Atmósfera de la Tierra
Definición
La atmósfera de la Tierra es la capa de gases, comúnmente conocida como aire , que rodea al planeta Tierra y es retenida por la gravedad de la Tierra. La atmósfera de la Tierra protege la vida en la Tierra al crear presión permitiendo que exista agua líquida en la superficie de la Tierra, absorbiendo radiación solar ultravioleta, calentando la superficie mediante retención de calor (efecto invernadero) y reduciendo las temperaturas extremas entre el día y la noche (la temperatura diurna variación).
Por volumen, el aire seco contiene 78.09% de nitrógeno, 20.95% de oxígeno, 0.93% de argón, 0.04% de dióxido de carbono y pequeñas cantidades de otros gases. El aire también contiene una cantidad variable de vapor de agua, en promedio alrededor de 1% a nivel del mar, y 0.4% en toda la atmósfera. El contenido de aire y la presión atmosférica varían en las diferentes capas, y el aire adecuado para su uso en la fotosíntesis por plantas terrestres y la respiración de animales terrestres se encuentra solo en la troposfera terrestre y en atmósferas artificiales.
La atmósfera tiene una masa de aproximadamente 5,15 × 10 kg, tres cuartas partes de los cuales están dentro de unos 11 km (6,8 mi; 36,000 pies) de la superficie. La atmósfera se vuelve más delgada y delgada a medida que aumenta la altitud, sin un límite definido entre la atmósfera y el espacio exterior. La línea de Kármán, a 100 km (62 mi), o 1.57% del radio de la Tierra, se usa a menudo como el límite entre la atmósfera y el espacio exterior. Los efectos atmosféricos se hacen evidentes durante la reentrada atmosférica de naves espaciales a una altitud de alrededor de 120 km (75 millas). Varias capas se pueden distinguir en la atmósfera, en función de características tales como la temperatura y la composición.
El estudio de la atmósfera de la Tierra y sus procesos se llama ciencia atmosférica (aerología). Los primeros pioneros en el campo incluyen Léon Teisserenc de Bortand Richard Assmann.
Composición
Los tres componentes principales de la atmósfera de la Tierra son nitrógeno, oxígeno y argón. El vapor de agua representa aproximadamente el 0,25% de la atmósfera en masa. La concentración de vapor de agua (un gas de efecto invernadero) varía significativamente de alrededor de 10 ppm en volumen en las partes más frías de la atmósfera hasta un 5% en volumen en masas de aire caliente y húmedo, y las concentraciones de otros gases atmosféricos se citan normalmente en términos de aire seco (sin vapor de agua). Los gases restantes a menudo se denominan gases traza, entre los que se encuentran los gases de efecto invernadero, principalmente dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y ozono. El aire filtrado incluye trazas de muchos otros compuestos químicos. Muchas sustancias de origen natural pueden estar presentes en pequeñas cantidades estacionales y estacionalmente variables como aerosoles en una muestra de aire sin filtrar, incluyendo polvo de minerales y composición orgánica, polen y esporas, rocío de mar y cenizas volcánicas. Varios contaminantes industriales también pueden estar presentes en forma de gases o aerosoles, como cloro (elemental o en compuestos), compuestos de flúor y vapor de mercurio elemental. Compuestos de azufre como sulfuro de hidrógeno y dióxido de azufre (SO2 ) puede derivarse de fuentes naturales o de la contaminación del aire industrial.
| Gas | Volumen | ||
|---|---|---|---|
| Nombre | Fórmula | en ppmv | en% |
| Nitrógeno | N 2 | 780,840 | 78.084 |
| Oxígeno | O 2 | 209,460 | 20.946 |
| Argón | Arkansas | 9,340 | 0.9340 |
| Dióxido de carbono | CO 2 | 400 | 0.04 |
| Neón | Nordeste | 18.18 | 0.001818 |
| Helio | Él | 5.24 | 0.000524 |
| Metano | CH 4 | 1.79 | 0.000179 |
| No incluido en la atmósfera seca anterior: | |||
| Vapor de agua | H 2 O | 10-50,000 | 0.001% -5% |
| notas: la fracción de volumen es igual a la fracción molar para el gas ideal solamente, también vea el volumen (termodinámica) ppmv: partes por millón por volumen El vapor de agua es aproximadamente 0.25% en masa sobre la atmósfera completa El vapor de agua varía mucho a nivel local | |||
La concentración relativa de gases permanece constante hasta aproximadamente 10,000 m (33,000 pies).
