TEMA 2 ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA

TEMA 2
ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LA
ATMÓSFERA
1. Composición de la atmósfera
* Homosfera
* Heterosfera
2. Estructura térmica de la atmósfera
* Troposfera
* Estratosfera
* Mesosfera
* Termosfera o ionosfera
* Exosfera
* Magnetosfera
3. Presión atmosférica
4. Vapor de agua atmosférico

1. Composición de la atmósfera
• Los procesos externos tienen lugar preferentemente
en la interfase entre la superficie sólida de la Tierra y
las capas fluidas de la misma: ATMÓSFERA e
HIDROSFERA
• La atmósfera es la capa gaseosa que rodea la Tierra
• Composicionalmente está dividida en dos partes:
* La inferior u homosfera (0-90 km) se caracteriza
por su composición homogénea
* La superior o heterosfera está estratificada en
función de la densidad de los gases

HOMOSFERA (0-90 km)
• Nitrógeno 78,09 %
• Oxígeno 20,95 %
• Argón 0,93 %
• CO 2
0,033 %
• OTROS 0,003 %
- Vapor de agua
- Polvo en suspensión
- Hidrógeno
-Helio
- Metano
- Óxido nitroso
- Xenón
-Criptón
- Neón
Gases más pesados

HETEROSFERA
• Disminuye la proporción de gases más pesados
(CO 2 y argón) aumentando la de He e H
• Los constituyentes principales son el N y el O, que
permanecen en la misma proporción que en la
homosfera
• En la heterosfera los gases no se mezclan sino que
se estratifican en función de su densidad: los gases
más pesados se sitúan debajo y los más ligeros
encima
• Hay 4 capas de diferente composición química y
separadas entre sí por zonas de transición

Capa de H at (3500-10000 km)
Capa de He at (1100-3500 km)
Capa de O at (200-1100 km)
Capa de N 2
(90-200 km)
Homosfera (0-90 km)

• Límite (10000 km): la densidad de átomos de H es
similar a la del espacio interplanetario
• A 35000 km aún hay átomos de H girando en torno a
la Tierra
• El 97% de los gases atmosféricos se halla en los
primeros 30 km (troposfera y parte de la estratosfera)

• La composición de la atmósfera de la Tierra es muy
diferente a la de los otros planetas del sistema solar
• La nuestra es la única con grandes cantidades de
oxígeno, lo que permite la mayor parte de las formas
de vida animal
• El oxígeno atmosférico reacciona constantemente
con los minerales que se forman en el interior de la
Tierra para hacer nuevos minerales en equilibrio con
la atmósfera: PROCESOS DE OXIDACIÓN-
METEORIZACIÓN
• Esta es una de las razones por las que la superficie
terrestre está en cambio continuo

• Los gases principales y el helio, neón, argón y kriptón se
encuentran en proporciones constantes
• Otros constituyentes, principalmente el vapor de agua,
tienen concentraciones que varían en el espacio y en el
tiempo
El vapor de agua (humedad) puede variar entre 0,01 y 3%
Su contenido varía frecuentemente a corto plazo
• Otro constituyente, el CO 2 , varía en una escala de tiempo
mucho más grande
Actualmente tiene una abundancia de 0,033%
En la últimas décadas se ha ido incrementando debido a
la quema de combustibles fósiles

• Los principales gases atmosféricos son casi
transparentes para permitir la radiación solar y afectan
poco al balance de calor en la superficie terrestre
Sin embargo, algunos gases menores absorben ciertas
longitudes de onda de la luz y así ayudan a calentar la
atmósfera
Sin dichos gases, la temperatura de la superficie terrestre
sería 30°C más baja que la actual y la Tierra se helaría
• Los gases más importantes que absorben la energía solar
suponen sólo un 1% de la atmósfera: vapor de agua, CO 2 ,
ozono (O 3 ), metano (CH 4 ) y óxidos de nitrógeno (NO,
NO 2 , N 2 O, N 2 O 3 , N 2 O 4 , N 2 O 5 )
Debido a que la cantidad de CO 2 se está incrementando,
esta variación tiene importantes implicaciones para el
futuro de los climas de la Tierra

