Tema 2: L’atmosfera

1 Introducció

A l’hora d’estudiar la composició del planeta, s’ha de tenir en compte quatre grans blocs: atmosfera, hidrosfera, biosfera i geosfera. Per conèixer les característiques de cada bloc s’utilitzen mètodes d’estudi específics, aprofitant que es pot accedir directament als materials que els formen; l’excepció és la geosfera que, tret de les capes més superficials, s’interpreta a partir de dades indirectes.

Les capes de la terra
L’atmosfera és la capa gasosa que envolta la superfície terrestre. L’existència d’aquesta capa es deu a la força de la gravetat exercida per la Terra, que és prou gran per impedir que els gasos s’escapin cap a l’exterior.
La hidrosfera és la massa d’aigua que ocupa al voltant del 71% de la superfície terrestre. Està constituïda per l’aigua dels oceans, mars, rius, llacs, glaceres i dipòsits subterranis. Majoritàriament es troba en estat líquid, encara que una part es troba en estat sòlid.
La geosfera és tota l’estructura sòlida que forma la Terra. Aquesta estructura no és immòbil, sinó que està subjecta a canvis continus. Aquests canvis s’aprecien a la superfície: volcans, terratrèmols, serralades, valls, fosses marines, etc., i ajuda a entendre que la Terra és un planeta viu, i no exclusiva- ment perquè s’hi troben els animals i els vegetals.
La biosfera és el conjunt de tots els éssers que habiten a la Terra. Aquest embolcall es reparteix de manera discontínua.

En els següents temes, ens ocuparem d’estudiar les totes aquestes capes.

2 Què és l’atmosfera

L’atmosfera és la capa gasosa que envolta les superfícies de la geosfera i de la hidrosfera; és, per tant, la capa més externa de la Terra.. No obstant, si ens atenem a la composició d’aquesta capa haurem d’indicar que, a més del gasos, formen part d’ella partícules sòlides i líquides en suspensió, tant d’origen natural com produïdes per l’activitat humana.

800px-Top_of_Atmosphere

Iŀlustració 1: Imatge de l’atmosfera terrestre. Font: La NASA

L’atmosfera no té un límit definit, a mesura que s’allunya de la terra es torna més lleugera fins que es confon amb l’espai. Per tant no hi ha una barrera clara entre l’interior i l’exterior de l’atmosfera. Tres quartes parts de la massa de l’atmosfera estan en el 11 quilòmetres primers. Usualment, les persones que viatgen per sobre dels 80 quilòmetres ja s’anomenen astronautes. La línia de Karman, als 100 quilòmetres per sobre de la terra, és usada freqüentment com la frontera entre l’atmosfera o l’espai exterior.

3 Origen de l’atmosfera

Podem situar l’origen de l’atmosfera primitiva en les emanacions inicials d’una Terra en formació.
Tenint en compte la formació de la Terra a partir d’un procés d’acreció de protoplanetes, en el moment inicial la Terra pràcticament no tenia atmosfera. La menuda porció d’elements lleugers (H, He) i les temperatures primigènies tan elevades varen impedir la retenció dels gasos pel camp gravitatori de la Terra. Una certa porció d’hidrogen va quedar retinguda perquè es va combinar amb altres elements més pesants: amb carboni va formar metà (CH4), amb el nitrogen, amoníac (NH3) i amb l’oxigen, aigua (H2O).

biopoyesis07

Iŀlustració 2: La Terra primitiva formà la seva primera atmosfera.

Per tant, aigua, metà i amoníac componien bàsicament l’atmosfera primitiva, anomenada atmosfera I, que va tenir una duració d’uns 600 m.a. Al llarg d’aquest temps, l’atmosfera es va enriquir amb emanacions de gasos procedents de l’escorça terrestre i d’activitat volcànica. La composició resultant podria haver sigut la següent: CH4, NH3 i H2O
Al llarg dels següents 2.000 m.a. es va produir la transició cap a l’atmosfera II. En una primera fase la radiació energètica continuada d’agents interns (p.e.: radioactivitat, llamps i llampecs de les tempestes…) i externs (radiació solar UV,) va propiciar la fotòlisi del vapor d’aigua, per la qual cosa en l’atmosfera van aparèixer l’oxigen i l’hidrogen moleculars. La combinació, per separat, de l’O2 amb metà i amoníac possiblement va contribuir a la formació de més vapor d’aigua, CO2 i N2.
Per altra part, la radiació UV va formar una primera i tènue capa d’ozó a partir de l’oxigen atmosfèric. La fotodissociació va disminuir a mesura que augmentava la capa d’ozó, i també -per la mateixa causa- va començar a refredar-se l’atmosfera. Una gran part del vapor d’aigua es condensà i formà els oceans, arrossegant en el procés gran quantitat de gasos minoritaris atmosfèrics que contribuïren així a la formació de l’anomenada sopa nutritiva. Sembla que aquesta sopa nutritiva, per una sèrie de processos evolutius, va produir els primers microorganismes primitius anaerobis, que originaren després incipients éssers aerobis, els quals produïren més O2, com a producte del seu metabolisme, i així es va incrementar l’escut protector de la capa d’ozó.
A continuació, l’espiral evolutiva va potenciar els organismes aerobis, va aparèixer la fotosíntesi, i el nivell d’O2 va créixer ràpidament. Esta atmosfera, dotada de l’ozonosfera i permeable a la llum visible, va assegurar la persistència de la fotosíntesi, seqüència que al llarg dels següents 2.000 m.a. va dur l’atmosfera a la composició actual, és a dir, l’atmosfera III.

4 Composició i estructura de l’atmosfera

220px-Atmosphere_gas_proportions_01

No obstant aquesta composició pot variar per varies raons:

  1. Presència de vapor d’aigua que es determinant per a les variacions de temperatura de grans zones.
  2. Presència de substancies contaminants.

