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jueves, 3 de septiembre de 2015

¿Cómo es la atmósfera donde vivimos?



El aire, como llamamos a la atmósfera, es la masa gaseosa que envuelve a la tierra y se encuentra muy concentrado cerca de la superficie, atraído por la acción de la gravedad y a medida  que ascendemos  la densidad de la atmósfera disminuye rápidamente. En los 5,5 kilómetros más cercanos a la superficie se encuentra la mitad de la masa total y antes de los 15 kilómetros de altura está el 95% de toda la masa atmosférica.

El aire mantiene casi invariable la proporción de sus distintos componentes hasta los 80 km de altura, aunque cada vez más enrarecido (menos denso) a medida que vamos ascendiendo. A partir de los 80 km la composición se hace más variable.
Los principales gases que forman la atmósfera son: Nitrógeno (78.084%), Oxígeno (20.946%), Argón (0.934%) y Dióxido de Carbono (0.033%). Otros gases presentes en la atmósfera son el vapor de agua, el ozono y varios óxidos.
También hay partículas de polvo en suspensión como, por ejemplo, partículas inorgánicas, pequeños organismos o restos de ellos y sal marina. Muchas veces estas partículas pueden servir de núcleos de condensación en la formación de nieblas muy contaminantes.
Los volcanes y la actividad humana emiten a la atmósfera diferentes gases y partículas contaminantes que tienen una gran influencia en los cambios climáticos y en el funcionamiento de los ecosistemas.
Las Capas de la atmósfera
La atmósfera se divide en cinco capas: tropósfera, estratósfera, mesósfera, termósfera o ionósfera y exósfera (Fig.1).

