1- L'atmosfera
Anomenem capes fluides al sistema dinàmic format per l'atmosfera i la hidrosfera, constituïdes per fluids (aire i aigua) i estretament lligades per mitjà del cicle de l'aigua. Són els subsistemes més rellevants en el funcionament de la màquina climàtica. Els 10 quilòmetres de gruix aproximat de la troposfera són una fina capa afegida als una miqueta més de 6000 quilòmetres de radi de la Terra. I, no obstant això, en eixa tènue part de l'atmosfera es concentra la major part de l'aire i hi succeeixen els fenòmens climàtics que tanta transcendència tenen per a la vida en el nostre planeta.
La hidrosfera és, junt amb l'atmosfera, l'altre medi per excel·lència de la vida. La vida va sorgir en les aigües i multitud d'espècies viuen en els distints hàbitats aquàtics. A més, indirectament, les grans masses d'aigua influeixen en fenòmens com la pluja, vents, corrents marines, distribució de la calor en el planeta, etc., que són decisius per a la biosfera.
Es tracta d'un sistema caòtic, les variables del qual presenten complexes interaccions de caràcter no lineal, per la qual cosa és pràcticament impossible construir models fiables i predir resultats en funció dels paràmetres inicials, ja que qualsevol petita variació en ells pot suposar enormes canvis en els resultats, que són així imprevisibles. D'ací la impossibilitat d'establir un control sobre el clima, repte a què s'enfronten diàriament els meteoròlegs, ja que seria com si els exigírem predir el moment i trajectòria de caiguda de la fulla d'un arbre. No obstant això i malgrat totes aquestes limitacions, només podrem acostar-nos a la seua comprensió utilitzant models.
L'atmosfera terrestre és la capa gasosa que envolta les superfícies sòlida (continents) i líquida (oceans) de la Terra fins una altura d'uns molts 10.000 km). L'atmosfera està unida a la resta del planeta per atracció gravitatòria, mantenint-se un equilibri entre la força de la gravetat i la natural expansió dels gasos .
1.1. Composició química de l'atmosfera
Els components de l'atmosfera es troben concentrats prop de la superfície, comprimits per l'atracció de la gravetat i, a mesura que augmenta l'altura la densitat de l'atmosfera, disminueix amb gran rapidesa. En els 5,5 quilòmetres més pròxims a la superfície es troba la meitat de la massa total i abans dels 15 quilòmetres d'altura està el 95% de tota la matèria atmosfèrica.
La mescla de gasos que anomenem aire manté la proporció dels seus diferents components quasi invariable fins als 80 km, encara que cada vegada més enrarit (menys dens) a mesura que anem ascendint. A partir dels 80 km la composició es fa més variable. Així doncs, segons la seua composició química, es distingixen dos capes: l'homosfera i l'heterosfera:
1. - L'Homosfera .
S'extén des del nivell del mar fins a uns 80-100 km d'altitud. Té composició química molt uniforme; consisteix en una mescla homogènia de gasos anomenada aire. La composició de l'aire pur (sense partícules sòlides ni líquides) i sec (sense vapor d'aigua) de l'homosfera es pot veure en la taula 1.
Taula 1. Composició mitjana de l'aire sec de l'homosfera . Quan es diu que el nitrogen està en una proporció del 78,08 % en volum, vol dir que de cada 100 molècules presents en l'aire 78,08 són de nitrogen.
Els altres gasos minoritaris que composen l’aire s’expressen en ppm (parts per milió). Destaquem Ne, He, Kr, Xn, H2, CH4, O3, etc.
Les escasses variacions que presenta l'homosfera amb l'altura estan relacionades amb el vapor d'aigua, l'ozó i els contaminants:
- La presència de vapor d'aigua és molt variable, augmenta en les capes més baixes de forma que pot arribar a representar fins a un 4 % de l'aire prop del sòl, però està quasi absent per damunt dels 10 o 12 km. Varia també segons les zones climàtiques (deserts, selves, etc)
- L'ozó es troba concentrat principalment entre els 15 i els 35 km, encara que també pot aparèixer en la troposfera com a contaminant.
