Atmosfärisk fysik - Atmospheric physics

Inom atmosfärsvetenskapen är atmosfärisk fysik tillämpningen av fysik på studiet av atmosfären . Atmosfäriska fysiker försöker modellera jordens atmosfär och atmosfären på de andra planeterna med hjälp av vätskeflödesekvationer , kemiska modeller, strålningsbudget och energiöverföringsprocesser i atmosfären (liksom hur dessa binder till gränssystem som oceanerna). För att modellera vädersystem använder atmosfärsfysiker delar av spridningsteori , vågutbredningsmodeller, molnfysik , statistisk mekanik och rumslig statistik som är mycket matematisk och relaterad till fysik. Den har nära kopplingar till meteorologi och klimatologi och täcker också design och konstruktion av instrument för att studera atmosfären och tolkningen av de data de tillhandahåller, inklusive fjärranalysinstrument . I början av rymdåldern och införandet av klingande raketer blev aeronomi en subdisciplin angående de övre skikten i atmosfären, där dissociation och jonisering är viktigt.

Fjärranalys

Ljusstyrka kan indikera reflektionsförmåga som i denna väderradarbild från 1960 (av orkanen Abby ). Radarens frekvens, pulsform och antenn bestämmer till stor del vad den kan observera.

Fjärranalys är liten eller storskalig inhämtning av information om ett objekt eller fenomen genom antingen inspelnings- eller realtidsavkänningsanordning (er) som inte är i fysisk eller intim kontakt med objektet (t.ex. genom flygplan , rymdfarkoster , satellit , boj eller fartyg ). I praktiken är fjärranalys avståndssamlingen genom användning av en mängd olika enheter för att samla information om ett visst objekt eller område som ger mer information än sensorer på enskilda platser kan förmedla. Sålunda, jordobservation eller vädersatellituppsamlingsplattformar, havet och atmosfär observera väder boj plattformar, övervakning av en graviditet via ultraljud , magnetisk resonanstomografi (MRI), positronemissionstomografi (PET), och rymdsonder är alla exempel på fjärranalys. I modern användning avser termen i allmänhet användningen av avbildningssensorteknologi inklusive men inte begränsad till användningen av instrument ombord på flygplan och rymdfarkoster och skiljer sig från andra avbildningsrelaterade områden såsom medicinsk avbildning .

Det finns två typer av fjärranalys. Passiva sensorer upptäcker naturlig strålning som avges eller reflekteras av objektet eller omgivningen som observeras. Reflekterat solljus är den vanligaste strålningskällan som mäts av passiva sensorer. Exempel på passiva fjärrsensorer inkluderar filmfotografering , infraröd, laddningskopplade enheter och radiometrar . Aktiv insamling avger däremot energi för att skanna objekt och områden varpå en sensor sedan upptäcker och mäter strålningen som reflekteras eller baksprids från målet. radar , lidar och SODAR är exempel på aktiva fjärranalysmetoder som används i atmosfärsfysik där tidsfördröjningen mellan utsläpp och retur mäts och fastställer ett objekts läge, höjd, hastighet och riktning.

Fjärranalys gör det möjligt att samla in data om farliga eller oåtkomliga områden. Fjärranalysapplikationer inkluderar övervakning av avskogning i områden som Amazonasbassängen , effekterna av klimatförändringar på glaciärer och arktiska och antarktiska regioner och djupljud av kust- och havsdjup. Militär insamling under det kalla kriget använde sig av insamling av data om farliga gränsområden. Fjärranalys ersätter också kostsam och långsam datainsamling på marken, vilket i processen säkerställer att områden eller föremål inte störs.

Orbitalplattformar samlar in och överför data från olika delar av det elektromagnetiska spektrumet , som i kombination med större skala antenn- eller markbaserad avkänning och analys ger forskare tillräckligt med information för att övervaka trender som El Niño och andra naturliga lång- och kortsiktiga fenomen. Andra användningsområden inkluderar olika områden inom geovetenskapen, såsom naturresursförvaltning , jordbruksfält som markanvändning och bevarande, och nationell säkerhet och överliggande, markbaserad och avskiljande insamling vid gränsområden.

