presentacion
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Composición, estructura y evolución de la
atmósfera
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El espesor del cielo
¿cómo de alto es el cielo
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El espesor del cielo…
A una altura de 16 kilómetros la densidad 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% por bajo de los 100 kilómetros
El radio de la Tierra es de 6500 kilómetros100 / 6500 = 1.5%
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El espesor del cielo
Las tormentas pueden ascender hasta los 12 km en la atmósfera
12 / 6500 = 0.2%
Masa total: 5.14 x 1015 kilogramos (5,140,000,000,000,000)
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Escalas de tiempo
Tiempo de renovación
M: Masa de la substanciaF: Flujo de masa
S F
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Principales gases atmosféricos
componente % volumen aire seco ppm de aire Tiempo deresidencia
nitr geno (N2) 78.084 1.6. 107
oxgeno (O2) 20.946 3 000-10 000argon (Ar) 0.934neon (Ne) 0.00182 18.2helio (He) 0.000524 5.24 106 a osmetano (CH4) 0.00015 1.5 9 a0 oskripton (Kr) 0.000114 1.14hidr0 geno (H2) 0.00005 0.5 4-8 a0 osvariablesvapor de agua (H2O) 0-5 10 dasdii xido de carbono (CO2) ↑ 0.0340 340 3−4µ ονξ ιδο δε χαρβονο (ΧΟ) ≤ 100 60 δασδιξ ιδο δε αζυφρε 0−1 1 δαδιξ ιδο δε νιτργε νο (ΝΟ2) 0−0.2 0.5 ∠ 2 δασοζονο (Ο3) 0−10 100 δασ
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nitrógeno
Fuentes: – residuos agrcolas y ganaderos.residuos agrcolas y ganaderos.– erupciones volcánicas.erupciones volcánicas.
Sumideros:– plantas.plantas.– vida marina.vida marina.
Tiempo medio de permanencia ≈ 100 100 millones de años.millones de años.
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oxígeno
Fuentes:– fotosntesis.fotosntesis.
Sumideros:– personas y animales.personas y animales.– disuelto en el agua.disuelto en el agua.– descomposición de materia orgánica.descomposición de materia orgánica.– reacciones qumicas.reacciones qumicas.
Tiempo medio de permanencia en la atmósfera ≈ 3000 años.3000 años.
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Vapor de agua
Muy variable en sus concentraciones (muy diferente sobre los desiertos y sobre los mares ecuatoriales).
Fuentes: – masas de agua.masas de agua.
Sumideros:– lluvia.lluvia.– nieve.nieve.
Tiempo medio de permanencia ≈ 11 das.11 das.
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CICLO DEL AGUA
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Dióxido de carbono
Fuentes:– descomposición de plantas y humus.descomposición de plantas y humus.– combustibles fósiles.combustibles fósiles.
Sumideros:– fotosntesis de las plantas.fotosntesis de las plantas.– Disolución en el mar (cada vez más saturado).Disolución en el mar (cada vez más saturado).
Tiempo medio de permanencia ≈ 4 años.4 años. Buen absorbente de radiación infrarroja emitida Buen absorbente de radiación infrarroja emitida
por la tierra y la atmósfera.por la tierra y la atmósfera.
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CICLO DEL CO2
Incremento del CO2
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Medidas de CO2 en Izaña
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Variaciones del CO2 en Vostok
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El metano
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Fuentes del Metano
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Variación de la concentración deMetano (ppb)
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Ozono Compuesto gaseoso con 3 átomos de oxígeno,
altamente oxidante, de olor fuerte y penetrante (su nombre deriva de la palabra griega ‘ozein’:oler), de color azul pálido , peligroso para la respiración pues ataca a las mucosas
Muy 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
http://daac.gsfc.nasa.gov/upperatm/ozone_atmosphere.html
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Ozono:mecanismos de formación y destrucción
O2 + O + M O3 + M
O2 + UV O + O
O3 + UV O + O2
O3 + O 2O2
1.
2.
3.
4.
