Atmósfera de la Tierra

La luz azul se dispersa más que otras longitudes de onda por los gases en la atmósfera, rodeando la Tierra en una capa visiblemente azul en la estratosfera, sobre las nubes de la troposfera, cuando se ve desde el espacio a bordo del ISS a una altitud de 335 km (208 mi) (la Luna es visible como una crescencia en el fondo lejano).

La atmósfera de la Tierra es la capa de gases, conocidos colectivamente como aire, retenidos por la gravedad de la Tierra que rodea al planeta y forma su atmósfera planetaria. La atmósfera de la Tierra crea presión, absorbe la mayoría de los meteoroides y la radiación solar ultravioleta, calienta la superficie a través de la retención de calor (efecto invernadero), lo que permite que exista vida y agua líquida en la superficie de la Tierra, y reduce las temperaturas extremas entre el día y la noche. (la variación de temperatura diurna).

A partir de 2023, por fracción molar (es decir, por número de moléculas), el aire seco contiene 78,08 % 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 del 1% al nivel del mar y 0,4% en toda la atmósfera. La composición del aire, la temperatura y la presión atmosférica varían con la altitud. Dentro de la atmósfera, el aire adecuado para su uso en la fotosíntesis de las plantas terrestres y la respiración de los animales terrestres se encuentra solo en la troposfera de la Tierra.

La atmósfera primitiva de la Tierra constaba de gases en la nebulosa solar, principalmente hidrógeno. La atmósfera cambió significativamente con el tiempo, afectada por muchos factores como el vulcanismo, la vida y la meteorización. Recientemente, la actividad humana también ha contribuido a los cambios atmosféricos, como el calentamiento global, el agotamiento del ozono y la deposición ácida.

La atmósfera tiene una masa de aproximadamente 5,15×10¹⁸ kg, tres cuartos de los cuales se encuentran a unos 11 km (6,8 mi; 36 000 ft) de la superficie. La atmósfera se vuelve más delgada a medida que aumenta la altitud, sin un límite definido entre la atmósfera y el espacio exterior. La línea Kármán, a 100 km (62 mi) o el 1,57 % del radio de la Tierra, se utiliza a menudo como frontera entre la atmósfera y el espacio exterior. Los efectos atmosféricos se vuelven perceptibles durante el reingreso atmosférico de la nave espacial a una altitud de alrededor de 120 km (75 mi). Se pueden distinguir varias capas en la atmósfera, según características como la temperatura y la composición.

El estudio de la atmósfera terrestre y sus procesos se denomina ciencia atmosférica (aerología) e incluye múltiples subcampos, como la climatología y la física atmosférica. Los primeros pioneros en el campo incluyen a Léon Teisserenc de Bort y Richard Assmann. El estudio de la atmósfera histórica se llama paleoclimatología.

Composición

Composición de la atmósfera terrestre por cuenta molecular, excluyendo el vapor de agua. El pie inferior representa gases de traza que juntos componen alrededor del 0.0434% de la atmósfera (0.0442% a agosto de 2021 concentraciones). Números principalmente de 2000, con CO₂ y metano de 2019, y no representan ninguna fuente única.

Los tres componentes principales de la atmósfera terrestre son el nitrógeno, el oxígeno y el 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 desde alrededor de 10 ppm por fracción molar en las partes más frías de la atmósfera hasta un 5 % por fracción molar en masas de aire cálido y húmedo, y las concentraciones de otros gases atmosféricos son típicamente cotizado en términos de aire seco (sin vapor de agua). Los gases restantes suelen denominarse gases traza, entre los que se encuentran otros gases de efecto invernadero, principalmente dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y ozono. Además del argón, ya mencionado, también están presentes otros gases nobles, como el neón, el helio, el criptón y el xenón. El aire filtrado incluye trazas de muchos otros compuestos químicos. Muchas sustancias de origen natural pueden estar presentes en pequeñas cantidades que varían local y estacionalmente como aerosoles en una muestra de aire sin filtrar, incluido el polvo de composición mineral y orgánica, el polen y las esporas, el rocío marino y las cenizas volcánicas. Varios contaminantes industriales también pueden estar presentes como gases o aerosoles, como cloro (elemental o en compuestos), compuestos de flúor y vapor de mercurio elemental. Los compuestos de azufre como el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de azufre (SO₂) pueden derivarse de fuentes naturales o de la contaminación atmosférica industrial.

