Atmósfera: dinámica y riesgos

1.- Explique el esquema adjunto que hace referencia a la historia de la atmósfera de la Tierra.

 

SOL. Destacar en primer lugar que en la evolución de la atmósfera de la Tierra los procesos biológicos se han combinado desde el principio de la vida con los mecanismos químicos para modificar las concentraciones de los diferentes gases atmosféricos.

Hace 4500Ma se originó la Tierra junto al resto de los planetas del Sistema Solar. Al principio la Tierra era una bola de fuego incandescente con la superficie fundida, que lentamente iría perdiendo calor hasta que esa superficie se solidificara para formar la corteza primitiva.

Se formaron las primeras rocas y empezaron las erupciones volcánicas, que emitían diversos compuestos volátiles cuya acumulación dio lugar a la atmósfera primitiva, de composición muy diferente a la actual y rica en gases del tipo CO₂, N₂, CH₄, NH₃ y H₂O; por tanto, podemos destacar su carácter reductor y la ausencia de oxígeno libre.

Pero la composición, estructura, circulación atmosféricas, y por tanto el clima, han variado a lo largo de la historia de la Tierra. Una de las principales causas de tales cambios fue la aparición, hace unos 2000Ma de los seres vivos, especialmente de aquellos que realizan la fotosíntesis oxigénica, proceso responsable de la liberación de oxígeno y que tuvo dos consecuencias extremadamente importantes:

-   La transformación de la atmósfera reductora a una oxidante.

-   La formación de una capa de ozono en la estratosfera, que actúa como una pantalla protectora frente a las radiaciones de alta energía, posibilitando el desarrollo de la vida fuera del agua.

2.- Mencione las principales capas atmosféricas y describa de forma detallada la troposfera.

SOL. Por la forma en que varía la temperatura con la altura, la atmósfera se divide en una serie de capas perfectamente diferenciadas. En sentido ascendente desde la superficie, y según la nomenclatura propuesta en 1960 por la Unión Internacional de Geodesia y Geofísica (UIGG), son las siguientes:

-   Troposfera. Es la capa inferior de la atmósfera, en contacto directo con la superficie terrestre. Tiene una altitud media de unos 12km (8 en los polos y 16-18 en el ecuador) y una temperatura que va disminuyendo de manera casi constante a medida se asciende (salvo alguna pequeña inversión), con un descenso medio de 6,5ºC por cada km, llamado gradiente vertical de temperatura (GVT), hasta alcanzar entre los  -50ºC y -70ºC en su superficie final. Este límite es la tropopausa o capa de menor temperatura y marca la separación con la siguiente capa atmosférica.

En la troposfera se concentra la mayor parte de la masa total de la atmósfera y prácticamente la totalidad del vapor de agua, lo que determina que en ella se produzcan la mayoría de los fenómenos atmosféricos que configuran el clima de las distintas partes del planeta y se desarrolle la vida.

-   Estratosfera. Se extiende desde la tropopausa hasta la estratopausa, situada a unos 50km de la superficie.

-   Mesosfera. Se extiende desde la estratopausa hasta la mesopausa, situada a unos 80km de la superficie.

-   Termosfera. Se extiende desde la mesopausa hasta la termopausa, situada a unos 500km de la superficie.

-   Exosfera. Se extiende más allá de la termopausa, y representa el límite superior propiamente dicho de la atmósfera, pero su dimensión se desconoce. Se supone extendida hasta una altura en que la densidad atmosférica se asemeja a la del gas interespacial que la rodea.

3.- La atmósfera es una capa gaseosa que rodea la Tierra de vital importancia para el mantenimiento de la vida en el medio terrestre. En relación con la atmósfera responda a las siguientes cuestiones:

a.- Composición general de la atmósfera. (3 puntos)

SOL. La atmósfera está constituida por una mezcla de gases, a la que denominamos aire. Los gases más abundantes son el nitrógeno (78%), oxígeno (21%), argón (0,93%), que se mantienen prácticamente constantes. También existen otros gases en concentraciones pequeñísimas de partes por millón (ppm), pero constantes, tales como el dióxido de carbono, neón, helio, metano, etc., y cantidades variables de vapor de agua y ozono.

