LA ATMOSFERATERRESTRE

Por Luis López V.Por Luis López V.GL31aGL31a

IntroducciónIntroducción

El medio ambiente global consiste de cuatro sistemas mayores:

1. Atmósfera gaseosa. 2. Hidrósfera líquida. 3. Litósfera sólida. 4. Biósfera viviente.

La AtmósferaLa Atmósfera La atmósfera corresponde a

todo los gases (aire) que rodean la tierra.

Función: • Proporcionar el aire que

respiramos• Regular la temperatura global• Filtrar la radiación solar

Composición:• Los mayores componentes por

volumen son: Oxígeno (21%) Nitrógeno (78%) Argón (0.93%) + Otros gasas en traza (O3, CO2,

CFCs; ppm, ppb, ppt)

La Atmósfera Actual

La atmósfera actual de la tierra probablemente no es la original.

Actual: atmósfera oxidante Original: atmósfera reductora (sin oxígeno)

Origen:• La atmósfera original pudo haber tenido una composición

similar a la de la nebulosa solar y cercana a la composición actual de los planetas Gigantes Gaseosos.

• Esa atmósfera se perdió en el espacio y fue reemplazada por compuestos desgasificados de la corteza o desde el impacto de meteoritos/planetesimales ricos en materiales volátiles.

• Casi todo el oxígeno de la atmósfera fue producido por plantas (cyanobacteria o blue-green algae).

Estructura de la Atmósfera Los gases que rodean la tierra están divididos en varias capas

esféricas concéntricas separadas por delgadas zonas de transición.

Espesor: ~1000 km s.n.m. Masa: 5.15 x 10E15 tons (99% concentrada en los primeros 40

km ).

Las capas atmosféricas se caracterizan por diferencias en su composición química, lo que produce variaciones en su temperatura.

1. Tropósfera 2. Estratósfera 3. Mesósfera 4. Termósfera (Ionósfera) 5. Exósfera

La Tropósfera (Región de mezcla)

Capa más cercana al planeta que contiene el >% masa atmosférica. Se caracteriza por la densidad de su aire y por un gradiente térmico de

6°C/Km T° y vapor de agua decrecen rápidamente con la altura. Vapor de agua regula la T° del aire (absorbe E° solar y radiación térmica

de la superficie) Contiene 99 % del vapor de agua en la atmósfera, que varía con la

latitud (alto en los trópicos y bajo ~3% hacia las regiones polares). Todos los fenómenos climáticos ocurren el la tropósfera, aunque

algunas turbulencias pueden alcanzar la estratósfera. Ocurren fuertes corrientes de aire convectivas dentro de esta capa. Limite superior ~8/18 Km (varía con latitud y estación del año) Una delgada zona llamada la tropopausa la separa de la estratósfera La T° del aire en la tropopausa permanece cte. con la altura.

La Estratósfera Es la segunda mayor capa en la atmósfera. Se ubica entre los 10- y 50 Km. T° del aire cte. hasta 25 km altitud, luego aumenta gradualmente a 200-

220 K en la estratopausa (~50 km), caracterizada por una baja de T° Región estable debido al gradiente de T° del aire (no hay convección). El Ozono (O3) regula mayormente la T°, ya que hay poco vapor de agua

T° aumenta con la concentración de ozono (E° solar convertido en K° cuando O3 absorve UV) calentamiento

La capa de O3 se ubica entre 20-30 km (90% O3 de la atmósfera esta aquí).

O3 ~10 ppm estratósfera v/s O3 ~ 0.04 ppm tropósfera O3 absorbe el grueso de la radiación UV solar Condiciones meteorológicas afectan fuertemente la distribución del O3. La mayor producción de O3 ocurre en la estratósfera superior

tropical, donde se concentran las mayores radiaciones UV. La disociación ocurre en las partes bajas y a mayores latitudes.

