Composición y Estructura de la Atmósfera

La atmósfera es la fina capa gaseosa que envuelve a la Tierra, aferrándose a ella por la fuerza de la gravedad y cumpliendo una función fundamental: “la preservación de la vida en la Tierra”. Tiene un espesor estimado de unos 10.000 km y el 97% de su masa total se concentra en los primeros 30 km.

Los Gases Atmosféricos

Gases mayoritarios:

• Nitrógeno (N₂): Gas inerte, constituye el 75,51% de la masa.
• Oxígeno (O₂): Gas muy activo que reacciona fácilmente con otros elementos.
• Argón (Ar): Gas noble inerte, procedente de la descomposición del potasio-40 (K-40) en el manto y la corteza, liberado a la atmósfera a través de los volcanes.
• Vapor de agua (H₂O): Su concentración depende de la temperatura del aire.
• Dióxido de carbono (CO₂): Aproximadamente 340 ppm (partes por millón).

Aparte de los gases, en la atmósfera existen partículas en suspensión (sólidos y aerosoles), que pueden ser:

• Partículas de polvo.
• Partículas salinas.
• Humos y cenizas procedentes de erupciones volcánicas y combustiones (naturales y antrópicas).
• Microorganismos, polen y esporas.
• Agua en estado líquido o sólido (nubes, niebla, hielo).

Estructura de la Atmósfera

Según la Composición Química

• Homosfera: Se extiende hasta los 60-80 km de altitud. La atmósfera tiene una composición relativamente fija, formada por una mezcla de gases (principalmente N₂ y O₂) llamada aire, cuya proporción se mantiene constante hasta su límite superior, la homopausa.
• Heterosfera: Se encuentra por encima de la homopausa. Los gases se estratifican formando capas según su peso molecular. Se diferencian cuatro capas principales:
  • Capa de nitrógeno molecular (N₂).
  • Capa de oxígeno atómico (O).
  • Capa de helio (He).
  • Capa de hidrógeno atómico (H).

Según las Características Físicas (Perfil de Temperatura)

En función de la variación de la temperatura con la altitud, la atmósfera se puede dividir en cuatro capas principales (más la exosfera):

• Troposfera: Se sitúa entre la superficie y unos 10 km de altitud en los polos y 18 km en el ecuador. Su límite superior se denomina tropopausa. Esta capa está en contacto directo con la superficie terrestre. Su temperatura media desciende con la altitud, desde unos 16 ºC en la superficie hasta los -60 ºC cerca de la tropopausa. Se caracteriza por la gran movilidad vertical y horizontal de los gases que la componen (convección). En ella tienen lugar la mayoría de los fenómenos meteorológicos.
• Estratosfera: Se extiende desde la tropopausa hasta los 50 km de altitud. A partir de la tropopausa, la temperatura asciende con la altitud hasta alcanzar los 10-20 ºC en su parte superior. No presenta tanta movilidad vertical como la troposfera; los gases tienden a disponerse en capas o estratos. Contiene la importante capa de ozono (O₃), que absorbe la mayor parte de la radiación ultravioleta (UV) e infrarroja del Sol, protegiendo a los seres vivos y provocando el aumento de la temperatura en esta capa. El final de la estratosfera es la estratopausa.
• Mesosfera: Se encuentra entre los 50 y los 80 km de altitud. La temperatura en ella desciende progresivamente con la altitud hasta alcanzar unos -85 ºC en su límite superior, la mesopausa, la zona más fría de la atmósfera.
• Termosfera o Ionosfera: Se extiende desde la mesopausa hacia arriba. Recibe este nombre por las altas temperaturas que alcanza (superiores a 1000 ºC). Estas temperaturas se deben a que sus gases (principalmente oxígeno y nitrógeno) se encuentran ionizados, ya que absorben las radiaciones de alta energía (rayos gamma (γ) y X) procedentes del Sol. A pesar de las altas temperaturas, la densidad de gases es muy baja, por lo que la cantidad de energía almacenada es pequeña. En esta capa se desintegran la mayoría de los meteoritos que llegan a nuestro planeta, produciendo las estrellas fugaces. Finaliza en la termopausa.
• Exosfera: Comienza a partir de los 600-800 km de altitud y representa la transición hacia el espacio exterior. Solo contiene un 1% de la masa atmosférica total. Sus gases, muy dispersos y principalmente en forma atómica (hidrógeno y helio), terminan igualando su densidad a la del espacio exterior, y algunos pueden escapar de la gravedad terrestre.

