CSNAT03 La atmosfera - Explora

EXPLORALAS CIENCIAS EN EL MUNDO CONTEMPORÁNEOPROGRAMADE CAPACITACIÓNMULTIMEDIALCIENCIAS NATURALESLA ATMÓSFERAIntroducción. La Tierra: un lugar para la vida | Composición y estructura vertical de la atmósfera |Radiación | El efecto invernadero natural | Impacto de las actividades humanas en la atmósfera | Atmósfera urbana |El agujero de ozono | Cambio climáticoAutoras: Dra. Inés Camilloni (UBA y CONICET) y Dra. Carolina Vera (UBA y CONICET) | Coordinación Autoral: Dr. Alberto Kornblihtt(UBA y CONICET)

2 EXPLORA CIENCIAS NATURALESINTRODUCCIÓN.LA TIERRA: UN LUGAR PARA LA VIDACortesía de Earth Sciences and Image Analysis Laboratory, NASA, Johnson Space Center / EE.UU.La Tierra vista desdeel espacio.El hecho de que el planeta Tierrasea un lugar adecuado para lavida tal como la conocemos es principalmenteuna consecuencia de suclima moderado. Un requerimientofundamental para la vida es el agualíquida, y la Tierra es el único planetadel Sistema Solar que la posee. Venus,nuestro vecino inmediato en direcciónal Sol, tiene una temperatura superficialpromedio de 460 °C, suficientecomo para derretir plomo. Marte, elplaneta más cercano en direcciónopuesta al Sol, tiene una temperaturapromedio de -55 ºC, que es equivalentea las temperaturas más fríasexperimentadas en el Polo Sur. Latemperatura promedio de la superficieterrestre es de 15 °C. Esto haceque la Tierra sea un lugar no sólo habitable,sino también relativamente placenteropara vivir.¿Por qué Venus es demasiado caluroso,Marte demasiado frío y la Tierratiene la temperatura adecuada parala vida? La intuición sugiere que larespuesta es que la Tierra resulta estara la distancia justa del Sol (y en consecuenciarecibiría exactamente la cantidadcorrecta de luz solar), mientrasque Venus y Marte no lo están. Unanálisis más detallado revela que nosólo la cantidad de luz solar recibidapor un planeta determina la temperaturade su superficie. La superficie deun planeta es también calentada medianteel efecto invernadero de su atmósfera,cuando esta existe. Como veremosmás adelante, la atmósfera deun planeta permite que penetre la luzsolar, pero retarda la velocidad con quese pierde el calor. Sin el efecto invernadero,la temperatura promedio de lasuperficie de la Tierra sería de -18 °C−es decir, 33 °C más fría que el valorregistrado− y sería un planeta congeladoy estéril.Para entender cómo funciona el efectoinvernadero de la atmósfera, describiremossu composición, y también lanaturaleza de la radiación solar.

LA ATMÓSFERA3COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA VERTICAL DE LA ATMÓSFERALa atmósfera de la Tierra es una coberturagaseosa compuesta principalmentepor nitrógeno (N2) y oxígeno(O2) molecular, con pequeñascantidades de otros gases, como vaporde agua (H2O) y dióxido de carbono(CO2). La capa fina azulada cercadel horizonte que se observa en la imagenrepresenta la parte más densa dela atmósfera. Aunque nuestra atmósferatiene un espesor de varias centenasde kilómetros, cerca del 99 % desu masa gaseosa se encuentra dentrode los primeros 30 km cercanos a lasuperficie terrestre.La tabla muestra que el nitrógenorepresenta cerca del 78 % y el oxígeno,el 21 % del volumen total de laatmósfera cerca de la superficie terrestre.En la atmósfera existe un balanceentre la salida (destrucción) y entrada(producción) de estos gases. Por ejemplo,el nitrógeno es removido de laatmósfera principalmente por procesosbiológicos que involucran las bacteriaspresentes en los suelos, y retornaa la atmósfera por medio de ladegradación de la materia orgánicapor la acción de microorganismos. Eloxígeno, por su parte, es removido dela atmósfera por la degradación de lamateria orgánica y por los procesos deoxidación en los que se combina conotras sustancias. El oxígeno tambiénes consumido en la respiración de losseres vivos, por la que se libera dióxidode carbono. La incorporación de oxígenoa la atmósfera ocurre, en cambio,en los procesos de fotosíntesis.Existen enormes variaciones en elvolúmen del vapor de agua según laszonas: cerca de la superficie, en lasregiones tropicales, el vapor de aguapuede constituir hasta el 4 % de losgases atmosféricos, mientras que enregiones polares representa bastantemenos del 1 %. El vapor de agua nosólo es un componente de la atmósferaextremadamente importante porsu papel en los procesos de condensacióndel agua, sino también porqueconstituye una reserva de calor. Elvapor de agua se transforma en agualíquida durante la condensación; enese proceso se liberan grandes cantidadesde energía (calor latente) queconstituyen el "motor" de fenómenosmeteorológicos, como las tormentasconvectivas y los huracanes. Asimismo,como veremos más adelante, cumpleun papel importante en el balance decalor del sistema Tierra-atmósfera.El dióxido de carbono, un componentenatural de la atmósfera, ocupaalrededor del 0,036 % del volumendel aire, lo que es un pequeño peroimportante porcentaje. Entra a laatmósfera sobre todo por la degradaciónde la materia vegetal, pero tambiénlo hace por las erupciones volcánicas,la respiración de los seres vivosy, como veremos más adelante, poractividades humanas, como el uso decombustibles y la deforestación.El dióxido de carbono es removidode la atmósfera por los procesos defotosíntesis. Los océanos actúan comoreservorios enormes de dióxido decarbono, debido a que el fitoplanctonlo fija en sus células. Este gas, que sedisuelve directamente en el agua superficial,se mezcla “hacia abajo” ycircula hasta las grandes profundidades.Se estima que los océanos almacenanmás de 50 veces el dióxido decarbono presente en la atmósfera.Además del nitrógeno, el oxígeno,el vapor de agua y el dióxido de carbono,que son los gases principales,la atmósfera contiene otros en menorproporción que afectan el clima. Losmás importantes son el ozono (O3), elmetano (CH4), los óxidos de nitrógeno(NOx) y los clorofluorocarbonos.En la atmósfera también están presentestanto nubes de agua líquida yde cristales de hielo como impurezasprovenientes de fuentes naturales yDetalle de la atmósfera que recubre a la Tierra.TABLA 1.GASES DE LA ATMÓSFERAGas Fórmula química Porcentaje(por volumen)Gases permanentesNitrógeno N2 78,08Oxígeno O2 20,95Argón Ar 0,93Neón Ne 0,0018Helio He 0,0005Hidrógeno H2 0,00006Xenón Xe 0,000009Gases variablesVapor de agua H2O 0 a 4Dióxido de carbono CO2 0,036Metano CH4 0,00017Óxido nitroso N2O 0,00003Ozono O3 0,000004Partículas (polvo, etc.) 0,000001Clorofluorocarbonos (CFC) 0,00000002Cortesía de Earth Sciences and Image Analysis Laboratory, NASA, Johnson Space Center

