В области атмосферных наук , физика атмосферы является применением физики к изучению атмосферы . Атмосферные физики пытаются моделировать 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 и т. Д.статистическая механика и пространственная статистика, которые в высшей степени математичны и связаны с физикой. Он имеет тесные связи с метеорологией и климатологией, а также охватывает проектирование и изготовление инструментов для изучения атмосферы и интерпретацию данных, которые они предоставляют, включая инструменты дистанционного зондирования . На заре космической эры и появления зондирующих ракет аэрономия стала одной из дисциплин, касающихся верхних слоев атмосферы, где важны диссоциация и ионизация.
Дистанционное зондирование [ править ]
| Часть серии по |
| Погода |
|---|
| Портал погоды |
Дистанционное зондирование - это мелкомасштабное или крупномасштабное получение информации об объекте или явлении с использованием записывающего или сенсорного устройства (устройств) 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. [1] Таким образом, платформы для наблюдения Земли или метеорологические спутники , метеорологические буйки для наблюдения за океаном и атмосферойплатформы, 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 дистанционных датчиков включают пленочные фотографии , 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 СОДАРявляются примерами активных методов дистанционного зондирования, используемых в физике атмосферы, где измеряется временная задержка между излучением и отражением, устанавливая местоположение, высоту, скорость и направление объекта. [2]
Дистанционное зондирование позволяет собирать данные об опасных или труднодоступных местах. Приложения дистанционного зондирования включают мониторинг обезлесения в таких областях, 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 пострадают.
Орбитальные платформы собирают и передают данные из различных частей электромагнитного спектра , что в сочетании с более крупномасштабным воздушным или наземным зондированием и анализом предоставляет 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 сохранение, а также национальная безопасность и сбор данных на земле, а также сбор данных в приграничных районах. [3]
Радиация [ править ]
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. [4] Более короткие длины волн известны как ультрафиолетовая (УФ) часть спектра, в то время как более длинные волны сгруппированы в инфракрасную часть спектра. [5] Озон наиболее эффективен в поглощении излучения размером около 0,25 микрометра [6], где в спектре находятся УФ-лучи. Это увеличивает температуру ближайшей стратосферы . Снег отражает 88% УФ-лучей [6], в то время как песок отражает 12%, а вода отражает только 4% поступающего УФ-излучения. [6] Чем больше виден угол между атмосферой и Солнцемлучей, тем более вероятно, что энергия будет отражена или поглощена атмосферой . [7]
Земное излучение излучается на гораздо более длинных волнах, чем солнечное. 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 [ править ]
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. [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 радиолокационных и спутниковых технологий также позволили точно изучать облака в крупном масштабе.
Атмосферное электричество [ править ]
Атмосферное электричество - это термин, используемый для описания 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 . [9] Молния разряжает 30 000 ампер при напряжении до 100 миллионов вольт и излучает свет, радиоволны, рентгеновские лучи и даже гамма-лучи . [10] Температура плазмы в молнии может приближаться к 28 000 кельвинов, а плотность электронов может превышать 10 24 / м 3.. [11]
Атмосферный прилив [ править ]
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 океанические приливы в первую очередь вызываются 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. [12]
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. [13]
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 [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 [ править ]
Аэрономия - это наука о верхних слоях атмосферы, где важны диссоциация и ионизация. Термин «аэрономия» был введен Сиднеем Чепменом в 1960 году. [15] 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 световые явления, называемые красными спрайтами , ореолами спрайтов, синими струями и эльфами.
Центры исследований [ править ]
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) наблюдают за исследовательскими проектами и моделированием 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 .
См. Также [ править ]
|
|
|
|
Ссылки [ править ]
- ^ Программа COMET (1999). Дистанционное зондирование. Университетская корпорация атмосферных исследований . Проверено 23 апреля 2009.
- ^ Глоссарий метеорологии (2009). Радар. Американское метеорологическое общество . Проверено 24-24-23.
- ^ НАСА (2009). Земной шар. Архивировано 29 сентября2006 года на Wayback Machine. Проверено 18 февраля 2009 года.
- ^ Центр данных по атмосферным наукам. Какая длина волны сочетается с цветом? Архивировано 20 июля 2011 года на Wayback Machine. Проверено 15 апреля 2008 года.
- ^ Окна во Вселенную. Солнечная энергия в атмосфере Земли. Архивировано 31 января2010 года на Wayback Machine. Проверено 15 апреля 2008 года.
- ^ a b c Университет штата Делавэр . Geog 474: Энергетические взаимодействия с атмосферой и на поверхности. Проверено 15 апреля 2008.
- ^ Катя иезуитский университет. Изучение окружающей среды: угроза ультрафиолетового излучения. Архивировано 30 августа 2007 года на Wayback Machine. Проверено 01июня 2007 года.
- ^ Демонстрационная программа изменения погоды Оклахомы. ОБЛАЧНАЯ ФИЗИКА. Архивировано 23 июля2008 года на Wayback Machine. Проверено 15 апреля 2008 года.
- ^ Д-р Хью Дж. Кристиан и Мелани А. МакКук. Обнаружение молний из космоса: Молнии для начинающих. Архивировано 30 апреля 2008 года в Wayback Machine. Проверено 17апреля 2008 года.
- ^ НАСА. Вспышки в небе: всплески гамма-излучения Земли, вызванные молнией. Проверено 1 июня 2007.
- ^ Образование в области термоядерной энергии. Молния! Звук и ярость. Архивировано 23 ноября 2016 года на Wayback Machine. Проверено 17апреля 2008года.
- ^ Глоссарий метеорологии. Атмосферный прилив. Проверено 15 апреля 2008.
- ^ Scientific American. Оказывает ли Луна приливное воздействие на атмосферу и океаны? Проверено 8 июля 2008.
- ^ Д-р Джеймс Б. Калверт. Приливные наблюдения. Проверено 15 апреля 2008.
- ↑ Эндрю Ф. Надь, стр. 1-2 в сравнительной аэрономии , изд. Эндрю Ф. Надь и др. (Springer 2008, ISBN 978-0-387-87824-9 )
Дальнейшее чтение [ править ]
- И. В. Ирибарн, Х. Р. Чо, Физика атмосферы , издательство D. Reidel Publishing Company, 1980.
Внешние ссылки [ править ]
- СМИ, связанные с физикой атмосферы на Викискладе?
