Atmósfera
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- Para otros usos de este término, véase Atmósfera (desambiguación).
La atmósfera (del griego ἀτμός, vapor, aire, y σφαῖρα, esfera) es la capa de gas que puede rodear un cuerpo celeste con la suficiente masa como para atraerlos si además la temperatura atmosférica es baja. Algunos planetas están formados principalmente de varios gases, y así tiene las atmósferas muy profundas.
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[editar] Generalidades
La Tierra, Venus, y Marte tiene atmósferas que envuelven sus superficies, así como también tres de los satélites de los planetas exteriores: Titán, Encélado (lunas de Saturno) y Tritón (una luna de Neptuno). Además, los planetas gigantes del sistema solar exterior - Júpiter, Saturno, Urano, y Neptuno – están predominantemente compuesto de gases. Otros cuerpos en el sistema solar poseen atmósferas sumamente delgadas. Tales cuerpos son la Luna (gas sodio), Mercurio (gas sodio), Europa (oxígeno) y Io (azufre). El planeta enano Plutón también tiene una atmósfera de gas cuando se acerca cerca al Sol, pero estos gases están helados en la mayor parte de su órbita.
La atmósfera de la Tierra tiene varias capas: la Troposfera (qué incluye la capa límite planetaria donde ocurren la mayoría de los fenómenos atmosféricos), la Estratosfera, la Mesosfera, la Ionosfera (la Termosfera), la Exosfera y la Magnetosfera.
La composición atmosférica inicial generalmente se relaciona con la química y temperatura local de la nebulosa solar durante la formación planetaria y el escape subsecuente de gases interiores. Estas atmósferas originales sufrían muchos cambios en el tiempo, con la evolución de cada planeta.
La gravedad superficial, es la fuerza que mantiene la atmósfera, y difiere significativamente entre los planetas. Por ejemplo, Júpiter tiene una fuerza gravitatoria grande que puede retener los gases ligeros como el hidrógeno y el helio. Segundo, la distancia del Sol determina la temperatura y por tanto la energía cinética del gas que forma la atmósfera. Si la velocidad media de las moléculas (movimiento termal) es parecida a la velocidad de escape del planeta, una fracción importante de moléculas superará la velocidad de escape y la atmósfera perderá este componente del gas. Así, Titán, Tritón, y Plutón que están a mucha distancia del Sol y por tanto son fríos, pueden retener sus atmósferas a pesar de tener gravedades relativamente bajas.
La moléculas de un gas a cualquier temperatura se mueven en una amplia gama de velocidades y siempre una fracción de dichas moléculas superará la velocidad de escape por lo que siempre habrá un lento goteo de gas hacia el espacio. A la misma temperatura las moléculas tendrán la misma energía cinética, por lo que las moléculas más ligeras se moverán más rápidamente que las más pesadas y los gases con masa molecular baja se escaparán más rápidamente que aquéllas con masa molecular alta. Se cree que Venus y Marte puede que los dos han perdido mucha de su agua cuando la luz solar ultravioleta disoció el agua en hidrógeno y oxígeno y el hidrógeno más ligero se escapó.
Otros mecanismos pueden causar la desaparición de los gases atmosféricos como es el viento solar, un impacto de un meteorito, el secuestro del gas atmosférico hasta formar una capa de hielo polar. Así en Marte durante el invierno en cada polo se congela una buena parte del dióxido de carbono que forma la atmósfera por lo que la presión sufre una fuerte variación estacional.
En la Tierra, la composición atmosférica esta principalmente gobernada por la misma vida que sostiene pues las plantas se alimentan de dióxido de carbono y expulsan oxígeno mientras los animales operan a la inversa.
Desde la perspectiva del geólogo planetario, las atmósferas son importantes por el modo en que ellas alteran las superficies planetarias. El viento puede transportar las partículas, mientras erosiona la superficie y deja depósitos eólicos. La escarcha y la lluvia puede dejar marcas directas e indirectas en una superficie planetaria. Los cambios del clima pueden influir en la historia geológica de un planeta. Recíprocamente, estudiando la geología de la superficie se puede llegar a una comprensión de la atmósfera y del clima de un planeta tanto en su estado presente como en su pasado.