4 EXPLORA CIENCIAS NATURALEShumanas. Partículas de polvo, sueloy sal marina son incorporadas a ellapor acción del viento y cumplen unpapel beneficioso al actuar como superficiesdonde el agua se condensapara formar las gotas de nubes. Encambio, las partículas que se introducena la atmósfera por accioneshumanas constituyen, por su accióncontaminante, un riesgo para el sistemaTierra-atmósfera.La atmósfera puede ser dividida enuna serie de capas en función de lavariación de la temperatura con la altura.En la infografía se muestra cómovaría la temperatura desde la superficiede la Tierra hasta unos 500 km de altura.En la capa más cercana a la superficie,denominada tropósfera, que seextiende en promedio hasta 12 km dealtura (con un máximo de aproximadamente19 km en latitudes ecuatorialesy un mínimo de 9 km sobre los polos),la temperatura disminuye a una tasapromedio de 6,5 °C por kilómetro. Enesta capa, que concentra el 80 % detoda la masa de la atmósfera, ocurrenlos fenómenos meteorológicos másrelevantes. En el límite superior de latropósfera, denominado tropopausa, latemperatura deja de disminuir y estácercana a los -55 °C.Por encima de la tropósfera se encuentrala estratósfera, que se extiendehasta los 45 km de altura. En ella latemperatura aumenta con la alturahasta un valor cercano a 0 °C en sulímite superior, denominado estratopausa.La concentración de masa atmosféricaen los niveles superiores dela estratósfera y en las capas por encimade ella es tan baja (99 % de lamasa está concentrada por debajo delos 30 km, aproximadamente) que elsignificado de la temperatura no es elmismo que en el nivel de la superficiedel planeta.Por encima de la estratósfera la temperaturadisminuye con la altura, definiendola capa denominada mesósfera,que culmina a unos 80 km de altitud,en la mesopausa, donde la temperaturaes del orden de los -90 °C. Por encimade ese nivel, y hasta uno superiorno bien definido, la temperatura vuelvea aumentar con la altura y define lacapa denominada termósfera.RADIACIÓNLa energía proveniente del Sol se llamaenergía radiante o radiación. Podemosdescribir la radiación electromagnéticacomo una onda eléctrica y magnéticaque se propaga de manera similar a lasondas que se mueven, por ejemplo,sobre la superficie de un lago. Una ondade cualquier tipo de radiación electromagnética(como la luz o las radiacionesultravioleta o infrarroja o losrayos X) se mueve a una velocidad fija c,conocida como "velocidad de la luz",que en el vacío es de 300.000 km/s. Laonda consiste de una serie de crestas ydepresiones. La distancia entre doscrestas (o depresiones) es llamada longitudde onda y generalmente se indicacon la letra griega λ (lambda).Aunque podemos pensar la radiaciónelectromagnética como una onda,se comporta más bien como unflujo de partículas. Se llama fotón auna "partícula" o pulso individual deradiación electromagnética. El fotónes la cantidad discreta más pequeñade energía que puede ser transportadapor una onda electromagnética deuna determinada frecuencia.El rango total de tipos de radiaciónelectromagnética que difieren por suslongitudes de onda constituyen el espectroelectromagnético. Las longitudesde onda en el rango visible se miden típicamenteen nanómetros (nm). Un nanómetroes la mil millonésima (10 -9 ) partedel metro. La radiación visible, o luzvisible, posee un rango relativamenteangosto de longitudes de onda, entre400 y 700 nm. Dentro de este rango, elcolor de la luz dependerá de su longitudde onda. La longitud de onda visiblemás larga aparece ante nuestrosojos como roja, mientras que la máscorta se registra como azul o violeta.Alrededor del 40 % de la energía delSol es emitida en longitudes de ondamás largas que el límite visible de 700nm que constituyen la radiación infra-

