La Atmósfera

1.1. ¿Qué es la atmósfera?

La atmósfera es la capa gaseosa que envuelve y protege a la Tierra. Está unida al planeta por la fuerza de gravedad y, por ello, lo acompaña en sus movimientos de rotación y traslación.

Su espesor no tiene un límite exacto: se va haciendo cada vez menos densa hasta confundirse con el espacio exterior. Suele considerarse que se extiende aproximadamente hasta los 10 000 kilómetros de altitud, aunque la mayor parte de su masa se concentra en los primeros kilómetros.

Para que exista y se mantenga la atmósfera, intervienen tres factores principales:

• La gravedad terrestre: atrae y retiene los gases.
• La energía solar: calienta los gases y dinamiza la atmósfera, generando vientos, evaporación y circulación atmosférica.
• La actividad volcánica: a lo largo de la historia de la Tierra ha emitido gases como vapor de agua, dióxido de carbono y nitrógeno, que fueron formando la atmósfera.

1.2. Origen y evolución de la atmósfera

La atmósfera comenzó a formarse hace unos 4 600 millones de años, con el origen de la Tierra. La atmósfera primitiva era muy distinta de la actual: estaba compuesta principalmente por vapor de agua, dióxido de carbono y nitrógeno, con cantidades pequeñas de hidrógeno y monóxido de carbono, pero sin oxígeno libre.

El oxígeno apareció después, gracias a la actividad fotosintética de organismos como las cianobacterias y, más tarde, las plantas. Hace aproximadamente 2 500 o 2 000 millones de años, la fotosíntesis comenzó a liberar oxígeno; con el tiempo, parte de ese oxígeno formó ozono. Hace unos 1 000 millones de años, la atmósfera ya tenía una composición parecida a la actual.

Este origen explica una característica clave: la atmósfera no es un cuerpo estático, sino un sistema que ha evolucionado con la vida y que sigue siendo modificado por ella.

1.3. Importancia general de la atmósfera

La atmósfera es indispensable para la vida. Sus funciones principales son:

• Protege del impacto de meteoritos: muchos cuerpos pequeños se desintegran por fricción al entrar en la atmósfera.
• Filtra la radiación ultravioleta: especialmente gracias a la capa de ozono.
• Regula la temperatura: mediante el efecto invernadero natural.
• Permite la respiración y la combustión: gracias al oxígeno.
• Propaga la luz y el sonido: sin atmósfera el cielo se vería negro y no habría sonido.
• Hace posible el vuelo de aves y aviones.
• Distribuye el agua: mediante la evaporación, las nubes y las precipitaciones.

En resumen, la atmósfera convierte a la Tierra en un planeta habitable.

La atmósfera no es una sustancia pura, sino una mezcla de gases. Para estudiarla, se suele dividir en dos grandes grupos: gases fijos o permanentes y gases variables.

2.1. Gases fijos o permanentes

Son los que mantienen proporciones casi constantes en la atmósfera. Los más importantes son:

El nitrógeno es el gas más abundante. No es directamente respirable y no es un gas de efecto invernadero, pero es fundamental para la vida porque forma parte de las proteínas y del ciclo del nitrógeno.

El oxígeno, pese a ser el segundo en abundancia, es el que hace posible la respiración aeróbica de la mayoría de los seres vivos y la combustión.

2.2. Gases variables y termorreguladores

Los gases variables se encuentran en proporciones mucho menores, pero su impacto atmosférico es enorme. Entre ellos destacan:

• Vapor de agua ($H_2O$): su proporción varía mucho; es mayor en la tropósfera y disminuye con la altitud. Es clave para la formación de nubes y precipitaciones, y es el principal gas de efecto invernadero natural.
• Dióxido de carbono ($CO_2$): presente en pequeñas cantidades, pero esencial para la fotosíntesis y para el efecto invernadero.
• Metano ($CH_4$): gas de efecto invernadero muy potente, aunque menos abundante que el $CO_2$.
• Ozono ($O_3$): en la estratósfera protege de la radiación ultravioleta; en la tropósfera, en cambio, es contaminante.
• Aerosoles y partículas: polvo, ceniza, sales marinas, etc.

Muchos de estos gases variables reciben el nombre de termorreguladores, porque intervienen en la retención del calor en la atmósfera.

La atmósfera no es uniforme. Si la analizamos de acuerdo con la variación de la temperatura con la altitud, se distinguen cinco capas principales:

1. Tropósfera
2. Estratósfera
3. Mesósfera
4. Termósfera
5. Exósfera

3.1. Tropósfera

La tropósfera es la capa más importante para la vida y para la geografía humana.

