В атмосферных науках атмосферная физика является приложением физики к изучению атмосферы . Атмосферные физики пытаются моделировать атмосферу Земли и атмосферы других планет, используя уравнения потока жидкости , баланс радиации и процессы переноса энергии в атмосфере (а также то, как они связаны с граничными системами, такими как океаны). Для моделирования погодных систем атмосферные физики используют элементы теории рассеяния , модели распространения волн, физику облаков , статистическую механику и пространственную статистику , которые являются в высокой степени математическими и связаны с физикой. Она тесно связана с метеорологией и климатологией , а также охватывает проектирование и создание инструментов для изучения атмосферы и интерпретацию данных, которые они предоставляют, включая инструменты дистанционного зондирования . На заре космической эры и появления зондирующих ракет аэрономия стала субдисциплиной, касающейся верхних слоев атмосферы, где важны диссоциация и ионизация.
Дистанционное зондирование — это мелкомасштабное или крупномасштабное получение информации об объекте или явлении с помощью записывающего или работающего в реальном времени устройства(-ий), которое не находится в физическом или тесном контакте с объектом (например, с помощью самолета , космического корабля , спутника , буя или корабля ). На практике дистанционное зондирование — это дистанционный сбор данных с помощью различных устройств для сбора информации о заданном объекте или области, что дает больше информации, чем могут предоставить датчики на отдельных участках. [1] Таким образом, платформы для сбора данных со спутников наблюдения за Землей или погодой , платформы для наблюдения за океаном и атмосферой с помощью метеорологических буев , мониторинг беременности с помощью ультразвука , магнитно-резонансной томографии (МРТ), позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и космических зондов — все это примеры дистанционного зондирования. В современном использовании этот термин обычно относится к использованию технологий датчиков изображений, включая, помимо прочего, использование приборов на борту самолетов и космических кораблей, и отличается от других областей, связанных с визуализацией, таких как медицинская визуализация .
Существует два вида дистанционного зондирования. Пассивные датчики обнаруживают естественное излучение, которое испускается или отражается объектом или окружающей областью, за которой ведется наблюдение. Отраженный солнечный свет является наиболее распространенным источником излучения, измеряемого пассивными датчиками. Примерами пассивных дистанционных датчиков являются пленочная фотография , инфракрасные приборы, приборы с зарядовой связью и радиометры . Активный сбор, с другой стороны, излучает энергию для сканирования объектов и областей, после чего датчик обнаруживает и измеряет излучение, которое отражается или рассеивается обратно от цели. Радар , лидар и СОДАР являются примерами активных методов дистанционного зондирования, используемых в физике атмосферы, где измеряется временная задержка между испусканием и возвратом, устанавливая местоположение, высоту, скорость и направление объекта. [2]
Дистанционное зондирование позволяет собирать данные об опасных или недоступных районах. Приложения дистанционного зондирования включают мониторинг вырубки лесов в таких областях, как бассейн Амазонки , влияние изменения климата на ледники и арктические и антарктические регионы, а также глубинное зондирование прибрежных и океанских глубин. Военный сбор данных во время холодной войны использовал дистанционный сбор данных об опасных пограничных районах. Дистанционное зондирование также заменяет дорогостоящий и медленный сбор данных на земле, гарантируя в процессе, что области или объекты не будут нарушены.
Орбитальные платформы собирают и передают данные из разных частей электромагнитного спектра , что в сочетании с более масштабным воздушным или наземным зондированием и анализом дает исследователям достаточно информации для мониторинга тенденций, таких как Эль-Ниньо и других природных долгосрочных и краткосрочных явлений. Другие области применения включают различные области наук о Земле , такие как управление природными ресурсами , сельскохозяйственные области, такие как землепользование и охрана, а также национальная безопасность и сбор данных с воздуха, на земле и на расстоянии на приграничных территориях. [3]
Физики, изучающие атмосферу, обычно делят излучение на солнечное (испускаемое Солнцем) и земное излучение (испускаемое поверхностью Земли и атмосферой).
Солнечное излучение содержит множество длин волн. Видимый свет имеет длины волн от 0,4 до 0,7 микрометров. [4] Более короткие длины волн известны как ультрафиолетовая (УФ) часть спектра, в то время как более длинные волны группируются в инфракрасную часть спектра. [5] Озон наиболее эффективно поглощает излучение около 0,25 микрометров, [6] где в спектре лежат лучи УФ-С. Это повышает температуру близлежащей стратосферы . Снег отражает 88% УФ-лучей, [6] в то время как песок отражает 12%, а вода отражает только 4% входящего УФ-излучения. [6] Чем больше угол между атмосферой и солнечными лучами, тем больше вероятность того, что энергия будет отражена или поглощена атмосферой . [ 7]
Земное излучение испускается на гораздо более длинных волнах, чем солнечное излучение. Это происходит потому, что Земля намного холоднее Солнца. Излучение испускается Землей в диапазоне длин волн, как это формализовано в законе Планка . Длина волны максимальной энергии составляет около 10 микрометров.