2. ESTRUCTURA TÉRMICA DE LA
ATMÓSFERA
• En función de su temperatura y de otras
características físicas y químicas
• Se divide en capas concéntricas cuyo espesor varía
según la latitud e incluso según la hora del día
* Troposfera
* Estratosfera
* Mesosfera
* Termosfera o ionosfera
* Exosfera
HOMOSFERA
HETEROSFERA

Termopausa 400-500 km
80 km
50-60 km
9-17 km

TROPOSFERA
• Limitada por la TROPOPAUSA:
* 9 km en zonas polares
* 17 km en zonas ecuatoriales
• Descenso de la T a hasta unos -70 °C
Descenso medio de T a : 6,4°C por cada 1000 m de
ascenso
• Contiene el 80% de la masa atmosférica y casi todo
su vapor de agua
• Todos los fenómenos meteorológicos tienen lugar en
ella: evaporación, condensación, precipitación,etc.
• Grandes variaciones de humedad y temperatura
La T a cambia espacial y estacionalmente
• Gran movilidad del aire: vientos
• Abundan: vapor de agua, polvo atmosférico y CO 2

Polvo atmosférico
• Las partículas de polvo atmosférico se mantienen en
suspensión por ser muy pequeñas
• Proceden de:
* Llanuras desérticas
* Fondos de lagos y playas
* Explosiones volcánicas
* Incendios forestales y quema de maleza
* Desintegración de meteoritos
* Combustión de carburantes (coches, calefacciones, industria)
• El polvo atmosférico contribuye a la formación del
crepúsculo y a los colores rojizos en la salida y
puesta de sol
• Sirven como núcleo alrededor de los cuales se
formen las gotas de agua en las nubes
• No hay en la estratosfera (ni vapor de agua)

ESTRATOSFERA
• Limitada por la ESTRATOPAUSA:
* 50-60 km
• Incremento de la T a hasta 0 °C
• No se mezcla con la troposfera por la diferencia de T a
entre ambas
Los gases y partículas se mueven lentamente en el
límite entre ambas
• Las partículas pequeñas pueden permanecer
suspendidas por mucho tiempo por el lento
movimiento, sin turbulencias
• No se producen precipitaciones
• Contiene la capa de ozono u ozonosfera (40 km de
espesor, desde los 15 hasta los 55 km)
• El aumento de T a se debe a la absorción de una parte
de la radiación solar (rayos ultravioletas) por el ozono

Capa de ozono u ozonosfera
• La capa de ozono sirve como escudo protector de los
seres vivos
• OZONO: O 3 estado alotrópico del oxígeno (enlaces
diferentes a los de la molécula normal de O 2 )
• FORMACIÓN
Los rayos solares rompen la molécula de O 2 para
formar oxígeno atómico O, el cual reacciona con otra
molécula de O 2 para formar O 3
O 2
• Las concentraciones de ozono alcanzan un máximo
de 10 ppm a altitudes de 20-25 km
O
O
O + O 2 = O 3

• DESTRUCCIÓN
A partir de la liberación de freones o clorofluorcarburos
o halocarburos: compuestos sintéticos que contienen
átomos de C, F y Cl
Muchos aerosoles de uso doméstico (principalmente
hasta que fueron prohibidos en 1976 en USA) estaban
cargados de estas sustancias
Todavía de utilizan en refrigerantes
Estas moléculas ascienden a través de la troposfera y
alcanzan la estratosfera
Cuando sus componentes absorben la radiación UV se
descomponen y el Cl es liberado, atacando las
moléculas de ozono y convirtiéndolas en O 2
ClFC Cl - + O 3 O 2

