10 Ago
TEMA 2. ATMÓSFERA Y CLIMA
1. Origen y composición de la protoatmósfera
El experimento de Miller (1953) demostró, reproduciendo las condiciones de una protoatmósfera reductora, que en ella se formaban espontáneamente moléculas orgánicas. La atmósfera tuvo un origen magmático, y que su composición (CO2, N2, H2, H2O,…) se corresponde con los gases que en la actualidad emiten los volcanes. Esta hipótesis se sustenta en que:
• La composición de las rocas volcánicas antiguas es la misma que la de las actuales, lo cual hace pensar que los gases expulsados por los volcanes también serían los mismos que en la actualidad.
• Venus y Marte son dos planetas muy similares a la Tierra, y sus atmósferas están compuestas de CO2.
• Una protoatmósfera reductora no es indispensable para explicar el origen de la vida.
El oxígeno libre en la atmósfera forma la capa de ozono en la estratosfera. El ozono protege la superficie de la radiación.
2. Estructura y composición de la atmósfera actual
La atmósfera es una mezcla de gases unida gravitacionalmente a la Tierra. Está compuesta por nitrógeno y oxígeno, con pequeñas cantidades de argón, dióxido de carbono , vapor de agua, neón , helio, kriptón, hidrógeno ,ozono y metano, entre otros.
Su máxima densidad está a nivel del mar, y disminuye rápidamente con la altitud.
2.1 Homosfera
Es una zona de composición uniforme que llega hasta los 80 km. Y cuya composición es de nitrógeno,
oxigeno, argón, dióxido de carbono y agua. El dióxido de carbono es un gas poco abundante pero muy importante en la atmósfera puesto que absorbe la radiación infrarroja proveniente del sol o reflejada por la superficie terrestre, lo cual aumenta la temperatura de las capas bajas de la atmósfera. Esto es lo que llamamos el efecto invernadero.
Dividimos la atmósfera en tres capas en función de la variación de temperatura:
• Troposfera (0-12 km): En ella se encuentran la mayor parte del vapor de agua y el CO2
que producen los fenómenos atmosféricos y el efecto invernadero. Existe un gradiente vertical de
temperatura (GVT), según el cual la temperatura disminuye cada 100 m.
• Estratosfera (12-50 km): la temperatura se mantiene constante pero debido a la energía absorbida por la capa de ozono aumenta luego rápidamente.
• Mesosfera (50-80 km): La temperatura disminuye.. En esta capa se observan las
estrellas fugaces. La abundancia de vapores de sodio hace que algunos autores la llaman biosfera.
2.2 Heterosfera
En esta capa existe una estructura estratificada, con los diferentes gases ordenados por masa atómica
(Nitrógeno-Oxígeno atómico-Helio-Hidrógeno).
La zona inferior de la heterosfera se llama atmósfera, y en ella la temperatura aumenta rápidamente. Sin embargo, la densidad del aire a esta altitud es tan baja que a pesar de lo elevado de la temperatura la cantidad de energía es muy pequeña.
La ionosfera es una capa de la heterosfera. En esta capa, las moléculas de nitrógeno y oxígeno absorben los rayos gamma provenientes del sol, lo cual provoca su ionización. La parte inferior de la ionosfera tiene la particular propiedad de reflejar muchas de las ondas de radio.
2.3 Magnetosfera
No forma parte de la atmósfera, sino que es la regíón que abarca el campo magnético de la Tierra.
Es muy asimétrica, debido a la acción del viento solar, que la aplasta en el lado que apunta hacia el sol,
mientras que las líneas de fuerza se alarga en el lado opuesto.
Los cinturones de radiación de Van Allén son zonas en las que quedan atrapados protones y electrones
emitidos por el sol. Estas partículas son dirigidas hacia los polos, y al chocar con la ionosfera forman las
auroras boreales y australes. Existen dos cinturones, uno interior y otro exterior, de manera que al superficie delimitada por ellos tiene la forma de un toroide.
