Atmósfera

Una atmósfera (del griego antiguo ἀτμός (atmós)  'vapor, vapor' y σφαῖρα (sphaîra)  'esfera') es una capa de gas o capas de gases que envuelven un planeta y se mantienen en su lugar por la gravedad del planeta. cuerpo. Un planeta retiene una atmósfera cuando la gravedad es grande y la temperatura de la atmósfera es baja. Una atmósfera estelar es la región exterior de una estrella, que incluye las capas por encima de la fotosfera opaca; las estrellas de baja temperatura pueden tener atmósferas exteriores que contengan moléculas compuestas.

La atmósfera de la Tierra está compuesta de nitrógeno (78 %), oxígeno (21 %), argón (0,9 %), dióxido de carbono (0,04 %) y gases traza. La mayoría de los organismos usan oxígeno para respirar; los rayos y las bacterias realizan la fijación de nitrógeno para producir amoníaco que se utiliza para fabricar nucleótidos y aminoácidos; las plantas, las algas y las cianobacterias usan dióxido de carbono para la fotosíntesis. La composición en capas de la atmósfera minimiza los efectos nocivos de la luz solar, la radiación ultravioleta, el viento solar y los rayos cósmicos para proteger a los organismos del daño genético. La composición actual de la atmósfera de la Tierra es el producto de miles de millones de años de modificación bioquímica de la paleoatmósfera por organismos vivos.[1]

Historia

En general, se creía que hace unos 5 mil millones de años, la Tierra chocó con un planeta del tamaño de Marte. Luego, hace unos 4.600 millones de años, casi no se encontró atmósfera en el planeta, ya que estaba cubierto por una roca de lava fundida. Sin embargo, cuando el planeta se enfrió, la atmósfera comenzó a desarrollarse a partir de los gases arrojados por los volcanes, que incluían gran parte del dióxido de carbono. Hace quinientos millones de años, la superficie de la Tierra comenzó a enfriarse cuando la atmósfera se solidificó y se cubrió con capas de oxígeno rico para que el agua se acumulara en la superficie para la evolución de la vida.

Composición

La composición gaseosa inicial de una atmósfera está determinada por la química y la temperatura de la nebulosa solar local a partir de la cual se forma un planeta, y el posterior escape de algunos gases del interior de la atmósfera propiamente dicha. La atmósfera original de los planetas se originó a partir de un disco giratorio de gases, que colapsó sobre sí mismo y luego se dividió en una serie de anillos espaciados de gas y materia que luego se condensaron para formar los planetas del sistema solar. Las atmósferas de los planetas Venus y Marte están compuestas principalmente de dióxido de carbono y nitrógeno, argón y oxígeno.

La composición de la atmósfera de la Tierra está determinada por los subproductos de la vida que sustenta. El aire seco (mezcla de gases) de la atmósfera terrestre contiene 78,08 % de nitrógeno, 20,95 % de oxígeno, 0,93 % de argón, 0,04 % de dióxido de carbono y trazas de hidrógeno, helio y otros gases "nobles" (por volumen), pero generalmente una variable cantidad de vapor de agua también está presente, en promedio alrededor del 1% al nivel del mar.

Las bajas temperaturas y la mayor gravedad de los planetas gigantes del Sistema Solar (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) les permiten retener más fácilmente gases con masas moleculares bajas. Estos planetas tienen atmósferas de hidrógeno y helio, con trazas de compuestos más complejos.

Dos satélites de los planetas exteriores poseen atmósferas significativas. Titán, una luna de Saturno, y Tritón, una luna de Neptuno, tienen atmósferas principalmente de nitrógeno. Cuando está en la parte de su órbita más cercana al Sol, Plutón tiene una atmósfera de nitrógeno y metano similar a la de Tritón, pero estos gases se congelan cuando está más lejos del Sol.

Otros cuerpos dentro del Sistema Solar tienen atmósferas extremadamente delgadas que no están en equilibrio. Estos incluyen la Luna (gas de sodio), Mercurio (gas de sodio), Europa (oxígeno), Io (azufre) y Encelado (vapor de agua).

El primer exoplaneta cuya composición atmosférica se determinó es HD 209458b, un gigante gaseoso con una órbita cercana alrededor de una estrella en la constelación de Pegaso. Su atmósfera se calienta a temperaturas superiores a los 1.000 K y se escapa constantemente al espacio. Se han detectado hidrógeno, oxígeno, carbono y azufre en la atmósfera inflada del planeta.

