Imagínese un pastel de capas envolviendo la Tierra. Así es esencialmente la atmósfera de la Tierra: capas y capas de gas que rodean la Tierra, trabajando para proteger el planeta. Preguntamos Rei Ueyama, científico atmosférico del Centro de Investigación Ames de la NASA, para explicar un poco más sobre la función y la importancia de nuestra atmósfera. Ueyama es parte del Rama de Ciencias Atmosféricas, que se centra en mejorar nuestro conocimiento y comprensión de los comportamientos atmosféricos en todo el planeta. La investigación de Ueyama se centra específicamente en procesos en la troposfera y estratosfera superior, lo que también le permite apoyar las misiones aéreas de la NASA con apoyo a la previsión y planificación de vuelos, recopilación de datos y análisis.
“La atmósfera de la Tierra permite que exista vida. . . como una burbuja protectora que rodea el planeta”, afirmó Ueyama. Aunque no podemos ver directamente la atmósfera, ésta proporciona el aire que respiramos y nos protege de los dañinos rayos ultravioleta (UV). La atmósfera también funciona para atrapar el calor y mantener rangos de temperatura moderados y habitables. Sin él, la temperatura de la Tierra sería similar a la de la Luna, que experimenta fluctuaciones extremas de temperatura entre el día y la noche (-208°F a 250°F) debido a la falta de atmósfera.
Hay cinco capas principales que forman la atmósfera, diferenciadas por factores como la temperatura, la composición química y la densidad del aire.
El troposfera es la capa atmosférica más baja. La troposfera contiene todo el aire que las plantas necesitan para la fotosíntesis y los animales necesitan para respirar. El clima de la Tierra ocurre en esta capa, ya que es donde se encuentra gran parte de la masa atmosférica, incluida la mayor parte del vapor de agua. La troposfera es también la capa atmosférica más densa debido a la compresión de las capas superiores.
La troposfera interactúa con la superficie de la Tierra, creando gradientes de temperatura que impulsan el movimiento del aire y el agua. El agua de la superficie de la Tierra se convierte en vapor de agua mediante la evaporación y la transpiración y se mueve por la troposfera, donde se condensa formando nubes. Los vientos mueven las nubes y el agua vuelve a caer en forma de precipitación; lluvia, nieve, aguanieve y granizo.
Dentro de la troposfera, la temperatura disminuye al aumentar la altitud como resultado de que el aire se vuelve más fino en las capas superiores. Esta disminución de temperatura es la razón por la que vemos nieve en las cimas de las montañas altas.
El estratosfera es la capa por encima de la troposfera. En comparación con la troposfera, la estratosfera inferior experimenta aire menos turbulento debido a la convección reducida, el movimiento vertical del aire en la atmósfera. Esta región es donde vuelan los aviones comerciales de pasajeros. A diferencia de la troposfera, las temperaturas comienzan a aumentar a medida que aumenta la altitud dentro de esta capa, en gran parte debido a la presencia de la capa de ozono, que absorbe y protege la Tierra de la radiación ultravioleta del sol. Según Ueyama, esta variación de temperatura crea estabilidad, con aire más frío y denso en la parte inferior y aire cálido y menos denso en la parte superior.
El mesosfera Es la capa intermedia entre la estratosfera y la termosfera. Los meteoros se queman cuando entran en la mesosfera, debido a su velocidad de viaje y a la mayor presencia de moléculas de gas en la mesosfera en comparación con las capas atmosféricas exteriores: esto crea fricción y calor, que incineran los meteoros entrantes.
Al igual que la troposfera, las temperaturas comienzan a disminuir a medida que aumenta la altitud. La mesosfera es la capa atmosférica más fría, y Ueyama señaló que la mesopausia, el límite entre la mesosfera y la termosfera, es la parte más fría de toda la atmósfera. Esto se debe a que la mesosfera recibe menos radiación solar (luz solar) que las capas superiores y el aire es menos denso que las capas inferiores.
La termosfera se encuentra encima de la mesosfera. Esta capa es muy activa, se hincha y se contrae en respuesta a los diferentes niveles de radiación solar del Sol. la termosfera puede alcanzar temperaturas de hasta 2000°C (3632°F) o más. Según Ueyama, la densidad de la capa (o más bien, la falta de ella) es responsable del aumento de las temperaturas. Al tener tan pocas partículas de gas, cada una absorbe más energía radiativa, lo que hace que la termosfera alcance temperaturas tan altas. Esta capa se destaca por ser el hogar de los Estación Espacial Internacional y otros satélites de órbita terrestre baja.
