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Hablemos de nuestra Atmósfera

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Naturaleza misteriosa    ~    Comentarios Comments (2)

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La atmósfera

La atmósfera terrestre (troposfera y estratosfera) es tan delgada que, dibujando el planeta con un diámetro de 10 cm, tendría un espesor de unos 0’4 milímetros, equivalente al grosor de una línea de lápiz. Sin embargo, esta delgada capa gaseosa posee una importancia crítica para mantener el balance energético de la Tierra.

El planeta es adecuado para el desarrollo de la vida debido a que su atmósfera el llamativamente diferente de la de sus vecinos más próximos. La atmósfera de Venus está compuesta en un 96 por ciento de CO2, con un 3’5 por ciento de nitrógeno y trazas de gases nobles. La atmósfera de Marte contiene un 95’3 por ciento de CO2, un 2’7 por ciento de nitrógeno, 1’6 por ciento de argón y también trazas de agua y O3. Una atmósfera parecida a la terrestre determinaría que en la superficie marciana la temperatura sería superior a los 200º C y la presión de unos pocos MPa. En tales condiciones no podría existir vida compleja basada en el carbono con tejidos húmedos.

Hay pocas dudas de que la primera atmósfera de la Tierra contuviera abundante CO2, pero no está claro si su posterior desaparición se debió exclusivamente a procesos geoquímicos inorgánicos (sobre todo a la pérdida de ácido carbónico), o si los primeros organismos fueron importantes en la posterior conversión de CO2 en sedimentos de CaCO3. Parece claro, por el contrario, que la fotosíntesis llevada a cabo inicialmente por bacterias fue la responsable de la transformación de la atmósfera sin oxígeno en el Arcaico.

El aumento de oxígeno comenzó a acelerarse hace unos 2.100 millones de años y el actual nivel del 20 por ciento se alcanzó hace unos 300 millones de años. El aumento del oxígeno troposférico permitió la formación de ozono estratosférico, que protegió la biosfera de la energética radiación UV de longitudes de onda inferiores a 295 nm. Sin esta protección no hubiera sido posible la evolución de plantas y animales más complejos, ya que si la radiación UV de frecuencias menores ya mata los gérmenes y quema la piel, la de frecuencias altas es letal para la mayoría de los organismos.

Las actividades humanas pueden modificar poco las proporciones de los constituyentes atmosféricos. La cantidad de nitrógeno que se utiliza para sintetizar amoniaco representa una fracción despreciable de las enormes reservas troposféricas y la desnitrificación finalmente recicle todo el gas. Incluso el consumo de todas las reservas conocidas de combustibles fósiles (un hecho imposible debido a los costos prohibitivos de la extracción de algunas de estas fuentes de energía, sumergidas en las fosas abisales a miles de kilómetros de profundidad) reduciría la concentración de O2 en menos de un 2 por ciento.

Las emisiones locales y regionales de aire contaminado contienen muchos gases, pero los riesgos de un cambio climático global sólo pueden venir de mayores emisiones de compuestos en trazas. Algunos de esos gases (sobre todo CO2, N2O y CH4), así como el vapor de agua, absorben fuertemente la radiación en el espectro IR. Consecuentemente, la radiación IR emitida por la superficie de la Tierra tiene longitudes de onda comprendidas en distintas ventanas intercaladas entre bandas de absorción.

Las bandas de absorción más importantes del vapor de agua están comprendidas entre 2’5 y 3 μm y entre 5 y 7 μm, mientras que el CO2 tiene dos picos estrechos en 2’5 y 4 μm, y una banda más ancha cerca de los 15 μm. Como la radiación terrestre está completamente incluida en el espectro IR, esta absorción tiene un gran efecto en el balance de la radiación de la Tierra.

Para mantener la biosfera habitable hacen falta solamente concentraciones muy pequeñas de gases de “efecto invernadero”. El CO2 representa actualmente sólo unos 360 ppm* (menos del 0’04%) de la atmósfera terrestre, y los demás gases en traza miden en ppb o ppt. Esta composición hace que la temperatura media en la superficie del planeta sea de unos 16º C, la cual, combinada con una presión superficial de 101 KPa, asegura que el agua permanezca líquida y que sea posible la fotosíntesis y el metabolismo heterótrofo. Hay que procurar (hablando coloquialmente) que Gaia no se enfade, ya que el aumento de las concentraciones de gases en traza elevaría gradualmente la temperatura media de la troposfera.

