Una de las cosas más sorprendente en nuestro planeta y que cuesta entender al contemplar el océano desde la costa, es que ese enorme acumulo de agua es en realidad un charco de poca profundidad. El punto más profundo tiene 11 kilómetros, pero el promedio no pasa de 3.7 kilómetros.

El Océano Atlántico, por ejemplo, tiene 4.800 kilómetros de ancho y sólo una profundidad promedio de 3 kilómetros. Si lo miramos en una proporción comparativa con un charco de 5 metros de diámetro, para mantener la proporción, éste tendría una profundidad de no más de 5 milímetros. La delgadez de la zona en que existe la vida en la Tierra, también corre hacia arriba. Es así como la atmósfera de la Tierra (por lo menos en la zona respirable) no tiene más de 10 kilómetros de altura. Ya al subir al monte Everest, de 9 mil metros de altura, se hace muy difícil la respiración.

Algunos ecologistas han descrito gráficamente la zona de la Tierra en que es posible la vida, como "un delgado unto verde", que cubre su superficie en una extensión total de 13.000 kilómetros. En ella, la distancia más grande entre la mayor altura de la más alta montaña y la mayor profundidad en lo más hondo del mar, es sólo de 20 kilómetros, una distancia que en términos horizontales, nos demoraríamos en recorrerla en automóvil, menos de 20 minutos. Si la Tierra se redujera a la dimensión de un grano de uva, el delgado unto verde, tendría sólo 2 milímetros de grosor. Puestas las dimensiones en estos términos, podemos darnos cuenta, cuán delgado es el unto verde donde la vida es posible.

Con todo, los científicos que estudian la atmósfera desean extender el dominio de su campo de estudio a una distancia mayor e incluyen una vasta área dominada por la influencia de partículas que vienen del sol y que constituyen el llamado viento solar. Según este punto de vista, la atmósfera se extendería en el espacio hasta donde la Tierra tiene influencia por su campo magnético. Es decir, la región que interactúa con el viento solar, que en dirección del sol comprendería una extensión de 10 veces el radio de la Tierra, y en el sentido opuesto se extendería como una larga cola (fig.1).


Tendencias de la temperatura

Capas atmosféricas

Esta atmósfera está compuesta hoy en día, por un 75% de nitrógeno, un 23% de oxígeno molecular, 1% de vapor de agua y 1.3% de argon. A esto hay que agregar una serie de elementos trazas que en total corresponden al 0.1%: dióxido de carbono, neón, helio, metano, kriptón, monóxido de carbono y dióxido de azufre. Finalmente otros elementos, aun en menor proporción, también están presentes (0.0001%): hidrógeno molecular, óxido nitroso, ozono, xenón, dióxido de nitrógeno, radón y óxido nítrico. Esta composición actual de la atmósfera ha cambiado radicalmente si se compara con la atmósfera primitiva antes que comenzara el desarrollo de la vida.

La estructura más baja de la atmósfera está constituida por una serie de capas, denominándose "tropósfera" la más cercana a la Tierra, y "estratósfera" la inmediatamente superior. Esta última juega un papel fundamental en el tiempo y el clima y, al mismo tiempo, tiene la mayor y más directa influencia sobre la vida en la Tierra. Esta estructura estratificada puede diferenciarse al observar cómo varía la temperatura de la atmósfera en relación a la altura de ésta sobre la superficie del planeta (Fig.2). Hoy día los científicos extienden también la terminología que han usado para denominar estos estratos a la zona de la Tierra cubierta por hielos, llamada "criósfera", y a la cubierta por los océanos la denominan "hidrósfera".

La fuente de energía que calientaatmósfera proviene fundamentalmente del sol en forma de radiaciones electromagnéticas. La mayor parte de la energía solar es irradiada en la parte visible del espectro, entre 0.4 y 0.7 micrómetros (este es precisamente el rango del espectro que es visible para el ojo humano. Ello se debe a que nuestra vista ha evolucionado de acuerdo a lo disponible). Es esta la radiación solar que pasa a través de la atmósfera sin que sea absorbida y es la que calienta la superficie de la Tierra (figura 3). Una proporción mucho menor (7%) de la energía solar es irradiada a una longitud de onda más corta, bajo 0.4 micrómetros en el espectro ultravioleta.