LA ATMÓSFERA5rroja (IR). Las ondas infrarrojas tienenlongitudes de onda entre 1.000 y1.000.000 nm. En cambio, alrededordel 10 % de la energía del Sol es emitidaen longitudes de onda más cortasque las de la luz visible, que constituyenla radiación ultravioleta (UV). Laslongitudes de ondas ultravioletas sonlas menores que 400 nm.Es importante también considerarlos siguientes conceptos. Todas las cosas, sin importar cuángrandes o pequeñas sean, emiten radiación.El aire, nuestro cuerpo, las flores,los árboles, la Tierra, las estrellas,etc. La energía se origina por la rápidavibración de los billones de electronesque componen cualquier objeto. Las longitudes de onda de la radiaciónque un objeto emite dependenprincipalmente de la temperatura delobjeto. Cuanto más alta es la temperaturadel objeto, más corta es la longitudde onda de la radiación emitida.Mientras que el Sol emite sólo unaparte de su energía en forma de radiacióninfrarroja, la Tierra, enormementemás fría, irradia prácticamente todasu energía en esa forma de radiación.En consecuencia, dado que el Sol irradiala mayor parte de su energía enlongitudes de onda mucho más cortasque las que emite la Tierra, la radiaciónsolar, generalmente, recibe el nombrede radiación de onda corta, mientrasque la radiación terrestre es referidacomo radiación de onda larga.EL EFECTOINVERNADERO NATURALSi la Tierra y todas las cosas están continuamenteirradiando energía térmica,¿por qué no se vuelven progresivamentemás frías? La respuesta es que todoslos objetos no sólo irradian energía,también la absorben. Si un objeto irradiamás energía que la que absorbe, seenfriará; si absorbe más energía que laque emite, se calentará. Durante un díasoleado, la superficie terrestre se calientaporque absorbe más energía del Soly de la atmósfera que la que irradia,mientras que durante la noche la superficieterrestre se enfría porque emitemás energía que la que recibe. Cuandoun objeto absorbe y emite energía enigual proporción, su temperatura permanececonstante.La tasa con la que un objeto absorbee irradia energía depende fuertementede las características de susuperficie −textura, color, humedad−y de su temperatura.Por ejemplo, sabemos por experienciapropia que, en un día de veranosoleado, superficies oscuras como elasfalto de las calles estarán máscalientes que superficies de coloresmás claros como las veredas de cemento.Las superficies oscuras absorbenmás energía radiante (y reflejanmenos) mientras que las superficiesclaras reflejan más energía y en consecuenciaabsorben menos. La reflectividadde una superficie se llama albedo.Si observáramos la Tierra desde elespacio, veríamos que una mitad recibeluz solar, mientras que la otra estáa oscuras. La energía solar calienta lasuperficie terrestre sólo durante el día,mientras que la superficie terrestreemite constantemente radiación infrarrojahacia el exterior tanto durante eldía como durante la noche.Si la atmósfera no existiese y nohubiera otros mecanismos de transferenciade calor, la superficie terrestreestaría en equilibrio de radiación (lacantidad de energía que absorbe esigual a la que emite), aunque la temperaturaglobal promedio que resultaríade ese balance sería de -18 °C, bastantediferente de la que se registra, quees de alrededor de 15 °C. Físicamente,la temperatura de la superficie terrestredepende de tres factores: la radiación solar que recibe; la reflectividad de su superficie (albedo); la cantidad de calor proporcionadapor la atmósfera.

6 EXPLORA CIENCIAS NATURALESTABLA 2.GASES DE INVERNADERO MÁS IMPORTANTESNombre y fórmula químicaConcentración (ppm)Vapor de agua (H2O)0,1 (Polo Sur) - 40.000 (trópicos)Dióxido de carbono (CO2) 375Metano (CH4) 1,7Óxido nitroso (N2O) 0,3Ozono (O3)0,01 (en la superficie)Freón-11 (CCl3F) 0,00026Freón-12 (CCl2F2) 0,00047Se conoce como efecto invernaderola acción de determinados componentesde la atmósfera (gases de invernadero).Esa acción consiste en la absorciónde parte de la radiación infrarrojaemitida por la superficie terrestre ysu irradiación devuelta hacia abajo. Elnombre invernadero se debe a que laacción de estos gases tiene ciertasemejanza con la que tienen los vidriosde un invernadero de plantas que permitenla entrada de luz visible, peroimpiden parcialmente la salida de laradiación infrarroja. La tabla 2 muestraalgunos de los gases de invernaderomás importantes; entre ellos, el dióxidode carbono y el vapor de agua sonlos que presentan mayor concentración.Los gases de invernadero tienenla particularidad de realizar una absorción"selectiva" de una porción de laradiación solar entrante, pues permitenque la mayor parte de la radiaciónsolar entrante (de onda corta) llegue ala superficie terrestre, pero absorbenuna buena cantidad de la radiacióninfrarroja terrestre (de onda larga), evitandoasí que se escape rápidamenteal espacio.Tanto el efecto invernadero como lacantidad de radiación solar absorbidaestán fuertemente influidos por la presenciade las nubes, que pueden producircalentamientos o enfriamientosde la superficie de acuerdo con su altitudy su espesor. También las coberturasde nieve y hielo son elementosimportantes a tener en cuenta en elbalance de energía del sistema Tierraatmósfera.Cabe destacar, entonces, que el efectoinvernadero en la atmósfera constituyeindiscutiblemente un fenómenoreal y natural (entendiendo como naturaluna situación independiente de lasactividades humanas) que permite quelas temperaturas de la superficie terrestresean las adecuadas para la vida.OZONO ESTRATOSFÉRICO: ESCUDOPROTECTOR DE LA RADIACIÓN UVEl ozono (O3) es un compuesto químicoformado por tres átomos de oxígeno.Las moléculas de ozono se crean ydestruyen continuamente en la atmósferapor medio de mecanismosnaturales, de forma tal que existe unbalance entre producción y destrucción.Aproximadamente el 90 % delozono atmosférico se encuentra en laestratósfera (la porción de atmósferasituada entre los 10 km y 45 km dealtura). La cantidad total de ozonoestratosférico es pequeña: si se locomprimiera a la presión y tempera-tura existentes en la superficie de laTierra, formaría una capa de aproximadamente3 milímetros de espesor.El ozono tiene una gran influenciasobre la biósfera por su eficiente absorciónde la radiación solar UV. Estaradiación se clasifica en UV-A (longitudesde onda entre 320 y 400 nm),UV-B (entre 290 y 320 nm) y UV-C(menos de 290 nm). Aunque los trestipos de radiación pueden dañar a losseres vivos, el efecto más perjudicial esel causado por la UV-C.Afortunadamente, el ozono absorbetotalmente la radiación UV-C yparcialmente las otras, por lo quesólo se recibe en superficie el 10 %de la UV-B y el 90 % de la UV-A.Entre los daños que puede causar laradiación UV-C está la promoción demutaciones en los genes, que puedenderivar en cánceres, enfermedadesoculares e inmunodeficiencias.Además, puede dañar el fitoplancton,base de la cadena alimentaria dela vida en el mar.