La Atmósfera y la Energía Solar

El Sol desprende energía que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética, constituida por un amplio espectro que incluye rayos gamma, rayos X, radiación ultravioleta (UV), luz visible, radiación infrarroja (IR) y ondas de radio. La mayor parte de la energía solar se concentra en la parte visible e infrarroja cercana del espectro.

La atmósfera interactúa con esta radiación, reteniendo y regulando la cantidad que alcanza la superficie terrestre. De todas las radiaciones que llegan, solo pueden atravesar la atmósfera de forma significativa las ondas de radio, la luz visible y parte de la radiación infrarroja y ultravioleta. Las demás son absorbidas selectivamente en los diferentes niveles atmosféricos.

Además, no toda la radiación solar que llega es absorbida por el sistema Tierra-atmósfera. Aproximadamente un 30% se refleja de nuevo al espacio (este porcentaje se conoce como albedo). Las nubes, el polvo atmosférico, las moléculas de los gases, el hielo, la nieve y la propia superficie terrestre contribuyen a esta reflexión.

En la ionosfera (termosfera) se absorben las radiaciones de onda más corta y alta energía (gamma y X). En la ozonosfera (estratosfera) se absorbe gran parte de la radiación UV, especialmente la más energética (UV-C y la mayor parte de UV-B), que tiene efectos potencialmente letales para la vida. Las ondas del espectro visible atraviesan casi toda la atmósfera. Las radiaciones IR son absorbidas principalmente por gases como el CO₂ y el H₂O atmosféricos (gases de efecto invernadero), contribuyendo al calentamiento de la troposfera.

Esta acción filtradora y reguladora de la atmósfera permite que se mantengan en el planeta unas temperaturas relativamente suaves y las condiciones adecuadas para el desarrollo y mantenimiento de la vida.

Efecto Protector de la Atmósfera: Ionosfera y Ozonosfera

La atmósfera absorbe parte de la radiación solar de forma selectiva, lo cual es de suma importancia para los seres vivos, ya que algunas radiaciones (las de menor longitud de onda y mayor energía) producen efectos nocivos (mutaciones, cánceres de piel, daños oculares).

Protección en la Ionosfera

Las radiaciones electromagnéticas de onda corta (rayos X y rayos gamma) son absorbidas por los átomos y moléculas de nitrógeno y oxígeno presentes en la termosfera (ionosfera). Esta absorción provoca la ionización de estos gases (pérdida de electrones) y un notable aumento de la temperatura en esta capa. Si dichas radiaciones llegaran a la superficie terrestre, actuarían como agentes mutagénicos muy potentes, rompiendo moléculas esenciales para la vida. Las capas ionizadas poseen, además, la propiedad de reflejar ciertas ondas de radio, lo que permite las comunicaciones a larga distancia en la Tierra.

Protección en la Ozonosfera

La mayor parte del ozono atmosférico (O₃) se encuentra en la estratosfera, principalmente entre los 15 y 35 km de altitud, formando la llamada capa de ozono u ozonosfera (con máxima concentración alrededor de los 25 km). El ozono es una molécula triatómica (O₃), una forma alotrópica del oxígeno, gaseosa y de olor picante característico. El ozono estratosférico es fundamental porque absorbe la mayor parte de la radiación ultravioleta (UV) biológicamente dañina procedente del Sol (especialmente UV-B y UV-C). Este proceso de absorción implica la formación y destrucción continua de moléculas de ozono, liberando calor y contribuyendo así al aumento de la temperatura en la estratosfera.