Per un altra banda, com a conseqüència de la compressibilitat dels gasos, la major part de l’atmosfera es troba prop de la superfície terrestre, comprimida pel seu propi pes. D’aquesta forma, en els primers 6 km hi ha el 50 % de la massa total atmosfèrica i per sota d’una altitud de 15 km hi ha aproximadament un 95 % d’aquesta massa.
La divisió de l’atmosfera més coneguda estableix els següents nivells, des de la superfície cap amunt: troposfera, estratosfera, mesosfera i termosfera.

  1. 0-15 km: troposfera. És la capa inferior en contacte amb la superfície terrestre. Té un gruix variable (aproximadament 18 km en l’equador i 9 km en els pols) a conseqüència del moviment de rotació terrestre, que fa que la força centrífuga que suporta sigui màxima a l’equador i nul·la en els pols. Dins d’esta capa es produeixen importants fluxos convectius verticals i horitzontals -és a dir, vent- provocats per les diferències de pressió i temperatura existents entre unes regions i altres. A causa de trobar-se en contacte amb la hidrosfera i la biosfera, presenta quantitats importants, però variables, de vapor d’aigua i de diòxid de carboni, així com quantitats també variables de pols en suspensió (concentrada en els primers 500 m, que és la part coneguda com capa bruta) En resum, és la capa on es produeixen els fenòmens meteorològics que caracteritzen les zones climàtiques de la Terra (formació de núvols, precipitacions…). En la troposfera la temperatura presenta un descens progressiu amb l’altura, aproximadament d’1 ºC per cada 150 m. El límit superior de la troposfera s’anomena tropopausaatmosfera
  2. 15-55 km: estratosfera. L’estratosfera es caracteritza per la pràctica inexistència de circulació vertical. En canvi, els fluxos horitzontals d’aire assoleixen sovint velocitats d’uns 200 km/h. La variació vertical de temperatura en l’estratosfera és la contrària a la comentada a la troposfera; és a dir, les temperatures augmenten progressivament en anar pujant fins a arribar aproximadament als 0 ºC a una altura entre 50 i 60 km. Esta altura marca el límit superior de l’estratosfera, anomenat estratopausa. Sembla que l’increment de temperatura està relacionat amb l’absorció per l’ozó de part de la radiació solar (ultraviolada). La capa d’ozó es troba dins de l’estratosfera i n’ocupa fonamentalment la part inferior (entre els 10 i els 30 km d’altitud, hi ha el 80 % de l’ozó total). Els fenòmens de formació de núvols són molt rars en l’estratosfera (a tot estirar hi poden aparèixer núvols molt tènues de cristalls de gel).
  3. 55-80 km: mesosfera. La característica més remarcable d’aquesta capa és un nou descens de la temperatura a mesura que augmenta l’altitud, fins a arribar als -100 ºC, aproximadament, a una altitud de 80 km, on se situa la següent superfície de separació, la mesopausa.
  4. 80-800 km: termosfera (o ionosfera). En esta capa, la major part de les molècules estan ionitzades (per pèrdua d’electrons) per l’acció de les radiacions solars d’alta energia. Els gasos ionitzats esmentats absorbeixen radiació UV, amb la qual cosa la temperatura de la termosfera arriba a valors superiors als 1.000 ºC (encara que aquests valors no poden ser enregistrats pels termòmetres habituals, ja que la densitat del medi és extraordinàriament baixa). És la zona on es produeixen les aurores (boreals o australs).
    El límit superior de l’atmosfera és relativament indefinit, però podem situar-lo -de manera convencional- en els 10.000 km d’altitud o a la línia de Kármán, als 100 km.

5 Funcions de l’atmosfera

Les funcions de l’atmosfera més importants són les següents:
a) Exerceix una funció protectora . La capa d’ozó es protegeix de les accions externes.
b) És font de vida per a la terra , ja que proporciona els elements vitals per als éssers vius.
c) És font d’aigua potable . Les precipitacions proporcionen l’aigua que no podríem extreure directament dels mars i oceans.
d) Regula la temperatura de la Terra . Evita, sobretot, els grans contrastos que podria haver-hi entre la temperatura del dia i de la nit.
e) Permet tot tipus de combustions , gràcies a les quals gaudim de la calefacció, podem desplaçar-nos amb automòbil, amb avió…
f) Permet la navegació aèria i la transmissió d’ones per a la comunicació
Evidentment totes aquestes funcions són importants, però hi ha una que destaca sobre les altres, la regulació de la temperatura, que a gran escala dóna lloc al efecte hivernacle.

L'efecte d'hivernacle_CA

Iŀlustració 3: L’efecte hivernacle.

L’efecte hivernacle és el procés pel qual l’atmosfera d’un planeta fa que s’escalfi, permetent l’entrada de radiació solar visible, però impedint o dificultant l’emissió de calor des del planeta. El nom d’ efecte hivernacle s’utilitza perquè, d’acord amb una descripció simplista, els hivernacles s’escalfen d’una manera aproximadament similar (tot i que de fet no és així). Aquest article parla només de l’efecte hivernacle a la Terra, tot i que es produeix de forma similar a Venus, Mart i potser d’altres planetes.
Part de la radiació solar que arriba a l’atmosfera terrestre és reflectida, una altra part és absorbida, i la major part arriba a la superfície terrestre. Això fa que s’escalfi la superfície, i que es remeti part d’aquesta calor en forma de radiació, però a longituds d’ona més grans que la de la radiació solar original. Part d’aquesta radiació infraroja torna a l’espai, però una altra part escalfa l’atmosfera, i de retruc, reescalfa la superfície terrestre.
Els responsables de aquest efecte en l’atmosfera són els gasos hivernacle;

  • El vapor d’aigua (H2O) n’és el principal.
  • El diòxid de carboni (CO2), és el segon
  • L’ozó (O3) n’és el tercer

