I.E.S. “Flavio Irnitano” – El Saucejo (Sevilla) Departamento de Ciencias Naturales ASIGNATURA: CIENCIAS DE LA TIERRA Y MEDIOAMBIENTALES

Curso 2.013– 2.014 NIVEL: 2º Bachillerato

LOS SISTEMAS FLUIDOS TERRESTRES EXTERNOS ÍNDICE 0. Introducción 0.1. Funcionamiento de la máquina climática 1. La atmósfera 1.1. Concepto 1.2. Composición 1.3. Estructura 1.3.1. Homosfera A) Troposfera B) Estratosfera C) Mesosfera 1.3.2. Heterosfera A) Termosfera B) Exosfera C) Magnetosfera

0. INTRODUCCIÓN Se llaman capas fluidas a la atmósfera y a la hidrosfera porque ambas están constituidas por fluidos, aire y agua, respectivamente. Éstos son los dos subsistemas terrestres más relevantes para el funcionamiento del sistema climático. Ambos constituyen la máquina climática, sistema dinámico que funciona con energía solar y determina el clima en gran medida. Puede afirmarse que el ciclo del agua constituye la interacción más importante dentro de la máquina climática. 0.1. Funcionamiento de la máquina climática La máquina climática es un sistema muy complejo, dado que en dicho sistema intervienen múltiples factores. El cambio de una sola de las variables afecta a todas las demás, por lo que su estudio debe realizarse a partir de modelos que, aunque no sean totalmente fiables, es la única manera de comprender un poco su intrincado funcionamiento. Por eso, no cabe esperar que se formulen leyes científicas sino como mucho teorías y modelos climáticos de unos sistema que, en esencia, se basan en los movimientos generados debido a la existencia de un gradiente entre dos puntos. Gradiente es la diferencia existente entre dos puntos en algún parámetro. En este caso, atmosféricos (temperatura, humedad o presión) o hidrosféricos (presión, temperatura, salinidad o densidad). La existencia de un gradiente o contraste en los valores de cualquier parámetro entre dos puntos situados a una cierta distancia (tanto en sentido vertical como horizontal) en el interior de la atmósfera o de la hidrosfera, generará un movimiento de circulación del fluido mediante el cual se tiende a amortiguar las diferencias entre un extremo y otro. En el caso de la atmósfera, el transporte entre los dos puntos lo realiza el viento; en el de la hidrosfera, las corrientes oceánicas.

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Este bucle de realimentación negativa da estabilidad al sistema planetario, llevando el calor de las zonas de superávit a las de déficit. En un planeta sin capas fluidas, al no existir el transporte, no se amortiguarían las diferencias térmicas.

Como es lógico, cuanto mayor sea el gradiente entre dos puntos, más vigorosa será la circulación del viento o de las corrientes oceánicas; el flujo cesa en el momento en que los parámetros se igualan, con lo que el gradiente se reduce a cero. Texto

