Физика атмосферы - Atmospheric physics

В области атмосферных наук , физика атмосферы является применением физики к изучению атмосферы . Атмосферные физики пытаются смоделировать атмосферу Земли и атмосферы других планет, используя уравнения потока жидкости , химические модели, радиационный баланс и процессы передачи энергии в атмосфере (а также то, как они связаны с граничными системами, такими как океаны). Для моделирования погодных систем физики атмосферы используют элементы теории рассеяния , моделей распространения волн, физики облаков , статистической механики и пространственной статистики, которые являются в высшей степени математическими и связаны с физикой. Он имеет тесные связи 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

Яркость может указывать на отражательную способность, как на этом изображении метеорологического радиолокатора 1960 года ( урагана Эбби ). Частота радара, форма импульса и антенна во многом определяют то, что он может наблюдать.

Дистанционное зондирование - это мелкомасштабное или крупномасштабное получение информации об объекте или явлении с использованием записывающего или воспринимающего устройства в реальном времени, которое не находится в физическом или тесном контакте с объектом (например, посредством самолет , космический корабль , спутник , буй или корабль ). На практике дистанционное зондирование - это автономный сбор с использованием различных устройств для сбора информации о данном объекте или области, который дает больше информации, чем могут передать датчики на отдельных участках. Таким образом, платформы для наблюдения Земли или метеорологические спутники, платформы для наблюдений за океаном и атмосферой, метеорологические буи , 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 сенсорных технологий визуализации, включая, помимо прочего, использование инструментов на борту самолетов и космических кораблей, и отличается от других областей, связанных с визуализацией, таких как медицинская визуализация .

Есть два вида дистанционного зондирования. Пассивные датчики обнаруживают естественное излучение, которое испускается или отражается наблюдаемым объектом или окружающей средой. Отраженный солнечный свет - самый распространенный источник излучения, измеряемый пассивными датчиками. Примеры пассивных удаленных датчиков включают пленочную фотографию , инфракрасные устройства , устройства 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 SODAR являются примерами активных методов дистанционного зондирования, используемых в физике атмосферы, где измеряется временная задержка между излучением и отражением, устанавливая местоположение, высоту, скорость и направление объекта.

Дистанционное зондирование позволяет собирать данные об опасных или труднодоступных местах. Приложения дистанционного зондирования включают мониторинг обезлесения в таких районах, как бассейн Амазонки , воздействия изменения климата на ледники и регионы Арктики и Антарктики, а также зондирование прибрежных и океанских глубин. Военный сборник во время холодной войны использовал раздельный сбор данных об опасных приграничных районах. Дистанционное зондирование также заменяет дорогостоящий и медленный сбор данных на земле, гарантируя при этом, что участки или объекты не будут нарушены.

Орбитальные платформы собирают и передают данные из различных частей электромагнитного спектра , которые в сочетании с более крупномасштабными воздушными или наземными зондированием и анализом предоставляют исследователям достаточно информации для отслеживания тенденций, таких как Эль-Ниньо и других природных долгосрочных и краткосрочных явлений. Другие виды использования включают различные области наук о Земле, такие как управление природными ресурсами , сельскохозяйственные области, такие как землепользование и охрана земель, а также национальная безопасность и сбор данных, наземный и удаленный сбор на приграничных территориях.

Радиация

Это диаграмма времен года. Помимо плотности падающего света, рассеивание света в атмосфере больше, когда он падает под небольшим углом.

Атмосферные физики обычно делят радиацию на солнечную (испускаемую солнцем) и земную радиацию (испускаемую поверхностью Земли и атмосферой).

Солнечное излучение содержит волны разных длин. Видимый свет имеет длину волны от 0,4 до 0,7 мкм. Более короткие длины волн известны как ультрафиолетовая (УФ) часть спектра, в то время как более длинные волны сгруппированы в инфракрасную часть спектра. Озон наиболее эффективно поглощает излучение размером около 0,25 микрометра, где в спектре лежат УФ-лучи. Это увеличивает температуру ближайшей стратосферы . Снег отражает 88% УФ-лучей, песок - 12%, а вода отражает только 4% поступающего УФ-излучения. Чем больше угол между атмосферой и солнечными лучами, тем больше вероятность того, что энергия будет отражаться или поглощаться атмосферой .

Земная радиация излучается на гораздо более длинных волнах, чем солнечная радиация. Это потому, что Земля намного холоднее Солнца. Радиация испускается Землей в диапазоне длин волн, как это формализовано в законе Планка . Длина волны максимальной энергии составляет около 10 микрометров.