El peso molecular medio del aire seco, que se puede utilizar para calcular densidades o para convertir entre fracción molar y fracción másica, es de aproximadamente 28,946 o 28,96 g/mol. Esto disminuye cuando el aire está húmedo.

La concentración relativa de gases permanece constante hasta unos 10 000 m (33 000 pies).

Estratificación

La atmósfera de la Tierra. Bajo cuatro capas de la atmósfera en tres dimensiones como se ve diagonalmente desde arriba de la exobase. Las capas dibujadas a escala, los objetos dentro de las capas no deben escalar. Aurorae mostrada aquí en la parte inferior de la termosfera puede realmente formar a cualquier altitud en esta capa atmosférica.

En general, la presión y la densidad del aire 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 (consulte la sección de temperatura, a continuación). Debido a que el patrón general del perfil de temperatura/altitud, o lapso de tiempo, es constante y medible por medio de sondeos de globos instrumentados, el comportamiento de la temperatura proporciona una métrica útil para distinguir las capas atmosféricas. De esta manera, la atmósfera de la Tierra se puede dividir (llamada estratificación atmosférica) en cinco capas principales: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera y exosfera. Las altitudes de las cinco capas son las siguientes:

• Exosphere: 700 to 10,000 km (440 to 6,200 millas)
• Termosfera: 80 a 700 km (50 a 440 millas)
• Mesosphere: 50 to 80 km (31 to 50 miles)
• 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 (aunque es tan tenue que algunos científicos la consideran parte del espacio interplanetario en lugar de la atmósfera). Se extiende desde la termopausa (también conocida como "exobase") en la parte superior de la termosfera hasta un límite poco definido con el viento solar y el medio interplanetario. La altitud de la exobase varía de unos 500 kilómetros (310 mi; 1 600 000 pies) a unos 1000 kilómetros (620 mi) en momentos de mayor radiación solar entrante.

El límite superior varía según la definición. Varias autoridades consideran que termina a unos 10.000 kilómetros (6.200 mi) o unos 190.000 kilómetros (120.000 mi), aproximadamente a la mitad de la luna, donde la influencia de la gravedad de la Tierra es casi la misma que la presión de radiación de la luz solar. La geocorona visible en el ultravioleta lejano (causada por hidrógeno neutro) se extiende hasta al menos 100 000 kilómetros (62 000 mi).

Esta capa se compone principalmente de densidades extremadamente bajas de hidrógeno, helio y varias moléculas más pesadas, como 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 chocar entre sí. Por lo tanto, la exosfera ya no se comporta como un gas y las partículas escapan constantemente al espacio. Estas partículas de movimiento libre siguen trayectorias balísticas y pueden migrar dentro y fuera de la magnetosfera o del viento solar. Cada segundo, la Tierra pierde alrededor de 3 kg de hidrógeno, 50 g de helio y cantidades mucho menores de otros componentes.

La exosfera está demasiado lejos de la Tierra para que sean posibles los fenómenos meteorológicos. Sin embargo, las auroras de la Tierra, la aurora boreal (luces del norte) y la aurora austral (luces del sur), a veces ocurren en la parte inferior de la exosfera, donde se superponen con la termosfera. La exosfera contiene muchos de los satélites artificiales que orbitan la Tierra.

Termosfera

La termosfera es la segunda capa más alta de la atmósfera de la Tierra. Se extiende desde la mesopausa (que la separa de la mesosfera) a una altitud de unos 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 pies)). 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 la conoce como exobase. La parte inferior de la termosfera, de 80 a 550 kilómetros (50 a 342 mi) sobre la superficie de la Tierra, contiene la ionosfera.

La temperatura de la termosfera aumenta gradualmente con la altura y puede alcanzar los 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 enrarecido que una molécula individual (de oxígeno, por ejemplo) viaja un promedio de 1 kilómetro (0,62 mi; 3300 pies) entre colisiones con otras moléculas. Aunque la termosfera tiene una alta proporción de moléculas con alta energía, un ser humano no la sentiría caliente en contacto directo, porque 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 mi). Es esta capa donde están presentes muchos de los satélites que orbitan la tierra.

