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PARTE 1: LA ATMÓSFERA.
PARTE 1.1: DEFINICIONES.
Definimos atmósfera como una envoltura fundamentalmente gaseosa que se encuentra unida a la Tierra por atracción gravitatoria, extendiéndose hasta una altura aproximada de 10.000 km. A pesar de su gran tamaño, es en los primeros 30 km donde se encuentra el 97% de la concentración de los gases que la constituyen (nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono…) así como las partículas sólidas y el vapor de agua.
La homosfera o neutrosfera es la parte inferior de la atmósfera, y se caracteriza por poseer una composición homogénea, de ahí su nombre. Se extiende hasta una altura aproximada de 80 km. Su homogeneidad viene dada a la existencia de movimientos del aire que mantienen un proceso de mezcla casi constante. Entre los 80 y los 90 km de altura se extiende una capa de transición denominada homopausa. Por encima de los 90 km se extiende la heterosfera o ionosfera, que es la parte superior de la atmósfera y su concentración de gases ya no es homogénea, sino que éstos se distribuyen en capas concéntricas. Por encima de la heterosfera se extiende la magnetosfera, formada por partículas no ligadas al campo gravitatorio, sino al campo magnético y al viento solar.
PARTE 1.2: COMPOSICIÓN.
El aire puro y seco de la atmósfera, en general, está compuesto mayoritariamente por nitrógeno (78’09%), oxígeno (20’95%) y argón (0’9%); del resto, un 0’03% se corresponde con el dióxido de carbono. El oxígeno es muy activo, al contrario que el nitrógeno y el argón, y experimenta una gran interacción con las rocas, el agua y la biosfera. El argón, como hemos dicho, apenas reacciona con otros elementos, y procede de la desintegración radiactiva del potasio presente en el manto terrestre, siendo expulsado principalmente a la atmósfera a través de los volcanes.
El dióxido de carbono y el vapor de agua únicamente se dan en la parte inferior de la homosfera, y su concentración es muy variable. Así, la concentración de dióxido de carbono depende de la respiración de los seres vivos y su fijación en la biomasa, por lo que aumenta en invierno, cuando la fotosíntesis es menor. El vapor de agua depende de la evaporación, variando su concentración según estemos sobre masas oceánicas o continentales, y según la temperatura. Ambos gases son de enorme interés en los procesos atmosféricos, ya que absorben numerosas radiaciones de onda de la radiación solar (incluyendo radiaciones infrarrojas), por lo que contribuyen a controlar la temperatura de la homosfera. La proporción del ozono también es variable, y depende de la altura, aumentando según aumenta ésta. Se encarga de absorber radiaciones ultravioletas. Otros gases existentes se encuentran en menor proporción y no son tan importantes, como el neón, el xenón, el criptón y el helio; los tres primeros fueron incorporados a la atmósfera cuando ésta se formó, y el último procede de la desintegración radiactiva de las rocas terrestres.
En la heterosfera se produce una disminución de la concentración de los gases pesados tales como el argón y el dióxido de carbono, mientras que otros como el nitrógeno y el oxígeno permanecen en igual proporción. La concentración de hidrógeno y helio aumenta considerablemente.
La heterosfera se caracteriza, como hemos visto, por poseer capas concéntricas que varían de espesor según la latitud y la hora del día. Esta estructura está directamente relacionada con el peso atómico de los gases. Así, el nitrógeno se sitúa en la capa inferior al ser el más denso, mientras que el hidrógeno se sitúa en la capa más externa. En total, hay cuatro capas en la heterosfera:
- Capa de nitrógeno molecular (N2) que se extiende desde 80 a 200 km de altura.
- Capa de ozono (O (^) 3) de los 200 a los 1100 km de altura.
- Capa de helio (He) de los 1100 a los 3500 km de altura.
- Capa de hidrógeno atómico (H) de 3500 a 10.000 km de altura. Todos los gases de la heterosfera están ionizados por las radiaciones infrarroja y ultravioleta, y sus electrones producen corrientes eléctricas y diferencias de densidad entre cationes y partículas neutras, modificando el coeficiente de ionización.
PARTE 1.3: ESTRUCTURA.
