11 días.
DIÓXIDO DE CARBONO
Fuentes: descomposición de plantas y humus. combustibles fósiles.
Sumideros: fotosíntesis de las plantas. Disolución en el mar (cada vez más saturado).
Buen absorbente de radiación infrarroja emitida por la tierra y la atmósfera.
Tiempo medio de permanencia:
4 años.4 años.
CICLO DEL CO2
INCREMENTO DEL CO2 EN LA ATMÓSFERA
EL METANO
El metano es el hidrocarburo alcano más sencillo, cuya fórmula química es CH4. Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido al carbono por medio de un enlace covalente. Es una sustancia no polar que se presenta en forma de gas a temperaturas y presiones ordinarias. Es incoloro e inodoro y apenas soluble en agua en su fase líquida.
En la naturaleza se produce como producto final de la putrefacción anaeróbica de las plantas, este proceso natural se puede aprovechar para producir biogás. Puede constituir hasta el 97% del gas natural. En las minas de carbón se le denomina grisú y es muy peligroso por su facilidad para inflamarse.
PRINCIPAL ORIGEN DEL METANO
Los orígenes principales de metano son:
oDescomposición de los residuos orgánicos
oFuentes naturales (pantanos): 23%
oExtracción de combustibles fósiles: 20% (el metano tradicionalmente se quemaba y emitía directamente. Hoy día se intenta almacenar en lo posible para reaprovecharlo formando el llamado gas natural).
oLos procesos en la digestión y defecación de animales. 17%. (Especialmente del ganado).
oLas bacterias en plantaciones de arroz: 12%
oDigestión anaeróbica de la biomasa
oMateria viva vegetal: (Se ha descubierto que plantas y árboles emiten grandes cantidades de gas metano).
oEl 60% de las emisiones en todo el mundo es de origen antropogénico.
OZONO Compuesto gaseoso altamente oxidante, de olor
fuerte y penetrante (su nombre deriva de la palabra griega ‘ozein’: oler), color azul pálido, peligroso para la respiración pues ataca a las mucosas.
Variable en sus concentraciones con la altitud, latitud, estación, hora del día y tipo de tiempo.
Las concentraciones más importantes (1-10 ppm) se dan entre los 10 y los 50 km de altura.
También se dan concentraciones altas ( 1 ppm) en algunas ciudades por las industrias y el tráfico.
Absorbe radiación UV en la alta atmósfera, reduciendo la cantidad que llega a la superficie terrestre.
Gas de efecto invernadero
AEROSOLES
Es un hecho experimental relativamente fácil de llevar a cabo (basta que miremos en algún rincón de casa) que el aire tiene multitud de partículas en suspensión.
A este sistema aire + partículas se le denomina aerosol atmosférico. El aerosol atmosférico es ubicuo, está presente tanto en atmósferas muy contaminadas de las grandes ciudades como en atmósferas ‘limpias’ de los sitios más remotos de la Antártida o del Polo Norte.
Origen:
•Fuentes minerales
•Fuentes marítimas
•Otras fuentes
Fuentes primarias
EFECTOS DE LOS AEROLES: INFLUENCIA EN LAS NUBES
Pocos aerosolesNubes “obscuras”
muchos aerosolesNubes “claras”
La mayor concentración de aerosoles causa, por ejemplo, gotas más pequeñas pero
más numerosas en una nube con una cantidad de agua fija. La nube se hace más opaca
y emite más energía termal hacia la superficie
LA RELACIÓN ENTRE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA Y LA ALTITUD
La presión disminuye cuando se aumenta en altura.
El cambio de presión no esconstante. La presión dismi-nuye exponencialmente conla altura.
90%
99%
99.9%
P(z) P(0)exp( z / H )
H 7 km
(z) (0)exp( z / H )
No sólo, la presión si no la densidad también varía exponencialmente con la altura
ESTRUCTURA TÉRMICA DE LA ATMÓSFERA
Variación vertical
ESTRUCTURA TÉRMICA DE LA ATMÓSFERA
Factores que influyen:
1. La conductividad molecular. Lograría una atmósfera isoterma. Proceso muy lento.
2. La radiación. Procesos de absorción y emisión a los que afecta: el flujo de energía incidente la transparencia relativa de las otras capas de la
atmósfera los coeficientes de absorción y emisión el contenido en H2O y otros gases de efecto invernadero
• 3. La turbulencia y convección. Tienden a uniformar la temperatura potencial y establecer el gradiente adiabático.
