1. Concepto, Composición y Estructura de la Atmósfera

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra. Se originó cuando nuestro planeta sufría un intenso bombardeo meteorítico hace aproximadamente 4500 millones de años (m.a.).

El componente mayoritario de la atmósfera es el nitrógeno (N2), que constituye aproximadamente el 78%. El segundo gas más abundante es el oxígeno (O2), con un 21%. El oxígeno se mantiene constante gracias a su continua producción por parte de los organismos vegetales a través de la fotosíntesis. El siguiente gas en abundancia es el argón (Ar), un gas noble que procede de la desintegración radiactiva del potasio.

En los orígenes de la Tierra, el vapor de agua tuvo que ser muy abundante. Sin embargo, la posterior bajada de temperatura provocó la condensación del vapor de agua, lo que llevó a la formación de nubes y las primeras lluvias. Estas lluvias continuas dieron lugar a la formación de los océanos y mares.

La atmósfera se divide en cuatro capas principales, definidas por sus perfiles de temperatura:

• Troposfera

  Es la primera capa, la más cercana a la superficie terrestre. En ella, la temperatura disminuye con la altitud, pasando de unos 15ºC en la superficie a aproximadamente -70ºC en su límite superior. Esta capa es donde se originan y desarrollan la mayoría de los fenómenos meteorológicos.

• Estratosfera

  En esta capa, la temperatura aumenta con la altitud, alcanzando hasta los 10ºC. El ozono (O3) es abundante en esta capa, formando la conocida “capa de ozono”, crucial para la vida en la Tierra.

• Mesosfera

  Aquí, la temperatura vuelve a disminuir con la altitud, llegando a valores tan bajos como -80ºC.

• Termosfera

  Es la capa más externa. En ella, la temperatura aumenta drásticamente con la altitud, pudiendo alcanzar hasta los 1000ºC debido a la absorción de radiación solar de alta energía.

2. Función Protectora y Reguladora de la Atmósfera

Las radiaciones que la Tierra recibe del Sol se clasifican en diferentes grupos según su longitud de onda:

• Radiaciones de onda corta: Incluyen los rayos ultravioleta (UV), rayos X y rayos gamma. Son perjudiciales para la salud de los seres vivos.
• Radiaciones de onda media: Se corresponden fundamentalmente con la luz visible, esencial para la vida y la fotosíntesis.
• Radiaciones de onda larga: Incluyen las radiaciones infrarrojas y las microondas. Los clorofluorocarbonos (CFC) no son radiaciones, sino compuestos químicos que intervienen en la destrucción del ozono estratosférico.

La atmósfera juega un papel crucial en la protección de la vida en la Tierra. La capa de ozono, ubicada principalmente en la estratosfera, absorbe gran parte de la radiación ultravioleta dañina. La ionosfera, una región de la termosfera, es responsable de absorber los rayos gamma y X de alta energía.

La estratosfera contiene la mayor concentración de ozono porque la radiación ultravioleta solar es la que disocia las moléculas de oxígeno (O2) para formar ozono (O3), en un proceso continuo de creación y destrucción que mantiene un equilibrio natural.

El albedo se define como el porcentaje de radiación solar que es reflejada por una superficie. Superficies como la nieve y las nubes tienen un alto albedo, reflejando gran parte de la luz solar. La radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre puede perderse hacia el espacio exterior, pero una parte significativa queda atrapada entre la superficie terrestre y las capas bajas de la atmósfera. Este fenómeno es conocido como efecto invernadero natural.

Los principales gases de efecto invernadero son el vapor de agua (H2O) y el dióxido de carbono (CO2). Su influencia es fundamental y muy positiva, ya que mantienen la temperatura media de la atmósfera en un rango habitable (aproximadamente 15ºC). Sin embargo, un aumento excesivo de estos gases debido a la contaminación atmosférica puede conducir a un cambio climático global.

3. Dinámica General Atmosférica

3.1. Factores que Determinan el Movimiento de las Masas de Aire

Los movimientos de las masas de aire se originan por la existencia de regiones con diferentes características térmicas, de humedad y de presión atmosférica.

Diferencia de Temperatura

El aire caliente tiende a desplazarse hacia arriba (ascender) debido a su menor densidad, mientras que el aire frío tiende a desplazarse hacia abajo (descender) por ser más denso. Este proceso se conoce como convección térmica.

Diferencias de Humedad

La humedad absoluta es la cantidad de vapor de agua presente en un volumen de aire, expresada comúnmente en gramos por metro cúbico (g/m³).