L’efecte hivernacle és perfectament natural, i de fet sense ell no hi hauria vida en el planeta tal com la coneixem. Ara bé, des de fa un temps s’ha demostrat que l’activitat humana està augmentant l’efecte hivernacle, cosa que podria dur a un escalfament global, i al canvi climàtic del planeta. Això es deu a que en cremar combustibles fòssils (carbó, benzina (del petroli),gas natural, … ) o en incendiar-se un bosc, es produeix diòxid de carboni. Si la concentració de CO2 en l’atmosfera augmentés significativament, podria augmentar la força de l’efecte hivernacle. Tot i que no es coneixen amb precisió tots els factors que intervenen en l’efecte hivernacle, això ha començat a preocupar l’opinió popular a finals del segle XX.
Aquest canvis causen un gradual increment de la temperatura terrestre, l’anomenat canvi climàtic o escalfament global, que al seu torn poden originar altres problemes mediambientals, tot i que no hi ha consens dins la comunitat científica sobre les conseqüències exactes. Les tesis més catastrofistes sostenen que aquests problemes serien els següents:
Desertització i sequeres, que causen les pandèmies de fam.
Desforestació, que augmenta encara més el canvi.
Inundacions.
Fusió del gel antàrtic, que causa un ascens del nivell del mar, submergint ciutats costaneres.
Destrucció d’ecosistemes.

6 La pressió atmosfèrica

presionatmosferica002Quan viatgem en avió o en helicòpter, o quan guanyem altura, notem que se’ns tapen les orelles. És per culpa de la pressió atmosfèrica. En canvi, a prop del nivell del mar, el cos s’adapta perfectament a la pressió que hi ha.
La pressió atmosfèrica és la que exerceix l’atmosfera sobre la superfície terrestre i sobre tots els éssers que hi viuen, és a dir, el pes que exerceix l’aire sobre una superfície.
La pressió atmosfèrica afecta a totes les superfícies que estan en contacte amb l’aire, independentment de la seva posició. Els éssers humans no notem la pressió atmosfèrica perquè la nostra pressió interna és gairebé igual que l’exterior.

6.1 L’horror al buit (horror vacui)

L’existència i el poder de la pressió atmosfèrica no va estar sempre tan clara com és ara. Llegim aquesta text sobre Galileu i Torricelli:

barometer“La natura té horror al buit”. Recolzant-se en aquesta frase, fins al segle XVII expliquen perquè l’aigua puja en una bomba quan estirem del pistó. Tot s’interpreta amb la idea d’evitar l’aparició d’un espai buit entre el pistó i la superfície de l’aigua.
L’explicació correcta d’aquest fenomen no es va donar fins el segle XVII després de la demostració de la naturalesa pesant de l’aire i la introducció de la pressió atmosfèrica.
A l’època de Galileu, es coneixia ja la bomba aspirant que servia per fer pujar l’aigua del fons dels pous. Però havien observat que, malgrat tots els esforços, no arribaven mai a fer-la pujar més d’uns 10 metres.
Perquè l’aigua no podia pujar més alt, malgrat l’esforç de la bomba?
Fins al final de la seva vida, Galileu va intentar contestar a tal pregunta però no va arribar mai a donar-hi una resposta. Segons ell la teoria de “l’horror al buit” fallava més enllà dels 10 m. Mai ho va relacionar amb el pes de l’aire.
Segons una idea de Galileu, Gasparo Berti, a Roma, va omplir d’aigua un tub de més de 10 metres de llarg, tancat en una extremitat i obert a l’altra: el tapà i el girà de tal manera que l’orifici estigués submergit en un recipient ple d’aigua. Tal i com Galileu havia previst, va constatar que l’aigua baixava en el tub i es parava a 10 m de la superfície lliure del recipient. Un espai buit (en aparença) apareixia ben visible sobre la columna d’aigua. Havien fabricat un baròmetre d’aigua.
Evangelista Torricelli, deixeble i secretari de Galileu, imagina que aquesta columna de 10 m d’aigua s’aguanta pel pes de l’aire que actua sobre la superfície de l’aigua del recipient. Segons ell, la forca que impedeix que baixi la columna està a l’exterior del tub i no pas a l’interior, com creia Galileu, que invocava la “força del buit”.
Torricelli pensa que si és així, aquesta mateixa experiència es pot realitzar amb una altre líquid que sigui més dens que l’aigua. I que, com més dens sigui, la columna serà menys elevada. En l’any 1643, es realitza el famós experiment amb mercuri el qual, en ser 13,6 vegades més dens que l’aigua, forma una columna de 760 mm d’alçada. És en aquest moment quan s’arriba a trobar el concepte de pressió atmosfèrica i s’inventa el primer baròmetre.

6.2 La pressió atmosfèrica i l’altitud

Si ho recordes el gasos eren compressibles (recorda l’experiment de la xeringa), llavors és lògic que prop de la superfície terrestre estiguen més comprimides i menys a major altitud.
La pressió atmosfèrica acostuma a mesurar-se en milibars (mb) o hectopascals (hPa). La pressió atmosfèrica mitjana és d’uns 1013 mb.
Evidentment aquesta pressió es redueix al augmentar l’altura, ja que també es redueix la massa d’aire que tenim a sobre. Aquesta variació és aproximadament 100 mb cada quilòmetre.
Per tant, les zones situades a l’altura del nivell del mar tenen més pressió atmosfèrica que les que estan més elevades. Com més amunt del nivell del mar ens situem, més petita és la pressió atmosfèrica, ja que hi ha menys gruix d’aire a sobre. Això també fa que l’aire sigui més atapeït al nivell del mar que al cim d’una muntanya.
Així, per exemple, al cim de l’Everest – la muntanya més alta del món, situada a la serralada del Himalaia- la pressió atmosfèrica és més baixa (aproximadament d’uns 300 mm de mercuri) que a qualsevol punt de les platges mediterrànies (d’uns 760 mm de mercuri)

