Atmósfera y radiación solar

Imagen: arco iris en el lago Palmer, cerca de Atlin, en la Columbia Británica, Canadá, 2014.

Todo fenómeno climático de la Tierra tiene origen en la llegada de radiación solar, por tanto es de especial interés saber como se comporta esa radiación cara a ver su efecto en el planeta. En esta entrada presentaremos la radiación solar y sus principales características, sin ánimo de entrar en demasiados detalles y enfocada al aspecto geográfico. La radiación solar se compone de una vertiente electromagnética y otra térmica.

La radiación electromagnética se caracteriza por la propagación en forma de ondas transversales de un campo magnético y un campo eléctrico, cuyos vectores son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación, a la velocidad de 300 000 000 metros por segundo. Los campos se propagan en forma de onda provocando oscilaciones y dependiendo del tipo de radiación la longitud de esas ondas varía.

La longitud de onda (λ) y la frecuencia de la onda (v) son lo que permiten clasificar cada tipo de radiación electromagnética conformando el espectro electromagnético. Las ondas de radio (televisión, radio) son las de onda larga y baja frecuencia. Las siguen las microondas, la radiación infrarroja (que emite todo cuerpo con algo de calor) llegando a la luz visible con los diferentes colores representados por longitudes de onda distintas: del rojo (longitud larga) al violeta (longitud corta). Tras la luz que podemos ver con nuestros ojos se encuentra la radiación ultravioleta y más allá, con longitudes muy cortas y alta frecuencia, los rayos X y la radiación gamma (ϒ).

La λ se mide en nanometros (nm, 0’000001 mm) o micrometros (micras, µm, mil nm). La radiación solar oscila entre los 0’15 y los 4 µm, siendo una onda relativamente corta, mientras que la radiación terrestre se mueve entre 5 y 1000 µm. La luz visible se encuentra entre los 0’4 y los 0’75 µm.

Los diferentes fenómenos electromagnéticos se componen de haces de corpúsculos llamados fotones, que contienen energía, y han sido detectados de forma evidente. La radiación por tanto se comporta de forma dual, como una onda, continua, y como  corpúsculos, discontinua. Es imposible observar ambas características a la vez, aunque existen experimentos que confirman su presencia. De Broglie, Compton, Davisson y Germer en el siglo XX plantearon hipótesis y experimentos para demostrar esta doble naturaleza con éxito.

La radiación térmica es emitida por un material lo suficientemente condensado, medida en calorías (cal). El poder emisor de un cuerpo es la radiación emitida por unidad de tiempo por superficie y el flujo de radiación de ese cuerpo es la cantidad de radiación que atraviesa una superficie por unidad de tiempo medida perpendicularmente. Esto último se denomina constante solar, en el caso de la radiación solar que llega a la Tierra, y se mide en el límite de la atmósfera. La radiación que llega se puede medir también en kilolangleys (kcal/cm², Kly), se reciben unos 263 KLy por año en la atmósfera, la cual filtra el 47% de esa cantidad antes de que llegue a la superficie terrestre.

Toda radiación que entra en el medio terrestre sufre modificaciones en la velocidad y en el tipo de energía radiante. La atmósfera absorbe parte de esa radiación emitiendo calor en el proceso, la reflecta o la difunde, además la composición química de la atmósfera reacciona diferente a los diferentes tipos de radiación.

La luz visible y las ondas de radio pueden atravesar la atmósfera sin problemas, mientras que el agua absorbe las ondas largas, las bandas de Schumann (compuesta por O₂) y la de Hartley (O₃, ozono) absorben energía ultravioleta y el dióxido de carbono y el metano absorben la infrarroja. Además determinadas longitudes de onda de luz visible son reflejadas más por la atmósfera: mientras que las ondas largas pasan libremente, las ondas cortas (azules) son reflectadas creando el color del cielo. Según la cantidad de atmósfera a atravesar se reflectaran más o menos λ, de esta manera en el ocaso se dispersa más cantidad de luz azul, dejando solamente las ondas rojizas.