- Els contaminants presenten unes proporcions que fluctuen en funció de la proximitat a centres urbans, industrials o a la presència de determinats corrents atmosfèrics que els transporten.2- L'heterosfera.
S'estén des dels 100 km d'altitud fins al límit exterior de l'atmosfera. No té una composició de gasos homogènia i la densitat de l'aire és molt xicoteta. En l'heterosfera hi ha diferents capes, cada una d'elles caracteritzada pel predomini d'un determinat gas (taula 2). Les capes s'ordenen des de dins cap a fora segons el pes molecular dels components principals.
Capa de nitrogen molecular (N2) Entre 100 i 200 km Capa d'oxigen atòmic (O) Entre 200 i 1000 km Capa d'heli (He) Entre 1000 i 3500 km Capa d'hidrogen atòmic (H) A partir de 3.500 km
Taula 2. Composició de l'heterosfera
Altres components de l’atmosfera
També hi ha partícules de pols en suspensió com, per exemple, partícules inorgàniques, xicotets organismes o restes d'ells, NaCl del mar, etc. Moltes vegades aquestes partícules poden servir de nuclis de condensació en la formació de boires i pluges. Vegeu taula 3
Alta mar Alta muntanya (més de 2000 m) Baixa muntanya (fins a 1000 m) Camps cultivats Ciutat xicoteta Gran ciutat
Els volcans i l'activitat humana són responsables de l'emissió a l'atmosfera de diferents gasos i partícules contaminants que tenen una gran influència en els canvis climàtics i en el funcionament dels ecosistemes, com veurem.
Figura 1: Cúpula de pols sobre una ciutat
Taula sobre la composició de l'atmosfera
Dades de temperatura, pressió i concentració segons l'altitud
1.2. Estructura de l’atmosfera
El comportament tèrmic de l'atmosfera no presenta una uniformitat al llarg de tot el seu gruix: a vegades disminueix la temperatura amb l'altura i altres vegades augmenta (fig 2). Atenent a aquests aspectes l'homosfera es divideix en les capes següents:
-Troposfera. És la capa inferior de l'atmosfera. La seua altitud és variable i oscil·la entre els 16 km en l'equador, els 12 km en les latituds mitjanes i els 9 km en les proximitats dels pols). La troposfera és la zona més densa de l'atmosfera, perquè, a causa de la seua compresibilitat, el 80% dels gasos es concentren en la seua part més baixa (densitat d'1,23 g/l i pressió d'1 atmosfera). Als primers 500 m es denomina capa bruta, perquè en ells es concentra la pols en suspensió, procedent dels deserts, els volcans, la sal marina i les activitats industrials. Aquesta pols contribueix a la coloració rogenca del cel de l'alba i, serveix, a més, com a nucli de condensació que facilita el pas del vapor d'aigua atmosfèric de gas a líquid.
Els fenòmens meteorològics més importants, com els núvols i les precipitacions, tenen lloc en aquesta part de l'atmosfera; per això rep el nom de capa del clima. En ella es produeixen importants moviments verticals i horitzontals de les masses d'aire (vents) i hi ha relativa abundància d'aigua, per la seua proximitat a la hidrosfera. Com l'aire és un mal conductor (la conducció tèrmica en els gasos és roïna), no s’escalfa directament per mitjà de la radiació solar, sinó que ho fa indirectament, gràcies a la calor transmesa des de la superfície terrestre. Per aquest motiu, la temperatura de la troposfera és màxima en la seua part inferior (uns 15ºC com mitjana), i a partir d'ací, comença a descendir amb l'altura en una proporció aproximada de 0,65 ºC/100 m, segons un gradient vertical de temperatura, fins a aconseguir un valor mínim (-70ºC) en la seua part final, la tropopausa. És ací on té lloc l’efecte hivernacle.