Estructura

Tierra

La atmósfera de la Tierra está compuesta de capas con diferentes propiedades, como composición gaseosa específica, temperatura y presión. La capa más baja de la atmósfera es la troposfera, que se extiende desde la superficie del planeta hasta el fondo de la estratosfera. La troposfera contiene el 75 por ciento de la masa de la atmósfera y es la capa atmosférica en la que se produce el tiempo; la altura de la troposfera varía entre 17 km en el ecuador y 7,0 km en los polos. La estratosfera se extiende desde la parte superior de la troposfera hasta la parte inferior de la mesosfera y contiene la capa de ozono, a una altitud entre 15 km y 35 km. Es la capa atmosférica que absorbe la mayor parte de la radiación ultravioleta que la Tierra recibe del Sol. La mesosfera varía de 50 km a 85 km, y es la capa donde la mayoría de los meteoros son incinerados antes de llegar a la superficie. La termosfera se extiende desde una altitud de 85 km hasta la base de la exosfera a 690 km y contiene la ionosfera, donde la radiación solar ioniza la atmósfera. La densidad de la ionosfera es mayor a distancias cortas de la superficie planetaria durante el día y disminuye a medida que la ionosfera se eleva durante la noche, lo que permite que una mayor variedad de frecuencias de radio viajen mayores distancias. Además, en la termosfera se encuentra la línea de Kármán a 100 km, que es el límite entre el espacio exterior y la atmósfera terrestre. La exosfera comienza entre 690 y 1000 km de la superficie y se extiende hasta unos 10 000 km, donde interactúa con la magnetosfera de la Tierra. La termosfera se extiende desde una altitud de 85 km hasta la base de la exosfera a 690 km y contiene la ionosfera, donde la radiación solar ioniza la atmósfera. La densidad de la ionosfera es mayor a distancias cortas de la superficie planetaria durante el día y disminuye a medida que la ionosfera se eleva durante la noche, lo que permite que una mayor variedad de frecuencias de radio viajen mayores distancias. Además, en la termosfera se encuentra la línea de Kármán a 100 km, que es el límite entre el espacio exterior y la atmósfera terrestre. La exosfera comienza entre 690 y 1000 km de la superficie y se extiende hasta unos 10 000 km, donde interactúa con la magnetosfera de la Tierra. La termosfera se extiende desde una altitud de 85 km hasta la base de la exosfera a 690 km y contiene la ionosfera, donde la radiación solar ioniza la atmósfera. La densidad de la ionosfera es mayor a distancias cortas de la superficie planetaria durante el día y disminuye a medida que la ionosfera se eleva durante la noche, lo que permite que una mayor variedad de frecuencias de radio viajen mayores distancias. Además, en la termosfera se encuentra la línea de Kármán a 100 km, que es el límite entre el espacio exterior y la atmósfera terrestre. La exosfera comienza entre 690 y 1000 km de la superficie y se extiende hasta unos 10 000 km, donde interactúa con la magnetosfera de la Tierra. La densidad de la ionosfera es mayor a distancias cortas de la superficie planetaria durante el día y disminuye a medida que la ionosfera se eleva durante la noche, lo que permite que una mayor variedad de frecuencias de radio viajen mayores distancias. Además, en la termosfera se encuentra la línea de Kármán a 100 km, que es el límite entre el espacio exterior y la atmósfera terrestre. La exosfera comienza entre 690 y 1000 km de la superficie y se extiende hasta unos 10 000 km, donde interactúa con la magnetosfera de la Tierra. La densidad de la ionosfera es mayor a distancias cortas de la superficie planetaria durante el día y disminuye a medida que la ionosfera se eleva durante la noche, lo que permite que una mayor variedad de frecuencias de radio viajen mayores distancias. Además, en la termosfera se encuentra la línea de Kármán a 100 km, que es el límite entre el espacio exterior y la atmósfera terrestre. La exosfera comienza entre 690 y 1000 km de la superficie y se extiende hasta unos 10 000 km, donde interactúa con la magnetosfera de la Tierra.

Presión

La presión atmosférica es la fuerza (por unidad de área) perpendicular a una unidad de área de superficie planetaria, determinada por el peso de la columna vertical de gases atmosféricos. En dicho modelo atmosférico, la presión atmosférica, el peso de la masa del gas, disminuye a gran altura debido a la disminución de la masa del gas por encima del punto de medición barométrica. Las unidades de presión del aire se basan en la atmósfera estándar (atm), que es 101,325 kPa (760 Torr, o 14,696 libras por pulgada cuadrada (psi). La altura a la que la presión atmosférica disminuye por un factor de e (un número irracional igual a 2,71828) se denomina altura de escala ( H). Para una atmósfera de temperatura uniforme, la altura de la escala es proporcional a la temperatura atmosférica y es inversamente proporcional al producto de la masa molecular media del aire seco y la aceleración local de la gravedad en el punto de medición barométrica.

Escapar

La gravedad superficial difiere significativamente entre los planetas. Por ejemplo, la gran fuerza gravitatoria del planeta gigante Júpiter retiene gases ligeros como el hidrógeno y el helio que escapan de objetos con menor gravedad. En segundo lugar, la distancia desde el Sol determina la energía disponible para calentar el gas atmosférico hasta el punto en que una fracción del movimiento térmico de sus moléculas supera la velocidad de escape del planeta, lo que les permite escapar del alcance gravitatorio de un planeta. Por lo tanto, los distantes y fríos Titán, Tritón y Plutón pueden retener sus atmósferas a pesar de sus gravedades relativamente bajas.