LA ATMÓSFERA7Los efectos de protección del ozonoson posibles cuando este se encuentraen su ámbito natural, es decir, en labaja estratósfera, distribuido en unacapa (la denominada capa de ozono)que va desde los 12 a los 35 km dealtura aproximadamente. Sin embargo,el ozono es nocivo cuando está enniveles más bajos (en la tropósfera)debido a su acción contaminante, yaque contribuye a potenciar el efectoinvernadero natural.La concentración de ozono estratosféricose mide en unidades Dobson(UD). Cada una de estas unidades equivalea una capa de 0,01 mm de espesor,a presión normal y 0 ºC de temperatura.La concentración normal deozono oscila entre 200 y 400 UD.Los pasos involucrados en la formaciónnatural de ozono en la estratósfera−denominada ozonogénesis−,así como en su destrucción −llamadaozonólisis−, se pueden observar enlos esquemas de esta página.Mediante una series de reacciones, elozono se forma al incidir radiación UVsobre moléculas de oxígeno (O2) atmosférico.Si la radiación posee unalongitud de onda inferior a los 240 nm(radiación UV-C), los fotones que laconstituyen son absorbidos por el O2,rompen sus ligaduras y dan lugar a dosátomos de oxígeno. Como los átomosde oxígeno son fuertemente reactivos,muchos de ellos, al colisionar con elO2, producen ozono. Esta reacción,que permite atrapar la energía de losfotones incidentes, ocurre sólo en presenciade una tercera molécula (porejemplo, nitrógeno) capaz de absorberla energía remanente.Tan importante como la formaciónde ozono es su destrucción, ya que lasligaduras del ozono son también blancode la radiación ultravioleta (en estecaso de la UV-B). De esta forma se cierrael ciclo de producción y destrucciónnatural del ozono estratosférico; comobeneficio, toda la radiación solar UVmenor de 290 nm y gran parte de lacomprendida entre 290 y 310 nm seabsorbe en la alta atmósfera y, por lotanto, no llega a la superficie terrestre.

8 EXPLORA CIENCIAS NATURALESIMPACTO DE LAS ACTIVIDADES HUMANAS EN LA ATMÓSFERAAgencia TELAMVista aérea de la ciudadde Buenos Aires y delconurbano recubiertos porun oscuro manto de smog.ATMÓSFERA URBANALos procesos de urbanización e industrializaciónson responsables de alterarel clima de las ciudades como consecuenciadel reemplazo de las coberturasnaturales del suelo por superficiesconstruidas, de la liberación de calorantropogénico a la atmósfera y de lageneración de residuos. De esta forma,dentro de las ciudades se desarrollanprocesos atmosféricos localesque son propios de espacios construidos,así como alteraciones perceptiblescon respecto a las condicionesclimáticas observadas en las regionesrurales adyacentes.CONTAMINACIÓN DEL AIREUna de las diferencias más significativasentre la atmósfera de las ciudadesy de los espacios urbanizados y laatmósfera rural radica en la composicióndel aire. El aire de la atmósferaurbana está compuesto, además de lamezcla de gases mencionada anteriormente,por otros gases (principalmentedióxido de azufre, óxidos denitrógeno y monóxido de carbono),por productos fotoquímicos (como elozono) y por partículas y aerosoles(polvo, humos, cenizas, sales, etc.). Lacomposición de la atmósfera urbanaes consecuencia de las combustionesdoméstica e industrial, del transporte,de la producción de energía, de la incineraciónde residuos, etc. Muchos deestos componentes de la atmósferaurbana se comportan como catalizadoresque propician ciertas reaccionesquímicas y fotoquímicas (es decir, conla intervención de la radiación solar).Entre ellas cabe destacar la que conducea la formación de ozono troposféricoen áreas industriales y urbanasa causa de las emisiones de hidrocarburosy óxidos de nitrógeno por partedel parque automotor. Este ozonourbano nocivo entra en juego conotras reacciones para formar el smogfotoquímico. Gran parte de estos compuestosquímicos que se encuentranpresentes en la atmósfera urbana puedendar lugar a episodios de contaminaciónsevera bajo ciertas condicionesmeteorológicas.En general, las condiciones climáticasmás desfavorables para que loscontaminantes tengan una alta diluciónatmosférica están asociadas conlos sistemas anticiclónicos de inviernoque favorecen la formación de inversionestérmicas e inhiben la mezclavertical. El fenómeno de inversión térmicase produce ocasionalmente y encircunstancias en las que la temperaturaaumenta con la altura. Cuando elárea urbana se encuentra en un emplazamientogeográfico singular, talcomo un valle o cuenca rodeada pormontañas, la inversión térmica puedeactuar como una auténtica tapa formandouna cúpula de polvo sobre laciudad. Córdoba, Mendoza y Salta sonalgunas de las ciudades argentinasen las que se produce este tipo defenómeno.

LA ATMÓSFERA9ISLA URBANA DE CALORLa urbanización provoca varias modificaciones;entre ellas, la más evidentees la de la temperatura de la atmósferade las ciudades donde se desarrollael fenómeno conocido como isla urbanade calor (IUC), que hace referenciaa que durante noches calmas y sinnubosidad las ciudades suelen ser especialmentemás cálidas que el mediorural que las rodea.En general, el área urbana que presentatemperaturas más altas coincidecon el centro de las ciudades dondelas construcciones forman un conjuntodenso y compacto. Las isotermaspresentan generalmente una disposiciónconcéntrica alrededor delcentro urbano con valores que tiendena disminuir hacia las regiones menosconstruidas.La intensidad de la IUC se evalúa porlo general como la diferencia observadaen un instante determinado entre latemperatura del centro de la ciudad (Tu)y la del área rural próxima (Tr). Estaintensidad varía con la hora del día y laestación del año, y depende tambiénde factores meteorológicos, como elviento y la nubosidad, y de factoresurbanos, como la densidad de poblacióno el tamaño de la ciudad. En general,la máxima intensidad se produceentre 4 y 6 horas después de lapuesta del Sol, mientras que duranteel mediodía y las primeras horas de latarde la diferencia suele ser mínima e,incluso, en algunas ciudades −comoBuenos Aires− la temperatura urbanapuede ser inferior a la rural. Este fenómenoinverso suele denominarse "islafría" o "anti isla de calor". Asimismo,estacionalmente, la máxima intensidadse observa generalmente durante elinvierno, en especial en ciudades coninviernos muy fríos.Entre las causas que generan la IUCse encuentran las siguientes: La capacidad de almacenamientodel calor recibido durante las horas deldía por parte de los materiales (hormigón,cemento, asfalto, etc.) utilizadosen las edificaciones urbanas. Este calores posteriormente devuelto a la atmósferadurante la noche. La producción de calor antropogénicocomo consecuencia de las diferentesactividades y los procesos decombustión. La disminución de la evaporación,debido a la sustitución de los espaciosverdes naturales por pavimento, lo quefavorece el escurrimiento e impide elalmacenamiento de agua en el suelo. El aumento de la radiación terrestreque es absorbida y reemitida haciael suelo por la contaminación del aireurbano.La velocidad del viento es quizás elparámetro meteorológico capaz demodificar más significativamente la in-