• En realidad se trata de una gran número de
reacciones las que controlan el proceso
CFCl 3 + UV
CFCl 2 + Cl
Cl + O 3 ClO + O 2
ClO + O Cl + O 2
O 3 + O O 2 + O 2
• El proceso puede durar 100 años
• Cada átomo de Cl puede destruir hasta 100.000
moléculas de O 3

Ozono troposférico
• Muy reactivo y oxidante, por tanto corrosivo, y
representa un peligro para la salud de las personas,
animales y bienes materiales
• Contaminante secundario originado a partir de
contaminantes primarios emitidos directamente a la
atmósfera: CO, óxidos de N, COV, SO 2
• Mediante complejas reacciones químicas influidas por
muchas horas de luz solar, fuerte radiación incidente,
situación anticiclónica, altas presiones, altas
temperaturas, grado de humedad bajo
• Entre mayo y septiembre
• Concentraciones más altas: horas centrales del día
• Aunque los contaminantes primarios se producen en
zonas urbanas e industriales, las máximas
concentraciones de O 3 se dan en zonas periurbanas
y rurales, debido al movimiento de la atmósfera

Nubes estratosféricas polares de ácido nítrico (PSC)
o nubes anacaradas
• Típicas de los cielos árticos y antárticos durante el
invierno
• Muy raramente pueden darse en latitudes más bajas
por desplazamiento, desde el polo, del centro de
temperaturas mínimas en la estratosfera

• Se forman a gran altura (entre 20 y 25 km)
• Tª < 78 ºC
• A dicha altura sólo se forman este tipo de nubes
• Debido a su altura y a la curvatura terrestre reciben la
luz solar desde un ángulo extraño, lo que provoca sus
brillos y colorido especiales
• Parecen estar ligadas
con la desaparición de
la capa de ozono ya
que en su interior se
producen reacciones
químicas capaces de
incrementar la
destrucción del ozono
atmosférico

Vista de ondas de montaña de la Antártida y de las temperaturas del trihidrato
de ácido nítrico (nitric acid trihydrate, NAT) para 2003

MESOSFERA
• Limitada por la MESOPAUSA:
* ~ 80 km
• Decrece la T a hasta unos -80°C

TERMOSFERA O IONOSFERA
• Limitada por la TERMOPAUSA:
* ~ 400-500 km
• Se incrementa la T a hasta superar los 1000 °C
• Los componentes atmosféricos aparecen ionizados,
absorbiendo gran parte de la radiación ultravioleta de
la luz solar, lo que hace incrementar la temperatura
• IONIZACIÓN:
* Por efecto de la radiación solar, cada átomo cede un electrón
y se convierte en un ión cargado positivamente
* Los electrones desprendidos forman una corriente eléctrica
que se mueve globalmente por la ionosfera
* Los estratos ionizados tienen capacidad de reflejar las ondas
de radio y devolverlas a la Tierra
* Se forman en la parte de la Tierra en contacto con la luz del sol
(día)
* De noche tienden a debilitarse y desaparecer

• Durante el día pueden haber en la ionosfera varias
regiones o capas: D, E, F1, F2 y G
• Durante la noche sólo se forman la E (no siempre) y la
F2

EXOSFERA
• Límite: 10.000-35.000 km
• Zona de la atmósfera en la que la densidad es igual
a la del espacio interestelar
• Si las partículas superan la velocidad crítica de
escape (11 km/s) pueden escapar de la atracción
terrestre
• Tª diurna > 2500ºC
• Tª nocturna – 273ºC
• Capas de O atómico, He atómico e H atómico

MAGNETOSFERA
• Independiente de las capas de Tª o atmósfera gaseosa
• Se extiende más allá de los límites de la atmósfera
gaseosa
• Toda la región comprendida dentro de los límites
(MAGNETOPAUSA) del CAMPO MAGNÉTICO
EXTERNO puede ser considerada
como una atmósfera magnética
• El campo magnético externo está
constituido por líneas de fuerza
del campo magnético terrestre,
generado en el núcleo metálico
de la Tierra