6.3 Variacions horitzontals de la pressió:El vent

L’aire calent és més lleuger que l’aire fred i per aquesta raó tendeix a pujar.
Quan el sol calfa la terra,l’aire en contacte amb aquesta es calfa i puja;aquest lloc és ocupat per l’aire més fred que està al voltant, aquesta moviment d l’aire origina el vent.
A les zones on l´aire calent puja, la pressió atmosfèrica és menor; mentre que a les zones on l’aire fred baixa,la pressió és més alta.pressions
Les zones en què la pressió atmosfèrica és major que a les àrees del seu entorn s’anomenen anticiclons i aquelles es què la pressió atmosfèrica és menor que pel voltant s’anomenen borrasques.
L’aire es mou des e les zones d’alta pressió cap a les de baixa,per tant tendeix a anar des dels anticiclons cap a les borrasques.
Com més gran siga el nombre d’isòbares que hi ha entre un anticicló i una borrasca i més pròximes estiguen,més gran és la diferència de pressió entre amdbós i,per tant,més forts són els vents.
La representació cartogràfica de la distribució de la pressió atmosfèrica sobre la superfície terrestre es realitza mitjançant les isòbares, que són corbes cadascuna de les quals uneix els punts amb la mateixa pressió atmosfèrica una vegada reduïda al nivell del mar. Ja que la pressió normal al nivell de mar és, com hem dit, de 1.013 hPa, valors superiors a aquest llindar es consideraran alts i valors inferiors, baixos.

6.4 Efectes meteorològics degut al vent

Els principals efectes meteorològics deguts al vent són els següents:
Tornado

Aquesta presentació amb diapositives necessita JavaScript.

Un tornado és una violenta, perillosa i rotatòria columna d’aire que es troba en contacte tant amb la superfície de la terra.
Els tornados presenten mides diverses però habitualment en forma d’embut de condensació visible, l’extrem estret del qual sovint és encerclat per un núvol de runa i pols. Gran part dels tornados assoleixen vents entre els 64 km/h i 177 km/h, mesuren aproximadament 75 metres d’amplada i avancen uns quants quilometres abans de dissipar-se.
Remolí de vent
Cop de vent que avança en forma de vòrtex d’eix quasi vertical, de diàmetre generalment petit, però que pot assolir algunes desenes de metres d’alçària, amb força suficient per a aixecar pols i sorra.
Cicló tropical
També anomenat huracà, cicló, tifó, tempesta tropical o depressió tropical depenent de la seva força i localització) és una tempesta forta que es forma al mar i acostuma a provocar vents amb velocitats superiors a 120 km/h.
Un huracà cobreix una àrea circular d’entre 300 i 800 km aproximadament. A la tempesta hi ha vents forts i pluges que envolten un “ull” central, que acostuma a tenir uns 25 km de diàmetre. Malgrat això, el major dany a la vida i a la propietat no és resultat del vent, sinó de la pujada de les marees i les crescudes dels rius, fruit de les pluges torrencials.

500px-Huracans,tifons_i_ciclons (1)

Iŀlustració 7: Nom que reben els ciclons tropicals en diferents zones del planeta

7 La humitat atmosfèrica.

La humitat és la quantitat de vapor d’aigua que hi ha a l’aire. Prové de l’evaporació de l’aigua dels mars, oceans, llacs i rius.
Les zones properes al mar tenen un clima humit, i les allunyades, un clima de contrastos, molt fred a l’hivern i amb molta calor a l’estiu.
La humitat va lligada a la pressió atmosfèrica i a la temperatura. A l’aire calent hi ha més vapor d’aigua que al fred. Per això, les zones més plujoses del planeta són a l’equador.
Hi ha dues maneres d’expressar la humitat.

  • La humitat absoluta és la quantitat d’aigua que conté l’aire.
    humborja

    Iŀlustració 8: L’higròmetre serveix per mesurar la humitat relativa.

  • La humitat relativa es fa servir quan en aquest aire ja no hi cap més aigua. Si supera un límit, l’aigua entela els vidres. Concretament, és el percentatge entre la humitat que conté l’aire i la màxima humitat que pot contenir a una temperatura determinada. S’expressa en tant per cent.

Encara que la humitat absoluta pareix, en un principi, moltútil el seu valor no resulta determinant per als meteoròlegs, és la humitat relativa la forma més habitual d’expressar la humitat ja que s’utilitza en la predicció meteorològica i serveix com a mesura del confort ambiental.

8 Fenòmens atmosfèrics deguts al vapor d’aigua.

La presència de vapor d’aigua en l’atmosfera és la responsable de un gran nombre de fenòmens atmosfèrics

8.1 Condensació

Entre els fenòmens atmosfèrics degut a la condensació del vapor de l’aigua podem distingir:

Els núvols

Els núvols es formen quan el vapor d’aigua invisible de l’atmosfera es condensa en gotetes d’aigua visibles o en cristalls de gel. Per a què això succeeixi, la parcel·la d’aire ha d’estar saturada (no pot contenir més aigua en estat gasós) i llavors comença a condensar-se en estat líquid o sòlid.
La majoria de gotes d’aigua es formen quan el vapor es condensa al voltant d’un nucli de condensació, una minúscula partícula de fum, pols, cendra o sal.
Cada gota del núvol té un diàmetre d’una centèsima part de mil·límetre, i cada metre cúbic d’aire conté 100 milions de gotes. Com que les gotes són tan petites, es poden mantenir en estat líquid a temperatures de fins -30 °C. En aquest cas, s’anomenen gotes superrefredades. Els núvols en nivells més alts i extremadament freds de l’atmosfera estan formats de cristalls de gel, que poden ser d’una mida d’una desena part del mil·límetre.

nuvols

Iŀlustració 9: Tipus de núvols.