OzonoOzono Dependiendo donde este el ozono, este puede proteger o dañar la

vida en la tierra.

Ozono Bueno:• Mayor parte concentrada en la estratósfera(~25 km)• Crucial para la vida en la tierra• Actúa como escudo para proteger la sup. de la tierra absorviendo la

radiación UV. (cancer a la piel, cataratas, sist. Imunológico)• Una disminución de 1% en la columna de O3 aumento en la

radiacion transmitida de UV de 2%

Ozono Malo:• Cerca de la superficie (aire) dañino y contaminante (animales-

tejidos- y plantas); oxidante fotoquímico (plástico, goma) • Reacciona con Hidrocarburos y gasolina (autos) => forma

contaminantes organicos secundarios (aldehidos y ketonas).• Daña el DNA

Formación de la capa de Ozono 1Ba organismos acuáticos primitivos (blue-green algae)

comienzan a usar E° solar para disociar moleculas de H2O y CO2 y recombinarlas en compuestos organicos y oxigeno molecular (O2) FOTOSINTESIS

O2 + Corg → CO2

El resto se acumuló en la atmósfera

Creación de ozono (O3) Alto en la atmósfera: Moléculas de O2 absorben E° de los rayos UV solares y se disocian

para formar átomos de O. Estos átomos se recombinan con oxígeno molecular (O2) para formar moléculas de ozono (O3)

O2 + luz UV (<240 nm) 2 O O + O2 + M O3 + M (M=conservación E° y momentum)

Creación del ozono O+O2 O3R

adiación U

V

Destrucción del Ozono “La misma caracteristica que lo hace tal valioso lo

destruye”

Cuando una molécula de O3 se expone a UV este se separa en O y O2. Durante la disociación los oxigenos ganan °K, lo que produce calor ( aumento T°atm)

O3 + UV, luz visible O + O2 (+ calor)

Luego,

O + O2 => O3

O3 + O => O2 + O2

Destrucción del Ozono La mayoría de la destrucción del O3 ocurre a través de

procesos catalíticos. Ozono es altamente inestable, fácilmente dona su O extra a

radicales libres como N, H, brominas, y clorinas. Estos ocurren naturalmente en la atmósfera (provienen

desde el suelo, vapor agua, océanos)

O3 + X XO + O2 (X = O, NO, OH, Br o Cl) Manufacturas humanas también alteran (disminuyen)

niveles de O3 Clorinas (océanos, CFCs-AC, aerosoles, refrigeradores,

solventes-) Brominas (Br) (extinguidores)

Destrucción del Ozono CFCs: sustituyentes de refrigerantes tóxicos. Inofensivos

en la sup., pero… CFCs estables en la troposfera indestructibles!

(insolubles) Permanecen en la tropósfera por mas de 40 AÑOS antes de

migrar a la estratósfera. En la estratósfera…

• UV alta energia disocia CFCs un producto: clorinas (catalizadores de la destrucción de O3 )

• Cl reaccionan y permanecen inalteradas• Cl + O3 => ClO + O2 • y Luego... ClO + O Cl + O2 • y Luego...

No CFCs => No Clorinas (1960s) => CFC-12 ppt <100 ppt (1987) => 400 ppt

Destrucción del Ozono O3 + UV, luz visible => O + O2(+ calor) R

adiacion U

VC

ALO

R

La Mesósfera La mesósfera se extiende entre 50 - 80 Km. Se caracteriza por un descenso en la T° (190-180 °K a 80 Km.) O3 y vapor de agua son mínimas menor T° que abajo. Bajísimas T° permiten la formación de “Nubes Noctilucentes”

• Las nubes noctilucentes se ven mejor después del atardecer. Al brillar, muestran un bello color eléctrico blanco azulado. Por lo general, se les puede ver en lugares cercanos a los polos de la Tierra, pero en años recientes, se les ha visto en lugares de menor latitud (como en Colorado o Virginia, en EEUU).

