EL MUNDO EN QUE
VIVIMOS
Capitulo 1º Subcap. 3º
<> LA
ATMÓSFERA TERRESTRE. CAMPO GEOMAGNÉTICO.
Índice de este Apartado:
Entre el infinito mundo de lo grande, el Universo, y
el infinito mundo de
lo diminuto, el átomo, está la atmósfera terrestre que nos separa y
protege del
espacio exterior, campo o ruta de acceso a los astros. Es en realidad
la capa
más liviana de la biosfera o mundo en el que vivimos o habitamos.
La importancia de la atmósfera terrestre en relación
a la astronáutica es
capital por varias razones. En primer lugar, la atmósfera como
envoltura
gaseosa que rodea nuestro planeta, condiciona y hace posible la vida
del hombre
en los más fundamentales aspectos. La atmósfera suministra oxígeno para
la
respiración y nos mantiene en una presión adecuada así como en
temperatura.
Pero es que además nos protege de los letales efectos inherentes al
espacio
como son las radiaciones y meteoritos. Por tanto unos y otros factores
adquieren su máxima importancia cuando el hombre quiere abandonar la
Tierra y
adentrarse en el hostil espacio. Para ello, ha de llevar consigo, si
desea
sobrevivir, una atmósfera portátil a pequeña escala, incluidos sus
efectos
protectores.
Otros factores importantes que supone la atmósfera
son los inconvenientes
que plantea al ser atravesada por cuerpos a gran velocidad debido a la
oposición mostrada a la misma siendo sin embargo tal velocidad precisa
para el
vuelo espacial.
La atmósfera terrestre envuelve al planeta porque
éste posee un campo de
gravedad lo bastante poderoso como para retenerla sobre la superficie
donde es
por supuesto mucho más densa que en alturas. Nuestra envoltura gaseosa
se halla
integrada por varias capas o regiones más o menos definidas en sus
fronteras y
caracteres pues realmente no existen unos límites exactos. Se debe
ello, en
gran parte, a la rotación de la Tierra que por el efecto centrífugo
permite una
mayor extensión en el ecuador que en los polos, aparte de que
ciertamente el
diámetro ecuatorial es superior en unos kilómetros al polar. También
existen
otras influencias modificadoras y variables de los niveles atmosféricos
como es
el campo de gravedad lunar, que también por igual consecuencia
configura las
mareas. Tampoco existe unanimidad en delimitar e incluso denominar el
número de
zonas envolventes que constituyen la atmósfera. No obstante, la
división más
generalizada señala las siguientes:
TROPOSFERA, ESTRATOSFERA, MESOSFERA, IONOSFERA y EXOSFERA.
Esta última incluye a la MAGNETOSFERA y se confunde
en su límite superior
con el espacio exterior.
De un modo general, con independencia de la altura
que incide en la
composición, la atmósfera se compone en las siguientes proporciones con
los
porcentajes máximos que se señalan:
Nitrógeno................................... 78,0840000 %
Oxígeno..................................... 20,9460000 %
Argón....................................... 0,9340000 %
Agua (Muy variable)......................... 1‑0,001000 %
Anhídrido carbónico (variable ligeramente).. 0,0300000 %
Neón........................................ 0,0018180 %
Helio....................................... 0,0005240 %
Metano (variable ligeramente)............... 0,0001500 %
Kriptón..................................... 0,0001140 %
Hidrógeno (variable)........................ 0,0000600 %
Ozono (muy variable)........................ 0,0000400 %
Ácido nitroso (variable ligeramente)........ 0,0000350 %
Oxido de carbono (variable)................. 0,0000100 %
Xenón....................................... 0,0000087 %
Radón....................................... 6x10^(‑18) %
En total, se supone una masa de aire de 5 millones
de miles de Tm de las
que 3/4 partes están por debajo de la altura del Everest y un 99 % en
los
primeros 30 Km de altura. Esta concentración de masa aérea determina
las
variaciones de presión o fuerza de cantidad de gas atmosférico, que
actúa por
unidad de superficie, a medida que ascendemos.
La presión puede expresarse en unidades de Kg/cm^2,
bares y milibares, y
atmósferas. Una atmósfera es la presión correspondiente a una columna
de
mercurio de 1 cm^2 de sección y 760 mm de altura. Como sea que la
densidad del
mercurio es de 13,596 g/cm^3, equivale a 1033 g/cm^3 que es 1 bar, o
1.000
milibares. Por tanto una presión normal que es de 1013,25 milibares
equivale a
765 mm de mercurio. La altura o altitud, que siempre tiene por punto
cero el
nivel del mar, cuando menor sea tanto mayor será la presión y
viceversa. A una
altura de 12 Km la presión es de 1/5 parte. Para medir la presión,
además del
bar y la atmósfera, se utiliza el Pascal con una equivalencia de 1 bar
igual a
100.000 Pascal (Pa) y 1 atmósfera igual a 101.325 Pa.
Las radiaciones solares que no son absorbidas o
reflejadas por la atmósfera
llegan al suelo dada su longitud de onda y se cuentan entre ellas, la
luz
visible y algunos IR y ondas de radio. Las radiaciones IR
principalmente son la
causa de que disfrutemos o lamentemos la temperatura sobre nuestro
planeta,
íntimamente relacionadas con la meteorología. El caldeamiento del aire
no se
efectúa cuando estos rayos penetran en la atmósfera, sino que se lleva
a cabo
después de que los rayos calienten la superficie terrestre.
Efectivamente las
radiaciones emitidas por el suelo son luego absorbidas por el vapor de
agua y
el anhídrido carbónico atmosféricos con lo que se aumenta la
temperatura en
relación a la intensidad de las radiaciones. Esta es una de las bases
de la
meteorología. El incremento de absorción de tal radiación determina el
efecto
invernadero que produce un calentamiento superior.