La boira

La boira no és més que un núvol situat a prop o fregant la superfície de la Terra, és doncs, format per petites gotes d’aigua en suspensió. És un dels fenòmens que més afecta la mobilitat.
Com a fenomen meteorològic es parla de boira quan aquest núvol s’ha format a conseqüència d’una pressió atmosfèrica relativament alta, en presència d’humitat important i sense vent. Aquests tres condicionants fan que l’aparició i persistència de les boires sigui més acusada en zones planes i fondes. Aquests llocs, a més, són ocupats freqüentment per rius i embassaments que poden proporcionar la humitat necessària per a la seva formació. Es dóna a totes les estacions de l’any, però amb persistència només a l’hivern.
Els principals efectes de la boira persistent són:

  • Estabilitzar la temperatura ambient en nivells baixos, inclòs per sota de 0ºc, fent impossible l’alternança de temperatures dia/nit.
  • Dificulta la visibilitat, reduint la visió a vuit o deu metres en casos extrems.
  • Incrementa els efectes negatius de la contaminació atmosfèrica, per manca de ventilació.
  • Augmenta la sensació de fred de forma important.
  • La manca de visibilitat dificulta o impedeix la mobilitat, afectant el transport rodat i el trànsit aeri o marítim. La valoració errònia dels efectes de la boira és freqüentment causa de col·lisions.

Rosada

250px-Spider_web_Luc_Viatour

Iŀlustració 10: Teranyina amb rosada

La rosada és un fenomen físic-meteorològic en el qual la humitat de l’aire es condensa en forma de gotes per la disminució brusca de la temperatura, o el contacte amb superfícies fredes. Es parla de rosada en general quan es tracta de condensació sobre una superfície, usualment la coberta vegetal del sòl.
També existeix la rosada blanca que és la solidificació en forma de gel de la rosada.

 

Gelada

220px-WindowFrost121609

Iŀlustració 11: Cristalls de gel al vidre d’un cotxe.

Es denomina gelada o glaçada a la capa de gel cristal·lí que es forma, en forma d’escates, agulles, plomes o ventalls, sobre superfícies exposades a la intempèrie i que s’han refredat prou com per provocar la deposició directa del vapor d’aigua contingut en el aire.

8.2 Precipitació

La precipitació és qualsevol forma d’aigua que cau del cel i arriba a la superfície terrestre. Aquest fenomen inclou pluja, plugim, neu, aiguaneu,calamarsa, etc.
La precipitació és una part important del cicle hidrològic, responsable del dipòsit d’aigua dolça al planeta i, per tant, de la vida al nostre planeta, tantd’animals com vegetals, que requereixen l’aigua per viure. La precipitació és generada pels núvols, quan arriben a un punt de saturació, en aquest punt les gotes d’aigua augmenten de grandària fins a assolir el punt en què es precipiten per la força de gravetat.

Pluja

A un núvol calent les gotetes augmenten de mida per condensació del vapor d’aigua que les envolta i per coalescència (l’addició d’una o més petites gotes per col·lisió per tal de formar una gota més gran) amb d’altres gotes. Mentre aquestes gotetes diminutes no mesuren més de 0,006 mm són sostingudes pels més lleugers moviments ascendents de l’aire. El seu creixement va formant formant gotes més grosses fina arribar un moment, al voltant de 0,5 mm de diàmetre, que els corrents ascendents són incapaços de sostenir-les en suspensió i cauen en forma de pluja.

220px-Steigungsregen

Iŀlustració 12: Pluja orogràfica.

Frontregen

Iŀlustració 13: Pluja per col·lisión de front fred en calent.

 

Neu

A un núvol molt fred, el vapor d’aigua es condensa directament en cristalls de glaç sobre les partícules que hi ha en suspensió (pols, fum, …). Si durant la seva caiguda només troben capes d’aire d’una temperatura inferior a 0 °C, els cristalls s’aglutinen en forma de branques glaçades que es combinen per formar flocs cada cop més grans. L’encaix d’aquests cristalls depèn essencialment de la temperatura, l’única característica comú a tots els flocs és l’estructura hexagonal, que reprodueix l’estructura cristal·lina del gel ordinari i està relacionada amb l’estructura molecular de l’aigua

220px-Snow_crystals_2

Iŀlustració 14: Floc de neu ampliat.

Calamarsa

Si tenim un núvol especialment gran en altitud (uns quants quilòmetres), amb grans diferències tèrmiques entre la base del núvol i la part superior i grans corrents ascendents, és possible que aquest genere una calamarsa.
El procés de formació és el següent. Quan les partícules de vapor d’aigua que són impulsades núvol amunt (pels corrents d’aire calent) superen la isoterma dels O°C, canvien d’estat i passen a convertir-se en partícules de gel. A la part més alta del núvol (que és per on descarrega un xàfec) el corrent ascendent possiblement ja haura perdut tota la intensitat i les pedretes de gel començaran a caure, a causa del propi pes. Però quan arriben a la meitat del núvol, que més o menys coincideix amb la linia dels O°C, les pedretes s’hauran recobert d’una altra capa de gel.
En aquesta zona poden tornar a arreplegar un altre corrent d’aire que puja … i un altre cop amunt. Durant la pujada es tornen a recobrir d’una altra capa de gel. Aquest procés es pot anar repetint fins que aquelles partícules microscòpiques de gel esdevenen més grosses i amb un pes massa gran perquè els corrents ascendents les sostinguin. Aleshores cauran pel mateix pes tot originant una pedregada, una calamarsada o una granissada. Les partícules de gel es formen capes concèntriques.

calamarsa

Iŀlustració 15: Que no t’enganxe una calamarsada.