- Estratosfera. S'extén des del final de la troposfera fins a l'estratopausa, situada entre els 50 i els 60 km d'altitud. Al contrari que en la troposfera, la temperatura en aquesta capa augmenta fins a aconseguir un valor màxim (0ºC) en l'estratopausa. Això impideix l’ascens de les capes de la troposfera, més fredes i denses. Per tant, en l’estratosfera no hi ha moviments verticals de l'aire, sinó només moviments horitzontals, a causa de la seua disposició en estrats superposats. A més, no hi ha núvols, excepte en la seua part inferior, en la que es formen uns de gel l'estructura de les quals és molt tènue. Entre els 30 i els 50 km es concentra la majoria de l'ozó atmosfèric (ozonosfera).
- Mesosfera. S'extén des dels 50-60 km fins a la mesopausa, situada cap al km 80. La seua temperatura disminueix de nou fins aproximadament -80ºC. Tot i que la densitat de l’aire és molt reduïda, és suficient perquè el frec de les partícules que conté provoque la inflamació de la immensa majoria dels meterorits procedents de l’espai, cosa que provoca la formació dels estels fugaços.
Fig. 2. Divisions de l'atmosfera terrestre atenent a la temperatura
Atenent a la variació de la temperatura amb l'altura distingim en l'heterosfera les següents capes:
- Termosfera o Ionosfera. S'extén des de la mesopausa fins més de 500 km. En la seua base inferior es compon principalment de N2 (acompanyat d'oxigen, tant en forma molecular com atòmic) i per damunt dels 200 km predomina l'oxigen atòmic. En aquesta part de l'atmosfera, els àtoms d'oxigen i molècules de N2 absorbeixen els rajos X i els rajos gamma procedents del Sol, cedint un electró, la qual cosa deixa a l'àtom o a la molècula carregats positivament. Els electrons despresos originen un corrent elèctric que es mou per tota la capa ionitzada i que generen un camp magnètic terrestre entre la ionosfera carregada positivament i la superfície terrestre. Aquesta ionosfera produeix fenòmens com la reflexió de les ones de radi i TV .
La temperatura augmenta amb l'altura a causa de l'absorció d'ona curta, podent arribar fins més de 1000ºC per damunt dels 300 km, encara que presenta àmplies variacions diürnes i estacionals. La densitat de l'aire d'aquesta zona és tan baixa que s'aproxima al buit (1 àtom/cm3). La interacció de les partícules subatòmiques (protons i electrons) procedents del Sol amb els àtoms ionitzats de la termosfera dóna lloc als fenòmens lluminosos coneguts com a aurores boreals o polars. Açò ocorre en les proximitats dels pols magnètics terrestres.
Exosfera: S’extén dels dels quilòmetres 500 al 800. És la darrera capa i el seu límit el marca una baixísima densitat atmosfèrica, semblant a la de l’espai exterior. En aquest punt, l’aire és tan tènue que no pot captar la llum solar i, com a resultat, el color del cel s’enfosqueix fins assolir la negror de l’espai exterior. Es tracta d’una capa essencialment isotèrmica.
Fig.3: Capes de l’atmosfera i variació dels parèmetres físics en cadascuna de les capes
La magnetosfera és la regió en què és efectiu el camp magnètic de la Terra. El seu límit, la magnetopausa, es troba entre 64.000 i 130.000 km de la superfície sòlida del planeta. La magnetopausa no té forma esfèrica, ja que el “vent solar” la deforma pel costat oposat al Sol, donant lloc a una cua molt allargada. El vent solar és un flux de protons i electrons d'alta energia procedents de la superfície del Sol. Aquesta radiació xoca amb la magnetosfera, desviant-se i dispersant-se per l'espai interplanetari. Sense la presència de la magnetosfera no existiria cap molècula, ja que serien escindides per les partícules solars. Dins de la magnetosfera es localitzen dos amples cinturons de radiació que, en forma de croissant, emboliquen quasi la totalitat de la Terra. Són els Anells de Van Allen. En el seu interior es mouen a altes velocitats protons i electrons (fig. 4).