Los movimientos de masas aéreas, debido a la térmica
y a la humedad, tienen
marcadas tendencias dinámicas. El aire caliente ecuatorial se eleva y
gira
hacia los polos, donde se enfría para correr por debajo de aquellas
corrientes
de nuevo hacia el Ecuador. Esos flujos son denominados células de
Hadley y solo
llegan a bajas cotas hasta las latitudes medias por efecto de la
rotación
terrestre; los movimientos desde aquí a los polos son corrientes que
oscilan.
Tales dinámicas están afectadas por diversas fuerzas, además de la
rotación de
la Tierra (fuerza Coriolis) que hace girar hacia la derecha en el
hemisferio
Norte y hacia la izquierda en el Sur las masas de aire, como las
estaciones
(por diferente ángulo de incidencia del Sol), la humedad oceánica y la
sequedad
continental, la orografía terrestre, etc. De tal modo, surge la
compleja
meteorología con todos los fenómenos de vientos, incluso los huracanes
o
tifones, las lluvias, con sus gotas frías o precipitaciones
torrenciales, etc.
Se ha calculado que solo en los Estados Unidos hay de continuo un total
de unas
200.000 millones de Tm de agua suspendida en forma de nubes.
Gracias a la observación de satélites artificiales y
sondas la
investigación solar ha pasado a formar parte de la meteorología
terrestre, dada
la determinante influencia de la radiación solar, incluido viento
solar,
notable por sus efectos, en la dinámica de la atmósfera de la Tierra.
Se habla
así de la meteorología espacial para establecer los niveles de
influencia y
pasan a ser objeto de observación regular los ciclos solares y en
especial
determinadas emisiones y fenómenos del astro rey, tal como las
inestabilidades y alteraciones
magnéticas, bandas UV, etc. La incidencia UV en la capa de ozono, los
factores
eléctricos de la atmósfera superior, etc, son los primeros pasos de tal
interactuación con las capas atmosféricas de menor altitud.
La troposfera fue así bautizada en razón de la raíz
griega tropos, término
que significa cambio, debido a las variaciones que en ella se producen,
debido
a las dinámicas masas de aire.
Abarca los primeros 12 Km aproximadamente de
altitud, como máximo de
14‑16 Km en el ecuador y 8‑10 de mínima en los polos.
En ella se desarrollan todos los fenómenos
meteorológicos pero no
exclusivamente aunque si se encuentran aquí las principales formaciones
nubosas. Cuando no hay nubes el día luce un brillante cielo azul, fruto
de la
dispersión de la luz solar, por su mayor cantidad de azul respecto al
rojo, al
atravesar la atmósfera y nos brinda esos días tan maravillosos que
llamamos
soleados. Tal dispersión la producen las limpias moléculas de oxígeno,
nitrógeno y también el CO2.
Los 2 primeros Km de altura son los que generalmente
suponen el normal
nivel de desarrollo de la vida humana. La presión es en los primeros
metros de
1044 milibares; la medida estándar es de 1.013 milibares para el nivel
del mar
con 15ºC de temperatura y se dice que es la presión de 1 atmósfera. Sin
embargo, el decrecimiento de la misma no es aquí muy constante pues
está
supeditado a las variaciones de temperatura del aire, siempre
vehemente, que da
lugar a la existencia de aire frío y aire más cálido. El último es
menos denso
debido a la expansión molecular por el calor y de menor presión por
tanto.
A los 5 Km de altura la presión ha disminuido lo
suficiente para el hombre
como para dificultar notablemente la respiración. El hombre para
respirar
necesita oxígeno pero no de nitrógeno que se halla como se ha visto 3,5
veces
más abundante en el aire. Sin embargo, el nitrógeno juego un importante
papel
en razón a que reduce, al estar mezclado con el oxígeno, la presión
normal de
éste que es independientemente superior a la del azoe.
A los 8 y medio Km de altura, aproximadamente el
nivel del Everest, se
precisa ya de botellas de oxígeno para la respiración.
La troposfera contiene las 4/5 partes de la masa
total atmosférica.
La temperatura en la región es por término medio de
unos 15 ºC con máximas
y mínimas de respectivamente varias decenas de grados por encima y por
debajo
del nivel cero, según lugar o zona terrestre. Ahora bien, ascendiendo
por
ejemplo por una montaña la temperatura comienza a descender a razón de
1 ºC por
cada 175 m de ascensión.
La composición atmosférica es en la región la
siguiente, señalándose
elemento, volumen y peso (en %): Nitrógeno, 78 % (peso 75,4%); oxígeno,
20,9 %
(23,1%); argón, 0,9 % (1,3%); y el resto, de anhídrido carbónico, vapor
de
agua, helio, neón, xenón, hidrógeno y kriptón, en ínfimas cantidades.
A medida que vayamos ascendiendo la composición
variará y aparecen nuevos
elementos o compuestos como el vapor de sodio, radical hidroxilo, etc.