Existen varias leyes que gobiernan la radiación y que apuntamos a modo de anotación:

· Ley de Planck: que relaciona la λ con la emisión de energía a determinada temperatura. Según la temperatura del cuerpo emisor se emitirá un rango de λ, creando una curva donde determinadas λ se emiten más que las otras. Como apuntábamos, el Sol emite entre dos λ, pero su máximo de emisión se da en 0’475 µm.

· Ley de Stefan-Boltzmann: el poder emisor de un cuerpo es directamente proporcional a su temperatura. Derivada de la anterior.

· Ley de Wien: la longitud de onda máxima emitida es inversamente proporcional a la temperatura. Derivada de la de Planck.

· Ley de Kirchhoff: un cuerpo que absorbe radiación también la emite.

Los diferentes tipos de radiación no solo resultan de interés para el estudio atmosférico, también para el uso de imágenes por satélite para el análisis de usos del suelo, presencia de agua, incendios y por supuesto la nubosidad, mediante SIG y también modelos informáticos de predicción del tiempo atmosférico.

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La distribución de los seres vivos en el planeta

Áreas y factores de influencia

Imagen: Jirafas en el parque nacional del Lago Nakuru en Kenia en 2017. Ejemplo de vegetación paleotropical caracterizada por sabana de prado arbustivo y bosque seco (zona IV de Pratt y Gwynne, 1977).

La biogeografía es la rama de la geografía que estudia la distribución de los seres vivos y el porqué de ésta. También estudia sus comunidades y los factores y procesos que intervienen en ellas. Dentro de la biogeografía si estudiamos en detalle las áreas de distribución de la flora y la fauna estaremos realizando estudios corológicos.

Las unidades de estudio corológicas superiores de los seres vivos se denominan reinos y se utilizan para clasificar y delimitar la distribución de plantas y animales en el planeta Tierra. Existen seis grandes reinos que describiremos brevemente, de Norte a Sur:

  1. Reino holártico: se corresponde con la región norte del planeta, que llega desde el polo hasta trópico de Cáncer: Europa, el Norte de América y África y casi toda Asia. Es una zona pobre en especies con climas fríos y templados.
  2. Reino paleotropical: engloba África central, el sur de Asia, Madagascar e Indonesia, es una zona muy rica en especies y existen diferencias marcadas entre el área africana y el área de Indonesia y Malasia.
  3. Reino capense: pequeño reino circunscrito a Sudáfrica, tiene una riqueza animal y vegetal moderada.
  4. Reino australiano: referente a Australia e islas cercanas con diferencias acusadas entre el área australo-papú y la polinesia.
  5. Reino neotropical: es la gran zona de Sudamérica y Centroamérica junto a las islas del Pacífico y el Atlántico, es muy rico en especies.
  6. Reino antártico: un reino muy pobre en especies enmarcado en la Antártida y las islas boreales.

Por debajo en la escala de clasificación de reino encontramos la región biogeográfica, una parte de la superficie terrestre en la cual hay una mayoría de flora y fauna endémicas o en la que encuentran un óptimo reproductivo. Por ejemplo, dentro del reino holártico encontramos la región euro-siberiana. Esta región forma los paisajes propios de bosque húmedo desde el Océano Atlántico (Gran Bretaña, Francia) a Siberia, limitando con las regiones ártica, mediterránea, irano-turánica y china del mismo reino. El siguiente nivel de clasificación se denomina provincia y posee ya un grupo muy importante de especies endémicas y vegetación propia y diferenciada.

Por qué los organismos viven en un lugar determinado y con qué éxito se relaciona, por un lado, con la historia biogeográfica y geológica (como en el caso de los marsupiales), pero las aptitudes de una especie respecto a un medio concreto en relación a las funciones vitales de espacio, nutrición y reproducción son fundamentales: si falla alguna de las tres la especie se extingue. También son importantes la amplitud ecológica de la especie (temperatura y terrenos donde puede subsistir) y si existen otras especies competidoras por el espacio y las necesidades tróficas.