Dado que una colección de moléculas de gas puede moverse a una amplia gama de velocidades, siempre habrá algunas lo suficientemente rápidas como para producir una fuga lenta de gas al espacio. Las moléculas más ligeras se mueven más rápido que las más pesadas con la misma energía cinética térmica, por lo que los gases de bajo peso molecular se pierden más rápidamente que los de alto peso molecular. Se cree que Venus y Marte pueden haber perdido gran parte de su agua cuando, después de ser fotodisociados en hidrógeno y oxígeno por la radiación ultravioleta solar, el hidrógeno escapó. El campo magnético de la Tierra ayuda a prevenir esto, ya que, normalmente, el viento solar mejoraría enormemente el escape de hidrógeno. Sin embargo, durante los últimos 3 mil millones de años, la Tierra puede haber perdido gases a través de las regiones polares magnéticas debido a la actividad de las auroras, incluido un 2% neto de su oxígeno atmosférico.El efecto neto, teniendo en cuenta los procesos de escape más importantes, es que un campo magnético intrínseco no protege a un planeta del escape atmosférico y que, para algunas magnetizaciones, la presencia de un campo magnético funciona para aumentar la tasa de escape.

Otros mecanismos que pueden causar el agotamiento de la atmósfera son la pulverización inducida por el viento solar, la erosión por impacto, la meteorización y el secuestro, a veces denominado "congelación", en el regolito y los casquetes polares.

Terreno

Las atmósferas tienen efectos dramáticos en las superficies de los cuerpos rocosos. Los objetos que no tienen atmósfera, o que solo tienen exosfera, tienen un terreno cubierto de cráteres. Sin atmósfera, el planeta no tiene protección contra los meteoritos, y todos ellos chocan con la superficie como meteoritos y crean cráteres.

La mayoría de los meteoroides se queman como meteoros antes de golpear la superficie de un planeta. Cuando los meteoroides impactan, los efectos a menudo se borran por la acción del viento.

La erosión eólica es un factor importante en la configuración del terreno de los planetas rocosos con atmósferas y, con el tiempo, puede borrar los efectos tanto de los cráteres como de los volcanes. Además, dado que los líquidos no pueden existir sin presión, una atmósfera permite que el líquido esté presente en la superficie, lo que da como resultado lagos, ríos y océanos. Se sabe que la Tierra y Titán tienen líquidos en su superficie y el terreno del planeta sugiere que Marte tuvo líquido en su superficie en el pasado.

Atmósferas en el Sistema Solar

• Atmósfera del sol
• Atmósfera de Mercurio
• Atmósfera de Venus
• Atmósfera de la Tierra
  • Atmósfera de la Luna
• Atmósfera de Marte
• Atmósfera de Ceres
• Atmósfera de Júpiter
  • Atmósfera de Io
  • Atmósfera de Calisto
  • Atmósfera de Europa
  • Atmósfera de Ganímedes
• Atmósfera de Saturno
  • Atmósfera de Titán
  • Atmósfera de Enceladus
• Atmósfera de Urano
  • Atmósfera de Titania
• Atmósfera de Neptuno
  • Atmósfera de Tritón
• Atmósfera de Plutón

Fuera del Sistema Solar

Artículo principal: atmósfera extraterrestre

• Atmósfera de HD 209458 b

Circulación

La circulación de la atmósfera ocurre debido a las diferencias térmicas cuando la convección se convierte en un transportador de calor más eficiente que la radiación térmica. En los planetas donde la principal fuente de calor es la radiación solar, el exceso de calor en los trópicos se transporta a latitudes más altas. Cuando un planeta genera una cantidad significativa de calor internamente, como es el caso de Júpiter, la convección en la atmósfera puede transportar energía térmica desde el interior de mayor temperatura hasta la superficie.

Importancia

Desde la perspectiva de un geólogo planetario, la atmósfera actúa para dar forma a una superficie planetaria. El viento levanta polvo y otras partículas que al chocar con el terreno erosionan el relieve y dejan depósitos (procesos eólicos). Las heladas y las precipitaciones, que dependen de la composición atmosférica, también influyen en el relieve. Los cambios climáticos pueden influir en la historia geológica de un planeta. Por el contrario, el estudio de la superficie de la Tierra conduce a la comprensión de la atmósfera y el clima de otros planetas.

Para un meteorólogo, la composición de la atmósfera terrestre es un factor que influye en el clima y sus variaciones.

Para un biólogo o paleontólogo, la composición atmosférica de la Tierra depende estrechamente de la aparición de la vida y su evolución.