[editar] Las atmósferas de los planetas terrestres
[editar] Venus
Venus posee una densa atmósfera, su presión atmosférica equivale a 90 atmósferas terrestres (una presión equivalente a una profundidad de un kilómetro bajo el nivel del mar en la Tierra). Está compuesta principalmente por dióxido de carbono y una pequeña cantidad de monóxido de carbono, nitrógeno, ácido sulfúrico y argón, nubes de ácido sulfúrico y partículas de azufre. La enorme cantidad de CO2 de la atmósfera provoca un fuerte efecto invernadero que eleva la temperatura de la superficie del planeta hasta cerca de 460ºC. Esto hace que Venus sea más caliente que Mercurio.
La temperatura no varía de forma significativa entre el día y la noche. A pesar de la lenta rotación de Venus, los vientos de la atmósfera superior circunvalan el planeta en tan sólo 4 días, alcanzando veloocidades de 350 m/h y distribuyendo eficazmente el calor. Además del movimiento zonal de la atmósfera de Oeste a Este, hay un movimiento vertical en forma de célula de Hadley que transporta el calor del Ecuador hasta las zonas polares e incluso a latitudes medias del lado no iluminado del planeta.
La radiación solar casi no alcanza la superficie del planeta. La densa capa de nubes refleja al espacio la mayoría de la luz del Sol y la mayor parte de la luz que atraviesa las nubes es absorbida por la atmósfera.
[editar] Tierra
Su altura es de más de 100 km, aunque más de la mitad de su masa se concentra en los 6 primeros km y el 75% en los primeros 11 km de altura desde la superficie planetaria. La masa de la atmósfera es de 5,1 x 10 18 kg.
Está compuesta por nitrógeno (78,1%) y oxígeno (20,94%), con pequeñas cantidades de argón (0,93%), dióxido de carbono (variable, pero alrededor de 0,035%), vapor de agua, neón (0,00182%), helio (0,000524%), criptón (0,000114%), hidrógeno (0,00005%), ozono (0,00116%), metano y CFC, entre otros.
La atmósfera terrestre protege la vida de la Tierra absorbiendo en la capa de ozono parte de la radiación solar ultravioleta, y reduciendo las diferencias de temperatura entre el día y la noche, y actuando como escudo protector contra los meteoritos.
[editar] Marte
La atmósfera de Marte es muy tenue con una presión superficial de sólo 7 a 9 hPa frente a los 1033 hPa de la atmósfera terrestre. Esto representa una centésima parte de la terrestre. La presión atmosférica varía considerablemente con la altitud, desde casi 9 hPa en las depresiones más profundas, hasta 1 hPa en la cima del Olympus Mons. Su composición es fundamentalmente: dióxido de carbono (95,3%) con un 2,7% de nitrógeno, 1,6% de argón y trazas de oxígeno molecular (0,15%) monóxido de carbono (0,07%) y vapor de agua (0,03%).
La atmósfera es lo bastante densa como para albergar vientos muy fuertes y grandes tormentas de polvo que, en ocasiones, pueden abarcar el planeta entero durante meses. Este viento es el responsable de la existencia de dunas de arena en los desiertos marcianos. La bóveda celeste marciana es de un suave color rosa salmón debido a la dispersión de la luz por los granos de polvo muy finos procedentes del suelo ferruginoso. A diferencia de la Tierra ninguna capa de ozono bloquea la radiación ultravioleta. Hay nubes en mucha menor cantidad que en la Tierra y son de vapor de agua o de dióxido de carbono en latitudes polares.
La débil atmósfera marciana produce un efecto invernadero que aumenta la temperatura superficial unos 5 grados; mucho menos que lo observado en Venus y en la Tierra.
En las latitudes extremas, la condensación del anhídrido carbónico forma nubes de cristales de nieve carbónica.