Mesosfera

Afterglow of the troposphere (orange), the stratosphere (blue) and the mesosphere (dark) at which atmospheric entry starts, leaving smoke trails, such as in this case of a spacecraft reentry.

La mesosfera es la tercera capa más alta de la atmósfera terrestre y ocupa la región por encima de la estratosfera y por debajo de la termosfera. Se extiende desde la estratopausa a una altitud de unos 50 km (31 mi; 160 000 ft) hasta la mesopausa a 80–85 km (50–53 mi; 260 000–280 000 ft) sobre el nivel del mar.

Las temperaturas descienden con el aumento de la altitud hasta la mesopausa que marca la parte superior de esta capa intermedia de la atmósfera. Es el lugar más frío de la Tierra y tiene una temperatura promedio de -85 °C (-120 °F; 190 K).

Justo debajo de la mesopausa, el aire es tan frío que incluso el muy escaso vapor de agua a esta altitud puede condensarse en nubes noctilucentes polares-mesosféricas de partículas de hielo. Estas son las nubes más altas de 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 antes del amanecer. Son más fácilmente visibles cuando el Sol está entre 4 y 16 grados por debajo del horizonte. Las descargas inducidas por rayos conocidas como eventos luminosos transitorios (TLE) se forman ocasionalmente 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 alto sobre la Tierra para ser accesible a aviones y globos de propulsión a chorro, y demasiado bajo para permitir el paso de naves espaciales en órbita. Se accede a la mesosfera principalmente mediante cohetes de sondeo y aviones propulsados por cohetes.

Estratosfera

La estratosfera es la segunda capa más baja de la atmósfera de la Tierra. Se encuentra por encima de la troposfera y está separado de ella por la tropopausa. Esta capa se extiende desde la parte superior de la troposfera a aproximadamente 12 km (7,5 mi; 39 000 ft) sobre la superficie de la Tierra hasta la estratopausa a una altitud de aproximadamente 50 a 55 km (31 a 34 mi; 164 000 a 180 000 ft).

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 terrestre 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 ultravioleta (UV) del Sol por parte de la capa de ozono, lo 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 es mucho más cálida y puede estar cerca de los 0 °C.

El perfil de la temperatura estratosférica crea condiciones atmosféricas muy estables, por lo que la estratosfera carece de la turbulencia del aire que produce el clima 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 estratosféricas polares 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 con aviones a reacción.

Troposfera

Una imagen de la troposfera de la Tierra con sus diferentes tipos de nubes de baja a alta altitud arrojando sombras. La luz solar se refleja fuera del océano, después de que se filtrara en una luz rojiza pasando por gran parte de la troposfera al atardecer. La estratósfera de arriba mentirosa se puede ver en el horizonte como una banda de su característico resplandor de la luz solar dispersa azul.

La troposfera es la capa más baja de la atmósfera terrestre. Se extiende desde la superficie de la Tierra hasta una altura media de unos 12 km (7,5 mi; 39 000 ft), aunque esta altitud varía desde unos 9 km (5,6 mi; 30 000 ft) en los polos geográficos hasta 17 km (11 mi; 56,000 ft) en el ecuador, con algunas variaciones debido al clima. La troposfera está delimitada arriba por la tropopausa, un límite marcado en la mayoría de los lugares por una inversión de temperatura (es decir, una capa de aire relativamente caliente sobre una más fría), y en otros por una zona que es isotérmica con la altura.

Aunque se producen variaciones, la temperatura suele disminuir 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 terrestre. La troposfera es más densa que todas sus capas suprayacentes porque un peso atmosférico más grande se asienta sobre 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 inferiores (3,5 mi; 18 000 pies) de la troposfera.

Casi todo el vapor de agua o la humedad atmosféricos se encuentran en la troposfera, por lo que es la capa donde tiene lugar la mayor parte del clima de la Tierra. Tiene básicamente todos los tipos de géneros de nubes asociados con el clima generados por la circulación activa del viento, aunque las nubes de tormenta cumulonimbus muy altas pueden penetrar la tropopausa desde abajo y elevarse a la parte inferior de la estratosfera. La mayor parte de la actividad de la aviación convencional tiene lugar en la troposfera, y es la única capa a la que se puede acceder mediante aeronaves propulsadas por hélice.