• Este cambio en las observaciones de nubes noctilucentes hace que los científicos piensen que esto es una señal en el cambio de clima global de la Tierra, que es influenciado por la actividad de los seres humanos.

Al aumentar la distancia de la superficie, la composición química del aire se hace dependiente de la altitud y se enriquece en gases livianos.

A grande alturas los gases residuales se estratifican de acuerdo a sus pesos moleculares (separación gravitacional)

La Termósfera (aumento de T°) Ubicada sobre la mesósfera y separada de

ella por la mesopausa La T° generalmente aumenta con la

altitud (1000-1500 K) debido a la intensa absorción de radiación solar del poco oxigeno molecular que existe.

A altitudes de 100-200 km, todavía los mayores componentes son Ni y O

A esta altitud las moléculas de gas están extremadamente separadas

Aquí se forman las auroras boreales a latitudes altas

La Ionosfera (parte de la Termósfera)

Aquí muchos átomos son ionizados. Es una capa muy delgada, es

responsable de la absorción de los fotones más energéticos del sol y reflejar ondas de radio, permitiendo las comunicaciones a larga distancia.

Estructura influenciada por el viento solar (partículas eléctricamente cargadas), a su vez gobernada por la actividad solar.

Una medida de su estructura es la densidad de electrones libres, que es un indicador del grado de ionización.

La ExósferaLa Exósfera Es la región atmosférica más

alejada de la superficie de la Tierra.

Su límite superior se extiende a alturas de 960 a 1000 Km. y está relativamente indefinido.

Es la zona de transición entre la atmósfera terrestre y el espacio interplanetario.

Comienza en el techo de la termósfera y continía hasta que se mezcla con los gases interplanetarios o espacio.

En esta región de la atmósfera, el H y el He son los componentes primarios y están presentes a extremadamente bajas densidades.

Troposfera

grad T = -6.5 K·km-1

80% masa, ≈100% vapor de agua Cortos tiempos de permanencia de partículas

Estratosfera Muy seca, incremento concentración O3 Largos tiempos de permanencia de partículas

Mezcla vertical muy reducida

99.9% masa

Mesosfera 99% resto

1% resto Termosfera

Partículas cargadas (ionosfera)

Partículas cargadas y no cargadasColisiones muy poco frecuentes

TROPOPAUSA

ESTRATOPAUSA

MESOPAUSA

≈ 10 - 12 km

≈ 50 km

≈ 80 km

Las capas de la Atmósfera

Isótopos Estables Isótopos Estables

NitrógenoNitrógenoOxigenoOxigeno

HidrógenoHidrógeno

Isótopos Isótopos Los átomos que son isótopos entre sí, son Los átomos que son isótopos entre sí, son

los que tienen los que tienen igual número atómicoigual número atómico (número de protones en el núcleo), pero (número de protones en el núcleo), pero diferente número másicodiferente número másico (número de (número de neutrones en el núcleo) neutrones en el núcleo)

Un Un elemento químicoelemento químico tiene uno o varios tiene uno o varios isótoposisótopos, de los cuales todos, algunos, o , de los cuales todos, algunos, o ninguno, pueden ser ninguno, pueden ser isótopos establesisótopos estables. . Los isótopos que no son estables, a Los isótopos que no son estables, a diferencia de los estables, se desintegran diferencia de los estables, se desintegran para dar lugar a otros para dar lugar a otros núclidosnúclidos emitiendo emitiendo partículas o radiación electromagnética.partículas o radiación electromagnética.

Número de Neutrones (N)

Núm

ero

Ató

mic

o (Z

)

Isótopos

Isotones Isóbaros

Masa atómica (A) = Z + N

La Tabla de los Nucleidos La Tabla de los Nucleidos (Isótopos)(Isótopos)

Ciclo del NitrógenoCiclo del Nitrógeno

Ciclos ElementalesCiclos Elementales

Ciclo del Carbono Ciclo del Carbono El carbono es elemento básico en la formación de las moléculas de

carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, pues todas las moléculas orgánicas están formadas por cadenas de carbonos enlazados entre sí.