La presión atmosférica (fuerza que se ejerce sobre un punto de la Tierra como consecuencia del peso de la columna de aire que se encuentra en niveles suprayacentes como consecuencia de la gravedad) comprime los gases en la parte inferior de la atmósfera. El resultado es que la densidad y la presión disminuyen gradualmente al ascender. Sin embargo, la existencia de niveles que se calientan al absorber las longitudes de onda de las radiaciones provoca una estructura condicionada por la distribución vertical de temperatura o gradiente vertical de temperatura.
La temperatura media del aire, comparada con la de la Tierra, es mayor debido al calentamiento que se produce desde la superficie terrestre, el nivel de ozono situado a unos 50 km de altura que produce un máximo de temperatura y el calentamiento que sufren las capas superiores de la atmósfera al absorber las radiaciones más energéticas. Entre estos máximos de temperatura, no obstante, se sitúan mínimos donde la absorción de radiaciones es menor.
Así, en función de esta temperatura se han distinguido tres capas en la homosfera (troposfera, estratosfera y mesosfera) y una capa en la heterosfera (termosfera):
- Troposfera. Tiene un espesor variable de 9 km en los polos y 17 km en el ecuador; contiene el 75% del volumen total de los gases de la atmósfera y en ella tienen lugar la mayor parte de los procesos meteorológicos. La temperatura va disminuyendo conforme aumentamos la altura. Al final de la troposfera se localiza la tropopausa, a partir de la cual o bien comienza a aumentar la temperatura, o bien se mantiene constante (isotermia).
- Estratosfera. Tiene un espesor de 9-17 a 50-60 km de altura, y presenta dos zonas de distinta variación del gradiente vertical de temperatura: hasta los 32 km de altura la temperatura se mantiene constante, para ir aumentando lentamente hasta los 50-60 km de altura. A dicha altura se localiza la estratopausa, a partir de la cual vuelve a producirse un descenso en la temperatura.
- Mesosfera. Llega hasta los 80 km de altura; la temperatura disminuye conforme aumentamos la altura, hasta llegar a la mesopausa, donde se alcanzan temperaturas muy bajas.
- Termosfera. Llega hasta los 400 km de altura. La radiación ultravioleta calienta esta capa y provoca un aumento de temperatura conforme aumentamos la altura. Por encima de la termopausa, se sitúa la exosfera, donde se igualan las densidades con la del espacio interestelar y ya no hay gravedad.
PARTE 1.4: balance global de radiación solar.
divergente del aire en la superficie se compensa con un movimiento descendente, que trae a la superficie aire frío, impidiendo la formación de nubes.
Si la Tierra no rotase sobre su eje, los vientos circularían desde las zonas de alta presión hasta las zonas de baja presión. Sin embargo, debido al efecto de la rotación planetaria la circulación de los vientos es más compleja. Debido a dicha rotación, se genera una fuerza llamada de Coriolis que desvía las corrientes de aire hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur, aumentando el valor de la fuerza desviadora conforme aumenta la velocidad del viento. Así, la fuerza de Coriolis tiene un valor nulo en el ecuador. Esta desviación hace que el aire no se dirija directamente a las zonas de baja presión atmosférica, sino que circule en paralelo a las isobaras, con las zonas de baja presión a su izquierda en el hemisferio norte y a su derecha en el hemisferio sur.
La diferencia de calentamiento entre los polos y el ecuador genera masas de aire más cálidas y menos densas en el ecuador y masas de aire más frías y densas en los polos. En principio, esto debe provocar altas presiones atmosféricas en los polos y bajas en el ecuador. En esta idea se basa el modelo de circulación de los vientos de Hadley: la diferencia de calentamiento genera una célula de convección en cada hemisferio, con aire caliente que se eleva en los trópicos y fluye hacia los polos, donde desciende y retorna al ecuador con vientos en superficie. Sin embargo, este esquema se complica debido al efecto de la fuerza de Coriolis. En realidad, el aire procedente de los polos se desvía de su trayectoria teórica y no llega al ecuador. Un modelo más complejo se describe mediante tres células de convección en cada hemisferio:
- La Zona de Convergencia Intertropical es un área comprendida entre el ecuador y los 10º de latitud norte y sur. En esta zona ascienden vientos cálidos procedentes de la superficie de ambos hemisferios, vientos conocidos como alisios.
- El aire que ha ascendido se desplaza hacia latitudes mayores y desciende en latitudes comprendidas entre 20 y 30º, donde genera un cinturón de alta presión atmosférica.
