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Troposfera

Una imagen de la troposfera terrestre con sus diferentes tipos de nubes , desde bajas hasta altas altitudes, proyectando sombras. La luz solar se refleja en el océano, tras filt...

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Una imagen de la troposfera terrestre con sus diferentes tipos de nubes , desde bajas hasta altas altitudes, proyectando sombras. La luz solar se refleja en el océano, tras filtrarse en un tono rojizo al atravesar gran parte de la troposfera al atardecer. La estratosfera, situada por encima , se aprecia en el horizonte como una franja de su característico resplandor azulado de luz solar dispersa .
Circulación atmosférica: el modelo de tres celdas de la circulación de la atmósfera planetaria de la Tierra, de la cual la troposfera es la capa más baja.

La troposfera es la capa más baja de la atmósfera de la Tierra . Pronunciada / ˈ t r ɒ p ə s f ɪər ˌ - p oʊ -/ , [ 1 ] el nombre proviene del griego antiguo τρόπος ( trópos ) ' giro, cambio ' y - esfera . Contiene el 80% de la masa total de la atmósfera planetaria y el 99% de la masa total de vapor de agua y aerosoles , y es donde ocurren la mayoría de los fenómenos meteorológicos . [ 2 ] Desde la superficie planetaria de la Tierra, la altura promedio de la troposfera es de 18 km (11 mi; 59 000 pies) en los trópicos ; 11 km (6,8 mi; 36 000 pies) en las latitudes medias ; y 6 km (3,7 mi; 20 000 pies) en las altas latitudes de las regiones polares en invierno; Por lo tanto, la altura media de la troposfera es de 13 km (8,1 millas; 43.000 pies) .             

El término troposfera deriva de las palabras griegas tropos (rotación) y sphaira (esfera), lo que indica que la turbulencia rotacional mezcla las capas de aire y, por lo tanto, determina la estructura y los fenómenos de la troposfera. [ 3 ] La fricción rotacional de la troposfera contra la superficie planetaria afecta el flujo del aire y, por lo tanto, forma la capa límite planetaria (CLP) que varía en altura desde cientos de metros hasta 2 km (1,2 mi; 6600 pies) . Las medidas de la CLP varían según la latitud, el relieve y la hora del día en que se realiza la medición meteorológica. Encima de la troposfera se encuentra la tropopausa , que es el límite atmosférico funcional que delimita la troposfera de la estratosfera . Como tal, debido a que la tropopausa es una capa de inversión en la que la temperatura del aire aumenta con la altitud, la temperatura de la tropopausa permanece constante. [ 3 ] La capa tiene la mayor concentración de nitrógeno.   

La atmósfera terrestre se compone de cinco capas: (i) la exosfera a más de 600 km; (ii) la termosfera a 600 km; (iii) la mesosfera entre 95 y 120 km; (iv) la estratosfera entre 50 y 60 km; y (v) la troposfera entre 8 y 15 km. La distancia desde la superficie planetaria hasta el borde de la estratosfera es de aproximadamente 50 km, menos del 1 % del radio terrestre.

Estructura

Composición

La atmósfera planetaria de la Tierra es vapor de agua que es agua de lluvia ácida carbónica , que por lo tanto tiene un pH natural aproximado de 5,0 a 5,5 (ligeramente ácido). (El agua que no es vapor de agua atmosférico que cae como lluvia fresca, como agua dulce/potable/de río, generalmente se verá afectada por el entorno físico y puede no estar en este rango de pH). El vapor de agua atmosférico contiene gases suspendidos (no en masa), 78,08 % de nitrógeno como N₂ , 20,95 % de oxígeno como O₂ , 0,93 % de argón , gases traza y cantidades variables de agua condensada (de vapor de agua saturado ). Cualquier dióxido de carbono liberado a la atmósfera desde una fuente presurizada se combina con el vapor de agua ácida carbónica y reduce momentáneamente el pH atmosférico en cantidades insignificantes. La respiración de los animales libera ácido carbónico fuera de equilibrio y bajos niveles de otros iones. La combustión de hidrocarburos libera a la atmósfera agua ácida carbónica como; saturados, condensados, vapor o gas (vapor invisible). La combustión puede liberar partículas (carbono/hollín y cenizas) así como moléculas que forman nitritos y sulfitos que reducirán el pH atmosférico del agua de forma leve o perjudicial en áreas altamente industrializadas donde esto se clasifica como contaminación del aire y puede crear el fenómeno de la lluvia ácida, un pH inferior al pH natural 5,56. Los efectos negativos de los subproductos de la combustión liberados al vapor atmosférico pueden eliminarse mediante el uso de torres de lavado y otros medios físicos, los contaminantes capturados pueden procesarse en un subproducto valioso. Las fuentes de vapor de agua atmosférico son las masas de agua (océanos, mares, lagos, ríos, pantanos) y la vegetación en la superficie planetaria , que humidifican la troposfera a través de los procesos de evaporación y transpiración respectivamente, y que influyen en la ocurrencia de fenómenos meteorológicos; la mayor proporción de vapor de agua se encuentra en la atmósfera más cercana a la superficie de la Tierra. La temperatura de la troposfera disminuye a gran altitud debido a las capas de inversión que se producen en la tropopausa , que es el límite atmosférico que separa la troposfera de la estratosfera . A mayor altitud, la baja temperatura del aire reduce la presión de vapor de saturación , es decir, la cantidad de vapor de agua atmosférico en la troposfera superior.

Presión

La presión atmosférica máxima (peso del aire) se alcanza al nivel del mar y disminuye a gran altitud debido a que la atmósfera se encuentra en equilibrio hidrostático , donde la presión atmosférica es igual al peso del aire sobre un punto determinado de la superficie planetaria. La relación entre la disminución de la presión atmosférica y la altitud puede equipararse a la densidad de un fluido mediante la siguiente ecuación hidrostática :

dPAGdz=−ρgramonorte=−metroPAGgramonorteRT{\displaystyle {\frac {dP}{dz}}=-\rho g_{n}=-{\frac {mPg_{n}}{RT}}}

dónde:

Temperatura

La superficie planetaria de la Tierra calienta la troposfera mediante calor latente , radiación térmica y calor sensible . Las capas de gas de la troposfera son menos densas en los polos geográficos y más densas en el ecuador, donde la altura media de la troposfera tropical es de 13  km, aproximadamente 7,0  km mayor que la  altura media de 6,0 km de la troposfera polar en los polos geográficos; por lo tanto, se produce un calentamiento excedente y una expansión vertical de la troposfera en las latitudes tropicales. En las latitudes medias, las temperaturas troposféricas disminuyen desde una temperatura media de 15 °C (59 °F) a nivel del mar hasta aproximadamente −55 °C (−67 °F) en la tropopausa . En el ecuador , las temperaturas troposféricas disminuyen desde una temperatura promedio de 20 °C (68 °F) a nivel del mar hasta aproximadamente −70 a −75 °C (−94 a −103 °F) en la tropopausa. En los polos geográficos , las regiones ártica y antártica , la temperatura troposférica disminuye desde una temperatura promedio de 0 °C (32 °F) a nivel del mar hasta aproximadamente −45 °C (−49 °F) en la tropopausa. [ 5 ]            

Altitud

Una imagen de la atmósfera terrestre vista desde un avión que sobrevuela el Ártico .

La temperatura de la troposfera disminuye con el aumento de la altitud, y la tasa de disminución de la temperatura del aire se mide con el gradiente térmico ambiental (−dT/dz{\displaystyle -dT/dz}), que es la diferencia numérica entre la temperatura de la superficie planetaria y la temperatura de la tropopausa dividida por la altitud. Funcionalmente, la ecuación ELR presupone que la atmósfera planetaria es estática y que no hay mezcla de las capas de aire por convección atmosférica vertical ni por vientos que puedan generar turbulencia.

La diferencia de temperatura se debe a que la superficie planetaria absorbe la mayor parte de la energía solar, que luego se irradia hacia afuera y calienta la troposfera (la primera capa de la atmósfera terrestre), mientras que la radiación de calor superficial hacia la atmósfera superior produce el enfriamiento de dicha capa. La ecuación ELR también supone que la atmósfera es estática, pero el aire calentado se vuelve menos denso, se expande y asciende. El gradiente adiabático seco (DALR) considera el efecto de la expansión del aire seco al ascender en la atmósfera, y el gradiente adiabático húmedo (WALR) incluye el efecto de la tasa de condensación del vapor de agua sobre el gradiente ambiental.

