La atmósfera: Elementos y factores del clima

Llamamos atmósfera a una mezcla de varios gases que rodea cualquier objeto celeste, como la Tierra, cuando éste posee un campo gravitatorio suficiente para impedir que escapen.

En la Tierra, la actual mezcla de gases se ha desarrollado a lo largo de 4.500 millones de años. La atmósfera primigenia debió estar compuesta únicamente de emanaciones volcánicas, es decir, una mezcla de vapor de agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre y nitrógeno, sin rastro apenas de oxígeno. A lo largo de este tiempo, diversos procesos físicos, químicos y biológicos transformaron esa atmósfera primitiva hasta dejarla tal como ahora la conocemos.

Además de proteger el planeta y proporcionar los gases que necesitan los seres vivos, la atmósfera determina el tiempo y el clima.

1.1- ¿Para qué sirve la atmósfera?
La capa exterior de la Tierra es gaseosa, de composición y densidad muy distintas de las capas sólidas y líquidas que tiene debajo. Pero es la zona en la que se desarrolla la vida y, además, tiene una importancia trascendental en los procesos de erosión que son los que han formado el paisaje actual.

Los cambios que se producen en la atmósfera contribuyen decisivamente en los procesos de formación y sustento de los seres vivos y determinan el clima.
 

1.2- Composición del aire

Los gases fundamentales que forman la atmósfera son: Nitrógeno (78.084%), Oxígeno (20.946%), Argón (0.934%) y Dióxido de Carbono (0.033%). Otros gases de interés presentes en la atmósfera son el vapor de agua, el ozono y diferentes óxidos.

También hay partículas de polvo en suspensión como, por ejemplo, partículas inorgánicas, pequeños organismos o restos de ellos y sal marina. Muchas veces estas partículas pueden servir de núcleos de condensación en la formación de nieblas muy contaminantes.

Los volcanes y la actividad humana son responsables de la emisión a la atmósfera de diferentes gases y partículas contaminantes que tienen una gran influencia en los cambios climáticos y en el funcionamiento de los ecosistemas.

El aire se encuentra concentrado cerca de la superficie, comprimido por la atracción de la gravedad y, conforme aumenta la altura, la densidad de la atmósfera disminuye con gran rapidez. En los 5,5 kilómetros más cercanos a la superficie se encuentra la mitad de la masa total y antes de los 15 kilómetros de altura está el 95% de toda la materia atmosférica.

La mezcla de gases que llamamos aire mantiene la proporción de sus distintos componentes casi invariable hasta los 80 km, aunque cada vez más enrarecido (menos denso) conforme vamos ascendiendo. A partir de los 80 km la composición se hace más variable.

1.3- Formación de la atmósfera

La mezcla de gases que forma el aire actual se ha desarrollado a lo largo de 4.500 millones de años. La atmósfera primigenia debió estar compuesta únicamente de emanaciones volcánicas, es decir, vapor de agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre y nitrógeno, sin rastro apenas de oxígeno.

Para lograr la transformación han tenido que desarrollarse una serie de procesos. Uno de ellos fue la condensación. Al enfriarse, la mayor parte del vapor de agua de origen volcánico se condensó, dando lugar a los antiguos océanos. También se produjeron reacciones químicas. Parte del dióxido de carbono debió reaccionar con las rocas de la corteza terrestre para formar carbonatos, algunos de los cuales se disolverían en los nuevos océanos.

Más tarde, cuando evolucionó la vida primitiva capaz de realizar la fotosíntesis, empezó a producir oxígeno. Hace unos 570 millones de años, el contenido en oxígeno de la atmósfera y los océanos aumentó lo bastante como para permitir la existencia de la vida marina. Más tarde, hace unos 400 millones de años, la atmósfera contenía el oxígeno suficiente para permitir la evolución de animales terrestres capaces de respirar aire.

1.4- ¿Cuáles son las capas de la atmósfera?