Физика облаков

Физика облаков - это изучение физических процессов, которые приводят к образованию, росту и выпадению облаков . Облака состоят из микроскопических капель воды (теплые облака), крошечных кристаллов льда или того и другого (облака смешанной фазы). В подходящих условиях капли объединяются, образуя осадки , из которых они могут упасть на землю. Точная механика формирования и роста облака до конца не изучена, но ученые разработали теории, объясняющие структуру облаков, изучая микрофизику отдельных капель. Достижения в области радиолокационных и спутниковых технологий также позволили точно изучать облака в крупном масштабе.

Атмосферное электричество

Молния между облаками и землей в глобальной электрической цепи атмосферы

Атмосферное электричество - это термин, используемый для обозначения электростатики и электродинамики атмосферы (или, в более широком смысле, атмосферы любой планеты ). В поверхности Земли , то ионосфере , и атмосфера известна как глобальная атмосферная электрическая цепь . Молния разряжает 30 000 ампер при напряжении до 100 миллионов вольт и излучает свет, радиоволны, рентгеновские лучи и даже гамма-лучи . Температура плазмы в молнии может приближаться к 28 000 кельвинов, а плотность электронов может превышать 10 24 / м 3 .

Атмосферный прилив

Атмосферные приливы с наибольшей амплитудой в основном генерируются в тропосфере и стратосфере, когда атмосфера периодически нагревается, поскольку водяной пар и озон поглощают солнечную радиацию в течение дня. Затем генерируемые приливы могут распространяться от этих источников 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 особенности:

i) Атмосферные приливы в первую очередь вызываются нагревом атмосферы Солнцем, тогда как океанские приливы в первую очередь возбуждаются гравитационным полем Луны. Это означает, что у большинства атмосферных приливов есть периоды колебаний, связанные с 24-часовой продолжительностью солнечных суток, тогда как у океанских приливов есть более длительные периоды колебаний, связанные с лунным днем ​​(время между последовательными лунными проходами), около 24 часов 51 минута.

ii) Атмосферные приливы распространяются в атмосфере, плотность которой значительно зависит от высоты. Следствием этого является то, что их амплитуды, естественно, экспоненциально возрастают по мере того, как прилив поднимается в все более разреженные области атмосферы (объяснение этого явления см. Ниже). Напротив, плотность океанов лишь незначительно меняется с глубиной, поэтому приливы не обязательно изменяются по амплитуде с глубиной.

Обратите внимание, что хотя солнечное нагревание отвечает за атмосферные приливы с наибольшей амплитудой, гравитационные поля Солнца и Луны также вызывают приливы в атмосфере, при этом лунный гравитационный атмосферный приливный эффект значительно больше, чем его солнечный аналог.

На уровне земли атмосферные приливы можно обнаружить как регулярные, но небольшие колебания приземного давления с периодами 24 и 12 часов. Суточные максимумы давления происходят в 10:00 и 22:00 по местному времени, а минимумы - в 4:00 и 16:00 по местному времени. Абсолютный максимум приходится на 10 часов утра, а абсолютный минимум - на 4 часа дня. Однако на больших высотах амплитуды приливов могут стать очень большими. В мезосфере (высоты ~ 50 - 100 км) атмосферные приливы могут достигать амплитуды более 50 м / с и часто являются наиболее значительной частью движения атмосферы.

Аэрономия

Представление верхних атмосферных явлений молний и электрических разрядов

Аэрономия - это наука о верхних слоях атмосферы, где важны диссоциация и ионизация. Термин аэрономия был введен Сиднеем Чепменом в 1960 году. Сегодня этот термин также включает в себя науку о соответствующих областях атмосфер других планет. Исследования в области аэрономии требуют доступа к воздушным шарам, спутникам и ракетам-зондам, которые предоставляют ценные данные об этой области атмосферы. Атмосферные приливы играют важную роль во взаимодействии как с нижними, так и с верхними слоями атмосферы. Среди изученных явлений - разряды молний в верхних слоях атмосферы , такие как светящиеся явления, называемые красными спрайтами , ореолами спрайтов, синими струями и эльфами.

Центры исследований

В Великобритании исследования атмосферы поддерживаются Метеорологическим бюро , Советом по исследованиям окружающей среды и Советом по науке и технологиям . Подразделения Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) контролируют исследовательские проекты и моделирование погоды с использованием физики атмосферы. США Национальная Астрономия и ионосфера Центр также проводит исследования в высоких слоях атмосферы. В Бельгии , то бельгийский институт космических Аэрономии изучает атмосферу и космическое пространство .

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • Дж. В. Ирибарн, Х. Р. Чо, Физика атмосферы , издательство D. Reidel Publishing Company, 1980.

Внешние ссылки