7° grado · Ciencias de la Naturaleza y de la Salud
La ecología · Las capas fluidas de la Tierra
La atmósfera
El aire y su composición Las capas de la atmósfera La temperatura cambia con la altura La presión atmosférica Por qué la atmósfera es imprescindible El efecto invernadero Resumen
En este apartado vas a conocer de qué gases está hecho el aire, de los que dependen la fotosíntesis y la respiración (O₂ y CO₂), y cómo la atmósfera protege la vida en la Tierra.
Un fin de semana viajás en colectivo desde Asunción hasta Paraguarí y subís al cerro Santo Tomás o a Ybycuí, a unos cientos de metros más arriba. Notás que sopla más fresco y que el aire se siente distinto. Estás atravesando una capa de gases que envuelve todo el planeta: la atmósfera. Sin ella, la Tierra sería un desierto abrasador de día y helado de noche.
El aire y su composición
Sentís el viento en la cara en la Costanera de Asunción, ves cómo se infla la vela de un velero en el lago Ypacaraí y notás la resistencia al empujar el émbolo de una jeringa tapada. ¿De qué está hecha esa mezcla invisible que llamamos aire?
La atmósfera es la capa de gases que envuelve la Tierra, retenida por la gravedad. El aire que respirás es una mezcla de gases; sin contar el vapor de agua, que varía mucho, sus proporciones son casi las mismas en toda la parte baja de la atmósfera.
Diagrama de bloques con las proporciones de los gases del aire seco: 78 % nitrógeno, 21 % oxígeno y 1 % otros gases
Nitrógeno
78 %
Oxígeno
21 %
otros gases 1 %
El nitrógeno ($\mathrm{N_2}$) ocupa un $78\,\%$ del aire y es poco reactivo. El oxígeno ($\mathrm{O_2}$), un $21\,\%$, es el que usan los seres vivos para respirar. El resto ($1\,\%$) son otros gases: argón, dióxido de carbono ($\mathrm{CO_2}$), metano ($\mathrm{CH_4}$)… Aunque sean poquísimos, algunos de ellos son decisivos para el clima. El vapor de agua no entra en estas proporciones: varía tanto de un lugar a otro que se cuenta aparte.
A diferencia del nitrógeno o el oxígeno, la cantidad de vapor de agua cambia mucho de un lugar a otro. En un día húmedo y bochornoso en Asunción hay mucho más vapor de agua que en un día seco de invierno en Villarrica. Aunque sea minoritario, el vapor de agua es clave para que se formen nubes y llueva.
Si analizás una muestra de aire en Encarnación un día de lluvia y otra en un día muy seco, ¿qué gas mostrará la variación más grande?
Ver respuesta El vapor de agua, porque depende de la evaporación y de la humedad local, mientras que el nitrógeno y el oxígeno mantienen casi las mismas proporciones.
Respiramos aire, no oxígeno puro: el gas más abundante en el aire que entra y sale de tus pulmones es el nitrógeno, aunque tu cuerpo solo aproveche el oxígeno.
★☆☆ Sin empezar
El aire está formado aproximadamente por un 78 % de nitrógeno, un 21 % de oxígeno y un 1 % de otros gases (argón, dióxido de carbono, vapor de agua…). Ordená estos… El aire está formado aproximadamente por un 78 % de nitrógeno, un 21 % de oxígeno y un 1 % de otros gases (argón, dióxido de carbono, vapor de agua…). Ordená estos componentes de mayor a menor proporción y representá los datos con un gráfico de barras sencillo.
Podés hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.
Resolver
★☆☆ Sin empezar
Nombrá los dos gases mayoritarios del aire e indicá su proporción aproximada. Nombrá los dos gases mayoritarios del aire e indicá su proporción aproximada.
Resolver
★★☆ Sin empezar
El vapor de agua es un componente variable del aire. Explicá qué ocurre cuando una masa de aire húmedo asciende y se enfría, y relacionalo con la formación de nubes. El vapor de agua es un componente variable del aire. Explicá qué ocurre cuando una masa de aire húmedo asciende y se enfría, y relacionalo con la formación de nubes.
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Las capas de la atmósfera
Según su altura y sus características, la atmósfera se divide en cinco capas: troposfera , estratosfera , mesosfera , termosfera y, la más externa, la exosfera , que se funde con el espacio.