10 EXPLORA CIENCIAS NATURALESTOMS Science Team & the Scientific Visualization Studio, NASA, GSFC / EE.UU.El agujero de ozono el 10 de septiembre de 2000.tensidad de la isla de calor. A medidaque aumenta la velocidad del viento, ladiferencia de temperatura urbana-ruraldisminuye; al alcanzar velocidades críticas,la IUC no puede desarrollarse.Estos valores críticos varían de una ciudada otra y dependen en gran medidade las dimensiones del conjunto urbano.Cuando la velocidad del viento esmoderada, la IUC suele deformarse yorientarse en la dirección en la quesopla el viento, mientras que las máximastemperaturas tienden a encontrarsea sotavento del área más densamenteconstruida.La nubosidad es también un factorlimitante para la intensidad de la IUC,ya que, generalmente, a mayor nubosidad,menor intensidad. Entre los factoresurbanos que condicionan la intensidadde la IUC, el más importantees el número de habitantes. De estaforma, la máxima diferencia de temperaturaurbana-rural suele ser proporcionalal logaritmo de la población.La IUC tiene asociadas consecuenciastanto meteorológicas, como económicasy biológicas que pueden tenerimpactos positivos y negativos. Lasconsecuencias meteorológicas estánasociadas con un aumento de la nubosidady la precipitación producido porla convección urbana causada por elcalentamiento de la ciudad. A su vez,provoca la creación de una brisa en laque el aire proveniente de la periferiase dirige hacia el centro de la ciudad.En el nivel socioeconómico, las concecuenciasse traducen en una reducciónde las necesidades de calefacciónen invierno y el consecuente ahorroenergético, principalmente en aquellasciudades donde este fenómeno seregistra con más intensidad durante elinvierno; por otra parte, también tieneasociado un incremento de las necesidadesde refrigeración durante el verano.Respecto de los impactos sobre lasalud, agrava el estrés térmico duranteel verano, incrementando el riesgo demuertes en un determinado sector dela población urbana afectada por dolenciascardiovasculares y respiratorias.EL AGUJERO DE OZONODesde comienzos de la década de1980 se realizaron observaciones sobrela concentración del ozono estratosféricoque permitieron constatar quedurante los meses de septiembre yoctubre de cada año se produce en laregión antártica una vertiginosa caídaen la concentración del ozono. Estefenómeno, conocido como "agujerode ozono", está centrado cerca delPolo Sur y comprende toda la Antártiday mares adyacentes. El área que quedadebajo del agujero de ozono abarcamillones de kilómetros cuadrados; el10 de septiembre de 2000 ocurrió unade las caídas más grandes de la concentraciónobservada hasta la fecha.Hay acuerdo en señalar que la formaciónperiódica del agujero de ozonoobedece a la acción conjunta detres factores fundamentales: los clorofluorocarbonos (CFC);

LA ATMÓSFERA11la circulación atmosférica;las nubes estratosféricas polares.LOS CLOROFLUOROCARBONOSEn el proceso de destrucción del ozonoestratosférico, el cloro es tan importantecomo la radiación solar, como seexplicó anteriormente, por lo que esfundamental conocer su origen. Lasconcentraciones de cloro de origennatural son muy bajas, especialmenteen la estratósfera y, por consiguiente,no pueden explicar los niveles de destrucciónde ozono observados en losúltimos años. El cloro atmosférico enlas proporciones existentes en la actualidadtuvo su origen en la década de1950 a partir de la creación de los clorofluorocarbonos(CFC) para ser usadosen diversas aplicaciones industriales(refrigeración, extinguidores deincendios, propelentes de aerosoles,aislantes térmicos, etc.). Los CFC tienenuna supervivencia en la atmósferade entre 50 y 100 años, y ante la radiaciónUV se disocian y dan comienzo aun proceso de destrucción del ozonosimilar al indicado anteriormente.EL OZONO Y LA CIRCULACIÓNATMOSFÉRICACon el advenimiento de la noche polar,la ausencia de radiación solar enfría laatmósfera y da origen a un vórtice estratosféricopolar caracterizado porvientos que giran ciclónicamente (comolas agujas del reloj en el hemisferiosur) a gran velocidad sobre el continenteantártico entre los 8 y 50 km de altura.Al comienzo de la primavera susráfagas alcanzan los 400 km/h. El vórticepolar puede ser imaginado comouna pared de un recipiente de 500 kmde diámetro que impide el intercambiogaseoso del aire que se halla en su interiorcon el que está afuera.En la noche polar, cesan dentro delvórtice las reacciones fotoquímicas(responsables, entre otras cosas, dela formación y destrucción natural delozono), pero no las químicas. Unejemplo de estas últimas es la reacciónentre los compuestos cloradosque origina moléculas más establesque se depositan en reservorios inactivos.El cloro se almacena como cloromolecular (Cl2) inerte en la oscuridad,pero con una vida media de una horadespués de la llegada de la luz solar.Al término de la noche polar, el Cl2,hasta entonces inactivo, se separa endos átomos de cloro (Cl) muy reactivosante la presencia de la radiaciónUV. Los átomos de Cl liberados colisionancon moléculas de ozono, produciendomonóxido de cloro (ClO) yoxígeno molecular (O2). A continuación,el ClO puede reaccionar conátomos de oxígeno producidos en elproceso natural de formación y destruccióndel ozono y se regenera asíel cloro atómico. De esta manera, unsolo átomo de cloro es capaz de darorigen a una reacción que destruye100.000 moléculas de ozono.LAS NUBESESTRATOSFÉRICAS POLARESDentro del vórtice polar, la temperaturadesciende hasta niveles entre-80 y -90 ºC, lo que provoca la formaciónde las nubes estratosféricaspolares (NEP) a aproximadamente20 km de altura. Estas nubes, a diferenciade las nubes troposféricas,están compuestas por partículas decristales de hielo y ácido nítrico quedescienden por su peso a una velocidadde 1 km/día. Esta desnitrificaciónde la estratósfera genera las condicionesfavorables para que el cloro puedallevar a cabo las masivas destruccionesde ozono.Tanto la presencia de un vórtice polarintenso como la existencia de las NEPpermiten explicar por qué el agujero deozono en el hemisferio sur es más evidenteque en el hemisferio norte.Mientras que la Antártida es un continentecasi perfectamente centrado enel Polo Sur y rodeado por las más extensassuperficies de agua del planeta,el Ártico es un inmenso océano congeladorodeado de grandes extensionesde tierras continentales. Estas desigual-dades topográficas son fundamentalespara la formación y permanencia delvórtice polar. Así, mientras que en laAntártida los vientos que definen elvórtice giran sobre la superficie lisa delmar prácticamente sin la presencia deobstáculos, en el Ártico, esos vientoschocan, en gran parte de su recorrido,con barreras montañosas −como losAlpes escandinavos, los Montes Uralesy las Montañas Rocosas canadienses−que desestabilizan el vórtice y hacenque, en varias ocasiones y durante elinvierno, desaparezca y se forme nuevamenteunos días más tarde. La roturadel vórtice termina con las condicionesde aislamiento del aire interior y masasde aire precedentes de latitudes másbajas, y por lo tanto más calientes, quereemplazan a las que se encontrabanen el interior. De esta forma, el aire enel interior del vórtice ártico tiene unatemperatura entre 10 y 15 °C más elevadaque en el vórtice antártico, lo queinhibe también el desarrollo de NEP.