Pero además, la atmósfera contiene diversas partículas en suspensión como polen, esporas, microorganismos, polvo, hollín, sales, etc. que difundidas en la atmósfera y procedentes del suelo, del mar, de los volcanes, etc., forman el llamado polvo atmosférico.

b.- Función reguladora y protectora. (3 puntos)

Función protectora

SOL. La radiación solar abarca una amplia gama del espectro electromagnético. No obstante dicha radiación es filtrada a su paso por la atmósfera de manera que no toda ella alcanza la superficie terrestre. Aquí tenemos un cuadro resumen de la absorción de la radiación solar en las diferentes capas atmosféricas y el gas absorbente implicado.

Por tanto, al entrar en la troposfera, las radiaciones menores de 300 nm, que son las más perjudiciales para los seres vivos, han desaparecido completamente.

El  resto de la radiación hasta los 4 µm llega a la superficie terrestre y se utiliza en la fotosíntesis e iluminación terrestre, y sobre todo en el calentamiento de la Tierra.

Función reguladora

SOL. La radiación solar de onda corta que llega a la superficie terrestre se degrada y es emitida de nuevo desde el  suelo y los océanos (radiación terrestre) hacia la atmósfera en forma de radiación infrarroja de longitud de onda larga (casi toda en la banda de 4-50 µm). Pero sucede que la atmósfera es opaca a la mayor parte de esa radiación, de manera que es absorbida por los gases atmosféricos, principalmente por el vapor de agua, CO₂ y O₃, provocando el calentamiento de la misma.

Esta radiación infrarroja absorbida y convertida en calor es reemitida y radiada, una parte hacia el espacio y otra, la mayoría, hacia la superficie terrestre, provocando el efecto invernadero por el que la temperatura media global de la superficie terrestre es de unos 15ºC, lo que hace habitable la Tierra. De no existir la atmósfera, la temperatura sería de -18ºC y nuestro planeta un desierto helado.

c.- Características de la troposfera y de la estratosfera. (3 puntos)

SOL. Las características de la troposfera las hemos detallado en la pregunta anterior.

En cuanto a la estratosfera, podemos decir que es una capa que se extiende desde la tropopausa (12km) hasta la estratopausa, situada a unos 50km de la superficie.

En los primeros 20km la temperatura permanece prácticamente constante para después aumentar hasta un intervalo de 0ºC a 10ºC en su límite superior. Esto se debe a la absorción de la radiación ultravioleta por parte de las moléculas de ozono, que se concentran en la denominada ozonosfera situada a partir de los 22km.

En la estratosfera se dan algunas turbulencias y se forman algunas nubes (nubes irisadas o nacaradas, por el color del borde), por lo que no se puede decir que sea una capa totalmente en calma. 

2.-Responda a las siguientes cuestiones relacionadas con la circulación general de la atmósfera:

a.- Observe la figura adjunta y explique el fenómeno que representa. (4 puntos)

SOL. En la figura se representa la formación del fenómeno denominado “precipitación orográfica” en grandes cordilleras. Ocurren cuando una masa de aire se mueve horizontalmente y al encontrarse con una montaña, es obligada a ascender para salvarla (ascensión orográfica). En un primer momento se produce un ascenso adiabático por expansión, hasta alcanzar el nivel de condensación, a lo que sigue un ascenso higroadiabático, que da lugar a la formación de grandes nubes estratificadas (estratocúmulos) en la vertiente de barlovento, donde se producen las precipitaciones. Una vez llega a la cumbre, la masa de aire ya desecada desciende por sotavento calentándose de nuevo, según el gradiente adiabático seco. Este viento descendente cálido y seco se denomina en el Tirol foehn, y por extensión, el efecto foehn se refiere en general a este fenómeno.

Como resultado, la ladera de barlovento presenta una vegetación más densa y vigorosa que la de sotavento, en la que aparecen zonas áridas y secas, con condiciones incluso similares a los desiertos.

b.- ¿Por qué los grandes desiertos continentales como el Sahara se sitúan en zonas de altas presiones subtropicales? (3 puntos)

Para poder responder a los apartados b) y c) tenemos que saber que las diferencias térmicas y de presión que se producen sobre la Tierra (a consecuencia de la desigual intensidad de los rayos solares que llega a los diferentes puntos del planeta*) hacen necesarios unos mecanismos de redistribución que contemplen un modelo de circulación del viento a escala global, fenómeno que se conoce como circulación general de la atmósfera (CGA).