La conversión de bosques y praderas en campos de cultivo y la utilización de combustibles sólidos han hecho aumentar las emisiones de CO2, mientras que el creciente uso de fertilizantes nitrogenados, la cada vez más numerosa cabaña vacuna y el aumento del cultivo de arroz emiten cantidades adicionales de N2O y CH4. Los fluorforocarbonados, además de sus destructivos efectos sobre el ozono troposférico, son gases con efecto invernadero muy potentes. Debido a la acción combinada de los gases invernaderos antropogénicos, el flujo medio de calor absorbido ha aumentado en 2’5 W/m2 en grandes áreas del hemisferio norte, pero no estamos seguros de hasta dónde llegará esta tendencia ni de su velocidad. Lo mejor sería no confiarse; mi padre, hombre no cultivado, decía a menudo que “más vale un por si acaso que un yo creí”.

La atmósfera también interviene en el balance energético del planeta redistribuyendo el calor sensible* y el calor latente del agua con los vientos y las lluvias, y de una manera completamente diferente pero más espectacular, con los rayos. La mayoría de esas descargas de elevadísima concentración de energía se originan en los cumulonimbos, y tienen una enorme potencia (duplicar el tamaño de la nube implica aumentar la potencia del rayo treinta veces). Un rayo normal descarga entre 20 y 50 MJ, la mayor parte de esa energía en 10 μs, produciendo la impresionante potencia de 1-10 GW. La luz visible emitida representa solamente el 0’2-2% de la energía disipada, invirtiéndose el resto en calentar la atmósfera a su alrededor y en la energía acústica del trueno. La observación de satélites indica que por término medio se producen unos cien mil relámpagos por segundo.

Sabemos que la atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a un cuerpo astronómico. Varios planetas (incluyendo la Tierra) poseen atmósferas considerables debido a su intensa gravedad. Los movimientos de los gases en las atmósferas planetarias en respuesta al calentamiento, junto con las fuerzas rotacionales, generan sistemas meteorológicos. Los satélites planetarios Titán y Tritón también poseen atmósferas.

Creo que la atmósfera es quizá el término más vago para identificar una parte de un cuerpo celeste. Está referido a su envoltura superficial, generalmente de un planeta o estrella. Parece fácil decirlo, pero los gases no son como un líquido o un trozo de roca, en los que puede determinarse exactamente dónde está la superficie que los separa del entorno circundante de una manera precisa. Es imposible indicar el nivel exacto donde acaba la atmósfera y comienza el plasma interplanetario. De hecho, los gases apenas están sometidos a la fuerza de la gravedad; se “esfuman” hacia el espacio y abandonan continuamente el cuerpo celeste. En el caso de la Tierra, por estar cerca del Sol, determinar dónde termina la atmósfera terrestre y dónde empieza la solar es un problema al que sólo puede responderse teóricamente, que dicho sea de paso, permite licencias literarias que prohíben las matemáticas.

Componentes de la atmósfera en los estratos bajos

(índices casi constantes)

Nitrógeno molecular

780’84

Oxígeno molecular

209’46

Anhídrido carbónico

430

Argón

9’34

Neón

0’0018

Helio

0’0005

Criptón

0’000114

Xenón

0’000009

Hidrógeno molecular

0’00005

Metano

0’00017

Vapor de agua

0 – 4

Componentes de la atmósfera en los estratos bajos

(cantidades variables; aire seco)

Compuesto

Origen

Cantidad

Ozono

Radiación ultravioleta

0 – 0’50 ppm

Anhídrido sulfuroso

Industrias y volcanes

0 – 1 ppm

Dióxido de nitrógeno

Industria

0 – 0’02 ppm

Nitrógeno molecular

Industria

104 g/m3

Cloruro sódico

Mar

104 g/m3

Amoniaco

Industria

Trazas

Óxido de carbono

Industria

Trazas

Resumiendo

Nitrógeno

78%

Oxígeno

20%

Argón

0’94%

CO2

0’046%

Otros

≈ 1%

Podríamos hablar aquí de:

  • Homosfera
  • Heterosfera
  • Troposfera
  • Estratosfera
  • Mesosfera
  • Termosfera
  • Ionosfera
  • Magnetosfera
  • Exosfera

Y otras divisiones y subdivisiones atmosféricas; sin embargo, antes de cerrar este capítulo, me pararé en lo que denominamos la biosfera.

