Tema 13

L'atmosfera és l'embolcall gasós que envolta la Terra, retingut per la gravetat. Encara que la seua massa és minúscula comparada amb la del planeta, la seua física governa el clima, el temps meteorològic, el balanç d'energia i la mateixa habitabilitat de la superfície. Aquest tema aplica els principis de la termodinàmica, la mecànica de fluids i la radiació —continguts ja introduïts en el temari— al sistema atmosfèric real, i connecta amb la química ambiental en abordar la contaminació i els seus remeis. És, per tant, un tema mixt i transversal, de gran valor per a mostrar a l'alumnat que les lleis físiques i químiques descriuen el món que habitem.

La seua rellevància curricular i social és evident: comprendre l'efecte hivernacle, la capa d'ozó o la pluja àcida és hui un component bàsic de l'alfabetització científica i de l'educació per a la sostenibilitat. Des que Torricelli va mesurar la pressió atmosfèrica en 1643, i des que Fourier (1824) i Arrhenius (1896) van formular les primeres idees sobre l'efecte hivernacle, la física de l'atmosfera no ha deixat de guanyar importància.

1. Física de l'atmosfera

Composició

L'atmosfera seca està formada, en volum, per nitrogen ($\mathrm{N_2}$, 78,1 %), oxigen ($\mathrm{O_2}$, 20,9 %), argó ($\mathrm{Ar}$, 0,93 %) i diòxid de carboni ($\mathrm{CO_2}$, ~0,04 %), més gasos traça (neó, heli, metà, ozó). A això s'afig el vapor d'aigua, molt variable (0–4 %), responsable dels fenòmens meteorològics, i els aerosols (partícules en suspensió). Fins a uns 100 km la composició és pràcticament homogènia (homosfera), gràcies a la mescla turbulenta.

Estructura vertical

L'atmosfera es divideix en capes segons el gradient de temperatura:

• Troposfera (0–12 km): la temperatura descendeix amb l'altura; concentra el 75 % de la massa i quasi tot el vapor d'aigua; és la capa del temps meteorològic.
• Estratosfera (12–50 km): la temperatura augmenta amb l'altura per l'absorció de radiació UV en la capa d'ozó.
• Mesosfera (50–85 km): la temperatura torna a descendir; en ella es desintegren els meteoroides.
• Termosfera (85–500 km): la temperatura creix molt per absorció de radiació d'ona curta; conté la ionosfera.
• Exosfera: transició gradual a l'espai.

Pressió i equilibri hidrostàtic

La pressió atmosfèrica és el pes de la columna d'aire per unitat de superfície, $p = F/A$. El seu valor normal al nivell del mar és $p_0 \approx 101\,325\ \mathrm{Pa} = 1\ \mathrm{atm}$. En una atmosfera en repòs, una capa de gruix $dh$ està en equilibri hidrostàtic: el gradient de pressió compensa el pes,

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

Tractant l'aire com a gas ideal, $pV = nRT$, la seua densitat és $\rho = \dfrac{pM}{RT}$, amb $M$ la massa molar mitjana de l'aire ($\approx 0{,}029\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}$). Substituint i suposant temperatura constant:

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

Aquesta és la fórmula baromètrica: la pressió decreix exponencialment amb l' altura. La constant $H = \dfrac{RT}{Mg} \approx 8\ \mathrm{km}$ és l'altura de escala, l'altura a la qual la pressió es redueix en un factor $e$.

2. Fenòmens atmosfèrics

Humitat i canvis d'estat de l'aigua

La humitat relativa compara la pressió parcial de vapor amb la de saturació a eixa temperatura:

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

Quan l'aire es refreda fins al punt de rosada, arriba a la saturació ($HR = 100\ \%$) i el vapor condensa formant núvols, boira o rosada. La pressió de vapor de saturació creix ràpidament amb la temperatura segons la relació de Clausius–Clapeyron:

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

on $L$ és el calor latent de vaporització. Per això l'aire calent admet molt més vapor que el fred.

Estabilitat i processos adiabàtics

Una massa d'aire que ascendeix s'expandeix i es refreda quasi sense intercanviar calor (procés adiabàtic). Per a aire sec, el refredament seguix el gradient adiabàtic sec:

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

Comparant aquest gradient amb el real de l'atmosfera es determina la seua estabilitat: si l'aire ascendent queda més fred que l'entorn, tendeix a descendir (estable); si queda més calent, continua pujant (inestable), la qual cosa afavoreix les tempestes convectives.

Vent

El vent és el moviment horitzontal de l'aire, originat per diferències de pressió: l'aire va de les altes a les baixes pressions. Sobre aquesta força de gradient de pressió actua la força de Coriolis, deguda a la rotació terrestre, que desvia el vent (a la dreta en l'hemisferi nord). L'equilibri entre ambdues dóna el vent geostròfic, quasi paral·lel a les isòbares. Aquestes circulacions generen borrasques, anticiclons, brises i els grans cinturons de vents planetaris.

