La atmósfera terrestre es la capa gaseosa que envuelve al planeta desde la superficie terrestre hasta un límite difuso a aproximadamente 10.000 Km de altitud. Esta capa se mantiene en torno al planeta debido a la gravedad terrestre y está compuesta por una mezcla de gases a la que llamamos aire.
El componente más abundante de la atmósfera terrestre es el nitrógeno (78%), seguido del oxígeno (21%) y el argón (0,9%), así como otros en ínfimas cantidades, como el vapor de agua y el dióxido de carbono.
Esta masa gaseosa se dispone en 5 capas fundamentales en torno al planeta y cumple importantes funciones, como proteger al planeta del impacto de pequeños meteoritos, filtrar la radiación ultravioleta, retener el calor y permitir la existencia de agua líquida.
Igualmente, en la atmósfera se forman los climas de la Tierra y permite el vuelo de diversas especies, incluido el vuelo de aviones. Pero no siempre la atmósfera fue como es hoy, ya que se originó con la formación del planeta y desde entonces ha evolucionado.
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Composición de la atmósfera terrestre
La atmósfera de la Tierra está formada por una combinación de gases a la que se le da el nombre de aire. La composición del aire varía en el gradiente de concentración que va desde la superficie de la Tierra hasta el límite con el espacio exterior.
Cuando se habla de la composición de la atmósfera, se hace referencia a la composición del aire en la troposfera, la cual está en contacto con la superficie del planeta.En esta capa se presenta la mayor concentración de aire, en cuya mezcla de gases es dominante el nitrógeno (N2) y el oxígeno (O2).
El nitrógeno representa el 78% del total, mientras que el oxígeno ocupa el 21%, restando aproximadamente un 1% de varios otros gases. Entre estos, en primer lugar el argón, que casi completa el 1 % faltante, dejando a los otros gases en cantidades sumamente pequeñas.
Entre estos otros gases resalta el dióxido de carbono (CO₂), que si bien alcanza solo el 0,041% aproximadamente, va en aumento por la actividad humana. El vapor de agua tiene una concentración variable, llegando a alcanzar hasta 0,25%. Estos gases tienen propiedades oxidantes, por lo que la atmósfera terrestre posee esta cualidad.
Capas de la atmósfera
La atmósfera terrestre tiene 5 capas:
Troposfera
La troposfera se extiende desde el nivel del suelo hasta cerca de 12 a 20 Km de altitud y su nombre deriva del prefijo tropos = cambio, debido a su carácter cambiante. Es más delgada en los polos y más ancha en el ecuador.
Tres cuartas partes de la masa de gases de la atmósfera se concentra en la troposfera, por la atracción que ejerce la gravedad terrestre. En esta capa se posibilita la vida en la Tierra y ocurren los fenómenos meteorológicos y los vuelos de aviones comerciales.
También ocurren en la troposfera los ciclos biogeoquímicos atmosféricos, como el ciclo del oxígeno, del agua, del CO₂ y del nitrógeno. En esta capa la temperatura disminuye con la altitud, y al límite entre ella y la capa siguiente se denomina tropopausa.
Estratosfera
Se ubica entre 12 y 20 Km por encima de la superficie terrestre hasta 50 Km aproximadamente y se separa en dos capas por la densidad del aire. La inferior es donde se acumula el aire frío más pesado, y otra superior donde está el aire caliente más ligero. De ahí su nombre derivado del prefijo estratos= capas.
El límite entre esta capa y la siguiente se llama estratopausa. En ella se encuentra a su vez una capa fundamental para la vida en la Tierra, como lo es la capa de ozono.
Como esta capa absorbe calor, la estratosfera aumenta la temperatura con la altitud, a diferencia de lo que ocurre en la troposfera.
Capa de ozono (ozonosfera)
Es una capa compuesta de ozono (O3), la cual se forma debido a la disociación bioquímica del oxígeno (O2) por la radiación solar ultravioleta. Así, cuando esta radiación impacta sobre la molécula de oxígeno, esta se rompe en dos átomos de oxígeno.
Luego, tomando en cuenta que el oxígeno atómico (O) es muy reactivo, se une con moléculas de oxígeno (O2) y forman el ozono (O3).
Mesosfera
Su nombre viene de meso = medio, porque se ubica entre la estratosfera y la termosfera, aproximadamente entre los 50 y 80 Km de altitud. Es la capa donde arden los meteoros creando las estrellas fugaces.
En esta zona aún hay suficiente gas para producir fricción y generar calor, lo que ya no ocurre en las capas superiores. El límite entre esta capa y la siguiente se denomina mesopausa.