La biosfera y la hidrosfera están estrechamente relacionadas: el agua es el elemento esencial de todas las formas de vida, y la distribución del agua en el planeta (es decir, los límites de la hidrosfera) condiciona directamente la distribución de los organismos (los límites de la biosfera). El término biosfera, de reciente creación, indica el conjunto de zonas de la Tierra donde hay vida, y se circunscribe a una estrecha región de unos 20 Km de altura comprendida entre las cimas montañosas más elevadas y los fondos oceánicos más profundos. Sólo pueden hallarse formas de vida en la biosfera, donde las condiciones de temperatura, presión y humedad son adecuadas para las más diversas formas orgánicas de la Tierra.

Obviamente, las fronteras de dicha “esfera” son elásticas y su extensión coincide con la de la hidrosfera; se superpone a las capas más bajas de la atmósfera y a las superficiales de la litosfera, donde se sumerge, como máximo, unos 2 Km. Sin embargo, si por biosfera se entiende la zona en la que hay vida así como la parte inorgánica indispensable para la vida, deberíamos incluir en este concepto toda la atmósfera, sin cuyo “escudo” contra las radiaciones más fuertes no existiría ningún tipo de vida; o la corteza terrestre entera y las zonas superiores del manto, sin las cuales no existiría la actividad volcánica, que resulta necesaria para enriquecer el suelo con nuevas sustancias minerales.

Por tanto, la biosfera es un ecosistema tan grande como el planeta Tierra y en continua modificación por causas naturales y (desgraciadamente) artificiales.

Las modificaciones naturales se producen a escalas temporales muy variables: en tiempos larguísimos determinados por la evolución astronómica y geológica, que influyen decididamente en las características climáticas de los distintos ambientes (por ejemplo, durante las glaciaciones), o en tiempos más breves, relacionados con cambios climáticos desencadenados por sucesos geológicos-atmosféricos imprevistos (por ejemplo, la erupción de un volcán, que expulsa a la atmósfera grandes cantidades de cenizas capaces de modificar el clima de extensas áreas durante periodos considerables).

En cambio, las modificaciones artificiales debidas a la actividad humana tienen efectos rápidos: la deforestación producida en África por las campañas de conquista romanas contribuyó a acelerar la desertificación del Sahara, como tampoco hay duda de que la actividad industrial de los últimos siglos determina modificaciones dramáticas y repentinas en los equilibrios biológicos.

La biosfera es el punto de encuentro entre las diversas “esferas” en las que se subdivide la Tierra: está surcada por un flujo continuo de energía procedente tanto del interior del planeta como del exterior, y se caracteriza por el intercambio continuo de materia, en un ciclo incesante que une todos los entornos.

Pero no por esta razón hay vida por todas partes, pues la vida requiere condiciones particulares e imprescindibles. Existen determinados elementos físicos y químicos que “limitan” el desarrollo de la vida. La presencia y disponibilidad de agua es el primero y el más importante. El agua es el disolvente universal para la química de la vida; es el componente primario de todos los organismos y sin agua la vida es inconcebible (Tales de Mileto fue el primero en darse cuenta de ello). Pero no sólo es eso: al pasar del estado sólido al líquido y al gaseoso y viceversa, el agua mantiene el “efecto invernadero natural”, capaz de conservar la temperatura del planeta dentro de los niveles compatibles con la vida (es decir, poco por debajo de los 0º C y poco por encima de los 40º C).

La presión, que no deberá superar mucho el kilogramo por centímetro cuadrado (como sucede alrededor de los 10 m de profundidad en el mar), así como una amplia disponibilidad de sales minerales y de luz solar (indispensable – como expliqué antes – para la vida de las plantas) son también factores que marcan las posibilidades de vida.