Según estudios sobre los datos de la sonda espacial
Rosetta, el xenón original de la antigua atmósfera de nuestro planeta
parece que fue aportado en un 22% por los cometas que cayeron por
entonces sobre el mismo, y otras cantidades por los asteroides.
|
LAS
NUBES EN NUESTRA ATMÓSFERA (esquema simplificado)
|
|
Tipo
de nube
|
Altitud
|
Producen
|
Constitución
|
|
Estrato
|
0-2
Km
|
Lloviznas,
a veces niebla
|
Gotas
de agua de menos de ½ mm
|
|
Estratocúmulo
|
1-2
Km
|
Rara
vez llovizna
|
Gotas
de agua de menos de ½ mm
|
|
Cúmulo
|
1-2
Km
|
Lloviznas,
no siempre
|
Gotas
de agua de menos de ½ mm
|
|
Nimboestrato
|
1-3
Km
|
Lluvia,
chubasco, tormenta
|
Gotas
de agua de más de ½ mm.
|
|
Altocúmulo
|
3-6
Km
|
Anuncian
frente frío o buen tiempo
|
Hielo
|
|
Altoestrato
|
5-7
Km
|
Lluvias
débiles, no siempre
|
Hielo
|
|
Cumulonimbo
|
2-20
Km
|
Lluvia
fuerte, tormenta, nieve, granizo
|
Hielo,
nieve, granizo.
|
|
Cirro
|
6-12
Km
|
Aislado,
anuncia buen tiempo.
|
Hielo
|
|
Cirroestrato
|
6-12
Km
|
Anuncian
precipitación o cambio
|
Hielo
|
|
Cirrocúmulo
|
6-12
Km
|
No
anuncian cambios
|
Hielo
|
|
En
resumen son nubes altas las 3 últimas; medias los nimboestratos,
altocúmulos y altoestratos; y bajas los estratos y
estratocúmulos. Los dos tipos restantes, cúmulos y cumulonimbos,
son de desarrollo vertical y los segundos de gran extensión. Los
nombres base (estrato, cúmulo y cirro) tiene que ver con la forma
de la nube. Cirro significa hilo, filamento, rizo, pelo. Nimbo
significa cúmulo denso y uniforme de nubes gris oscuras. Lo que
se indica en “Producen” es relativo porque las nubes van
asociadas a las presiones, vientos, temperaturas, humedad, y estos
factores son variables, de modo que pueden alterar puntualmente la
evolución de las formaciones nubosas y su comportamiento en los
distintos entornos; por eso la previsión meteorológica es tan
difícil.
|
Por encima de la troposfera se encuentra la
estratosfera, separada de la
anterior por una tropopausa donde la temperatura alcanza unos 60 ºC
bajo cero y
un máximo de 0 ºC, aunque regular o constantemente tiene sobre los
-56ºC hasta
los 30 Km de altitud. Aquí la presión para nosotros no tiene
prácticamente
efecto. Los líquidos ya no se mantienen en su estado, pasando pues al
gaseoso.
La estratosfera se extiende por encima de los 12‑15
Km y hasta
alrededor de los 30‑40. A los 20 Km la presión es de solo 70 g/cm^2 y
la
temperatura comienza a aumentar. A unos 25 Km y hasta los 30 se
encuentra una
banda de unos Km de espesor que contiene ozono. Por encima de ella
prácticamente el hombre sin protección está ya en las condiciones
mortales
cósmicas. No hay ya oxígeno, ni presión, ni temperatura, en condiciones
mínimas, y además nos alcanzan los rayos cósmicos y UV. Los rayos
cósmicos de mayor energía se cree (2017) que proceden de fuera de
nuestra galaxia y se manifiestan un 6% con más intensidad en una parte del cielo en relación a otros lados.
Los rayos cósmicos se rompen, diluyen su energía, al
entrar en la atmósfera
ocasionando lluvias de electrones, muones, neutrinos y fotones que
colisionan a
su vez también con los elementos atmosféricos. Y tales electrones,
según se cree, inciden en la formación de las nubes, lo que significa
que los rayos cósmicos son un factor a considerar en la meteorología.
El ozono es oxígeno triatómico, es decir, sus
moléculas poseen 3 átomos en
vez de dos que es lo normal del oxígeno. El ozono se produce en las
descargas
eléctricas o en el caso que nos ocupa cuando los rayos UV procedentes
del Sol
bombardean el oxígeno del aire de apreciable y relativa densidad. Por
tanto, la
importancia de este ozono viene acompañada de la misión de absorber las
letales
radiaciones UV. Por ello, es de suma importancia el control del
agujero, o zona
de adelgazamiento, del ozono sobre la Antártida y también en progresión
sobre
el Polo Norte, según se cree causada en cierta medida por la
contaminación
humana de derivados de cloro.
Según determinó la NASA en 2001, el hecho de que el agujero en la capa
de ozono
sea mayor sobre la Antártida que sobre el Ártico, menos frío, es debida
a ondas
de gran envergadura producidas en la troposfera en razón a los
movimientos
convectivos y a las grandes elevaciones de terreno como el Himalaya,
que son
más abundantes en el hemisferio norte que el sur. Estas ondas producen
energía
hacia la estratosfera que calienta la atmósfera favoreciendo la
continuidad de
la capa de ozono en el Norte. De ello se deduce que el factor térmico
en la
estratosfera es más importante en este punto de lo que antes se sabía.
Mediado 2003, la NASA apuntó que el agujero en la capa de ozono venía
bajando
en el ritmo de crecimiento desde 1997. Es decir, aparece entonces con
tendencia
a la estabilización. Pero precisamente en 2003 y la primavera de 2004,
tal
agujero en el Hemisferio Norte registraría la mayor pérdida
identificada hasta
entonces debido a tormentas solares y una gran actividad en la alta
atmósfera
terrestre, fruto de fenómenos meteorológicos. Mediado 2016, según el
MIT y la Universidad británica de Leeds, tal agujero sobre la Antártida
muestra claras señales de estar empezando a cerrarse. Para entonces se
achaca en parte la variación del tamaño del agujero a las erupciones
volcánicas, pero la mejora se atribuye a la prohibición en el uso de
los CFCs (Protocolo de Montreal de 1987). Incluso se aventura como
posible que el mismo se cierre del todo hacia la mitad del Siglo XXI.