Termosfera
El nombre de esta capa viene de termo = calor, ya que la temperatura es de 4.500 grados Fahrenheit (alrededor de 2.482 ºC). Sin embargo, al no haber suficientes moléculas de gas, este calor no se transmite, así como tampoco el sonido.
Esta capa se extiende entre 80 y 700 Km de altitud, y allí se encuentra la Estación Espacial Internacional y muchos satélites de órbita baja. El límite entre la termosfera y la próxima capa de la atmósfera de llama termopausa.
Exosfera
Lleva el nombre derivado del prefijo exo = afuera, ya que es la capa más externa de la atmósfera terrestre; tras ella se encuentra el espacio exterior. Se ubica entre los 700 y los 10.000 Km de altitud, siendo la capa más extensa de la atmósfera.
Allí predominan los gases más ligeros como el hidrógeno y el helio, pero en muy baja densidad. Por tanto, sus moléculas están muy separadas unas de otras, siendo una zona muy fría y sin oxígeno. En la exosfera es donde se encuentran los satélites meteorológicos y los de órbita alta.
Funciones de la atmósfera terrestre
La atmósfera tiene una serie de funciones que posibilitan las condiciones para la existencia de vida tal como la conocemos.
Gases vitales
La atmósfera contiene los gases fundamentales para la vida tal como existe hoy en día, los cuales son principalmente el oxígeno y el CO₂.
Ablación atmosférica
Gracias a la existencia de una capa como la mesosfera, la superficie terrestre se ve protegida del impacto de gran cantidad de pequeño meteoros. En esta capa el aire, aunque es escaso, es suficiente para que exista fricción y los meteoros ardan y se deshagan en su mayoría.
Filtro de radiación ultravioleta
La existencia de la capa de ozono en la estratosfera filtra la mayor parte de la radiación ultravioleta, impidiendo que llegue a la superficie terrestre. Esto es de gran importancia para diversos procesos terrestres, entre ellos la vida, ya que este tipo de radiación provoca mutaciones y produce cáncer.
Efecto invernadero
Varios de los gases atmosféricos permiten el ingreso de la radiación que calienta la Tierra y provee energía para la fotosíntesis y otros procesos. En tanto que el calor generado (radiación de onda larga), es parcialmente retenido y reflejado de nuevo a la Tierra.
Esto permite mantener un rango de temperatura favorable a la vida sobre el planeta, con una temperatura media de 15 ºC. En caso de no existir la atmósfera, la temperatura media del planeta sería de -18 ºC.
Variación diurna de temperatura
La variación durante el día de temperatura está determinado por el calentamiento diurno de la capa de aire directamente por encima del suelo por la radiación solar y su enfriamiento nocturno. Aunque en esta variación también influyen otros parámetros como la altitud, la capa de nubes presente, la humedad y la inestabilidad atmosférica.
Presión atmosférica
Es la fuerza de atracción que tiene la gravedad en la masa de aire sobre la Tierra (peso del aire), que varía según la temperatura, ya que mientras más caliente más ligero es el aire. La combinación de estos factores contribuye a la formación del clima, al producir los vientos y estos a su vez las corrientes marinas.
Pero adicionalmente, la presión atmosférica que ejerce el aire en la superficie terrestre es la adecuada para que exista agua líquida en la Tierra.
La densidad y el vuelo
La atmósfera concentra la mayor proporción del aire en su capa inferior, la troposfera, lo cual condiciona una densidad determinada. Esta densidad del aire es lo que permite el vuelo de las aves, insectos, mamíferos voladores y el vuelo mecanizado de los seres humanos.
Circulación atmosférica
Los vientos son causados por las diferencias de temperatura que se generan en la atmósfera a nivel de la troposfera, causando diferencias de presión atmosférica. Esto ocurre gracias a la absorción de calor por parte de algunos gases que la componen, como el oxígeno, el CO₂ y el vapor de agua.
Al calentarse, estos gases disminuyen su densidad, es decir sus moléculas se alejan entre sí, haciéndose más ligeros y comienzan a ascender. Esto disminuye la presión atmosférica en esa zona, creando un vacío hacia el que fluyen las masas de aire cercanas, formándose los vientos.
Estos a su vez provocan las corrientes superficiales marinas que contribuyen a distribuir el calor en la Tierra. Por otra parte, los vientos distribuyen el vapor de agua formado al evaporarse el agua que al ascender se enfría y condensa provocando lluvias.
Formación y evolución
La formación y evolución de la atmósfera terrestre es parte de la formación y evolución del sistema solar a partir del Big Bang.
Formación del sistema solar
Se plantea que nuestro sistema se formó debido a una concentración al azar de materia desplazándose y girando en el espacio. La misma se fue juntando en lo que sería luego el centro del sistema solar por acción de la fuerza de gravedad.