Diagrama esquemático de las cinco capas de la atmósfera ordenadas por altitud: troposfera (0-12 km), estratosfera (12-50 km) con la capa de ozono, mesosfera (50-80 km), termosfera (80-600 km) y exosfera, que se funde con el espacio
espacio
aire muy enrarecido
aire muy enrarecido
los meteoroides se desintegran
capa de ozono
tiempo atmosférico
alturas no a escala
exosfera
termosfera
mesosfera
estratosfera
troposfera
superficie
600 km
80 km
50 km
12 km
0 km
En la troposfera ocurre el tiempo atmosférico (nubes, lluvia, viento): es la capa donde vivimos. La estratosfera contiene la capa de ozono , que absorbe la radiación ultravioleta del Sol. En la mesosfera se desintegran la mayoría de los meteoroides. La termosfera y la exosfera tienen aire extremadamente enrarecido.
¿Por qué? El tiempo atmosférico ocurre en la troposfera porque esta capa concentra casi todo el vapor de agua y alrededor del $80\,\%$ de la masa de la atmósfera.
Un avión comercial que sale del aeropuerto Silvio Pettirossi vuela a unos 11 km de altura: está en la troposfera . La Estación Espacial Internacional orbita a unos 400 km: se mueve en la termosfera . Entre ambos quedan la estratosfera y la mesosfera.
Si un meteoroide se desintegra formando una estrella fugaz a 80 km de altura, ¿está más cerca de un avión comercial o de la Estación Espacial?
Ver respuesta Del avión: 80 km está a unos 70 km por encima de él, pero a unos 320 km por debajo de la Estación Espacial.
Es justo al revés: la troposfera es la más próxima a la superficie y la exosfera es la más externa, casi mezclada con el espacio.
La temperatura cambia con la altura
En la troposfera, la temperatura desciende al subir (por eso hace más frío en lo alto de un cerro que en el valle). En la estratosfera ocurre lo contrario: la temperatura aumenta con la altura, porque la capa de ozono absorbe radiación ultravioleta y se calienta.
¿Por qué? El aire de la troposfera absorbe poca luz del Sol directamente; se calienta desde abajo, por el calor que desprende el suelo después de absorber la radiación solar. Cuanto más lejos del suelo, más frío.
Gráfica de temperatura frente a altitud que muestra el enfriamiento en la troposfera hasta la tropopausa y el posterior calentamiento en la estratosfera
temperatura
altitud
superficie
tropopausa
estratosfera
Más arriba el patrón cambia otra vez. En la mesosfera la temperatura vuelve a bajar con la altura, hasta unos $-90$ °C cerca de los 80 km: ya no hay ozono que caliente el aire. En la termosfera vuelve a subir mucho, porque el poco gas que hay absorbe la radiación más energética del Sol. Así, la temperatura baja (troposfera), sube (estratosfera), baja (mesosfera) y sube (termosfera). Cada cambio de tendencia marca el límite entre dos capas.
En la estratosfera la temperatura sube con la altura: es una inversión térmica . El aire caliente queda arriba y el frío abajo, así que no se forman corrientes de convección: el aire es muy estable y no hay tormentas. Por eso los aviones de larga distancia vuelan en el límite inferior de esta capa, sin turbulencias.
★★☆ Sin empezar
Al ascender por una montaña la temperatura desciende, aunque estemos más cerca del Sol. Explicá a qué capa de la atmósfera corresponde ese descenso de temperatura y… Al ascender por una montaña la temperatura desciende, aunque estemos más cerca del Sol. Explicá a qué capa de la atmósfera corresponde ese descenso de temperatura y razoná por qué la cima de una montaña alta está fría.
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★★★ Sin empezar
En la troposfera, el aire se mezcla con facilidad mediante corrientes de convección porque se enfría con la altura. En cambio, en la estratosfera la temperatura sube… En la troposfera, el aire se mezcla con facilidad mediante corrientes de convección porque se enfría con la altura. En cambio, en la estratosfera la temperatura sube desde unos −56 °C a 15 km hasta casi 0 °C a 50 km. Justificá la causa física de este calentamiento con la altitud y predecí qué consecuencias tiene esta inversión térmica sobre la estabilidad del aire y la formación de tormentas, explicando por qué los vuelos comerciales de larga distancia prefieren desplazarse en el límite inferior de esta capa.
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Un globo sonda registra 15 °C en la superficie y −50 °C a 10 km: va subiendo por la troposfera y se enfría. Más arriba, a 45 km, marca 0 °C: ya está en la estratosfera, calentada por la capa de ozono, y la temperatura ha vuelto a subir. A 70 km marca −80 °C: ha cruzado a la mesosfera y se enfría otra vez.