En 2023, tras haber alcanzado un tamaño de los
mayores en septiembre, el agujero de ozono de la Antártida se cerró el
20 de diciembre. Se considera el mismo, desde que hay registros (1979),
el 7º más longevo captado. Los más duraderos se observaron antes en
1999 y 2020, que se cerraron a 4 días del final del año respectivo. Por
entonces el fenómeno se cree sometido a las variables de temperatura
atmosférica, actividad volcánica y el vapor de agua en la atmósfera.
La capa de ozono se ve afectada por el Sol, ayudando en su destrucción
por
efecto de las tormentas solares con su bombardeo más intenso de
partículas una
vez llegadas a nuestro entorno atmosférico; el resultado pasa por la
ruptura de
moléculas de vapor de agua y nitrógeno, dando lugar a óxidos que
reaccionan con
las moléculas de capa de ozono y la desgastan.
También cabe citar, si bien no hay estudios intensos
al respecto, que es
posible que los lanzamientos de cohetes produzcan una reducción de la
capa. En
concreto, mediciones realizadas en 1996 en el disparo de dos cohetes
Titán 4
mostraron una reducción destacada en tal región estratosférica de entre
4 y 8
Km de diámetro durante los 30 min posteriores al disparo.
La composición gaseosa estratosférica es idéntica a
la de la troposfera con
la variante de incluir esa importante banda de ozono; hay pues
nitrógeno y
oxígeno moleculares, ozono, agua, argón, etc.
En la segunda mitad del Siglo XX, el porcentaje de
humedad estratosférico
se incrementó hasta el 100 %. Algunos científicos achacaron el hecho al
aumento
de quemas vegetales en las zonas tropicales, tomando como base para
ello los
datos aportados por satélites, así como a la oxidación del metano. Este
factor
de humedad, unido al aumento del CO2, provocaría un enfriamiento en
esta zona
atmosférica e incidiría en la destrucción de la capa de ozono, amén de
las
alteraciones climáticas en el hemisferio Norte y el Ecuador.
A continuación de la estratosfera hallamos en la
ascensión la región media,
mesosfera, zona que comprende de los 30‑40 Km de altura aproximadamente
hasta los 60‑70 (e incluso más) confundiéndose en este límite superior
con la siguiente región, la ionosfera.
La mesosfera está compuesta de la misma proporción
de gases que las
precedentes regiones con la salvedad de hallarse bajo una menor
presión, que
continua disminuyendo y es ya aquí de 10^(‑2) milibares.
La temperatura que había aumentado por encima de la
capa de ozono hasta
2ºC, ya en la mesosfera, vuelve a disminuir ahora a unos 80 ºC bajo
cero para
volver a crecer donde aproximadamente comienza la ionosfera.
A veces se producen en la misma fenómenos
radioeléctricos que no han sido
muy explicados y también se pueden formar tenues nubes nocturnas
luminiscentes.
En el techo de esta capa, en torno a los 80 Km en
los polos, pueden
formarse tenues nubes de hielo, de mayor altura (un 6%) sobre el Polo
Sur que
sobre el Norte en el verano.
La ionosfera, también llamada a veces termosfera, es
una de las regiones
que más se estudian por los fenómenos que allí acontecen y su gran
importancia
en radiocomunicaciones.
Los gases atmosféricos son allí objeto de fuerte
disociación iónica por la
incidencia de la radiación solar.
Se extiende desde los 60‑70 Km de altura hasta
alrededor de los
400‑640 Km (noche), e incluso 800-960 Km (día), ya en pleno espacio,
puede decirse, pues sus efectos en éste último nivel por la
despreciable
densidad son los del espacio relativamente vacío.
Entre los 65 y 85 Km se encuentra una franja
denominada capa D formada por
oxígeno y nitrógeno moleculares ionizados, y también nitrosilo, y en
definitiva
iones, átomos y moléculas de aire. De aquí a los 100 Km la radiación
solar
disocia el oxígeno que es en la zona del 33,5 %.
La importancia de la capa está relacionada con
las comunicaciones ya que
refleja las ondas largas de radio, de más de 2.000 m, de día, haciendo
estable
su recepción.
La capa desaparece por completo por la noche debido
a que al cesar en ese
período las radiaciones solares el aire se recompone parcialmente; si
se
hallara a mayor altura ya no sería posible tal fenómeno por la escasez
de
gas.
La capa por otra parte atenúa las altas frecuencias
de radio de día; y
absorbe las bajas y medias.
Entre los 90‑100 Km y los 125‑130 está la capa E que
refleja
las ondas medias de radio y que por la noche disminuye hasta casi
desaparecer.
En ella rebotan las ondas de más de 2.000 m de longitud de noche y
también las
de 60 a 200 m con ciertas variaciones diurnas. La alta frecuencia la
permite
para comunicaciones de hasta 2.500 Km de distancia.
A los 100 Km de altura hay ya un tenebroso silencio
y oscuridad, siendo la
temperatura de unos 160 ºC sobre cero. Hasta en torno a esta altitud,
según se
confirmó en 1995 tras su primera detección algo más de un lustro atrás,
se
producen una especie de relámpagos que se pueden apercibir como
destellos
anulares de luz averdosada. Su extensión, una vez generados entre los
80 y 100
Km de altura, se prolongan por debajo hasta en 60 Km y a los lados
hasta los
400 Km.
Hasta los 120 Km se comprende prácticamente el 100 %
de la atmósfera y es
el límite donde puede ser apreciada visualmente aun en su más débil
luminosidad
y donde el azul celeste ha perdido el 100 % de su más leve tono.
Desde el punto de vista de su composición, la
atmósfera hasta los
80‑100 Km se denomina Homosfera y por encima de tal distancia separada
por una homopausa está la Heterosfera.