Mecanismo Chapman
Mecanismos catalítico
X+ O3 XO + O2
XO + O X + O2
Neto O3 + O 2O2
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Aerosoles
Es un hecho experimental relativamente fácil de llevar a cabo (basta que miremos en algún rincón de casa, sobretodo si es un piso de estudiantes) 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 el polo norte
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Especialmente debido al movimiento Browniano las partículas más pequeñas pueden permanecer en la atmósfera durante mucho tiempo, obviamente cuanto más grandes son las partículas mayor es su velocidad de sedimentación y por tanto debe de existir un tamaño máximo más allá del cual la partícula sedimenta muy rápidamente y no es observable. Este tamaño está en torno a las 100 µm. En cuanto al radio más pequeño, viene determinado esencialmente por los mecanismos de producción del aerosol, está en torno a las 0.001 - 0.01 µm
Distribución en tamaños:
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Origen:
•Fuentes minerales
•Fuentes marítimas
•Otras fuentes
Fuentes primarias
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Fuentes secundarias •Conversión gas/partícula
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Efectos de los aeroles: Influencia en las nubes
Pocos aerosolesNubes “obscuras”
muchos aerosolesNubes “claras”
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Efectos en las personas
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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%
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No solo, la presión si no la densidad también varía exponencialmente con la altura
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Variación vertical en la composición de la atmósfera
homosfera
heterosfera:composición varía
con la altura
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Variación vertical de la concentración ozono
Variación vertical de la concentración del vapor de agua
Casos especiales: Ozono y vapor de agua
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Estructura térmica de la atmósfera
Variación vertical
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Estructura térmica de la atmósfera Factores que influyen:
– 1. La 1. La conductividad molecularconductividad molecular. Lograra una . Lograra una atmósfera isoterma. Proceso muy lento.atmósfera isoterma. Proceso muy lento.
– 2. La2. La radiación radiación. Procesos de absorción y emisión a . Procesos de absorción y emisión a los que afecta:los que afecta:
» el flujo de energa incidenteel flujo de energa incidente» la transparencia relativa de las otras capas de la atmósferala transparencia relativa de las otras capas de la atmósfera» los coeficientes de absorción y emisiónlos coeficientes de absorción y emisión» el contenido en Hel contenido en H22O y otros gases de efecto invernaderoO y otros gases de efecto invernadero
– 3. La turbulencia y convección. Tienden a uniformar la temperatura potencial y establecer el gradiente adiabático.
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Estructura en capas
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troposfera Región más baja, por Región más baja, por
cima de la superficie cima de la superficie terrestre.terrestre.
Gradiente vertical Gradiente vertical negativo de temperatura negativo de temperatura ≈≈ 6ºC / km 6ºC / km
Más ancha en el ecuador Más ancha en el ecuador ((≈≈ 18 km) que en los 18 km) que en los polos (polos (≈≈ 8 km). 8 km).
El límite superior viene El límite superior viene marcado por la marcado por la tropopausatropopausa, zona de , zona de transición, que es poco transición, que es poco espesa.espesa.
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troposfera (II)
Existe un gradiente horizontal Existe un gradiente horizontal de temperatura del ecuador a de temperatura del ecuador a los polos.los polos.
Contiene casi toda la masa de Contiene casi toda la masa de la atmósfera, los sistemas la atmósfera, los sistemas meteorológicos móviles y las meteorológicos móviles y las nubes asociadas.nubes asociadas.
Incluye la capa límite (Incluye la capa límite (≈≈ 1km) 1km) con los procesos turbulentos.con los procesos turbulentos.
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estratosfera En la parte inferior, la temperatura En la parte inferior, la temperatura
es casi constante con la altura, o es casi constante con la altura, o crece lentamente.crece lentamente.
Se incrementa fuertemente en la Se incrementa fuertemente en la parte superior hasta alcanzar un parte superior hasta alcanzar un máximo en la máximo en la estratopausaestratopausa..
Incluye la Incluye la ozonosferaozonosfera, con lo cual , con lo cual el calentamiento se debe a la el calentamiento se debe a la absorción de radiación UV por el absorción de radiación UV por el ozono.ozono.
No hay movimientos verticales, No hay movimientos verticales, por lo que las partículas que allí se por lo que las partículas que allí se inyectan tienen grandes tiempos inyectan tienen grandes tiempos de permanencia.de permanencia.
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mesosfera
La temperatura disminuye La temperatura disminuye con la altura hasta alcanzar con la altura hasta alcanzar un mínimo en la un mínimo en la mesopausamesopausa..
El proceso de absorción se El proceso de absorción se llama fotoionización. Se llama fotoionización. Se producen átomos y producen átomos y moléculas con carga moléculas con carga positiva que constituyen lapositiva que constituyen la ionosferaionosfera..
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Termosfera
La temperatura crece con La temperatura crece con la altura.la altura.
Las altas temperaturas se Las altas temperaturas se deben a la absorción de deben a la absorción de radiación UV de longitud de radiación UV de longitud de onda muy corta.onda muy corta.
También se da la También se da la fotoionización.fotoionización.
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Estructura térmicay
cinemática(Variación latitudinal)
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ENEROAGOSTO
DISTRIBUCION LATITUDINAL DE TEMPERATURA
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Distribución latitudinal de temperatura y viento zonal
JULIO
ENERO
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La circulación meridional
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El campo de presiones
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Verano
Invierno
Distribución supeficial de la presion
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Variación latitudinal de la presion
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Estructura eléctrica del sistema tierra-atmósfera
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No hay ninguna duda que los fenómenos eléctricos están presentes en la atmósfera
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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.