Otras capas

La fracción de volumen de los gases principales en la atmósfera terrestre según la altura. El límite entre la homosfera (izquierda) y la heterósfera (derecha) está a unos 100 km. La capa más externa de la exosfera (de la gráfica) está dominada por hidrógeno.

Dentro de las cinco capas principales anteriores, que están determinadas en gran medida por la temperatura, varias capas secundarias pueden distinguirse por otras propiedades:

• La capa de ozono está contenida en la estratosfera. En esta capa las concentraciones de ozono son de aproximadamente 2 a 8 partes por millón, lo que es mucho más alto que en la atmósfera inferior, pero todavía muy pequeña en comparación con los componentes principales de la atmósfera. Se encuentra principalmente en la parte inferior de la estratosfera de unos 15 a 35 km (9.3 a 21,7 mi; 49.000 a 115.000 pies), aunque el espesor varía estacional y geográficamente. Alrededor del 90% del ozono en la atmósfera terrestre está contenido en la estratosfera.
• La ionosfera es una región de la atmósfera ionizada por la radiación solar. Es responsable de las auroras. Durante las horas del día, se extiende de 50 a 1.000 km (31 a 621 mi; 160,000 a 3.280.000 pies) e incluye la mesósfera, la termosfera y partes de la exosfera. Sin embargo, la ionización en la mesósfera cesa en gran medida durante la noche, por lo que las auroras se ven normalmente sólo en la termosfera y la exosfera inferior. La ionosfera forma el borde interior de la magnetosfera. Tiene importancia práctica porque influye, por ejemplo, en la propagación de la radio en la Tierra.
• La homosfera y la heterósfera se definen por si los gases atmosféricos están bien mezclados. La homosfera basada en la superficie incluye la troposfera, la estratosfera, la mesósfera 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 con la turbulencia. Esta capa relativamente homogénea termina en turbopause encontrado a unos 100 km (62 mi; 330.000 pies), el borde mismo del espacio como aceptado por la FAI, que lo sitúa a unos 20 km (12 mi; 66.000 pies) por encima de la menopausia.

Sobre esta altitud se encuentra la heterósfera, que incluye la exosfera y la mayor parte de la termosfera. Aquí, la composición química varía con 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 a los gases estratificar por peso molecular, con los más pesados, como el oxígeno y el nitrógeno, presentes sólo cerca de la parte inferior de la heterósfera. La parte superior de la heterósfera está compuesta casi completamente de hidrógeno, el elemento más ligero.

• La capa de frontera planetaria es la parte de la troposfera que está más cerca de la superficie de la Tierra y está directamente afectada por ella, principalmente a través de la difusión turbulenta. Durante el día la capa de límites planetarios suele estar bien mezclada, mientras que por la noche se vuelve estásticamente estratificada con mezcla débil o intermitente. La profundidad de las capas fronterizas planetarias va desde tan poco como 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), según la referencia.

Propiedades físicas

Comparación del gráfico de Atmósfera Estándar de 1962 de altitud geométrica contra la densidad del aire, la presión, la velocidad del sonido y la temperatura con altitudes aproximadas de diversos objetos.

Presión y espesor

La presión atmosférica media a nivel del mar se define en la atmósfera estándar internacional como 101325 pascales (760,00 Torr; 14,6959 psi; 760,00 mmHg). Esto a veces se denomina unidad de atmósferas estándar (atm). La masa atmosférica total es de 5,1480×10¹⁸ kg (1,135×10¹⁹ lb), alrededor de un 2,5 % menos de lo que se deduciría de la presión media a nivel del mar y de la Tierra' s área de 51007.2 megahectáreas, esta parte siendo desplazada por el terreno montañoso de la Tierra. La presión atmosférica es el peso total del aire por encima de la unidad de área en el punto donde se mide la presión. Por lo tanto, la presión del aire varía con la ubicación y el clima.

Si toda la masa de la atmósfera tuviera una densidad uniforme igual a la densidad del nivel del mar (alrededor de 1,2 kg por m³) desde el nivel del mar hacia arriba, terminaría abruptamente a una altitud de 8,50 km (27,900 pies).

