Физика атмосферы
 |
| Метеорология |
|---|
| Климатология |
| Аэрономия |
| Глоссарии |
В рамках наук об атмосфере физика атмосферы представляет собой применение физики к изучению атмосферы . Физики атмосферы пытаются смоделировать атмосферу Земли и атмосферы других планет, используя потока жидкости уравнения , радиационный баланс и процессы передачи энергии в атмосфере (а также то, как они связаны с пограничными 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 строго математическими и связаны с физикой. Он имеет тесные связи с метеорологией и климатологией , а также охватывает проектирование и изготовление инструментов для изучения атмосферы и интерпретации предоставляемых ими данных, включая инструменты дистанционного зондирования . На заре космической эры и с появлением зондирующих ракет аэрономия стала дисциплиной, изучающей верхние слои атмосферы, где важны диссоциация и ионизация.
Дистанционное зондирование
[ редактировать ]| Часть серии о |
| Погода |
|---|
 Погодный портал |
Дистанционное зондирование — это мелкомасштабное или крупномасштабное получение информации об объекте или явлении путем использования устройства(ов) записи или измерения 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 представляет собой автономный сбор с использованием различных устройств для сбора информации о данном объекте или области, которая дает больше информации, чем могут передать датчики на отдельных объектах. [1] Таким образом, платформы наблюдения Земли или метеорологические спутники , платформы метеорологических буев для наблюдения за океаном и атмосферой , мониторинг беременности с помощью ультразвука , магнитно-резонансной томографии (МРТ), позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и космические зонды — все это примеры дистанционного зондирования. В современном использовании этот термин обычно относится к использованию технологий датчиков изображения, включая, помимо прочего, использование инструментов 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 излучается или отражается наблюдаемым объектом или окружающей территорией. Отраженный солнечный свет является наиболее распространенным источником излучения, измеряемым пассивными датчиками. Примеры пассивных дистанционных датчиков включают пленочную фотографию , инфракрасные устройства, устройства с зарядовой связью и радиометры . С другой стороны, активный сбор излучает энергию для сканирования объектов и областей, после чего датчик затем обнаруживает и измеряет излучение, которое отражается или обратно рассеивается от цели. радар , лидар и SODAR являются примерами активных методов дистанционного зондирования, используемых в физике атмосферы, где измеряется временная задержка между излучением и возвращением, определяя местоположение, высоту, скорость и направление объекта. [2]
Дистанционное зондирование позволяет собирать данные об опасных или недоступных территориях. Приложения дистанционного зондирования включают мониторинг обезлесения в таких районах, как бассейн Амазонки , влияние изменения климата на ледники , арктические и антарктические регионы, а также глубинное зондирование прибрежных и океанских глубин. Военный сбор во время « холодной войны» проводился в режиме удаленного сбора данных об опасных приграничных районах. Дистанционное зондирование также заменяет дорогостоящий и медленный сбор данных на земле, гарантируя при этом, что территории или объекты не будут нарушены.
Орбитальные платформы собирают и передают данные из разных частей электромагнитного спектра , что в сочетании с более масштабными воздушными или наземными зондированием и анализом предоставляет исследователям достаточно информации для мониторинга таких тенденций, 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 земель, а также национальная безопасность, а также сбор надземных, наземных и дистанционных сборов в приграничных районах. [3]
Радиация
[ редактировать ]
Физики атмосферы обычно делят излучение на солнечное излучение (испускаемое Солнцем) и земное излучение (испускаемое поверхностью Земли и атмосферой).
Солнечное излучение содержит различные длины волн. Видимый свет имеет длину волны от 0,4 до 0,7 микрометра. [4] Более короткие волны известны как ультрафиолетовая (УФ) часть спектра, а более длинные волны сгруппированы в инфракрасную часть спектра. [5] Озон наиболее эффективно поглощает излучение размером около 0,25 микрометра. [6] где в спектре лежат лучи УФ-С. Это увеличивает температуру близлежащей стратосферы . Снег отражает 88% ультрафиолетовых лучей, [6] в то время как песок отражает 12%, а вода отражает только 4% поступающего 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 излучается на гораздо более длинных волнах, чем солнечное излучение. Это потому, что Земля намного холоднее Солнца. Излучение излучается Землей в диапазоне длин волн, как это формализовано в законе Планка . Длина волны максимальной энергии составляет около 10 микрометров.
Физика облаков
[ редактировать ]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). При подходящих условиях капли объединяются, образуя осадки , из которых они могут выпадать на землю. [8] Точная механика формирования и роста облаков до конца не изучена, но ученые разработали теории, объясняющие структуру облаков, изучая микрофизику отдельных капель. Достижения в области радарных и спутниковых технологий также позволили точно изучать облака в больших масштабах.