3. Funciones de la atmósfera
La atmósfera actúa como un filtro protector de las radiaciones, absorbiendo la radiación de onda corta, rayos gamma y rayos X en la ionosfera y la radiación ultravioleta (UVB) en la capa de ozono.
La cantidad de media de energía que recibe la Tierra se denomina constante solar.
El efecto invernadero consiste en que las radiaciones de onda larga (infrarrojas) que emite la superficie de la Tierra al recibir energía del sol son absorbidas por algunos de los gases presentes en la atmósfera (principalmente el CO2 y el vapor de agua). Esto impide que sean emitidos y se pierdan en el espacio, lo cual hace que la temperatura de la superficie de la Tierra sea algo mayor de lo que debería ser atendiendo solo a su distancia al Sol.
4. Dinámica de la atmósfera
La atmósfera es una capa fluida y, por tanto, en continuo movimiento y cambio.
4.1. Presión atmosférica
La presión atmosférica es el peso que ejerce la columna de aire sobre la superficie de la Tierra.
El motivo por el cual no notamos esta presión es que todos los fluidos y el aire contenidos en nuestro cuerpo y en los recipientes se encuentra a la misma presión, por lo que la presión externa e interna se anulan. Las zonas en las que la presión ejercida por la atmósfera es más elevada se denominan anticiclones, mientras que las zonas de bajas presiones se llaman ciclones o borrascas. Las isobaras son líneas que unen puntos de igual presión equivalente a nivel del mar.
Los movimientos horizontales del aire se producen siguiendo aproximadamente las isobaras, debido a las diferencias de presión: el aire circula desde las zonas a elevadas presiones a las de bajas presiones. Las isobaras muy juntas nos indican grandes diferencias de presión y, por tanto, fuertes vientos.
Los movimientos verticales del aire se origina por las diferencias de temperatura. El aire caliente (menos
denso) asciende y el aire frío (denso) baja.
ANTICICLÓN ; Los anticiclones se forman cuando masas de aire frío en altura tienden a descender, elevando la presión.Los anticiclones se asocian a situaciones estables y bajas precipitaciones
BORRASCA : Las masas de aire caliente a nivel del suelo que tienden a subir forman las borrascas. Las borrascas suelen provocar nubosidad y precipitaciones.
4.2 Circulación atmosférica global
La radiación del sol llega de forma desigual a la superficie del planeta, calentando más en la zona ecuatorial y menos en la zona polar.
La Tierra gira sobre su eje, y esta rotación se produce a una velocidad mayor en el ecuador que en los polos. Esto produce el llamado efecto Coriolis, que consiste en que cualquier fluido que se desplace de los polos hacia el ecuador se va encontrando con una velocidad de rotación mayor, lo cual hace que se retrase con respecto a la rotación terrestre y se desvía hacia el Oeste.
La distribución de los continentes y la presencia de cordilleras altera la circulación de los vientos y hace que se formen tres células convectivas en cada hemisferio. En la zona ecuatorial se producen elevaciones de aire cálido (borrascas). En la zona polar se produce una bajada de aire frío (anticiclón).
La zona donde se encuentran los vientos fríos polares con las masas cálidas que suben desde el sur se denominan frentes polares, y son zonas de gran inestabilidad.
Por el contrario, en el ecuador se encuentran los vientos alisios de ambos hemisferios, lo cual da lugar a una zona de calma llamada zona de convergencia intertropical (ZCIT).
4.3. Humedad atmosférica
La humedad atmosférica es la cantidad de vapor de agua que contiene. Se puede expresar de dos maneras:
• Humedad absoluta: Es la cantidad de vapor de agua, que hay en un volumen determinado de aire. El aire puede contener mayor cantidad de vapor de agua cuanto mayor es su temperatura. Si la temperatura desciende y se alcanza el llamado punto de rocío, el agua comienza a condensarse.
• Humedad relativa: Es el porcentaje de agua que hay en un volumen determinado de aire en relación con la máxima cantidad posible. Una humedad relativa del 100% corresponde con el punto de rocío.