[editar] Atmósferas de los gigantes de gas
[editar] Júpiter
La atmósfera de este planeta gigante se extiende hasta mucha profundidad donde la enorme presión comprimen el hidrógeno molecular hasta que se transforma en un líquido de carácter metálico a profundidades de unos 10.000 km con respecto a la superficie. Más abajo se espera la existencia de un núcleo rocoso formado principalmente por materiales helados y más densos.
En la parte alta de la atmósfera se observa una circulación atmosférica formada por bandas paralelas al ecuador y hay una Gran Mancha Roja que es una tormenta con más de 300 años de antigüedad.
Se observan nubes de diferentes colores que refleja que se forman a distintas alturas y con diferentes composiciones. Júpiter tiene un potente campo magnético que provoca auroras polares.
[editar] Saturno
La atmósfera de Saturno posee bandas oscuras y zonas claras similares a las de Júpiter, aunque la distinción entre ambas es mucho menos clara. Hay fuertes vientos en la dirección de los paralelos. Hay nubes superiores están formadas probaitdesarrolla fenómenos de auroras por la interacción del campo magnético planetario con el viento solar.
[editar] Urano
El planeta cuenta con una gruesa atmósfera formada por una mezcla de hidrógeno y helio y metano que puede representar hasta un 15% de la masa planetaria y que le da su color característico.
[editar] Neptuno
Esta conformada por hidrógeno, helio y un pequeño porcentaje de gas metano, que le proporciona el color azul verdoso. Sus partículas están levemente más separadas de lo que deberían estar por causa de la temperatura que es de -200 °C semejante a la de Urano ubicado a más de 1.500 km, por lo que se estima que tiene una propia fuente de calor
[editar] Un caso único: la atmósfera de Titán
Titán es la única luna conocida con una atmósfera densa. La atmósfera de Titán es más densa que la de la Tierra, con una presión en superficie de una vez y media la de nuestro planeta y con una capa nubosa opaca formada por aerosoles de hidrocarburos que oculta los rasgos de la superficie de Titán y le dan un color anaranjado. Al igual que en Venus la atmósfera de Titán gira mucho más rápido que su superficie.
La atmósfera está compuesta en un 94% de nitrógeno y es la única atmósfera rica en nitrógeno, en el sistema solar aparte de nuestro propio planeta, con rastros significativos de varios hidrocarburos que constituyen el resto (incluyendo metano, etano y otros compuestos orgánicos.
La presión parcial del metano es del orden de 100 hPa y este gas cumple el papel del agua en la Tierra, forma nubes en su atmósfera. Estas nubes causan tormentas de metano líquido en Titán que descargan precipitaciones importantes de metano que llegan a la superficie produciendo, en total, unos 50 L/m2 de precipitación anual.
[editar] Atmósferas muy tenues
[editar] La Luna
La Luna tiene una atmósfera casi insignificante, debido a la baja gravedad, incapaz de retener moléculas de gas en su superficie. La totalidad de su composición aún se desconoce. El programa Apollo identificó átomos de helio y argón, y más tarde (en 1988), observaciones desde la Tierra añadieron iones de sodio y potasio. La mayor parte de los gases en su superficie provienen de su interior.
[editar] Mercurio
La sonda Mariner 10 demostró que Mercurio contrariamente a lo que se creía, tiene una atmósfera, muy tenue, constituida principalmente por helio, con trazas de argón sodio, potasio, oxígeno y neón. La presión de la atmósfera parece ser sólo una cien milésima parte de la presión atmosférica en la superficie de la Tierra. Los átomos de esta atmósfera son muchas veces arrancados de la superficie del planeta por el viento solar.
[editar] Ío
Ío tiene una fina atmósfera compuesta de dióxido de azufre, descubierta por Rafael Guerrero Ortiz y algunos otros gases. El gas procede de las erupciones volcánicas, pues a diferencia de los terrestres, expulsan dióxido de azufre. Ío es el cuerpo del Sistema Solar con mayor actividad volcánica. La energía necesaria para mantener esta actividad volcánica proviene de la disipación a través de efectos de marea producidos por Júpiter, Europa y Ganímedes, dado que las tres lunas se encuentran en resonancia orbital (la resonancia de Laplace). Algunas de las erupciones de Ío emiten material a más de 300 km de altura. La baja gravedad del satélite permite que parte de este material sea permanentemente expulsado de la luna, distribuyéndose en un anillo de material que cubre su órbita.