CAPAS DE LA ATMÓSFERALa 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:
Tropósfera: 0 - 9/18 km, la temperatura disminuye con la altitud.
Estratosfera: 9/18 - 50 km, la temperatura permanece constante para después aumentar con la altitud.
Mesosfera: 50 - 80/90 km, la temperatura disminuye con la altitud.
Termosfera o Ionosfera: 80/90 - 600/800 km, la temperatura aumenta con la altitud.
Exosfera: 600/800 - 2.000/10.000 km
Las divisiones entre una capa y otra se denominan respectivamente tropopausa, estratopausa, mesopausa y termopausa.
ESTRUCTURA EN CAPAS
TROPOSFERA
Región más baja, por cima de la superficie terrestre.
Gradiente vertical negativo de temperatura 6ºC / km
Más ancha en el ecuador ( 18 km) que en los polos ( 8 km).
El límite superior viene marcado por la tropopausa, zona de transición, que es poco espesa.
Existe un gradiente horizontal de temperatura del ecuador a los polos.
Contiene casi toda la masa de la atmósfera, los sistemas meteorológicos móviles y las nubes asociadas.
Incluye la capa límite ( 1km) con los procesos turbulentos.
ESTRATOSFERA En la parte inferior, la
temperatura es casi constante con la altura, o crece lentamente.
Se incrementa fuertemente en la parte superior hasta alcanzar un máximo en la estratopausa.
Incluye la ozonosfera, con lo cual el calentamiento se debe a la absorción de radiación UV por el ozono.
No hay movimientos verticales, por lo que las partículas que allí se inyectan tienen grandes tiempos de permanencia.
MESOSFERA
La temperatura disminuye con la altura hasta alcanzar un mínimo en la mesopausa.
El proceso de absorción se llama fotoionización. Se producen átomos y moléculas con carga positiva que constituyen la ionosfera.
TERMOSFERA
La temperatura crece con la altura.
Las altas temperaturas se deben a la absorción de radiación UV de longitud de onda muy corta.
También se da la fotoionización.
ESTRUCTURA ELÉCTRICA DEL SISTEMA TIERRA-ATMÓSFERA
No hay ninguna duda de que los fenómenos eléctricos están presentes en la atmósfera
ORIGEN…
Rayos X y radiación ultravioleta procedentes del Sol
Rayos cósmicos
Desintegración radiactiva cerca del suelo
Separación de cargas en el interior de las nubes.
CARGAS EN LAS PARTÍCULAS
Las partículas cargadas se componen de:Pequeños iones Grandes ionesElectrones
La capacidad de movimiento de los iones frente a un campo eléctrico externo se denomina movilidad. Al producto de la carga que transporta por la movilidad de la carga se denomina conductividad.
Perfiles verticales
La ionosfera
La ionización en la atmósfera inferior es relativamente débil ( 1.000 pares/cm3).
Esta densidad aumenta con la altura, y se incrementa muy rápidamente a partir de los 80 kms.
Los electrones liberados quedan en libertad, en lugar de unirse a una molécula neutra, como ocurre en las capas inferiores.
Por ello, las capas altas de la atmósfera tienen más analogía, por lo que a conductividad eléctrica se refiere, con los medios metálicos que con los electrolíticos.
DEFINIMOS IONOSFERA ...
La ionosfera es aquella región de la atmósfera donde la ionización tiene lugar, de modo que
permanecen en libertad los electrones producidos.
En química, se define al ion o ión, del griego ión (ἰών), participio presente de ienai "ir", de ahí "el que va", como una especie química, ya sea un átomo o una molécula, cargada eléctricamente. Esto se debe a que ha ganado o perdido electrones de su dotación, originalmente neutra, fenómeno que se conoce como ionización.Los iones cargados negativamente, producidos por la ganancia de electrones, se conocen como aniones (que son atraídos por el ánodo) y los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes (los que son atraídos por el cátodo).
Algunos efectos de la variación de la altura de la ionosfera
COMUNICACIÓN
EVOLUCIÓN DE LA ATMÓSFERA
Historia de la formación de la Tierra
LA ATMÓSFERA INICIAL
La Tierra se formó sin atmósfera o la atmósfera primordial la perdió muy pronto
La razón entre los gases nobles y otras especies son mucho más pequeña que en el Universo: Ne/Si en la Tierra 10-10 de la misma razón en el Universo.