La atmósfera se divide en diversas capas:

a) La troposfera llega hasta un límite superior (tropopausa) situado a 9 Km de altura en los polos y los 18 km en el ecuador. En ella se producen importantes movimientos verticales y horizontales de las masas de aire (vientos) y hay relativa abundancia de agua. Es la zona de las nubes y los fenómenos climáticos: lluvias, vientos, cambios de temperatura, ( fenómenos que componen lo que llamamos” el tiempo”) y la capa de más interés para la ecología. La temperatura va disminuyendo conforme se va subiendo, hasta llegar a -70ºC en su límite superior.

b) La estratosfera es la segunda capa de la atmósfera de la Tierra comienza a partir de la tropopausa y llega hasta un límite superior (estratopausa), a 50 km de altitud. La temperatura cambia su tendencia y va aumentando hasta llegar a ser de alrededor de 0ºC en la estratopausa. Casi no hay movimiento en dirección vertical del aire, pero los vientos horizontales llegan a alcanzar frecuentemente los 200 km/h, lo que facilita el que cualquier sustancia que llega a la estratosfera se difunda por todo el globo con rapidez. Por ejemplo, esto es lo que ocurre con los CFC que destruyen el ozono. En esta parte de la atmósfera, entre los 30 y los 50 kilómetros, se encuentra el ozono, importante porque absorbe las dañinas  radiaciones ultravioletas provenientes del Sol.

A continuación, revisaremos en más detalle sobre la radiación ultravioleta. Esta radiación es electromagnética y es parte de los rayos solares. La radiación ultravioleta que llega desde el Sol a la Tierra, lo hace en tres formas: 

– Rayos UV-A: Corresponde a la fuente más importante de radiación solar y penetra en profundidad en las capas de la piel. Son los responsables de ocasionar cáncer de piel. 
– Rayos UV-B: Son absorbidos por la capa de ozono, sin embargo, alcanzan la superficie de la piel ocasionando bronceado y quemaduras. Sin embargo, una absorción moderada de estos rayos permite la síntesis de la vitamina D en el cuerpo, que es importante para la absorción de calcio y así, mantener nuestros huesos saludables. 
– Rayos UV-C: Corresponde al tipo de radiación más peligrosa. Es absorbida por la capa de ozono antes de llegar a la superficie de la Tierra. 

c) La mesosfera, es la tercera capa de la atmósfera de la Tierra que se extiende entre los 50 y 80 km de altura, contiene sólo cerca del 0,1% de la masa total del aire. Es importante por la ionización y las reacciones químicas que ocurren en ella. La disminución de la temperatura combinada con la baja densidad del aire en la mesosfera determina la formación de turbulencias y ondas atmosféricas que actúan a escalas espaciales y temporales muy grandes. La mesosfera es la región donde las naves espaciales que vuelven a la Tierra empiezan a notar la estructura de los vientos de fondo, y no sólo el freno aerodinámico. Además  posee temperaturas inferiores a los -100ºC. Es catalogada como una capa de bajas presiones, ya que la concentración de gases, como el nitrógeno y el oxígeno, es menor.

d) La termosfera o ionosfera se extiende desde una altura de casi 80 km sobre la superficie terrestre hasta 640 km o más. A estas distancias, el aire está enrarecido en extremo. Cuando las partículas de la atmósfera experimentan una ionización por radiación ultravioleta, tienden a permanecer ionizadas debido a las mínimas colisiones que se producen entre los iones. La ionosfera tiene una gran influencia sobre la propagación de las señales de radio. Una parte de la energía radiada por un transmisor hacia la ionosfera es absorbida por el aire ionizado y otra es refractada, o desviada, de nuevo hacia la superficie de la Tierra. Este último efecto permite la recepción de señales de radio a distancias mucho mayores de lo que sería posible con ondas que viajan por la superficie terrestre.

e) La región que hay más allá de la ionosfera recibe el nombre de exosfera y se extiende hasta los 9.600 km, lo que constituye el límite exterior de la atmósfera. Más allá se extiende la magnetosfera, espacio situado alrededor de la Tierra en el cual, el campo magnético del planeta domina sobre el campo magnético del medio interplanetario.En esta zona el aire es muy transparente, existe una gran cantidad de polvo cósmico y por ella transitan muchos de los satélites meteorológicos.