Entre los 160 y 180 Km finaliza en definitiva la
atmósfera propiamente
dicha o efectiva. A los 160 Km la presión es de 10^(‑7) milibares y la
temperatura es aproximadamente de unos 600 ºC. A los 190‑200 Km la
densidad es ya tan ínfima que no ofrece la resistencia que la
caracteriza a más
bajas alturas, al ser atravesada por cuerpos a gran velocidad.
Es en efecto aquí, cerca de los 200 Km de altitud
donde astronáuticamente
(orbitalmente) comienza el espacio y para hacer sentir en tal nivel un
frenado
por rozamiento aéreo hay que someter al cuerpo a una gran velocidad
prolongadamente (días). Entre los 150 y 200 Km la trayectoria de un
cuerpo a
gran velocidad, no se sostiene prolongadamente y cae con prontitud
debido a
rozamiento hacia la atmósfera interior. Sin embargo, puesto que aun
puede
permitir dar varias vueltas al planeta, siendo bastante difícil que lo
haga por
debajo sin caer sin ayuda de fuerza propia, es de estimar que la
verdadera
navegación espacial comienza en torno a los 150 Km de altitud y es la
cota que
razonablemente se considerará a efectos estadísticos. Se aclara, sin
embargo,
que la Federación Astronáutica Internacional requiere al parecer solo
90 o 100
Km de altura para conceder el título de astronauta (el autor ignora los
criterios objetivos –y no los meramente jurídicos- seguidos para tal
consideración).
Entre los 150 Km y los 255 hallamos la capa F1 y
alrededor de los
250‑400 Km la capa F2 que reflejan ondas cortas de radio, de 10 a 60 m,
por el día la primera. Por la noche ambas capas se reducen hasta casi
formar
una sola; por la noche, la falta de radiación ionizante hace que los
iones se
recombinen para formar otra vez átomos. Estas capas son las más
inestables e
ionizadas de todas, pero permiten la comunicación a larga distancia.
También se pueden citar otras dos capas, F3 y F4, según las divisiones
que se hagan en la ionosfera, ubicando la última por encima de los 350
Km.
A veces señalan también las capas G, a unos 500‑600
Km, y H, entre
1.100 y 1.800 Km.
A los 400 Km la presión es de unos 10^(‑22)
milibares y a los 640
alcanza los 10^(‑37) milibares, prácticamente el vacío.
Todos estos niveles de mayor concentración de las
capas varían en altura
con los días, épocas, meses y años.
La composición gaseosa de la ionosfera es algo
distinta a la de otras
regiones. Hay menos nitrógeno y oxígeno moleculares pero existe más
oxígeno,
hidrógeno y nitrógeno atómicos, eso así a una despreciable presión
antes
indicada. Hay también algo de sodio entre los 69 y 78 Km donde la
temperatura
es de 33 ºC bajo cero de posible múltiple procedencia: origen cósmico,
erupciones volcánicas y agua de mar.
El principal fenómeno de la región es la ionización
que da nombre a la
misma y que es el fenómeno por el cual los gases atmosféricos pierden
electrones al chocar con ellos las radiaciones que llegan a través del
espacio.
Debido a esta ionización se producen las auroras, fenómenos de colorido
muy
conocidos sobre todo en las regiones polares; son arcos o cortinas de
color
averdosado, amarillo o blanquecino, que oscilan y que aparecen en el
cielo por
encima de los 70º de latitud. Tales fenómenos se dejan ver en unos
2.500 Km en
rededor del Polo Norte. Se creían originados en el realineamiento del
campo
magnético solar y terrestre tras el impacto del viento solar sobre
nuestro
propio campo magnético. Pero sobre las auroras y tormentas magnéticas
ionosféricas, tras años de estudios de los datos de satélites, en 2006
los
científicos americanos de la Universidad Johns Hopkins y de la USAF
empezaron a
inclinarse por un origen debido a la velocidad de interactuación de los
campos
magnéticos solar y terrestre en un límite o frontera de ambos en torno
a los
64.000 Km de altitud, en el límite de la magnetosfera.
A 300 Km es donde se produce la mayor ionización del
nitrógeno que lo hay
en un 80 %. Allí, la densidad es de unos 3x10^(‑14) g/cm^3, o sea de
3x10^(‑11) atmósferas que equivale a un millón de átomos más que el
espacio interplanetario, pero que es en la práctica todo ello: nada.
En el mismo nivel la temperatura del gas aéreo es de
unos 1.200 ºC. El
aumento térmico continúa hasta los 500 o 600 Km en que llega a unos
2.000 ºC.
Pero tal temperatura no la poseería un cuerpo que allí estuviera porque
tal
escasez aérea haría muy difícil un eficiente contacto. En cambio, el
cuerpo
tendría otra menor, fruto de la incidencia de la radiación solar en sus
partes
externas. En tal ocasión la temperatura depende del cuerpo en si y
podrá ser de
más de 100 ºC en el mejor de los casos cuando fuera iluminado; y en la
sombra
sería de otros tantos grados pero bajo cero.
La ionosfera contiene solo el 0,001 % de los gases
atmosféricos. El viento
solar producido por explosiones de alta energía del Sol, tal como ha
puesto en
evidencia el satélite Polar, puede producir en la ionosfera pérdida de
su
oxígeno, helio e iones de hidrógeno, que son arrastrados hacia el
espacio
lejano.
Está fuertemente influenciada por los ciclos de
actividad solar y en
períodos de manchas solares aumenta la ionización, dando lugar sobre
todo en
los polos magnéticos, a tormentas.
Todos ello configura el carácter irregular de la
ionosfera que es pues
objeto de variaciones, tormentas, desvanecimientos de capas,
reflexiones,
perturbaciones iónicas, etc.
