1

Composición, estructura y evolución de la

atmósfera

2

El espesor del cielo

¿cómo de alto es el cielo

3

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%

4

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)

5

Escalas de tiempo

Tiempo de renovación

τ=MF

M: Masa de la substanciaF: Flujo de masa

S F

6

Principales gases atmosféricos

componente % volumen aire seco ppm de aire Tiempo deresidencia

nitrógeno (N2) 78.084 1.6. 107

oxígeno (O2) 20.946 3 000-10 000argon (Ar) 0.934neon (Ne) 0.00182 18.2helio (He) 0.000524 5.24 106 añosmetano (CH4) 0.00015 1.5 9 añoskripton (Kr) 0.000114 1.14hidrógeno (H2) 0.00005 0.5 4-8 añosvariablesvapor de agua (H2O) 0-5 10 díasdióxido de carbono (CO2) ↑ 0.0340 340 3-4monóxi do de carbono (CO) ≤ 100 60 díasdióxi do de azufre 0-1 1 díadióxi do de nitrógeno (NO2) 0-0.2 0.5 – 2 díasozono (O3) 0-10 100 días

7

nitrógeno

Fuentes: – residuos agrícolas y ganaderos.residuos agrícolas 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.

8

9

oxígeno

Fuentes:– fotosíntesis.fotosíntesis.

Sumideros:– personas y animales.personas y animales.– disuelto en el agua.disuelto en el agua.– descomposición de materia orgánica.descomposición de materia orgánica.– reacciones químicas.reacciones químicas.

Tiempo medio de permanencia en la atmósfera 3000 años.3000 años.

10

11

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 días.11 días.

12

CICLO DEL AGUA

13

Dióxido de carbono

Fuentes:– descomposición de plantas y humus.descomposición de plantas y humus.– combustibles fósiles.combustibles fósiles.

Sumideros:– fotosíntesis de las plantas.fotosíntesis 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 por la Buen absorbente de radiación infrarroja emitida por la

tierra y la atmósfera.tierra y la atmósfera.

14

CICLO DEL CO2

Incremento del CO2

16

Medidas de CO2 en Izaña

17

Variaciones del CO2 en Vostok

18

El metano

19

Fuentes del Metano

20

Variación de la concentración deMetano (ppb)

21

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

22

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

23

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

24

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 m. 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 m

Distribución en tamaños:

25

Origen:

•Fuentes minerales

•Fuentes marítimas

•Otras fuentes

Fuentes primarias

26

Fuentes secundarias •Conversión gas/partícula

27

Efectos de los aeroles: Influencia en las nubes

Pocos aerosolesNubes “obscuras”

muchos aerosolesNubes “claras”

28

Efectos en las personas

29

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%

P(z) =P(0)exp(−z/H)

H≈7 km

30

ρ(z) =ρ(0)exp(−z/H)

No solo, la presión si no la densidad también varía exponencialmente con la altura

31

Variación vertical en la composición de la atmósfera

homosfera

heterosfera:composición varía

con la altura

32

Variación vertical de la concentración ozono

Variación vertical de la concentración del vapor de agua

Casos especiales: Ozono y vapor de agua

33

Estructura térmica de la atmósfera

Variación vertical

34

Estructura térmica de la atmósfera Factores que influyen:

– 1. La 1. La conductividad molecularconductividad molecular. Lograría una . Lograría 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 energía incidenteel flujo de energía 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 3. La turbulencia y convecciónturbulencia y convección. Tienden a . Tienden a uniformar la temperatura potencial y establecer el uniformar la temperatura potencial y establecer el gradiente adiabático.gradiente adiabático.

35

Estructura en capas

36

troposfera Región más baja, por cima Región más baja, por cima

de la superficie terrestre.de la superficie terrestre. Gradiente vertical negativo Gradiente vertical negativo

de temperatura de temperatura 6ºC / km 6ºC / km Más ancha en el ecuador Más ancha en el ecuador

(( 18 km) que en los polos 18 km) que en los polos (( 8 km). 8 km).

El límite superior viene El límite superior viene marcado por la marcado por la tropopausatropopausa, , zona de transición, que es zona de transición, que es poco espesa.poco espesa.

37

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.

38

estratosfera En la parte inferior, la temperatura es En la parte inferior, la temperatura es

casi constante con la altura, o crece casi constante con la altura, o crece lentamente.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 el , con lo cual el calentamiento se debe a la absorción calentamiento se debe a la absorción de radiación UV por el ozono.de radiación UV por el ozono.

No hay movimientos verticales, por lo No hay movimientos verticales, por lo que las partículas que allí se inyectan que las partículas que allí se inyectan tienen grandes tiempos de tienen grandes tiempos de permanencia.permanencia.

39

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..

40

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 radiación UV de longitud de onda muy corta.de onda muy corta.

También se da la También se da la fotoionización.fotoionización.

41

Estructura térmicay

cinemática(Variación latitudinal)

42

ENEROAGOSTO

DISTRIBUCION LATITUDINAL DE TEMPERATURA

43

Distribución latitudinal de temperatura y viento zonal

JULIO

ENERO

44

La circulación meridional

45

El campo de presiones

46

Verano

Invierno

Distribución supeficial de la presion

47

Variación latitudinal de la presion

48

Estructura eléctrica del sistema tierra-atmósfera

49

No hay ninguna duda que los fenómenos eléctricos están presentes en la atmósfera

50

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.

51

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

53

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

54

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 tiempo de descarga 10 minutos

55

La ionosfera

56

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.

57

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.

58

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

59

Algunos efectos de la variacion de la altura de la ionosfera

60

Evolución de la atmósfera

61

Historia de la formación de la Tierra

62

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

63

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%

64

La paradoja del sol débil

65

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, )

66

67

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

68

Las bacterias metanógenas han estado con nosotros desde hace muchos, muchos años…

CO2 + 2 H2 (+ h) CH2O + H2OAnoxygenic photosynthesis

2 CH2O CH3COOH (acetate)Fermentation

CH3COOH CH4 + CO2

Acetotrophic methanogenesis

CO2 + 2 H2S (+ h)

CH2O +H2O + 2 S

69

70

La evolución del oxígeno

En la lista de gases anteriormente citados falta el oxígeno. Que ha pasado con este gas?

71

En una primera etapa la atmósfera fue anóxica

Evidencias

B.I.F

72

Mecanismo de formación del oxígeno en un atmósfera reducida

Previsiones de un modelo propuesto por Kasting

73

La actividad fotosintética unida a un enterramiento de parte de la materia orgánica da como resultado en incremento en la cantidad de oxígeno

Evidencias:

74

Estromatolitos modernos

75

a) Chroococcus b) Oscillatoria c) Nostoc (coccoid) (filamentous) (heterocystic)

Nitrogen-fixing

Cyano-bacterias

76

evolución y cambios en la atmósfera y el clima

77

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