La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 que los seres vivos puedan asimilar, es la atmósfera y la hidrosfera.

Este gas está en la atmósfera en una concentración de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2 se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídrido carbónico se renueva en la atmósfera cada 20 años.

La vuelta de CO2 a la atmósfera se hace cuando en la respiración los seres vivos oxidan los alimentos produciendo CO2.

En el conjunto de la biosfera la mayor parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo y no, como podría parecer, los animales más visibles.

Los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua.

Ciclo del CarbonoCiclo del Carbono La solubilidad de este gas en el agua es muy superior a la de

otros gases, como el O2 o el N2, porque reacciona con el agua formando ácido carbónico.

En los ecosistemas marinos algunos organismos convierten parte del CO2 que toman en CaCO3 que necesitan para formar sus conchas, caparazones o masas rocosas en el caso de los arrecifes.

Cuando estos organismos mueren sus caparazones se depositan en el fondo formando rocas sedimentarias calizas, en el que el C queda retirado del ciclo durante miles y millones de años. Este C volverá lentamente al ciclo cuando se van disolviendo las rocas.

El petróleo, carbón y la materia orgánica acumulados en el suelo son resultado de épocas en las que se ha devuelto menos CO2 a la atmósfera del que se tomaba.

Así apareció el O2 en la atmósfera. Si hoy consumiéramos todos los combustibles fósiles almacenados, el O2 desaparecería de la atmósfera.

Ciclo del CarbonoCiclo del Carbono

Ciclo del OxígenoCiclo del Oxígeno El oxígeno es el elemento químico más abundante en los El oxígeno es el elemento químico más abundante en los

seres vivos. seres vivos. Forma parte del Forma parte del aguaagua y de todo tipo de y de todo tipo de moléculas moléculas

orgánicasorgánicas. . Como molécula, en forma de OComo molécula, en forma de O22, su presencia en la , su presencia en la

atmósfera se debe a la actividad fotosintética de primitivos atmósfera se debe a la actividad fotosintética de primitivos organismos. organismos.

Al principio debió ser una sustancia tóxica para la vida, por Al principio debió ser una sustancia tóxica para la vida, por su gran poder oxidante. Todavía ahora, una atmósfera de su gran poder oxidante. Todavía ahora, una atmósfera de oxígeno puro produce daños irreparables en las células. oxígeno puro produce daños irreparables en las células.

Pero el metabolismo celular se adaptó a usar la molécula de Pero el metabolismo celular se adaptó a usar la molécula de oxígeno como agente oxidante de los alimentos abriendo oxígeno como agente oxidante de los alimentos abriendo así una nueva vía de obtención de energía mucho más así una nueva vía de obtención de energía mucho más eficiente que la anaeróbica. eficiente que la anaeróbica.

Ciclo del OxígenoCiclo del Oxígeno La reserva fundamental de oxígeno utilizable por los seres

vivos está en la atmósfera. Su ciclo está estrechamente vinculado al del carbono pues el proceso por el que el C es asimilado por las plantas (fotosíntesis), supone también devolución del oxígeno a la atmósfera, mientras que el proceso de respiración ocasiona el efecto contrario.

Otra parte del ciclo natural del oxígeno que tiene un notable interés indirecto para los seres vivos de la superficie de la Tierra es su conversión en ozono.

Las moléculas de O2, activadas por las radiaciones muy energéticas de onda corta, se rompen en átomos libres de oxígeno que reaccionan con otras moléculas de O2, formando O3 (ozono).