Sin embargo, esta última es absorbida en la estratósfera por moléculas de oxígeno y ozono, y por lo tanto juega un papel muy secundario en el calentamiento de la superficie de la Tierra. Otra pequeña cantidad de la energía solar es irradiada a una longitud de onda mayor, sobre los 0.7 micrones, en el espectro infrarrojo. Algo de esto es absorbido en la atmósfera, pero juega un mínimo rol en mantener caliente el aire.

La atmósfera se calienta básicamente desde abajo, por el calor de la superficie de la Tierra. El proceso es debido a la conducción directa del calor desde la superficie calentada a la capa de gas que está inmediatamente sobre ella. Ello porque la superficie caliente de la Tierra radica en la parte infrarroja del espectro, que es absorbida por las moléculas de vapor de agua y dióxido de carbono que contiene la atmósfera. Esta radiación infrarroja hace que el aire se caliente. A su vez este aire irradia también hacia arriba siempre en el espectro infrarrojo. Parte de esta radiación vuelve a la superficie y la mantiene más caliente de lo que debiera estar. Esto es lo que se llama "Efecto Invernadero" (El efecto invernadero). El resto sube a la atmósfera, siendo absorbida y reirradiada sucesivamente, hasta que al final escapa al espacio (figura 4).

El calentamiento de la parte baja de la atmósfera produce convección, por la expansión del aire calentado, haciéndose menos denso que el aire enfriado que está por encima y, en consecuencia, sube. Este es un proceso clave en la determinación del tiempo y clima contribuyendo al proceso total de circulación de la atmósfera (La búsqueda de otros mundos). Pero el aire caliente no puede subir hasta el tope de la atmósfera porque es llevado hacia abajo al interior de la tropósfera por la presencia de aire caliente en la estratósfera superior. La estratósfera, que es esencialmente sinónimo de "la capa de ozono", es la región donde directamente se absorbe el calor solar como radiación ultravioleta. El ozono es una forma triatómica del oxígeno que es producido en la atmósfera por el efecto de las radiaciones ultravioleta sobre las moléculas de oxígeno normal diatómico. En ellas las radiaciones ultravioletas actúan partiéndolas y proveyendo así átomos de oxígeno libre que se pueden unir a otras moléculas diatómicas. El mismo ozono también absorbe radiaciones ultravioleta a una pequeña diferente longitud de onda. Ambos procesos extraen energía de la irradiación solar pasando a través de la atmósfera, y por lo tanto calentando la estratósfera. La estratósfera puede imaginarse como una tapa sobre la tropósfera, que empuja hacia abajo por convección, manteniendo el tiempo confinado entre las capas más bajas de la atmósfera; opera en este sentido porque la estratósfera es una capa de inversión: la temperatura aumenta con la altura y de esta forma no puede ocurrir la convección (fig. 2).

La temperatura promedio de la superficie de nuestro planeta es aproximadamente de 15 grados centígrados (lo que es unos 33 grados ºC más caliente de lo que debiera ser, si es que no existiese esta frazada envolvente de aire que la cubre). Al elevarse a través de la tropósfera, la temperatura inicialmente cae en forma progresiva de modo que, en la medida que aumenta la altura en un kilómetro, esta desciende en 6 ºC. Más adelante, cuando se alcanza una altura de 15 kilómetros, esta caída de la temperatura es más lenta, y llega a detenerse a los 20 kilómetros (fig. 2). Este punto es la frontera entre la tropósfera y la estratósfera y se conoce con el nombre de "tropopausa". La exacta altura de la tropopausa varía con la latitud, con las estaciones y también entre el día y la noche. La tropósfera contiene alrededor del 75% de la masa total de la atmósfera de la Tierra. En la tropopausa, la densidad de la atmósfera es sólo del 25% de la densidad que existe a nivel del mar.


Aire ionizado

Capas eléctricas

En la estratósfera, a una altitud entre 20 y 60 kilómetros, la temperatura aumenta desde un nivel de -60 ºC, hasta un máximo de 0 ºC en el tope (la estratopausa). En la estratopausa, la densidad de la atmósfera es sólo de 0.009% en relación a la atmósfera que existe a nivel del mar. En otras palabras, el 99.5% de la masa de la atmósfera yace por debajo de la estratopausa, y sólo el 0.5% de su masa se encuentra en altitudes superiores.

