Физика атмосферы

Изображение урагана Эбби (1960), полученное метеорологической радиолокационной станцией. Яркие участки указывают на скопления облаков, которые отражают сигналы радара.

Фи́зика атмосфе́ры — раздел физики и метеорологии, изучающий различные физические явления и процессы, происходящие в атмосфере Земли и других планет. Она применяет физические методы и математический аппарат для моделирования атмосферы, используя уравнения гидродинамики, модели радиационного баланса и процессы передачи энергии.

Физика атмосферы тесно связана с метеорологией и климатологией, а также включает в себя разработку и конструирование приборов для изучения атмосферы, в том числе инструментов дистанционного зондирования, и интерпретацию полученных данных.

Предмет изучения и цели

К основным процессам, изучаемым физикой атмосферы, относятся:

• Поглощение и излучение тепла атмосферой (радиационный теплообмен);
• Нагревание и охлаждение воздушных масс;
• Циркуляция атмосферы и гидродинамические течения;
• Испарение и конденсация водяного пара (образование облаков и туманов);
• Электрические, оптические и акустические явления.

Основная цель дисциплины — понимание причинно-следственных связей атмосферных явлений для создания точных прогнозов, трудности в которых часто связаны с недостатком знаний о количественных физических закономерностях. Для моделирования погодных систем учёные используют элементы теории рассеяния, модели распространения волн, статистическую механику и пространственную статистику.

Основные разделы

В физике атмосферы выделяют следующие ключевые направления:

• Динамическая метеорология,
  • Термодинамика атмосферы,
• Атмосферная оптика,
• Атмосферное электричество,
• Физика облаков,
• Аэрология,
• Аэрономия,
• Атмосферная акустика,
• и прочие.

Излучение

В физике атмосферы излучение разделяют на солнечное (испускаемое Солнцем) и земное (испускаемое поверхностью Земли и атмосферой).

Солнечное излучение

Солнечный спектр содержит волны различной длины:

• Видимый свет: длины волн от 0,4 до 0,7 мкм<ref>Atmospheric Science Data Center. What Wavelength Goes With a Color? Шаблон:Webarchive Retrieved on 2008-04-15.</ref>.
• Ультрафиолетовое излучение (УФ): более короткие волны. Озон наиболее эффективно поглощает радиацию в районе 0,25 мкм (УФ-C), что приводит к повышению температуры в стратосфере<ref name=":0">University of Delaware . Geog 474: Energy Interactions with the Atmosphere and at the Surface. Шаблон:Wayback Retrieved on 2008-04-15.</ref>.
• Инфракрасное излучение: более длинные волны<ref>Windows to the Universe. Solar Energy in Earth's Atmosphere. Шаблон:Webarchive Retrieved on 2008-04-15.</ref>.

Отражательная способность поверхностей (альбедо) существенно влияет на радиационный баланс: снег отражает около 88% УФ-лучей, песок — 12%, а вода — лишь 4%<ref name=":0" />. Угол падения солнечных лучей также определяет долю энергии, которая будет отражена или поглощена атмосферой: чем острее угол, тем выше вероятность взаимодействия солнечных лучей с поверхностью<ref>Wheeling Jesuit University. Exploring the Environment: UV Menace. Шаблон:Webarchive Retrieved on 2007-06-01.</ref>.

Земное излучение

Поскольку Земля значительно холоднее Солнца, она испускает излучение в гораздо более длинноволновом диапазоне (в соответствии с законом Планка). Максимум энергии земного излучения приходится на длину волны около 10 мкм.

Физика облаков

Данный раздел изучает физические процессы, приводящие к образованию, росту и выпадению облаков.

• Теплые облака состоят из микроскопических капель воды.
• Облака смешанной фазы содержат как капли воды, так и кристаллы льда.

При определенных условиях капли объединяются, образуя осадки<ref>Oklahoma Weather Modification Demonstration Program. CLOUD PHYSICS. Шаблон:Webarchive Retrieved on 2008-04-15.</ref>. Хотя точная механика формирования и роста облаков понятна не до конца, разработаны теории микрофизики отдельных капель, объясняющие структуру облаков. Современные радары и спутниковые технологии позволяют проводить точные исследования облачных систем в крупном масштабе.

Атмосферное электричество

Молния, проходящая из облака в землю, в глобальной атмосферной электрической цепи.

Атмосферное электричество изучает электростатику и электродинамику атмосферы (глобальную атмосферную электрическую цепь), включающую поверхность Земли и ионосферу<ref>Dr. Hugh J. Christian and Melanie A. McCook. Lightning Detection From Space: A Lightning Primer. Шаблон:Webarchive Retrieved on 2008-04-17.</ref>.