Compresión y expansión

Una masa de aire asciende y se expande debido a la menor presión atmosférica a gran altitud. La expansión de la masa de aire ejerce presión hacia afuera contra el aire circundante y transfiere energía (en forma de trabajo ) de la masa de aire a la atmósfera. La transferencia de energía a una masa de aire mediante calor es un intercambio de energía lento e ineficiente con el entorno, que es un proceso adiabático (sin transferencia de energía en forma de calor). A medida que la masa de aire ascendente pierde energía al interactuar con la atmósfera circundante, no se transfiere energía térmica de la atmósfera a la masa de aire para compensar la pérdida de calor. La masa de aire pierde energía a medida que alcanza mayor altitud, lo que se manifiesta como una disminución de su temperatura. De forma análoga, el proceso inverso ocurre dentro de una masa de aire frío que se comprime y desciende hacia la superficie planetaria. [ 3 ]

La compresión y la expansión de una parcela de aire son fenómenos reversibles en los que no se transfiere energía hacia dentro o hacia fuera de la parcela de aire; la compresión y expansión atmosféricas se miden como un proceso isoentrópico (dS=0{\displaystyle dS=0}) en el que no se produce ningún cambio en la entropía a medida que la parcela de aire asciende o desciende dentro de la atmósfera. Debido a que el calor intercambiado (dQ=0{\displaystyle dQ=0}) está relacionado con el cambio de entropía (dS{\displaystyle dS}pordQ=TdS{\displaystyle dQ=TdS}La ecuación que rige la temperatura del aire en función de la altitud para una atmósfera mixta es:dSdz=0{\displaystyle {\frac {\,dS\,}{dz}}=0}donde S es la entropía. La ecuación isoentrópica establece que la entropía atmosférica no cambia con la altitud; el gradiente adiabático mide la tasa a la que la temperatura disminuye con la altitud en tales condiciones.

Humedad

Si el aire contiene vapor de agua , el enfriamiento del aire puede provocar la condensación del agua, y el aire deja de comportarse como un gas ideal. Si el aire se encuentra a la presión de vapor de saturación , la tasa a la que disminuye la temperatura con la altitud se denomina gradiente adiabático saturado . La tasa real a la que disminuye la temperatura con la altitud es el gradiente ambiental . En la troposfera, el gradiente ambiental promedio es una disminución de aproximadamente 6,5  °C por cada 1,0  km (1000 m) de aumento de altitud. [ 3 ] Para el aire seco, un gas aproximadamente ideal , la ecuación adiabática es:pag(z)[T(z)]−γγ−1=constante{\displaystyle p(z){\Bigl [}T(z){\Bigr ]}^{-{\frac {\gamma }{\,\gamma \,-\,1\,}}}={\text{constante}}}dondeγ{\displaystyle \gamma }es la relación de capacidad calorífica (γ≈{\displaystyle \gamma \approx \,}7/5 ) para el aire. La combinación de la ecuación para la presión del aire produce el gradiente adiabático seco :dTdz=−metrogramoRγ−1γ=−9.8∘do/kmetro{\displaystyle {\frac {\,dT\,}{dz}}=-{\frac {\;mg\;}{R}}{\frac {\;\gamma \,-\,1\;}{\gamma }}=-9.8^{\circ }\mathrm {C/km} }. [ 6 ] [ 7 ]

Ambiente

El gradiente térmico ambiental (dT/dz{\displaystyle dT/dz}), en la que la temperatura disminuye con la altitud, por lo general es desigual al gradiente adiabático (dS/dz≠0{\displaystyle dS/dz\neq 0}). Si el aire superior es más cálido de lo previsto por el gradiente adiabático (dS/dz>0{\displaystyle dS/dz>0}), entonces una parcela de aire ascendente y en expansión llegará a la nueva altitud con una temperatura más baja que el aire circundante. En ese caso, la parcela de aire es más densa que el aire circundante y, por lo tanto, vuelve a su altitud original como una masa de aire estable frente a la elevación. Si el aire superior es más frío de lo previsto por el gradiente adiabático, entonces, cuando la parcela de aire asciende a una nueva altitud, la masa de aire tendrá una temperatura más alta y una densidad más baja que el aire circundante y continuará acelerando y ascendiendo. [ 3 ] [ 4 ]

