La atmósfera: capas, filtro y movimiento

Objetivos

1. Describir la composición del aire seco con cifras redondeadas de manual y separar el vapor de agua, que es variable.
2. Dividir la atmósfera por el criterio térmico y decir qué ocurre en cada capa, sobre todo el tiempo meteorológico y el ozono.
3. Explicar el filtro ultravioleta y el efecto invernadero natural sin confundirlo con el cambio climático reciente.
4. Explicar convección, anticiclón y borrasca en el hemisferio norte, sin modelo numérico.

Explicación

La atmósfera es una mezcla de gases retenida por la gravedad, no una tapa homogénea. Casi toda su masa está en los primeros kilómetros. Para entenderla hacen falta tres cortes distintos: de qué está hecha, cómo cambia la temperatura con la altura, y cómo se mueve. Un cuarto corte, el del clima que cambia por nuestras emisiones, es la lección 8: aquí el invernadero aparece como función natural del aire.

Composición

En aire seco, cerca de la superficie y en cifras redondeadas de manual, el nitrógeno molecular ronda el 78 %, el oxígeno el 21 % y el argón el 0,9 %. El dióxido de carbono está en torno al 0,04 % y es variable: en la época preindustrial andaba por el 0,028 %. No citamos aquí la cifra del último mes. El vapor de agua no entra en esos porcentajes de aire seco: puede ir de casi nada a unos pocos por ciento según el lugar y el día, y por eso es el gas variable que más pesa en el tiempo meteorológico. El ozono es una fracción mínima en el total y, aun así, decisivo en la estratosfera.

Estos números no son una medición de aula. Si un sensor del instituto marca otra humedad, ha medido un patio, no ha corregido la composición del planeta.

Capas por la temperatura, no por el nombre

El criterio de esta lección es el gradiente térmico, en latitudes medias y como perfil esquemático, no como la radiosonda de esta mañana.

• Troposfera. La temperatura baja con la altura, de media varios grados por kilómetro (el valor escolar de unos 6,5 °C/km es una media, no la pendiente de cada tarde). Aquí está casi todo el vapor de agua, se forman las nubes y ocurre el tiempo meteorológico. Termina en la tropopausa, del orden de 10 a 12 km en latitudes medias; más alta en el ecuador y más baja en los polos.
• Estratosfera. La temperatura vuelve a subir. La causa es el ozono, que absorbe radiación ultravioleta y calienta esa capa. El aire queda estable: poca convección. El «agujero» de ozono es una pérdida estacional de esa concentración, sobre todo antártica, no un agujero mecánico en el cielo. La capa de ozono no es una lámina en un kilómetro exacto: es un máximo de concentración dentro de la estratosfera. La estratopausa ronda los 50 km.
• Mesosfera. La temperatura baja otra vez. Es la región más fría del perfil. La mayoría de los meteoroides se desintegran aquí por rozamiento. La mesopausa queda en torno a 80-90 km.
• Termosfera. La temperatura cinética de las pocas moléculas que hay vuelve a subir. Con esa densidad, «caliente» no significa que un termómetro de pared, o una mano, se quemaran: apenas hay choques. Aquí se forman auroras y orbitan muchos satélites.

Por encima se habla a veces de exosfera, ya en el límite del espacio. No hace falta una quinta capa para el criterio térmico básico.

Filtro y efecto invernadero natural

El oxígeno y, sobre todo, el ozono absorben ultravioleta de onda más corta. A la superficie llega sobre todo UV-A, bastante menos UV-B y prácticamente nada de UV-C. Sin ese filtro, la química de la vida en superficie sería otra. Nitrógeno y oxígeno, mayoritarios, no son el filtro decisivo del ultravioleta biológico.

El efecto invernadero natural es otro proceso. La superficie, calentada por el Sol, emite infrarrojo. El nitrógeno y el oxígeno apenas lo absorben. Sí lo absorben y reemiten el vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso y el propio ozono. El balance radiativo sitúa la temperatura efectiva de emisión del planeta cerca de −18 °C; la superficie está, de media, en torno a 15 °C. Esos dos números son el resultado de un modelo de balance, no un termómetro clavado en el espacio ni una medición de clase. La diferencia, unos 33 °C, es el invernadero natural. Añadir más gases que absorben infrarrojo desplaza ese balance: eso ya es el cambio que estudia otra lección, no una negación de que el invernadero exista sin nosotros.