¿Cómo sabe el personal de meteorología que el globo entró en la estratosfera solo con el registro de temperatura?
Ver respuesta En el punto en que el termómetro deja de marcar temperaturas cada vez más bajas y empieza a registrar un aumento.
La presión atmosférica
Cuando pegás una ventosa en un vidrio o tomás una gaseosa con sorbete, parece actuar un tirón misterioso. ¿Qué fuerza empuja con tanta firmeza sobre todos los cuerpos de la superficie terrestre?
La presión atmosférica es el peso del aire que hay sobre un punto de la superficie. Es máxima a nivel del mar, porque ahí hay toda la columna de aire encima, y disminuye al subir, porque queda menos aire encima. Se mide en hPa o en atm: al nivel del mar es de unos $1\,013$ hPa ($1$ atm), como en la costa; en una ciudad de gran altura de los Andes es bastante menor.
Tres columnas de aire sobre una montaña: nivel del mar, ladera y cumbre. Cuanto más bajo el punto, más alta la columna de aire encima y mayor la presión
nivel del mar
presión alta
ladera: presión media
cumbre
presión baja
Al disminuir la presión con la altura, el aire está menos «comprimido»: cada bocanada contiene menos moléculas de oxígeno que a nivel del mar, aunque el porcentaje ($21\,\%$) sea el mismo.
¿Por qué? Al subir queda menos columna de aire encima; hay menos masa de gas empujando hacia abajo por la gravedad, así que la presión se reduce.
El aire tiene masa, y por eso pesa: la columna de aire sobre tu cabeza empuja con la presión atmosférica. Una botella cerrada en la cumbre guarda aire a baja presión; al bajar, la presión de afuera es mayor y la aplasta. Si se cierra abajo y se sube, se infla.
Al subir deprisa a gran altura, el cuerpo no alcanza a adaptarse al menor oxígeno disponible. Por eso quienes suben a montañas muy altas lo hacen por etapas: así el cuerpo tiene tiempo de fabricar más glóbulos rojos antes de llegar a la cumbre.
El porcentaje de oxígeno sigue siendo $21\,\%$ en lo alto de una montaña; lo que disminuye es la presión y la densidad del aire, así que en cada inhalación entra menos cantidad total de gas.
Comprás una bolsa cerrada de papas fritas en Asunción y subís en colectivo hasta un paso de la cordillera a 3.000 metros. ¿Qué observás en la bolsa?
Ver respuesta La bolsa se infla, porque la presión del aire exterior disminuye con la altura, mientras que el aire atrapado dentro sigue empujando con la presión de la costa.
Por qué la atmósfera es imprescindible
La atmósfera contiene el oxígeno que respiramos y el dióxido de carbono que usan las plantas para la fotosíntesis, filtra la radiación ultravioleta dañina gracias a la capa de ozono y retiene el calor , evitando cambios extremos de temperatura entre el día y la noche (efecto invernadero natural).
Tres funciones de la atmósfera: la capa de ozono frena los rayos ultravioleta del Sol, el aire aporta oxígeno a un árbol y a una persona, y de noche la atmósfera devuelve parte del calor que emite el suelo
capa de ozono
UV frenados
O₂
O₂
Filtrar los UV
Aportar oxígeno
Retener calor
La Luna apenas tiene atmósfera. De día, sin nada que filtre la radiación solar, la superficie se calienta muchísimo; de noche, sin nada que retenga el calor, se enfría de golpe. Además, sin oxígeno en el aire ni capa de ozono, la vida tal como la conocemos no sería posible.
¿Por qué una persona que viaja a la Luna necesita un traje con aislamiento térmico y suministro de oxígeno?
Ver respuesta Porque sin atmósfera no hay efecto invernadero natural que regule las temperaturas (pasa de un día abrasador a una noche helada) ni oxígeno para respirar.
Científicos como el químico Mario Molina demostraron que ciertos gases de uso industrial (los CFC, de heladeras y aerosoles) destruyen el ozono. Gracias a ese trabajo se prohibieron en el mundo, y la capa de ozono comenzó a recuperarse. Paraguay también cumple con ese acuerdo internacional. Si la capa de ozono se adelgaza, llega más radiación ultravioleta a la superficie, y eso daña la piel y los ojos y perjudica a las plantas.