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Por ejemplo, cuando existe un gradiente térmico (véase el diagrama causal del margen) determinado por una diferencia de temperatura entre dos puntos, se producirá un movimiento mediante el cual se transporta calor de un extremo a otro. El comportamiento de la atmósfera y de la hidrosfera es distinto debido a sus diferencias en cuanto a su: - Densidad (la del aire es 773 veces inferior a la del agua) - Compresibilidad (el agua es poco compresible) - Movilidad (el aire se mueve con mayor facilidad) - Capacidad para almacenar el calor (la hidrosfera es capaz de almacenar una gran cantidad de la radiación solar recibida en forma de energía térmica) - Capacidad para conducir el calor (la del aire es muy poca, la del agua es mayor). 0.1.1. Movimientos verticales. Los movimientos verticales ascendentes y descendentes de ambos fluidos dependen de la temperatura a la que se encuentren, lo cual, además de generar un gradiente térmico vertical, afecta también a su densidad, ya que tanto el agua como el aire son más densos cuanto menor sea la temperatura a la que se encuentren. Sin embargo, el sentido en el que se inician dichos movimientos depende de la capacidad para conducir el calor, que es muy diferente en ambos fluidos. - El aire es muy mal conductor del calor, por lo que apenas se calienta con la radiación solar directa. Se calienta por debajo, gracias al calor irradiado desde la superficie terrestre, previamente calentada por el sol. Así, el aire superficial, más caliente y menos denso, tenderá a subir, enfriándose a medida que asciende; por su parte, el aire de altura, frío y más denso, tenderá a bajar, calentándose durante el descenso. - El agua es mejor conductora del calor, por eso se calienta la parte superficial de la hidrosfera, permaneciendo más fría el agua del fondo. En este caso, no puede haber movimientos verticales, ya que el agua superficial, menos densa, no tenderá a descender. El movimiento vertical solamente será posible en aquellos lugares en los que, debido al clima, el agua de la superficie esté más fría que la del fondo, caso en el cual tenderá a bajar, haciendo que la profunda se eleve. 0.1.2. Movimientos horizontales. El desplazamiento de los vientos, o de las corrientes oceánicas impulsadas por ellos, entre dos zonas geográficas determinadas se debe al contraste térmico horizontal generado por la desigual insolación de la superficie terrestre (mayor en el ecuador y menor en los polos), que es llevado a cabo por los vientos o por las corrientes oceánicas. Gracias a este transporte de calor, se amortiguarán las diferencias térmicas entre los polos y el ecuador terrestre. La presencia de las masas continentales dificulta este transporte de calor, porque frena y desvía vientos y las corrientes oceánicas. 1. LA ATMÓSFERA. Concepto, composición y estructura. Conceptos básicos: homosfera, heterosfera, troposfera, tropopausa, estratosfera, ozonosfera, estratopausa, mesosfera, mesopausa, termosfera, ionosfera, termopausa, exosfera 1.1. Concepto La noción de atmósfera proviene de dos vocablos griegos que refieren al aire y a una esfera. El término de nuestro idioma se utiliza para nombrar al manto gaseoso que se encuentra rodeando un planeta u otro tipo de objeto astronómico. El uso más habitual del concepto está vinculado a la atmósfera terrestre, es decir, a la capa de gases que está alrededor de la Tierra debido a la atracción por parte de la fuerza de la gravedad del planeta. Es la capa más externa y menos densa del planeta y está constituida por varios gases que varían en cantidad según la presión a diversas alturas. El límite superior de esta capa no está claro pues hay una transición continua entre la zona de influencia terrestre y el espacio exterior circundantes. Algunos autores lo establecen en la zona donde ya es de clara influencia y predominio de la atmósfera solar (el viento solar); otros lo establecen donde la concentración de hidrógeno atómico es parecida a la del espacio y, a partir de ahí, ya no hay muchos átomos de hidrógeno que, debido a la gravedad, estén unidos a la Tierra; esto ocurre alrededor de los 10.000 km de altura sobre la superficie terrestre. Texto