El punto de rocío representa la temperatura a la cual el vapor de agua en el aire se satura y comienza a condensarse, volviéndose líquido. Este proceso puede representarse gráficamente. Cuando una masa de aire húmedo asciende, ocupa regiones cada vez más frías, por lo que eventualmente se alcanza el punto de rocío, dando lugar a la formación de nubes y precipitaciones.

Diferencias de Presión

Las masas de aire de baja presión, denominadas borrascas o ciclones, tienden a ascender. Por el contrario, las masas de aire de alta presión, conocidas como anticiclones, tienden a descender.

Convencionalmente, por encima de 1015 hPa (hectopascales) se considera una zona de anticiclón, y por debajo de 1015 hPa, una borrasca.

Gradiente Vertical de Temperatura (GVT)

El Gradiente Vertical de Temperatura (GVT) es la tasa a la que la temperatura del aire disminuye con la altitud. Su valor promedio en la troposfera es de aproximadamente 0.65ºC por cada 100 metros de ascenso. Según el contenido de vapor de agua de la masa de aire, se distinguen:

• Gradiente Adiabático Seco (GAS)

  Determina cómo disminuye la temperatura de una masa de aire seco que asciende, haciéndolo a razón de 1ºC por cada 100 metros.

• Gradiente Adiabático Húmedo (GAH)

  Se refiere al cambio de temperatura de una masa de aire húmedo que asciende, con un valor que oscila entre 0.3 y 0.7ºC por cada 100 metros, ya que la condensación libera calor latente.

Los movimientos horizontales del aire (vientos) se deben a la existencia de masas de aire con diferentes características que se encuentran a una altitud similar. Un ejemplo claro son las brisas marinas, que tienen su origen en el desigual calentamiento y enfriamiento entre el continente y el océano.

La dirección del viento no suele ser rectilínea debido a la fuerza de Coriolis, una desviación causada por la rotación terrestre. Esta fuerza afecta a los vientos convergentes de una borrasca, desviándolos hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur. De igual manera, los vientos divergentes de un anticiclón también son desviados.

Los movimientos horizontales del aire (vientos) se deben a la existencia de masas de aire con diferentes características que se encuentran a una altitud similar. Un ejemplo claro son las brisas marinas, que tienen su origen en el desigual calentamiento y enfriamiento entre el continente y el océano.

La dirección del viento no suele ser rectilínea debido a la fuerza de Coriolis, una desviación causada por la rotación terrestre. Esta fuerza afecta a los vientos convergentes de una borrasca, desviándolos hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur. De igual manera, los vientos divergentes de un anticiclón también son desviados.

3.2. Estabilidad e Inestabilidad Atmosférica: Anticiclones y Borrascas

La presión atmosférica ejercida por una columna de aire sobre la superficie terrestre es, en promedio, de 1 atmósfera (aproximadamente 1013.25 hPa a nivel del mar). Sin embargo, esta presión varía significativamente en función de la humedad y la temperatura del aire. Se consideran altas presiones aquellas que superan los 1015 hPa, y bajas presiones las que están por debajo de este valor. Gráficamente, un anticiclón se representa con una “A” (Alta presión) y una borrasca con una “B” (Baja presión).

Una borrasca (o ciclón) se produce cuando una masa de aire poco denso, en contacto con la superficie terrestre, comienza a elevarse. Estas condiciones atmosféricas suelen asociarse con tiempo inestable, lo que no siempre equivale a lluvia, pero sí a mayor probabilidad de nubosidad y precipitaciones.

Un anticiclón se forma cuando una masa de aire frío y denso, situada a cierta altura, desciende hasta contactar con el suelo. Esto provoca estabilidad atmosférica, cielos despejados y ausencia de precipitaciones.

Tipos de Precipitaciones y Frentes

• Precipitaciones Orográficas

  Se producen por el choque de una masa de aire húmedo contra una barrera montañosa. Al ascender por la ladera de la montaña, el aire se enfría, el vapor de agua se condensa y origina precipitaciones en la ladera de barlovento.

• Frentes Cálidos

  Se forman cuando una masa de aire cálido se desplaza y asciende suavemente sobre una masa de aire más frío. Proporcionan lluvias débiles y persistentes, a menudo acompañadas de nubosidad estratiforme.

3.3. Circulación General Atmosférica y Zonas Climáticas

La circulación general atmosférica es el patrón global de los movimientos del aire a gran escala, impulsado por el desigual calentamiento solar de la Tierra. Esto da lugar a diferentes zonas climáticas:

• Zona de Anticiclones Polares

  En los polos, la radiación solar es mínima, lo que provoca un enfriamiento intenso del aire y su descenso, originando una situación anticiclónica permanente (altas presiones polares).