Fig.1 – Las capas de la atmósfera. La curva roja nos indica la temperatura en ºC para cada altura dentro de las capas. 
La tropósfera (troposphere, en inglés): comienza a nivel del mar y se extiende hasta un límite superior, llamado tropopausa (tropopause en inglés), situado a ~9 Km de altura en los polos y ~ 18 km en el ecuador. En ella se producen importantes desplazamientos verticales y horizontales de las masas de aire (vientos) y hay relativa abundancia de vapor de agua. El 99% del vapor de agua de toda la atmósfera de la Tierra está contenido en la tropósfera. Es la capa de las nubes y de los fenómenos meteorológicos: lluvias, nieve, vientos, cambios de temperatura, etc. La temperatura va bajando a medida que ascendemos dentro de esta capa, hasta llegar a unos -55ºC en su límite superior. Esta capa tiene una composición química bastante uniforme, excepto por su contenido de vapor de agua que disminuye con la altura. La concentración de vapor de agua es muy inferior en las regiones polares, en comparación con los trópicos, donde es de alrededor del 4%.
El vapor de agua ayuda a regular la temperatura del aire, ya que absorbe la energía solar y la radiación térmica. El calentamiento causado por la energía solar reduce la densidad del aire, haciendo que suba y el aire circundante se opone a esto. En este proceso, el aire de esta capa gasta energía, lo que se traduce en una disminución de su temperatura. La disminución de temperatura hace que el contenido de vapor del aire se condense, produciendo un aumento del valor de la masa del aire. Como resultado, la tropósfera contiene alrededor del 80% de la masa total de la atmósfera.
Además de vapor de agua, también en esta capa hay nitrógeno (78%), oxígeno (21%) y trazas de argón,  ozono e hidrógeno. El aire que respiramos es de la tropósfera. El smog es también un constituyente de la troposfera. El humo y los contaminantes, junto con la niebla presente en esta capa, da como resultado la producción de smog.
El porcentaje de dióxido de carbono (CO2), presente en esta capa, está aumentando, lo que aumenta el calentamiento global y el efecto invernadero en la Tierra.
La estratósfera (stratosphere, en inglés): comienza a partir de la tropopausa y llega hasta un límite superior, llamado estratopausa (stratopause en inglés), a 50 km de altitud. La temperatura cambia su tendencia y va aumentando hasta llegar a ser de alrededor de 0ºC en la estratopausa. Casi no hay movimiento en dirección vertical del aire, pero los vientos horizontales llegan a alcanzar frecuentemente los 200 km/h, lo que facilita que cualquier sustancia que llegue a la estratósfera se difunda por todo el globo con rapidez. Por ejemplo, esto es lo que ocurre con los CFC (clorofluorocarburos) de los aerosoles u otros gases, que se impulsaron en la estratosfera por meteoritos, erupciones volcánicas o cohetes que destruyen el ozono. En esta parte de la atmósfera, entre los 15 y los 50 kilómetros de altura, se encuentra una sub-capa conocida como “capa de ozono”, que es muy importante porque absorbe entre el 97% y el 99% de la dañina radiación ultravioleta de alta frecuencia y deja pasar la radiación ultravioleta de baja frecuencia, necesaria para producir la fotosíntesis en los vegetales en la tierra.
El 90% del ozono de la atmósfera se encuentra en la estratósfera y el 10% restante está en la tropósfera, constituyendo en esta última capa un peligro para los seres vivos por su alto carácter oxidante. Su existencia se debe en parte al traslado desde la estratósfera y el resto al producido durante las tormentas y otros procesos en la Tierra.
La mayoría de los aviones a reacción vuelan por la estratósfera, evitando la turbulencia a que se enfrentan en la tropósfera, disminuyendo el rozamiento con el aire denso de la tropósfera y con ello el consumo de combustible.
El aire en la estratósfera es seco y tiene muy poco vapor de agua. Debido a la falta de humedad, hay menos formación de nubes en esta capa. En condiciones de extremadamente baja temperatura, durante los inviernos polares, se forman nubes en esta capa, que son conocidas como nubes estratosféricas polares, denominadas PSCs (polar stratospheric clouds) en inglés. También se las llama nubes nacaradas y se forman a temperaturas por debajo de -78ºC. Reflejan la luz del sol hacia la tierra y se las ve de un color brillante. Difieren entre si en su composición química: las que contienen agua, ácidos nítrico y sulfúrico son responsables por la destrucción de la capa de ozono en las regiones polares; las formadas por el enfriamiento local de la estratósfera más baja, contienen solo hielo (agua en estado sólido), son observadas al norte de las regiones polares y no afectan a la capa de ozono.
La mesósfera (mesosphere, en inglés), que se extiende entre los 50 y 85 km de altura, contiene solo cerca del 0,1% de la masa total de la atmósfera.
Se estima que millones de meteoros entran en la atmósfera, a un promedio de 40 toneladas por año. La mayoría de los meteoros y fragmentos de rocas se queman en la mesósfera, antes que puedan entrar a la estratósfera. Es debido a la composición de esta capa que los meteoros se calientan y se evaporan en ella.
En lo alto de esta capa, en las regiones polares, se forman nubes que se iluminan de noche, conocidas como nubes mesosféricas polares. Ellas se forman a alturas inusuales para cualquier otro tipo de nubes y se cree que están formadas por cristales de hielo. Son resistentes a la radiación ultravioleta y brillan intensamente.
La mesósfera también experimenta relámpagos, llamados elfos o duendes, que se forman muy por encima de las nubes de tormenta de la troposfera.
La mesósfera tiene una capa de sodio de 5 km de espesor, constituída por átomos de sodio no-ionizados. Esta capa irradia y contribuye a la iluminación nocturna atmosférica (debido a lo cual el cielo nocturno nunca aparece completamente oscuro).
La temperatura del aire baja con el aumento de altura. El límite superior de la mesósfera, llamado mesopausa, es la parte más fría de la atmósfera de la Tierra. La temperatura en ella llega hasta -90ºC. El reducido calentamiento solar y la emisión radiativa del dióxido de carbono (CO2) es lo que hace que haya tan bajas temperaturas en esta capa.
El aire en la mesósfera tiene tan baja densidad, que los átomos o moléculas de gas casi nunca interactúan entre sí y no le permiten dar el empuje suficiente que las aeronaves requieren, por lo que esta capa no es apta para que vuelen las aeronaves. Es en esta capa donde comienza el "espacio".
La mesósfera se encuentra por encima de la altura máxima de vuelo de los aviones y de casi todos los globos y por debajo de la altitud mínima para las naves espaciales en órbita. Por encima de la altura máxima de 53,0 km alcanzada con globos, a la mesosfera sólo se ha accedido por medio de cohetes de sondeo. Como resultado, la mesósfera es la parte menos entendida de la atmósfera.
Esta capa también muestra turbulencia de mareas atmosféricas producidas por la gravedad y ondas planetarias y también por vientos zonales. Las ondas planetarias y las ondas por gravedad, generadas en las capas más bajas, se propagan a la mesóesfera y se disipan en ella.
La Termósfera (thermosphere en inglés) o ionósfera (ionosphere en inglés), se extiende desde alrededor de 85Km de altura hasta más de 640 Km. La temperatura del aire en esta capa se incrementa con la altura en las partes más bajas y después se mantiene casi constante. Un pequeño cambio en la energía puede causar un gran cambio en la temperatura de esta capa. La temperatura en esta capa puede subir hasta 1.500ºC, o más. Es la capa más caliente de la atmósfera y de ahí el nombre de” termósfera”. El oxígeno presente en esta capa absorbe la radiación solar, incrementando la temperatura en la capa. La termósfera está más caliente durante el día que durante la noche, porque absorbe más calor del sol. A veces el aire se expande, haciendo que se incremente el límite superior de la termósfera.
La densidad del aire en esta capa es muy baja, debido a lo cual las partículas de gas casi no se encuentran unas con otras. Los fotones de alta energía ultravioletas y de rayos X rompen las moléculas de gas. Entonces, el aire en la termósfera superior contiene oxígeno atómico, nitrógeno atómico y helio y también electrones libres e iones altamente cargados. Estos iones cargados eléctricamente y sus colisiones con los gases eléctricamente neutros dan lugar a corrientes elécricas en algunas partes de la termósfera.
La aurora es un interesante fenómeno que ocurre en la termósfera. En las altitudes más altas, las partículas cargadas chocan con los átomos y moléculas excitándolos a estados de mayor energía. Estos átomos y moléculas excitados, liberan energía emitiendo luz que puede ser vista como una aurora de colores (también llamada luces del norte y del sur).
A una altura de unos 160Km, existe una zona donde la transmisión del sonido no se produce, debido a la
demasiado baja densidad del aire, que no permite que sus moléculas interactúen entre sí y por lo tanto haciendo imposible la transmisión del sonido.
Los transbordadores espaciales orbitan dentro de la termósfera. La Estación Espacial Internacional tiene una órbita entre 320 y 380 km de altura en esta capa. Debido a cambios en la densidad del aire en esta capa, los satélites experimentan una fuerza de rozamiento importante.
La ionización producida por la radiación solar en la termósfera es lo que da origen al nombre de ionósfera para designarla. Esto ha dado lugar a muchas discusiones, ya que muchos científicos no se han puesto de acuerdo y hablan de la ionósfera como una “extensión” de la termósfera, mientras otros consideran que se trata de una misma cosa con dos nombres. Este último criterio parece ser más razonable, ya que ambas cosas ocupan el mismo lugar y están constituídas por lo mismo. El problema se origina porque, profundizando el concepto de ionósfera, se considera que la ionósfera forma parte de la capa interior de la magnetósfera, que es la esfera de influencia de la fuerza magnética/gravitacional de la Tierra.