La razón entre el Neón y el Nitrógeno (de pesos atómicos similares) en la Tierra es una millonésima de la existente en en Universo
Posible origen:
VulcanismoH2O, N2, CO2, CO,
H2, Cl2H2O - 68%
CO2 - 13%
N2 , N0x - 19
Aporte de elementos ligeros
debido al intenso bombardeo inicial
LA EVOLUCIÓN DEL OXÍGENO
En la lista de gases anteriormente citados falta el oxígeno.
¿Qué ha pasado con este gas?
En una primera etapa la atmósfera fue anóxica
Su origen se produce por:
oPérdida de la capa de gases de la nebulosa original (H y He).
oAumento de la masa de la Tierra: Gravedad.
oEnfriamiento de la Tierra.
oDesgasificación de la corteza terrestre.
oFormación de una capa de gases: atmósfera primitiva. Esta atmósfera, tiene una composición parecida a las emisiones volcánicas actuales, donde dominarían el N2, CO2, HCl y SO2.
oAlgunos gases y el H2O de procedencia externa (Cometas).
Etapa prebiótica
oAntes de la vida, la atmósfera sufrió unos cambios:
oCondensación del vapor de agua: formación de los océanos y disolución de gases en ellos (CO2, HCl y SO2).
oPrincipal gas de la atmósfera:
oNitrógeno (N2).
oNo había oxígeno (O2).
Etapa microbiológica
Etapa con la aparición de las primeras bacterias anaeróbicas (que usan H y H2S) y fotosintéticas (Bacterias del azufre y cianobacterias):
Comienza la producción de O2 del océano.
El O2 producido se utiliza para oxidar las sustancias reducidas del océano. Prueba de ello son la deposición de las formaciones de hierro en bandas:2Fe+3 + 3/2O2 → Fe2O3
Una vez oxidado las sustancias, empieza la producción de O2 para la atmósfera.
El O2 liberado se gasta para oxidar sustancias reducidas de la corteza terrestre. Prueba de ello son la formación de capas rojas de origen continental.
Una evidencia: Los estromatolitosLos estromatolitos consisten en laminaciones de formas diversas. Están formados por la captura y fijación de partículas carbonatadas por parte de algas cianofíceas y cianobacterias.
El espesor de las láminas es inferior a algunos milímetros y su forma es plana (este tipo de estructura se denomina laminación algal o criptalgal) a hemisférica y columnar.Los estromatolitos suelen presentar numerosos poros entre sus láminas, este tipo de porosidad se denomina porosidad fenestral.
Estromatolito significa "cama de piedra". Esta palabra viene del griego strōma = cama/alfombra y litho = piedra.
Hace unos 3500 millones de años, cuando en los océanos ya emergían millones de células vivas, aparecieron los estromatolitos.
Ya hace 2500 y 1000 millones de años atrás, los arrecifes de estromatolitos estaban ampliamente expandidos y comenzaron a segregar un gas que fue causante de la primera extinción masiva del planeta. Este gas era el oxígeno y provocó un cambio drástico en la Tierra, notable hasta nuestros días.
Etapa biológica
Etapa con la aparición de eucariontes* con fotosíntesis más eficiente:
Aumento del O2 en la atmósfera hasta la concentración actual (21%).
Formación de la capa de O3 (protección de la radiación ultravioleta del Sol), permitiendo la colonización de las tierras emergidas.
*Se denomina eucariotas a todas las células que tienen su material hereditario fundamental (su información genética) encerrado dentro de una doble membrana, la envoltura nuclear, que delimita un núcleo celular. Igualmente estas células vienen a ser microscópicas pero de tamaño grande y variado comparado con las otras células.
a) Chroococcus b) Oscillatoria c) Nostoc (coccoid) (filamentous) (heterocystic)
Cyanobacterias
Cyanobacteria (del griego ciano = azul) es el nombre de un filo del reino Bacteria (único del dominio del mismo nombre) que comprende a las cianobacterias y, en algún sentido, a sus descendientes por endosimbiosis, los plastos.Las cianobacterias fueron designadas durante mucho tiempo como cianófitas (Cyanophyta, literalmente plantas azules) o cianofíceas (Cyanophyceae, literalmente algas azules), castellanizándose lo más a menudo como algas verdeazuladas.
MUCHAS MUCHAS GRACIASGRACIAS