Estructura de la atmósfera
Capas principales
En general, la presión del aire y la densidad disminuyen con la altitud en la atmósfera. Sin embargo, la temperatura tiene un perfil más complicado con la altitud, y puede permanecer relativamente constante o incluso aumentar con la altitud en algunas regiones (ver la sección de temperatura, más adelante). Debido a que el patrón general del perfil de temperatura / altitud es constante y medible por medio de sondeos de globo instrumentados, el comportamiento de la temperatura proporciona una medida útil para distinguir las capas atmosféricas. De esta manera, la atmósfera de la Tierra se puede dividir (llamada estratificación atmosférica) en cinco capas principales. Excluyendo la exosfera, la atmósfera tiene cuatro capas principales, que son la troposfera, la estratosfera, la mesosfera y la termosfera. De mayor a menor, las cinco capas principales son:
- Exosfera: 700 a 10,000 km (440 a 6,200 millas)
- Termosfera: 80 a 700 km (50 a 440 millas)
- Mesosfera: 50 a 80 km (31 a 50 millas)
- Estratosfera: 12 a 50 km (7 a 31 millas)
- Troposfera: 0 a 12 km (0 a 7 millas)
Exosfera
La exosfera es la capa más externa de la atmósfera de la Tierra (es decir, el límite superior de la atmósfera). Se extiende desde la exobase, que se encuentra en la parte superior de la termosfera a una altitud de aproximadamente 700 km sobre el nivel del mar, a unos 10.000 km (6,200 millas; 33,000,000 pies) donde se funde con el viento solar.
Esta capa está compuesta principalmente de densidades extremadamente bajas de hidrógeno, helio y varias moléculas más pesadas, incluyendo nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono más cerca de la exobase. Los átomos y las moléculas están tan separados que pueden viajar cientos de kilómetros sin colisionar entre sí. Por lo tanto, la exosfera ya no se comporta como un gas y las partículas escapan constantemente al espacio. Estas partículas que se mueven libremente siguen trayectorias balísticas y pueden migrar dentro y fuera de la magnetosfera o del viento solar.
La exosfera está ubicada muy por encima de la Tierra para que sea posible cualquier fenómeno meteorológico. Sin embargo, la aurora boreal y la aurora austral a veces ocurren en la parte inferior de la exosfera, donde se superponen a la termosfera. La exosfera contiene la mayoría de los satélites que orbitan alrededor de la Tierra.
Termosfera
La termosfera es la segunda capa más alta de la atmósfera de la Tierra. Se extiende desde la mesopausia (que lo separa de la mesosfera) a una altitud de aproximadamente 80 km (50 mi; 260,000 pies) hasta la termopausa en un rango de altitud de 500-1000 km (310-620 mi; 1,600,000-3,300,000 ft ) La altura de la termopausa varía considerablemente debido a los cambios en la actividad solar. Debido a que la termopausa se encuentra en el límite inferior de la exosfera, también se conoce como exobase. La parte inferior de la termosfera, de 80 a 550 kilómetros (50 a 342 millas) sobre la superficie de la Tierra, contiene la ionosfera.
La temperatura de la termosfera aumenta gradualmente con la altura. A diferencia de la estratosfera debajo de ella, en donde una inversión de temperatura se debe a la absorción de radiación por el ozono, la inversión en la termosfera ocurre debido a la extremadamente baja densidad de sus moléculas. La temperatura de esta capa puede elevarse hasta 1500 ° C (2700 ° F), aunque las moléculas de gas están tan separadas que su temperatura en el sentido habitual no es muy significativa. El aire está tan rarificado que una molécula individual (de oxígeno, por ejemplo) viaja un promedio de 1 kilómetro (0,62 millas; 3300 pies) entre colisiones con otras moléculas. Aunque la termosfera tiene una alta proporción de moléculas con alta energía, no estaría caliente para un humano en contacto directo, ya que su densidad es demasiado baja para conducir una cantidad significativa de energía hacia o desde la piel.