Las división entre una capa y otra se denomina, respectivamente, tropopausa, estratopausa, mesopausa y termopausa.

2- ¿Qué elementos y factores forman el clima?

Antes de empezar…

La dinámica e interacción entre la litosfera, la atmósfera y la hidrosfera influye directamente en los diferentes climas presentes en la Tierra. El tiempo atmosférico es el estado de la atmósfera en un lugar y en un momento determinado; mientras que el clima es el estado promedio de la atmósfera a lo largo de un período de tiempo mayor, generalmente registrado durante meses o años.

La meteorología y la climatología se dedican al estudio del tiempo atmosférico y del clima, respectivamente, a través de la observación, del registro y del análisis de elementos como la temperatura, la humedad, la precipitación  y la presión atmosférica. Sirven para conocer el estado del tiempo atmosférico y las condiciones climáticas de un lugar determinado.

La estación meteorológica es el lugar donde se miden y registran las variables meteorológicas.

Los instrumentos que suelen utilizar para la recogida de datos son: anemómetro, barómetro, pluviómetro, termómetro y veleta.

a) El anemómetro es un aparato que se utiliza para la predicción del tiempo y mide la velocidad del viento.

b) El barómetro es el aparato con que se mide la presión atmosférica y son fundamentales para las predicciones atmosféricas.

c) Con el pluviómetro se recogen y miden en las estaciones atmosféricas las precipitaciones caídas en forma de lluvia, nieve o granizo, durante un período de tiempo determinado.

d) El termómetro permite conocer la temperatura que hay en un momento determinado. Se recoge en las estaciones meteorológicas al menos una vez al día y señala las temperaturas máximas y mínimas que se dan a lo largo del día. Con estas dos temperaturas, se puede calcular la temperatura media.

e) La veleta indica la dirección del viento. Se suele colocar en lugares elevados y dispone de una cruz horizontal con los puntos cardinales.

2.1- Elementos del clima

Los elementos del clima son los fenómenos meteorológicos que se producen en la atmósfera y explican tanto el tiempo como el clima de un lugar. Estos son: la temperatura, la humedad, la presión atmosférica, el viento y las precipitaciones

a) La temperatura es el grado de calor que posee la atmósfera. Las escalas termocéntricas que son más utilizadas son los grados Celsius y los grados Fahrenheit. En los mapas climáticos, la temperatura se grafica mediante las isotermas.

Los instrumentos utilizados para el estudio de la temperatura son el termómetro, con el cual se mide, y el termógrafo con el cual es registrada.

b) La humedad es la cantidad de vapor de agua que existe en la atmósfera. La superficie de los océanos es la fuente principal de la humedad del aire pues aquí se evapora el agua en forma constante, contribuyendo también a su formación los ríos, lagos, nieve, glaciares,…
Cuando hay  mucha humedad, el vapor forma pequeñas gotas de agua que forman las nubes y la niebla.

