2do año · Ciencias Naturales
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
Un fin de semana viajas en autobús de Mérida hacia el páramo y subes en el teleférico Mukumbarí hacia el pico Bolívar, que supera los 4.900 m. Notas que hace mucho más frío 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
Sientes el viento en la cara en la playa, ves cómo se infla la vela de un bote en la isla de Margarita y notas 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 respiras 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 en Maracaibo hay mucho más vapor de agua que en un día seco y ventoso en los Médanos de Coro. Aunque sea minoritario, el vapor de agua es clave para que se formen nubes y llueva.
Si analizas una muestra de aire en Puerto La Cruz 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…). Ordena 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…). Ordena estos componentes de mayor a menor proporción y representa los datos con un gráfico de barras sencillo.
Puedes hacerlo en una hoja y enviar una foto con tu respuesta.
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★☆☆ Sin empezar
Nombra los dos gases mayoritarios del aire e indica su proporción aproximada. Nombra los dos gases mayoritarios del aire e indica su proporción aproximada.
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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 de Maiquetía 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 el páramo andino que en la costa del Caribe). 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.
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 del INAMEH 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 pegas una ventosa en un vidrio o tomas un refresco con pitillo, 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 mmHg o en atm: al nivel del mar es de unos $760$ mmHg ($1$ atm), como en La Guaira; en una ciudad de gran altura de los Andes venezolanos 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.
Al subir deprisa a gran altura, el cuerpo no alcanza a adaptarse al menor oxígeno disponible. Por eso quienes suben al pico Bolívar, en los Andes de Mérida, lo hacen por etapas: así el cuerpo fabrica 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.
Compras una bolsa cerrada de papas fritas en Caracas y subes en autobús hasta un paso de los Andes a 3.000 metros. ¿Qué observas 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.
Un globo vacío y el mismo globo inflado se pesan en una balanza sensible.
El globo inflado pesa un poco más: el aire tiene masa, y por eso tiene peso.
Sobre cada punto de la superficie hay una columna de aire que llega hasta el espacio; su peso es la presión atmosférica.
Si subes, la columna es más corta y la presión baja. Una botella cerrada en la cumbre guarda aire a baja presión; al bajar, la presión de afuera es mayor y la aplasta. Si la cierras abajo y subes, ocurre lo contrario: el aire interior empuja más que el exterior y la botella se infla.
Explica por qué una botella cerrada en la cumbre se aplasta al bajar, aunque nadie la apriete.
Siguiente paso (1/5) ★☆☆ Sin empezar
Explica con tus palabras qué es la presión atmosférica y razona por qué es menor en la cima de una montaña que a nivel del mar. Explica con tus palabras qué es la presión atmosférica y razona por qué es menor en la cima de una montaña que a nivel del mar.
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★★☆ Sin empezar
En alta montaña, cada respiración aporta menos oxígeno que a nivel del mar. Explica qué relación tiene ese hecho con la presión atmosférica y por qué los alpinistas… En alta montaña, cada respiración aporta menos oxígeno que a nivel del mar. Explica qué relación tiene ese hecho con la presión atmosférica y por qué los alpinistas necesitan aclimatarse durante días antes de subir a una cumbre muy alta.
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★★★ Sin empezar
Un excursionista cierra herméticamente una botella de plástico flexible en la cumbre de una montaña a 3000 m de altitud. Al descender a la playa, observa que la botella… Un excursionista cierra herméticamente una botella de plástico flexible en la cumbre de una montaña a 3000 m de altitud. Al descender a la playa, observa que la botella se ha deformado y está completamente aplastada. Justifica este suceso rebatiendo la idea de que «el aire no pesa» a partir del concepto de masa y columna de aire, y predice razonadamente qué le ocurriría a esa misma botella si se cerrara en la playa y se ascendiera de nuevo a la cumbre.
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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 neveras y aerosoles) destruyen el ozono. Gracias a ese trabajo se prohibieron en el mundo, y la capa de ozono comenzó a recuperarse. Venezuela también forma parte de ese acuerdo internacional, el Protocolo de Montreal.
El efecto invernadero
Un carro cerrado al sol en la playa 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 confundas 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 respondes?
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).
Vuelve al principio: al subir al páramo hace más frío 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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