Bloque C · Termodinámica y ondas

Tema 13

Física de la atmósfera. Fenómenos atmosféricos. Observación meteorológica. Balance energético terrestre. Papel protector de la atmósfera. Alteraciones debidas a la contaminación. Medidas para su protección.

Por Adrián Peinado, profesor de Física y Química en Secundaria

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea la Tierra, retenida por la gravedad. Aunque su masa es minúscula comparada con la del planeta, su física gobierna el clima, el tiempo meteorológico, el balance de energía y la propia habitabilidad de la superficie. Este tema aplica los principios de la termodinámica, la mecánica de fluidos y la radiación —contenidos ya introducidos en el temario— al sistema atmosférico real, y conecta con la química ambiental al abordar la contaminación y sus remedios. Es, por tanto, un tema mixto y transversal, de gran valor para mostrar al alumnado que las leyes físicas y químicas describen el mundo que habitamos.

Su relevancia curricular y social es evidente: comprender el efecto invernadero, la capa de ozono o la lluvia ácida es hoy un componente básico de la alfabetización científica y de la educación para la sostenibilidad. Desde que Torricelli midiera la presión atmosférica en 1643, y desde que Fourier (1824) y Arrhenius (1896) formularan las primeras ideas sobre el efecto invernadero, la física de la atmósfera no ha dejado de ganar importancia.

1. Física de la atmósfera

Composición

La atmósfera seca está formada, en volumen, por nitrógeno ( $\mathrm{N_2}$ , 78,1 %), oxígeno ( $\mathrm{O_2}$ , 20,9 %), argón ( $\mathrm{Ar}$ , 0,93 %) y dióxido de carbono ( $\mathrm{CO_2}$ , ~0,04 %), más gases traza (neón, helio, metano, ozono). A ello se añade el vapor de agua, muy variable (0–4 %), responsable de los fenómenos meteorológicos, y los aerosoles (partículas en suspensión). Hasta unos 100 km la composición es prácticamente homogénea (homosfera), gracias a la mezcla turbulenta.

Estructura vertical

La atmósfera se divide en capas según el gradiente de temperatura:

Troposfera (0–12 km): la temperatura desciende con la altura; concentra el 75 % de la masa y casi todo el vapor de agua; es la capa del tiempo meteorológico.
Estratosfera (12–50 km): la temperatura aumenta con la altura por la absorción de radiación UV en la capa de ozono.
Mesosfera (50–85 km): la temperatura vuelve a descender; en ella se desintegran los meteoroides.
Termosfera (85–500 km): la temperatura crece mucho por absorción de radiación de onda corta; contiene la ionosfera.
Exosfera: transición gradual al espacio.

Figura 1. Estructura vertical de la atmósfera: perfil de la temperatura frente a la altitud y capas principales, separadas por la tropopausa (12 km), la estratopausa (50 km) y la mesopausa (85 km). Elaboración propia

Presión y equilibrio hidrostático

La presión atmosférica es el peso de la columna de aire por unidad de superficie, $p = F/A$ . Su valor normal al nivel del mar es $p_0 \approx 101\,325\ \mathrm{Pa} = 1\ \mathrm{atm}$ . En una atmósfera en reposo, una capa de espesor $dh$ está en equilibrio hidrostático: el gradiente de presión compensa el peso,

\frac{dp}{dh} = -\rho\,g

Tratando el aire como gas ideal, $pV = nRT$ , su densidad es $\rho = \dfrac{pM}{RT}$ , con $M$ la masa molar media del aire ( $\approx 0{,}029\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}$ ). Sustituyendo y suponiendo temperatura constante:

\frac{dp}{p} = -\frac{Mg}{RT}\,dh \quad\Longrightarrow\quad p(h) = p_0\,e^{-\frac{Mg}{RT}\,h}

Esta es la fórmula barométrica: la presión decrece exponencialmente con la altura. La constante $H = \dfrac{RT}{Mg} \approx 8\ \mathrm{km}$ es la altura de escala, la altura a la que la presión se reduce en un factor $e$ .