Физика облаков — это изучение физических процессов, которые приводят к образованию, росту и выпадению осадков облаков . Облака состоят из микроскопических капелек воды (теплые облака), крошечных кристаллов льда или того и другого (облака смешанной фазы). При подходящих условиях капли объединяются, образуя осадки , где они могут упасть на землю. [8] Точная механика того, как облако образуется и растет, до конца не изучена, но ученые разработали теории, объясняющие структуру облаков путем изучения микрофизики отдельных капель. Достижения в области радиолокационных и спутниковых технологий также позволили проводить точное изучение облаков в больших масштабах.
Атмосферное электричество — это термин, обозначающий электростатику и электродинамику атмосферы (или, в более широком смысле, атмосферу любой планеты ). Поверхность Земли , ионосфера и атмосфера известны как глобальная атмосферная электрическая цепь . [9] Молния разряжается силой 30 000 ампер , напряжением до 100 миллионов вольт и испускает свет, радиоволны, рентгеновские лучи и даже гамма-лучи . [10] Температура плазмы в молнии может достигать 28 000 кельвинов , а плотность электронов может превышать 10 24 /м 3 . [11]
Атмосферные приливы с наибольшей амплитудой в основном возникают в тропосфере и стратосфере , когда атмосфера периодически нагревается, поскольку водяной пар и озон поглощают солнечное излучение в течение дня. Образующиеся приливы затем могут распространяться от этих областей источника и подниматься в мезосферу и термосферу . Атмосферные приливы можно измерить как регулярные колебания ветра, температуры, плотности и давления. Хотя атмосферные приливы имеют много общего с океанскими приливами, у них есть две ключевые отличительные черты:
i) Атмосферные приливы в первую очередь возбуждаются нагреванием атмосферы Солнцем, тогда как океанские приливы в первую очередь возбуждаются гравитационным полем Луны. Это означает, что большинство атмосферных приливов имеют периоды колебаний, связанные с 24-часовой продолжительностью солнечных суток, тогда как океанские приливы имеют более длительные периоды колебаний, связанные с лунными сутками (время между последовательными лунными транзитами), около 24 часов 51 минуты. [12]
ii) Атмосферные приливы распространяются в атмосфере, где плотность существенно меняется с высотой. Следствием этого является то, что их амплитуды естественным образом увеличиваются экспоненциально по мере того, как прилив поднимается в постепенно более разреженные области атмосферы (для объяснения этого явления см. ниже). Напротив, плотность океанов меняется лишь незначительно с глубиной, и поэтому там приливы не обязательно меняются по амплитуде с глубиной.
Обратите внимание, что хотя солнечное нагревание является причиной самых больших по амплитуде атмосферных приливов, гравитационные поля Солнца и Луны также вызывают приливы в атмосфере, причем лунный гравитационный атмосферный приливной эффект значительно больше, чем его солнечный аналог. [13]
На уровне земли атмосферные приливы можно обнаружить как регулярные, но небольшие колебания поверхностного давления с периодами 24 и 12 часов. Ежедневные максимумы давления происходят в 10 утра и 10 вечера по местному времени, а минимумы — в 4 утра и 4 вечера по местному времени. Абсолютный максимум происходит в 10 утра, а абсолютный минимум — в 4 вечера [14] Однако на больших высотах амплитуды приливов могут стать очень большими. В мезосфере (высоты ~ 50–100 км) атмосферные приливы могут достигать амплитуд более 50 м/с и часто являются наиболее значительной частью движения атмосферы.
Аэрономия — это наука о верхней области атмосферы, где важны диссоциация и ионизация. Термин аэрономия был введен Сидни Чепменом в 1960 году. [15] Сегодня этот термин также включает науку о соответствующих областях атмосфер других планет. Исследования в области аэрономии требуют доступа к воздушным шарам, спутникам и зондирующим ракетам , которые предоставляют ценные данные об этой области атмосферы. Атмосферные приливы играют важную роль во взаимодействии как с нижней, так и с верхней атмосферой. Среди изучаемых явлений — разряды молний в верхней атмосфере , такие как светящиеся события, называемые красными спрайтами , гало спрайтов, синими струями и эльфами.
В Великобритании атмосферные исследования поддерживаются Метеорологической службой , Советом по исследованиям окружающей среды и Советом по научно-техническим объектам . Подразделения Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) курируют исследовательские проекты и моделирование погоды , связанные с физикой атмосферы. Национальный центр астрономии и ионосферы США также проводит исследования верхней атмосферы. В Бельгии Бельгийский институт космической аэрономии изучает атмосферу и космическое пространство . Во Франции есть несколько государственных или частных организаций, исследующих атмосферу, как, например, Метео-Франс ( Météo-France ), несколько лабораторий в национальном научно-исследовательском центре (например, лаборатории в группе IPSL ).
Медиа, связанные с физикой атмосферы на Wikimedia Commons