• Zona de Vientos Polares del Este

  Comprendida entre los polos y el paralelo 60º de latitud. El aire frío polar se desplaza de norte a sur (o de sur a norte en el hemisferio sur), pero el efecto Coriolis los desvía hacia el oeste, generando vientos predominantes del este.

• Zona de Vientos Alisios

  Comprendida entre los 30º de latitud (cinturones de altas presiones subtropicales) y el ecuador. Estos vientos son desviados por el efecto Coriolis, adquiriendo una trayectoria predominante del nordeste al suroeste en el hemisferio norte y del sudeste al noroeste en el hemisferio sur.

• Zona de Borrascas Ecuatoriales (Zona de Convergencia Intertropical – ZCIT)

  En las regiones ecuatoriales, convergen los vientos alisios procedentes de ambos trópicos. El aire cálido y húmedo asciende, generando una zona de bajas presiones y abundante nubosidad y precipitaciones. Por ello, se le denomina Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT).

3.4. El Clima de la Península Ibérica

El clima de la Península Ibérica está fuertemente influenciado por la migración estacional de las bandas de presión y vientos:

• Verano: Durante el verano del hemisferio norte, la banda de los anticiclones subtropicales (especialmente el Anticiclón de las Azores) se desplaza hacia el norte, situándose sobre la Península Ibérica. Esto provoca que la península no registre lluvias significativas durante esta estación, caracterizándose por un clima seco y cálido.
• Invierno: Durante el invierno del hemisferio norte, las bandas climáticas se desplazan hacia el sur. La Península Ibérica deja de estar bajo la influencia directa de los anticiclones subtropicales y queda expuesta a las borrascas atlánticas y masas de aire frío, lo que trae consigo temperaturas más bajas y abundantes precipitaciones.

3.5. Cambio Climático

Nuestro planeta ha experimentado numerosos cambios climáticos a lo largo de su historia geológica, habiendo pasado la mayor parte de su existencia en periodos de “Edad de Hielo”.

La Tierra primitiva era mucho más caliente debido a una elevada concentración de dióxido de carbono (CO2) en su atmósfera. La aparición de la vida supuso un cambio fundamental: mediante la fotosíntesis, las algas y posteriormente las plantas comenzaron a absorber grandes cantidades de CO2. Además, muchos organismos marinos empezaron a utilizar el carbono para fabricar partes duras de carbonato cálcico (CaCO3), lo que contribuyó a un empobrecimiento significativo de la atmósfera en CO2 y a un consiguiente descenso de las temperaturas.

Desde entonces, las temperaturas globales se han mantenido dentro de unos márgenes aceptables para la vida, aunque no han sido constantes. El efecto albedo, por ejemplo, fue especialmente importante durante la Glaciación Cenozoica, amplificando los ciclos de enfriamiento.

Dentro de periodos glaciares como el Cenozoico, se han producido oscilaciones climáticas de menor magnitud, con una periodicidad que varía entre diez mil y cien mil años. Estas oscilaciones se deben a movimientos sutiles de la Tierra, conocidos como Ciclos de Milankovitch, que provocan variaciones en la cantidad de radiación solar que llega a la Tierra. Hay tres tipos principales de movimientos astronómicos que influyen en estos ciclos:

• La excentricidad de la órbita terrestre (cambios en la forma de la órbita alrededor del Sol).
• La inclinación del eje terrestre (variación del ángulo del eje de rotación respecto al plano orbital).
• La precesión de los equinoccios (cambio en la orientación del eje de rotación, que afecta la posición del perihelio —el punto de la órbita terrestre más cercano al Sol— y varía a lo largo de aproximadamente 23.000 años).

También se han producido cambios climáticos abruptos, como el más famoso que tuvo lugar al final de la Era Mesozoica, que provocó la extinción masiva de numerosas especies, incluyendo los dinosaurios. Es posible que un gigantesco meteorito impactara sobre la superficie de la Tierra, provocando que la atmósfera se volviera opaca a los rayos del Sol, lo que habría causado un “invierno de impacto” global.

Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, la influencia del hombre sobre el clima ha sido insignificante. Sin embargo, su influencia actual, especialmente desde la Revolución Industrial, no puede ser subestimada, siendo un factor clave en el actual cambio climático antropogénico.

4. Contaminación Atmosférica

4.1. Los Contaminantes Más Frecuentes y Sus Efectos

Se consideran contaminantes atmosféricos a aquellas sustancias y formas de energía que, en concentraciones determinadas, pueden causar molestias, daños o riesgos a los seres vivos y al medio ambiente.