2. Fenómenos atmosféricos

Humedad y cambios de estado del agua

La humedad relativa compara la presión parcial de vapor con la de saturación a esa temperatura:

HR = \frac{p_v}{p_v^{\,sat}(T)} \times 100

Cuando el aire se enfría hasta el punto de rocío, alcanza la saturación ( $HR = 100\ \%$ ) y el vapor condensa formando nubes, niebla o rocío. La presión de vapor de saturación crece rápidamente con la temperatura según la relación de Clausius–Clapeyron:

\ln\frac{p_2}{p_1} = -\frac{L}{R}\left(\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1}\right)

donde $L$ es el calor latente de vaporización. Por eso el aire caliente admite mucho más vapor que el frío.

Estabilidad y procesos adiabáticos

Una masa de aire que asciende se expande y se enfría casi sin intercambiar calor (proceso adiabático). Para aire seco, el enfriamiento sigue el gradiente adiabático seco:

\Gamma_d = \frac{g}{c_p} \approx 9{,}8\ \mathrm{K\,km^{-1}}

Comparando este gradiente con el real de la atmósfera se determina su estabilidad: si el aire ascendente queda más frío que el entorno, tiende a descender (estable); si queda más caliente, sigue subiendo (inestable), lo que favorece las tormentas convectivas.

Viento

El viento es el movimiento horizontal del aire, originado por diferencias de presión: el aire va de las altas a las bajas presiones. Sobre esta fuerza de gradiente de presión actúa la fuerza de Coriolis, debida a la rotación terrestre, que desvía el viento (a la derecha en el hemisferio norte). El equilibrio entre ambas da el viento geostrófico, casi paralelo a las isobaras. Estas circulaciones generan borrascas, anticiclones, brisas y los grandes cinturones de vientos planetarios.

Precipitaciones y fenómenos eléctricos y ópticos

La condensación y la coalescencia de gotas o cristales de hielo producen las precipitaciones (lluvia, nieve, granizo). En las nubes de tormenta, la separación de cargas genera campos eléctricos intensos que se descargan como rayos. La interacción de la luz solar con gotas o cristales origina fenómenos ópticos como el arcoíris (dispersión y refracción) o los halos.

3. Observación meteorológica

La medida de las variables atmosféricas se realiza con instrumentos específicos, integrados en estaciones meteorológicas:

Barómetro (Torricelli, 1643): mide la presión. El barómetro de mercurio se basa en que $p_0 = \rho g h$ , con una columna de $\approx 760\ \mathrm{mm}$ de mercurio a nivel del mar.
Termómetro: mide la temperatura del aire (a la sombra, en garita).
Higrómetro o psicrómetro: mide la humedad.
Anemómetro y veleta: miden la velocidad y la dirección del viento.
Pluviómetro: mide la precipitación acumulada (en $\mathrm{L\,m^{-2}}$ , es decir, mm).
Heliógrafo: mide las horas de sol.

En la observación en altura y a gran escala se emplean radiosondas (globos con sensores), radares meteorológicos (detectan precipitación por eco de microondas) y satélites meteorológicos, que aportan imágenes en el visible y el infrarrojo. El conjunto de datos alimenta los modelos numéricos de predicción del tiempo, que integran las ecuaciones de la dinámica de fluidos sobre la atmósfera.

4. Balance energético terrestre

Radiación entrante y ley de Stefan–Boltzmann

La Tierra recibe energía del Sol. La constante solar —irradiancia que llega al tope de la atmósfera— vale $S \approx 1361\ \mathrm{W\,m^{-2}}$ . Todo cuerpo emite radiación térmica según la ley de Stefan–Boltzmann:

E = \sigma T^4, \qquad \sigma = 5{,}67 \times 10^{-8}\ \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-4}}

y el máximo de su espectro se desplaza según la ley de Wien, $\lambda_{max}\,T = b$ , con $b = 2{,}90 \times 10^{-3}\ \mathrm{m\,K}$ . El Sol (~5800 K) emite sobre todo en el visible; la Tierra (~255 K) emite en el infrarrojo lejano. Esta diferencia espectral es la clave del efecto invernadero.