Está claro que se nos ha dado un lugar privilegiado, que reúne todas y cada una de las condiciones excepcionales para la vida, y somos tan ignorantes que aún siendo un bien escaso (en nuestro enorme Sistema Solar, parece que el único), nos lo queremos cargar. Pero sin querer, me marcho por las ramas y me desvío del tema principal, la evolución por la energía, y como está directamente implicada, en el siguiente comentario hablaremos un poco de nuestra casa, la Tierra.

emilio silvera


 

  1. 1
    Rafael
    el 21 de febrero del 2013 a las 21:18

    Buenas tardes Emilio
     
    Tras la lectura de este interesante articulo me queda alguna duda:
    - Siempre me he preguntado el porque de la existencia de la atmosfera, la explicacion de que la gravedad retenia todo elemento, molecula o atomo dotado de masa, me habia medio convencido… pero tu comentas que en otros planetas y satelites del sistema solar hay fuga de masa atmosferica al espacio exterior… entences cual crees es el mecanismo para que la Tierra sigua manteniendo esa maravillosa piel denominada atmosfera.. ¿que relacion existe entre el espesor atmosferico y el campo magnetico de un planeta? ( supongo que al actuar como escudo ante las particulas solares tendra alguna repercusion… quizas este relacionado esto con la no presencia de atmosfera en la luna).
    -De donde emana la atmosfera de la Tierra, o de otros planetas- satelites del sistema solar?, es decir son un componente proveniente de la estratificacion de masas en el proceso de creacion  planetaria ( en equivalencia a un proceso de decantado por densidad), o las atmosferas son el residuo de  las interacciones fisico- quimicas de los materiales conformantes del cuerpo celeste que van variando, cuantitativa y cualitativamente, en el tiempo ( no tener en cuenta la variacion terretre debida a la actividad biologica).
    Por ultimo, puede la atmosfera terrestre incorporar nueva materia provenientes por ejemplo de un transito de nuestro sistema solar por un  nube de gas interestelar… y si es asi existen posibilidad de una variacion brusca de las composiciones tras estos transitos…
    …y al hilo del articulo sobre la vida en otros planetas, que he leido antes, no habra sido la tierra una diana de otras civilizaciones… que terraformaron nuestro planeta hace miles de millones de años… no tendremos primos geneticos sueltos por la galaxia… creo sin duda alguna que no estamos solos… de lo que me quedan dudas es de si las enormes distancias que nos separan nos permitiran conocer o que nos conozcan, otras civilizaciones de manera directa, al menos con una frecuencia tal que a diariario tengamos  visitas intergalacticas como proponen algunos…
    Un saludo.Rafael
     