Sustancias Químicas

Los contaminantes químicos se pueden clasificar en:

• Contaminantes primarios: Son aquellos emitidos directamente a la atmósfera por alguna actividad humana o proceso natural.
• Contaminantes secundarios: Son el resultado de reacciones químicas espontáneas que tienen lugar en la atmósfera entre contaminantes primarios o con componentes atmosféricos naturales.

Los contaminantes primarios más importantes incluyen:

• Partículas

  Diversas actividades humanas liberan una gran cantidad de partículas a la atmósfera, como la minería, las cementeras y la combustión de combustibles industriales y domésticos. Los efectos más destacados son problemas respiratorios, reducción de la visibilidad y la suciedad que cubren edificios y superficies. Partículas que contienen metales pesados como el plomo, el cadmio o el mercurio son especialmente tóxicas.

• Compuestos de Azufre

  El dióxido de azufre (SO2) procede principalmente de la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo). Es un gas irritante para las mucosas y los ojos, y puede provocar la pérdida de hojas en las plantas. El SO2 es un precursor importante del smog sulfuroso y de la lluvia ácida.

• Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs)

  Son sustancias gaseosas que se cuentan entre los contaminantes frecuentes en ciudades y zonas industriales. Incluyen el metano (CH4) y otros hidrocarburos, muchos de los cuales son precursores del smog fotoquímico.

• Óxidos de Nitrógeno (NOx)

  El óxido nítrico (NO) es un gas tóxico. El dióxido de nitrógeno (NO2) es un gas asfixiante y un irritante respiratorio. El óxido nitroso (N2O) es un potente gas de efecto invernadero y puede causar problemas respiratorios e irritaciones oculares.

• Óxidos de Carbono

  El monóxido de carbono (CO) es un gas incoloro e inodoro, cuya inhalación puede provocar la muerte por asfixia. El dióxido de carbono (CO2) es el principal gas de efecto invernadero de origen antropogénico y el mayor contribuyente al calentamiento global.

• Compuestos Halogenados

  Son sustancias que contienen halógenos como el cloro o el flúor. Pueden provocar irritación de las mucosas. Los clorofluorocarbonos (CFC), cuando alcanzan las capas altas de la atmósfera, destruyen las moléculas de ozono, siendo los principales causantes del agujero en la capa de ozono.

• Ozono Troposférico (O3) y PAN (Nitratos de Peroxiacilo)

  A diferencia del ozono estratosférico beneficioso, el ozono a nivel del suelo (troposférico) es un contaminante secundario nocivo, formado por reacciones fotoquímicas. Los PAN son también contaminantes secundarios que irritan los ojos y dañan la vegetación.

Formas de Energía o Radiaciones

Las radiaciones que pueden actuar como contaminantes se clasifican en:

• Radiaciones Ionizantes

  Tienen suficiente energía para ionizar átomos o moléculas, alterando así la materia sobre la que inciden. Las radiaciones alfa, beta y gamma (electromagnéticas) son muy perjudiciales, ya que pueden modificar la materia viva y causar daños genéticos.

• Radiaciones No Ionizantes

  Son menos peligrosas que las ionizantes, e incluyen las radiaciones visibles, las ultravioleta (UV-A y UV-B), las infrarrojas, las microondas y las ondas de radio. Pueden ser perjudiciales según la intensidad de la radiación y el tiempo de exposición.

4.2. Factores que Intensifican la Contaminación Local y la Dispersión de Contaminantes

La dispersión de los contaminantes atmosféricos está influenciada por diversos factores meteorológicos y geográficos:

• Lluvia y Viento: La lluvia contribuye a la “limpieza” de la atmósfera al arrastrar las partículas y gases contaminantes hacia el suelo. Los vientos, por su parte, dispersan los contaminantes, reduciendo su concentración en un punto específico.
• Insolación: La radiación solar (insolación) suele tener un efecto perjudicial, ya que favorece las reacciones fotoquímicas que dan lugar a la formación de contaminantes secundarios, como el ozono troposférico y el smog fotoquímico.
• Inversiones Térmicas: Algunas ciudades, especialmente aquellas en valles o con condiciones geográficas particulares, sufren graves problemas de contaminación debido a las inversiones térmicas. Este fenómeno ocurre cuando una capa de aire cálido se sitúa sobre una capa de aire frío cerca del suelo, actuando como una “tapa” que impide la dispersión vertical de los contaminantes, atrapándolos en las capas bajas de la atmósfera.
• Vegetación: Los bosques y la vegetación urbana pueden disminuir la cantidad de contaminación en el aire al frenar la velocidad del viento y actuar como filtros naturales, absorbiendo algunos contaminantes y atrapando partículas.
• Efecto “Isla de Calor Urbana”: La presencia de grandes núcleos urbanos dificulta la dispersión de contaminantes y genera el efecto denominado “isla de calor”. Este fenómeno hace que la temperatura en el interior de la ciudad sea significativamente más alta que en su periferia, lo que puede influir en los patrones de circulación del aire y la acumulación de contaminantes.

