Атмосферная наука изучает атмосферу Земли и ее различные внутренние физические процессы. Метеорология включает в себя химию атмосферы и физику атмосферы с основным акцентом на прогнозировании погоды . Климатология изучает атмосферные изменения (как долгосрочные, так и краткосрочные), которые определяют средний климат и его изменение с течением времени ( изменчивость климата) . Аэрономия изучает верхние слои атмосферы, где важны диссоциация и ионизация . Атмосферная наука была расширена до области планетологии и изучения атмосфер планет и естественных спутников Солнечной системы .
Экспериментальные приборы, используемые в атмосферной науке, включают спутники , ракетные зонды , радиозонды , метеозонды , радары и лазеры .
Термин аэрология (от греч. ἀήρ, aēr , « воздух »; и -λογία, -logia ) иногда используется как альтернативный термин для изучения атмосферы Земли; [1] в других определениях аэрология ограничивается свободной атмосферой , областью выше планетарного пограничного слоя . [2]
Среди первых пионеров в этой области были Леон Тейссеранк де Борт и Ричард Ассманн . [3]
Атмосферная химия — раздел атмосферной науки, в котором изучается химия атмосферы Земли и других планет. Это междисциплинарная область исследований, которая опирается на химию окружающей среды, физику, метеорологию, компьютерное моделирование, океанографию, геологию и вулканологию и другие дисциплины. Исследования все больше связаны с другими областями знаний, такими как климатология.
Состав и химия атмосферы важны по нескольким причинам, но в первую очередь из-за взаимодействия между атмосферой и живыми организмами. Состав атмосферы Земли был изменен деятельностью человека, и некоторые из этих изменений вредны для здоровья человека, сельскохозяйственных культур и экосистем. Примерами проблем, которые решаются с помощью химии атмосферы, являются кислотные дожди, фотохимический смог и глобальное потепление. Химия атмосферы стремится понять причины этих проблем и, получая их теоретическое понимание, позволяет проверить возможные решения и оценить последствия изменений в политике правительства.
Динамика атмосферы — это изучение систем движения, имеющих метеорологическое значение, объединяющее наблюдения в разных местах и временах, а также теории. К общим изучаемым темам относятся разнообразные явления, такие как грозы , торнадо , гравитационные волны , тропические циклоны , внетропические циклоны , струйные течения и циркуляции глобального масштаба. Целью динамических исследований является объяснение наблюдаемых циркуляций на основе фундаментальных принципов физики . Цели таких исследований включают улучшение прогнозирования погоды , разработку методов прогнозирования сезонных и межгодовых колебаний климата и понимание последствий антропогенных возмущений (например, увеличение концентрации углекислого газа или истощение озонового слоя) для глобального климата. [4]
Атмосферная физика — это приложение физики к изучению атмосферы. Атмосферные физики пытаются моделировать атмосферу Земли и атмосферы других планет, используя уравнения течения жидкости, химические модели, балансировку излучения и процессы переноса энергии в атмосфере и подстилающих океанах и на суше. Для моделирования погодных систем атмосферные физики используют элементы теории рассеяния, модели распространения волн , физику облаков , статистическую механику и пространственную статистику , каждая из которых включает в себя высокий уровень математики и физики. Атмосферная физика тесно связана с метеорологией и климатологией, а также охватывает проектирование и создание приборов для изучения атмосферы и интерпретацию данных, которые они предоставляют, включая приборы дистанционного зондирования .
В Великобритании атмосферные исследования поддерживаются Метеорологическим управлением. Подразделения Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) курируют исследовательские проекты и моделирование погоды, включающие физику атмосферы. Национальный центр астрономии и ионосферы США также проводит исследования верхней атмосферы.
Магнитное поле Земли и солнечный ветер взаимодействуют с атмосферой, создавая ионосферу , радиационные пояса Ван Аллена , теллурические токи и лучистую энергию .
Это наука, которая основывает свои более общие знания на более специализированных дисциплинах метеорологии, океанографии, геологии и астрономии, которые в свою очередь основаны на фундаментальных науках физики, химии и математике. В отличие от метеорологии , которая изучает краткосрочные погодные системы, длящиеся до нескольких недель, климатология изучает частоту и тенденции этих систем. Она изучает периодичность погодных явлений на протяжении многих лет и тысячелетий, а также изменения в долгосрочных средних погодных условиях в связи с атмосферными условиями. Климатологи , те, кто практикует климатологию, изучают как природу климата — локального, регионального или глобального — так и естественные или вызванные человеком факторы, которые вызывают изменение климата. Климатология рассматривает прошлое и пытается предсказать будущее изменение климата .
Явления, представляющие климатологический интерес, включают в себя атмосферный пограничный слой , модели циркуляции , теплопередачу ( лучистую , конвективную и скрытую ), взаимодействие между атмосферой и океанами и поверхностью суши (особенно растительность , землепользование и топография ), а также химический и физический состав атмосферы. Смежные дисциплины включают астрофизику , физику атмосферы , химию , экологию , физическую географию , геологию , геофизику , гляциологию , гидрологию , океанографию и вулканологию .
Аэрономия — это научное изучение верхней атмосферы Земли — атмосферных слоев выше стратопаузы — и соответствующих областей атмосфер других планет, где вся атмосфера может соответствовать верхней атмосфере Земли или ее части. Будучи разделом как химии атмосферы , так и физики атмосферы, аэрономия контрастирует с метеорологией, которая фокусируется на слоях атмосферы ниже стратопаузы. [5] В атмосферных областях, изучаемых аэрономами, важными явлениями являются химическая диссоциация и ионизация .
Все планеты Солнечной системы имеют атмосферу. Это связано с тем, что их гравитация достаточно сильна, чтобы удерживать газообразные частицы близко к поверхности. Более крупные газовые гиганты достаточно массивны, чтобы удерживать большие количества легких газов водорода и гелия близко к поверхности, в то время как более мелкие планеты теряют эти газы в космосе . [6] Состав атмосферы Земли отличается от других планет, потому что различные жизненные процессы, которые происходили на планете, ввели свободный молекулярный кислород . [7] Большая часть атмосферы Меркурия была унесена солнечным ветром . [8] Единственная луна, которая сохранила плотную атмосферу, — Титан . На Тритоне есть тонкая атмосфера , а на Луне — следы атмосферы .
На атмосферы планет влияют различные уровни энергии, получаемой либо от Солнца, либо от их недр, что приводит к формированию динамических погодных систем, таких как ураганы (на Земле), пылевые бури планетарного масштаба ( на Марсе ), антициклон размером с Землю на Юпитере (называемый Большим Красным Пятном ) и дыры в атмосфере (на Нептуне). [9] По крайней мере одна экзопланета, HD 189733 b , как утверждается, обладает такой погодной системой, похожей на Большое Красное Пятно, но в два раза больше. [10]
Было показано, что горячие юпитеры теряют свои атмосферы в космосе из-за звездного излучения, во многом подобно хвостам комет. [11] [12] Эти планеты могут иметь огромную разницу в температуре между дневной и ночной сторонами, что создает сверхзвуковые ветры, [13] хотя дневная и ночная стороны HD 189733b, по-видимому, имеют очень похожие температуры, что указывает на то, что атмосфера планеты эффективно перераспределяет энергию звезды вокруг планеты. [10]