Esta capa está completamente despejada y libre de vapor de agua. Sin embargo, fenómenos no hidrometeorológicos como la aurora boreal y la aurora austral se ven ocasionalmente en la termosfera. La Estación Espacial Internacional orbita en esta capa, entre 350 y 420 km (220 y 260 millas).
Mesosfera
La mesosfera es la tercera capa más alta de la atmósfera de la Tierra, ocupando la región sobre la estratosfera y debajo de la termosfera. Se extiende desde la estrapaso a una altitud de aproximadamente 50 km (31 mi) a la mesoopausia a 80-85 km (50-53 mi; 260,000-280,000 ft) sobre el nivel del mar.
Las temperaturas caen con el aumento de la altitud a la mesopausia que marca la parte superior de esta capa media de la atmósfera. Es el lugar más frío de la Tierra y tiene una temperatura promedio de alrededor de -85 ° C (-120 ° F; 190 K).
Justo debajo de la mesopausia, el aire es tan frío que incluso el vapor de agua muy escaso en esta altitud se puede sublimar en nubes noctiluces mesosféricas polares. Estas son las nubes más altas en la atmósfera y pueden ser visibles a simple vista si la luz del sol se refleja en ellas una o dos horas después de la puesta del sol o un período de tiempo similar antes del amanecer. Son más fácilmente visibles cuando el Sol está alrededor de 4 a 16 grados bajo el horizonte. Las descargas inducidas por rayos conocidas como eventos luminosos transitorios (TLE) ocasionalmente se forman en la mesosfera por encima de las nubes de tormenta troposféricas. La mesosfera es también la capa donde la mayoría de los meteoros se queman al entrar en la atmósfera. Está demasiado elevado sobre la Tierra para que sea accesible para aviones y globos propulsados por aviones a reacción, y demasiado bajo para permitir naves espaciales orbitales.
Estratosfera
La estratosfera es la segunda capa más baja de la atmósfera de la Tierra. Se encuentra por encima de la troposfera y está separada de ella por la tropopausa. Esta capa se extiende desde la parte superior de la troposfera a aproximadamente 12 km (7,5 millas) de la superficie de la Tierra hasta la estratospausa a una altitud de aproximadamente 50 a 55 km (31 a 34 millas; 164,000 a 180,000 pies).
La presión atmosférica en la parte superior de la estratosfera es aproximadamente 1/1000 de la presión al nivel del mar. Contiene la capa de ozono, que es la parte de la atmósfera de la Tierra que contiene concentraciones relativamente altas de ese gas. La estratosfera define una capa en la que las temperaturas aumentan con el aumento de la altitud. Este aumento de la temperatura es causado por la absorción de la radiación de la radiación ultravioleta (UV) del Sol por la capa de ozono, que restringe la turbulencia y la mezcla. Aunque la temperatura puede ser de -60 ° C (-76 ° F, 210 K) en la tropopausa, la parte superior de la estratosfera está mucho más caliente y puede estar cerca de 0 ° C.
El perfil de temperatura estratosférico crea condiciones atmosféricas muy estables, por lo que la estratosfera carece de la turbulencia del aire que produce el clima y que prevalece en la troposfera. En consecuencia, la estratosfera está casi completamente libre de nubes y otras formas de clima. Sin embargo, ocasionalmente se ven nubes polares estratosféricas o nacaradas en la parte inferior de esta capa de la atmósfera donde el aire es más frío. La estratosfera es la capa más alta a la que se puede acceder en aviones a reacción.
Troposfera
La troposfera es la capa más baja de la atmósfera de la Tierra. Se extiende desde la superficie de la Tierra a una altura promedio de aproximadamente 12 km (7,5 millas; 39,000 pies), aunque esta altitud varía desde aproximadamente 9 km (5,6 millas; 30,000 pies) en los polos geográficos hasta 17 km (11 millas; 56,000 pies) en el Ecuador, con alguna variación debido al clima. La troposfera está delimitada por encima por la tropopausa, un límite marcado en la mayoría de los lugares por una inversión de temperatura (es decir, una capa de aire relativamente cálido por encima de uno más frío) y en otros por una zona que es isotérmica con la altura.