Los factores que afectan a la distribución y abundancia de organismos,  se dividen en los que afectan a la estructura del medio (climáticos, edáficos y biológicos) y los que afectan a la naturaleza del medio (químicos, físicos y bióticos):

  • Factores climáticos: la luz y el fotoperiodo estacional y diario (sobre todo las aves), la temperatura y la capacidad de la especie de mantenerla constante y con fuentes externas o internas, el agua y la afinidad de la especie por ella, la composición de la atmósfera y los efectos de los materiales que transporta el viento (sal, arena, hielo) junto a las perturbaciones (tormentas, temporales, sequías).
  • Factores edáficos: los factores físicos del suelo incluyen la textura, la estructura, la hidratación y la estabilidad. Los factores químicos son los referentes al pH, al calcio, los nitratos y a las sales. Los suelos ácidos contienen gran presencia de silicatos y los suelos básicos de calcáreas. La presencia de nitratos suele darse cerca de casas, ganados, campos y granjas. También afecta la presencia de yesos.
  • Factores biológicos: la presencia de una especie a veces depende de que también existan otras en el mismo lugar. Además, hay factores vegetales tales como las plagas, la microflora, la competencia vegetal por el suelo o la alimentación de ciertos animales; los factores animales se basan más en la depredación, la polinización y la diseminación mientras que los factores humanos incluyen las actividades forestales, las agrícolas, las ganaderas, los incendios o la contaminación.

En siguientes entradas daremos ejemplos más concretos de cómo se manifiestan los factores mencionados en lugares concretos, así como de los biomas resultantes.

La geomorfología ¿qué es?

Dinamismo y estructura

La Geografía Física estudia cuatro elementos o sistemas característicos: la atmósfera (dentro de la climatología), la litosfera (dentro de la geomorfología), la hidrosfera (dentro de la hidrogeografía), la biosfera (dentro de la biogeografía) y los suelos (dentro de la geografía de los suelos). Cuando los tratamos en su conjunto podemos utilizar la geografía del paisaje o la ecología. En esta entrada trataremos de analizar qué se encarga de estudiar la geomorfología, la cuál podríamos definir como el estudio de las formas de la superficie terrestre (Max Derruau), la ciencia que tiene el objetivo de describir y explicar la superficie terrestre (Roger Coque) o la disciplina que busca el reconocimiento, la clasificación y la explicación de las diversas configuraciones de la superficie de la Tierra (Julio Muñoz).

La superficie terrestre y sus formas son el resultado de la interacción de fuerzas que actúan bajo ella (internas) y sobre ella (externas) y según la escala de observación nos centraremos en una serie de elementos u otros. A una escala pequeña (1: 1 000 000 por ejemplo) tendremos en cuenta las grandes unidades del relieve, la llamada morfoestructura, el conjunto de los elementos. En cambio a una escala grande (1: 50 000 por ejemplo) tendremos en consideración el detalle, lo perceptible en su totalidad por un ser humano, el llamado modelado.

La morfoestructura es fruto de las fuerzas endógenas, internas, y trataremos entonces con la tectónica de placas, la orogénesis y la litogénesis, los procesos de construcción que estudia la geomorfología estructural. El modelado, por otro lado, es producto de fuerzas exógenas, externas, que provocan la morfogénesis, como son los procesos de erosión y sedimentación, procesos mayormente destructivos y que son estudiados por la geomorfología dinámica.

La morfogénesis también puede ser llamada gliptogénesis y aglutina los procesos de erosión, rotura y creación de nuevas formas, contrarios a la edafogénesis que se caracteriza por una estabilidad del medio, la generación de suelo nuevo y la presencia de de vegetación. Los procesos de erosión habituales son la meteorización, la ablación, el transporte y la sedimentación los cuales crean, según su proporción y características del medio predominante, un sistema morfogenético determinado, ya sea de vertientes, fluvial, litoral o eólico. Añadiendo el clima a la ecuación (temperaturas y precipitaciones) obtenemos un sistema morfoclimático.

La combinación de ambos tipos de procesos de creación y destrucción, el relieve y el modelado, nos proporciona a su vez tres tipos de morfología: la granítica, donde predominan las rocas ígneas intrusivas, la volcánica, donde predominan las rocas ígneas extrusivas y la cárstica donde predominan las rocas solubles. En el primer caso encontramos en España el ejemplo del Sistema Central, en el segundo caso la isla de Tenerife y el volcán Teide y en el tercero el macizo del Garraf en Cataluña.