La presión del aire en realidad disminuye exponencialmente con la altitud, cayendo a la mitad cada 5,6 km (18 000 pies) o en un factor de 1/e (0,368) cada 7,64 km (25 100 pies), (esto se denomina altura de escala). para altitudes de alrededor de 70 km (43 mi; 230 000 pies). Sin embargo, la atmósfera se modela con mayor precisión con una ecuación personalizada para cada capa que tiene en cuenta los gradientes de temperatura, la composición molecular, la radiación solar y la gravedad. A alturas de más de 100 km, es posible que la atmósfera ya no esté bien mezclada. Entonces cada especie química tiene su propia altura de escala.

En resumen, la masa de la atmósfera terrestre se distribuye aproximadamente de la siguiente manera:

• 50% es inferior a 5.6 km (18.000 pies).
• El 90% está por debajo de 16 km (52.000 pies).
• 99.99997% es inferior a 100 km (62 mi; 330.000 pies), la línea Kármán. Por convención internacional, esto marca el comienzo del espacio donde los viajeros humanos son considerados astronautas.

En comparación, la cima del monte Everest se encuentra a 8848 m (29 029 pies); los aviones comerciales suelen navegar entre 10 y 13 km (33 000 y 43 000 pies) donde la menor densidad y temperatura del aire mejoran la economía de combustible; los globos meteorológicos alcanzan los 30,4 km (100 000 pies) y más; y el vuelo X-15 más alto en 1963 alcanzó los 108,0 km (354 300 pies).

Incluso por encima de la línea de Kármán, aún ocurren efectos atmosféricos significativos, como las auroras. Los meteoritos comienzan a brillar en esta región, aunque es posible que los más grandes no se quemen hasta que penetren más profundamente. Las diversas capas de la ionosfera de la Tierra, importantes para la propagación de radio HF, comienzan por debajo de los 100 km y se extienden más allá de los 500 km. En comparación, la Estación Espacial Internacional y el transbordador espacial normalmente orbitan entre 350 y 400 km, dentro de la capa F de la ionosfera, donde encuentran suficiente resistencia atmosférica para requerir refuerzos cada pocos meses; de lo contrario, se producirá un decaimiento orbital que dará como resultado un regreso a Tierra. Dependiendo de la actividad solar, los satélites pueden experimentar una notable resistencia atmosférica a altitudes de hasta 700-800 km.

Temperatura

Tener tendencias de temperatura en dos capas gruesas de la atmósfera medida entre enero de 1979 y diciembre de 2005 por unidades de sonido de microondas y unidades avanzadas de sonido de microondas en satélites meteorológicos NOAA. Los instrumentos registran microondas emitidas por moléculas de oxígeno en la atmósfera. Fuente:

La división de la atmósfera en capas principalmente por referencia a la temperatura se discutió anteriormente. La temperatura disminuye con la altitud a partir del nivel del mar, pero las variaciones en esta tendencia comienzan por encima de los 11 km, donde la temperatura se estabiliza en 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 una cantidad significativa de radiación ultravioleta del Sol por el gas de dioxígeno y ozono en esta región. Otra región más de temperatura creciente con la altitud ocurre a altitudes muy altas, en la termósfera acertadamente llamada por encima de los 90 km.

Velocidad del sonido

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 la densidad, la velocidad del sonido en la atmósfera con la altitud toma la forma de un perfil de temperatura complicado (vea la ilustración a la derecha), y no refleja cambios altitudinales en densidad o presión.

Densidad y masa

Temperatura y densidad de masa contra la altitud del modelo de atmósfera estándar NRLMSISE-00 (las ocho líneas punteadas en cada "década" están en los ocho cubos 8, 27, 64,..., 729)

La densidad del aire al nivel del mar es de aproximadamente 1,2 kg/m³ (1,2 g/L, 0,0012 g/cm³). La densidad no se mide directamente, sino que se calcula a partir de mediciones de temperatura, presión y humedad utilizando la ecuación de estado del 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 usando la fórmula barométrica. Se utilizan modelos más sofisticados para predecir el decaimiento orbital de los satélites.

La masa promedio de la atmósfera es de aproximadamente 5 cuatrillones (5×10¹⁵) toneladas o 1/1,200,000 la masa de la Tierra. Según el Centro Nacional Estadounidense para la Investigación Atmosférica, "La masa media total de la atmósfera es 5,1480×10¹⁸ kg con un rango anual debido al vapor de agua de 1,2 o 1,5×10¹⁵ kg, según se utilicen datos de presión superficial o de vapor de agua; algo menor que la estimación anterior. La masa media de vapor de agua se estima en 1,27×10¹⁶ kg y la masa de aire seco como 5.1352 ±0.0003×10¹⁸ kg."