- Desde estas zonas de alta presión, se generan vientos hacia el noroeste denominados tralisios y hacia el suroeste, los alisios.
- El aire frío y denso de los polos genera un movimiento descendente y altas presiones atmosféricas. Desde estas áreas polares se producen vientos divergentes que llevan aire frío hacia latitudes medias.
- Las masas de aire que proceden de estas zonas polares y de los anticiclones tropicales se encuentran en latitudes medias (40-70º). La diferencia de temperatura entre ellos genera un gradiente de temperatura y otro de presión. Esta zona de tránsito se conoce como frente polar.
- El frente polar adopta varias disposiciones según las características de las masas de aire (frente frío, si el aire frío invade la zona de aire caliente; frente cálido, si el aire caliente empuja a la masa de aire frío sin mezclarse, situándose por encima de él; o frente ocluido, si la velocidad de ambos vientos es diferente y esto hace que uno de ellos ascienda sobre el otro).
PARTE 1.6: HUMEDAD ATMOSFÉRICA Y FORMACIÓN
DE NUBES.
La humedad atmosférica es el contenido en agua de la atmósfera. La humedad relativa cambia si lo hace la temperatura, de modo que, sin variar la cantidad de vapor de agua, un descenso de temperatura provoca un aumento de dicha humedad relativa. Este es el
mecanismo más frecuente a la hora de la formación de nubes. Las causas del enfriamiento pueden ser dos: el contacto con una superficie fría o el ascenso de masas de aire que, al pasar a presiones menores se expanden y enfrían.
PARTE 2: la HIDROSFERA.
PARTE 2.1: PROPIEDADES DEL AGUA. DEFINICIONES.
Definimos hidrosfera como el conjunto de toda el agua de la Tierra. No constituye una envuelta completa y se describe mejor como una serie de almacenes entre los que hay un flujo incesante de agua. Según un cálculo estimado, en la Tierra hay 1’36 mil millones de km^3 de agua, la mayor parte (97’2%) correspondiente a los océanos; alrededor de un 2’15% está congelada en los glaciares, y gran parte del 0’65% restante se encuentra en la atmósfera, las aguas subterráneas, lagos, pantanos y ciénagas. Sólo un 0’0001% del agua de la hidrosfera se encuentre en los cauces de los ríos y arroyos en algún momento.
El volumen total de agua puede considerarse constante. La mayor parte fue liberada desde el interior hacia la superficie terrestre por diferenciación gravitacional al principio de la historia de la Tierra. Aunque los volcanes siguen liberando agua en forma de vapor de agua, la alteración de las rocas fija cierta cantidad de agua en los minerales, de modo que el volumen puede considerarse constante. Esto significa que las transformaciones de estado y el transporte del agua entre los almacenes se compensan constantemente.
El agua posee numerosas propiedades:
- Alta capacidad calorífica. Esto significa que hace falta una gran cantidad de energía para elevar la temperatura del agua. Esta propiedad permite a la hidrosfera servir de regulador climático suavizando las diferencias de temperatura diarias y estacionales.
- Alto poder disolvente. El agua es un disolvente excepcional debido a la asimetría de su molécula, como vimos en el tema correspondiente. Gracias a ello se producen numerosos procesos en la hidrosfera, como el transporte de sedimentos en disolución a través de los ríos y los procesos kársticos.
- Alta tensión superficial. Esta propiedad hace que el agua se adhiera a los poros, lo que permite que los suelos conserven humedad y las plantas puedan obtenerla.
- Transparencia. Su transparencia en estado líquido permite la vida de numerosos organismos fotosintéticos en los ríos, los lagos y las partes superficiales de los océanos. Esta presencia de seres fotosintéticos es fundamental para la existencia de los ecosistemas acuáticos.
- Cambios de estado. El comportamiento termodinámico del agua y las condiciones climáticas de la Tierra permiten la coexistencia de los tres estados del agua (sólido, líquido y gaseoso). Los cambios entre estos estados suponen la liberación y captación de energía, influyendo en el clima. Además, el agua es una de las pocas sustancias cuya densidad en estado sólido es menor a la densidad en estado líquido.
Parte 2.2: CICLO HIDROLÓGICO.
El ciclo hidrológico, o ciclo del agua, es un modelo que permite describir las transformaciones de estado y el transporte del agua de unos almacenes a otros.