Características principales:

• Es la capa inferior, en contacto con la superficie terrestre.
• Se extiende desde la superficie hasta una altitud promedio de 12 km, aunque es más alta en el ecuador (hasta unos 18 km) y más baja en los polos (unos 9 km).
• Es la capa más densa de la atmósfera: concentra la mayor parte del aire, del vapor de agua, del oxígeno y del $CO_2$.
• Es la capa más dinámica: en ella se producen la lluvia, los vientos, las tormentas, los huracanes, los nevados y, en general, la mayoría de los fenómenos meteorológicos.
• Por eso se le llama también capa de las perturbaciones o capa del tiempo atmosférico y del clima.
• Su temperatura promedio en superficie es de aproximadamente 15 °C.
• Allí se encuentra la biósfera, es decir, la capa donde se desarrolla la vida.
• Allí se produce la contaminación ambiental y el efecto invernadero natural.

El límite superior de la tropósfera se llama tropopausa. En ese nivel, la temperatura deja de disminuir y se estabiliza antes de que comience la estratósfera.

Gradiente térmica vertical

Dentro de la tropósfera, la regla general es que la temperatura disminuye con la altitud. Esto ocurre porque la principal fuente de calor del aire es la superficie terrestre, que absorbe radiación solar y luego irradia calor hacia la atmósfera. Mientras más nos alejamos de esa fuente, más frío está el aire.

La disminución promedio es de 6 °C por cada 1 000 metros de altitud. Esa relación se denomina gradiente térmica vertical.

$$\text{Gradiente térmica} \approx 6\,^\circ\mathrm{C/km}$$

No se debe olvidar que es un valor promedio y que puede variar por la humedad, los vientos y otros factores.

Presión, oxígeno y humedad en la tropósfera

En la tropósfera, al aumentar la altitud:

• Disminuye la presión atmosférica, porque hay menos aire encima.
• Disminuye la cantidad de oxígeno disponible, porque el aire es menos denso.
• Disminuye el contenido de humedad, porque el vapor de agua se concentra en las capas bajas.

3.2. Estratósfera

La estratósfera se extiende aproximadamente desde los 12 km hasta los 50 km de altitud.

Sus características principales son:

• Es llamada capa de las calmas, porque su aire es muy estable y casi no hay movimientos verticales; por ello no se forman nubes de lluvia.
• La temperatura aumenta con la altitud: comienza en torno a los -60 °C y sube hasta cerca de los -5 °C en la estratopausa.
• Ese aumento se debe a la presencia de la capa de ozono, que absorbe radiación ultravioleta y libera calor.
• En esta capa se realizan los vuelos de aviones comerciales, porque es estable y presenta menor densidad, lo que favorece el desplazamiento.
• Es la capa donde se ubica la ozonósfera, entre los 25 km y los 35 km de altitud.

El límite superior de la estratósfera se llama estratopausa.

3.3. Mesósfera

La mesósfera se ubica aproximadamente entre los 50 km y los 80 km de altitud.

Características:

• Es la capa más fría de la atmósfera: su temperatura desciende hasta unos -90 °C o -95 °C.
• En ella se desintegran la mayoría de los meteoritos que llegan desde el espacio, dando origen a las “estrellas fugaces”.
• Su límite superior es la mesopausa.

3.4. Termósfera e ionósfera

La termósfera se extiende aproximadamente desde los 80 km hasta los 500 km o más de altitud.

Características:

• En esta capa, la temperatura aumenta notablemente con la altitud y puede superar los 1 000 °C, porque absorbe radiación solar de alta energía.
• Sin embargo, la densidad del aire es tan baja que, a pesar de la alta temperatura, no sentimos calor como en la tropósfera.
• Dentro de la termósfera, y también en la parte alta de la mesósfera, se encuentra la ionósfera: una región donde la radiación solar arranca electrones a los átomos y los convierte en iones.
• La ionósfera refleja las ondas de radio, lo que permite que estas viajen a grandes distancias y favorece las telecomunicaciones.
• En las zonas polares, la interacción de las partículas solares con la ionósfera produce las auroras polares.

El límite superior de la termósfera se llama termopausa.

3.5. Exósfera

La exósfera es la capa más externa de la atmósfera, a partir de la termopausa, aproximadamente desde los 500 km o 600 km de altitud.

Características:

• Es una zona de transición entre la atmósfera y el espacio exterior.
• Predominan los gases más ligeros, como el hidrógeno y el helio.
• En esta capa orbitan numerosos satélites artificiales.
• No tiene un límite superior definido; la atmósfera se desvanece progresivamente.

4.1. Ubicación y composición

La capa de ozono, también llamada ozonósfera, es una franja dentro de la estratósfera donde se concentra la mayor parte del ozono atmosférico. Se localiza aproximadamente entre los 25 km y los 35 km de altitud.

El ozono es una molécula formada por tres átomos de oxígeno ($O_3$). Aproximadamente el 90 % del ozono atmosférico se concentra en esta franja.

Un dato muy citado por su valor ilustrativo es que, si se comprimiera todo el ozono de la atmósfera a una temperatura y presión equivalentes a las del nivel del mar, formarían una capa de apenas 3 milímetros de espesor. Pese a ser tan delgada, resulta vital.