Fig 4. La magnetosfera i la magnetopausa. Les àrees semicirculars representen els cinturons de Van Allen
La vida depén de l'atmosfera. L'oxigen, el CO2, la humitat atmosfèrica, són imprescindibles per al desenvolupament dels organismes. Però no cal oblidar que l'atmosfera que coneixem en la Terra ha sigut, al seu torn, construïda en gran part amb l'activitat dels éssers vius. Si no fóra per la fotosíntesi no hi hauria oxigen; i l'equilibri actual de gasos com l'oxigen, CO2 i vapor d'aigua depén estretament dels éssers vius, de la seua respiració, de la fotosíntesi i de la transpiració. Un altre component atmosfèric de gran transcendència és l'ozó (O3) present en l'estratosfera i que és vital per a detindre les mortals radiacions ultraviolades. És molt probable que fins que no van haver passat els milions d’anys suficients perquè aquesta capa d'ozó es formara, la vida en la superfície, fora de l'aigua, haguera estat totalment impedida per l'arribada sense fre de les letals radiacions.
L'atmosfera és l'embolcall gasós que rodeja a la Terra. Va començar a formar-se fa uns 4600 milions d'anys amb el naixement de la Terra. La major part de l'atmosfera primitiva es perdria en l'espai, però nous gasos i vapor d'aigua es van anar alliberant dels processos magmàtics de les roques que formen el nostre planeta. (recordeu la història pregeològica de la Terra)
L'atmosfera de les primeres èpoques de la història de la Terra estaria formada per vapor d'aigua, diòxid de carboni (CO2) i nitrogen, al costat de molt xicotetes quantitats d'hidrogen (H2) i monòxid de carboni però amb absència d'oxigen. Era una atmosfera lleugerament reductora fins que l'activitat fotosintètica dels éssers vius va introduir oxigen i ozó (a partir de fa uns 2500 o 2000 milions d'anys) i fa uns 1000 milions d'anys l'atmosfera va arribar a tindre una composició semblant a l'actual.
1.5. L’energia en la atmosfera
L’energia solar s’ha de considerar com un conjunt de radiacions electromagnètiques format per ones amb un espectre d’una ampla gamma de longituds d’ona. La Terra incercepta solament una petitíssima part de l’energia emesa pel Sol. A aquest conjunt de radiacions que provenen del Sol se li anomena radiació solar. L’espectre solar es pot dividir en tres segments:
Fig 5. espectre solar
1- La radiació visible que aplega a la Terra, amb longitud d’ona (l) compresa entre 0,4 i 0,7 mm (400 a 710 nanòmetres -nm-) constitueix el 41% de la radiació solar. Aquesta radiació visible està formada per ones de diferent l que constitueixen els colors de l’arc de Sant Martí.
2- La zona de l’espectre anterior a la llum visible ( longitud d'ona < 0,4 mm) constitueix un 9% del total i la major part de l’energia arriba en forma de raigs ultraviolats, X i gamma. Aquestes radiacions presenten una gran energia i són perjudicials per a la vida.
3- La zona amb longitud d’ona majors de 0,7 mm, constitueix el 50% de la radiació i rep el nom de radiació infraroja
La Terra manté una temperatura més o menys constant. Això vol dir que tanta energia entra com energia surt, ja que d'una altra manera, s'escalfaria o es refredaria. El balanç entre l'energia rebuda i l'energia radiada a l'exterior ha romàs equilibrat al llarg de la història de la Terra, amb algunes fluctuacions transitòrias que s'han traduït en camvis climàtics.
Fig. 6. Balanç energètic
El 25% de les radiacions que ens arriben des del Sol, són reflectides a l'espai per l'atmosfera, de forma que aquesta emisisó determina la visibilitat del planeta. Un altre 25% és absorbida per l'atmosfera i un pels núvols. El 50% restant aplega a la superfície del planeta, de la qual es perd un 5% per reflexió (això constitueix l'albedo), de manera que solament un 45% de l'energia procedent del Sol és absorbida per la superfície terrestre. En absorbir aquesta radiació la Terra esdevé un cos radiant que cedeix l'energia captada en forma de radiacions infraroges (d'ona llarga) Aquesta radiació emesa per la Terra rep el nom de radiació terrestre . Aquestes radiacions determinaran l'escalfament de l'aire. En aquest escalfament de l'aire influeixen notablement les quantitats dels gasos que provoquen l'efecte hivernacle. Gràcies a ell, hi ha aigua líquida, i per tant vida sobre la Terra, ja que la temperatura mitjana del planeta és d'uns 15 ºC , xifra que suposa una elevació de 30 ºC sobre la temperatura esperada, que sería la corresponent a una radiació incident del 45%.