9 Clima i oratge

En meteorologia, l’oratge o temps és el conjunt de tots els fenòmens que tenen lloc en una atmosfera en un moment donat; per tant, comprèn tots els fenòmens que tenen lloc a l’atmosfera en un moment determinat.
L’oratge es sol descriure amb termes de si farà sol o estarà núvol, si les temperatures seran altes o caldrà agafar l’abrig, si plourà molt, poc o res, si bufarà el vent o tindrem una suau brisa, si pel matí tindrem boira i al migdia escamparà, etc.
La predicció del temps no és una ciència exacta i només podem tindre prediccions fiables de pocs dies.
El clima és el conjunt de condicions atmosfèriques que caracteritzen una regió. Segons es referisca al món, a una regió o a una localitat concreta es parla de clima global, clima local o microclima respectivament.
En aquest cas les variables que descriuen el clima són la temperatura la humitat, la presión, el vent i les precipitacions.
Els factors naturals que afecten el clima són la latitud, altitud, orientació del relleu, continentalitat (o distància al mar) i corrents marins.
El clima abarca grans periodes de temps i per tant, és menys exacte però més predeible.

9.1 Mesures meteorològiques

Les dades meteorològiques s’arrepleguen en qualsevol lloc però hi ha unes construccions especials per arreplegar dades de forma científica, ens referim a les les estacions meteorològiques
Aquestes estacions consten d’un conjunt d’instal·lacions i d’aparells meteorològics per mesurar in situ i a nivell de terra diverses variables meteorològiques. Les dades meteorològiques es poden adquirir de manualment o automàticament (mitjançant un processador). Una part dels instruments han d’estar protegits de la incidència de la radiació solar i per això s’instal·len dins de la gàbia meteorològica. D’altres són exteriors (com l’anemòmetre, penell, mesuradors de precipitació, insolació i radiació solar, entre d’altres) i, finalment, n’hi ha que s’acostumen a instal·lar en dependències annexes a la gàbia meteorològica (baròmetre).

ws-16n-a

110-WS-16 Modular Weather Station

estacio-meteo2

Interior de la caixa de l’estació meteorològica.

Els aparells de mesura més habituals són:

 

BARÒMETREbarometr

Els baròmetres mesuren la pressió de l’aire. El que fan realment és mesurar el pes d’una columna d’aire que s’extèn des del baròmetre fins al cim de l’atmosfera.
El baròmetre de mercuri té un disseny tan senzill que s’ha utilitzat des de que va ser inventat per Torricelli l´any 1642. Avui és encara el baròmetre més utilitzat. Els canvis en l’altura de la columna de mercuri es mesuren en mil·límetres de mercuri, hectopascals o en mili-bars.

 

TERMÒMETRE termo

El termòmetre és el sensor tèrmic que mesura la temperatura. Necessitem un termòmetre de màxima i mínima o, si volem filar més prim, un que mesuri la temperatura màxima i un altre per la mínima. El funcionament és de tots conegut.
Les mesures de temperatura màxima i mínima es fan una vegada cada dia. Els sensors de temperatura s´han de situar a l´interior de la gàbia meteorològica.

 

HIGRÒMETRE I PSICRÒMETREaparell

La quantitat de vapor d´aigua que conté l´aire pot variar a nivell temporal i espacial. La humitat es mesura emprant els psicròmetres i els higròmetres.
El psicròmetre mesura la diferència entre la temperatura de l´aire (proporcionada pel termòmetre sec) i la que indica un termòmetre humit (que té humitejat el seu dipòsit).Una escala de conversió permet convertir la diferència de temperatures a humitat relativa.
El psicròmetre consta de dos termòmetres: un sec i un altre amb el dipòsit de mercuri recobert d’una roba que parteix d’un petit dipòsit amb aigua i que té la funció de mullar contínuament el termòmetre. El higròmetre té l’avantatge de que dóna directament les dades i de que és força més econòmic però no és gaire precís.

PLUVIÒMETRE pluvi

El pluviòmetre serveix per a mesurar la quantitat de pluja caiguda en un interval determinat de temps. Per a determinar la quantitat de pluja es fa servir una proveta graduada on es fan les lectures directament en mm o litres per metre quadrat. Consta d’un vas cilíndric, que recull l’aigua que li aporta un embut prou fons, per que les gotes no surtin rebotades. D’aquesta manera, tota l’aigua recollida es conserva en el vas interior, protegida de l’evaporació por l’estretó de la boca de l’embut. Acostuma a anar pintat de blanc per minimitzar l’absorció de radiació i reduir l’evaporació.

ANEMÒMETRE

anemo2

Mesura la velocitat del vent. L’anemòmetre més usual és el de cassoletes. Consisteix en una creu de tres o quatre braços amb una cassoleta semiesfèrica buida al final de cada un i que pot girar al voltant d’un eix. Entre els inconvenients d’aquest aparell cal citar la dificultat per mesurar vents intensos (o molt febles) i el seu temps de resposta, que no li permet apreciar variacions ràpides de la velocitat. És força coneguda una taula (Beaufort) que, d’una forma aproximada, ens indicar la velocitat del vent a partir dels seus efectes ( si es mouen les fulles d’un arbre, si són les branques, etc.)

PENELL

penell0

Ens indicarà la direcció del vent. Tots coneixem altres mitjans que poden substituir aquest aparell, des de mullar el dit i aixecar-lo per saber d’on bufar el vent fins llençar una mica de terra a l’aire. Hem de tenir en tots els casos molt clara la situació dels punts cardinals. El nom d’un vent fa referència a la direcció d’on procedeix:del nord, del sud-est,etc., encara que a cada lloc els vents més típics reben noms populars, com a Catalunya la tramuntana, el llevant,etc.