Esta reacción es reversible, de forma que el ozono, absorbiendo radiaciones ultravioletas vuelve a convertirse en O2

Ciclo del OxígenoCiclo del Oxígeno

Ciclo del NitrógenoCiclo del Nitrógeno Los organismos emplean el nitrógeno en la síntesis de Los organismos emplean el nitrógeno en la síntesis de

proteínasproteínas, , ácidos nucleicosácidos nucleicos (ADN y ARN) y otras (ADN y ARN) y otras moléculas fundamentales del metabolismo. moléculas fundamentales del metabolismo.

Su Su reservareserva fundamental es la atmósfera, en donde se fundamental es la atmósfera, en donde se encuentra en forma de encuentra en forma de NN22,, pero esta molécula no puede ser pero esta molécula no puede ser utilizada directamente por la mayoría de los seres vivos utilizada directamente por la mayoría de los seres vivos (exceptuando algunas bacterias). (exceptuando algunas bacterias).

Esas bacterias y algas cianofíceas que pueden usar el NEsas bacterias y algas cianofíceas que pueden usar el N22 del del aire juegan un papel muy importante en el ciclo de este aire juegan un papel muy importante en el ciclo de este elemento al hacer la elemento al hacer la fijación del nitrógenofijación del nitrógeno..

De esta forma convierten el NDe esta forma convierten el N22 en otras formas químicas en otras formas químicas (nitratos y amonio) asimilables por las plantas. (nitratos y amonio) asimilables por las plantas.

El amonio (NHEl amonio (NH44++) y el nitrato (NO) y el nitrato (NO33

--) lo pueden tomar las ) lo pueden tomar las plantas por las raíces y usarlo en su metabolismo. plantas por las raíces y usarlo en su metabolismo.

Ciclo del NitrógenoCiclo del Nitrógeno Usan esos átomos de N para la Usan esos átomos de N para la síntesis de las proteínas síntesis de las proteínas

y ácidos nucleicos. y ácidos nucleicos. Los animales obtienen su nitrógeno Los animales obtienen su nitrógeno al comer a las al comer a las

plantas o a otros animales. plantas o a otros animales. En el metabolismo de los compuestos nitrogenados en los En el metabolismo de los compuestos nitrogenados en los

animales acaba formándose ión amonio que es muy tóxico animales acaba formándose ión amonio que es muy tóxico y debe ser eliminado. y debe ser eliminado.

Esta Esta eliminacióneliminación se hace en forma de amoniaco (algunos se hace en forma de amoniaco (algunos peces y organismos acuáticos), o en forma de urea (el peces y organismos acuáticos), o en forma de urea (el hombre y otros mamíferos) o en forma de ácido úrico (aves hombre y otros mamíferos) o en forma de ácido úrico (aves y otros animales de zonas secas). y otros animales de zonas secas).

Estos compuestos van a la tierra o al agua de donde Estos compuestos van a la tierra o al agua de donde pueden tomarlos de nuevo las plantas o ser usados por pueden tomarlos de nuevo las plantas o ser usados por algunas bacterias. algunas bacterias.

Ciclo del NitrógenoCiclo del Nitrógeno Algunas bacterias convierten amoniaco en nitrito y otras

transforman este en nitrato. Una de estas bacterias (Rhizobium) se aloja en nódulos de

las raíces de las leguminosas (alfalfa, alubia, etc.) y por eso esta clase de plantas son tan interesantes para hacer un abonado natural de los suelos.

Donde existe un exceso de materia orgánica en el mantillo, en condiciones anaerobias, hay otras bacterias que producen desnitrificación, convirtiendo los compuestos de N en N2, lo que hace que se pierda de nuevo nitrógeno del ecosistema a la atmósfera.

A pesar de este ciclo, el N suele ser uno de los elementos que escasean y que es factor limitante de la productividad de muchos ecosistemas.

Ciclo del NitrógenoCiclo del Nitrógeno

Ciclo del FósforoCiclo del Fósforo El fósforo es un componente esencial de los organismos. Forma parte de:

• Ácidos nucleicos (ADN y ARN)• ATP y de otras moléculas que tienen PO4

3- y que almacenan la energía química

• Fosfolípidos que forman las membranas celulares• Huesos y dientes de los animales.