En 2006, gracias a las imágenes del satélite IMAGE
fueron descubiertas 8
zonas de la ionosfera con una densidad casi el doble a la media de toda
esta
banda atmosférica; estas áreas están 6 sobre las zonas tropicales de
Sudamérica, África e Indonesia, mientras que las otras 2 están sobre el
Pacífico. Todas ellas son resultado de la actividad de las tormentas
habituales
en tales zonas a menor altitud.
Aproximadamente por encima de los 600 y 700 Km donde
la presión es de
10^(‑42) milibares está la exosfera que no tiene límites definidos,
sobre todo en su altura máxima donde se confunde con el espacio
exterior; al
menos alcanza los 8.000 Km.
La exosfera está formada por un 73 % de hidrógeno
atómico, un 25 % de helio
y un 2 % restante de oxígeno y nitrógeno atómicos. También hay algo de
nitrógeno molecular.
Hasta los 1.000 Km de distancia existe
principalmente oxígeno atómico.
Entre los 1.000 y 2.400 Km hay hidrógeno y helio y por encima de los
2.400 el
principal elemento es el hidrógeno que se extiende hasta los 125.000 Km
formando una corona de una densidad de 10 átomos por cm^3; más allá tal
densidad disminuye notablemente pero llega, según el ingenio espacial
SOHO, a los 630.000 Km y tal zona de rarificado H fue denominada
“geocorona”. A la distancia de la Luna (no en el entorno selenita) la
escasez del H es de 1 átomo por cada 5 cm³.
La densidad teórica de 10^(‑42) milibares,
prácticamente
inexistente, en la zona tiende a cero absoluto. Es sabido que ni
siquiera el
espacio exterior es vacío absoluto por lo que se justifica que el
espacio
comience por encima de los 200 Km aunque realmente aun hay por encima
elementos
muy dispersos.
Teóricamente aunque la atmósfera concluya muchísimo
más allá de los 200 Km
ella y el espacio son lo mismo desde entonces, salvo la consideración
de unos
cinturones que constituyen el campo magnético de la Tierra donde hay
radiaciones muy abundantes.
Es pues la exosfera la zona de transición donde
algunos de los escasísimos
átomos y moléculas escapan al campo de gravedad del planeta, allí ya
muy
débil.
En resumen, y a efectos astronáuticos, la atmósfera
supone el medio de vida
que debemos llevar para subsistir y un condicionamiento dinámico al
oponerse a
ser atravesada por cuerpos a gran velocidad, e inherentemente a ello
una serie
de problemas que luego serán vistos.
Por otro lado, que también es válido para la
astronomía óptica y
radiotelescópica, hay que considerar su efecto de colador riguroso pues
solo
deja pasar determinado tipo de ondas ETM, y además dificulta incluso la
observación de las que pasan; pues, por ejemplo, ¿quién no ha visto,
debido a
las turbulencias y masas dinámicas de aire, palpitar las estrellas en
su
luminosidad, substrayendo toda nitidez?
La exosfera incluye a la magnetosfera, región ésta
que se extiende
aproximadamente desde los 1.000 a los 65.000 Km básicamente de
distancia de la
Tierra pero que en realidad alcanza por el lado opuesto al Sol hasta
más de
180.000 Km de modo efectivo y hasta los 800.000 Km de forma detectable.
La magnetosfera es debida al campo magnético del
planeta y de ahí su
nombre. Tal campo es a su vez producido por el ígneo y pesado núcleo de
la
Tierra, compuesto de materiales magnéticos, que atrae a todas las
partículas
cargadas, ayudado con el efecto dinamo del giro del planeta.
El eje magnético de la Tierra y sus polos no
coinciden con los geográficos
pero no se hallan muy lejos y son bastante aproximados. Los polos
magnéticos no
son estables y a través de los siglos van cambiando de posición. En
1965 el
polo magnético Norte estaba en los 100º longitud Oeste y 70º
latitud Norte, posición al Norte de Canadá, y el Polo Sur se hallaba a
unos
75º Sur y 154º Este, cerca de Tierra Adelaida.
El campo magnético formado tiene un valor por
supuesto superior en los
polos y menor en el Ecuador (geomagnético). El campo sobre la
superficie
terrestre forma también líneas imaginarias que unen niveles
equivalentes. Las
líneas de declinación se llaman isógonas y las de la misma inclinación
isoclinas. De estas últimas la numero cero es el Ecuador geomagnético
que
divide en dos al campo; al Sur la zona negativa, y al Norte la
positiva, como
las latitudes geográficas. En tanto, las isógonas pasan por los dos
polos, como
las longitudes. Son objeto de estudio, aun no completado totalmente.
El valor del campo magnético en la superficie
terrestre, el que influye en
una simple brújula, es de ½ Gauss.
La magnetosfera fue descubierta por un satélite
artificial, el Explorer USA
de los primeros tiempos astronáuticos, y sus principales zonas reciben
el
nombre de cinturones Van Allen, nombre del científico que encabezara
las
investigaciones que demostraron la existencia de tal región. En
realidad, según
parece no hicieron sino confirmar las sospechas de Jakob Engster que
había
predicho ya antes tal existencia.
La magnetosfera tiene principalmente 2 zonas en las
que la concentración de
partículas es más acusada (cinturones Van Allen) del efecto de botella
magnética. La zona más interior o Cinturón A, está comprendida entre
los 1.125
y 6.500 Km y tiene su máxima intensidad de partículas cargadas cerca de
los
4.000 Km, entre los 3.200 y 4.800 Km. Se constituye a base de protones
principalmente, pero también de electrones. Es relativamente más
estable que la
otra zona.
Cuando las radiaciones solares y cósmicas de gran
energía, que viajan a
gran velocidad, penetran en la alta atmósfera, allí donde los gases
atmosféricos comienzan a ser densos en cierto sentido, y chocan con
ella, en la
colisión se liberan, entre otras, partículas neutras que al no poseer
carga
eléctrica no dependen en sus movimientos de la influencia del campo
magnético.