Dentro de partes de la mesosfera y la termosfera hay tramos de electrones de alta energía y átomos ionizados, conocidos como ionosfera (No se deje engañar por la parte de esfera del nombre: estos son grupos de partículas dentro de las mesoesferas y termoesferas). “Los rayos X de muy alta energía y la radiación ultravioleta del Sol llegan a la [gas] moléculas y arranca electrones de sus átomos originales. [leaving] muchos iones. Por eso lo llamamos [the] ionosfera”, explicó Ueyama. Cuando estas partículas se excitan, chocan para crear auroras – también conocidas como auroras boreales y auroras australes.
El exosfera es la capa más externa de la atmósfera terrestre, donde orbitan la mayoría de los satélites. La exosfera denota el final de nuestra atmósfera y el comienzo del espacio exterior, aunque no existe una altitud máxima definitiva donde termina la exosfera. «Es como si las moléculas de aire se estuvieran escapando de la atmósfera de la Tierra», dijo Ueyama.
Algunos de los temas que interesan a los científicos atmosféricos incluyen los gases de efecto invernadero, la contaminación y la calidad del aire, y los procesos relacionados con las nubes. Los investigadores están trabajando para aumentar nuestra comprensión de cómo estos temas afectarán nuestro clima y nuestra salud pública en el futuro, especialmente con factores ambientales que cambian rápidamente.
Los gases de efecto invernadero, una categoría específica de gases traza, provienen de actividades naturales y antropogénicas (causadas por el hombre). En comparación con los registros históricos, la concentración de gases de efecto invernadero está aumentando en la atmósfera, lo que provoca un aumento de las temperaturas globales promedio.
Los gases de efecto invernadero no son inherentemente un problema, ya que mantienen temperaturas habitables en la Tierra. Ueyama explicó que sin el efecto de los gases de efecto invernadero, la temperatura promedio de la superficie sería de alrededor de –20˚C (–4˚F). Se convierte en un problema cuando la actividad antropogénica, como la quema de combustibles fósiles, aumenta la concentración de gases de efecto invernadero más allá de los niveles naturales, lo que luego atrapa más calor de lo normal. Este aumento de temperatura está directamente asociado con el cambio climático.
La contaminación plantea problemas de salud pública, como una disminución de la función pulmonar e incluso la muerte prematura de personas con enfermedades cardíacas o pulmonares. Algunas fuentes de contaminantes se producen de forma natural, como el humo de los volcanes y los incendios forestales, pero otras fuentes provienen de la actividad antropogénica. Por ejemplo, las fábricas y los automóviles liberan dióxido de carbono y óxidos nitrosos, que también son formas de gases de efecto invernadero.
Cuando aerosoles, pequeñas partículas que quedan suspendidas en el aire y emitidas por actividades naturales (incendios forestales, volcanes) y antropogénicas (combustión de combustibles fósiles), pueblan la atmósfera, la composición atmosférica cambia. “Esto también puede cambiar la equilibrio radiativo de la Tierra y afectan el clima”, dijo Ueyama.
equilibrio radiativotambién llamado de la Tierra presupuesto energético, se refiere al equilibrio entre las cantidades de radiación entrantes y salientes, en cuya gestión los gases atmosféricos desempeñan un papel importante. La radiación entrante es principalmente onda corta energía solar (luz solar), parte de la cual se refleja de regreso al espacio por los gases atmosféricos o las nubes, parte es dispersada por aerosoles atmosféricos y parte es absorbida por la superficie del planeta. La radiación saliente es onda larga radiación emitida por la superficie de la Tierra, que es absorbida casi en su totalidad por los gases atmosféricos y luego reemitida en todas direcciones: una parte se lanza al espacio y, por lo tanto, se pierde del sistema, pero otra regresa a la Tierra para repetir el ciclo de calentamiento.