4.2. Formación del ozono

El ozono se forma cuando la radiación ultravioleta del Sol rompe moléculas de oxígeno ($O_2$) en átomos de oxígeno. Uno de esos átomos puede unirse a otra molécula de oxígeno y formar ozono ($O_3$).

Este proceso es continuo y constituye un equilibrio natural: el ozono se forma y se destruye constantemente.

4.3. Importancia de la capa de ozono

La función principal del ozono es filtrar la radiación ultravioleta, especialmente la más nociva. Se estima que absorbe entre el 97 % y el 99 % de la radiación ultravioleta que llega del Sol.

Los rayos ultravioleta más peligrosos son bloqueados antes de llegar a la superficie terrestre, lo que protege la vida. Sin esa protección, la radiación ultravioleta provocaría:

• Cáncer de piel
• Cataratas y daños oculares
• Alteraciones en la fotosíntesis de las plantas
• Daños en los ecosistemas acuáticos, sobre todo en el fitoplancton

4.4. El problema del adelgazamiento de la capa de ozono

Desde la segunda mitad del siglo XX se detectó una disminución de la concentración de ozono, especialmente sobre la Antártida. Este fenómeno se conoce comúnmente como “agujero de la capa de ozono”, aunque en realidad no es un hueco físico, sino un adelgazamiento pronunciado.

Las principales sustancias que destruyen el ozono son:

• Los clorofluorocarbonos (CFC), usados históricamente en aerosoles, refrigerantes y espumas.
• Los halones.
• El bromuro de metilo.

Estas sustancias liberan cloro y bromo, que descomponen las moléculas de ozono.

4.5. Medidas adoptadas

En 1987 se firmó el Protocolo de Montreal, un acuerdo internacional para reducir la producción y el consumo de CFC y otras sustancias agotadoras de la capa de ozono. Posteriormente se incluyeron también compuestos como el bromuro de metilo.

La Asamblea General de las Naciones Unidas proclamó el 16 de septiembre como el Día Internacional de la Preservación de la Capa de Ozono.

Es importante no confundir este protocolo con el Protocolo de Kioto o el Acuerdo de París, que están relacionados con el cambio climático y los gases de efecto invernadero.

5.1. ¿En qué consiste?

El efecto invernadero es el fenómeno natural por el cual la atmósfera retiene parte del calor emitido por la Tierra y regula la temperatura del planeta.

El mecanismo es el siguiente:

1. El Sol emite radiación de onda corta, que atraviesa la atmósfera y llega a la superficie terrestre.
2. La superficie se calienta y emite energía de vuelta, pero en forma de radiación infrarroja (onda larga).
3. Algunos gases de la atmósfera, llamados gases de efecto invernadero, absorben parte de esa radiación infrarroja y la reemiten en todas direcciones, incluso de nuevo hacia la superficie.
4. Gracias a ello, la temperatura media de la Tierra se mantiene en torno a los 15 °C, en lugar de ser tan fría que haría imposible la vida.

Este fenómeno ocurre principalmente en la tropósfera, donde se concentran el vapor de agua, el $CO_2$ y el metano.

5.2. Principales gases de efecto invernadero

Los gases que tienen mayor influencia en la generación del efecto invernadero son:

• Dióxido de carbono ($CO_2$): muy importante por su abundancia y su larga permanencia.
• Vapor de agua ($H_2O$): el más abundante de los gases de efecto invernadero naturales.
• Metano ($CH_4$): menos abundante, pero muy eficaz para atrapar calor.

5.3. Efecto invernadero natural y calentamiento global

El efecto invernadero no es malo en sí mismo: sin él, la Tierra sería mucho más fría. El problema actual es que las actividades humanas han aumentado la concentración de gases de efecto invernadero, especialmente $CO_2$, metano y óxidos de nitrógeno. Eso intensifica el efecto invernadero y produce el calentamiento global, que se estudiará en el siguiente tema.

Además de conocer las capas, el examen de San Marcos suele exigir aplicar dos conceptos.

6.1. Presión atmosférica

La presión atmosférica es el peso que ejerce la columna de aire sobre un punto de la superficie terrestre.

• A nivel del mar, la presión es mayor porque la columna de aire encima es más alta y densa.
• Al subir a una montaña, la columna de aire encima es más corta y menos densa; por lo tanto, la presión disminuye.
• Por eso, en localidades andinas como Ticlio o Cerro de Pasco se siente “menos aire” y cuesta más respirar.

6.2. Gradiente térmica vertical

Como vimos, en la tropósfera la temperatura disminuye, en promedio, 6 °C por cada kilómetro de ascenso.

Esto sirve para calcular temperaturas aproximadas a diferentes altitudes. La fórmula práctica es:

$$T_{\text{localidad}} = T_{\text{nivel base}} - (6\,^\circ\mathrm{C/km} \times \text{altitud en km})$$

Esta relación es válida solo en condiciones normales y dentro de la tropósfera.