Propiedades tabuladas

Tabla de propiedades físicas y térmicas del aire a presión atmosférica:

Propiedades ópticas

La radiación solar (o luz solar) es la energía que la Tierra recibe del Sol. La Tierra también emite radiación hacia el espacio, pero en longitudes de onda más largas que los humanos no pueden ver. Parte de la radiación entrante y emitida es absorbida o reflejada por la atmósfera. En mayo de 2017, se descubrió que los destellos de luz, vistos desde un satélite en órbita a un millón de millas de distancia, eran luz reflejada de los cristales de hielo en la atmósfera.

Dispersión

Cuando la luz atraviesa 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 ves si miras directamente al Sol. La radiación indirecta es la 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 alcance, 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). Por eso el cielo se ve azul; está viendo una luz azul dispersa. Esta es también la razón por la cual las puestas de sol son rojas. Debido a que el Sol está cerca del horizonte, los rayos del Sol atraviesan más atmósfera de lo normal antes de llegar a su ojo. Gran parte de la luz azul se ha dispersado, dejando la luz roja en una puesta de sol.

Absorción

Parcela aproximada de la transmitancia atmosférica de la Tierra (o opacidad) a varias longitudes de onda de radiación electromagnética, incluyendo luz visible.

Diferentes moléculas absorben diferentes longitudes de onda de radiación. Por ejemplo, O₂ y O₃ absorben casi toda la radiación con longitudes de onda inferiores a 300 nanómetros. El agua (H₂O) se absorbe en 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 sólo ciertas bandas de luz. La ventana óptica va desde alrededor de 300 nm (ultravioleta-C) hasta el rango que los humanos pueden ver, el espectro visible (comúnmente llamado luz), aproximadamente entre 400 y 700 nm y continúa hasta el infrarrojo hasta alrededor de 1100 nm. También hay ventanas infrarrojas y de radio que transmiten algunas ondas infrarrojas y de radio en longitudes de onda más largas. Por ejemplo, la ventana de radio va desde ondas de aproximadamente un centímetro a aproximadamente once metros.

Emisión

Emisión es lo opuesto a absorción, es cuando un objeto emite radiación. Los objetos tienden a emitir cantidades y longitudes de onda de radiación dependiendo de su "cuerpo negro" curvas de emisión, 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 6000 K (5730 °C; 10 340 °F), su radiación alcanza su punto máximo cerca de los 500 nm y es visible para el ojo humano. La temperatura de la Tierra es de aproximadamente 290 K (17 °C; 62 °F), por lo que su radiación alcanza su punto máximo cerca de los 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 las noches despejadas, la superficie de la Tierra se enfría más rápido que en las noches nubladas. Esto se debe a que las nubes (H₂O) son fuertes absorbentes y emisores de radiación infrarroja. Esta es también la razón por la que hace más frío 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 CO₂ y H₂O.

Índice de refracción

Efecto distortivo de la refracción atmosférica sobre la forma del sol en el horizonte.

El índice de refracción del aire es cercano a 1, pero apenas mayor. Las variaciones sistemáticas en el índice de refracción pueden conducir a la curvatura de los rayos de luz en trayectorias ópticas largas. Un ejemplo es que, en algunas circunstancias, los observadores a bordo de los barcos pueden ver otros barcos 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, lo que da lugar a efectos de refracción cuando el gradiente de temperatura es grande. Un ejemplo de tales efectos es el espejismo.

Circulación

Una vista idealizada de tres pares de grandes células de circulación.

La circulación atmosférica es el movimiento a gran escala del aire a través de la troposfera y el medio (junto con la circulación oceánica) por el cual el calor se distribuye 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 terrestre

Atmósfera más antigua

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), en particular vapor de agua, metano y amoníaco.

Segunda atmósfera

La desgasificación del vulcanismo, complementada con gases producidos durante el intenso bombardeo tardío de la Tierra por parte de enormes asteroides, produjo la siguiente atmósfera, que consiste principalmente en nitrógeno, dióxido de carbono y gases inertes. Una parte importante de las emisiones de dióxido de carbono se disolvió en el agua y reaccionó con metales como el calcio y el magnesio durante la meteorización 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 3400 millones de años, el nitrógeno formaba la mayor parte de la entonces estable 'segunda atmósfera'. La influencia de la vida debe tenerse en cuenta bastante pronto en la historia de la atmósfera porque los indicios de las primeras formas de vida aparecen ya 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 primitivo emitía un 30% menos de radiación solar que hoy, es un enigma conocido como la "paradoja del Sol joven y débil".

Sin embargo, el registro geológico muestra una superficie continua relativamente cálida durante todo el registro temprano de temperatura de la Tierra, con la excepción de una fase glacial fría hace unos 2400 millones de años. A finales del Eón Arcaico comenzó a desarrollarse una atmósfera que contenía oxígeno, aparentemente producida por cianobacterias fotosintéticas (ver Gran evento de oxigenación), que se han encontrado como fósiles de estromatolitos de hace 2.700 millones de años. La isotopía básica temprana del carbono (proporciones de relación de isótopos) sugiere fuertemente condiciones similares a las actuales, y que las características fundamentales del ciclo del carbono se establecieron hace 4 mil millones de años.

Sedimentos antiguos en Gabón que datan de hace entre 2150 y 2080 millones de años proporcionan un registro de la evolución de la oxigenación dinámica de la Tierra. Estas fluctuaciones en la oxigenación probablemente fueron impulsadas por la excursión del isótopo de carbono de Lomagundi.

Tercera atmósfera

Contenido de oxígeno de la atmósfera durante los últimos mil millones de años

La constante reorganización de los continentes por 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 existió en la atmósfera hasta hace unos 2.400 millones de años durante el Gran Evento de Oxigenación y su aparición está indicada por el final de las formaciones de bandas de hierro.

Antes de este tiempo, el oxígeno producido por la fotosíntesis se consumía por la oxidación de materiales reducidos, especialmente el hierro. Las moléculas de oxígeno libre no comenzaron a acumularse en la atmósfera hasta que la tasa 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. El O₂ mostró grandes variaciones hasta alcanzar un estado estacionario superior al 15% a finales del Precámbrico. El siguiente lapso de tiempo desde hace 539 millones de años hasta la actualidad es el Eón fanerozoico, durante el período más temprano del cual, comenzaron a aparecer las formas de vida metazoarias del Cámbrico que requieren oxígeno.

La cantidad de oxígeno en la atmósfera ha fluctuado durante los últimos 600 millones de años, alcanzando un pico de alrededor del 30 % hace unos 280 millones de años, significativamente más alto que el 21 % actual. Dos procesos principales rigen los cambios en la atmósfera: las plantas usan dióxido de carbono de la atmósfera y liberan oxígeno, y luego las plantas usan algo de oxígeno por la noche mediante el proceso de fotorrespiración, mientras que el oxígeno restante se usa para descomponer el material orgánico. La descomposición de la pirita y las erupciones volcánicas liberan azufre a la atmósfera, que reacciona con el oxígeno y, por lo tanto, reduce su cantidad en la atmósfera. Sin embargo, las erupciones volcánicas también liberan dióxido de carbono, que las plantas pueden convertir en oxígeno. Se desconoce la causa de la variación de la cantidad de oxígeno en la atmósfera. Los períodos con mucho oxígeno en la atmósfera están asociados con el rápido desarrollo de los animales.

Contaminación del aire

La contaminación del aire es la introducción en la atmósfera de productos químicos, partículas o materiales biológicos que causan daño o malestar a los organismos. El agotamiento del ozono estratosférico es causado por la contaminación del aire, principalmente por los clorofluorocarbonos y otras sustancias que agotan el ozono.

Desde 1750, la actividad humana ha aumentado las concentraciones de varios gases de efecto invernadero, sobre todo dióxido de carbono, metano y óxido nitroso. Este aumento ha provocado un aumento observado en las temperaturas globales. Las temperaturas superficiales medias mundiales fueron 1,1 °C más altas en la década de 2011 a 2020 que en 1850.

Imágenes desde el espacio

El 19 de octubre de 2015, la NASA abrió un sitio web que contiene imágenes diarias del lado de la Tierra completamente iluminado por el sol en https://epic.gsfc.nasa.gov/. Las imágenes se tomaron del Observatorio Climático del Espacio Profundo (DSCOVR) y muestran a la Tierra mientras gira durante un día.