Estructura y Composición de la Atmósfera Terrestre
La atmósfera se divide en capas concéntricas, cada una con características térmicas y composicionales únicas:
Troposfera
Es la capa que se encuentra en contacto con la superficie terrestre. Su espesor es variable, dependiendo de la latitud: es mínima en los polos (8 km), máxima en el ecuador (17 km) y de unos 13 km en latitudes medias.
La troposfera tiene como característica más relevante que su temperatura decrece con la altura uniformemente a razón de 0,65 ºC cada 100 metros de altitud. Es la capa más inestable de la atmósfera y en su seno tienen lugar la mayor parte de los fenómenos meteorológicos, debido fundamentalmente a que en ella se encuentra el 90% del vapor de agua y los núcleos de condensación necesarios para la formación de las nubes.
Estratosfera
Es la capa situada por encima de la tropopausa y se extiende hasta una altitud de 50 km aproximadamente. Su temperatura permanece constante o casi constante hasta los 33 km de altitud.
En esta capa se encuentra la mayor concentración de ozono (oxígeno cuya molécula tiene 3 átomos, O₃), principalmente entre los 15 y 20 km de altitud.
Mesosfera
Esta capa se extiende desde los 50 km de altitud hasta los 85 km aproximadamente. Su temperatura decrece al principio lentamente para, a partir de los 65 km, hacerlo más bruscamente, hasta llegar a -100 ºC aproximadamente (la temperatura más baja de la atmósfera).
Termosfera
La característica principal de esta capa es el aumento casi continuo de su temperatura, producido por la absorción de la radiación ultravioleta extrema (longitudes de onda inferiores a 100 nanómetros) por el nitrógeno y el oxígeno molecular. La baja densidad del aire a estas altitudes hace que la temperatura se eleve rápidamente con la altura, alcanzando valores de 800 ºC a unos 500 km de altitud. Su aire, muy enrarecido, está compuesto de hidrógeno y helio, con predominio del hidrógeno por encima de los 2.400 km.
Variables Físicas Fundamentales: Temperatura y Presión
Temperatura
La temperatura es un nivel que indica el estado térmico de los cuerpos y que no debe confundirse con la cantidad de calor. El calor es una manifestación de energía capaz de transformarse en trabajo o en otra energía, y este calor puede pasar de unos cuerpos a otros siempre y cuando se hallen a temperaturas diferentes.
Termómetros Corrientes
La temperatura de un objeto se mide mediante un termómetro que consiste en un tubo de vidrio cerrado, con un hueco que va a lo largo del eje del tubo. El hueco se ensancha considerablemente en forma de bulbo por el extremo inferior. Dicho bulbo está lleno de líquido, generalmente mercurio o alcohol, que puede ascender por el hueco central.
Termómetro de Máxima
Se trata de un termómetro análogo al corriente, salvo que justo por encima del bulbo o depósito, el alma presenta un estrangulamiento. Cuando la temperatura aumenta, el mercurio contenido en el bulbo se expande y asciende, a pesar del estrechamiento, a lo largo del tubo. Cuando la temperatura disminuye, el mercurio que se encuentra por debajo del estrechamiento se contrae dentro del depósito, pero la estrechez existente impide que el mercurio superior pueda caer debido a su propio peso. De esta forma, queda marcando la temperatura más alta que alcanzó. La parte superior de la columna líquida nos indicará, por tanto, la temperatura máxima alcanzada.
Termómetros de Mínima
Se utiliza para registrar la temperatura más baja habida durante un cierto periodo. Contiene un líquido de baja densidad, tal como el alcohol, en lugar de mercurio. Además, dentro del líquido, en el tubo, lleva una pequeña varita de cristal, en forma de pesa, denominada «índice».
Cuando la temperatura disminuye, el líquido se contrae y al mismo tiempo su superficie superior empuja el índice hacia abajo, en virtud del efecto de la tensión superficial. Un termómetro de mínima debe mantenerse siempre horizontal, ya que de lo contrario el índice de cristal caería, a través del líquido, hasta el fondo del tubo.
Termómetro de Máxima y Mínima (Six-Bellani)
Se trata de una combinación de termómetro de máxima y mínima. El instrumento es un tubo de vidrio en forma de U, con los extremos cerrados y ensanchados. En la parte inferior de la U va lleno de mercurio; el resto de la rama izquierda, incluida la parte ensanchada superior, está llena de alcohol. La rama de la derecha lleva también, por encima del mercurio, alcohol, salvo en la parte superior, más ancha, en la que lleva un gas por encima del alcohol.
Termógrafo
Para observar las variaciones de temperatura durante un periodo determinado se utiliza el termógrafo, aparato cuyo órgano sensible es una lámina bimetálica, constituida por dos cintas de metales de distinto coeficiente de dilatación soldadas entre sí y ligeramente arrolladas. Las variaciones de temperatura se traducen en un movimiento que, transmitido por una serie de palancas a una plumilla entintada, dibuja una línea continua sobre un papel graduado arrollado a un cilindro con mecanismo de relojería.