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1.2. Composición Como consecuencia del escape al espacio exterior de los gases más ligeros -H2y He-y de las numerosas reacciones de equilibrio que se producen entre la atmósfera y los otros grandes sistemas presentes en su superficie hidrosfera, litosfera y biosfera-, la composición actual de aquélla es relativamente sencilla, con un 78 % (en volumen) de nitrógeno, cerca de un 21 % de oxígeno, 0,93 % de argón, 0,03 de CO2, correspondiendo el resto a cantidades variables de otros gases -fundamentalmente H2O- y polvo en suspensión. Estos componentes se pueden clasificar en: - Mayoritarios (N2, O2, Ar, CO2). - Minoritarios, en muy pequeña proporción, medida en partes por millón (ppm), y que se pueden dividir en: + Reactivos (CO, CH4, Hidrocarburos, NO, NO2, NH3, SO2, O3). + No reactivos (H2, N2O, gases nobles, como He, Ne, Kr, Xe) - Variables (vapor de agua, contaminantes). A lo largo de los tiempos geológicos los volcanes y, durante las últimas décadas, el hombre, han introducido en la atmósfera cantidades importantes de gases, cuyas consecuencias inmediatas de carácter ecológico y climático ya han podido ser demostradas. En virtud de la compresibilidad de los gases, la mayor parte de la atmósfera se encuentra cerca de la superficie comprimida por su propio peso, de forma que en los primeros 6 km se encuentra el 50 % de la masa total, y hasta el 95 % por debajo de los 15 km. 1.3. Estructura Las proporciones de los diferentes gases, ya mencionados, constituyen lo que coloquialmente se conoce como aire y se mantienen casi invariables hasta los 80 Km de altitud (homosfera). Por encima, la composición es más variable y los gases se disponen en varias capas (heterosfera), quedando separado de la anterior por una zona o superficie de transición: la homopausa. Hay que advertir para las capas superiores no hay actualmente una aceptación universal de la terminología. 1.3.1. Homosfera Según la dinámica, composición y características existentes, fundamentalmente las variaciones de temperatura, en los distintos niveles de la homosfera, ésta se divide, desde la superficie terrestre hacia el exterior del planeta, en troposfera, estratosfera y mesosfera. A) Troposfera Variación de la temperatura y presión atmosféricas Tiene una altitud media de unos 12 km, en función de la altura aunque varía con la latitud (unos 9 km en los polos, 12 km en latitudes medias y 16 km en el ecuador) y con las estaciones (más elevada en verano que en invierno, pues el aire es menos denso). Su límite superior se denomina tropopausa En ella existen importantes y activos flujos convectivos verticales y horizontales, producidos por las diferencias de presión y temperatura existentes de unas regiones a otras (capa del clima)

Por estar en contacto con la hidrosfera y la biosfera presenta cantidades importantes de H2O y CO2, responsables importantes de los fenómenos atmosféricos y de proporcionar a esta capa sus características aislantes que evita el escape rápido del calor procedente de la superficie (efecto invernadero), y muy variables de polvo en Texto