10 Importància de l’aire per als éssers vius i la salut.

Gairebé tots els éssers vius depenem de l’aire per sobreviure. La importància de l’aire per a la vida es pot resumir en aquests punts:

  • Tots els organismes estan constituïts per compostos que contenen carboni, hidrogen, nitrogen i oxigen. L’aire proporciona, en forma de vapor d’aigua,diòxid de carboni, nitrogen i oxigen, part de la matèria primera amb què es construeixen tots els éssers vius.
  • El diòxid de carboni de l’atmosfera és imprescindible perquè els vegetals realitzin la fotosíntesi, procés en el qual es fabrica matèria orgànica.
  • L’oxigen és necessari per a la respiració, procés mitjançant el qual molts éssers vius obtenen energia.
  • Certs components de l’atmosfera, com el diòxid de carboni i el vapor d’aigua,mantenen, gràcies a l’efecte hivernacle, unes condicions òptimes de temperatura i humitat perquè es pugui desenvolupar la vida al nostre planeta.
  • La capa d’ozó de l’atmosfera protegeix els éssers vius de les nocives radiacions ultraviolades del sol.
  • El vapor d’aigua es condensa formant els núvols que, mitjançant les precipitacions, proporcionen aigua als éssers vius.

respiracio respiracio_fotosintesi

Com veus l’aire és fonamental per a la vida en el planeta Terra, per tant, és una tasca comuna mantindre’l tant net com es puga. Lamentablement, existeix un fenomen associat a l’ésser humà que altera la seva composició: la contaminació de l’aire.

La contaminació afegeix determinats gasos a l’atmosfera i en descompon d’altres. Això fa canviar l’equilibri tan fràgil de l’aire. Gasos, com ara el monòxid de carboni, perjudiquen la salut humana si se’n respiren grans quantitats. D’altres gasos no són tan perjudicials per als éssers vius, però en canvi alteren l’equilibri del medi. La contaminació atmosfèrica pot comportar canvis climàtics i la pèrdua de la protecció que els gasos de l’atmosfera proporcionen al planeta.
Si alterem la proporció dels gasos de l’atmosfera, posarem en perill la vida a la Terra, com ocorreix amb tres problemes mediambientals actuals: el forat de la capa d’ozó, l’augment l’efecte hivernacle i la pluja àcida.

10.1 El forat de la capa d’ozò

L’anomenat forat de la capa d’ozó és un efecte de la contaminació atmosfèrica de la Terra que consisteix a una disminució d’ozó a l’estratosfera (capa alta de l’atmosfera) suposadament a causa de l’emissió a l’aire per part de l’home de substàncies que reaccionen i minven l’ozó.220px-Ozone_layer_gmt_de
La teoria més encertada fins l’actualitat és que la disminució de l’ozó de l’estratosfera és deguda a l’augment de clor a l’atmosfera, que es combina amb l’ozó i el destrueix. El clor es fa servir en la fabricació dels aerosols (laques, insecticides, escumes d’afeitar), en els frigorífics, en els aparells d’aire acondicionat i en els aïllants. Els compostos del clor poden restar a l’atmosfera durant més de cent anys. Actualment, hi ha un acord per deixar d’utilitzar aquests compostos i substituir-los per d’altres que no afectin la capa d’ozó.

Els efectes de la desaparició de la capa d’ozó serien nefastos per a tots els éssers vius. Serien causa d’un increment considerable de càncer de pell i de malalties oculars, particularment cataractes; i produirien una reducció del sistema immunològic en general. Els seus efectes també es reflexarien en les plantes terrestres i en el fitplàncton marí, que disminuirien la seva producció sintètica i es produirien grans desequilibris en totes les cadenes tròfiques.

10.2 L’Augment l’efecte hivernacle

7a20b75e30L’efecte hivernacle és perfectament natural, i de fet sense ell no hi hauria vida en el planeta tal com la coneixem. Ara bé, des de fa un temps s’ha demostrat que l’activitat humana està augmentant l’efecte hivernacle, cosa que podria dur a un escalfament global, i al canvi climàtic del planeta. Això es deu a que en cremar combustibles fòssils (carbó, benzina (del petroli),gas natural, … ) o en incendiar-se un bosc, es produeix diòxid de carboni. Si la concentració de CO2 en l’atmosfera augmentés significativament, podria augmentar la força de l’efecte hivernacle. Tot i que no es coneixen amb precisió tots els factors que intervenen en l’efecte hivernacle, això ha començat a preocupar l’opinió popular a finals del segle XX.
Aquest canvis causen un gradual increment de la temperatura terrestre, el anomenat canvi climàtic o escalfament global, que al seu torn poden originar altres problemes mediambientals, tot i que no hi ha consens dins la comunitat científica sobre les conseqüències exactes. Les tesis més catastrofistes sostenen que aquests problemes serien els següents:

  • Desertització i sequeres, que causen les pandèmies de fam.
  • Desforestació, que augmenta encara més el canvi.
  • Inundacions.
  • Fusió del gel antàrtic, que causa un ascens del nivell del mar, submergint ciutats costaneres.
  • Destrucció d’ecosistemes.

10.3 Pluja àcida

La pluja àcida apareix com a resultat de les emissions d’òxids de sofre, d’òxids de nitrogen i de clorurs que poden convertir-se en ions sulfat (àcid sulfúric), nitrat (àcid nítric) i ió clorur (àcid clorhídric) gràcies a la presència d’aigua i d’oxidants a l’aire.
Aquests processos es donen a l’interior dels núvols modificant la normal composició de les gotes d’aigua formades. Així, l’aigua d’aquesta pluja serà més àcida que la pluja normal i podrà tenir efectes nocius sobre materials, animals i plantes.
Els ecosistemes més perjudicats per aquestes pluges àcides són principalment els boscos i els llacs.

