L'Atmosfera Terrestre: Estructura, Composició i Dinàmica Climàtica

Funcions i Origen de l'Atmosfera

Funció: Filtre de radiació (ozó, O2, gas Nitrogen, vapor H2O). Manteniment i distribució de la temperatura, protecció. Autodepuració i manteniment de cicles bioquímics.

Origen: Fa 4.500 milions d'anys, els volcans van emetre gasos. Inicialment, hi havia poc O2 i l'ambient era reductor. Van aparèixer els primers bacteris (cianobacteris) que, mitjançant la fotosíntesi, van augmentar l'O2. Aquest O2 va pujar i va reaccionar amb els rajos solars per formar O3 (ozó).

Característiques Generals de l'Atmosfera

Característiques: Té uns 1.000 km de gruix. El seu volum representa 1/6 part del volum de la Terra, però la seva massa és insignificant. La densitat i la pressió decreixen amb l'altura.

Tipus de Radiació i Intercanvi Energètic

Tipus de radiació:

• Infraroja (49% - calor)
• Llum visible (43% - colors visibles)
• Ultravioleta (7% - invisible)

La llum: El 40% i 70% de la llum travessa l'atmosfera. La superfície dissipa la calor cap a l'atmosfera per convecció (aire calent puja), fenomen que predomina en zones continentals, i per evaporació (calor latent).

Constant solar: És la quantitat d'energia solar que arriba a la part superior de l'atmosfera quan els rajos són perpendiculars. El seu valor és de 1.361 W/m².

Interaccions Biogeoquímiques

Biogeoquímics: Intercanvi de material i energia entre atmosfera, hidrosfera, litosfera i biosfera. Inclou components biòtics i abiotics.

Estructura per Capes Atmosfèriques

Capes:

Troposfera

• Fins a 12 km d'altura.
• S'hi produeixen els fenòmens meteorològics.
• La temperatura decreix amb l'altura (-6ºC per km).
• Composició: Vapor H2O, N2 (78%), O2 (21%), Ar (0,95%).

Tropopausa

• Altura màxima dels núvols.
• Fort corrent d'aire (fins a 400 km/h).

Estratosfera

• Moviment d'aire horitzontal.
• Gradient de temperatura positiu.
• Conté el 80% de l'ozó.
• Temperatura al voltant de 0ºC.
• No hi ha vapor d'aigua.

Mesosfera

• Pressió atmosfèrica: 0,01% de la massa atmosfèrica (0,1% de la pressió a nivell del mar).
• Temperatura decreixent.
• Conté O3 i N.
• Protecció contra meteorits.
• Gruix aproximat: 50 km.

Termosfera

• Pressió i densitat molt baixes.
• Gradient de temperatura positiu (pot arribar als 4.500ºC).
• Gruix: entre 90 km i 450 km.
• Nivells alts de radiació solar.
• Allotja satèl·lits.
• Les molècules (O2, O, He, H) s'escapen de la gravetat.

Exosfera

• Gruix: entre 1.000 km i 1.500 km.
• Baixa densitat.
• Temperatura elevada deguda a l'energia cinètica de les partícules.
• Límit: Connecta amb la magnetosfera, que protegeix de la radiació solar.

Dinàmica Atmosfèrica i Clima

Moviments de l'Aire

Vertical:

• Convecció tèrmica: Transmissió de calor en un fluid per moviments de capes amb temperatures desiguals. L'aire s'escalfa a la superfície terrestre per la radiació solar, es refreda i descendeix.
• Per humitat: El vapor d'aigua, amb menor densitat que l'aire, desplaça altres compostos.

Horizontal: La radiació solar diferenciada genera diferencials de pressió, originant vents.

• Convecció per diferències de pressió: Zones de baixa pressió (borrasca), moviment convergent i gir en sentit antiorari.
• Subducció per diferència de pressió: Zones d'alta pressió (anticicló), moviment divergent i gir en sentit horari, associat a temps estable.

Inversió Tèrmica

Defineix la capacitat de l'atmosfera per produir moviments verticals de les masses d'aire.

• Situació normal: Inestable, la calor ascendeix.
• Anormal (Inversió): Situació estable on la temperatura és superior a la temperatura de la superfície.

Tipus d'Inversió:

• Per radiació: Es produeix a la nit.
• Per subsidència: En anticiclons, a altituds superiors a 500 m. Els contaminants queden retinguts. L'aire descendeix ràpidament i es comprimeix, augmentant la temperatura mentre la superfície roman freda.
• Frontal: A la interfase de dues masses d'aire amb diferent temperatura, humitat i pressió.
• Advectiva: Quan una massa d'aire calent es desplaça sobre una capa d'aire més fred (ex: brises marines).

Fenòmens Relacionats amb la Ciutat

Illa de calor: Els edificis i el baix albedo dificulten el flux normal d'aire i augmenten l'absorció d'energia solar calenta. L'aire calent tendeix a concentrar-se a les zones cèntriques de la ciutat, creant una cèl·lula tèrmica amb ascens de l'aire calent i descens per refredament als voltants. Els contaminants queden retinguts, sovint per inversió tèrmica. La superfície escalfada emet aire calent carregat de contaminants que ascendeix i es refreda en alçada, per després descendir a les afores de la ciutat.

Contaminació Atmosfèrica

Classificació i Origen dels Contaminants

Clima (Contaminants):

• Origen: Natural o antropogènic.
• Generació: Primaris (alliberats directament a l'atmosfera) o secundaris (es formen a l'atmosfera).
• Naturalesa:
  • Gasos: CO, CO2, NOx, SO2, O3, COVs.
  • Partícules sòlides: Pols, fum, metalls pesants, fibres d'amiant.
  • Aerosols líquids: Gotícules d'àcids, boires industrials, pesticides.
  • Biològics: Microorganismes, pol·len, espores, endotoxines.

Principals contaminants: Monòxid de carboni, sofre, òxid de nitrogen, compostos orgànics volàtils, partícules en suspensió, ozó troposfèric, metalls pesants, i altres (amoníac, dioxines i furanos, gasos d'efecte hivernacle).

Processos de Dispersió

Emissió: Alliberament de gasos contaminants a l'atmosfera.

Immissió: Concentració de contaminants en un lloc diferent d'on s'han emès.

Transformació:

• Smog (<10 km: microescala a mesoescala).
• Pluja àcida (100-2.000 km: mesoescala a macroescala).
• Forat capa O3 (<1.000 km: macroescala).
• Efecte hivernacle (>1.000 km: macroescala).

Evolució dels contaminants:

• Característiques que condicionen la dispersió: Meteorologia, rugositat de la superfície, característiques de l'emissió i la font.
• Grau de dispersió: Determinat pels moviments verticals i horitzontals, el moviment de masses d'aire per diferencials de pressió, i la difusió molecular (el moviment de la seva velocitat depèn de la temperatura, massa i viscositat).

El Sistema Climàtic

El sistema climàtic es compon de diversos components interconnectats:

• Atmòsfera: Component principal, inestable, absorbeix radiació i facilita la transferència entre tots els components.
• Hidrosfera: Manté el balanç energètic, absorbeix molta radiació i regula generalment l'atmosfera. Les corrents marines transporten calor i regulen la temperatura.
• Criosfera: Masses de gel i dipòsits de neu (3% a 5% de la superfície). Té un albedo blanc elevat (el 80% de la radiació es reflexa). L'albedo és la capacitat de reflexió.
• Litosfera: Participa en la transferència de matèria i manté l'equilibri del sistema. L'heterogeneïtat de la superfície afecta el balanç energètic.
• Biosfera: Implicada en el balanç de CO2 i altres components.