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suspensión (principalmente en los primeros 500 m, la capa sucia) que, entre otras cosas, sirven de núcleos de condensación para el vapor de agua, originando las partículas de las nubes. La compresibilidad de los gases hace que el 80% de los gases se concentre en esta zona. En consecuencia la presión atmosférica (peso ejercido por la atmósfera sobre una superficie) sea máxima junto a la superficie (unos 1013 milibares) y descienda bruscamente al ascender por esta capa, reduciéndose a unos 200 mb en su límite superior. También disminuye la temperatura con la altitud, desde una media de 15ºC en la superficie hasta unos -70ºC en la tropopausa, con un gradiente medio de uso 0,65ºC/100m (gradiente vertical de temperatura, GVT). Esto es debido a que el calentamiento de esta capa se realiza fundamentalmente por la superficie terrestres, es decir, de abajo a arriba. B) Estratosfera Se extiende desde la tropopausa hasta la estratopausa, situada a los 50-60 km de altura. En ella el aire es muy tenue y no existen prácticamente movimientos verticales, sino horizontales (de hasta 200 km/h de velocidad), dando una disposición en capas superpuestas o estratos (origen del nombre de la capa). En la mitad superior de la capa, especialmente entre los 15 y los 30 o 35 km, se encuentra la capa de ozono, donde se concentra la mayor parte de la concentración atmosférica de esta molécula. La capacidad de absorción de la radiación ultravioleta por parte del ozono hace que la temperatura, que había permanecido baja desde la troposfera, vuelva a subir alcanzando en la estratopausa temperaturas alrededor de los 0ºC. C) Mesosfera Esta capa se extiende desde la estratopausa hasta la mesopausa, situada a unos 80 km de altitud. Aunque la densidad del aire aquí es muy reducida, resulta todavía suficiente como para que el roce de las partículas que contienen provoque la inflamación de los meteoritos procedentes del espacio, dando lugar a la formación de estrellas fugaces. De esta manera, la gran mayoría de estos bólidos se consumen y no alcanzan la superficie terrestre, donde constituirían un riesgo. La temperatura vuelve a disminuir hasta alcanzar unos valores por debajo de -130ºC en la zona de la mesopausa. La presión atmosférica es muy baja, descendiendo desde 1 mb a 50 km de altitud hasta 0,01 mb en dicho límite. Es en esta región donde se observan las “nubes noctilucientes” sobre las latitudes altas en verano, parece ser debido a la presencia de polvo meteórico, que actúa como núcleos de cristal de hielo formado a partir de vapor de agua que asciende por movimientos convectivos o bien se ha originado por reacciones de oxidación de metano atmosférico. 1.3.2. Heterosfera A) Termosfera Esta capa se extiende hasta una altitud comprendida entre los 500 y750 km de altitud. Las densidades atmosféricas son extremadamente bajas, pero aún existe efecto de rozamiento sobre los vehículos espaciales por encima de los 250 km. La porción inferior se compone principalmente de nitrógeno (N2) y oxígeno en forma molecular (O2) y atómica, mientras que por encima de los 200 km el oxígeno atómico predomina sobre el nitrógeno (N2 y N). Las temperaturas suben con la altitud debido a la absorción de las radiaciones solares más enérgicas (utravioleta de alta energía, rayos X y gamma, probablemente acercándose a temperaturas de 800-1200 K a 350 km. Por encima de los 100 km la atmósfera se ve cada vez más afectada por la radiación cósmica, que causan ionización o carga eléctrica, separando los electrones de los átomos de oxígeno y nitrógenos, dejándolos como iones. Texto

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La interacción de estas partículas cargadas eléctricamente con partículas ionizadoras de la radiación solar que alcanzan altitudes de 300 a 80 km de altitud (aunque puede ocurrir en circunstancias especiales ya a 1000 km) en las zonas polares, originan manifestaciones de luz y color, las auroras polares: llamadas auroras boreales en el hemisferio norte y auroras australes en el hemisferio sur. Comúnmente, el término ionosfera se aplica a las capas situadas por encima de los 80 km. B) Exosfera Es la última capa atmosférica. Allí la tenue atmósfera está formada por átomos de oxígeno, hidrógeno y helio (aproximadamente el 1% de ellos en estado ionizado). La frecuencia de ionización va en aumento con la altura, y más allá de unos 200 km por encima, existen sólo electrones y protones derivados del viento solar (plasma de gas conductor eléctrico de origen solar). C) Magnetosfera No es propiamente una capa atmosférica pero está en estrecha relación con ella en su papel protector. Es la región del espacio que rodea la Tierra en la que el campo magnético terrestre forma un escudo protector contra el viento solar y contra las radiaciones más peligrosas. La magnetosfera interacciona con el viento solar en una región denominada magnetopausa que se encuentra a unos 60.000 km de la Tierra en la dirección Tierra-Sol y a mucha mayor distancia en la dirección opuesta. Por delante de la magnetopausa se encuentra la superficie de choque entre el viento solar y el campo magnético. En esta región el plasma solar se frena rápidamente antes de ser desviado por el resto de la magnetósfera. Las partículas cargadas del viento solar son arrastradas por el campo magnético sobre los polos magnéticos dando lugar a la formación de las auroras polares ya citadas. La magnetosfera comienza a unos 500 km de altitud, por encima de la ionosfera, y se prolonga mucho más lejos de la exosfera, hasta la mesopausa citada, cuyas diferencias de distancia a la Tierra mencionadas en el párrafo anterior es debida a la deformación inducida por el viento solar.

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