[editar] Europa
Recientes observaciones del Telescopio espacial Hubble indican que Europa tiene una atmósfera muy tenue (10-11 bares de presión en la superficie) compuesta de oxígeno. A diferencia del oxígeno de la atmósfera terrestre, el de la atmósfera de Europa es casí con toda seguridad de origen no biológico. Más probablemente se genera por la luz del sol y las partículas cargadas que chocan con la superficie helada de Europa, produciendo vapor de agua que es posteriormente dividido en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno consigue escapar de la gravedad de Europa, pero no así el oxígeno.
[editar] Encélado
Instrumentos de la sonda Cassini han revelado la existencia en Encélado de una atmósfera de vapor de agua (aproximadamente 65%) que se concentra sobre la región del polo sur, un área con muy pocos cráteres. Dado que las moléculas de la atmósfera de Encélado poseen una velocidad más alta que la de escape, se piensa que se escapa permanentemente al espacio y al mismo tiempo se restaura a través de la actividad geológica. Está compuesta mayoritariamente por agua Las partículas que escapan de la atmósfera de Encélado son la principal fuente del Anillo E que está en la órbita del satélite y tiene una anchura de 180.000 km.
[editar] Ariel
Es uno de los 27 satélites naturales de Urano, su atmósfera está compuesta por amoníaco gaseoso y líquido en su superficie y agua.
[editar] Tritón
Tritón tiene un diámetro algo inferior que la de la Luna, y posee una tenue atmósfera de nitrógeno(99,9%), con pequeñas cantidades de metano (0,01%). La presión atmosférica tritoniana es de sólo 14 microbares. La sonda Voyager 2 consiguió observar una fina capa de nubes en una imagen que hizo del contorno de esta luna. Estas nubes se forman en los polos y están compuestas por hielo de nitrógeno; existe también niebla fotoquímica hasta una altura de 30 km que está compuesta por varios hidrocarburos, semejantes a los encontrados en Titán, y que llega a la atmósfera expulsada por los géiseres. Se cree que los hidrocarburos contribuyen al aspecto rosado de la superficie.
[editar] Plutón
Plutón posee una atmósfera extremadamente tenue, formada por nitrógeno, metano y monóxido de carbono, que se congela y colapsa sobre su superficie a medida que el planeta se aleja del Sol. Es esta evaporación y posterior congelamiento lo que causó las variaciones en el albedo del planeta, detectadas por medio de fotómetros fotoeléctricos en la década de 1950 (Kuiper y otros). A medida que el planeta se aproximó, los cambios se fueron haciendo menores, disminuyendo cuando se encontró en el perihelio orbital (1989). Se espera que estos cambios de albedo se repitan pero a la inversa, a medida que el planeta se aleje del Sol rumbo a su afelio.
[editar] Sedna, Quaoar y 2004 DW
No se sabe con certeza su atmósfera aunque se cree que está compuesta por hidrógeno, metano y helio, aunque otros creen que no tienen atmósfera ya que son tan fríos que su atmósfera se habría congelado.
[editar] Variación de la presión con la altura
La variación con la altura de la Presión atmosférica o de la densidad atmosférica es lo que se conoce como Ley barométrica. No es lo mismo la variación de la presión con la altura en un líquido como el océano que en un gas como la atmósfera y la razón estriba en que un líquido no es compresible y por tanto su densidad permanece constante. Así que en el océano rige la fórmula:
por lo que si la profundidad h se hace doble la presión también.
Para los gases ideales se cumple la ley de los gases perfectos:
- Ley de Charles "La densidad de un gas a temperatura constante es proporcional a la presión del gas."