Balance y temperatura efectiva

Parte de la radiación solar se refleja: la fracción reflejada es el albedo, $A \approx 0{,}3$ . En equilibrio, la potencia absorbida iguala a la emitida. La Tierra intercepta radiación sobre su sección $\pi R^2$ y emite por toda su superficie $4\pi R^2$ :

S(1-A)\,\pi R^2 = 4\pi R^2\,\sigma T_e^4 \quad\Longrightarrow\quad T_e = \left[\frac{S(1-A)}{4\sigma}\right]^{1/4} \approx 255\ \mathrm{K}

Es decir, unos $-18\ ^\circ\mathrm{C}$ . Sin embargo, la temperatura media real de la superficie es de $\approx 288\ \mathrm{K}$ ( $15\ ^\circ\mathrm{C}$ ). La diferencia de unos 33 K se debe al efecto invernadero natural. El balance completo incluye, además de la radiación, los flujos de calor sensible y latente (evaporación) que transportan energía de la superficie a la atmósfera.

5. Papel protector de la atmósfera

La atmósfera hace habitable la Tierra por tres mecanismos principales:

Efecto invernadero natural

Gases como el vapor de agua, el $\mathrm{CO_2}$ , el metano ( $\mathrm{CH_4}$ ) y el ozono son transparentes a la luz visible pero absorben el infrarrojo emitido por la superficie. Reemiten parte de esa energía de vuelta al suelo, elevando su temperatura. Fourier intuyó el mecanismo y Arrhenius lo cuantificó para el $\mathrm{CO_2}$ . Sin este efecto, la superficie estaría a $-18\ ^\circ\mathrm{C}$ y el agua líquida sería imposible.

Figura 2. Balance del efecto invernadero: la radiación solar visible calienta la superficie, que emite infrarrojo; los gases de efecto invernadero lo absorben y reemiten parte hacia el suelo, elevando su temperatura de 255 K a 288 K. Elaboración propia

Filtro de radiación ultravioleta: la capa de ozono

En la estratosfera, el ozono se forma y se destruye continuamente en el ciclo de Chapman, absorbiendo radiación UV nociva:

\mathrm{O_2} + h\nu \rightarrow 2\,\mathrm{O} \qquad (\lambda < 242\ \mathrm{nm})

\mathrm{O} + \mathrm{O_2} + M \rightarrow \mathrm{O_3} + M

\mathrm{O_3} + h\nu \rightarrow \mathrm{O_2} + \mathrm{O} \qquad (\text{absorción UV-B})

Este ciclo intercepta la radiación UV-B y UV-C, dañina para el ADN, y explica el calentamiento de la estratosfera.

Escudo frente a meteoroides

En la mesosfera, la fricción con el aire calienta y desintegra la mayoría de los meteoroides antes de que alcancen la superficie (las “estrellas fugaces”). La ionosfera, además, refleja ondas de radio y participa en la protección frente a partículas cargadas.

6. Alteraciones debidas a la contaminación

La actividad humana altera la composición atmosférica y sus equilibrios físicos:

Aumento del efecto invernadero y cambio climático

La quema de combustibles fósiles ha elevado el $\mathrm{CO_2}$ desde ~280 ppm preindustriales a más de 420 ppm. Junto con $\mathrm{CH_4}$ y $\mathrm{N_2O}$ , este exceso refuerza el efecto invernadero (forzamiento radiativo positivo) y provoca el calentamiento global, con subida del nivel del mar y alteración de los patrones climáticos.

Destrucción de la capa de ozono

Los clorofluorocarbonos (CFC) liberan cloro en la estratosfera, que actúa como catalizador destruyendo ozono en ciclos —mecanismo descrito por Molina y Rowland (1974)—:

\mathrm{CFCl_3} + h\nu \rightarrow \mathrm{CFCl_2} + \mathrm{Cl}

\mathrm{Cl} + \mathrm{O_3} \rightarrow \mathrm{ClO} + \mathrm{O_2}

\mathrm{ClO} + \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Cl} + \mathrm{O_2}

Un solo átomo de cloro puede destruir miles de moléculas de $\mathrm{O_3}$ , lo que originó el agujero de ozono antártico.

Lluvia ácida

Los óxidos de azufre y de nitrógeno emitidos por industria y tráfico reaccionan con el agua atmosférica formando ácidos:

2\,\mathrm{SO_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{SO_3}, \qquad \mathrm{SO_3} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{H_2SO_4}

3\,\mathrm{NO_2} + \mathrm{H_2O} \rightarrow 2\,\mathrm{HNO_3} + \mathrm{NO}

La lluvia ácida ( $pH < 5{,}6$ ) acidifica suelos y aguas, daña bosques y corroe edificios.