★★☆ Sin empezar
¿Qué es la capa de ozono, en qué capa de la atmósfera se encuentra y por qué preocupa su deterioro? ¿Qué es la capa de ozono, en qué capa de la atmósfera se encuentra y por qué preocupa su deterioro?
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Al quemar combustibles (autos, industrias, quema de pastizales) se liberan óxidos de azufre y de nitrógeno. Se combinan con el vapor de agua de la atmósfera y vuelven al suelo como lluvia ácida , que daña los bosques, los suelos, los ríos y los lagos como el Ypacaraí, y deteriora monumentos y edificios. Es otro problema de contaminación del aire, distinto del efecto invernadero y de la capa de ozono.
El efecto invernadero
Un auto cerrado al sol en un estacionamiento de Asunción se calienta mucho más por dentro que el aire de la calle. La luz entra por los vidrios, pero el calor sale con dificultad. La atmósfera hace algo parecido con la Tierra. ¿Cómo lo logra si casi todo el aire es nitrógeno y oxígeno?
Primero, tres palabras que no son lo mismo:
Temperatura: mide qué tan calientes están las partículas de un cuerpo (se da en °C o K). Calor: energía que pasa de un cuerpo más caliente a uno más frío. Radiación: energía que viaja en forma de ondas electromagnéticas (luz visible, ultravioleta, infrarroja) y puede cruzar el vacío; así llega la energía del Sol.
La radiación del Sol (sobre todo luz visible) atraviesa la atmósfera y calienta el suelo y el mar.
La superficie devuelve esa energía como radiación infrarroja .
Los gases de efecto invernadero ($\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{N_2O}$ y el vapor de agua) absorben parte del infrarrojo y lo vuelven a emitir, también hacia el suelo.
El resultado: la superficie se mantiene más caliente de lo que estaría sin ellos.
¿Por qué solo ellos? El nitrógeno y el oxígeno dejan pasar casi sin absorber la radiación infrarroja; las moléculas de $\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$ y de agua sí la absorben.
Efecto invernadero: la luz del Sol atraviesa la atmósfera y calienta el suelo; el suelo emite infrarrojo, una parte escapa al espacio y otra es absorbida por los gases de efecto invernadero y devuelta hacia el suelo
luz del Sol
escapa al espacio
gases de efecto invernadero
infrarrojo
devuelto
suelo y mar
El efecto invernadero natural es bueno: sin él, la temperatura media de la Tierra sería de unos $-18$ °C en vez de unos $15$ °C. El problema es el efecto intensificado : al quemar petróleo, gas y carbón, talar bosques y criar ganado, la actividad humana añade más $\mathrm{CO_2}$ y $\mathrm{CH_4}$. Con más gases se retiene más calor y la temperatura media aumenta (calentamiento global). Tampoco lo confundás con el agujero de la capa de ozono: son fenómenos distintos.
Un compañero dice: «El $\mathrm{CO_2}$ es solo el $0{,}04\,\%$ del aire; no puede cambiar el clima. El nitrógeno, que es el $78\,\%$, es el que atrapa el calor». ¿Qué le respondés?
Ver respuesta Lo que importa no es la cantidad, sino cómo interactúa cada gas con la radiación. El nitrógeno y el oxígeno dejan pasar el infrarrojo; el $\mathrm{CO_2}$ lo absorbe y lo devuelve al suelo. Un poco más de $\mathrm{CO_2}$ retiene más calor, y sin gases de efecto invernadero la Tierra sería mucho más fría (en torno a $-18$ °C).
Volvé al principio: al subir al cerro hace más fresco porque en la troposfera la temperatura disminuye con la altura, y en alturas mucho mayores falta el aire porque a menor presión cada respiración trae menos moléculas de oxígeno.
Resumen
El aire seco es una mezcla de gases: 78 % nitrógeno , 21 % oxígeno y 1 % otros gases (argón, $\mathrm{CO_2}$…). El vapor de agua es variable y se cuenta aparte.
La atmósfera tiene cinco capas: troposfera (tiempo atmosférico), estratosfera (capa de ozono), mesosfera , termosfera y exosfera .
La temperatura baja en la troposfera, sube en la estratosfera (ozono), baja en la mesosfera y sube en la termosfera.
La presión atmosférica disminuye al subir, así que hay menos oxígeno disponible en cada respiración.
La atmósfera aporta oxígeno, filtra los rayos ultravioleta y retiene calor.
En el efecto invernadero, los gases $\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{N_2O}$ y vapor de agua absorben el infrarrojo que emite el suelo; la actividad humana lo intensifica.
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