La humedad relativa, es la  que hace referencia a la proporción de vapor de agua en relación a la cantidad total de moléculas de aire, llegando a un punto de saturación en la cifra del 100%.
Los instrumentos que registran la humedad son el higrómetro y el psicrómetro.

c) El Viento es el aire de la atmósfera en movimiento.
El aire se desplaza constantemente de forma horizontal  en la atmósfera, arrastrando nubes e influyendo en la temperatura, pues también  mueve masas.Los distintos tipos de viento se caracterizan por su dirección y su velocidad,  estos se miden con anemómetro y veleta respectivamente.

d) La presión atmosférica es la fuerza que ejerce el aire de la atmósfera sobre la superficie terrestre. La unidad que se utiliza para expresarla son los milibares.
 

e) La precipitación es el agua que cae sobre la superficie terrestre en forma líquida o sólida y son el resultado de un proceso que es generado por el enfriamiento de masas de aire húmedo debido a la ascensión, y a la presencia de núcleos de condensación o de congelación, los que atraen moléculas de agua y originan las precipitaciones. Las precipitaciones se categorizan de acuerdo a la forma en que la masas de aire que las originó se elevaron en la atmósfera; por ello se clasifican en convectivas, ciclónicas, y orográficas.

La cantidad de precipitaciones caídas en el periodo de un año en un territorio determinado, da origen al índice de pluviosidad, el que se expresa en milímetros por metro cuadrado; para obtener este importante indicador se recurre al pluviómetro, y para su representación al pluviógrafo.

2.2- Factores del clima

En las distintas regiones del planeta, el clima se ve afectado por ciertos factores externos e internos que influyen en la Tierra. A continuación, revisaremos estos factores. 

a)  Factores externos 
Los factores externos corresponden a los factores de tipo astronómico en relación con el Sol.  

Factores astronómicos 

–  Radiación solar
El Sol emite diferentes tipos de radiaciones, como, por ejemplo, radiación electromagnética hacia el espacio como forma de luz, radiación térmica, rayos X y radiación ultravioleta. A veces se produce un aumento de actividad solar, que producen grandes explosiones de masa coronaria y que podrían provocar tormentas electromagnéticas dependiendo de su trayectoria. Cuando este aumento de la actividad solar coincide con la dirección del planeta Tierra, puede ocasionar fenómenos climáticos extremos como olas de calor y eras de hielo. 

–  Influencia de la inclinación terrestre
El eje de la Tierra se encuentra con una inclinación de 23,5° respecto a la órbita de traslación que sigue nuestro planeta alrededor del Sol.

Esta inclinación produce que la radiación del Sol, mediante los rayos solares, llegue directamente al sector del Ecuador, generando así que el clima en esta zona sea más cálido. Por otra parte, la radiación del Sol llega de una manera más débil hacia los polos, produciendo así que el clima sea más frío en estas zonas del planeta. 

Recuerda que la traslación es el movimiento que realiza la Tierra en torno al Sol. Este se lleva a cabo en una órbita y su duración es de 365 días. Una de las consecuencias más importantes de la traslación, es que se produce la sucesión de las estaciones del año (primavera, verano, otoño, invierno) y que también, existan diferentes zonas climáticas en el planeta. 

b) Factores internos
Corresponden a los factores de tipo geográfico como la latitud, vientos, altitud, corrientes oceánicas, relieve, etc. 

Factores geográficos 

– Latitud

La latitud corresponde a una coordenada que nos señala la posición norte-sur desde un punto en la superficie de la Tierra y se mide en grados. Recuerda que la línea del ecuador es la latitud 0 y permite la división imaginaria del planeta en dos hemisferios: norte y sur. 

La latitud también va a influir en la temperatura, ya que cuanto más próximos nos encontremos al Ecuador, las temperaturas serán más altas, y conforme nos alejamos hacia los polos las temperaturas serán más bajas. Entonces, la temperatura promedio de la superficie de la Tierra disminuye cuando se aumenta la latitud o nos alejamos del ecuador. 
 

– Vientos

Los vientos son movimientos de masas de aire que se producen por una diferencia de presión, ya que los vientos se desplazan desde las zonas de altas presiones a las zonas de baja presión. A causa de estos movimientos, se transporta el calor desde los trópicos hacia los polos, produciéndose un equilibrio térmico en la Tierra. 