12 EXPLORA CIENCIAS NATURALESENTREVISTA A LA DRA. SUSANA DÍAZIngeniera en electrónica e investigadora independiente del CONICET. A partir de 1988 ha centrado sus investigaciones en eltema de la disminución en la concentración de ozono estratosférico y la radiación ultravioleta solar en el Centro Austral deInvestigaciones Científicas (CADIC), situado en Ushuaia.¿Qué actividades realiza el Laboratorio deUV y Ozono del CADIC en Ushuaia y quétipo de profesionales trabajan allí?El laboratorio realiza estudios sobre las variacionesde la columna total de ozono y suefecto sobre la radiación ultravioleta (UV)solar. Las actividades comenzaron en 1988,cuando, por un convenio entre el CONICET(Argentina) y la National Science Foundation(NSF, EE.UU.), se instaló uno de los espectrorradiómetrosde la red de monitoreo de laNSF en el CADIC.En la actualidad seguimos con este convenioy, además, hemos incorporado otros con elInstituto Nacional de Tecnología Aero-Espacial(INTA, España); el Istituto de Física dellaAtmósfera (IFA, Italia); la Dirección Nacional deMeteorología (DNM, España) y el FinishMeteorological Institute (FMI, Finlandia), en losque interviene, también, la Dirección Nacionalde Antártico.Por otra parte, estamos llevando a cabo unproyecto internacional del Inter-AmericanInstitute for Global Change (IAI). Este proyectocomprende distintas áreas: efectos sobresistemas acuáticos marinos, de agua dulce yplantas costeras; modelado de efectos, estudiodel impacto socioeconómico y red demonitoreo de la radiación UV, la que incluyenueve estaciones situadas en Chile y laArgentina, distribuidas entre Ushuaia y Jujuy,y una en Puerto Rico. Nosotros estamos a cargode este último tema y hemos colaboradocon el área de sistemas marinos y con la componentesocioeconómica.¿Qué es la red de monitoreo de la UV de laNational Science Foundation?Después del descubrimiento del agujero deozono, la NSF decidió instalar una red deespectrorradiómetros, en estaciones antárticasy subantárticas, para determinar la variaciónde la radiación UV a nivel de suelo, debidaa la disminución de ozono estratosférico.La red fue establecida en 1988 y ese año seinstalaron tres espectrorradiómetros en laAntártida (South Pole, Mc Murdo y Palmer) yuno en Ushuaia. Posteriormente se instalaroninstrumentos en Barrow, Alaska (1990) y enSan Diego, California (1992).Debido a sus características, estos equipospermiten conocer la distribución espectralde la radiación UV a nivel del suelo ydiscriminar los cambios debidos a la disminucióndel ozono estratosférico de los producidospor otros factores, tales como lanubosidad. La información provista por lared es utilizada en estudios tanto atmosféricoscomo biológicos, llevados a cabo porcientíficos de distintas partes del mundo.¿Cuál es la situación de Ushuaia respectodel agujero de ozono?Como es sabido, el agujero de ozono se formasólo en primavera. Mientras las regiones máscontinentales de la Antártida están bajo suefecto prácticamente durante toda la primavera,la zona peninsular de la Antártida y el surde Sudamérica se ven afectados sólo en algunosdías al elongarse el vórtice o al desprendersede él masas de aire pobres en ozono.En Ushuaia, los valores más bajos de columnatotal de ozono (entre 140 y 150 UD) se observangeneralmente a mediados de octubre,pero los niveles más altos de radiación UV suelenocurrir en noviembre o diciembre, debido ala disminución en la inclinación de los rayossolares, al acercarse el solsticio de verano. En laprimavera del año 2000 se produjeron los valoreshistóricos más bajos de columna total deozono y los máximos de radiación UV. Esa temporadaconstituyó una excepción, pues ambosfenómenos se observaron el mismo día (12 deoctubre). Los valores de radiación fueron equivalentesa los que se presentan, en condicionesnormales de ozono, en un lugar como BuenosAires, según se pudo observar con diferentesinstrumentos y cálculos realizados con modelos.Una situación similar se observó en laregión sur de Sudamérica.¿Qué efectos produce la disminución delozono en los sistemas biológicos marinos yterrestres? ¿Qué impactos se observan en laregión sur de Sudamérica?Se han realizado numerosos estudios paradeterminar los posibles efectos de la disminucióndel ozono sobre los ecosistemas. Unode los primeros resultados, en 1992, fue laobservación de una disminución en la productividadprimaria del fitoplancton en presenciadel agujero de ozono. También enestudios realizados en forma conjunta porlos grupos de los doctores Caldwell (UtahState University), Ballaré y Salas (ambos deIFEVA, UBA), con quienes hemos colaborado,se ha observado un efecto sobre el ADN deplantas autóctonas de Ushuaia y una diferenciaen la presencia de ciertas especies de lamicrofauna.

LA ATMÓSFERA13CAMBIO CLIMÁTICOEVIDENCIASDEL CAMBIO CLIMÁTICOUno de los cambios ambientales másagudo y controversial que está ocurriendoen la actualidad es el calentamientoglobal. Este problema es extremadamentecomplejo, porque involucradiferentes partes del sistemaTierra-atmósfera. Es controversial porquees difícil separar las influenciasantropogénicas de las naturales y,además, porque sus causas están profundamenteligadas con la infraestructuraindustrial mundial, que, porlo tanto, son difíciles de eliminar.Muchas veces se confunde el "efectoinvernadero", fenómeno natural denuestra atmósfera, con el "calentamientoglobal", consistente en el aumentode la temperatura de la superficieterrestre como consecuencia dela potenciación del efecto invernaderonatural.Las temperaturas globales han aumentadoalrededor de 0,6 °C (±0-2 °C)desde el siglo XIX y alrededor de 0,2 a0,3 °C durante los últimos 25 años(período en que las observaciones sonmás confiables). El año 2005 ha sidoel más caliente del registro y 1998 elsegundo. Se observó que las temperaturassobre las regiones continentaleshan aumentado más que sobre losocéanos, lo que es esperable, ya quela tierra se calienta y enfría más rápidoque el agua.Pero el calentamiento no ha sidoglobalmente uniforme. En el gráfico(abajo) se pueden ver las tendenciaspositivas de temperatura como círculosrojos y las negativas como azules.El tamaño de los círculos representa lamagnitud de la tendencia correspondiente.Se destaca que, de hecho, algunasáreas se han enfriado duranteel último siglo.Hasta el momento los científicosdiscuten sobre si este calentamientoes resultado de las actividades humanaso de variaciones naturales del sistemaclimático.Quienes piensan que los seres humanosestán alterando el clima sostienenque las actividades humanas liberangases que aumentan el efecto invernaderode la atmósfera. Las concentracionesatmosféricas del dióxido de carbonohan aumentando más del 12 %desde 1958, cuando fueron medidaspor primera vez en el Observatorio deMauna Loa, en Hawai. Este incrementose debe principalmente a la utilizaciónde combustibles fósiles como el petróleoy el carbón. La deforestación tambiénjuega un papel importante en laliberación de dióxido de carbono, yasea por la combustión o la descomposiciónde la madera cortada; a esto sepuede atribuir probablemente alrededorde un 20 % del aumento del dióxidode carbono observado. No existecontroversia científica en cuanto a quela causa de tal aumento se debe a lasactividades humanas. Los niveles dedióxido de carbono anteriores a laépoca industrial eran de alrededor de280 ppm, mientras que los niveles actualesestán alrededor de 370 ppm. Talconcentración de dióxido de carbonoes la mayor en los últimos 420.000años y probablemente de los últimos20 millones de años.Otros gases de invernadero están ganandotambién notoriedad porque susconcentraciones han aumentado con-

14 EXPLORA CIENCIAS NATURALESse puede ver en las imágenes de la páginasiguiente, existen diferencias regionales.En el caso de la Argentina, elaumento de temperatura, según unode los escenarios posibles (denominadoescenario A2), sería de entre 2 y 3 °C.Se espera que las precipitacionesaumenten durante el siglo XXI, particularmentesobre las regiones de latitudesmedias y altas del hemisferio norte.En el caso de la Argentina, el escenarioA2 describe un aumento leve de las lluvias,en particular sobre la Cuenca delPlata. Se proyecta también que tantolas extensiones de nieve como el hielomarino decrecerán, que los glaciares ylos casquetes polares continuaránretrocediendo y que los niveles de losocéanos aumentarán.siderablemente. Entre ellos se encuentranel metano (CH4), el óxido nitroso(N2O), y los clorofluorocarbonos (CFC).La manera de probar que el aumentode los gases de invernadero provoca elcalentamiento global consiste en la simulaciónde los procesos involucradosen el sistema climático. Estos procesospueden ser representados por ecuacionesmatemáticas, aunque la complejidaddel sistema climático hace que elcálculo de estos efectos pueda serrealizado sólo mediante programas decomputadoras, llamados modelos climáticos.Existen diferentes tipos demodelos climáticos utilizados tanto parala simulación como para la prediccióndel clima. Las limitaciones respectodel conocimiento y de los recursoscomputacionales provoca que los resultadosde los modelos climáticos esténsujetos a ciertos niveles de incertezas.Cabe destacar que el cambio climáticotambién se percibe en otros componentesdel sistema climático, por ejemplo,el nivel del mar, las precipitaciones,la ocurrencia de eventos extremos, etc.En la imagen se puede ver que mientrasexisten regiones con tendencia aaumentar las precipitaciones (círculosverdes), como la Argentina, en otras eldecrecimiento de las lluvias (círculosnaranjas) son notorios.ESCENARIOS CLIMÁTICOSPOSIBLES EN EL FUTUROSuponiendo que las concentracionesde gases de invernadero continúanacrecentándose, ¿En qué medidaaumentará la temperatura global dela superficie terrestre y cuánto afectaráa los diferentes componentes delsistema climático? Mediante modeloscomputacionales pueden obtenerseescenarios climáticos futuros, considerandodiferentes "escenarios" de emisiónde gases de invernadero, que sibien no constituyen predicciones delclima, representan diferentes estadosclimáticos posibles.El Panel Intergubernamental para elCambio Climático (PICC) elaboró unaserie de escenarios de concentraciónde los diferentes gases de invernadero,que describen distintas tasas de crecimiento.Si bien cada uno de estos escenariossería igualmente probable, dependende la evolución del desarrollosocioeconómico y de la concienciaambiental.Sobre la base de los posibles escenariosde concentración de gases de invernaderoy considerando las incertidumbresde las simulaciones climáticas,el PICC proyecta un aumento de latemperatura global de 1,4 a 5,8 °C entre1990 y 2100. No obstante, comoACCIONES FUTURASEl cambio climático es un problema globalde largo plazo (varias centurias) einvolucra interacciones complejas entreprocesos climáticos, ambientales, económicos,políticos, institucionales, socialesy tecnológicos. La estabilizaciónen la concentración de gases de invernaderoen un nivel que impida interferenciasantrópicas peligrosas para el sistemaclimático resulta fundamentalpara que el desarrollo sea sostenible,para asegurar la producción de alimentosy para permitir que los ecosistemasse adapten naturalmente al cambio climático.En consecuencia, las accionesde mitigación de las emisiones crecientesde gases de invernadero debensumar acciones apropiadas de adaptación.Las medidas disponibles para lamitigación del cambio climático incluyenla reducción del consumo de hidrocarburosy su sustitución por fuentesde energía renovables (hídrica, solar yeólica). Para ello es necesario que sepromocione el uso de estas energías deforma que resulten competitivas entérminos económicos. Asimismo, seránecesaria la implementación de políticasque ordenen los cambios en el usodel suelo, promoviendo la sustentabilidadde las actividades agropecuarias ydel sector forestal.

