Просмотр кода страницы Физика атмосферы

[[Файл:Weather radar.jpg|мини|Изображение урагана Эбби (1960), полученное [[Метеорологическая радиолокационная станция|метеорологической радиолокационной станцией]]. Яркие участки указывают на скопления облаков, которые отражают сигналы радара.]]
'''Фи́зика атмосфе́ры''' — раздел [[Физика|физики]] и [[Метеорология|метеорологии]], изучающий различные физические явления и процессы, происходящие в [[Атмосфера Земли|атмосфере Земли]] и других планет. Она применяет физические методы и математический аппарат для моделирования атмосферы, используя уравнения [[Гидродинамика|гидродинамики]], модели [[Радиационный баланс|радиационного баланса]] и процессы передачи энергии. 

Физика атмосферы тесно связана с метеорологией и [[Климатология|климатологией]], а также включает в себя разработку и конструирование приборов для изучения атмосферы, в том числе инструментов [[Дистанционное зондирование Земли|дистанционного зондирования]], и [[Интерпретация (методология)|интерпретацию]] полученных данных.

== Предмет изучения и цели ==
К основным процессам, изучаемым физикой атмосферы, относятся:

* Поглощение и [[Тепловое излучение|излучение тепла]] атмосферой (радиационный теплообмен);
* Нагревание и охлаждение воздушных масс;
* [[Циркуляция атмосферы]] и гидродинамические течения;
* [[Испарение]] и [[конденсация]] водяного пара (образование [[Облака|облаков]] и [[Туман|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 [[Волна|волн]], [[Статистическая механика|статистическую механику]] и пространственную [[Статистика|статистику]].

== Основные разделы ==
В физике атмосферы выделяют следующие ключевые направления:
* [[Динамическая метеорология]],
** [[Термодинамика атмосферы]],
* [[Атмосферная оптика]],
* [[Атмосферное электричество]],
* [[Облака|Физика облаков]],
* [[Аэрология]],
* [[Аэрономия]],
* [[Рефракция звука|Атмосферная акустика]],
* и прочие.

== Излучение ==
{{Основная статья|Солярный климат}}
В физике атмосферы излучение разделяют на [[Солнечная радиация|солнечное]] (испускаемое [[Солнце|Солнцем]]) и земное (испускаемое поверхностью Земли и атмосферой).

=== Солнечное излучение ===
Солнечный спектр содержит волны различной длины:

* [[Видимое излучение|Видимый свет]]: длины волн от 0,4 до 0,7 [[Микрометр|мкм]]<ref>Atmospheric Science Data Center. [http://science-edu.larc.nasa.gov/EDDOCS/Wavelengths_for_Colors.html What Wavelength Goes With a Color?] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20110720105431/http://science-edu.larc.nasa.gov/EDDOCS/Wavelengths_for_Colors.html|date=2011-07-20}} 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">[[:en:University_of_Delaware|University of Delaware]] . [http://www.udel.edu/Geography/DeLiberty/Geog474/geog474_energy_interact.html Geog 474: Energy Interactions with the Atmosphere and at the Surface.] {{Wayback|url=http://www.udel.edu/Geography/DeLiberty/Geog474/geog474_energy_interact.html |date=20141030063313 }} Retrieved on 2008-04-15.</ref>.
* [[Инфракрасное излучение]]: более длинные волны<ref>Windows to the Universe. [http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Atmosphere/earth_atmosph_radiation_budget.html Solar Energy in Earth's Atmosphere.] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20100131001838/http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Atmosphere/earth_atmosph_radiation_budget.html|date=2010-01-31}} 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. [http://www.cet.edu/ete/modules/ozone/ozatmo.html Exploring the Environment:  UV Menace.] {{webarchive |url=https://web.archive.org/web/20070830094306/http://www.cet.edu/ete/modules/ozone/ozatmo.html|date=2007-08-30}} Retrieved on 2007-06-01.</ref>.

