Composición, estructura y evolución de la atmósfera

¿cómo de alto es el cielo El espesor del cielo ¿cómo de alto es el cielo

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 kilómetros 100 / 6500 = 1.5%

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)

Escalas de tiempo Tiempo de renovación S F M: Masa de la substancia F: Flujo de masa

Principales gases atmosféricos

nitrógeno Fuentes: Sumideros: residuos agrícolas y ganaderos. erupciones volcánicas. Sumideros: plantas. vida marina. Tiempo medio de permanencia  100 millones de años.

oxígeno Fuentes: Sumideros: fotosíntesis. Sumideros: personas y animales. disuelto en el agua. descomposición de materia orgánica. reacciones químicas. Tiempo medio de permanencia en la atmósfera  3000 años.

Vapor de agua Muy variable en sus concentraciones (muy diferente sobre los desiertos y sobre los mares ecuatoriales). Fuentes: masas de agua. Sumideros: lluvia. nieve. Tiempo medio de permanencia  11 días.

CICLO DEL AGUA

Dióxido de carbono Fuentes: Sumideros: descomposición de plantas y humus. combustibles fósiles. Sumideros: fotosíntesis de las plantas. Disolución en el mar (cada vez más saturado). Tiempo medio de permanencia  4 años. Buen absorbente de radiación infrarroja emitida por la tierra y la atmósfera.

CICLO DEL CO2

Incremento del CO2

Medidas de CO2 en Izaña

Variaciones del CO2 en Vostok

El metano

Fuentes del Metano

Variación de la concentración de Metano (ppb)

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

Ozono:mecanismos de formación y destrucción Mecanismo Chapman 1. 2. 3. 4. O2 + O + M O3 + M O2 + UV O + O O3 + UV O + O2 O3 + O 2O2 Mecanismos catalítico X+ O3 XO + O2 XO + O X + O2 Neto O3 + O 2O2

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

Distribución en tamaños: 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 mm. 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 mm

Origen: Fuentes minerales Fuentes marítimas Fuentes primarias Otras fuentes Fuentes primarias

Fuentes secundarias Conversión gas/partícula

Efectos de los aeroles: Influencia en las nubes Pocos aerosoles Nubes “obscuras” muchos aerosoles Nubes “claras”

Efectos en las personas

La relación entre la presión atmosférica y la altitud La presión disminuye cuando se aumenta en altura. El cambio de presión no es constante. La presión dismi- nuye exponencialmente con la altura. 99.9% 99% 90%

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

Variación vertical en la composición de la atmósfera heterosfera: composición varía con la altura homosfera

Casos especiales: Ozono y vapor de agua Variación vertical de la concentración del vapor de agua Variación vertical de la concentración ozono

Estructura térmica de la atmósfera Variación vertical

Estructura térmica de la atmósfera Factores que influyen: 1. La conductividad molecular. Lograría una atmósfera isoterma. Proceso muy lento. 2. La radiación. Procesos de absorción y emisión a los que afecta: el flujo de energía incidente la transparencia relativa de las otras capas de la atmósfera los coeficientes de absorción y emisión el contenido en H2O y otros gases de efecto invernadero 3. La turbulencia y convección. Tienden a uniformar la temperatura potencial y establecer el gradiente adiabático.

Estructura en capas

troposfera Región más baja, por cima de la superficie terrestre. Gradiente vertical negativo de temperatura  6ºC / km Más ancha en el ecuador ( 18 km) que en los polos ( 8 km). El límite superior viene marcado por la tropopausa, zona de transición, que es poco espesa.

troposfera (II) Existe un gradiente horizontal de temperatura del ecuador a los polos. Contiene casi toda la masa de la atmósfera, los sistemas meteorológicos móviles y las nubes asociadas. Incluye la capa límite ( 1km) con los procesos turbulentos.

estratosfera En la parte inferior, la temperatura es casi constante con la altura, o crece lentamente. Se incrementa fuertemente en la parte superior hasta alcanzar un máximo en la estratopausa. Incluye la ozonosfera, con lo cual el calentamiento se debe a la absorción de radiación UV por el ozono. No hay movimientos verticales, por lo que las partículas que allí se inyectan tienen grandes tiempos de permanencia.

mesosfera La temperatura disminuye con la altura hasta alcanzar un mínimo en la mesopausa. El proceso de absorción se llama fotoionización. Se producen átomos y moléculas con carga positiva que constituyen la ionosfera.

Termosfera La temperatura crece con la altura. Las altas temperaturas se deben a la absorción de radiación UV de longitud de onda muy corta. También se da la fotoionización.

Estructura térmica y cinemática (Variación latitudinal)

DISTRIBUCION LATITUDINAL DE TEMPERATURA ENERO AGOSTO

Distribución latitudinal de temperatura y viento zonal ENERO JULIO

La circulación meridional

El campo de presiones

Distribución supeficial de la presion Verano Invierno

Variación latitudinal de la presion

Estructura eléctrica del sistema tierra-atmósfera

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

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.

Las partículas cargadas se componen de : Pequeños iones Grandes iones Electrones 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

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

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

La ionosfera

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.

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 los iones moleculares explica el brusco aumento de conductividad.

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 E la capa F1 experimenta una fluctuación diaria que la lleva a confundirse con la F2 durante la noche durante el día aparece además la capa D, a unos 60 Km

Algunos efectos de la variacion de la altura de la ionosfera

Evolución de la atmósfera

Historia de la formación de la Tierra

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 más pequeña que en el Universo: Ne/Si en la Tierra 10-10 de la misma razón en el Universo. La razón entre el Neón y el Nitrógeno (de pesos atómicos similares) en la Tierra es una millonésima de la existente en en Universo

Posible origen: Vulcanismo H2O, N2, CO2, CO, H2, Cl2 Aporte de elementos ligeros debido al intenso bombardeo inicial H2O - 68% CO2 - 13% N2 , N0x - 19%

La paradoja del sol débil

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, )

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 metanococus matanopyrus

Anoxygenic photosynthesis 2 CH2O  CH3COOH (acetate) Fermentation Las bacterias metanógenas han estado con nosotros desde hace muchos, muchos años… CO2 + 2 H2S (+ h)  CH2O +H2O + 2 S CO2 + 2 H2 (+ h)  CH2O + H2O Anoxygenic photosynthesis 2 CH2O  CH3COOH (acetate) Fermentation CH3COOH  CH4 + CO2 Acetotrophic methanogenesis

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

En una primera etapa la atmósfera fue anóxica Evidencias B.I.F

Mecanismo de formación del oxígeno en un atmósfera reducida Previsiones de un modelo propuesto por Kasting

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

Estromatolitos modernos

Nitrogen-fixing a) Chroococcus b) Oscillatoria c) Nostoc Cyano-bacterias a) Chroococcus b) Oscillatoria c) Nostoc (coccoid) (filamentous) (heterocystic) Nitrogen-fixing

evolución y cambios en la atmósfera y el clima

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