Наиболее ярким проявлением являются грозовые разряды. Молния может разряжать ток силой 30 000 ампер при напряжении до 100 миллионов вольт, испуская свет, радиоволны, рентгеновское и даже гамма-излучение<ref>NASA. Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning. Шаблон:Wayback Retrieved on 2007-06-01.</ref>. Температура плазмы в канале молнии может приближаться к 28 000 К, а плотность электронов превышать <math>10^{24}/</math>м<math>^3</math><ref>Fusion Energy Education.Lightning! Sound and Fury. Шаблон:Webarchive Retrieved on 2008-04-17.</ref>.

Атмосферные приливы

Атмосферные приливы — это регулярные колебания ветра, температуры, плотности и давления. Наибольшие амплитуды генерируются в тропосфере и стратосфере за счет периодического нагрева атмосферы (поглощение солнечной радиации водяным паром и озоном днем).

Большинство атмосферных приливов связаны с 24-часовым солнечным днем<ref>Glossary of Meteorology. Atmospheric Tide. Шаблон:Wayback Retrieved on 2008-04-15.</ref>. Амплитуда атмосферных приливов экспоненциально возрастает с высотой по мере попадания в более разреженные слои воздуха.

Хотя тепловое воздействие Солнца вызывает приливы наибольшей амплитуды, гравитационные поля Луны и Солнца также создают приливы в атмосфере, причем лунный гравитационный эффект значительно сильнее солнечного<ref>Scientific American. Does the Moon have a tidal effect on the atmosphere as well as the oceans?. Шаблон:Wayback Retrieved on 2008-07-08.</ref>.

Наблюдения

На уровне моря колебания давления малы: максимумы наблюдаются в 10:00 и 22:00, минимумы — в 04:00 и 16:00<ref>Dr James B. Calvert. Tidal Observations. Шаблон:Wayback Retrieved on 2008-04-15.</ref>. Однако в мезосфере (высота 50–100 км) скорость приливов может достигать более 50 м/с, становясь значимой частью движения атмосферы.

Аэрономия

График электрических разрядов в атмосфере Земли.

Аэрономия — наука о верхних слоях атмосферы (мезосфера, термосфера, ионосфера), где важную роль играют процессы диссоциации и ионизации. Термин был введен Сидни Чепменом в 1960 году<ref>Andrew F. Nagy, p. 1-2 in Comparative Aeronomy, ed. by Andrew F. Nagy et al. (Springer 2008, Шаблон:ISBN)</ref>. Сегодня аэрономия также включает изучение атмосфер других планет.

Исследования проводятся с помощью аэростатов, спутников и метеорологических ракет. В этой области изучаются взаимодействия атмосферных приливов с верхними слоями, а также такие явления, как высотные разряды (спрайты, гало, синие струи и эльфы).

Дистанционное зондирование

Дистанционное зондирование — это получение информации об объекте или явлении с помощью устройств, не имеющих физического контакта с исследуемым объектом. В контексте физики атмосферы это сбор данных с помощью авиации, космических аппаратов, спутников, буев или судов.

Выделяют два основных типа зондирования:

1. Пассивное: Датчики регистрируют естественное излучение, испускаемое или отраженное объектом. Основной источник — отраженный солнечный свет. Примеры: пленочная фотография, инфракрасные датчики, ПЗС-матрицы, радиометры.
2. Активное: Устройство излучает энергию для сканирования объекта, а сенсор регистрирует отраженный или обратно рассеянный сигнал. Измеряя время задержки между излучением и возвратом, можно определить местоположение, высоту, скорость и направление объекта. Примеры: радар, лидар, содар<ref>Glossary of Meteorology (2009). Radar. Шаблон:Wayback American Meteorological Society. Retrieved on 2009-24-23.</ref>.

Применение

Дистанционное зондирование позволяет собирать данные в труднодоступных и опасных районах (например, мониторинг вырубки лесов Амазонии, влияние изменения климата на ледники Арктики и Антарктики). Орбитальные платформы, работающие в различных диапазонах электромагнитного спектра, в сочетании с наземными наблюдениями, позволяют отслеживать такие масштабные явления, как Эль-Ниньо, а также используются в управлении природными ресурсами и обеспечении национальной безопасности<ref>NASA (2009). Earth. Шаблон:Webarchive Retrieved on 2009-02-18.</ref>.

См. также

• Метеорология
• Климатология
• Уравнение Навье-Стокса
• Число Рейнольдса

Литература

• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга