Interacción de la atmósfera con la radiación electromagnética

Propuesta didáctica

Autores: Profesores Guillermo Arias y Álvaro Pintos.

Tiempo de aplicación: Tres clases (180 minutos).

Descripción: En la primera actividad, con la ayuda de un simulador, se busca que el estudiante adquiera y/o refuerce una base de conceptos en lo referente a la interacción de la radiación electromagnética y los diferentes compuestos de la atmósfera; especialmente en cuanto a la radiación UV y el ozono. En la segunda actividad se utiliza otro simulador con el cual se busca que el estudiante logre relacionar los conceptos anteriores con su influencia en el “Efecto Invernadero”.

Propósitos:

• Reconocer las características ondulatorias de la luz.
• Conocer el espectro electromagnético y reconocer que la luz es parte de él.
• Reconocer las características de una onda periódica: longitud, frecuencia, período, amplitud, así como los fenómenos de reflexión, refracción y absorción. 
• Comprender la interacción de la radiación con la materia y los gases que componen la atmósfera; ventanas atmosféricas. 
• Comprender la conservación de la energía en los procesos químicos involucrados (de absorción y emisión).
• Reconocer la importancia de las radiaciones electromagnéticas en cuanto a la salud, sus efectos nocivos en las moléculas que contienen la información genética.

Criterios de evaluación: Se realizará a modo grupal y de manera cualitativa; cada grupo entregará una hoja por escrito con las respuestas a las preguntas formuladas por el docente, antes de poner en común dichas respuestas.
Se valorarán aspectos como: 
1- Advierte el comportamiento ondulatorio de la luz. 
2- Entiende el concepto de espectro electromagnético. 
3- Reconoce y diferencia las características de la radiación electromagnética. 
4- Advierte la influencia de los distintos tipos de radiación sobre la salud y la vida en general. 
5- Comprende y relaciona el concepto de ventanas atmosféricas.

Contenido: 

• Características ondulatorias de la luz.
• Espectro electromagnético.
• Onda periódica: longitud; frecuencia, período, amplitud.
• Interacción radiación, materia y los gases atmosféricos.
• Ventanas atmosféricas.
• Conservación de la energía en los procesos químicos  absorción y emisión.

Actividades: Los estudiantes se reúnen en grupos de 3. Cada grupo contará con un dispositivo móvil con conexión a internet para utilizar los simuladores como se detalla a continuación.

Actividad Nº 1. Simulador “Luz y Moléculas”

Simulador disponible en el siguiente enlace.

1 - A cada grupo se le entregan las siguientes preguntas, las cuales se deberán responder guiándose con el simulador de Luz y Moléculas según corresponda.

a) Describa las principales características de las radiaciones EM (electromagnéticas) utilizadas.

b) Escriba las fórmulas químicas de los gases involucrados. 

c) ¿En qué situaciones o circunstancias podemos encontrar dichos gases en la vida cotidiana? Cite ejemplos.

d) Vincule el tipo de radiación (según la longitud de onda y la intensidad) con el tipo de “reacción” molecular para cada gas.

e) ¿Cuál/es de los gases atmosféricos pueden ser considerados “gases de efecto invernadero”? ¿Por qué?

f) ¿Qué ocurre con la molécula de ozono al hacerle incidir radiación UV? ¿Cómo se relaciona este hecho con la función que cumple la capa de ozono?

g) ¿Por qué es peligrosa, para la vida en la Tierra, la disminución de la densidad de la concentración del ozono estratosférico?

2 - Una vez transcurrido el tiempo que el docente considere necesario y suficiente para responder estas preguntas, se realiza un plenario comparando las diferentes respuestas y evaluando logros de aprendizaje. En esta se enfatiza la comprensión de los estudiantes en cuanto a la relación entre ambos fenómenos analizados: la disminución del ozono estratosférico y el efecto invernadero.