4.4. Nubosidad y precipitación
Un gradiente vertical es la diferencia de temperatura entre dos puntos situados a diferente altitud. Existen diferentes tipos de gradientes:
Gradiente vertical de temperatura (GVT). Representa la variación de temperatura que existe en la troposfera. Es estático, es decir, la temperatura es menor a mayor altitud.
En algunas ocasiones se puede producir una inversión térmica (GVT<0), estando las capas altas de la atmósfera más calientes que las bajas.
Gradiente adiabático seco (GAS). Hablamos de una masa de aire en movimiento vertical, que asciende por ser menos densa que el aire que la rodea. Cuando una masa de aire se eleva, su temperatura disminuye adiabáticamente (sin pérdida de calor) debido a la disminución de la presión a razón.
Gradiente adiabático saturado o húmedo (GAH). En el momento en el que se alcanza el punto de rocío, el agua se condensa y se forma una nube. Esta condensación del agua libera el calor latente que absorbíó al evaporarse.
Gradiente vertical de temperatura del punto de rocío. El punto de rocío disminuye con la altitud, ya que una masa de aire es capaz de contener, a menor presión, una mayor cantidad de vapor de agua.
Las causas de las precipitaciones.
Las precipitaciones se deben a ascensos de masas de aire, y esto puede suceder por diferentes causas.
Las precipitaciones pueden ser causadas por convección. Una masa de aire cálido más ligero que el aire circundante tenderá a subir y a enfriarse adiabáticamente hasta que su temperatura y la del aire circundante se equilibren. Durante el ascenso esta masa de aire alcance el punto de rocío.
Si el gradiente vertical de temperatura no es muy grande (GAS>GVT), y una masa de aire en ascenso alcanzará pronto la temperatura del aire circundante, antes de alcanzar la temperatura del punto de rocío.
Si la diferencia de temperatura es muy grande (GVT>GAS), una masa de aire en ascenso se enfría adiabáticamente, pero el aire circundante estará más frío todavía, por lo que continuará el ascenso. El ascenso de la masa de aire creará un vacío en la superficie que provocará un descenso de presión o borrasca
.
Las precipitaciones pueden ser causadas por la orografía. Según el llamado efecto Foehn, cuando una masa de aire que se mueve horizontalmente se encuentra con un obstáculo que la obliga a elevarse, disminuye su temperatura (GAS) y alcanzará su punto de rocío, dejando caer en forma de precipitaciones en el lado de barlovento el vapor de agua que conténía. Al llegar esta masa de aire al lado de sotavento se habrá convertido en una masa de aire seco.
Las precipitaciones pueden ser causadas por un choque de frentes.
• Un frente frío invade la zona ocupada por un frente cálido y lo desplaza hacia arriba.
• Un frente cálido llega a una zona ocupada por un frente frío y lo remonta.
• Un frente ocluido es un frente cálido que es barrido por un frente frío más rápido y pierde el contacto con el suelo.
Las precipitaciones pueden ser causadas por convergencia. Cuando convergen dos masas de aire muy húmedo puede producirse una sobresaturación, que producirá precipitaciones.
5. El clima
El clima es la sucesión de fenómenos meteorológicos que tienen lugar en una determinada regíón a lo largo del tiempo.
Los factores climáticos son las carácterísticas de la regíón que modifican los parámetros que definen el clima, como son: temperatura, presión atmosférica, humedad, vientos predominantes, nubosidad, precipitaciones,…
Algunos factores climáticos son:
• Latitud. Sabemos que en función de su latitud, un determinado punto de la Tierra recibe una mayor o menor cantidad de energía del Sol. Además, debido a la latitud, se puede estar cerca de uno de los cinturones de altas y bajas presiones.
• Altitud. La temperatura disminuye en altitud, y las regiones elevadas serán más frías.
• Continentalidad. Una mayor continentalidad será una lejanía de los océanos. Esto provocará una menor cantidad de precipitaciones, al encontrarse lejos de la fuente de vapor de agua que es la evaporación de los océanos, y unas temperaturas más extremas, ya que el agua de los océanos actúa, debido a su elevado calor específico, como un sistema amortiguador de las oscilaciones térmicas.