Ueyama también mencionó la preocupación por las partículas finas inhalables como las PM2,5, que son partículas de 2,5 micrómetros y más pequeñas. Cuanto más pequeña es la partícula, más lejos puede llegar a nuestros pulmones y causar problemas de salud como asma y latidos cardíacos irregulares. Las PM2.5 se liberan directamente de fuentes como los gases de escape de los vehículos de motor o se crean durante interacciones químicas complejas en la atmósfera. Cualquiera de estas fuentes de PM2,5 puede tener efectos adversos en la salud humana.
A medida que se siguen emitiendo diferentes aerosoles, los científicos siguen trabajando para comprender y predecir las implicaciones a largo plazo que estas partículas tienen en la composición de la atmósfera, la salud humana y las condiciones ambientales. Al detectar, monitorear y modelar estos cambios, podemos comprender los comportamientos y las interacciones entre la química atmosférica y el clima. Esto nos informa sobre los cambios futuros en el clima y orienta los estándares nacionales y regionales de calidad del aire.
Las nubes tienen una influencia significativa en el tiempo y el clima. Dependiendo de sus características y de su altitud en la atmósfera, Las nubes pueden crear un efecto de calentamiento o enfriamiento en la Tierra.. Las nubes más espesas y de menor altitud bloquean la radiación solar, enfriando la superficie de la Tierra. Mientras tanto, las nubes más delgadas y de mayor altitud en la atmósfera atrapan parte de la radiación solar que se refleja desde la superficie de la Tierra, creando un efecto de calentamiento. Estas interacciones encajan dentro de lo que se llama retroalimentación del clima de las nubes.
La investigación de Ueyama cubre los procesos físicos dinámicos y las interacciones entre la troposfera y la estratosfera para comprender qué impulsa la variabilidad en las nubes y los patrones climáticos. “Comprender los procesos que determinan estas características de la nube es [of] interés para que podamos mejorar las simulaciones de nubes y convección en modelos climáticos globales y, por lo tanto, predecir mejor el clima futuro”, dijo Ueyama.
La NASA lleva a cabo diversas investigaciones sobre las propiedades de la atmósfera terrestre, la calidad del aire y el presupuesto energético de la Tierra. Para cubrir cuestiones relacionadas con la atmósfera, la NASA ha cuatro programas principales de investigación atmosférica incluido el Programa de Investigación de la Alta Atmósfera (UARP), el Programa de Composición Troposférica (TCP), el Programa de Ciencias de la Radiación (RSP) y el Programa de Análisis y Modelado de la Composición Atmosférica (ACMAP).
Uno de los satélites recientemente lanzados por la NASA, Plancton, aerosol, nube, ecosistema oceánico (PACE), ayuda a los investigadores a estudiar el intercambio de dióxido de carbono entre el océano y la atmósfera. PACE puede detectar aerosoles y nubes simultáneamente, proporcionando así información valiosa sobre los efectos de los aerosoles y sus interacciones con las nubes. Ueyama proporcionará pronósticos meteorológicos y de aerosoles para el Experimento aéreo posterior al lanzamiento de ecosistemas de plancton, aerosoles, nubes y océanos (PACE-PAX) campaña; una campaña de campo que lleva a cabo la validación de datos para apoyar la misión PACE.
Además de los satélites de la NASA que capturan datos desde el espacio, hay una multitud de misiones aéreas y terrestres que recopilan y validan datos. El Tecnología económica de sensores de red para explorar la contaminación (INSTEP) es una de las últimas redes de instrumentos de detección de contaminación del aire de bajo costo y alto valor que pueden capturar y monitorear gases traza como metano y dióxido de carbono. El Trace Gas Group (TGGR) del Centro de Investigación Ames de la NASA implementó sensores INSTEP en todo California para monitorear la calidad del aire y respaldar la validación de datos satelitales.
Para aquellos que buscan ampliar su conocimiento de las ciencias atmosféricas, consulte Datos terrestres de la NASA para más información y temas relacionados. Para obtener noticias sobre la investigación de la NASA relacionada con la atmósfera, visite Página de la atmósfera terrestre de la NASA.
Además de la investigación y los recursos de la NASA, Ueyama recomienda la Corporación Universitaria de Investigaciones Atmosféricas (UCAR) y el Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) sitios web, como recursos públicos que ofrecen información adicional sobre temas de ciencias atmosféricas.
Autor del artículo: Katera Lee
POC de contenido: Milán Loiacono