4.3. Principales Efectos de la Contaminación Atmosférica

Efecto Invernadero y Calentamiento Global

El efecto invernadero es un fenómeno natural y esencial que consiste en el calentamiento de las capas bajas de la atmósfera. Se debe a la presencia de los gases de efecto invernadero (GEI), que tienen la capacidad de absorber la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre, reteniéndola en la atmósfera. De no existir este fenómeno, la temperatura media del planeta sería de aproximadamente -18ºC, lo que haría imposible la vida tal como la conocemos.

Sin embargo, el aumento del efecto invernadero, provocado principalmente por el incremento de las emisiones antropogénicas de CO2 y otros GEI, supone un grave problema ambiental. Este aumento está causando el calentamiento global, que a su vez provoca la expansión térmica del agua de los océanos y el deshielo de glaciares y casquetes polares, lo que resultaría en una subida del nivel del mar y otros impactos climáticos severos.

Agujero en la Capa de Ozono

El ozono (O3) es un gas formado por tres átomos de oxígeno. En la troposfera (capa baja de la atmósfera), el ozono es un contaminante muy activo y peligroso para la salud humana y los ecosistemas. Sin embargo, en la estratosfera (capa alta), el ozono es imprescindible para la existencia de la vida en la Tierra, ya que forma la capa de ozono que nos protege de la dañina radiación ultravioleta solar.

El “agujero” en la capa de ozono es una disminución significativa de su concentración en la estratosfera, principalmente sobre las regiones polares, causada por la emisión de sustancias como los clorofluorocarbonos (CFC).

Lluvia Ácida

La lluvia ácida se forma cuando las emisiones de dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx), procedentes principalmente de la quema de combustibles fósiles, reaccionan en la atmósfera con el agua, el oxígeno y otros oxidantes para formar ácidos sulfúrico y nítrico. Estos ácidos se disuelven en las gotas de agua de las nubes y caen a la Tierra en forma de lluvia, nieve, niebla o partículas secas.

El impacto más grave de la lluvia ácida se observa sobre los ecosistemas: acidifica los suelos, dañando la vegetación y liberando metales tóxicos; acidifica ríos y lagos, afectando gravemente la vida acuática; y corroe edificios y monumentos.

Smog (Nieblas Contaminantes)

El smog es un fenómeno de contaminación atmosférica típico de las áreas urbanas e industrializadas, caracterizado por una niebla densa y contaminada. Existen dos tipos principales:

• Smog Sulfuroso (o Clásico)

  Se forma por una nube de gases y partículas, principalmente debido a las emisiones de humos y óxidos de azufre (SO2) procedentes de la combustión de carbón y petróleo. Se produce en ciudades frías y húmedas, especialmente en invierno, y es conocido por su color grisáceo y olor a azufre.

• Smog Fotoquímico

  Se forma por una nube de gases contaminantes secundarios, y su formación requiere la presencia de luz solar intensa. Los principales reactivos de esta reacción son los óxidos de nitrógeno (NOx) y los hidrocarburos (COVs) emitidos por vehículos e industrias. Es común en ciudades cálidas y soleadas, y se caracteriza por una neblina amarillenta-marrón y la irritación de ojos y vías respiratorias.

4.4. Medidas para la Corrección de la Contaminación Atmosférica

Para mitigar y corregir la contaminación atmosférica, es fundamental implementar una serie de estrategias y acciones, entre las que destacan:

• Potenciar el transporte público: Fomentar el uso de medios de transporte colectivos y sostenibles para reducir las emisiones de vehículos privados.
• Favorecer la investigación y el uso de tecnologías limpias: Impulsar el desarrollo y la aplicación de tecnologías con baja o nula emisión de contaminantes en la industria, la energía y el transporte.
• Establecer un control y vigilancia rigurosa de los focos emisores: Implementar normativas estrictas y sistemas de monitoreo para controlar las emisiones de industrias, centrales eléctricas y otras fuentes de contaminación.
• Fomentar la eficiencia energética y el uso de energías renovables: Reducir la demanda de energía y promover fuentes de energía que no generen emisiones contaminantes.
• Promover la educación ambiental y la concienciación ciudadana: Informar a la población sobre los efectos de la contaminación y las acciones individuales y colectivas para reducirla.