Los neutrones producidos luego se degradan dando lugar a electrones y
protones
(de mayor masa estos que los e‑). Luego, por la energía liberada en la
escisión son impulsados los protones hacia lejos de la Tierra para ser
atrapados después por el campo en la zona citada o cinturón inferior de
radiación.
La zona exterior, o Cinturón B, contiene también
partículas eléctricas
altamente cargadas. La máxima intensidad de esta zona, la mayor de las
dos, se
halla en los 16.000‑20.000 Km del planeta, pero por un lado por
prolongación llega muchos más allá; en general, la zona va desde los
12.000 Km
a los 180.000 y más. Las partículas de la misma son principalmente
electrones,
pero también hay protones, que provienen del viento solar, aunque tal
cuestión
no está totalmente investigada.
En marzo de 2013 se informa del hallazgo de un
tercer cinturón de radiación realizado por los satélites RBSP; el mismo
es exterior a los otros dos y tiene carácter independiente y temporal,
lo que explica que no fuera encontrado primero.
Tras ser estudiado por la Universidad de Colorado en
Boulder, se estima (2014) que a unos 11.587 Km de altitud hay una
especie de anillo que a modo de escudo detiene prácticamente todos los
electrones de alta energía que nos llegan procedentes del Sol,
principalmente de las tormentas solares, y de otras estrellas. Con la
sorpresa inicial de los geofísicos se desconoce el mecanismo o
fundamento por el que actúa tal envoltura.
La región, que sufre ciertas fluctuaciones, acusa en
las zonas más densas,
en las registradoras de los satélites Explorer que lo estudiaron,
impulsos de
más de 10.000 por segundo, o sea 16.000 partículas por cm^2 y por
segundo, y
menos de unos 25.000. Tales fluctuaciones permiten a los cinturones
adquirir diversas formas e influyen en ello la baja o alta energía de
sus electrones.
El primer cinturón posee electrones de una energía
de más de 600 KeV como
máximo, sobre 10^7 (cm^2)/seg, y hay protones de más de 40 MeV sobre
2x10^4
(cm^2)/seg de intensidad. El segundo cinturón registra una energía para
electrones de 40 KeV e intensidad de 10^11 (cm^2)/seg, electrones de
más de
200 KeV e intensidad de 10^8 (cm^2)/seg, y protones de 60 MeV de
energía y
unos 10^2 (cm^2)/seg. Entre la zona exterior y la interior existe una
pausa de
poca intensidad.
En 2013 se indica (Laboratorio de Los Alamos y datos
de satélites) que en las zonas de más alta energía de los cinturones y
donde se aceleran las partículas, tal aceleración alcanza el 99% de la
velocidad de la luz, dando lugar a un comportamiento de las partículas
como el alcanzado en los aceleradores de partículas de los laboratorios
científicos. De tal modo se ha dicho que hay allí, en los cinturones un
“acelerador natural de partículas”.
La magnetosfera alcanza una altura de 65.000‑70.000
Km por el lado
de la Tierra que está expuesto constantemente al Sol, o sea, por la
zona de
día. Allí, a tal distancia, el viento solar choca y aplasta a la
magnetosfera.
Luego, el choque disminuye en intensidad sobre las partes
semiiluminadas
(amanecer y anochecer).
Cuando llegan las tormentas de viento solar, éste
puede aplastar el campo
hasta los 30.000 Km a la vez que provocan destacadas fluctuaciones en
todo el
campo ocasionando perturbaciones ETM que nos afectan y no solo en los
receptores de radio sino en otras cuestiones por lo que es un tema muy
a tomar
en consideración para su estudio.
Sobre el lado oscuro se forma una cola
magnetosférica que se prolonga
muchos más allá de cientos de miles de Km, superando sobradamente la
distancia
a la Luna, e incluso más allá de la de Marte. De esa cola, seccionada
imaginariamente distinguimos en su parte central, o canal central, una
fibra
neutra de plasma envuelta en otro tubo de plasma, y más exteriormente
una
magnetopausa con un diámetro total de también muchos miles de Km y
densidad
solo apreciada desde luego por aparatos muy sensibles.
La magnetopausa enlaza ya con el campo magnético
interplanetario que
también lo hay allí.
Puesto que por el lado oscuro del planeta la
magnetosfera se extiende en un
campo dentro del cual cruza regularmente la Luna, a efectos de la
navegación
espacial, en nuestro satélite los astronautas pueden tener la relativa
protección de nuestro campo magnético durante parte del ciclo orbital
lunar. Es
decir, cuando la Luna cruza en su órbita la parte del lado nocturno de
la
Tierra, cosa que supone un cuarto de su recorrido (una semana, pues),
está bajo
la influencia del campo magnético terrestre que desvía algunas de las
radiaciones.
En resumen, los cinturones de radiación forman pues
un anillo de plasma que
no cubre los polos y que gira con la Tierra en su mismo sentido. En
general, la
esfera de plasma en que se hallan los cinturones se compone en un 99 %
de iones
de hidrógeno y en un 0,99 % de iones de helio, siendo el resto iones de
oxígeno.
El resto de la magnetosfera parte de los polos
siempre en sentido opuesto
al Sol, con el nacimiento de sendas colas que se llegan a mezclar por
el lado
oscuro con la esfera de plasma antes citada, prolongándose luego en
muchos
miles de Km, constituyendo la mencionada cola. Sus corrientes se mueven
en
sentido opuesto y en rotación cada una de las colas menores (originadas
en los
polos) sobre su longitud y en oposición asimismo.
La extensión del anillo de cinturones sobre la
Tierra llega sobre los
70 latitud Norte y otros tantos Sur en el lado iluminado, y sobre los
75 en el oscuro. Es decir, como se ha hecho constar, no cubre las
áreas
polares de las que si parten las dos colas hacia el lado oscuro.