Emplazamiento de los Termómetros
Para garantizar mediciones precisas, los termómetros deben cumplir las siguientes condiciones de emplazamiento:
- Deben estar protegidos de la radiación solar directa.
- Deben estar protegidos de las radiaciones procedentes de paredes, mamparos o cualquier otro foco de calor.
- Deben tener buena ventilación; las garitas utilizadas deben permitir el paso del aire a través de ellas sin la menor obstrucción.
Conceptos de Isoterma
Superficies Isotermas
Son aquellas superficies que unen los puntos del espacio en los que en un momento dado se registra la misma temperatura. En una atmósfera estable, homogénea y en reposo total, estas superficies serían concéntricas a la Tierra.
Líneas Isotermas
Son las líneas que unen los puntos en los que en un momento dado se registra la misma temperatura. En una atmósfera estable, homogénea y en reposo total, estas líneas serían paralelas entre sí y no presentarían ninguna irregularidad.
Ecuador Térmico
Es la línea que une los puntos de máxima temperatura media. Téngase en cuenta que esta línea no es una isoterma, ya que no une puntos de igual temperatura.
Presión Atmosférica
Definición y Variación
El peso del aire ejerce una fuerza sobre los objetos; a esta fuerza se la llama presión. La presión atmosférica puede ser definida, entonces, como la fuerza ejercida por unidad de superficie por el peso de las moléculas de la columna de aire sobre dicha superficie, es decir, el peso o fuerza ejercido por la atmósfera por unidad de superficie.
El peso de esta columna de aire puede variar por la temperatura, por la cantidad de vapor contenida en ella o por la altitud. La presión a una altitud determinada dentro de la atmósfera será la fuerza ejercida por el peso de la columna de aire a partir de dicha altitud por unidad de superficie.
Medida de la Presión Atmosférica
Evangelista Torricelli, físico italiano del siglo XVII, utilizó una cubeta llena de mercurio y un tubo de 1 metro de longitud y 1 cm² de sección también lleno de mercurio para medir la presión atmosférica. Al invertir el tubo sobre la cubeta, el mercurio baja en el tubo hasta un cierto nivel (760 mm), quedando el sistema en equilibrio.
Presión Normal
Aunque la presión atmosférica varía constantemente, dentro de un intervalo relativamente pequeño, el promedio de los valores que toma resulta muy próximo a un valor establecido para ciertas condiciones estándar, que se conoce con el nombre de atmósfera normal.
A la temperatura de 15 ºC y una latitud de 45º, la presión normal a nivel del mar viene dada por 1013,2 milibares. Este valor equivale a 29,92 pulgadas de mercurio o 760 milímetros de mercurio (mmHg). Por lo tanto, una pulgada equivale a 33,86 milibares o 25,40 milímetros. Un milibar es, prácticamente, igual a 0,03 pulgadas o 0,75 mm.
Instrumentos para Medir la Presión
Barómetro de Mercurio
Su fundamento es muy sencillo: esencialmente consta de un tubo de vidrio, largo y hueco, del cual se ha extraído el aire. Este tubo se coloca, con su extremo abierto hacia abajo, dentro de un recipiente o cubeta llena de mercurio. La presión del aire exterior obliga al mercurio de la cubeta a penetrar y ascender por la cámara vacía existente en el interior del tubo. El mercurio ascenderá hasta equilibrar la presión que ejerce el aire sobre la superficie de la cubeta, de área igual a la superficie del tubo.
Barómetro de Mercurio de Cubeta
Es evidente que, siendo constante la masa de mercurio en el sistema tubo-cubeta, al subir el mercurio en aquel lo hace a expensas del nivel del que llena esta, nivel que, naturalmente, corresponde al cero de la escala.
Barómetro de Mercurio de Escala Compensada
Se funda en que el volumen del mercurio que asciende en el tubo es igual al que desciende en la cubeta y, por lo tanto, si se conocen los diámetros de aquel y de esta, puede construirse una graduación que mida la verdadera variación de la altura de la columna barométrica.
Barómetros Marinos de Mercurio
Los barómetros marinos de mercurio han sido proyectados para su utilización a bordo de los buques, para lo cual se ha procurado reducir al mínimo la posible agitación del mercurio producida por los movimientos del buque. Van montados en una suspensión Cardan especial para permitir mantener el barómetro en posición vertical. Tienen un estrechamiento capilar en el tubo, con objeto de amortiguar todo lo posible las oscilaciones bruscas de mercurio debidas a los movimientos de buque, así como la vibración continua del menisco causada por la trepidación de la máquina.
Correcciones a las Lecturas del Barómetro de Mercurio
- Corrección por elevación
- Corrección por temperatura
- Corrección por latitud
- Corrección instrumental