Si la Tierra fuera homogénea e inmóvil, se establecería la siguiente circulación: desde los polos, el aire frío afluiría hacia el ecuador, y desde éste, el aire caliente se desplazaría hasta los polos; existirían dos centros convectivos, uno para el hemisferio norte y otro para el sur.

Pero todo esto se modifica por:

-   La fuerza de Coriolis.

-   La distribución de los continentes y los océanos.

-   La diferencia de temperatura que hay entre continentes y oceános.

-   Los procesos de formación entre las masa de aire caliente y frío, dando lugar a la formación de ciclones y anticiclones.

Pero la Tierra se mueve, gira alrededor de su eje, lo cual produce una desviación (por la fuerza de Coriolis) de todas las trayectorias del viento, y así impide que el aire polar llegue al ecuador. Se produce entonces una circulación atmosférica relacionada con los sistemas de presión y los vientos dominantes:

- A nivel del ecuador existe una zona de bajas presiones, donde convergen los vientos alisios de cada hemisferio. Esto provoca el ascenso de ambas masas de aire y la formación de una zona de baja presión. Es la zona de convergencia intertropical, denominada ZCIT, que en realidad está desplazada estacionalmente desde los 5ºS hasta los 10ºN.

- Los vientos secos de altura (contralisios) generados por las bajas presiones del ecuador y enfriados al elevarse, descienden (subsidencia) y crean zonas de altas presiones. Son las zonas subtropicales de altas presiones, situadas alrededor de los 30º de latitud en ambos hemisferios.

- De las zonas subtropicales de altas presiones salen dos tipos de vientos. Uno, los alisios, que van al ecuador, inicialmente en dirección N-S en el hemisferio norte (S-N en el hemisferio sur), pero por el efecto de Coriolis se desvían hacia la derecha y acaban describiendo una trayectoria NE-SW en el hemisferio norte (SE-NW, en el hemisferio sur). Se cierra así una célula de circulación denominada célula Hadley. El otro tipo de viento son los del oeste (llamados también de poniente o westerlies), que se dirigen hacia los polos.

- En los polos, el aire es muy frío y por tanto muy denso y pesado. Son zonas de altas presiones, zonas anticiclónicas polares. De ellas surgen los vientos fríos del este polar (llamados también de levante o earterlies), originalmente en la dirección N-S en el hemisferio norte (al contrario en el hemisferio sur) que por el efecto Coriolis acaban describiendo una trayectoria E-W. Hacia los 60º de latitud estos vientos confluyen con los vientos del oeste procedentes de los anticiclones subtropicales, contribuyendo a crear unas áreas de depresiones, las zonas subpolares de bajas presiones, asociadas a los denominados frentes polares.

Destacar además que dos sistemas de vientos circulan en altura: vientos del oeste, entre los polos y las latitudes tropicales, aquí está incluida la corriente en chorro; y, otro sobre la zona ecuatorial de vientos del este.

Pero la Tierra, además de girar sobre su eje, no es homogénea. Se produce una circulación general atmosférica teniendo en cuenta la distribución de los continentes y océanos, de los cambios de presión superficial.

*La intensidad de los rayos solares es más fuerte en el ecuador, ya que el sol pasa por la parte más alta del cielo y la distancia recorrida por los rayos ultravioleta dentro de la atmósfera es más corta. Además, el espesor de la capa de ozono es menor en los trópicos que en las latitudes medias y altas, por lo que hay menos ozono para absorber la radiación ultravioleta mientras atraviesa la atmósfera. A latitudes más altas, el sol está más bajo en el cielo, por lo que los rayos ultravioleta deben recorrer una distancia mayor a través de las capas de la atmósfera en donde hay más ozono, y en consecuencia la radiación ultravioleta es menor en esas latitudes.

SOL. En resumen y la solución al apartado b).