Está en pequeñas cantidades en las plantas, en proporciones de un 0,2%, aproximadamente.

En los animales hasta el 1% de su masa puede ser fósforo. Su reserva fundamental en la naturaleza es la corteza terrestre.

Por meteorización de las rocas o sacado por las cenizas volcánicas, queda disponible para que lo puedan tomar las plantas.

Con facilidad es arrastrado por las aguas y llega al mar. Parte del que es arrastrado sedimenta al fondo del mar y forma rocas que tardarán millones de años en volver a emerger y liberar de nuevo las sales de fósforo.

Ciclo del FósforoCiclo del Fósforo Otra parte es absorbido por el plancton que, a su vez,

es comido por organismos filtradores de plancton, como algunas especies de peces. Cuando estos peces son comidos por aves que tienen sus nidos en tierra, devuelven parte del fósforo en las heces (guano) a tierra.

Es el principal factor limitante en los ecosistemas acuáticos y en los lugares en los que las corrientes marinas suben del fondo, arrastrando fósforo del que se ha ido sedimentando, el plancton prolifera en la superficie.

Al haber tanto alimento se multiplican los bancos de peces, formándose las grandes pesquerías del Gran Sol, costas occidentales de África y América del Sur y otras.

Ciclo del FósforoCiclo del Fósforo

Ciclo del Azufre Ciclo del Azufre

Es menos importante que los otros elementos que hemos visto, pero imprescindible porque forma parte de las proteínas.

Su reserva fundamental es la corteza terrestre y es usado por los seres vivos en pequeñas cantidades.

La actividad industrial del hombre esta provocando exceso de emisiones de gases sulfurosos a la atmósfera y ocasionando problemas como la lluvia ácida.

Lluvia ÁcidaLluvia Ácida Algunas industrias o centrales térmicas que usan combustibles de baja

calidad, liberan al aire atmosférico importantes cantidades de óxidos de azufre y nitrógeno.

Estos contaminantes pueden ser trasladados a distancias de hasta cientos de kilómetros por las corrientes atmosféricas, sobre todo cuando son emitidos a la atmósfera desde chimeneas muy altas que disminuyen la contaminación en las cercanías pero la trasladan a otros lugares.

En la atmósfera los óxidos de nitrógeno y azufre son convertidos en ácido nítrico y sulfúrico que vuelven a la tierra con las precipitaciones de lluvia o nieve (lluvia ácida).

Otras veces, aunque no llueva, van cayendo partículas sólidas con moléculas de ácido adheridas (deposición seca).

La lluvia normal es ligeramente ácida, por llevar ácido carbónico que se forma cuando el dióxido de carbono del aire se disuelve en el agua que cae. Su pH suele estar entre 5 y 6.

Pero en las zonas con la atmósfera contaminada por estas sustancias acidificantes, la lluvia tiene valores de pH de hasta 4 o 3 y, en algunas zonas en que la niebla es ácida, el pH puede llegar a ser de 2,3, es decir similar al del jugo de limón o al del vinagre.

Lluvia ÁcidaLluvia Ácida

Ciclo del Agua Ciclo del Agua El agua permanece en constante movimiento. El vapor de agua de la atmósfera se condensa y cae sobre

continentes y océanos en forma de lluvia o nieve. El agua que cae en los continentes va descendiendo de las

montañas en ríos, o se infiltra en el terreno acumulándose en forma de aguas subterráneas.

Gran parte de las aguas continentales acaban en los océanos, o son evaporadas o transpiradas por las plantas volviendo de nuevo de nuevo a la atmósfera.

También de los mares y océanos está evaporándose agua constantemente.

La energía del sol mantiene este ciclo en funcionamiento continuo.

Ciclo del AguaCiclo del Agua