Aunque se producen variaciones, la temperatura generalmente disminuye con el aumento de la altitud en la troposfera porque la troposfera se calienta principalmente a través de la transferencia de energía desde la superficie. Por lo tanto, la parte más baja de la troposfera (es decir, la superficie de la Tierra) suele ser la sección más cálida de la troposfera. Esto promueve la mezcla vertical (de ahí el origen de su nombre en la palabra griega τρόπος, tropos , que significa "giro"). La troposfera contiene aproximadamente el 80% de la masa de la atmósfera de la Tierra. La troposfera es más densa que todas las capas atmosféricas que la recubren porque un peso atmosférico más grande se encuentra en la parte superior de la troposfera y hace que se comprima más severamente. El cincuenta por ciento de la masa total de la atmósfera se encuentra en los 5,6 km más bajos (3,5 millas; 18,000 pies) de la troposfera.
Casi todo el vapor de agua atmosférico o humedad se encuentra en la troposfera, por lo que es la capa donde tiene lugar la mayor parte del clima de la Tierra. Básicamente tiene todos los tipos de nubes nubladas asociadas al clima generadas por la circulación del viento activa, aunque las nubes de trueno cumulonimbus muy altas pueden penetrar la tropopausa desde abajo y subir a la parte inferior de la estratosfera. La actividad de aviación más convencional tiene lugar en la troposfera, y es la única capa a la que se puede acceder mediante un avión propulsado por hélice.
Otras capas
Dentro de las cinco capas principales que están determinadas en gran medida por la temperatura, varias capas secundarias se pueden distinguir por otras propiedades:
- La capa de ozono está contenida dentro de la estratosfera. En esta capa, las concentraciones de ozono son aproximadamente de 2 a 8 partes por millón, que es mucho más alta que en la atmósfera más baja, pero aún muy pequeña en comparación con los componentes principales de la atmósfera. Se encuentra principalmente en la porción inferior de la estratosfera desde aproximadamente 15-35 km (9.3-21.7 mi; 49,000-115,000 pies), aunque el espesor varía estacionalmente y geográficamente. Alrededor del 90% del ozono en la atmósfera de la Tierra está contenido en la estratosfera.
- La ionosfera es una región de la atmósfera ionizada por la radiación solar. Es responsable de auroras. Durante el día, se extiende de 50 a 1,000 km (31 a 621 millas, 160,000 a 3,280,000 pies) e incluye la mesosfera, la termosfera y partes de la exosfera. Sin embargo, la ionización en la mesosfera cesa en gran medida durante la noche, por lo que las auroras normalmente se ven solo en la termosfera y la exosfera inferior. La ionosfera forma el borde interno de la magnetosfera. Tiene importancia práctica porque influye, por ejemplo, en la propagación de la radio en la Tierra.
- La homósfera y la heterosfera se definen según si los gases atmosféricos están bien mezclados. La homosfera basada en la superficie incluye la troposfera, la estratosfera, la mesosfera y la parte más baja de la termosfera, donde la composición química de la atmósfera no depende del peso molecular porque los gases se mezclan por la turbulencia. Esta capa relativamente homogénea termina en la turbopausa encontrada a aproximadamente 100 km (62 mi), el mismo borde del espacio como aceptado por la FAI, que lo sitúa a unos 20 km (12 millas) de la mesopausa.
- Sobre esta altitud se encuentra la heterosfera, que incluye la exosfera y la mayor parte de la termosfera. Aquí, la composición química varía con la altitud. Esto se debe a que la distancia que las partículas pueden moverse sin colisionar entre sí es grande en comparación con el tamaño de los movimientos que causan la mezcla. Esto permite que los gases se estratifiquen por peso molecular, mientras que los más pesados, como el oxígeno y el nitrógeno, se presentan solo cerca del fondo de la heterosfera. La parte superior de la heterosfera está compuesta casi por completo de hidrógeno, el elemento más ligero.
- La capa límite planetaria es la parte de la troposfera más cercana a la superficie de la Tierra y directamente afectada por ella, principalmente a través de la difusión turbulenta. Durante el día, la capa límite planetaria suele estar bien mezclada, mientras que por la noche se estratifica de manera estable con una mezcla débil o intermitente. La profundidad de la capa límite planetaria varía desde tan solo unos 100 metros (330 pies) en noches claras y tranquilas hasta 3,000 m (9,800 pies) o más durante la tarde en regiones secas.
La temperatura promedio de la atmósfera en la superficie de la Tierra es de 14 ° C (57 ° F; 287 K) o 15 ° C (59 ° F; 288 K), dependiendo de la referencia.
Propiedades físicas
Presión y espesor
La presión atmosférica promedio a nivel del mar está definida por la Atmósfera Estándar Internacional como 101325 pascales (760.00 Torr; 14.6959 psi; 760.00 mmHg). Esto a veces se conoce como una unidad de atmósferas estándar (atm). La masa atmosférica total es 5.1480 × 10 kg (1.135 × 10 lb), alrededor de un 2,5% menos de lo que se deduciría de la presión media del nivel del mar y el área de la Tierra de 51007,2 megahectáreas, esta parte desplazada por el terreno montañoso de la Tierra. La presión atmosférica es el peso total del aire sobre el área de la unidad en el punto donde se mide la presión. Por lo tanto, la presión del aire varía según la ubicación y el clima.
Si toda la masa de la atmósfera tuviera una densidad uniforme desde el nivel del mar, terminaría abruptamente a una altitud de 8,50 km (27,900 pies). En realidad, disminuye exponencialmente con la altitud, disminuyendo a la mitad cada 5,6 km (18,000 pies) o por un factor de 1 cada cada 7,64 km (25,100 pies), la altura media de la escala de la atmósfera por debajo de 70 km (43,000; 230,000 pies) . Sin embargo, la atmósfera se modela con mayor precisión con una ecuación personalizada para cada capa que tiene en cuenta gradientes de temperatura, composición molecular, radiación solar y gravedad.
En resumen, la masa de la atmósfera de la Tierra se distribuye aproximadamente de la siguiente manera:
- 50% está por debajo de 5.6 km (18,000 pies).
- 90% está por debajo de 16 km (52,000 pies).
- 99.99997% está por debajo de 100 km (62 mi; 330,000 pies), la línea Kármán. Según una convención internacional, esto marca el comienzo del espacio donde los viajeros humanos son considerados astronautas.
En comparación, la cima del monte. Everest está a 8,848 m (29,029 pies); los aviones comerciales normalmente cruzan entre 10 y 13 km (33,000 y 43,000 pies) donde el aire más delgado mejora el ahorro de combustible; los globos meteorológicos alcanzan 30,4 km (100.000 pies) o más; y el vuelo X-15 más alto en 1963 alcanzó 108.0 km (354,300 pies).
Incluso por encima de la línea Kármán, todavía se producen efectos atmosféricos significativos, como las auroras. Los meteoros comienzan a brillar en esta región, aunque los más grandes pueden no incendiarse hasta que penetran más profundamente. Las diversas capas de la ionosfera de la Tierra, importantes para la propagación de la radio en ondas decamétricas, comienzan a menos de 100 km y se extienden más allá de 500 km. En comparación, la Estación Espacial Internacional y el Transbordador Espacial generalmente orbitan a 350-400 km, dentro de la capa F de la ionosfera, donde encuentran suficiente arrastre atmosférico para requerir reflujos cada pocos meses. Dependiendo de la actividad solar, los satélites pueden experimentar una resistencia atmosférica notable a altitudes de hasta 700-800 km.
Temperatura y velocidad del sonido
La división de la atmósfera en capas principalmente por referencia a la temperatura se discutió anteriormente. La temperatura disminuye con la altitud comenzando al nivel del mar, pero las variaciones en esta tendencia comienzan por encima de los 11 km, donde la temperatura se estabiliza a través de una gran distancia vertical a través del resto de la troposfera. En la estratosfera, comenzando por encima de unos 20 km, la temperatura aumenta con la altura, debido al calentamiento dentro de la capa de ozono causado por la captura de radiación ultravioleta significativa del Sol por el dioxígeno y el gas ozono en esta región. Todavía otra región de aumento de la temperatura con la altitud se produce a altitudes muy elevadas, en la termosfera acertadamente nombrada a más de 90 km.
Debido a que en un gas ideal de composición constante, la velocidad del sonido depende únicamente de la temperatura y no de la presión o densidad del gas, la velocidad del sonido en la atmósfera con la altitud adquiere la forma del perfil de temperatura complicado (ver ilustración a la derecha) y no refleja los cambios altitudinales en densidad o presión.
Densidad y masa
La densidad del aire a nivel del mar es de aproximadamente 1.2 kg / m (1.2 g / L, 0.0012 g / cm). La densidad no se mide directamente, pero se calcula a partir de mediciones de temperatura, presión y humedad utilizando la ecuación de estado para el aire (una forma de la ley de los gases ideales). La densidad atmosférica disminuye a medida que aumenta la altitud. Esta variación se puede modelar aproximadamente utilizando la fórmula barométrica. Se usan modelos más sofisticados para predecir la desintegración orbital de los satélites.
La masa promedio de la atmósfera es de aproximadamente 5 cuatrillones (5 × 10) toneladas o 1 / 1,200,000 la masa de la Tierra. Según el Centro Nacional Americano de Investigación Atmosférica, "la masa media total de la atmósfera es 5.1480 × 10 kg con un rango anual debido al vapor de agua de 1.2 o 1.5 × 10 kg, dependiendo de si se usan datos de presión superficial o vapor de agua algo más pequeña que la estimación anterior. La masa media de vapor de agua se estima en 1.27 × 10 kg y la masa de aire seco en 5.1352 ± 0.0003 × 10 kg ".
Propiedades ópticas
La radiación solar (o luz solar) es la energía que recibe la Tierra del sol. La Tierra también emite radiación hacia el espacio, pero a longitudes de onda más largas que no podemos ver. Parte de la radiación entrante y emitida es absorbida o reflejada por la atmósfera. En mayo de 2017, se descubrió que los reflejos de luz de los cristales de hielo en la atmósfera reflejaban destellos de luz, que se veían centellear desde un satélite en órbita a un millón de millas de distancia.
Dispersión
Cuando la luz pasa a través de la atmósfera de la Tierra, los fotones interactúan con ella a través de la dispersión . Si la luz no interactúa con la atmósfera, se llama radiación directa y es lo que verá si mirara directamente al Sol. Radiación indirecta es luz que se ha dispersado en la atmósfera. Por ejemplo, en un día nublado cuando no puedes ver tu sombra no hay radiación directa que te llegue, todo se ha dispersado. Como otro ejemplo, debido a un fenómeno llamado dispersión de Rayleigh, las longitudes de onda más cortas (azules) se dispersan más fácilmente que las longitudes de onda más largas (rojas). Es por eso que el cielo se ve azul; estás viendo luz azul dispersa. Esta es también la razón por la cual los atardeceres son rojos. Debido a que el Sol está cerca del horizonte, los rayos del Sol pasan a través de más atmósfera de la normal para llegar a su ojo. Gran parte de la luz azul se ha dispersado, dejando la luz roja en una puesta de sol.
Absorción
Diferentes moléculas absorben diferentes longitudes de onda de radiación. Por ejemplo, O 2 y O 3 absorben casi todas las longitudes de onda más cortas que 300 nanómetros. El agua (H 2O) absorbe muchas longitudes de onda por encima de 700 nm. Cuando una molécula absorbe un fotón, aumenta la energía de la molécula. Esto calienta la atmósfera, pero la atmósfera también se enfría al emitir radiación, como se explica a continuación.
Los espectros de absorción combinados de los gases en la atmósfera dejan "ventanas" de baja opacidad, permitiendo la transmisión de solo ciertas bandas de luz. La ventana óptica se extiende desde alrededor de 300 nm (ultravioleta-C) hasta el rango que los humanos pueden ver, el espectro visible (comúnmente llamado luz), a aproximadamente 400-700 nm y continúa al infrarrojo a alrededor de 1100 nm. También hay ventanas de infrarrojos y de radio que transmiten algunas ondas infrarrojas y de radio a longitudes de onda más largas. Por ejemplo, la ventana de la radio va de aproximadamente un centímetro a ondas de aproximadamente once metros.
Emisión
La emisión es lo opuesto a la absorción, es cuando un objeto emite radiación. Los objetos tienden a emitir cantidades y longitudes de onda de radiación dependiendo de sus curvas de emisión de "cuerpo negro", por lo tanto, los objetos más calientes tienden a emitir más radiación, con longitudes de onda más cortas. Los objetos más fríos emiten menos radiación, con longitudes de onda más largas. Por ejemplo, el Sol tiene aproximadamente 6.000 K (5.730 ° C; 10.340 ° F), su radiación alcanza un máximo de 500 nm y es visible para el ojo humano. La Tierra tiene aproximadamente 290 K (17 ° C; 62 ° F), por lo que su radiación alcanza un máximo cercano a las 10,000 nm, y es demasiado larga para ser visible para los humanos.
Debido a su temperatura, la atmósfera emite radiación infrarroja. Por ejemplo, en noches claras la superficie de la Tierra se enfría más rápido que en noches nubladas. Esto se debe a que las nubes (H 2 O) son fuertes absorbedores y emisores de radiación infrarroja. Esta es también la razón por la cual se vuelve más fría por la noche en las elevaciones más altas.
El efecto invernadero está directamente relacionado con este efecto de absorción y emisión. Algunos gases en la atmósfera absorben y emiten radiación infrarroja, pero no interactúan con la luz solar en el espectro visible. Ejemplos comunes de estos son CO 2 y H 2 O.
Índice de refracción
El índice de refracción del aire es cercano, pero apenas superior a 1. Las variaciones sistemáticas en el índice de refracción pueden conducir a la flexión de los rayos de luz en recorridos ópticos largos. Un ejemplo es que, en algunas circunstancias, los observadores a bordo de barcos pueden ver otras embarcaciones justo sobre el horizonte porque la luz se refracta en la misma dirección que la curvatura de la superficie de la Tierra.
El índice de refracción del aire depende de la temperatura, dando lugar a efectos de refracción cuando el gradiente de temperatura es grande. Un ejemplo de tales efectos es el espejismo.
Circulación
La circulación atmosférica es el movimiento de aire a gran escala a través de la troposfera, y los medios (con circulación oceánica) por los cuales se distribuye el calor alrededor de la Tierra. La estructura a gran escala de la circulación atmosférica varía de un año a otro, pero la estructura básica permanece bastante constante porque está determinada por la velocidad de rotación de la Tierra y la diferencia en la radiación solar entre el ecuador y los polos.
Evolución de la atmósfera de la Tierra
La atmósfera más temprana
La primera atmósfera consistía en gases en la nebulosa solar, principalmente hidrógeno. Probablemente hubo hidruros simples como los que ahora se encuentran en los gigantes gaseosos (Júpiter y Saturno), especialmente el vapor de agua, el metano y el amoniaco.
Segunda atmósfera
La desgasificación del vulcanismo, complementada por gases producidos durante el último bombardeo pesado de la Tierra por enormes asteroides, produjo la siguiente atmósfera, que consistía principalmente de nitrógeno más dióxido de carbono y gases inertes. Una gran parte de las emisiones de dióxido de carbono se disolvieron en el agua y reaccionaron con metales como el calcio y el magnesio durante la erosión de las rocas de la corteza para formar carbonatos que se depositaron como sedimentos. Se han encontrado sedimentos relacionados con el agua que datan de hace 3.800 millones de años.
Hace unos 3.4 billones de años, el nitrógeno formó la mayor parte de la "segunda atmósfera" entonces estable. La influencia de la vida debe tenerse en cuenta bastante pronto en la historia de la atmósfera, ya que las primeras formas de vida aparecen desde hace 3.500 millones de años. Cómo la Tierra en ese momento mantuvo un clima lo suficientemente cálido para el agua líquida y la vida, si el Sol temprano emitía un 30% menos de radiación solar que hoy, es un rompecabezas conocido como la "débil paradoja del Sol joven".
Sin embargo, el registro geológico muestra una superficie continua relativamente cálida durante el registro completo de temperatura de la Tierra, con la excepción de una fase glacial fría hace unos 2.400 millones de años. A fines del Eón Arqueológico, comenzó a desarrollarse una atmósfera que contenía oxígeno, aparentemente producida por la fotosíntesis de cianobacterias (ver Evento de Gran Oxigenación), que se han encontrado como fósiles de estromatolita de hace 2.700 millones de años. La isotopía básica temprana de carbono (proporciones de proporción de isótopos) sugiere fuertemente condiciones similares a la actual, y que las características fundamentales del ciclo del carbono se establecieron hace 4.000 millones de años.