Precipitacions i fenòmens elèctrics i òptics

La condensació i la coalescència de gotes o cristalls de gel produeixen les precipitacions (pluja, neu, calamarsa). En els núvols de tempesta, la separació de càrregues genera camps elèctrics intensos que es descarreguen com a llamps. La interacció de la llum solar amb gotes o cristalls origina fenòmens òptics com l' arc de Sant Martí (dispersió i refracció) o els halos.

3. Observació meteorològica

La mesura de les variables atmosfèriques es realitza amb instruments específics, integrats en estacions meteorològiques:

• Baròmetre (Torricelli, 1643): mesura la pressió. El baròmetre de mercuri es basa en que $p_0 = \rho g h$, amb una columna de $\approx 760\ \mathrm{mm}$ de mercuri a nivell del mar.
• Termòmetre: mesura la temperatura de l'aire (a l'ombra, en garita).
• Higròmetre o psicròmetre: mesura la humitat.
• Anemòmetre i penell: mesuren la velocitat i la direcció del vent.
• Pluviòmetre: mesura la precipitació acumulada (en $\mathrm{L\,m^{-2}}$, és a dir, mm).
• Heliògraf: mesura les hores de sol.

En l'observació en altura i a gran escala s'empren radiosondes (globus amb sensors), radars meteorològics (detecten precipitació per eco de microones) i satèl·lits meteorològics, que aporten imatges en el visible i l'infraroig. El conjunt de dades alimenta els models numèrics de predicció del temps, que integren les equacions de la dinàmica de fluids sobre l'atmosfera.

4. Balanç energètic terrestre

Radiació entrant i llei de Stefan–Boltzmann

La Terra rep energia del Sol. La constant solar —irradiància que arriba al tope de l'atmosfera— val $S \approx 1361\ \mathrm{W\,m^{-2}}$. Tot cos emet radiació tèrmica segons la llei de Stefan–Boltzmann:

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

i el màxim del seu espectre es desplaça segons la llei de Wien, $\lambda_{max}\,T = b$, amb $b = 2{,}90 \times 10^{-3}\ \mathrm{m\,K}$. El Sol (~5800 K) emet sobretot en el visible; la Terra (~255 K) emet en l'infraroig llunyà. Aquesta diferència espectral és la clau de l'efecte hivernacle.

Balanç i temperatura efectiva

Part de la radiació solar es reflecteix: la fracció reflectida és l'albedo, $A \approx 0{,}3$. En equilibri, la potència absorbida iguala l'emesa. La Terra intercepta radiació sobre la seua secció $\pi R^2$ i emet per tota la seua superfície $4\pi R^2$:

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

És a dir, uns $-18\ ^\circ\mathrm{C}$. Tanmateix, la temperatura mitjana real de la superfície és de $\approx 288\ \mathrm{K}$ ($15\ ^\circ\mathrm{C}$). La diferència de uns 33 K es deu a l'efecte hivernacle natural. El balanç complet inclou, a més de la radiació, els fluxos de calor sensible i latent (evaporació) que transporten energia de la superfície a l'atmosfera.

5. Paper protector de l'atmosfera

L'atmosfera fa habitable la Terra per tres mecanismes principals:

Efecte hivernacle natural

Gasos com el vapor d'aigua, el $\mathrm{CO_2}$, el metà ($\mathrm{CH_4}$) i l'ozó són transparents a la llum visible però absorbeixen l'infraroig emès per la superfície. Reemeten part d'eixa energia de tornada al sòl, elevant la seua temperatura. Fourier va intuir el mecanisme i Arrhenius el va quantificar per al $\mathrm{CO_2}$. Sense aquest efecte, la superfície estaria a $-18\ ^\circ\mathrm{C}$ i l'aigua líquida seria impossible.

Filtre de radiació ultraviolada: la capa d'ozó

En l'estratosfera, l'ozó es forma i es destrueix contínuament en el cicle de Chapman, absorbint radiació UV nociva:

$$\mathrm{O_2} + h\nu \rightarrow 2\,\mathrm{O} \qquad (\lambda < 242\ \mathrm{nm})$$ $$\mathrm{O} + \mathrm{O_2} + M \rightarrow \mathrm{O_3} + M$$ $$\mathrm{O_3} + h\nu \rightarrow \mathrm{O_2} + \mathrm{O} \qquad (\text{absorció UV-B})$$

Aquest cicle intercepta la radiació UV-B i UV-C, danyosa per a l'ADN, i explica l' escalfament de l'estratosfera.

Escut enfront de meteoroides

En la mesosfera, la fricció amb l'aire escalfa i desintegra la majoria dels meteoroides abans que arriben a la superfície (les "estreles fugaces"). La ionosfera, a més, reflecteix ones de ràdio i participa en la protecció enfront de partícules carregades.

6. Alteracions degudes a la contaminació

L'activitat humana altera la composició atmosfèrica i els seus equilibris físics:

Augment de l'efecte hivernacle i canvi climàtic

La crema de combustibles fòssils ha elevat el $\mathrm{CO_2}$ des de ~280 ppm preindustrials a més de 420 ppm. Junt amb $\mathrm{CH_4}$ i $\mathrm{N_2O}$, aquest excés reforça l'efecte hivernacle (forçament radiatiu positiu) i provoca l' escalfament global, amb pujada del nivell del mar i alteració dels patrons climàtics.