Los vientos de altura fríos generados por las bajas presiones ecuatoriales descienden en las zonas de anticiclones subtropicales, situados hacia los 30º de latitud Norte y 30º Sur. El aire en descenso se calienta, se seca e induce condiciones de aridez en estas zonas. La mayoría de los desiertos del mundo se han formado en estos cinturones de anticiclones subtropicales.

c.- ¿Por qué la biosfera presenta un cinturón de selvas en la zona ecuatorial?

(3 puntos)

SOL. En las áreas de bajas presiones ecuatoriales, los vientos alisios circulan sobre los océanos de las zonas tropicales y absorben humedad. El aire caliente se enfría al elevarse y precipita en forma de lluvias intensas. Este proceso produce gran cantidad de precipitaciones en las regiones de selvas tropicales de África, Asia y América.

2. -El mapa de isobaras de una región en un día concreto, es el siguiente:

a)     ¿Se trata de situación anticiclónica o de borrasca?

SOL. Se trata de una situación anticiclónica, es decir, zona de alta presión ya que la isobara de mayor presión está en el centro rodeada por las de menor presión.

b)     Explique mediante un dibujo la circulación del aire en la vertical.

SOL. En los núcleos de alta presión el aire circula desde los puntos de mayor presión hacia los puntos de menor presión (aire descendente), en el sentido de las agujas del reloj en el hemisferio norte, y en sentido contrario en el hemisferio sur.

c) ¿Qué tipo de condiciones atmosféricas existen en la zona, de estabilidad o de inestabilidad?

SOL. Las áreas anticiclónicas son consideradas de buen tiempo, pues el aire a medida que desciende se va calentando y el agua que contiene se evapora por lo que las nubes desaparecen o a lo sumo existen nubes bajas.

d)  ¿Facilita la situación atmosférica la dispersión de contaminantes hacia partes más altas de la atmósfera? Explíquelo.

SOL. La presencia de altas presiones dificulta la dispersión de contaminantes por el descenso vertical del aire que produce un aplastamiento contra la superficie y atrapa a los contaminantes en los niveles bajos de la troposfera.

2.- Las masas de aire frío se producen frecuentemente por el movimiento del aire polar hacia latitudes más bajas. La siguiente reseña de prensa hace referencia a este fenómeno:

“El Centro Nacional de Predicción  del Instituto Nacional de Meteorología advierte que para última hora de esta tarde se espera la llegada de una masa de aire frío de origen polar y posteriormente eurosiberiano por el norte peninsular que afectará a la Península y Baleares, con temperaturas de hasta 15 grados bajo cero en el interior peninsular”.

Estrella Digital/Efe

22 de Enero 2005

La formación, el movimiento y el comportamiento de los frentes explica acontecimientos meteorológicos como el descrito anteriormente. Responda a las siguientes cuestiones:

a)     ¿Qué es un frente?

SOL. Un  frente es una zona de contacto que limita dos masas de aire adyacentes, de distinta temperatura y humedad, es decir, con gran contraste térmico, lo que provoca la ascensión frontal de una sobre la otra.

b)     ¿Cómo se forma un frente frío, y qué provoca?

SOL. Se origina cuando el aire frío en su desplazamiento entra en contacto con el aire cálido y al ser más denso se introduce bajo éste elevándolo. La superficie frontal es muy inclinada de modo que la condensación se efectúa en forma de nubes de desarrollo vertical (cumulonimbos), que causan fuertes chubascos y tormentas.

c)     ¿Qué es el frente polar? ¿Su posición es constante?

SOL. El frente polar es un conjunto de frentes sucesivos que forman una especie de cinturón (en realidad dos, uno en cada hemisferio) que rodea el globo terrestre y que penetra en las latitudes medias. Separa el aire polar frío situado al norte del aire cálido tropical situado al sur (en el hemisferio sur al revés).

En resumen es que en el frente polar aparecen familias de borrascas, en las cuales los frentes asociados a una borrasca se enlazas con los de la siguiente y así sucesivamente, de manera que forman un único frente, con segmentos cálidos y fríos.

El frente polar varía mucho de posición, pues las masas de aire están siempre en  movimiento, y su posición está afectada por la estación del año en que nos encontremos.

2.- En relación con la dinámica de las capas fluidas, explique razonadamente si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:

a)     En las zonas anticiclónicas el aire asciende.