• La magnetosfera es una zona con forma de lágrima,
en la que el campo magnético terrestre atrapa las
partículas cargadas eléctricamente, procedentes del
viento solar (flujo más o menos continuo de electrones y
protones emitido por el sol)
• El viento solar presiona la magnetopausa hacia la Tierra
en la cara más cercana al Sol: las líneas de fuerza se
acercan y se intensifica el campo magnético
•En la cara opuesta, la magnetopausa se aleja de la
Tierra y las líneas de fuerza se atenúan (extensión descon.)
• Las partículas del viento
solar atrapadas, se
concentran en unos anillos
alargados llamados
CINTURONES DE
RADIACIÓN DE VAN ALLEN

• La aurora boreal, también conocida como luces del norte, es
un fenómeno físico debido a la interacción entre las
partículas emitidas por el viento solar y la atmósfera terrestre
• Un fenómeno similar se produce en el hemisferio sur, la
aurora austral

•El viento solar interacciona con el campo magnético de la
Tierra, alcanzando la ionosfera
•El choque de estas partículas (electrones, protones,
partículas alfa y helio) a gran velocidad con los gases de la
ionosfera (oxígeno), libera energía en forma de luz visible
de colores rojo, verde, azul y violeta

3. Presión atmosférica
• El aire que nos rodea parece tan tenue que parece
que casi no pesa
• La densidad del aire a nivel del mar es de 1/800 la
densidad del agua líquida
• Sin embargo, las moléculas de aire ejercen una
presión que es de 1 bar a nivel del mar
1bar = 1 kg/cm 2 = 1 atm = 760 mm = 1013,2 mb
• La presión atmosférica disminuye a la mitad por cada
5,6 km de ascenso

• La presión atmosférica desciende
rápidamente al incrementarse la altitud
* A 5,6 km: 0,5 bar
* A 8,8 km (altura del Everést) el aire es tan
poco denso que el ser humano tiene
dificultades para conseguir suficiente
oxigeno en cada respiración para
sobrevivir
* A 80 km: 10 -6 bar (mesopausa)
* A 500 km (termopausa) todavía hay
atmósfera pero es extremadamente tenue
• Los aviones están presurizados a 850 mb,
equivalente a una altitud de 1500 m,
mientras que la presión exterior es de 200
a 300 mb (9000-10000 m)
En profundidad, la p. atm. aumenta 1 atm
cada 10 m

4. Vapor de agua atmosférico
• Uno de los aspectos más variables de la atmósfera es
su contenido en vapor de agua
• El agua es movilizada desde los océanos por
evaporación y transportada rápidamente como vapor
de agua a la troposfera turbulenta (dinámica
atmosférica, ciclo hidrológico)
• El vapor de agua es también importante porque tiene
una influencia en el calentamiento de la atmósfera
(efecto invernadero)
• Además, el vapor de agua que se condensa para
formar las nubes controla la cantidad de energía solar
que es reflejada hacia fuera de a Tierra, ya que las
nubes son muy reflexivas (albedo)

• Es importante tener en cuenta que el aire frío puede
mantener mucho menos vapor de agua que el caliente
• Como resultado, el porcentaje de vapor de agua en la
atmósfera de los polos es casi 10 veces menor que en
el ecuador
• Por lo mismo, hay más vapor de agua en la atmósfera
cercana a la superficie que en las capas más
elevadas, más frías
• La precipitación tiene lugar cuando el aire se
sobresatura de vapor de agua

VAPOR DE AGUA
Asciende
Vientos
Plumas de aire caliente
Se enfría
Forma nubes
Sobresaturación
Precipitación

• NO: óxido nitroso
• NO 2 : dióxido de nitrógeno
• N 2 O: óxido nitroso (monóxido de dinitrógeno)
• N 2 O 3 : trióxido de dinitrógeno
• N 2 O 4 : tetraóxido de dinitrógeno
• N 2 O 5 : pentaóxido de dinitrógeno (anhídrido nítrico)