Fig.2- La ionósfera y su utilización para las telecomunicaciones. Su aplicación práctica
más comunmente usada fue para comunicaciones a larga distancia en SSB (BLU), en
frecuencias entre 2 y 30MHz en sistemas autónomos. Los satélites han reemplazado casi
totalmente esta aplicación.
La ionósfera se considera dividida en tres regiones, llamadas D, E y F, en base a las radiaciones de la luz solar que absorbe cada una de ellas. La región D, se encuentra aproximadamente por debajo de los 90Km de altura y absorbe los Rayos X duros (alta energía y λ mayor). La región E está por debajo de los 150 Km y absorbe las Rayos X blandos (menor energía y λ menor). La región F se extiende hasta los 600Km aproximadamente y absorbe los rayos ultravioletas extremos (los de menor λ y mayor energía).
La región F es dividida a su vez en dos capas, conocidas como capas F1 y F2. La capa F1 se extiende desde los 150Km  hasta los 240Km de altura. La capa F2 se extiende desde los 240Km hasta más de 400Km de altura. La densidad de electrones libres de esta capa es mayor que la de F1. Las regiones D y E se debilitan durante la noche y desaparecen. Ellas refractan ondas de radio de longitudes de onda larga (ondas largas), mientra que la región F refracta ondas de radio de longitud de onda cortas (ondas cortas). O sea que las regiones D y E refractan ondas de radio de frecuencias bajas y las capas F refractan ondas de radio de frecuencias altas.
La ionósfera permite la propagación de las señales de radio a lugares distantes sobre la tierra. Ella refracta las ondas de radio, redirigiéndolas de vuelta hacia la tierra, donde pueden reflejarse  y ser enviadas otra vez a la ionósfera para una nueva refracción, pudiendo de este modo recorrer todo el globo terráqueo. Aunque sabemos que las ondas son refractadas, todos decimos que son “reflejadas” en nuestro lenguaje de radio habitual. Por eso en la Fig.2 dice deflejadas, en lugar de refractadas.