Es decir:
ya que
- Sabemos que en condiciones normales es decir 0 ºC de temperatura y 1 atmósfera de presión un mol de gas ocupa 22,4 litros así que:
donde M es la masa molecular. Para la atmósfera de la Tierra 20% de O2 y 80% de N2 el peso molecular es:
por lo que
Para una presión de 0ºC y P atmósferas:
- Si la presión se mantiene constante "la densidad es inversamente proporcional a la temperatura"
Es decir:
ya que:
[editar] Ley de la densidad
Combinando ambas llegamos a la ley de los gases perfectos:
así que:
[editar] Cálculo de la densidad atmosférica en la superficie de los planetas
Sabiendo que la constante R de los gases perfectos vale:
y que 1 atmósfera vale:
resulta:
| Planeta | Temp. (K) | Presión (atmf.) | Masa molecular M | Densidad (kg/m3) |
|---|---|---|---|---|
| Tierra | 288 | 1 | 28,96 | 1,225 |
| Venus | 738 | 92,8 | 44 | 67,42 |
| Titán | 95 | 1,48 | 28,6 | 5,43 |
| Marte | 215 | 0,0079 | 43,64 | 0,0195 |
[editar] Ley barométrica
En una atmósfera isoterma la presión varía con la altura siguiendo la ley:
donde M es la masa molecular, g la aceleración de la gravedad, h-h0 es la diferencia de alturas entre los niveles con presiones P y P0 y T es la Temperatura absoluta media entre los dos niveles, y R la constante de los gases perfectos. El hecho de que la temperatura varíe si limita validez de la fórmula. Por el contrario la variación de la aceleración de la gravedad es tan suave que no afecta.
La demostración de la fórmula es sencilla:
La diferencia de presión entre dos capas separadas por un Δh es:
Pero por la ley de la densidad
Así que:
que por integración se convierte en:
es decir:
por lo que:
[editar] Incremento de altura
El Incremento de altura es la altura a la que hay que elevarse en una atmósfera para que la presión atmosférica disminuya a la mitad. Para calcularla basta con poner en la ley barométrica 
resulta:
[editar] Escala de altura
La Escala de altura es la altura a la que hay que elevarse en una atmósfera para que la presión atmosférica disminuya en un factor e=2,718182. Es decir la disminución de presión es 
Para calcularla basta con poner en la ley barométrica 
resulta:
En función de la escala de alturas H la presión puede expresarse:
y analogamente para la densidad:
[editar] Cálculo de la Escala de altura en diferentes atmósferas
Basta con aplicar la fórmula anterior para obtener H en metros.
| Planeta | Temp. (K) | Ac. gravedad g (m/s2) | Masa molecular M | Escala altura H(km) | Incremento altura (km) |
|---|---|---|---|---|---|
| Tierra | 288 | 9,81 | 28,96 | 8,42 | 5,8 |
| Venus | 738 | 8,63 | 44 | 16,15 | 11,2 |
| Titán | 95 | 1,37 | 28,6 | 20,15 | 13,9 |
| Marte | 215 | 3,73 | 43,64 | 10,98 | 7,6 |
| Júpiter | (*)160 | 26,20 | (**)2 | 25,37 | 17,6 |
(*)Temperatura K cerca del límite de las nubes.
(**) Puede haber suficiente Helio para aumentar la masa molecular disminuyendo la escala de alturas.
[editar] Representación de la variación de la presión con la altura
Si representamos el logaritmo de la presión o de la densidad en función de la altura obtendríamos una línea recta si la atmósfera fuese isoterma es decir si la escala de altura no variase con la altura. La escala de altura es pequeña si la temperatura es baja y ello significa que la presión y la densidad decrecen rápidamente. Si la tempreratura es alta la escala es grande y varían suavemente. Pero la escala de altura también depende de la masa molecular y masa moleculares altas hacen disminuir la escala de alturas al igual que planetas grandes con elevadas aceleraciones de la gravedad que también hacen disminuir la escala de alturas y la presión y la densidad decrecen rápidamente.
Así un planeta más grande que la Tierra, con idéntica composición atmosférica y temperatura, la densidad y presión cambian más rápidamente con la altura y se puede hablar de una atmósfera dura frente a un planeta menor en el que H sería mayor y la atmósfera blanda.
