Las capas de la atmósfera

Las diferentes capas de la atmósfera se determinan por distintas propiedades físicas. La temperatura cambia con la altitud y la presión disminuye al igual que la densidad del aire. Cuanto más subimos menos moléculas encontramos dentro de un volumen determinado (por ejemplo litros, m3, ...). También la humedad y la velocidad del viento cambian...

Cuando miramos hacia el cielo desde el suelo no podemos ver todo ésto, solo vemos nubes o un cielo azul sin ningún tipo de capa. El azul viene de la parte azul de la luz blanca del sol. Esto ocurre porque las moléculas del aire tienen distintas influencias sobre los distintos colores (= longitudes de onda) de la luz visible. ¿Pero, qué ocurre con las capas? ¿Podemos observarlas?
Sabemos que las propiedades de la atmósfera cambian con la altitud, por ejemplo cuando viajamos en avión. Independientemente del tiempo local bajo las nubes, cuando alcanzamos una altura de unos 10-11 km vemos un cielo muy azul y ninguna nube sobre nosotros. En ese caso estaremos en la tropopausa o en la baja estratosfera. Aquí no hay nubes porque no hay suficiente agua.

1. cielo azul sobre las nubes
fuente: freefoto.com

¿Por qué cambia la temperatura?

Hay cambios en la temperatura a pequeña escala que se deben a razones locales. Por ejemplo la tierra se enfría o calienta más rápido que el mar. O los vientos fríos de las montañas pueden cambiar la temperatura en la capa fronteriza. De forma más ganeral, para el promedio global, hay dos razones para los principales cambios de temperatura:

a) La superficie de la Tierra absorbe la luz del sol y se calienta. Cuanto más alto vas, si te desplazas desde la superficie caliente de la Tierra hacia el espacio frío, más frío se vuelve el aire. La temperatura decrece con la altitud.

b) Esta regla general puede anularse o superponerse si las moléculas del aire absorben partes de la radiación solar y calientan ellas mismas el aire. En esta caso la temperatura aumentará hasta que alcancemos la temperatura local máxima. Esto es lo que ocurre en la capa de ozono, en la estratosfera, donde el ozono absorbe la luz ultravioleta (UV) y la temperatura máxima (estratopausa) define el límite entre la estratosfera y la mesosfera. En la mesosfera la temperatura vuelve a disminuir. Otro aumento de la temperatura tiene lugar en la termosfera, donde el nitrógeno y el oxígeno absorben la radiación UV de onda corta, que es extremadamente energética, y se encuentran en forma parcialmente ionizada. Por esto, esta capa también recibe el nombre de ionosfera.

profile of the atmosphere

2. Perfil de temperatura, presión y densidad del aire con el aumento de altitud.
adaptado de: Schirmer - Wetter und Klima - Wie funktioniert das?

¿Por qué disminuye la presión?

La diferencia entre el aire y el agua es que el aire es compresible y el agua no lo es. Si estás buceando en el mar y tienes sobre ti 10 m de agua, la presión es de 1 bar, si tienes 20 m por encima es de 2 bar porque la cantidad de agua es el doble. El caso del aire es distinto, es como si intentaras apilar almhoadas muy ligeras. Las almohadas de la base de la torre se pondrían muy planas a causa del peso de las de encima, pueden comprimirse porque hay mucho espacio libre dentro de ellas. Así, en la primera capa en el suelo tendrías 10 almohadas en 30 cm y en la octava capa tendrías solo una, aunque todas pesen lo mismo. Ocurre igual en la atmósfera. Por esto, muy a menudo, los climatólogos no solo usan la unidad metro para referirse a la altitud, sino también usan la presión. La compresibilidad depende un poco de la temperatura, pero como aproximación podemos decir que la presión se divide entre 2 cada 5.5 km de altura. 1000 hPa en el suelo, 500 hPa a 5.5 km del suelo, y así sucesivamente.
Pincha aquí para obtener más información detallada sobre el cálculo de presión (fórmula).

3. Como una montaña de almohadas: Así se comprime el aire...
Por Elmar Uherek

¿Realmente la termosfera es tan caliente?

Los perfiles de la atmósfera muestran a veces temperaturas de entre 500 y 1000ºC a alturas de entre 200 y 500 km en la termosfera. ¿Realmente se da esta temperatura? El problema es la definición de temperatura. Las moléculas del aire tienen cierta energía. Si medimos esto con un termómetro las moléculas transfieren su energía al chocar con la superficie del termómetro. A la altura de la termosfera las moléculas tienen una energía muy alta así que la temperatura es correcta, pero el número de moléculas por unidad de volumen es más o menos una millonésima parte del número de moléculas cerca de la superficie terrestre. Así que la probabilidad de que haya choques (por ejemplo con el termómetro) y la energía total transferida en muy baja. Por tanto, la temperatura termosférica es una medida de las energías moleculares, pero en ningún caso se puede comparar esto con las temperaturas medidas con un termómetro en el suelo.

weather map at 1000 hPa

4. a) mapa del tiempo al nivel del suelo
de: Schirmer - Wetter und Klima - Wie funktioniert das?

weather map 300 hPa

4. b) el mismo mapa del tiempo a 300 hPa (alrededor de 9 km de altura). Presta atención a los símbolos de la velocidad del viento.
de: Schirmer - Wetter und Klima - Wie funktioniert das?

Compare the windspeeds!

4. c) Mira los mapas de la derecha y compara las velocidades del viento en el el suelo (azul oscuro, abajo) y a 9 km de altura (azul claro, arriba) en los mismos lugares. ¿Cual es la velocidad del viento en km/h en los tres sitios marcados?

¿Cómo cambia el viento?

Los dos mapas del tiempo de arriba (300 hPa = alrededor de 9 km, y 1000hPa) muestran, que los gradientes de presión y las velocidades del viento varían mucho desde el suelo a la parte más alta de la troposfera. Por eso, para el tráfico aéreo, se necesita un sistema especial de predicción del tiempo. La velocidad del viento aumenta con la altitud y lo que cerca de la tropopausa es una velocidad del viento normal, cerca del suelo sería una fortísima tormenta. Sin embargo en la estratosfera, no solo cambia la tendencia de la temperatura sino que también la velocidad del viento disminuye significativamente.

5. La velocidad del viento tradicionalmente se ha medido en nudos (kn = milla marina/h) o en km/h, más correctamente en m/s.
1 m/s = 3.6 km/h, 1 kn = 1.852 km/h
Los símbolos en el mapa del tiempo indican la velocidad del viento (¿De dónde viene el viento?) y su velocidad en nudos.

6. Perfil vertical de la velocidad del viento.
Datos de un experimento del US national weather service.

7. Comparación de la velocidad del viento y la temperatura.

Sobre esta página:
autor: Dr. Elmar Uherek - MPI Mainz
supervisor científico: Dr. John Crowley, MPI for Chemistry, Mainz - 04-05-2004
corrección pedagógica: Michael Seesing - Univ. of Duisburg, Dr. Ellen K. Henriksen - Univ. of Oslo, Yvonne Schleicher - Univ. of Erlangen-Nürnberg
última publicación: 05-05-2004

Last modified: Wednesday, 24 June 2020, 12:23 AM