En el rango de altitud entre 50 y 80 kilómetros, otra capa que se va enfriando, "la mesófera", ocupa ahora la atmósfera que se va rápidamente adelgazando, y que alcanza las temperaturas atmosféricas más bajas, alrededor de -100 ºC en el tope de esta capa (la "mesopausa"). La densidad de la atmósfera en la mesopausa tiene sólo una densidad 0.0007% en relación a la densidad a la orilla del mar, pero sin embargo está sujeta relativamente a grandes variaciones debido a los cambios de la actividad solar. Desde ahí, más al exterior, las temperaturas aumentan en las últimas capas térmicas y se describe otra capa de inversión, llamada "termósfera". Como en la estratósfera, en esta región la energía (ahora en la forma tanto de radiaciones ultravioleta y radiaciones X) es absorbida directamente desde el sol, pero ahora tan efectivamente, que los átomos están parcialmente ionizados, con electrones que han sido expulsado de ellos, dejando tras así iones cargados positivamente.

Una forma muy útil de describir la atmósfera alta es en relación al grado en que los átomos se han ionizado. Toda la región se llama "ionósfera", diferenciando en ella distintas capas en relación a sus diferentes grados de ionización. A una altitud de 400 kilómetros, la atmósfera ha llegado a ser tan tenue que la colisión entre sus moléculas componentes (átomos e iones) llegan a ser tan raras que ya no se puede hablar de un gas continuo, de modo que a esa altura el concepto de la temperatura ya no tiene sentido. En esta región, las partículas individuales pueden escapar al espacio. Por eso a esta zona se le denomina como "exósfera".

Algo de ionización ya se produce a una altura de 50 kilómetros, al tope de la estratósfera, y cualquier cosa sobre una altitud de 50 a 400 kilómetros, se le llama "ionósfera". La presencia de partículas ionizadas en esta región fue por primera vez sospechada por Guglielmo Marconi, cuando demostró que las ondas de radio se podían transmitir "a la vuelta de la esquina" de la esfera de la Tierra; las ondas de radio viajan en línea recta y la transmisión de señales a largas distancias alrededor del mundo (sin la ayuda de satélites) es posible porque las capas ionizadas reflejan hacia la Tierra las transmisiones de radio a longitudes de ondas más largas de 15 metros aproximadamente.

La capa más baja de la ionósfera se llama la Capa-D, que tiene una baja concentración de electrones libres y sólo refleja ondas de radio de longitud larga. Esta capa está a una altitud que varía entre los 50 y 90 kilómetros. La próxima capa es la denominada Capa Heaviside, o como también se llama la capa Heaviside-Kennelly. Ello porque su existencia fue prevista tanto por el físico inglés Oliver Heaviside, como también simultánea e independientemente por el ingeniero nacido en la India, Arthur Kennelly. Esta capa es más fuertemente ionizada que la Capa-D y refleja longitudes de radio de onda media. La Capa-F, que corresponde a una latitud entre 150 y 400 kilómetros, también se conoce como la Capa Appleton, ya que fue descubierta por el físico británico Edward Appleton. Ella corresponde a la región más fuertemente ionizada de la ionósfera, y por lo tanto la más útil para las comunicaciones radiales. La Capa-E, se diferencia de la Capa-F no sólo por el escaso grado de ionización, sino también por su variabilidad. Su escasa ionización casi desaparece en la noche, y ésta es la razón de por qué es posible captar en la noche diferentes rangos de estaciones de radio AM.

Las radiaciones electromagnéticas que se encuentran entre 8 milímetros y 15 metros no se reflejan en absoluto por la ionósfera y, por el contrario, escapan al espacio. Es por esto que las capas ionizadas no se pueden usar para que reboten alrededor de la Tierra las altas frecuencias de las radios FM o las señales de televisión, y estas señales pueden sólo recibirse si el receptor está en la línea de vista del transmisor. Con todo, en ocasiones cuando existen condiciones especiales en la atmósfera, se produce un fenómeno particular conocido como canalización (ducting), que está asociado con el desarrollo de capas de inversión, que calienta capas de aire superiores en la misma tropósfera. La forma más común en que esta inversión se produce, es por una situación estable de alta presión (un anticiclón bloqueando en altura); descendiendo aire en el sistema anticiclón calienta en la medida que es aplastado por el peso del aire de arriba, más o menos en la misma forma que el aire en una bicicleta bombea calor hacia arriba cuando es comprimido.