Para concluir esta visión de conjunto de la geomorfología es necesario mencionar su vertiente aplicada donde el estudio de los anteriores elementos nos proporcionan datos para prevenir desastres y evitar riesgos en todas las actividades humanas que se desarrollan encima de la tierra. Estos estudios se realizan mediante la observación y la realización de experimentos que son tratados mediante modelos estadísticos y simulaciones que nos permiten predecir el comportamiento de, por ejemplo, los desprendimientos de tierra, la erosión en las playas y costas, así como certificar dónde se puede edificar o extender una red de carreteras y ferrocarriles sin peligro de que se derrumben o se produzcan socavones.

 

La atmósfera terrestre

Exploración, concepto y composición

En el siglo XVII Blaise Pascal observó los diferentes cambios de presión en el aire e inició de esta manera los estudios atmosféricos. Confirmó que a medida que aumentaba la altitud cambiaba la presión tal y como comprobó en el Mont Ventoux (a 1900 metros sobre el nivel del mar) al sur de Francia. Dos siglos más tarde Julius von Hann continuaría su labor y comprobaría la existencia de inversiones termométricas dentro de los anti-ciclones. Mientras que Benjamin Franklin, por otro lado, ya había constatado que los rayos eran electricidad mediante su famoso experimento de la cometa. Diversos instrumentos como las nombradas cometas, los globos aerostáticos y, a partir del siglo XX, el radar y los aviones, han permitido analizar y medir las temperaturas, composición y la dirección de los vientos de la atmósfera. En las últimas décadas los satélites y la percepción remota se han convertido en la base fundamental del conocimiento atmosférico.

Actualmente se define a la atmósfera como un aerosol, un sistema coloidal de partículas sólidas y líquidas suspendidas en un gas. Es la capa gaseosa que envuelve el planeta Tierra y contiene partículas que flotan en ella, tanto liquidas como sólidas, incluyendo las nubes, un conglomerado de vapor y gotas de agua, cristales de hielo alrededor de polvo, esporas y polen. La composición química hasta 80 Km de altura del aire es de un 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno, casi un 1% de argón y trazas de neón, helio, criptón, xenón y radón. Estos elementos varían en proporción según la capa de la atmósfera y a mayor altura respecto a la superficie las moléculas de nitrógeno y oxigeno se desintegran, eliminándose a los 1000 Km, mientras aumentan el helio y el hidrógeno.

Pero existen además una serie de compuestos químicos de carácter variable y de origen natural o humano que tienen una serie de efectos en el medio ambiente y en la calidad de vida de la humanidad. Los gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono, los óxidos nítricos, el metano, los clorofluorocarbonos, el agua y el ozono provocan el aumento de la temperatura terrestre y tienen su origen en los volcanes, los combustibles usados por los humanos, los gasoductos, los pantanos, la ganadería, los cultivos y los frigoríficos. Los clorofluorocarbonos a su vez también destruyen el ozono estratosférico que evita la entrada de la perniciosa radiación ultravioleta. Además de los óxidos nítricos los combustibles emiten también dióxido de azufre, ambos tóxicos y catalizadores de la lluvia ácida, sobre todo en zonas industriales. Las partículas en suspensión generadas en las ciudades y en los cultivos (polvo, humo, ceniza, sal, esporas y gotas) pueden provocar enfermedades cardíacas y respiratorias, alergias y asma. Para nuestra tranquilidad la presencia de la mayoría de esas substancias en el aire es rara, aunque en mayor proporción en las ciudades.

Finalmente comentar que la propia atmósfera se subdivide en diversas capas hasta el límite de 130 000 Km (magnetosfera, el campo magnético terrestre) donde la densidad de partículas y átomos es extremadamente baja; aunque el límite más adecuado de la atmósfera es la exosfera a 15 000 Km de altura. Aun así la densidad a esas alturas es ya muy baja, teniendo en cuenta que el 80% de la masa de la atmósfera se concentra en los primeros 1’5 Km de altura, en la troposfera, donde la temperatura media es de 15ºC gracias al calentamiento provocado por el agua y el dióxido de carbono principalmente.