La exósfera (exosphere, en inglés): es la capa donde la atmósfera de la tierra se encuentra con el espacio exterior. Contiene partículas que pueden provenir de la magnetósfera. Ocupa desde aproximadamente 500 a 1.000Km hasta unos 10.000Km de altura. La exósfera es el límite superior de la atmósfera. Esta capa es donde los átomos y moléculas escapan hacia el espacio. La atmósfera tiene muy baja densidad en esta capa y contiene hidrógeno y trazas de helio, dióxido de carbono (CO2) y oxígeno atómico. La densidad del aire es tan baja, que resulta comparable con el vacío del espacio. Las partículas de gas en la exósfera viajan por ella por caminos curvados, ya sea cuando ingresan a la atmósfera desde el espacio exterior, atraídas por la gravedad terrestre, o cuando escapan hacia el espacio.
El límite inferior de la exósfera es conocido como la exobase o termo pausa y está ubicado entre 500 y 1.000 Km de altura, según la intensidad de la radiación solar.
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Clasificación de las órbitas de la tierra, según su altura media desde la superficie terrestre (NASA)


Fig.3 – Clasificación de las órbitas terrestres
Las órbitas alrededor de la tierra se clasifican en tres tipos, degún su altura media desde la superficie terrestre:
1) Orbitas altas y geosincrónicas: utilzadas por los satélites meteorológicos y de comunicaciones: h ≥35.780Km. Se considera que están en el espacio exterior, fuera de la atmósfera.
2) Órbitas medias: h = 2.000 a 35.780Km. Ocupan una parte de la exósfera y una parte del espacio exterior.
3) Órbitas bajas, conocidas como LEO (Low Earth Orbit): h=180 a 2.000Km. Ocupan la termósfera y parte de la exósfera. En estas órbitas se encuentra la gran mayoría de los satélites artificiales y la basura espacial. También orbita la Estación Espacial internacional en una órbita a unos 300Km de altura.

Referencias

1 comentario:

  1. la MEJOR television digital estaen diacable vision gracias por tu articulo muy importante hoy en dia

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