Curvas atmosféricas

Un milagro de radio

El aire caliente es menos denso y por lo tanto tiene diferentes propiedades refractivas, si se compara con condiciones "normales" a una altitud apropiada, de modo que las frecuencias de ondas muy altas que ascienden a través de la tropósfera se curvan gradualmente como un arco y se deflectan de vuelta hacia abajo, hacia la superficie de la Tierra. Este tipo de conducción es responsable de las interferencias en la televisión causadas por estaciones extranjeras por períodos cortos de tiempo; en ocasiones se escuchan en Inglaterra estaciones en FM en español, y el récord es una captación a 4000 kilómetros, de Hawai a California.

Las capas E y F son fuertemente afectadas por cambios en la actividad solar, incluyendo las llamaradas de la superficie del sol, la rotación de 27 días del mismo y los ciclos de manchas correspondientes a actividad solar de 11 años de duración.

Más allá de la ionósfera, sobre una altitud de 500 kilómetros, la magnetósfera es la región más externa de la atmósfera de la Tierra, donde la ionización es tan completa que las partículas forman un "plasma" (una mezcla de iones cargados positivamente y electrones negativos) constreñido por el campo magnético de la Tierra (fig. 1).

La magnetósfera constituye el límite absoluto de la Tierra, el "armazón" de la "nave espacial Tierra". Más afuera se produce una corriente de viento solar en la que partículas cargadas sobrepasan por sobre nuestro planeta. La interacción entre el viento solar y el campo magnético de la Tierra produce una onda de shock a una distancia de aproximadamente 14 radios de la Tierra, pero la magnetósfera misma se extiende sólo a una distancia de 60.000 kilómetros. El límite de la magnetósfera se llama magnetopausa; más allá de la magnetopausa está el espacio interplanetario. Más cerca, dos zonas en forma de doughnut con alta densidad de partículas están centradas sobre el Ecuador a una altura de 3.000 kilómetros y 15.000 kilómetros; éstos son cinturones de radiación llamados Van Allen, después de que el físico James Van Allen los descubrió en 1950 (fig. 1).

En la década de 1970, una generación de satélites rastreó la magnetofunda, una larga cola de vapor de plasma proyectada en el viento solar. Escudando la Tierra de las partículas cargadas del viento solar, el campo magnético las deflecta dentro de los cinturones Van Allen, pero algunas de ellas se derraman en la región polar de la atmósfera alta (las cúspides solares), donde electrones de movimiento rápido del viento solar interactúan con los átomos de la atmósfera, produciendo luces de colores de las "auroras" polares. Actividades asociadas alteran la ionósfera y afectan las transmisiones radiales a altas latitudes.

Este es el límite en el cual aun los más ambiciosos cientistas atmosféricos pueden pretender extender su dominio como objeto de su estudio. Pero no es poco, ya que incluye el aire que respiramos, las vicisitudes del tiempo, nuestro escudo que nos defiende de las radiaciones ultravioleta y, lo que es más, las comunicaciones globales. En resumen, material suficiente como para mantenerlos ocupados.

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La historia de la atmósfera

Muy temprano en la historia del sistema solar fue removida cualquier traza de gas primordial, restos de la formación de la Tierra, que rodeaba en ese entonces a la joven Tierra debido a la fuerza de explosiones provenientes del también joven Sol. Desde entonces hasta ahora la atmósfera ha estado evolucionando. En un comienzo estaba formada por una mezcla de gases que venían del interior de la Tierra. Geólogos y astrónomos tratan de entender qué sucedió en la primitiva atmósfera, y para ello han estado estudiando los tipos de gases que aun hoy emiten los volcanes. En estos casos el principal gas liberado es vapor de agua que, en términos de peso, corresponde casi al 64%. El dióxido de carbono aporta el 24%, el dióxido de azufre el 10% y el nitrógeno alrededor del 1.5%. ¿Cómo sucedió para que esta mezcla que se liberó de los volcanes durante miles de millones de años, fuera reemplazada por la atmósfera actual, constituida principalmente por nitrógeno y oxígeno y sólo trazas de dióxido de carbono?

Hay dos razones. Primero que la distancia exacta que la Tierra se encuentra del Sol permitió que en ella hubiese una temperatura adecuada como para que el vapor de agua se condensara y se formaran así los océanos. En los océanos se disolvió gran cantidad de dióxido de carbono de la atmósfera de entonces y se fue precipitando en el fondo como piedra caliza. Venus, que en alguna forma se parece a la Tierra, está más cerca del Sol y por eso ahí nunca pudieron formarse los océanos, por lo que persistió el dióxido de carbono en la atmósfera. De hecho, hoy día existe la misma cantidad de dióxido de carbono en el aire de Venus que el existente en el interior de las rocas de la Tierra.