Definimos aguas subterráneas como aquellas que llenan los espacios abiertos de las rocas, sedimentos y suelo por debajo de la superficie terrestre, siendo uno de los almacenes de la hidrosfera. Igual que ocurre con el resto de agua del ciclo hidrológico, el agua subterránea procede de los océanos, pero su fuente más inmediata es la precipitación que se infiltra en el terreno. Las aguas subterráneas pueden proceder también del agua que se infiltra desde las corrientes, los lagos, los pantanos, los estanques artificiales y los sistemas de tratamiento de agua.
Cuando el agua subterránea desciende por el terreno, una pequeña cantidad se adhiere al material que atraviesa; definimos aguas edáficas como aquellas retenidas en los poros de las rocas por capilaridad, sirviendo como fuente acuática a las plantas. Sin embargo, el resto sigue infiltrándose hacia abajo y se acumula hasta llenar todos los espacios porosos disponibles. Por tanto, pueden distinguirse dos zonas según si sus espacios porosos contienen fundamentalmente aire (zona de aireación o vadosa) o agua (zona de saturación o freática); la superficie que las separa recibe el nombre de tabla de agua o nivel freático.
La gravedad proporciona energía para el movimiento descendente de las aguas subterráneas. El agua que se introduce en el terreno se mueve a través de la zona de aireación a la zona de saturación. Cuando el agua alcanza el nivel freático, continúa atravesando la zona de saturación desde áreas en las que la tabla de agua es alta hasta áreas en las que es más baja, como las corrientes, lagos o pantanos. Sólo una parte del agua sigue una ruta directa a lo largo de la inclinación del nivel freático; la mayor parte desciende por caminos curvos más largos y después entra en una corriente, un lago o un pantano desde abajo, porque se mueve desde áreas de presión alta hasta áreas de una presión más baja dentro de la zona saturada.
Definimos acuífero como cualquier volumen de roca poroso capaz de almacenar agua subterránea y permitir su movimiento. Existen acuíferos normales, donde el cuerpo rocoso permite el movimiento del agua, y acuíferos colgados o perched, cuando el agua queda sostenida por un nivel impermeable superior al nivel freático. Denominamos acuitardo como el nivel de roca poco permeable que dificulta el movimiento del agua subterránea, acuicludo como la masa rocosa que permite con facilidad dicho movimiento, y manantial o spring como la afloración del agua subterránea (descarga). Podemos clasificar a los acuíferos a través del tamaño de sus poros de roca:
- Acuíferos de porosidad granular. Los poros se corresponden con los huecos existentes entre las distintas rocas.
- Acuíferos de fisuración. Los poros se corresponden con fracturas tales como fallas y diaclasas.
- Acuíferos de disolución. Los poros se han originado por un proceso de disolución en la roca.
El agua subterránea es un recurso natural valioso que se está explotando rápidamente in tener en cuenta los efectos de su uso abusivo. Las modificaciones de las aguas subterráneas pueden tener numerosas consecuencias ambientales:
- Descenso del nivel freático. La extracción del agua subterránea a una tasa significativamente mayor que la de reemplazo por recarga (ya sea natural o artificial) puede tener efectos de descenso del nivel freático.
- (^) Salinización de acuíferos. El bombeo excesivo de agua subterránea en zonas costeras ha dado como resultado su salinización.
- Subsidencia. Cuando se extraen cantidades excesivas de agua subterránea de rocas sedimentarias y sedimentos mal consolidados, se reduce la presión del
agua entre los granos, y el peso de los materiales suprayacentes hace que dichos granos se compacten, dando como resultando la subsidencia del terreno.
- Contaminación general. Un problema importante al que se enfrenta nuestra sociedad es el de cómo deshacerse de manera segura de los subproductos contaminantes fruto de una economía industrializada. Así, la contaminación de las aguas subterráneas y de los acuíferos puede provenir de focos puntuales de contaminación (como una fuga en una gasolinera) o focos dispersos de contaminación (como los fertilizantes usados en agricultura). Otros focos de contaminación son las aguas residuales, los vertederos y los puntos de eliminación de productos tóxicos. Una vez que los agentes contaminantes se introducen en el sistema de aguas subterráneas, se extienden allí por donde viajen éstas, lo que puede hacer muy difícil su contención y eliminación.