Las partículas cargadas que entran en el campo,
procedentes como se señala
del Sol, permanecen, indefinidamente en principio, siguiendo las líneas
de
fuerza del campo, yendo y viniendo en los cinturones de un polo a otro,
trazando espirales que recorren en 2 o 3 segundos. Todo ello desde
luego sobre
determinadas alturas.
Las partículas que entran en el campo por los polos
o latitudes cercanas a estos, no suelen quedar atrapadas y penetran en la alta atmósfera
dirigiéndose
a los polos magnéticos. Debido a ello se pueden producir en la
ionosfera las
auroras polares. Tales fenómenos son una especie de cortinas con
pliegues
flameantes de distinto colorido, verdirrojo y amarillento de distintos
tonos
generalmente, pero también de tonos más rojizos que se observan sobre
alturas
de unos 80‑100 Km y a veces hasta 1.000 Km. Son de duración variable,
de
horas a días. Cada 11 años, en los períodos de intensa actividad solar,
se
manifiestan más fácilmente unas 30 horas después de la erupción solar.
Cuando en las zonas superiores magnetosféricas se
ocasiona una saturación
de partículas, algunas de éstas caen también sobre la alta atmósfera
produciendo asimismo auroras, boreales o australes. Otros fenómenos que
del
campo se derivan son las tormentas geomagnéticas, la luminosidad
atmosférica y
el caldeamiento aéreo.
Debido a las absorciones de radiación ETM, la
atmósfera como se hizo
constar juega un papel determinante en el paso de ondas de
telecomunicación (y
su reflexión); deja pasar solo algunas, desde fuera a dentro o
viceversa,
suponiendo un inconveniente para el estudio de ciertas ondas de radio
interesantes procedentes de cuerpos celestes lejanos, pero permitiendo
las
radiocomunicaciones dentro del planeta a grandes distancias al reflejar
ciertas
ondas en ciertas capas ya mencionadas. Naturalmente las ondas de radio
de libre
ascenso al espacio y del espacio, son punto fundamental en las
comunicaciones
astronáuticas.
Casi todas las perturbaciones que aparecen en la
radiodifusión en forma de
ruidos más o menos armónicos, de amplia gama, se originan generalmente
en la
parte superior de la atmósfera, y también en las tormentas con descarga
eléctrica.
Las emisiones del plasma son objeto de intenso
estudio. Se sabe que los
anillos y las auroras producen emisiones de períodos de onda de 0,2 a
10
segundos. Las zonas iluminadas de la magnetosfera emiten entre 10 y 50
segundos
de período.
En 2003, por datos de satélites (IMAGE y los
Cluster) se comprobó algo ya
sabido pero no en detalle: que el campo tiene a veces grandes aberturas
que
duran horas y por las que el viento solar penetra en profundidad
causando
tormentas singulares en la alta atmósfera.
También por entonces se esclarecían un poco los
movimientos de los polos magnéticos, sus inestabilidades e inversiones
del campo. Tales movimientos se estimaron en el Siglo XX en el Polo
Norte en desplazamientos de 10 Km al año, pero llegando hasta los 40 Km
a finales de tal siglo. En cuanto a la completa inversión de la
polaridad, se creía que la última vez que ocurrió fue hace 780.000
años, siendo su ciclo regular desconocido. Pero en 2012 se determina
que hace unos 41.000 años se produjo una inversión completa de tal
campo en tan solo unos 250 años, período geológico brevísimo; en tal
época parece ser que el campo magnético fue muy débil con tan solo un
5% del actual.
Con ayuda de los satélites SWARM de la ESA, en 2017
se confirma la existencia de chorros de plasma a velocidades
supersónicas que puede elevar la temperatura a cerca de los 10.000ºC en
la alta atmósfera. Son movidos por corrientes eléctricas de hasta 1
terawatio impulsadas por el viento solar a través de la ionosfera y las
mismas fueron en su día postuladas y llamadas corrientes de Birkeland.
También son responsables en gran medida de las auroras en los polos.
Los satélites establecieron que las corrientes citadas son más fuertes
en el hemisferio Norte y varían según estaciones.
Más allá de la magnetosfera continua el espacio
exterior, relativamente
vacío ya que contiene polvo cósmico más o menos abundante que también
absorbe
parte de la radiación que lo atraviesa.
Las radiaciones llegan a través del espacio, la
mayoría procedentes del Sol
pero asimismo recibimos otras de las estrellas y planetas con sus
satélites;
por reflexión de las solares generalmente las de estos últimos. Pero no
todas
las radiaciones que surcan el espacio llegan al suelo terrestre. La
atmósfera
absorbe parte de ellas, especialmente las más peligrosas y energéticas,
lo cual
supone como contrapartida que no las podemos estudiar desde el suelo y
de ahí
el interés de muchos de los satélites, que las captan fuera de la
atmósfera.
Las radiaciones que pasan a través de la atmósfera se dice que utilizan
las
ventanas astronómicas y son las relativas a la luz visible, una parte
de la
radiación IR y algunas de las bandas de radioondas.
Como en su momento se indicó, además de las
radiaciones recordemos que
llegan por el espacio también los meteoritos, o sea cuerpos físicos materiales.
Hay que añadir finalmente que dentro de la
magnetosfera, a una altitud de unos 400.000 Km, en los puntos Lagrange
L4 y L5, hay dos nubes de polvo muy tenues. Fueron citadas por vez
primera vez en 1961 por el astrónomo polaco Kazimierz Kordylewski. Se
acumulan en tal lugar, al menos de modo temporal. Son relativamente
estables en tales posiciones y de muy difícil visibilidad.
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