SOL. Falso. Las zonas anticiclónicas se caracterizan por masas de aire frío, más denso, que tiende a descender sobre el suelo desde las capas altas de la atmósfera, produciéndose un fenómeno denominado subsidencia. Los anticiclones, debido a lo anterior, provocan situaciones de tiempo estable y ausencia de precipitaciones, ya que la subsidencia limita la formación de nubes.

b)     Los vientos alisios del hemisferio Norte soplan de Oeste a Este.

SOL. Falso. A causa de la aceleración de Coriolis, los vientos alisios del hemisferio Norte soplan según la dirección NE-SO.

c) El fenómeno de “El Niño” se debe a un excesivo enfriamiento superficial de las aguas del Pacífico oriental.

SOL. Falso. El fenómeno de "El Niño" se debe al excesivo calentamiento superficial del Pacífico oriental, al no arrastrar los vientos alisios hacia el Oeste el agua de la superficie oceánica.

2.- En relación con el clima, responda a las siguientes cuestiones:

a.- ¿Qué dos climas predominan en la Península Ibérica? (2,5 puntos)

SOL. El clima mediterráneo o cálido-seco, y el clima oceánico atlántico, fresco-húmedo.

b.- ¿Por qué se caracterizan? (2,5 puntos)

SOL. El clima mediterráneo se caracteriza por inviernos suaves y húmedos y veranos cálidos y secos. El clima atlántico se caracteriza por inviernos y veranos suaves y precipitaciones distribuidas a lo largo de todo el año.

c.- ¿En qué zonas se localizan? (2,5 puntos)

SOL. El clima mediterráneo se extiende por la mayor parte de la Península hasta aproximadamente la Cordillera Cantábrica. El atlántico está distribuido en la franja Norte por encima de la citada cordillera.

d.- Cite dos especies vegetales características de cada uno de ellos. (2,5 puntos)

SOL. Para el clima mediterráneo podemos citar especies de perennifolios como la encina o el alcornoque. Para el clima atlántico hay más especies de caducifolios, como son por ejemplo el haya o el roble.

2.-Los diagramas climáticos o climogramas de Walter-Lieth se utilizan universalmente para la descripción gráfica del clima, debido a la sencillez de su elaboración e interpretación. Conteste a las siguientes cuestiones:

a.- Defina el concepto de clima. (4 puntos)

SOL. El clima se define como el conjunto de fenómenos de tipo meteorológico que caracterizan el estado medio de la atmósfera en una zona de la superficie terrestre.

Se trata pues, de valores medios, medidos durante largos períodos de tiempo en una misma zona y, por tanto, en un concepto diferente al de tiempo meteorológico.

b.- Cite tres fenómenos de tipo meteorológico. (2 puntos)

SOL. Algunos ejemplos de fenómenos meteorológicos son: precipitación, nubosidad, niebla, viento, escarcha, granizo, huracán, tornado etc.

c.- Observe el diagrama que aquí se representa y que corresponde a una determina localidad. ¿Qué información básica se precisa para su elaboración y cómo se construye? (3 puntos)

SOL. El diagrama correspondiente a una localidad se construye a partir de los valores medios mensuales del tiempo atmosférico: precipitación (mm) y temperatura (ºC), registrados durante 20 a 30 años. La escala de precipitación se dibuja como doble de la de temperatura.

d.- Analizando el gráfico adjunto, ¿se puede decir si existe estación seca? Si es así, ¿durante qué periodo? (1 punto)

SOL. Existe una estación seca, indicada porque la curva de precipitación queda por debajo de la de temperatura. Este periodo abarca de junio a septiembre. 

3.- Conteste muy brevemente a las siguientes cuestiones referidas al ozono:

a)     Describa cómo es el gas.

SOL. Gas de color azul, formado por tres átomos de oxígeno, picante e irritante.

b)     ¿Dónde se sitúa la capa de ozono en la atmósfera?

SOL. En la estratosfera, entre los 15-35 km, en una zona conocida como ozonosfera.

c)     ¿Cómo se origina el ozono?

SOL. La radiación ultravioleta disocia el oxígeno molecular, formando oxígeno atómico que se combina rápidamente con oxígeno molecular.

d)     ¿Qué es el ozono troposférico?