Posteriormente, la materia más alejada del centro se fue enfriando de forma diferencial y así los planetas más fríos son aquellos más separados del sol, el cual ocupa la posición central. Luego, los planetas se fueron formando por agregación de partículas a diferentes distancias del centro y según su posición presentan características diferentes.
La Tierra
La llamada ProtoTierra se formó por la agregación de pequeños cuerpos celestes rocosos (llamados planetesimales), hace unos 4.500 millones de años. En este caso, estos planetesimales estaban formados de óxidos, metales y silicatos.
Más tarde, debido a la menor masa de la Tierra, nuestro planeta no logró retener la mayor parte del hidrógeno y otros gases ligeros. La pérdida de gases fue enfriando al planeta, consolidándose un núcleo donde se concentraron los elementos más pesados, el hierro y el níquel.
Mientras que los más ligeros como los silicatos formaron el manto y corteza, en tanto los gases se concentraron como la capa final. En esta zona, se ubicaron aquellos gases que eran tan ligeros que escaparon de la fuerza de gravedad del planeta en formación.
La atmósfera terrestre
Se considera que la atmósfera pasó por tres etapas básicas en esta evolución, que abarcan la atmósfera primigenia, la secundaria y la atmósfera biótica.
Atmósfera primigenia
Se estima que el planeta formó su primera atmósfera hace 4.450 millones de años, tras el impacto que desprendió el trozo que formó la Luna. A partir de allí ocurrió la diferenciación planetaria en núcleo, manto, corteza y atmósfera.
La atmósfera era aún muy inestable debido a la pérdida de gases ligeros al espacio durante el proceso de enfriamiento terrestre. Estos gases ligeros como el neón, el argón y otros se perdieron en grandes proporciones por ser muy ligeros.
En esta fase los gases dominantes eran los provenientes de la nebulosa solar, de carácter reductor como el hidrógeno (H2). Al igual que otros provenientes de la actividad volcánica como el dióxido de carbono (CO₂), el nitrógeno (N2) y el vapor de agua (H₂O), por lo que esta atmósfera era fuertemente reductora.
Atmósfera secundaria
En un período de 100 a 500 millones de años la atmósfera evolucionó hacía una condición reductora débil, hace cerca de 4.000 millones de años. Esto fue debido entre otras cosas al llamado gran bombardeo tardío, en el que impactaron sobre el planeta asteroides ricos en carbono y agua.
Está comprobado que los meteoritos y cometas contienen altos contenidos de agua, CO₂, metano (CH4) y amoníaco (NH3). Por otra parte, la actividad volcánica expulsó a la atmósfera grandes cantidades de CO₂ y N2.
En este período aparece ya la incidencia de la vida sobre la atmósfera, con la actividad de protobacterias metanógenas hace unos 4.000 años. Estos organismos consumían CO2 y producían CH4, por lo que se redujo el primero y aumentó el segundo de estos gases.
Atmósfera biótica o actual
Se estima que hace no más de 3.100 millones de años se empezó a formar la atmósfera biótica oxidante. Esto es debido a la aparición de los primeros organismos fotosintetizadores, es decir capaces de producir energía química (alimentos) a partir de la energía solar.
Originalmente fueron cianobacterias, que al realizar su proceso de fotosíntesis producían como desecho oxígeno. Esto fue incorporando grandes cantidades de oxígeno a la atmósfera, provocando un cambio cualitativo hace cerca de 2.400 millones de años conocido como el Gran Evento Oxidativo.
A su vez el aumento del oxígeno provocó la disminución del metano por recombinación fotoquímica. Igualmente, la radiación ultravioleta causó la disociación del O2, formando oxígeno atómico (O), que se combinó con el oxígeno molecular (O2) formando ozono (O3).
Así, se generó una capa de ozono en la extratosfera, además del N2 expulsado los volcanes que llegó a ser el gas dominante, porque es poco reactivo y no forma minerales fácilmente, por tanto se fue acumulando en la atmósfera.
Referencias
- Kasting, J.F. and Catling, D. (2003). Evolution of a habitable planet. Annual Review of Astronomy and Astrophysics.
- Mercado, J.M. (1999). Fotosíntesis y cambios en la composición de la atmósfera. Ciencia al Día Internacional.
- Pla-García, J. y Menor-Salván, C. (2017). La composición química de la atmósfera primitiva del planeta Tierra. Investigación química. Anales de Química.
- Quintero-Plaza, D. (2019). Una breve historia de la atmósfera terrestre. Calendario Meteorológico de AEMET.
- Sagan, C. and Mullen, G. (1972). Earth and Mars: Evolution of atmospheres and surface temperatures. Science.
- Tian, F., Toon, O.B., Pavlov, A.A. and De Sterck, H. (2005). A hydrogen-rich early Earth atmosphere. Science.