• Orientación. Dependiendo de la orientación, un océano contiguo puede afectar más o menos el clima de una regíón. Las cadenas montañosas también pueden, en función de su orientación, provocar que en sus dos vertientes los climas sean completamente diferentes.
5.1. El clima en latitudes medias
Un frente es la superficie de separación de dos masas de aire con carácterísticas distintas. En el caso del frente polar esta separación es entre los vientos de levante provenientes del anticiclón polar y los vientos del oeste, húmedos y cálidos provenientes de los anticiclones subtropicales.La corriente del chorro polar es “un velocísimo rio de viento que rodea la Tierra, como una serpiente que se muerde la cola, a altitudes de la tropopausa. Su sentido es de oeste a este”.Esta corriente se forma cuando los vientos cálidos ascienden en dirección noreste (debido al efecto coriolis) y se encuentran con el frente polar. Al tratarse de una masa de aire cálida más ligera, se forma una corriente ascendente que llega hasta la tropopausa y forman entonces una corriente en chorro que gira alrededor de la Tierra.
Efectos del frente polar y la corriente del chorro polar sobre el clima de las latitudes medias.
Durante el verano, las borrascas subpolares se retiran hacia el norte, y el chorro polar forma un círculo aproximadamente a 60º de latitud norte.El resto del año la corriente del chorro polar no es circular, sino que serpentea y se deforma empujada por los westerlies y los vientos fríos polares.Cuando las ondulaciones de la corriente del chorro polar se intensifican, puede suceder que una masa de aire frío se escinde hacia el sur. De este modo tenemos una masa de aire frío y denso a una gran altitud, circulando sobre una masa de aire cálido. Cuando la masa de aire frío se hunde, provoca la subida en espiral de una masa de aire cálido, formando una nube de desarrollo vertical y gran cantidad de precipitaciones. Este fenómeno se conoce como depresión aislada de niveles alto o como gota fría.En España, la aparición de la gota fría es una bolsa de aire frío en altitud y una borrasca con su centro sobre el Mediterráneo y que puede provocar un temporal de agua y nieve sobre baleares, el norte, centro , y este de la península.
5.2. Los dominios climáticos de España
· Dominio climático oceánico : Corresponde al litoral cantábrico y atlántico, y se encuentra bajo la influencia del frente polar. Los inviernos son suaves, y los veranos frescos. Es la zona de España con una mayor y más regular cantidad de precipitaciones.
· Dominio climático mediterráneo: Al llegar a la franja litoral, y debido a los obstáculos orográficos, el frente polar está muy debilitado. Las precipitaciones, escasas excepto en el extremo norte, son de tipo convectivo y aparecen principalmente en otoño. El verano se caracteriza por una acusada sequía. La cercanía del Mediterráneo suaviza las temperaturas, por lo que la oscilación térmica entre el invierno y el verano suele ser pequeña. Es un clima de zonas con una acidez elevada, sobre todo hacia el sur.
· Dominio climático interior: Las cordilleras periféricas actúan como barrera, por lo que la influencia del mar no llega al centro de la península, en esta zona los veranos son muy cálidos y los inviernos muy fríos. En invierno es frecuente la entrada de masas de aire oceánico, que provocan fuertes precipitaciones. Existe una influencia atlántica (con inviernos más lluviosos) y las que tienen un mayor grado de continentalidad (con inviernos más secos).
· Dominio climático de montaña: En las zonas de montaña las precipitaciones son de tipo orográfico, muchas veces en forma de nieve. La temperatura es baja pero muy variable, ya que depende de la altitud y la orientación.
· Dominio climático insular canario: Enorme diferencia de latitud con respecto a la península. Se encuentra bajo la influencia de los vientos alisios y los anticiclones subtropicales, lo cual crea una situación permanente primavera, con temperaturas altas y pocas precipitaciones.