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

== Физика облаков ==
{{Основная статья|Облака}}
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 [[Атмосферные осадки|осадки]]<ref>Oklahoma Weather Modification Demonstration Program. [http://www.evac.ou.edu/okwmdp/physics.html CLOUD PHYSICS.] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20080723154301/http://www.evac.ou.edu/okwmdp/physics.html|date=2008-07-23}} 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 ==
{{Основная статья|Атмосферное электричество}}
[[Файл:Lightning over Oradea Romania 3.jpg|мини|383x383пкс|Молния, проходящая из облака в землю, в глобальной атмосферной электрической цепи.]]
Атмосферное электричество изучает [[Электростатика|электростатику]] и [[Электродинамика|электродинамику]] атмосферы (глобальную атмосферную электрическую цепь), включающую поверхность Земли и [[Ионосфера|ионосферу]]<ref>Dr. Hugh J. Christian and Melanie A. McCook. [http://thunder.msfc.nasa.gov/primer/primer3.html Lightning Detection From Space: A Lightning Primer.] {{webarchive |url=https://web.archive.org/web/20080430142456/http://thunder.msfc.nasa.gov/primer/primer3.html|date=2008-04-30}} Retrieved on 2008-04-17.</ref>.

Наиболее ярким проявлением являются [[Гроза|грозовые]] разряды. [[Молния]] может разряжать ток силой 30 000 [[ампер]] при [[Электрическое напряжение|напряжении]] до 100 миллионов [[вольт]], испуская свет, [[радиоволны]], [[Рентгеновское излучение|рентгеновское]] и даже [[гамма-излучение]]<ref>NASA.  [http://www.nasa.gov/vision/universe/solarsystem/rhessi_tgf.html Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning.] {{Wayback|url=http://www.nasa.gov/vision/universe/solarsystem/rhessi_tgf.html |date=20141010061504 }} Retrieved on 2007-06-01.</ref>. Температура [[Плазма|плазмы]] в канале молнии может приближаться к 28 000 [[Кельвин|К]], а плотность [[Электрон|электронов]] превышать <math>10^{24}/</math>м<math>^3</math><ref>Fusion Energy Education.[http://fusedweb.llnl.gov/CPEP/Chart_Pages/5.Plasmas/Lightning.html Lightning! Sound and Fury.] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161123043211/http://fusedweb.llnl.gov/CPEP/Chart_Pages/5.Plasmas/Lightning.html|date=2016-11-23}} Retrieved on 2008-04-17.</ref>.

== Атмосферные приливы ==
Атмосферные приливы — это регулярные колебания [[Ветер|ветра]], температуры, плотности и [[Давление|давления]]. Наибольшие амплитуды генерируются в [[Тропосфера|тропосфере]] и [[Стратосфера|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. [http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=atmospheric-tide1 Atmospheric Tide.] {{Wayback|url=http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=atmospheric-tide1 |date=20110916085546 }} 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. [http://www.sciam.com/article.cfm?id=does-the-moon-have-a-tida Does the Moon have a tidal effect on the atmosphere as well as the oceans?.] {{Wayback|url=http://www.sciam.com/article.cfm?id=does-the-moon-have-a-tida |date=20210805075420 }} 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. [http://mysite.du.edu/~jcalvert/geol/tides.htm Tidal Observations.] {{Wayback|url=http://mysite.du.edu/~jcalvert/geol/tides.htm |date=20130513001421 }} Retrieved on 2008-04-15.</ref>. Однако в [[Мезосфера|мезосфере]] (высота 50–100 км) скорость приливов может достигать более 50 м/с, становясь значимой частью движения атмосферы.

== Аэрономия ==
{{Основная статья|Аэрономия}}
[[Файл:UpperatmoslightRUS.jpg|мини|360x360пкс|График электрических разрядов в атмосфере Земли.]]
Аэрономия — наука о верхних слоях атмосферы ([[мезосфера]], [[термосфера]], [[ионосфера]]), где важную роль играют процессы [[Диссоциация (химия)|диссоциации]] и [[Ионизация|ионизации]]. Термин был введен [[Чепмен, Сидни|Сидни Чепменом]] в 1960 году<ref>Andrew F. Nagy, p. 1-2 in ''Comparative Aeronomy'', ed. by Andrew F. Nagy ''et al.'' (Springer 2008, {{ISBN|978-0-387-87824-9}})</ref>. Сегодня аэрономия также включает изучение атмосфер других планет.