Actividad Nº 2. Simulador “Efecto invernadero”

Simulador alojado en http://phet.colorado.edu/en/simulation/greenhouse

1 - Una vez realizada la puesta en común, se comienza a trabajar con el simulador de Efecto invernadero. Los estudiantes deberán trabajar en base a las siguientes preguntas.

a) ¿Cómo explicaría lo que sucede con la energía proveniente del Sol?

b) Por lo general, en invierno, las noches son más "frías" cuando no hay nubes en el cielo. ¿Por qué sucede esto?

c) ¿Qué tipo de radiaciones consiguen llegar a la superficie del planeta y por qué?

d) ¿Qué diferencias puedes observar con respecto al efecto de los gases de invernadero sobre los fotones y las nubes?

e) ¿Cómo afecta el efecto invernadero a la temperatura de la Tierra?

f) Analice el comportamiento de la temperatura y su relación con las nubes y la concentración de gases de invernadero en los 3 periodos históricos presentados (Hoy, 1750, Era del Hielo).

g) ¿Qué diferencias se pueden observar entre la interacción de los fotones infrarrojos y 

• una molécula de metano (CH₄) 
• una molécula de dióxido de carbono (CO₂)
• una molécula de agua (H₂O)
• una molécula de dinitrógeno (N₂)
• una molécula de dioxígeno (O₂)
• una atmósfera construida?

2- Nuevamente, una vez transcurrido el tiempo que el docente considere suficiente para la actividad, se realiza un plenario procurando un completo entendimiento de la temática abordada en ambas actividades antes de continuar con la siguiente.

3- Conclusión y cierre en base a las participaciones de los estudiantes. Se puede llegar a realizar un esquema o nube de palabras.

Bibliografía:

Para el estudiante: 

• Egaña, Berruti y González. Interacciones: campos y ondas. Contexto.
• Moreira y Álava. Astrolabio. Contexto. 
• Masterton, Slowinski y Stanitski. Química General Superior. McGraw-Hill.
• Anzlone. Curso de Biología 4º año. Ciencias Biológicas 

Para el docente: 

• Sears, Zemansky, Young y Freedman. Física universitaria T1; 12ª edición.
• Galadi y Gutiérrez. Astronomía general: teoría y práctica. Omega 
• Chang. Química. McGraw-Hill 
• Halliday, Resnick y Krane. Física. Vol. 1 y Vol. 2.
• Feymann. Lecturas de Física. Volumen 1, 2 y 3. Addisson Wesley
• Dobzhansky. Evolución. Omega 
• Stanfield. Genética. McGraw-Hill

Sitios sugeridos:

• Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos Aire y Radiación (2001). El sol, la radiación ultravioleta y usted Guía SunWise para la exposición al sol. Recuperado de: https://www.epa.gov/sites/production/files/documents/sunuvu_spanish.pdf
• PNUMA. Cielo al descubierto. Educación para escuelas secundarias sobre la capa de ozono. Libro del profesor. Recuperado de: http://www.pnuma.org/ozono/publicaciones/ozzy/6204-s-edupack_secschool_teacherbook.pdf
• PNUMA. Cielo al descubierto. Educación para escuelas secundarias sobre la capa de ozono. Libro del estudiante. Recuperado de: http://www.pnuma.org/ozono/publicaciones/ozzy/6203-s-edupack_secschool_student.pdf
• Imagen: http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/ir/windows/images/transmission.gif
• PNUMA. Ozzyozone. Recuperado de: http://www.ozzyozone.org/
• Gas de efecto invernadero. (s.f.). En Wikipedia. Recuperado el 21 de noviembre de 2017 de: https://es.wikipedia.org/wiki/Gas_de_efecto_invernadero

Créditos:

• PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu. The Molecules and light. Recuperado de: https://phet.colorado.edu/sims/html/molecules-and-light/latest/molecules-and-light_en.html. CC BY  SA 4.0
• PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu. The Greenhouse Effect. Recuperado de: http://phet.colorado.edu/en/simulation/greenhouse. CC BY  SA 4.0

Sugerencias: Se entiende que el manejo de los simuladores no debe ser un obstáculo sino un potenciador de la actividad, por lo tanto el docente debe mantenerse atento para evacuar las dudas de los estudiantes al respecto. En relación a lo anterior, nótese que los simuladores se encuentran en inglés: aunque los estudiantes deberían contar ya con una base suficiente para su comprensión no debe pasarse por alto este aspecto. Se aconseja también, verificar que la velocidad del internet sea suficiente para la demanda de la clase o de lo contrario descargar los simuladores previamente.