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La atmosfera de la Tierra es la vida

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Astronomía y Astrofísica    ~    Comentarios Comments (4)

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La atmósfera de la Tierra = a la vida

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
  • Exosfera
  • Magnetosfera

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, mañana hablaremos un poco de nuestra casa, la Tierra.

emilio silvera

 

  1. 1
    Selene
    el 1 de julio del 2010 a las 4:25

    Es muy útil esta información y muy interesante.
    Gracias por haber creado este blog.

    Responder
    • 1.1
      emilio silvera
      el 1 de julio del 2010 a las 9:43

      Hola, Selene. Una cosa si es segura, aqui siempre podras aprender cosas nuevas y, de otras que posiblemente ya puedas conocer, tendras una informacion mas amplia que te de un conocimienbto de causa mas completo y veraz.

      Saludos.

      Responder
  2. 2
    alejandro
    el 23 de febrero del 2011 a las 0:20

    Emilio me puede responder esta pregunta, porfavor. Gracias
    ¿por qué es que las nubes parecen tan grandes, pero el vapor de agua representa sólo el 4% de la atmósfera?

    Responder
  3. 3
    emilio.silvera
    el 23 de febrero del 2011 a las 10:44

    Estimado Alejandro:
    El tema de las Nubes está muy bien estudiado. La cercanía y el fácil acceso a ellas, nos ha permitido realizar estudios profundos sobre su naturaleza y composición.
    En cuanto a tu pregunta, no es que las nubes parezcan tan grandes, es que muchas veces lo son, y, el que el vapor de agua sólo represente un 4% no tiene misterios, es debido a que, la escasa densidad de esas nubes la hacen ocupar un espacio desmesurado en comparación al material que, en realidad, contienen.
    He mirado por ahí, y, te he encontrado lo siguiente:
     
    “La atmósfera terrestre contiene cantidads variables de agua en forma de vapor. La mayor parte del mismo se encuentra en los primeros 5 kilómetros del aire, dentro de la troposfera. Procede de diversas fuentes terrestres gracias al fenómeno de la evaporación y es ayudado por el calor solar y por la temperatura propia de la tierra.
    El vapor de agua que se encuentra en la atmósfera proviene, principalmente, de la evaporación de los mares. La evaporación es el paso de una sustancia líquida al estado de vapor. Este proceso se realiza solamente en la superficie del líquido y a cualquier temperatura aunque, en igualdad de condiciones, este fenómeno es acelerado cuanto mayor es la temperatura reinante. Los cambios que sufre el vapor de agua en el aire, principalmente a causa de las variaciones de temperatura y de los fenómenos eléctricos, es lo que produce los llamados meteoros acuosos.
    La evaporación.- Este proceso presenta dos aspectos: el físico y el fisiológico: El primero tiene lugar en todos los puntos en que el agua está en contacto con el aire no saturado, sobre todo en las grandes superficies líquidas: mares, lagos, pantanos y ríos. La evaporación fisiológica corresponde a la transpiración de los vegetales, la cual restituye a la atmósfera una gran cantidad de agua, que primero había sido absorbida. La cantidad de vapor de agua, en un volumen dado de aire, se denomina humedad.
    La humedad.- La atmósfera contiene agua en los tres estados de la materia: en forma de vapor, en gotas de condensación y en estado sólido.

    La humedad absoluta se refiere a la cantidad total de vapor de agua que se encuentra en el aire.
    Pero la cantidad de vapor de agua que puede haber en un volumen determinado de aire varia con los cambios de temperatura. El aire caliente puede contener más cantidad de vapor que de aire frío. Cuanto más alta sea la temperatura del aire, más vapor de agua pude contener. Esto implica que cuando la temperatura disminuye, si la cantidad de vapor de agua se mantiene constante, la humedad aumenta. Lo que explica que la humedad aumente generalmente por la noche..
    La humedad relativa es la cantidad de agua que hay en el aire con relación a la máxima que puede tener a una determinada temperatura.”
    Hay qye tener en cuenta que la densidad de aire húmedo en una nube es de aproximadamente un 0,9%. Una nube de esas que podemos ver, que nos da la sensación de exponjosas (cuando hace buen tiempo), y, podríamos suponer que mide o se extiende por un espacio que abarca 1 km cúbico y está situada a 2 Km de altura, en realidad, utilizando las indicaciones que nos facilita la Ley de Gases Ideales, se puede calcular que la densidad de airte seco a esa altura es de 1.007 Kg/m3, mientras que el aire húmedo es de 0627 Kg/m3 y teniendo en cuenta que la densidad de aire húmedo es de aproximadamente el 0,9% que digo al principo de este párrafo, y resulta que la densidad de una nube es de
    99.1 x 1.007 Kg/m3 x 0,9 x 0627 Kg/m3)/100 = 1.003 Kg/m3
    Con lo que nuestra nuebe de 1 km cúbico pesaría nada menos que 1.003.000.000 Kg, o, lo que es igual, 1.003.000 Toneladas. Está claro que hay nubes con más o menos cantidad de agua y distintos tamños, así que esos cálculos irían en función de lo que estemos midiendo. ¿Te puedes imaginar cuanto pesaría una de esas inemnsas Nubes Negras que, con el mal tiempo se ponen sobre nuestras cabezas y nos tiene en su plan particular de riego durante varios días?
    Nuestra Naturaleza, como sabes, trabaja a lo grande pero, no debemos olvidad que, todo lo grande, está hecho de cositas muy pequeñitas.
    SAludos amigo.


     

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