pluja

Efectes de la pluja àcida

  • Un problema mundial: Les xemeneies altes, construïdes per assegurar que la contaminació de les indústries no afecti les ciutats de la rodalia, enlairen la contaminació cap a l’atmosfera. Quan pren contacte amb el vapor d’aigua de l’atmosfera, forma àcids, que s’incorporen als núvols. El vent transporta els núvols, sovint molt lluny d’allà on es van formar. Finalment, els àcids cauen amb la pluja generalment dos o tres dies després.
  • Els danys als arbres i al sòl: Els efectes comprovats han estat la corrosió de les fulles i una reducció general del creixement dels arbres, que pot acabar amb la seva mort. Els diòxid de sofre de la pluja àcida obstrueix els petits porus de les fulles a través dels quals les plantes prenen el CO2 que les plantes necessiten per viure. D’altra banda, la pluja àcida altera les substàncies que componen el sòl i els arbres que hi creixen són menys resistents a condicions desfavorables com el gebre, la sequera, els virus, els fongs i les plagues d’insectes.
  • Els llacs morts: la pluja àcida té efectes dramàtics sobre la vida a l’aigua, quan cau directament sobre els llacs o hi arriba des dels turons pels rius i les torrenteres. La pluja àcida produeix l’acidificació de les aigües dels llacs i embassaments. Els àcids provoquen la mort de la majoria dels animals i plantes aquàtics i fan que les aigües no siguin potables.
  • La destrucció dels edificis i les estàtues: quan la pluja àcida entra en contacte amb els materials utilitzats en els edificis, estàtues, pintures i altres objectes, els pot deteriorar i arribar a destruir-los. Lenta, però segura, la pluja àcida els corroirà i les conseqüències poden ser molt greus. Els materials de construcció s’erosionen, la pedra calcària es desfà, els metalls es rovellen, el color de les pintures es fa malbé, el cuiro es debilita i en la superfície del vidre es forma una capa dura.

11 Exercicis

  1. Escriu les capes de la terra indicant alguna característica de cada una d’elles.
  2. Imagina que tens una planta en casa, indica quina part d’ella correspon a cada capa de la terra.
  3. Fes una taula en tres columnes anomenades Atmosfera I, Atmosfera II i Atmosfera III. Indica esquemàticament las característiques de cadascuna d’elles.
  4. Quin paper decisiu han tingut els éssers vius en la transformació de l’atmosfera terrestre.
  5. Escriu la composició actual de l’aire sec. Per què es sol especificar que l’aire és sec?
  6. Indica alguna característica dels components majoritaris de l’aire.
  7. Fes un quadre resum de les característiques de cada una de les capes de l’atmosfera actual.
  8. Per què al pujar l’Everest es sol portar botelles d’oxigen?
  9. Per què hi ha tants cràters a la lluna i tan pocs a la Terra?
  10. Per què creus que a l’estiu fa tanta calor dins d’un cotxe aparcat al sol?
  11. A l’hivern les nits més gelades són les que es veuen les estreles. A què creus que es degut?
  12. Reflexiona: “L’efecte hivernacle és bo o dolent”
  13. En quines unitats es mesura la pressió atmosfèrica?
  14.  On hi haurà més pressió atmosfèrica: a) Al cim de l’Everest o a la capa d’ozó, b) A Mart o a Venus, c) Al Port de Sagunt o a la Paz (Bolivia)
  15. Explica la formació d’una zona de baixa pressió.
  16. Què és la pressió atmosfèrica?
  17. Quina diferència hi ha entre: a) Tornado i huracà, b) Remolí i tornado, c) Huracà i cicló
  18. Què és la humitat de l’aire? Quina diferència hi ha entre l’absoluta i la relativa?
  19. Si el nostre higròmetre marca un 30%, què significa? I si marca 90%? Si eixe dia fa molt de sol, quin dia s’estarà millor?
  20. Explica la formació d’un núvol?
  21. Explica els canvis físics que hi ha en la formació de la rosada i la gelada.
  22. Què es la rosada blanca?
  23. Per què en estiu és molt habitual veure molta rosada en els cotxes a la nit?
  24. Creus que és important que neve a les muntanyes per a zones com la nostra?
  25. Per què creus què és molt difícil endevinar el temps que farà d’ací una setmana però no el clima que farà aquest estiu?
  26. Esbrina que és L’anticicló de les Azores i la seua influència en el nostre oratge estiuenc.
  27. Indica els instruments de mesura que s’utilitzen en meteorologia indicant les unitats que de mesura solen emprar.
  28. Per què el penell clàssic sol tindre una figura plana?
  29. Dibuixa una planta i un animal e indica el intercanvi gasos que es produeix entre ells.
  30. Indica que passaria si la nostra atmosfera:
    1. No tinguera vapor d’aigua.
    2. No tinguera capa d’ozó
    3. Augmentara el nivell de CO2.
    4. Augmentara el nivell de O2.
    5. Fora menys densa.
  31. Relaciona les dues columnes:220px-Atmosphere_gas_proportions_02
  32. Indica dues solucions per a els problemes mediambientals descrits al tema.

12 Activitats Finals

 

  1. Fes un mapa conceptual de l’atmosfera incloent del punt 2-1 fins el punt 2.6
  2. Fes un mapa conceptual amb els fenòmens meteorològics.
  3. Quina diferència hi ha entre una sauna turca i una sueca? En quina hi ha més sensació de calor i per què?
  4. Esbrina com es trenca la capa d’ozó i com es pot tornar a recuperar.
  5. Quines conseqüències té la pluja àcida?
  6. Si augmenta la temperatura de la Terra, augmentarà el nivell de la mar degut a que el gel dels pols canviarà d’estat. Respon a les següents preguntes:
    1. Com es diu aquest canvi d’estat que pateix l’aigua?
    2. Per què els científics només es preocupen del gel del pol sud i no del pol nord?
  7. La comunitat internacional ha fet uns quants intents de solucionar el canvi climàtic. Quins han segut.

13 Enllaços

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *