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Oct 14 2013

La atmósfera terrestre: Estructura

[Este artículo participa en la XLV edición del Carnaval de la Física, alojado en esta ocasión por el blog Cuantos y cuerdas]


Tal y como indicamos en un artículo anterior (ver artículo “La atmósfera terrestre: Origen y composición“), vamos a tratar ahora la estructura de la atmósfera. Recordemos que el 99% de la masa atmosférica terrestre se encuentra en los primero 30 kilómetros de altura (a partir de la superficie) y que estos 30 kilómetros representan únicamente un 0,5% del radio terrestre. También indicamos que su límite superior no está bien definido, pues la densidad de la atmósfera se reduce progresivamente, y es difícil elegir un punto a partir del cual podemos considerar que la densidad es lo suficientemente baja como para considerar que no hay atmósfera. Sin embargo, se suele tender a considerar dicho límite en unos 500 kilómetros sobre la superficie. En este artículo vamos a viajar capa a capa, hasta llegar al espacio exterior.
Dado que los gases son compresibles, la gravedad terrestre actúa sobre la atmósfera comprimiéndola. De este modo la densidad disminuye con la altitud. Esto tiene además otras implicaciones. Si recordamos la ley de los gases ideales, y que viene dada por PV=nRT, la variación de la densidad influirá en la temperatura y presión de la atmósfera. Estas variaciones crearán condiciones diferentes en la atmósfera, y por lo tanto se crearan capas diferenciadas.
En concreto estas capas son distinguibles gracias a la variación de la temperatura con la altura. Definimos el gradiente de temperatura como el ritmo de cambio de la misma al variar la altura. Si el gradiente es negativo implica un enfriamiento, mientras que habrá un calentamiento si el gradiente es positivo. Las capas las diferenciaremos en función del cambio de signo del gradiente.

Estructura en capas

1.- Troposfera

Es la primera capa de la atmósfera, llegando hasta lo 10 kilómetros sobre la superficie (en concreto 8 kilómetros en los polos y 12 kilómetros en el ecuador). En esta capa, que constituye el 80% de la masa atmosférica total, se dan la mayor parte de los fenómenos de interés atmosférico. En esta región, el gradiente de temperatura es de -6,5 K/Km (la temperatura disminuye 6,5 K [*] cada kilómetro).
2.- Estratosfera
Esta capa se extiende desde los 11 kilómetros a los 50 kilómetros de altitud. Ahora el gradiente de temperatura cambia de signo, por lo que aumenta la temperatura (inversión térmica). Puede parecer extraño que aumente la temperatura cuando debería ser más fría a medida que nos acercamos al espacio exterior, pero en esta región, el ozono absorbe los rayos ultravioletas procedentes del Sol. Dicha absorción, provoca que las moléculas tengan mayor energía, aumentando la temperatura (recordemos que la temperatura es función de la energía cinética del átomo o molécula). Constituye el 19,9% de la masa atmosférica total, y en ella disminuye la presencia de gases traza y vapor de agua. Esta disminución del vapor de agua es la causante de la prácticamente nula presencia de nubes en la estratosfera.
3.- Mesosfera
Una nueva inversión térmica vuelve a ocurrir debido a la disminución de la presencia de ozono. El gradiente de temperatura vuelve a ser negativo y desciende la temperatura con la altitud. La mesosfera se extiende hasta los 85 kilómetros de altitud y su parte superior tiene una temperatura que ronda los 200 K.
4.- Termosfera
Es la última capa atmosférica y viene dada por una nueva inversión térmica, en esta ocasión creada como consecuencia de la energía liberada en la disociación molecular que ocurre a causa de la acción de los rayos cósmicos y los fotones de alta energía procedentes del Sol. Se llegan a alcanzar temperaturas muy altas y esta disociación crea partículas cargadas, dando lugar a la ionosfera. Esta región atmosférica es de especial interés para las telecomunicaciones y la trataremos en detalle en el siguiente párrafo.
La termosfera es un filtro de la radiación solar más energética y fundamental para proteger la vida. Se extiende hasta los 200 kilómetros, aunque la atmósfera podría considerarse que llega hasta los 500 kilómetros. Este límite es difícil de establecer pues depende del criterio para determinar un valor de la densidad considerado como espacio exterior.

La ionosfera y las telecomunicaciones

Appleton descubrió la ecuación que describe el paso de las ondas de radio a través de la ionosfera. La ionosfera consiste en varias capas de ionización, incrementándose el número de partículas ionizadas a medida que se asciende. La densidad de electrones incrementa con la altura, a la vez que la frecuencia plasma. La primera capa, que está a 90 kilómetros de la superficie, es la causante de que los meteroides procedentes del espacio al friccionar con la atmósfera terrestre se conviertan en los conocidos meteoros, y no solo existe esta capa atmosférica en la Tierra, también la hay en Marte.
Cada capa atmosférica tiene un diferente índice de refracción, y por ello las ondas de radio son desviadas. La luz es una onda electromagnética que se mueve a velocidad c (aproximadamente 300.000 kms/s), pero en un medio diferente al vacío se mueve a una velocidad v tal que v<c. El índice de refracción en el medio es:
      n=c/v
n varía con la frecuencia, con lo cual la luz puede ser dispersada pasando a través de los componentes de un material: la dirección de los rayos cambian. Se define i como el ángulo de incidencia y r el ángulo de refracción. Así, por la ley de Snell tendremos:
      n=sen(i)/sen(r)
donde sen identifica la función seno. Las ondas de radio son refractadas por la capa atmosférica superior ionizada del mismo modo que le ocurre a la luz:
      n=sqrt(1-(f(n)^2)/(f^2))
donde sqrt identifica la función raíz cuadrada y ^2 indica “elevado al cuadrado”. f(n) es la frecuencia plasma del electrón y f la frecuencia de propagación de las ondas de radio. Incluso si la onda de radio atraviesa varias capas, puede ser finalmente reflejada: La onda de radio será reflejada a una altura en la cual sea igual la frecuencia de la señal de onda de radio y la frecuencia plasma. Este principio ayuda a determinar la ionización de la atmósfera.
[*] Nota: 0 K equivale a -273,15 grados celsius


[Este artículo participa en la XLV edición del Carnaval de la Física, alojado en esta ocasión por el blog Cuantos y cuerdas]

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