Convección, anticiclón y borrasca

El Sol no calienta igual el ecuador y los polos, ni el continente y el mar. El aire caliente es menos denso y asciende: eso es convección. Al subir, se expande y se enfría. Si alcanza la saturación, el vapor condensa y forma nubes. El aire frío tiende a descender.

Esos movimientos dejan presiones distintas en superficie. En el hemisferio norte, la rotación desvía los movimientos hacia la derecha (efecto de Coriolis). El resultado, visto desde arriba:

• Anticiclón. Alta presión. El aire desciende (subsidencia), se calienta y se seca, y en superficie diverge. El giro es horario. Cielos despejados son lo habitual, no una ley de cada hora. El anticiclón de las Azores, en verano, favorece ese régimen en la Península: es climatología de manual, no el parte de un día concreto.
• Borrasca. Baja presión. El aire converge en superficie, asciende y, si hay humedad, forma nubes y precipitación. El giro es antihorario. Una borrasca no «es» la lluvia: es el sistema de presión que la hace probable.

No integramos ecuaciones ni hacemos un modelo numérico. Con el sentido del giro, la subsidencia y la convergencia basta para leer un mapa de isobaras del hemisferio norte. En el hemisferio sur, Coriolis invierte el sentido de los giros; el ascenso y el descenso no se invierten.

Glosario de esta lección

Gradiente térmico. Cómo cambia la temperatura con la altura. El signo de ese cambio define troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera.

Tropopausa. Límite superior de la troposfera, donde el descenso de temperatura se frena. Su altura depende de la latitud.

Ozono estratosférico. Máximo de O₃ que absorbe ultravioleta y calienta la estratosfera. No es lo mismo que el ozono local de contaminación junto al suelo.

Efecto invernadero natural. Absorción y reemisión de infrarrojo por ciertos gases, que mantiene la superficie muy por encima de la temperatura efectiva de emisión.

Convección. Ascenso del aire menos denso y descenso del más denso. Motor del tiempo en la troposfera.

Anticiclón y borrasca. Centros de alta y baja presión. En el hemisferio norte, giro horario y antihorario, respectivamente.

Coriolis. Desviación aparente por la rotación terrestre: a la derecha en el hemisferio norte. No es una fuerza que atraiga el aire hacia la borrasca; desvía el movimiento que la presión ya provoca.

Ejemplo resuelto

Medir con placa

Opcional y de aula. Un sensor no convierte el patio en una estación meteorológica.

Ocultar medición con placa

// DHT22 en el pin 2. Esperar ~2 s entre lecturas.
#include <DHT.h>
#define DHTPIN 2
#define DHTTYPE DHT22
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  dht.begin();
}

void loop() {
  float t = dht.readTemperature();      // °C
  float h = dht.readHumidity();         // %
  if (isnan(t) || isnan(h)) {
    Serial.println("error");
  } else {
    Serial.print(t);
    Serial.print(",");
    Serial.println(h);
  }
  delay(2000);
}

# pyserial: import serial. Misma velocidad que el Arduino.
import serial
puerto = serial.Serial("/dev/ttyACM0", 9600, timeout=2)
linea = puerto.readline().decode("utf-8", errors="replace").strip()
print(linea)  # temperatura_C,humedad_relativa  o  "error"

Comprueba

Esquema para dibujar

Dibuja el perfil térmico de las cuatro capas o el giro del anticiclón y de la borrasca en el hemisferio norte.

Aire seco: sobre todo nitrógeno y oxígeno, argón cerca del 1 %, dióxido de carbono en torno al 0,04 % y variable. Capas por la temperatura: baja, sube, baja y sube; el tiempo va en la troposfera y el filtro ultravioleta, en el ozono estratosférico. El invernadero natural explica una superficie mucho más cálida que los −18 °C del balance, y no es lo mismo que el desequilibrio reciente. Anticiclón y borrasca se leen con presión, ascenso o descenso, y el sentido de Coriolis. Un DHT22 en el patio no sustituye ninguna de esas frases.