Fig. 7 : intercanvis energètics (ALTRA IMATGE)
Cal doncs tenir en compte dos punts:
1r.- Que l’escalfament de l’aire en les capes baixes de l’atmosfera no es fa a expenses de la radiació que arriba del Sol, ja que l’aire és un mal conductor, sinó que es fa indirectament, gràcies al calor (radiació infrarroja) emés per la superfície terrestre.
2n.- Que el sistema superfície terrestre-atmosfera està en equilibri, és a dir, el balanç energètic total degut a les entrades i eixides de radiacions (de ona curta i llarga) es zero.
Com hem dit, la Terra emet la mateixa quantitat d'energia que rep però, a quina longitud d'ona? És longitud d'ona llarga, infraroja, la Terra emet calor cap a l'espai exterior. (veure fig. 8)
Fig. 8
La radiació emesa per la Terra la podem resumir, a partir de la figura7 de la manera següent:
Total 30% (albedo terrestre) Reflectida per l'atmosfera 25%. Reflectida per la superfície terrestre 5% Total 70% Emesa per l'atmosfera 66% Emesa per la superfície 4%
L'atmosfera absorbeix part de la radiació que arriba del Sol abans de que aquesta aplegue a la superficie sòlida del planeta i, a més, ho fa de forma selectiva. Aquests processos són molt importants per als éssers vius ja que algunes radiacions (especialment les de menor longitud d'ona, que contenen més energia) produeixen efectes nocius (mutacions, càncers de pell, etc.) Les capes altes de l'atmosfera funcionen com a un filtre que protegeix els éssers vius de les radiacions perjudicials.
* En la termosfera o ionosfera s'absorbeixen les radiacions d'ona curta i alta energia (els raigs X i els raigs gamma) per part de l'H2 i el N2
• En l' estratosfera , l'ozó absorbeix un 90% de la radiació ultraviolada d'ona més curta (0,20-0,29 mm).
L'ozó és una molècula triatòmica (O3 ), gasosa i d'olor picant que es troba a tota l'atmosfera, inclosa la troposfera, on constitueix un contaminant. La major part de l'O3 , però, es troba concentrada a l'estratosfera -15 a 30 Km d'altura- si bé la major concentració es troba a 25 Km. L'espessor d'aquesta capa és variable, màxima a l'equador i mínima als pols, i es transporta d'uns llocs a uns altres a causa de la circulació horitzontal de l'estratosfera.
Aquesta capa d'ozó es va originar fa ara uns 2000 m.a. com a conseqüència dels processos fotosintètics dels éssers vius. La molècula d'ozó (O3 ) es forma per fotodissociació de l'oxigen molecular (O2 ). La radiació solar és capaç de trencar l'enllaç O-O, formant-se àtoms d'oxigen (O) molt reactius que s'uneixen amb una molècula d'oxigen (O2 ) per a formar ozó (O3 ). Per a aconseguir aquesta dissociació cal una enorme quantitat d'energia.
D'altra banda, l'ozó (O3 ) pot reaccionar amb oxigen atòmic (O) i fotodissociar-se, produint oxigen molecular. Tanmateix aquest procés és molt més lent que el procés de formació de l'ozó, tant que si no fos per l'existència d'altres reaccions químiques a l'estratosfera, de les quals parlarem més endavant (destrucció de la capa d'ozó), aquest gas s'aniria acumulant lentament en aquesta capa de l'atmosfera.
O2 + UV -----------> O3 + O + Energia
O + O3 + UV -----------> 2O2 + Energia
* L’atmosfera també actua com a filtre protector dels cossos de l’espai que entren dins del camp gravitatori terrestre, els meteorits i la pols estelar jaque en entrar a l’atmosfera es produeix una gran i es desintegren. És el que s’anomena pluges d’estels. Alguns asteroides aconsegueixen arribar a la superfície de la Terra i s’anomenen meteorits.