Los antiguos sedimentos en el Gabón, que datan de hace unos 2.150 y 2.080 millones de años, proporcionan un registro de la dinámica evolución de la oxigenación de la Tierra. Estas fluctuaciones en la oxigenación probablemente se debieron a la excursión de isótopos de carbono de Lomagundi.
Tercera atmósfera
La constante reorganización de los continentes mediante la tectónica de placas influye en la evolución a largo plazo de la atmósfera mediante la transferencia de dióxido de carbono hacia y desde las grandes reservas continentales de carbonato. El oxígeno libre no existía en la atmósfera hasta hace unos 2.400 millones de años durante el Gran Acontecimiento de Oxigenación y su aparición está indicada por el final de las formaciones de hierro con bandas.
Antes de este tiempo, cualquier oxígeno producido por la fotosíntesis se consumía por oxidación de materiales reducidos, especialmente hierro. Las moléculas de oxígeno libre no comenzaron a acumularse en la atmósfera hasta que la velocidad de producción de oxígeno comenzó a exceder la disponibilidad de materiales reductores que eliminaban el oxígeno. Este punto significa un cambio de una atmósfera reductora a una atmósfera oxidante. O 2 mostró variaciones importantes hasta alcanzar un estado estable de más del 15% para el final del precámbrico. El siguiente lapso de tiempo, desde hace 541 millones de años hasta la actualidad, es el Eón Fanerozoico, durante el período más temprano del cual comenzaron a aparecer las formas de vida del metazoario que requieren oxígeno para el Cámbrico.
La cantidad de oxígeno en la atmósfera ha fluctuado en los últimos 600 millones de años, alcanzando un máximo de alrededor del 30% hace unos 280 millones de años, significativamente más alto que el 21% actual. Dos procesos principales gobiernan los cambios en la atmósfera: las plantas usan dióxido de carbono de la atmósfera, liberando oxígeno. La ruptura de la pirita y las erupciones volcánicas liberan azufre en la atmósfera, lo que oxida y, por lo tanto, reduce la cantidad de oxígeno en la atmósfera. Sin embargo, las erupciones volcánicas también liberan dióxido de carbono, que las plantas pueden convertir en oxígeno. La causa exacta de la variación de la cantidad de oxígeno en la atmósfera no se conoce. Los períodos con mucho oxígeno en la atmósfera están asociados con el rápido desarrollo de los animales. La atmósfera actual contiene 21% de oxígeno, que es lo suficientemente bueno para este rápido desarrollo de los animales.
La contaminación del aire
La contaminación del aire es la introducción en la atmósfera de sustancias químicas, partículas o materiales biológicos que causan daño o incomodidad a los organismos. El agotamiento del ozono estratosférico es causado por la contaminación del aire, principalmente de los clorofluorocarbonos y otras sustancias que agotan la capa de ozono.
El consenso científico es que los gases de efecto invernadero antropogénicos que se acumulan actualmente en la atmósfera son la causa principal del calentamiento global.
Imágenes del espacio
El 19 de octubre de 2015, la NASA inició un sitio web que contiene imágenes diarias del lado de la Tierra iluminado por completo en http://epic.gsfc.nasa.gov/. Las imágenes están tomadas del Observatorio Climático del Espacio Profundo (DSCOVR) y muestran a la Tierra girando durante un día.
La luz azul se dispersa más que otras longitudes de onda por los gases en la atmósfera, dando a la Tierra un halo azul cuando se ve desde el espacio.
Las tormentas geomagnéticas causan hermosas exhibiciones de auroras en la atmósfera.
Vista de miembros, de la atmósfera de la Tierra. Los colores denotan aproximadamente las capas de la atmósfera.
Esta imagen muestra la Luna en el centro, con la extremidad de la Tierra cerca de la parte inferior haciendo la transición a la troposfera de color naranja. La troposfera termina abruptamente en la tropopausa, que aparece en la imagen como el límite entre la atmósfera de color naranja y azul. Las nubes noctilucentes plateadas se extienden muy por encima de la troposfera terrestre.
La atmósfera de la Tierra retroiluminada por el Sol en un eclipse observado desde el espacio profundo en el Apollo 12 en 1969.