SOL. Ozono que se sitúa en las capas bajas de la atmósfera; procede de intrusiones de la estratosfera o de las actividades humanas.

e)     ¿Qué es el smog fotoquímico y cómo se origina?

SOL. Es un fenómeno de contaminación atmosférica típico de las áreas urbanas y de zonas industrializadas, que se caracteriza por la formación en la atmósfera de bruma que se origina por la presencia de oxidantes fotoquímicos, principalmente ozono, PAN (nitrato de peroxiacilo) y aldehídos. Es decir, contaminantes secundarios que se originan por la fotooxidación del dióxido de nitrógeno emitido a la atmósfera en la combustión principalmente de los productos petrolíferos.

f)¿Qué condiciones meteorológicas favorecen su persistencia en la atmósfera?

SOL. Situaciones anticiclónicas.

g)     ¿Qué efectos tiene el ozono sobre los materiales?

SOL. Ataca especialmente los objetos de caucho.

h)     ¿Qué se entiende por agujero de ozono?

SOL. Área de la troposfera donde se produce una disminución importante de la concentración de ozono.

i) ¿Dónde se localiza el agujero de ozono?

SOL. En la Antártica y en el Ártico.

j) ¿Qué gases contribuyen mayoritariamente a la disminución del ozono estratosférico?

SOL. Derivados del cloro y los halogenados.

3.- Explique la diferencia entre los conceptos de clima y tiempo atmosférico. ¿Qué dos factores principales determinan el clima de una región? ¿Cómo afectan los océanos a los climas regionales?

SOL. El clima se define como el conjunto de fenómenos meteorológicos que caracterizan el estado medio de la atmósfera en una zona de la superficie terrestre, estimado durante largos periodos de tiempo.

El tiempo atmosférico sin embargo lo definimos como el conjunto de propiedades de la troposfera a corto plazo para un momento y lugar determinado.

En cuanto a los dos principales factores que determinan el clima de una región, éstos son la temperatura (con sus variaciones estacionales), y la cantidad y distribución de las precipitaciones.

Para finalizar, recalcar el importante papel que sobre el clima regional ejercen los océanos al actuar como termostatos que almacenan gran cantidad de energía calorífica que intercambian con la atmósfera.

Además, destacar también el efecto de las corrientes oceánicas en la distribución del tiempo atmosférico y del clima en todo el planeta (corrientes dignas de mención son las cálidas del Golfo y de Kuroshio, o las frías circumpolar antártica y del Labrador).

*Según el Servicio de Océano Nacional de NOAA, las corrientes oceánicas fluyen en patrones afectados por el viento, la salinidad, la temperatura, la topografía y la rotación de la Tierra.

2.- Explique qué fenómenos se desencadenan en las costas sudamericanas cuando se produce la situación meteorológica denominada “El Niño” y cómo influye en la actividad pesquera.

SOL. La situación normal de las costas sudamericanas es que los vientos alisios (vientos que corren por la superficie del Pacífico) se mueven de este a oeste en dirección hacia Indonesia y Australia, alejando de Sudamérica las aguas de la superficie oceánica.

En lo alto de la atmósfera, el viento se mueve en dirección opuesta. El resultado, es un sistema de circulación del aire

El océano Pacífico absorbe una cantidad enorme de radiación solar, que hace aumentar la temperatura de la superficie oceánica, y las aguas templadas son desplazadas hacia el oeste por los vientos alisios.

Esas aguas más calientes se acumulan cerca de la zona de Indonesia y el norte de Australia. Es aquí donde el aire cálido y húmedo se eleva y forma nubes de lluvia.

Pero en la situación denominada “Niño”, lo que ocurre es que la fuerza de los vientos alisios se ve muy debilitada, deteniéndose la circulación del aire. Las aguas de la superficie del océano ya no son desplazadas de este a oeste, y por tanto empiezan a moverse hacia América del Sur. Esas aguas templadas empiezan a acumularse en las costas de Sudamérica. El aire caliente y húmedo se eleva, lo que provoca intensas lluvias e inundaciones en las regiones del oeste de América del sur, mientras que la corriente de agua superficial impide la salida de las aguas profundas, frías y ricas en nutrientes, por lo que los bancos de peces se desplazan hacia otras zonas.