Sin embargo, ¿Cómo se desplazan los vientos?. La energía solar llega a la superficie de la Tierra y calienta los continentes, océanos y por ende el aire que los rodea, aumentando su temperatura. Al calentarse, se hace menos denso y se eleva, ascendiendo por la atmósfera. Por lo que, el aire más frío ocupa el espacio dejado por el aire caliente que ascendió. 

Los vientos que se desplazan entre las zonas de altas presiones y bajas presiones de la Tierra, se conocen como vientos planetarios. Observa la siguiente imagen para que los puedas identificar y veamos sus características. 
 

Entonces, principalmente las masas de aire se calientan en el ecuador y ascienden por la atmósfera. Cuando las masas de aire se enfrían, estas descienden en zonas de alta presión en los trópicos. 

1) Vientos alisios: Se forman con el movimiento del aire desde las zonas subtropicales de alta presión hasta las zonas de baja presión en el ecuador. Se mueven en sentido este-oeste. 
2) Vientos contralisios: Son vientos opuestos a los alisios, los cuales se desplazan desde los trópicos hacia los polos, entre los 30° y 60° de latitud. Se mueven en sentido oeste-este. 
3) Vientos polares: Movimiento del aire desde los polos hacia los círculos polares. 
4) Células convectivas: Corresponden a sistemas, en donde los componentes de la atmosfera se desplazan generando corrientes de convección. 
Por ejemplo, la célula de Hadley, esta conformada por los vientos alisios que transportan calor desde las zonas ecuatoriales a las subtropicales. Se produce un reemplazo del aire caliente por aire más frío de latitudes superiores. 

–  Altitud

Es la distancia de un punto en relación al nivel del mar. Este factor influye sobre la temperatura y sobre la pluviosidad o lluvia. Al aumentar la altitud, la temperatura disminuye aproximadamente en un grado cada 180 metros. Esto sucede porque en las zonas de menor altitud el aire es más denso y es capaz de retener el calor, mientras que en las zonas más altas, esto no sucede y las temperaturas descienden.

Como mencionamos, las precipitaciones se ven afectadas por la altura. La denominada cota o isoterma 0, corresponde a la altura en la cual la temperatura es de los cero grados Celsius. Bajo la isoterma 0, las precipitaciones son en forma de lluvia y sobre esta, las precipitaciones son en forma de nieve. 

– El relieve

Debido a las diversas formas que existen en la superficie terrestre, los rayos solares inciden de diferente manera en la superficie y por ende, en la temperatura. Las montañas, por ejemplo, son una barrera para los vientos, ya que el viento transporta aire húmedo desde la costa y este se ve forzado a ascender por el relieve, produciéndose la condensación del agua. Se forman nubes y estas precipitan. 

La ladera de barlovento corresponde al lado de la montaña que recibe el viento húmedo desde la costa. Por otra parte, la ladera de sotavento, recibe el aire descendente el cual es seco, lo que genera climas con escasas precipitaciones y alta variación térmica. 

– La influencia del mar

El mar actúa como modelador de la temperatura, ya que se enfría lentamente suavizando el calor de las costas que baña. Las temperaturas varían menos entre el día y la noche.

Las Corrientes marinas trasladan masas de agua a lo largo de los océanos y a grandes distancias. Las aguas que provienen de lugares muy lejanos enfrían o entibian el aire de las regiones que circundan, incidiendo en las presiones, en la humedad y en los seres vivos que habitan esas aguas.

La siguiente imagen muestra las corrientes oceánicas en el mundo. Con flechas azules se representan las corrientes frías y con flechas rojas, se señalan las corrientes cálidas. 
 

Las costas de Chile reciben la corriente de Humbolt, esta se produce por el ascenso de aguas muy profundas y frías desde el sur. La atmósfera de las zonas costeras se ve afectada por esta corriente fría, ya que disminuye la temperatura y baja el nivel de evaporación del agua. Esto origina climas áridos con escasas precipitaciones, como es el caso del desierto de Atacama.