Атмосферное электричество
[ редактировать ]
Атмосферное электричество — это термин, обозначающий электростатику и электродинамику атмосферы (или, в более широком смысле, атмосферы любой планеты ). Поверхность Земли , ионосфера и атмосфера известны как глобальная атмосферная электрическая цепь . [9] Молния разряжает 30 000 ампер , напряжение до 100 миллионов вольт и излучает свет, радиоволны, рентгеновские и даже гамма-лучи . [10] Температура плазмы в молнии может достигать 28 000 К , а электронов может превышать 10. плотность 24 /м 3 . [11]
Атмосферный прилив
[ редактировать ]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. Возникающие приливы затем 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 возбуждаются главным образом за счет нагрева 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 солнечного дня, тогда как океанские приливы имеют более длинные периоды колебаний, связанные с лунным днем (время между последовательными лунными транзитами), составляющее около 24 часов 51 минуты. [12]
ii) Атмосферные приливы распространяются в атмосфере, плотность которой значительно меняется с высотой. Следствием этого является то, что их амплитуды естественным образом увеличиваются в геометрической прогрессии по мере того, как прилив поднимается во все более разреженные области атмосферы (объяснение этого явления см. ниже). Напротив, плотность океанов лишь незначительно меняется с глубиной, поэтому амплитуда приливов не обязательно меняется с глубиной.
Обратите внимание, что хотя солнечное нагревание является причиной атмосферных приливов наибольшей амплитуды, гравитационные поля Солнца и Луны также вызывают приливы в атмосфере, при этом лунный гравитационный атмосферный приливный эффект значительно больше, чем его солнечный аналог. [13]
На уровне земли атмосферные приливы можно обнаружить как регулярные, но небольшие колебания приземного давления с периодами 24 и 12 часов. Максимумы суточного давления наблюдаются в 10:00 и 22:00 по местному времени, а минимумы — в 4:00 и 16:00 по местному времени. Абсолютный максимум приходится на 10:00, а абсолютный минимум — на 16:00. [14] 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
[ редактировать ]
Аэрономия — это наука о верхних областях атмосферы, где важны диссоциация и ионизация. Термин «аэрономия» был введен Сиднеем Чепменом в 1960 году. [15] Сегодня этот термин включает также 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 нижними, так и с верхними слоями атмосферы. Среди изучаемых явлений — разряды молний в верхних слоях атмосферы , такие как светящиеся явления, называемые красными спрайтами , ореолами спрайтов, синими джетами и эльфами.
Центры исследований
[ редактировать ]В Великобритании исследования атмосферы поддерживаются Метеорологическим бюро , Советом по исследованию природной среды и Советом по науке и технологиям . Подразделения Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) курируют исследовательские проекты и моделирование погоды с использованием физики атмосферы. США Национальный центр астрономии и ионосферы также проводит исследования верхних слоев атмосферы. В Бельгии Бельгийский институт космической аэрономии изучает атмосферу и космическое пространство . Во Франции есть несколько государственных или частных организаций, исследующих атмосферу, например Метео-Франс ( Météo-France ), несколько лабораторий в национальном научно-исследовательском центре (например, лаборатории группы IPSL ).
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Программа КОМЕТА (1999). Дистанционное зондирование. Архивировано 7 мая 2013 г. в Wayback Machine Корпорации атмосферных исследований Университета . Проверено 23 апреля 2009 г.
- ^ Глоссарий метеорологии (2009). Радар. Американское метеорологическое общество . Проверено 24 апреля 2009 г.
- ^ НАСА (2009). Земля. Архивировано 29 сентября 2006 г. на Wayback Machine . Проверено 18 февраля 2009 г.
- ^ Центр данных по атмосферным наукам. Какая длина волны соответствует цвету? Архивировано 20 июля 2011 г. на Wayback Machine . Проверено 15 апреля 2008 г.
- ^ Окна во Вселенную. Солнечная энергия в атмосфере Земли. Архивировано 31 января 2010 г. на Wayback Machine . Проверено 15 апреля 2008 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Университет штата Делавэр . Геог 474: Энергетические взаимодействия с атмосферой и на поверхности. Проверено 15 апреля 2008 г.
- ^ Иезуитский университет Уилинг. Исследование окружающей среды: УФ-угроза. Архивировано 30 августа 2007 г. в Wayback Machine . Проверено 1 июня 2007 г.
- ^ Демонстрационная программа изменения погоды в Оклахоме. ОБЛАЧНАЯ ФИЗИКА. Архивировано 23 июля 2008 г. на Wayback Machine . Проверено 15 апреля 2008 г.
- ^ Доктор Хью Дж. Кристиан и Мелани А. МакКук. Обнаружение молний из космоса: учебник по молниям. Архивировано 30 апреля 2008 г. в Wayback Machine . Проверено 17 апреля 2008 г.
- ^ НАСА. Вспышки в небе: гамма-всплески Земли, вызванные молниями. Проверено 1 июня 2007 г.
- ^ Образование в области термоядерной энергетики. Молния! Звук и Ярость. Архивировано 23 ноября 2016 г. на Wayback Machine . Проверено 17 апреля 2008 г.
- ^ Словарь метеорологии. Атмосферный прилив. Проверено 15 апреля 2008 г.
- ^ Научный американец. Оказывает ли Луна приливное воздействие на атмосферу и океаны? Проверено 8 июля 2008 г.
- ^ Доктор Джеймс Б. Калверт. Приливные наблюдения. Проверено 15 апреля 2008 г.
- ^ Эндрю Ф. Нэдь, с. 1-2 в сравнительной аэрономии , изд. Эндрю Ф. Надь и др. (Спрингер 2008 г., ISBN 978-0-387-87824-9 )
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Дж. В. Ирибарн, Х. Р. Чо, Физика атмосферы , Издательство Д. Рейделя, 1980.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
СМИ, связанные с физикой атмосферы, на Викискладе?