Tropopausa

La tropopausa es la capa límite atmosférica entre la troposfera y la estratosfera , y se localiza midiendo los cambios de temperatura en relación con el aumento de la altitud en ambas. En la troposfera, la temperatura del aire disminuye a gran altitud; sin embargo, en la estratosfera, la temperatura del aire es inicialmente constante y luego aumenta con la altitud. El aumento de la temperatura del aire a altitudes estratosféricas se debe a la absorción y retención de la radiación ultravioleta (UV) que la Tierra recibe del Sol por parte de la capa de ozono . [ 8 ] La capa más fría de la atmósfera, donde el gradiente térmico cambia de positivo (en la troposfera) a negativo (en la estratosfera), localiza e identifica la tropopausa como una capa de inversión en la que se produce una mezcla limitada de capas de aire entre la troposfera y la estratosfera. [ 3 ]

Flujo atmosférico

El flujo general de la atmósfera va de oeste a este, si bien puede verse interrumpido por flujos polares, ya sea de norte a sur o de sur a norte, que la meteorología describe como flujo zonal y flujo meridional. Estos términos se utilizan para describir áreas localizadas de la atmósfera a escala sinóptica ; el modelo de tres celdas explica con mayor detalle los flujos zonales y meridionales de la atmósfera terrestre.

Modelo de tres células

Flujo zonal: un régimen de flujo zonal indica el flujo dominante de oeste a este de la atmósfera en el patrón de altura de 500 hPa.
Flujo meridional: El patrón de flujo meridional del 23 de octubre de 2003 muestra valles y crestas amplificadas en el patrón de altura de 500 hPa.

El modelo de tres celdas de la atmósfera terrestre describe el flujo real de la atmósfera mediante la celda de Hadley en latitudes tropicales, la celda de Ferrel en latitudes medias y la celda polar , para describir el flujo de energía y la circulación de la atmósfera planetaria. El equilibrio es el principio fundamental del modelo : la energía solar absorbida por la Tierra en un año es igual a la energía radiada (perdida) al espacio exterior. El equilibrio energético de la Tierra no se aplica por igual a cada latitud debido a la intensidad variable de la luz solar que incide en cada una de las tres celdas atmosféricas, como consecuencia de la inclinación del eje del planeta Tierra en su órbita alrededor del Sol. La circulación atmosférica resultante transporta aire tropical cálido a los polos geográficos y aire polar frío a los trópicos. El efecto de las tres celdas es la tendencia al equilibrio de calor y humedad en la atmósfera planetaria de la Tierra. [ 9 ]

Flujo zonal

Un régimen de flujo zonal es el término meteorológico que indica que el patrón general de flujo va de oeste a este a lo largo de las líneas de latitud de la Tierra, con ondas cortas débiles incrustadas en el flujo. [ 10 ] El uso de la palabra "zona" se refiere a que el flujo se produce a lo largo de las "zonas" latitudinales de la Tierra. Este patrón puede deformarse y, por lo tanto, convertirse en un flujo meridional.

Flujo meridional

Cuando el flujo zonal se deforma, la atmósfera puede fluir en una dirección más longitudinal (o meridional), de ahí el término " flujo meridional ". Los patrones de flujo meridional presentan fuertes y amplificadas vaguadas de baja presión y crestas de alta presión, con un flujo más norte-sur en el patrón general que oeste-este. [ 11 ]

Sistema solar

Diagrama de sección transversal de la atmósfera de Titán

Dentro del Sistema Solar , otros cuerpos planetarios con una atmósfera sustancial poseen una troposfera. Entre ellos se encuentran Venus , Marte y Titán, la luna de Saturno . Júpiter no tiene una superficie sólida, y la capa atmosférica más baja, la troposfera, se funde suavemente con el interior fluido del planeta. [ 12 ]

La troposfera de Venus es la parte más densa de la atmósfera, comenzando en la superficie y extendiéndose hacia arriba hasta los 65  km. Los vientos son lentos cerca de la superficie, [ 13 ] pero en la parte superior de la troposfera la temperatura y la presión alcanzan niveles similares a los de la Tierra y las nubes aumentan su velocidad a 100  m/s (360  km/h). [ 14 ] [ 15 ] La gran cantidad de CO 2 en la atmósfera junto con el vapor de agua y el dióxido de azufre crean un fuerte efecto invernadero , atrapando la energía solar y elevando la temperatura de la superficie a alrededor de 740  K (467  °C). [ 16 ] La gruesa troposfera hace que la diferencia de temperatura entre el lado diurno y el nocturno sea pequeña, aunque la lenta rotación retrógrada del planeta hace que un solo día solar dure 116,5 días terrestres. [ 17 ] En el lado nocturno de Venus todavía se pueden encontrar nubes a 80  km (50  mi) sobre la superficie. [ 18 ]