Исследования проводятся с помощью [[Аэростат|аэростатов]], [[Искусственный спутник|спутников]] и [[Метеорологическая ракета|метеорологических ракет]]. В этой области изучаются взаимодействия атмосферных приливов с верхними слоями, а также такие явления, как высотные разряды ([[Спрайт (молния)|спрайты]], [[гало]], синие струи и эльфы).

== Дистанционное зондирование ==
{{Основная статья|Дистанционное зондирование Земли}}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 [[Авиация|авиации]], [[Космический аппарат|космических аппаратов]], спутников, буев или судов.

Выделяют два основных типа зондирования:

# Пассивное: Датчики регистрируют естественное излучение, испускаемое или отраженное объектом. Основной источник — отраженный солнечный свет. Примеры: пленочная фотография, инфракрасные датчики, [[ПЗС-матрица|ПЗС-матрицы]], [[Радиометр|радиометры]].
# 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]], [[Ветровой профилемер|содар]]<ref>Glossary of Meteorology (2009). [http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=radar1 Radar.] {{Wayback|url=http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=radar1 |date=20111119111508 }} [[:en:American_Meteorological_Society|American Meteorological Society]]. Retrieved on 2009-24-23.</ref>.

=== Применение ===
Дистанционное зондирование позволяет собирать данные в труднодоступных и опасных районах (например, мониторинг вырубки лесов [[Амазонская низменность|Амазонии]], влияние [[Изменение климата|изменения климата]] на ледники [[Арктика|Арктики]] и [[Антарктика|Антарктики]]). Орбитальные платформы, работающие в различных диапазонах [[Электромагнитный спектр|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>[[:en:NASA|NASA]]  (2009). [http://hurricanes.nasa.gov/earth-sun/technology/remote_sensing.html Earth.] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20060929081013/http://hurricanes.nasa.gov/earth-sun/technology/remote_sensing.html |date=2006-09-29 }} Retrieved on 2009-02-18.</ref>.

== См. также ==
* [[Метеорология]]
* [[Климатология]]
* [[Уравнения Навье — Стокса|Уравнение Навье-Стокса]]
* [[Число Рейнольдса]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
{{refbegin}}
* {{книга
|автор = Матвеев Л. Т.
|заглавие = Основы общей метеорологии. Физика атмосферы
|ссылка =
|издание = 2-е изд
|место = Л.
|издательство = [[Гидрометеоиздат]] <!--СПб: Гидрометеоиздат, 2000 -->
|год = 1984
|страницы =
|страниц = 751
|язык = ru
|isbn =
}}
* {{книга
|автор = [[Хргиан, Александр Христофорович|Хргиан А. Х.]]
|заглавие = Физика атмосферы
|ссылка =
|издание = 3-е изд
|место = Л.
|издательство = Гидрометеорологическое изд-во
|год = 1969
|том =
|страницы =
|страниц = 645
|язык = ru
|isbn =
}}
* {{книга
|автор = Гуди Р. М., Уолкер Дж.
|заглавие = Атмосферы, пер. с англ.
|оригинал = Atmospheres by Richard M. Goody [Harvard University] and James C. G. [Walker Yale University], Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1972
|ссылка =
|издание = 3-е изд
|место = М
|издательство = Мир
|год = 1975
|страницы =
|страниц = 184
|язык = ru
|isbn =
}}
{{refend}}

{{вс}}
{{Атмосфера Земли}}
{{Разделы физики атмосферы}}
{{Науки об атмосфере}}
{{Разделы физики}}

[[Категория:Физические науки]]
[[Категория:Науки об атмосфере]]