Radiaciones
La fuente más importante en la Tierra es el Sol, aunque también existen otras provenientes del universo (rayos cósmicos).
El 99 % de la energía de la radiación solar pertenece al intervalo de longitud de onda comprendido enre 100 y 4.00 nm, que incluye las regiones ultravioletas entre 100 y 400 nm.
El flujo solar incidente sobre la atmósfera es función de la luminosidad solar y de la distancia de la Tierra al Sol. Su valor, denominado constante solar, se estima en unos 1.360 W•m2 para una superficie expuesta perpendicularmente a los rayos del Sol.
Los gases presentes en la atmósfera, y en mucha menor medida las nubes y las partículas son responsables, de la absorción de aproximadamente un 20 % del total de la radiación solar. Las especies presentes son también responsables de fenómenos de dispersión y reflexión de la radiación solar.
La radiación absorbida por la superficie terrestre es a su vez remitida hacia la atmósfera como radiación calorífica de longitud de onda larga durante las horas nocturnas. También hay remisión de energía no radiativa por la superficie mediante procesos de evaporación, en forma de calor latente, y convección. Todos estos fenómenos provocan el calentamiento de la troposfera.
Procesos fotoquímicos
La vida en la Tierra transcurre en la troposfera, sin embargo muchos de los procesos que se dan en las capas altas de la atmósfera son fundamentales para el mantenimiento de las condiciones de la vida en la biosfera. Estas zonas altas, a pesar de la pequeña masa de aire que contienen, forman una barrera contra las radiaciones y partículas de alta energía que bombardean el planeta (capa de ozono estratosférico).
Los tres tipos de especies, reactivas e inestables, involucradas en estos procesos químicos atmosféricos son:
1) Moléculas excitadas electrónicamente: se producen por absorción de radiación ultravioleta o visible, lo que origina estados excitados. Tienen una vida media generalmente muy corta.
2) Radicales libres: se forman por la acción de la radiación solar. Son especies involucradas en muchos fenómenos químicos atmosféricos. Aunque su tiempo de permanencia es muy corto, juegan un papel importante dada su alta reactividad.
3) Iones: a altitudes superiores a 50 km, los iones son tan prevalentes que la zona se halla ionosfera. La luz ultravioleta es la primera productora de iones.
Ciclos biogeoquímicos
Ciclo del carbono
El ciclo del carbono es un ciclo biogeoquímico de gran importancia para la regulación del clima de la Tierra, viéndose implicado en el mismo el sostenimiento de la vida.
El carbono es un componente esencial para los vegetales y animales. Forma parte esencial de los compuestos bioquímicos importantes para la realización de procesos vitales como la respiración y la fotosíntesis bajo la forma de CO2 atmosférico. El elemento principal de cambio son las moléculas de CO2, que se hallan en la atmósfera y la hidrosfera. Este gas se encuentra en la atmósfera en una concentración de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2 se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el dióxido de carbono se renueva en la atmósfera cada 20 años.
La vuelta del CO2 a la atmósfera se realiza cuando en la respiración, los seres vivos oxidan los alimentos produciendo CO2. En el conjunto de la biosfera la mayor parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo y no, como pudiera parecer, los animales.
Los productos finales de la combustión son CO2 y vapor de agua. El equilibrio en la producción y consumo de cada uno de ellos por medio de la fotosíntesis hace posible la vida.
Los vegetales verdes que contienen clorofila toman el CO2 del aire y durante la fotosíntesis liberan oxígeno, además producen el material nutritivo indispensable para los seres vivos. Todas las plantas verdes de la tierra ejecutan ese mismo proceso diariamente. En la medida de que el CO2 es consumido por las plantas, también es remplazado por medio de la respiración de los seres vivos, por la descomposición de la materia orgánica y como producto final de combustión del petróleo, hulla, gasolina, etc.
En el ciclo del carbono participan los seres vivos y muchos fenómenos naturales como los incendios. Por otra parte, los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad de este gas en el agua es muy superior a la que tiene en el aire.
Ciclo del carbono
Ciclo del nitrógeno
La mayor parte del nitrógeno se encuentra como gas nitrógeno elemental, N2, en la atmósfera. Es una forma muy estable y por esta misma razón y hacia esta forma estable es a la que siempre tiende a volver el nitrógeno de los diversos compuestos.
Las bacterias del suelo son las responsables de la mayoría de las transformaciones del nitrógeno en el suelo al igual que la captación por las plantas; de esta manera, la actividad microbiana y el crecimiento de las plantas son responsables de las velocidades a las que se producen las transformaciones de este elemento, las cuales a su vez, vienen determinadas por un número de variables ambientales. Entre estas variables se hallan el contenido de humedad del suelo, la temperatura y las concentraciones de oxígeno, dependiendo todas ellas del tiempo atmosférico.
El primer paso en el ciclo es la fijación (reducción) del nitrógeno atmosférico (N2) a distintas formas distintas de incorporarse a la composición del suelo o de los seres vivos, como el ion amonio (NH4+) o los iones nitrito (NO2–) o nitrato (NO3–). También se da la conversión a sustancias atmosféricas químicamente activas, como el dióxido de nitrógeno (NO2), que reaccionan fácilmente para originar alguna de las anteriores. Es la fijación del nitrógeno, que puede ser por vía abiótica o biológica.
La amonificación es la conversión a ion amonio del nitrógeno que en la materia viva aparece principalmente como grupos amino (-NH2) o imino (-NH-). Los animales, que no oxidan el nitrógeno, se deshacen del que tienen en exceso en forma de distintos compuestos. Los acuáticos producen directamente amoníaco (NH3), que en disolución se convierte en ion amonio. Los terrestres producen urea, (NH2)2CO, que es muy soluble y se concentra fácilmente en la orina; o compuestos nitrogenados insolubles como la guanina y el ácido úrico, que son purinas, y ésta es la forma común en aves o en insectos y, en general, en animales que no disponen de un suministro garantizado de agua.
La nitrificación es la oxidación biológica del amonio al nitrato por microorganismos aerobios que usan el oxígeno molecular (O2) como receptor de electrones, es decir, como oxidante. A estos organismos el proceso les sirve para obtener energía, al modo en que los heterótrofos la consiguen oxidando alimentos orgánicos a través de la respiración celular.
La combinación de amonificación y nitrificación devuelve a una forma asimilable por las plantas, el nitrógeno que ellas tomaron del suelo y pusieron en circulación por la cadena trófica.
La desnitrificación es la reducción del ion nitrato (NO3–), presente en el suelo o el agua, a nitrógeno molecular o diatómico (N2) la sustancia más abundante en la composición del aire. Por su lugar en el ciclo del nitrógeno este proceso es el opuesto a la fijación del nitrógeno. Lo realizan ciertas bacterias heterótrofas. Es fundamental para que el nitrógeno vuelva a la atmósfera y es la única manera de que no termine disuelto íntegramente en los mares, dejando sin nutrientes a la vida continental.
La desnitrificación es empleada, en los procesos técnicos de depuración controlada de aguas residuales, para eliminar el nitrato, cuya presencia favorece la eutrofización y reduce la potabilidad del agua, porque se reduce a nitrito por la flora intestinal, y éste es cancerígeno.
Por último, la reducción desasimilatoria es la respiración anaerobia del nitrato y nitrito a la forma gaseosa N2O y a la forma ion amonio. Se produce en estercoleros y turberas donde residen bacterias del género Citrobacter sp. Este género es típico de las coliformes enterofecales,
Ciclo del nitrógeno
Ciclo del azufre
Es un ciclo fundamentalmente de tipo sedimentario, ya que los mayores depósitos de azufre se encuentran en el agua y en el suelo, aunque en el ciclo intervienen diversas especies gaseosas.
En la atmósfera, los gases que contienen azufre más abundantes son el sulfuro de hidrógeno (H2S) y el dióxido de azufre (SO2) a partir del cual se producen los aerosoles de sulfato (SO4-2). Son especies de concentración baja y tiempos de residencia cortos.
El origen natural de los mismos es la descomposición anaerobia de la materia orgánica (H2S), erupciones volcánicas (H2S y SO2) y aerosoles marinos (SO4-2).
El cierre del ciclo se produce por la transformación del sulfuro de hidrógeno, por acción de los microorganismos, en especies minerales (S y SO4-2) por absorción de las plantas del SO2 atmosférico y por deposición seca y húmeda de los aerosoles de sulfato.
La influencia antropogénica más importante se debe a los procesos de combustión de de carburantes fósiles azufrados.
Ciclo del oxígeno
En el caso del oxígeno diatómico, el ciclo es esencialmente inverso al del dióxido de carbono. La principal fuente es la fotosíntesis y se elimina por procesos de respiración, combustión y descomposición aerobia. También interviene como agente oxidante.
Para el ozono, las intervenciones antropogénicas aumentan su concentración en la troposfera y destruyen la capa de ozono en la estratosfera por ciertos contaminantes.