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Las partículas cargadas se componen de :– Pequeños iones Pequeños iones – Grandes ionesGrandes iones– ElectronesElectrones
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
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El campo eléctrico normal
Vertical y descendente a nivel del suelo ≈ 125 V/m el campo medio sería de 3.6 V/m dentro del primer Km ∆V ≈ 75000 V E(z=1Km) ≈ 30 V/m a partir de los 10 Km, E ≈ cte ≈ 5 V/m ⇒ en toda la
estratosfera ∆V ≈ 25000 V
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El condensador telúrico
diferencia de potencial ≈ 500 KV intensidad total de corriente entre placas ≈ 1350 A densidad de corriente ≈ 2.7 x 10-12 A/cm2
superficie de la tierra ≈ 5 x 1014 m2
carga del condensador ≈ 5.5 x 105 C capacidad ≈ 1.8 Faradios resistencia total equivalente (R = V / I) ≈ 222 Ω tiempo de descarga ≈ 10 minutos
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La ionosfera
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Ionosfera. introducción
La ionización en la atmósfera inferior es relativamente débil (≈ 1000 pares/cm3).
Esta densidad aumenta con la altura, y se incrementa muy rápidamente a partir de los 80 Km.
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.
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Definimos ionosfera ...
La ionosfera es aquella región de la atmósfera donde la ionización tiene lugar, de modo que
permanecen en libertad los electrones producidos.
La enorme movilidad de los electrones libres frente a la de losiones moleculares explica el brusco aumento de conductividad.
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estructura
Viene marcada por el gradiente en la densidad electrónica.
80 -- 100 Km: capa E o estrato de Heaviside.
200 -- 300 Km: capas F1 y F2 o capas de Appleton– su situación es menos cte que la capa Esu situación es menos cte que la capa E
– la capa Fla capa F11 experimenta una fluctuación experimenta una fluctuación diaria que la lleva a confundirse con la Fdiaria que la lleva a confundirse con la F22 durante la nochedurante la noche
durante el día aparece además la capa D, a unos 60 Km
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Algunos efectos de la variacion de la altura de la ionosfera
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Evolución de la atmósfera
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Historia de la formación de la Tierra
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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 La razón entre los gases nobles y otras especies son mucho más pequeña que en el Universo: Ne/Si en la Tierra 10más pequeña que en el Universo: Ne/Si en la Tierra 10-10-10 de la de la misma razón en el Universo.misma razón en el Universo.
» La razón entre el Neón y el Nitrógeno (de pesos atómicos La razón entre el Neón y el Nitrógeno (de pesos atómicos similares) en la Tierra es una millonésima de la existente en similares) en la Tierra es una millonésima de la existente en en Universoen Universo
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Posible origen:– VulcanismoVulcanismo
HH22O, NO, N22, CO, CO22, CO, H, CO, H22, Cl, Cl22
– Aporte de elementos ligerosAporte de elementos ligerosdebido al intenso bombardeo inicialdebido al intenso bombardeo inicial
H2O - 68%
CO2 - 13%
N2 , N0x - 19%
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La paradoja del sol débil
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Como resolver la paradoja de un sol débil y una tierra sin congelar ?
La respuesta más verosímil es:
El efecto invernadero producido por :
• CO2 (se ha postulado de 102 a 104 PAL, )
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Sin embargo, datos de paleosuelos indican: pCO2 < 0.01 bar (3PAL):
Otros gases de efecto invernadero verosímiles son:
• NH3 ,~ 100 ppmv, su rápida descomposición lo hacen inviable
• CH4 ~ 102 a 103 ppmv (en la actualidad 1.7), el mejor candidato
matanopyrusmetanococus
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Las bacterias metanógenas han estado con nosotros desde hace muchos, muchos años…
CO2 + 2 H2 (+ hν) → CH2O + H2OAnoxygenic photosynthesis
2 CH2O → CH3COOH (acetate)Fermentation
CH3COOH → CH4 + CO2
Acetotrophic methanogenesis
CO2 + 2 H2S (+ hν) →
CH2O +H2O + 2 S
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La evolución del oxígeno
En la lista de gases anteriormente citados falta el oxígeno. Que ha pasado con este gas?
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En una primera etapa la atmósfera fue anóxica
Evidencias
B.I.F
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Mecanismo de formación del oxígeno en un atmósfera reducida
Previsiones de un modelo propuesto por Kasting
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La actividad fotosintética unida a un enterramiento de parte de la materia orgánica da como resultado en incremento en la cantidad de oxígeno
Evidencias:
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Estromatolitos modernos
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a) Chroococcus b) Oscillatoria c) Nostoc (coccoid) (filamentous) (heterocystic)
Nitrogen-fixing
Cyano-bacterias
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evolución y cambios en la atmósfera y el clima
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Se pueden distinguir 4 etapas
1. Atmósfera primordial
2. Exhalación desde la superficie y el bombardeo de meteoritos.
3. Adición de compuestos procedentes de la actividad volcánica
4. Modificación por actividad biológica