En segundo término, la vida emergió en la Tierra y ello alteró también la composición de la atmósfera. Hasta hace 3 mil millones de años, no se desarrolló la fotosíntesis. A diferencia de la mayor parte de las modernas plantas, las primeras fotosintetizadoras, que existieron entre 3000 y 2000 millones de años atrás, no liberaron oxígeno (que habría sido altamente tóxico para las plantas primitivas) directamente al aire, sino que lo mantuvieron bloquedo en compuestos con hierro. El resultado final fue la formación de capas de óxido de hierro, conocido como "bandas de formación de hierro" (BIF), que aún se pueden encontrar en la Tierra en estratos de edades que fluctúan entre 3 mil millones y 1.5 mil millones de años. Más tarde, los depósitos de BIF dejaron de formarse en la medida que surgieron nuevas formas de vida que toleraban oxígeno libre. Estas nuevas plantas fotosintetizadoras liberaron directamente al aire el oxígeno que producían, ahorrándose el esfuerzo requerido para bloquearlo. En esta forma, estas nuevas plantas se vieron favorecidas para predominar sobre las antiguas que eran sus competidoras. En la medida que el suministro de oxígeno fue aumentando, mayor cantidad de depósitos altamente oxidados fueron depositándose también como "camas rojas", con lo que la Tierra fue literalmente enmoheciendo.

En esta forma, hace más o menos 1000 millones años, ya hubo suficiente oxígeno en el aire como para que se formara la capa de ozono y durante todo este tiempo el nitrógeno inerte derivado de la actividad de los volcanes fue paulatinamente traspasado a la atmósfera, porque no tenía ninguna otra parte donde irse. Es así como desde hace 600 millones de años, la atmósfera ya tuvo esencialmente la misma composición que conocemos en la actualidad.

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Polvo en el aire

El comportamiento de la atmósfera se afecta por los cambios en la composición de partículas que ésta contiene, ya sea polvo natural en la forma de material que eyectan los volcanes, o de la polución resultante de la actividad humana. Partículas finas que flotan alto en la estratósfera (algunas tan finas como el polvo de talco o minúsculas gotitas líquidas conocidas como aerosoles) pueden alterar el balance de calor, ya sea reflejando el calor que viene del sol (por lo tanto haciendo la superficie más fría) o reflectando el calor que se escapa hacia el suelo (por lo tanto haciendo la superficie más caliente). El balance exacto de estos dos efectos depende de la naturaleza del polvo, la estación y el tiempo del día. Así, por ejemplo, la capa de polvo puede tender a que la temperatura del día y del verano sea menos calurosa, mientras que también puede hacer que la temperatura de la noche y del invierno sea mas cálida

El efecto total de la inyección de grandes cantidades de restos volcánicos a la estratósfera, debidos a las erupciones, es un enfriamiento del globo. Esto se vio claramente después de la erupción del monte Pinatubo en Filipinas en el año 1991. El mundo se enfrió aproximadamente medio grado Celsius durante 18 meses, pero al final de 1994, en la medida que el polvo se limpió, la temperatura se volvió a elevar a los niveles existentes antes de la erupción del Pinatubo. La mayor parte de los que se dedican al estudio de la climatología usan un índice que denominan "índice velo de polvo", que se calcula en base a las erupciones volcánicas conocidas a través de la historia, como uno de los factores en los cambios naturales del clima.

Tanto la industria como la agricultura agregan también partículas a la atmósfera, incluyendo el hollín y el polvo del suelo levantado por el viento, agregando también otros elementos como, por ejemplo, gotas de aerosol de ácido sulfúrico, producidas por el uso de combustibles sucios en las plantas eléctricas. Estos aerosoles antropogénicos (producidos por el hombre) tienden a estar en la parte baja de la atmósfera y por ello se limpian por la lluvia. Sin embargo, como estas fuentes continúan entregando nuevos materiales, pueden tener un gran efecto total. Durante buena parte del siglo XX Europa Occidental no se calentó tan rápido como el resto del mundo, pero sin embargo comenzó a calentarse más rápidamente en la medida que alcanzaba el nivel. Los científicos creen que esto se debió a que la Región sufrió una considerable polución industrial, que en la actualidad se ha ido reduciendo rápidamente.

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Jhon Gribbin

Universidad de Sussex.

El artículo ha sido traducido de New Scientist: diciembre 9, 1995.