La troposfera de Marte contiene la mayoría de los fenómenos meteorológicos del planeta, incluyendo la convección y las tormentas de polvo . Su dinámica está fuertemente impulsada por el calentamiento superficial diurno y la cantidad de polvo en suspensión. Marte tiene una altura de escala mayor de 11,1  km que la Tierra debido a su gravedad más débil. [ 19 ] El gradiente adiabático seco teórico de Marte es de 4,3  °C km −1 , [ 20 ] pero el gradiente promedio medido es de aproximadamente 2,5  °C km −1 porque las partículas de polvo en suspensión absorben la radiación solar y calientan el aire. [ 21 ] La capa límite planetaria puede extenderse a más de 10  km de espesor durante el día. [ 21 ] [ 22 ] El rango de temperatura diurna cerca de la superficie es enorme (60  °C [ 20 ] ) debido a la baja inercia térmica. En condiciones de polvo, las partículas de polvo en suspensión pueden reducir el rango de temperatura diurna de la superficie a solo 5  °C. [ 23 ] La temperatura por encima de los 15  km está controlada por procesos radiativos en lugar de convección. [ 21 ] Marte es una rara excepción a la regla de la "tropopausa de 0,1 bar" que se encuentra en las demás atmósferas de nuestro sistema solar. [ 24 ]

Titán es el único satélite planetario con una atmósfera sustancial, y es la única atmósfera además de la de la Tierra compuesta principalmente de nitrógeno. La menor gravedad superficial de Titán crea una atmósfera más extensa que la de la Tierra, con alturas de escala de 15 a 50 km (9,3 a 31,1 millas) . La troposfera de Titán está bien definida, extendiéndose hasta una tropopausa a una altitud de alrededor de 40 km, donde la temperatura es  70  K. [ 25 ] El metano se condensa de la atmósfera de Titán a gran altitud, y su abundancia aumenta por debajo de la tropopausa, estabilizándose en un valor del 4,9 % entre los 8 km (5,0 millas) y la superficie. [ 26 ] [ 27 ] En la troposfera se encuentran lluvia de metano, precipitación de neblina y capas de nubes variables.  

Véase también

Referencias

  1. ↑ "troposfera" . Dictionary.com Unabridged (Online). nd
  2. ↑ "Troposfera". Enciclopedia concisa de ciencia y tecnología . McGraw-Hill. 1984. Contiene aproximadamente cuatro quintas partes de la masa de toda la atmósfera.
  3. 1 2 3 4 5 6 Danielson W, Levin J, Abrams E (2003). Meteorología . McGraw Hill.
  4. 1 2 Landau y Lifshitz, Mecánica de fluidos , Pergamon, 1979
  5. ↑ Lydolph, Paul E. (1985). El clima de la Tierra . Rowman and Littlefield Publishers Inc. pág. 12. 
  6. ↑ Kittel C, Kroemer H (1980). Física térmica . Freeman. Capítulo 6, problema 11.  
  7. ↑ Landau LD, Lifshitz EM (1980). Física estadística . Parte 1. Pergamon. 
  8. ↑ "La estratosfera: descripción general" . University Corporation for Atmospheric Research. Archivado del original el 29 de mayo de 2018. Consultado el 25 de julio de 2018 .
  9. ↑ "Meteorología – MSN Encarta, "Flujo de energía y circulación global"" . Encarta.Msn.com. Archivado del original el 28-10-2009 . Consultado el 13-10-2006 .
  10. ↑ "Glosario de la Sociedad Meteorológica Americana – Flujo Zonal" . Allen Press Inc. Junio ​​de 2000. Archivado del original el 13 de marzo de 2007. Consultado el 3 de octubre de 2006 .
  11. ↑ "Glosario de la Sociedad Meteorológica Americana – Flujo Meridional" . Allen Press Inc. Junio ​​de 2000. Archivado del original el 26 de octubre de 2006. Consultado el 3 de octubre de 2006 .
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  • Reacciones químicas en la atmósfera
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