    Responder
  2. 2
    emilio silvera
    el 22 de febrero del 2013 a las 4:34

    Es una opinión extendida entre los astrónomos que los planetas nacieron de torbellinos de gas y polvo, constituidos en general por los diversos elementos prtesentes, en proporciones correspondientes a su abundancia cósmica, es decir, un 90 por ciento eran átomos de hidrógeno, el 9 por ciento de helio y, el resto, incluía todos los demás elementos, principalmente neón, oxígeno, carbono, nitrógeno, carbón, azufre, silicio, magnesio, hierro y aluminio. Y, de esa manera, el globo sólido de la Tierra en sí nació de una mezcla rocosa de silicatos y sulfuros de magnesio, hierro y aluminio, cuyas moléculas se mantenían firmemente unidas por fuerzas químicas. El exceso de hierro fue hundiéndose lentamente a través de la roca y formó un núcleo metálico incandescente.
    Durante todo ese proceso de aglomeración, la materia sólida de la Tierra atrapó una serie de materiales gaseosos y los retuvo en los vanos que quedaban entre las partículas sólidas o bien mediante uniones químicas débiles. Estos gases contendrían, seguramente, átomos de helio, neón y argón, que no se combinaron con nada; y átomos de hidrñógeno, que o bien se combinaron entre sí por parejas para formar moléculas de hidrógeno (H2), o bien se comnbinaron con otros átomos: como oxígeno para formar agua (H2O), con nitrógeno para formar amoníaco (NH3), o con carbono para formar metano (CH4).
    A medida que el material de este planeta en ciernes se fue apelotonando, el efecto opresor de la presión y el aún más violento de la acción volcánica fueron expulsando los gases. Las moléculas de hidrógeno y los átomos de helio y neón, al ser demasiado ligeros para ser retenidos, escaparon rápidamente.
    La atmósfera de la Tierra quedó constituida por lo que quedaba: vapor de agua, amoníaco, metáno y algo de argón. La mayor parte del vapor de agua, pero no todo, se condensó y se formó un inmensp océano. Tal es en la actualidad, la clase de atmósfera que poseen algunos planetas como Júpiter y Saturno, los cuáles, sin embargo, son bastante grandes para retener hidrógeno, helio y neón.
    Por su parte, la atmósfera de los planetas interiores comenzó a evolucionar químicamente. Los rayos ultravcioletas del cercano Sol rompieron las moléculas de vapor de agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno escapó, pero el oxígeno fue acumulándose y combinándose con amoníaco y metano. Con el primero formó nitrógeno y agua; con el segundo anhidrido carbónico y agua. Poco a poco, la atmósfera de los planetas interiores pasó a ser una mezcla de amoníaco y metano a una mexcla de nitrógeno y anhidrido carbónico. Marte y Venus tienen hoy día atmósferas compuestas por nitrógeno y anhidrido carbónico, mientras que la Tierra debió tener una parecida hace miles de millones de años, cuando comenzó a surgir la vida.
    Esta atmósfera es además estable. Una vez formada, la ulterior acción de los rayor ultravioletas sobre el vapor de agua hace que se vaya acumulando oxígeno libre (moleculas formadas por dos átomos de oxígeno, O2). Una acción ultravioleta aún más intensa transforma ese oxígeno en Ozono (con tres átomos de oxígeno por molécula, O3). El Ozono absorbe la radiación ultravioleta  y actúa de barrrera. La radiación ultravioleta que logra atravesar la capa de Ozono en la alta atmósfera y romper las moléculas de agua más abajo es muy escasa, con lo cual, se detiene la evolución química de la atmósfera…, al menos hasta que aparezca algo nuevo.
    De hecho, en la Tierra apareció algo nuevo. Se desarrollaron grupos de formas de vida capaces de utilizar la luz visible para romper las moléculas de agua. Como la capa de Ozono no intercepta la luz visible, ese proceso (la fotosíntesis) podía proseguir indefinidamente. A través de la fotosíntesis se consumía anhidrido carbónico y se liberaba oxígeno. Así pues, hace 500 millones de años, la atmósfera comenzó a convertirse en una mezcla de nitrógeno y oxígeno, que es la que existe hoy.
    Sin embargo, todo esto no es tan sencillo y tendríamos que hablar de la incidencia que, en la atmósfera, pudieron tener la presencia de seres infinitesimales (bacterias y arqueobacterias anaerobias y metanógenas, etc.) que, con su presencia, también incidieron en transformar la arcáica atmósfera de la Tierra para llegar a una simbiosis que hoy, podemos contemplar en las características del planeta que, ha llegado a formar un todo entre sus características esenciales y naturales y la aportación de los seres que la habitan y que, en conjunto, se ha llegado a conformar un ecosistema natural entre lo inerte y lo animado, es decir, la vida.
    Todo esto sería mucho más largo pero, no puedo dedicar tanto tiempo a contestar preguntas y dejar las entradas del blog de lado, siendo la principal misión que aquí tengo.
    En cuanto a la posible incidencia del viajar de la Tierra por esos espacios interestelares en sus largos recorridos alrededor del Sol, puedes estar seguro de que, cuando han surgido algunas pandemias desconocidas en nuestro mundo, algo han tenido que ver los extraños materiales que entraron en nuestro ámbito al pasar entre nebulosas que contienen extraños y exóticos tipos de moléculas y que, vaya usted a saber qué.
    Me resisto a creer que vinieron otros seres a “preparar” la Tierra para que nosotros pudiéramos estar ahora aquí. Teniendo en cuenta ue las leyes del Universo son las mismas en todas partes, no creo que existan otras civilizaciones que estén, muchísimo más adelantadas que la nustra, y, si acaso algunas nos tomaron la delantera, no creo que por mucho y hasta el punto de haber podido llegar hasta nosotros. Esas leyendas, si profundizamos un poco, no se sostienen.
    Un saludo cordial.

     

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