Smog fotoquímico y partículas

En ciudades soleadas, los $\mathrm{NO_x}$ y los compuestos orgánicos volátiles generan, bajo la radiación solar, ozono troposférico (contaminante a ras de suelo):

\mathrm{NO_2} + h\nu \rightarrow \mathrm{NO} + \mathrm{O}, \qquad \mathrm{O} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{O_3}

A ello se suman las partículas en suspensión ( $\mathrm{PM_{10}}$ , $\mathrm{PM_{2{,}5}}$ ), perjudiciales para la salud respiratoria.

7. Medidas para su protección

La respuesta a estos problemas combina ciencia, tecnología, legislación y educación:

Capa de ozono: el Protocolo de Montreal (1987) prohibió progresivamente los CFC, sustituidos por HFC y otros compuestos. Es un caso de éxito: el ozono estratosférico se está recuperando.
Cambio climático: el Protocolo de Kioto (1997) y, sobre todo, el Acuerdo de París (2015) fijan objetivos de reducción de gases de efecto invernadero para limitar el calentamiento por debajo de 2 °C. Las medidas incluyen la transición a energías renovables, la eficiencia energética y la captura de carbono.
Lluvia ácida y smog: desulfuración de combustibles, catalizadores en los vehículos, filtros de partículas, normas de calidad del aire y redes de vigilancia.
Educación ambiental: fomento de conductas sostenibles (movilidad, consumo, reciclaje), esencial para la implicación ciudadana.

La cooperación internacional demuestra que los problemas atmosféricos, de escala global, requieren soluciones coordinadas basadas en la evidencia científica.

Aplicación didáctica

En el currículo LOMLOE (Real Decreto 217/2022), estos contenidos se distribuyen entre la Física y Química y la Biología y Geología de la ESO, y se abordan de forma integrada en materias como Física y Química y Ciencias Aplicadas. Constituyen un contexto idóneo para la competencia STEM y para la educación para la sostenibilidad y la competencia ciudadana, en línea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible. Permiten plantear situaciones de aprendizaje en torno a problemas reales (calidad del aire local, previsión del tiempo, huella de carbono) que exigen medir, modelizar y argumentar.

Conviene anticipar ideas previas y errores frecuentes: confundir la capa de ozono (estratosférica, protectora) con el ozono troposférico (contaminante); identificar el agujero de ozono como causa del cambio climático (son problemas distintos); creer que el efecto invernadero es siempre negativo (el natural es imprescindible); o pensar que “el aire no pesa”. El uso de datos reales de estaciones meteorológicas, sensores de temperatura y presión, y el análisis de gráficas de $\mathrm{CO_2}$ o de temperatura global resultan muy eficaces para consolidar estos conceptos y corregir concepciones alternativas.

Conclusión

La física de la atmósfera aplica la termodinámica, la mecánica de fluidos y la teoría de la radiación a la envoltura gaseosa terrestre: explica su estructura y su presión mediante el equilibrio hidrostático, sus fenómenos mediante los procesos del agua y del viento, y su temperatura mediante el balance energético y el efecto invernadero. Esa misma atmósfera nos protege con la capa de ozono y el efecto invernadero natural, un equilibrio que la contaminación ha alterado —cambio climático, agujero de ozono, lluvia ácida, smog— y que la cooperación científica y política trata de restaurar. Es un tema que muestra, con especial claridad, cómo las leyes de la física y la química explican y permiten cuidar el planeta, y por ello ocupa un lugar central en la educación científica y ambiental.

Bibliografía

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Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D. y Bissonnette, C. (2017). Química general (11.ª ed.). Pearson.
Orden de 9 de septiembre de 1993 (BOE núm. 226), por la que se aprueban los temarios del cuerpo de Profesores de Enseñanza Secundaria, especialidad Física y Química (590-007).
Real Decreto 217/2022, de 29 de marzo, currículo de Educación Secundaria Obligatoria (Física y Química, LOMLOE).