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16 EXPLORA CIENCIAS NATURALESEPISTEMOLOGÍAAgustín Adúriz-BravoPara entender la construcción delas ciencias interesa contestar dospreguntas complementarias: ¿quées lo que sabemos? y ¿cómo esque lo sabemos? La segunda preguntaremite a la llamada naturalezade la ciencia, estudiada por ladisciplina conocida como epistemología.Preguntarnos acerca decómo la ciencia llega a saber algosobre el mundo natural es, antetodo, interrogarnos sobre lametodología científica.En esta sección venimos aportandoalgunas ideas para pensarsobre la metodología. Hemoshablado de que la ciencia da sentidoal mundo por medio de teorías,construye modelos hipotéticospara hacer inferencias sobrelas causas de los fenómenos, y leelos hechos científicos desde estasconstrucciones conceptuales.También nos hemos referido altema de cómo los científicos dana entender sus modelos por mediodel lenguaje y la utilización devarias herramientas.Otro camino importante paraentender la naturaleza de la cienciay de sus métodos es intentardeterminar las relaciones entre loque decimos sobre el mundo (elconocimiento científico) y cómo elmundo es realmente. La mayorparte de los científicos sostienenuna postura realista. Esto significaque ellos creen que el mundo esefectivamente como los modelosque reconstruyen: que en la realidadexisten las moléculas, los cromosomas,las placas tectónicas,las supernovas...Pero la cuestión del realismo noes tan sencilla. Tomemos porejemplo la frase del texto que diceque "el nitrógeno es removido dela atmósfera principalmente porprocesos biológicos que involucranlas bacterias presentes en lossuelos, y retorna a la atmósferapor medio de la degradación de lamateria orgánica por la acción demicroorganismos". Por un lado, lafrase está redactada de forma talque parece describir el mundo. Elconocimiento científico nos da laimpresión de estar hablando dehechos observables y medibles asimple vista o con instrumentos.Sin embargo, estos "hechos" sonen realidad elaboraciones muycomplejas, provenientes de transformarcon ideas teóricas la enormecantidad de datos que obtenemosal intervenir en el mundo.En este sentido, las teorías nosdicen qué observar y medir, cómohacerlo y qué entender de losresultados conseguidos. Teoríasopuestas pueden leer los mismoshechos de forma totalmente antagónica,y de allí la idea de "paradigma"como manera de ver elmundo.Por otro lado, esa misma frasedel texto parece una afirmacióncategórica, pero en verdad tieneun carácter más bien hipotético,provisional y perfectible. Las teoríasy sus modelos son conjeturasmuy abstractas que pretenden"parecerse" al mundo; en estesentido, son analogías para pensarlo.Y son aceptadas durante uncierto período histórico por sucapacidad de explicar lo que pasaa nuestro alrededor y de predecirnuevos sucesos. Estas teorías ymodelos "inventan" entidadescomo las moléculas y los cromosomas,que luego se ponen encorrespondencia con determinadosobjetos y fenómenos de larealidad.BibliografíaAhrens, D.: Meteorology Today: An Introduction to Weather,Climate and the Environment, Brooks Cole, 2000.Barros, V.: El cambio climático global, Buenos Aires. Libros del Zorzal, 2004.Barry, R. and Chorley, R.: Atmosphere, Weather and Climate,Londres, Routledge, 1998.Camilloni, I. y C. Vera: El aire y el agua en nuestro planeta,Buenos Aires, EUDEBA, 2006.Kump, L., J. Kasting y R. Crane: The Earth System, New Jersey,Prentice-Hall, 1999.Panel Intergubernamental de Cambio Climático: Cambio Climático2001. Informe de síntesis, Grupo Intergubernamental de Expertossobre el Cambio Climático, OMM, Naciones Unidas, 2003.Páginas webhttp://www.atmo.fcen.uba.arhttp://www.cima.fcen.uba.arAgradecimientosEl equipo de Publicaciones de la Dirección Nacional de Gestión Curricular yFormación Docente agradece a las siguientes instituciones y personas porpermitirnos reproducir material fotográfico y colaborar en la documentaciónde imágenes: Earth Sciences and Image Analysis Laboratory, NASAJohnson Space Center (EE.UU.); NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center,Boulder (EE.UU.); NOAA Photo Library; OAR/ERL Natio-nal Serve StormsLaboratory (EE.UU.), Naval Research Laboratory, Clemen-tine Mission(EE.UU.); TOMS Science Team & the Scientific Visualization Studio, NASAGSFC (EE.UU.); Instituto Nacional de Pesquisas Espaciales - DSA/CPTEC/INPE(Brasil) y Walter S. Kiefer.Ministro de Educación, Ciencia y Tecnología, Lic. Daniel FilmusSecretario de Educación, Lic. Juan Carlos TedescoSubsecretaria de Equidad y Calidad, Lic. Alejandra BirginDirectora Nacional de Gestión Curricular y Formación Docente,Lic. Laura PitmanCoordinadora del Área de CienciasNaturales, Lic. Nora BahamondeCoordinadora del Área de DesarrolloProfesional, Lic. Silvia StorinoCoordinadora del Programa deCapacitación Explora, Lic. Viviana CelsoCoordinadora de Publicaciones,Lic. Raquel FrancoCoordinación y documentación,Lic. Rafael BlancoEdición, Lic. Gonzalo BlancoDiseño y diagramación,DG María Eugenia MásCorrección, Norma A. Sosa Pereyrawww.me.gov.ar