5.3. Situaciones climáticas
Huracanes
Los huracanes, tifones y ciclones son depresiones de gran tamaño que suele formarse la zona del ZCIT. Se forman sobre el mar, donde la elevada temperatura del agua provoca una intensa evaporación y convección. Esto hace que aparezcan conjuntos de nubes con un enorme desarrollo vertical, y depresiones, que atraen a las masas de aire circundantes.
Debido al efecto coriolis, estos conjuntos de nubes giran en una gran espiral en sentido contrario a las agujas del reloj en torno a una zona central en relativa calma llamada ojo del huracán. El aire caliente que asciende y gira en las zonas periféricas, desciende por este ojo del huracán tras enfriarse. Los huracanes provocan abundantes lluvias y fuertes vientos.
Tornados
Los tornados se forman a partir de una nube de tipo convectivo y gran desarrollo vertical. Por debajo de dicha nube se forma una corriente de aire que gira en forma de remolino provocando vientos de más de 400 km/h. Por debajo de la nube se forma un embudo carácterístico, con aspecto de nube, pero que se irá oscureciendo al arrastrar partículas de polvo.
La formación de los tornados se debe a un choque entre una masa de aire cálido y otra de aire frío. Esto provoca la aparición de una nube de desarrollo vertical en el interior de la cual se produce un movimiento vertical de gases: por un lado el aire cálido que subirá, y por otro el aire frío que desciende.
Monzones
Los monzones son vientos periódicos que se originan en las zonas tropicales y subtropicales de la Tierra. Los provoca el hecho de que el aire que está situado sobre las grandes masas de tierra, se calienta en verano más que el aire que se encuentra sobre el océano. Esto hace que se forme una corriente de aire húmedo desde el océano hacia el interior del continente, haciendo ascender la ZCIT y dando lugar a la estación de lluvias.
6. Grandes cambios climáticos en la historia de la tierra
La paleoclimatología es el estudio del clima de la Tierra a lo largo de su historia. Se utilizan unos indicadores para realizar este estudio:
· De clima cálido: Fauna y flora tropical, vertebrados de gran tamaño , formación de calizas y arrecifes de coral.
· De clima frío: coníferas, organismos típicos de climas fríos, sedimentos glaciares .
Existen en el clima de la Tierra una serie de ciclos, de diferente duración y debidos a diferentes causas. Uno de los ciclos más importantes es el ciclo glaciar, según el cual la Tierra sufre cada, aproximadamente, 200 millones de años un periodo de glaciación de unos 50 m.A de duración.
Dentro de las glaciaciones hay periodos más templados y otros más severos.
6.1. Las causas de los ciclos glaciares
El albedo es la relación entre la radiación reflejada por una superficie y la radiación recibida.
En el caso de la Tierra, el calor almacenado dentro del sistema (A) dependerá del calor recibido (G) y del calor que se emite al espacio(E). A=G-E
Por otro lado, el calor recibido del sol dependerá del calor emitido por el sol (Q), y del valor del albedo de la Tierra (a). G=Q(1-a)
El origen de los ciclos glaciares se puede explicar por la alteración de una o más de las anteriores variables.
Hipótesis solares
Disminución de la energía que la Tierra recibe el sol (G). Posibles cambios en la producción de energía del Sol, una mayor opacidad de la atmósfera debida al aumento del vulcanismo o la caída de meteoritos, o un aumento de la intensidad del campo magnético terrestre.
Hipótesis geológicas
Las hipótesis biológicas explican las glaciaciones por causas debidas a la dinámica de nuestro planeta. E//Disminución de la cantidad de CO2 en la atmósfera, y por tanto, del efecto invernadero.
También pueden haber alteraciones de la órbita de la Tierra que acentúan las estaciones:
· Variaciones del eje de inclinación: Con una mayor inclinación, más extremas serán las estaciones.
· Un aumento de la excentricidad de la órbita de la Tierra: Lo cual intensificará las estaciones en un extremo, y las suavizará en el otro.
· La procesión: Este movimiento de rotación del eje de la Tierra determina la posición de la órbita en la que sucede cada estación.
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