Destrucció de la capa d'ozó

Els clorofluorocarbonis (CFC) alliberen clor en l'estratosfera, que actua com a catalitzador destruint ozó en cicles —mecanisme descrit per Molina i Rowland (1974)—:

$$\mathrm{CFCl_3} + h\nu \rightarrow \mathrm{CFCl_2} + \mathrm{Cl}$$ $$\mathrm{Cl} + \mathrm{O_3} \rightarrow \mathrm{ClO} + \mathrm{O_2}$$ $$\mathrm{ClO} + \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Cl} + \mathrm{O_2}$$

Un sol àtom de clor pot destruir milers de molècules de $\mathrm{O_3}$, la qual cosa va originar el forat d'ozó antàrtic.

Pluja àcida

Els òxids de sofre i de nitrogen emesos per la indústria i el trànsit reaccionen amb l' aigua atmosfèrica formant àcids:

$$2\,\mathrm{SO_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{SO_3}, \qquad \mathrm{SO_3} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{H_2SO_4}$$ $$3\,\mathrm{NO_2} + \mathrm{H_2O} \rightarrow 2\,\mathrm{HNO_3} + \mathrm{NO}$$

La pluja àcida ($pH < 5{,}6$) acidifica sòls i aigües, danya boscos i corroeix edificis.

Boira fotoquímica i partícules

En ciutats assolellades, els $\mathrm{NO_x}$ i els compostos orgànics volàtils generen, sota la radiació solar, ozó troposfèric (contaminant arran de sòl):

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

A això se sumen les partícules en suspensió ($\mathrm{PM_{10}}$, $\mathrm{PM_{2{,}5}}$), perjudicials per a la salut respiratòria.

7. Mesures per a la seua protecció

La resposta a aquests problemes combina ciència, tecnologia, legislació i educació:

• Capa d'ozó: el Protocol de Montreal (1987) va prohibir progressivament els CFC, substituïts per HFC i altres compostos. És un cas d'èxit: l'ozó estratosfèric s'està recuperant.
• Canvi climàtic: el Protocol de Kyoto (1997) i, sobretot, l'Acord de París (2015) fixen objectius de reducció de gasos d'efecte hivernacle per a limitar l'escalfament per davall de 2 °C. Les mesures inclouen la transició a energies renovables, l'eficiència energètica i la captura de carboni.
• Pluja àcida i boira: dessulfuració de combustibles, catalitzadors en els vehicles, filtres de partícules, normes de qualitat de l'aire i xarxes de vigilància.
• Educació ambiental: foment de conductes sostenibles (mobilitat, consum, reciclatge), essencial per a la implicació ciutadana.

La cooperació internacional demostra que els problemes atmosfèrics, d'escala global, requereixen solucions coordinades basades en l'evidència científica.

Aplicació didàctica

En el currículum LOMLOE (Real Decreto 217/2022), aquests continguts es distribueixen entre la Física i Química i la Biologia i Geologia de l'ESO, i s'aborden de forma integrada en matèries com Física i Química i Ciències Aplicades. Constitueixen un context idoni per a la competència STEM i per a l'educació per a la sostenibilitat i la competència ciutadana, en línia amb els Objectius de Desenvolupament Sostenible. Permeten plantejar situacions d'aprenentatge al voltant de problemes reals (qualitat de l'aire local, previsió del temps, petjada de carboni) que exigeixen mesurar, modelitzar i argumentar.

Convé anticipar idees prèvies i errors freqüents: confondre la capa d' ozó (estratosfèrica, protectora) amb l'ozó troposfèric (contaminant); identificar el forat d'ozó com a causa del canvi climàtic (són problemes distints); creure que l'efecte hivernacle és sempre negatiu (el natural és imprescindible); o pensar que "l'aire no pesa". L'ús de dades reals d'estacions meteorològiques, sensors de temperatura i pressió, i l'anàlisi de gràfiques de $\mathrm{CO_2}$ o de temperatura global resulten molt eficaços per a consolidar aquests conceptes i corregir concepcions alternatives.

Conclusió

La física de l'atmosfera aplica la termodinàmica, la mecànica de fluids i la teoria de la radiació a l'embolcall gasós terrestre: explica la seua estructura i la seua pressió mitjançant l'equilibri hidrostàtic, els seus fenòmens mitjançant els processos de l'aigua i del vent, i la seua temperatura mitjançant el balanç energètic i l'efecte hivernacle. Eixa mateixa atmosfera ens protegeix amb la capa d'ozó i l'efecte hivernacle natural, un equilibri que la contaminació ha alterat —canvi climàtic, forat d'ozó, pluja àcida, boira— i que la cooperació científica i política tracta de restaurar. És un tema que mostra, amb especial claredat, com les lleis de la física i la química expliquen i permeten cuidar el planeta, i per això ocupa un lloc central en l'educació científica i ambiental.