Strålning

Detta är ett diagram över årstiderna. Förutom densiteten hos infallande ljus är ljusförlusten i atmosfären större när den faller i en grund vinkel.

Atmosfäriska fysiker delar vanligtvis strålning i solstrålning (emitterad av solen) och markbunden strålning (emitterad av jordens yta och atmosfär).

Solstrålning innehåller olika våglängder. Synligt ljus har våglängder mellan 0,4 och 0,7 mikrometer. Kortare våglängder är kända som den ultravioletta (UV) delen av spektrumet, medan längre våglängder grupperas i den infraröda delen av spektrumet. Ozon är mest effektivt för att absorbera strålning runt 0,25 mikrometer, där UV-strålar ligger i spektrumet. Detta ökar temperaturen i den närliggande stratosfären . Snö reflekterar 88% av UV-strålarna, medan sand reflekterar 12% och vatten reflekterar endast 4% av inkommande UV-strålning. Ju mer blickar vinkeln mellan atmosfären och solens strålar, desto mer sannolikt kommer energi att reflekteras eller absorberas av atmosfären .

Markstrålning avges vid mycket längre våglängder än solstrålning. Detta beror på att jorden är mycket kallare än solen. Strålning avges av jorden över en rad våglängder, vilket formaliseras i Plancks lag . Våglängden för maximal energi är cirka 10 mikrometer.

Molnfysik

Molnfysik är studiet av de fysiska processerna som leder till bildning, tillväxt och nederbörd av moln . Molnen består av mikroskopiska vattendroppar (varma moln), små iskristaller eller båda (blandade moln). Under lämpliga förhållanden kombineras dropparna för att bilda nederbörd , där de kan falla till jorden. Den exakta mekaniken för hur ett moln bildas och växer förstås inte helt, men forskare har utvecklat teorier som förklarar molnstrukturen genom att studera mikrofysiken hos enskilda droppar. Framsteg inom radar- och satellitteknik har också möjliggjort en exakt studie av moln i stor skala.

Atmosfärisk el

Moln-till-mark- blixtar i den globala atmosfäriska elektriska kretsen

Atmosfärisk elektricitet är termen som ges till atmosfärens elektrostatik och elektrodynamik (eller, mer allmänt, atmosfären på vilken planet som helst ). Den jordens yta , den jonosfären , och atmosfären är känd som den globala atmosfär elektriska kretsen . Blixtar laddar ut 30000 ampere vid upp till 100 miljoner volt och avger ljus, radiovågor, röntgenstrålar och till och med gammastrålning . Plasmatemperaturer i blixtnedslag kan närma sig 28 000 kelvin och elektrondensiteter kan överstiga 10 ²⁴ / m ³ .

Atmosfäriskt tidvatten

De största amplituden av atmosfäriska tidvatten genereras mestadels i troposfären och stratosfären när atmosfären uppvärms regelbundet eftersom vattenånga och ozon absorberar solstrålning under dagen. Tidvattnet som genereras kan sedan spridas bort från dessa källregioner och stiga upp i mesosfären och termosfären . Atmosfäriska tidvatten kan mätas som regelbundna fluktuationer i vind, temperatur, densitet och tryck. Även om atmosfäriska tidvatten delar mycket gemensamt med havsvatten har de två viktiga kännetecken:

i) Atmosfäriska tidvatten är främst upphetsade av solens uppvärmning av atmosfären medan havs tidvatten främst upphetsas av månens gravitationsfält. Detta innebär att de flesta atmosfäriska tidvatten har perioder av svängning relaterade till solens 24-timmars längd medan havsvatten har längre svängningsperioder relaterade till måndagen (tiden mellan på varandra följande måntransiter) på cirka 24 timmar och 51 minuter.

ii) Atmosfäriska tidvatten sprids i en atmosfär där densiteten varierar betydligt med höjden. En konsekvens av detta är att deras amplituder naturligt ökar exponentiellt när tidvattnet stiger till gradvis mer sällsynta områden i atmosfären (för en förklaring av detta fenomen, se nedan). Däremot varierar havens densitet bara något med djupet och därför varierar tidvattnet inte nödvändigtvis i amplitud med djup.

Observera att även om soluppvärmning är ansvarig för atmosfärens tidvatten med den största amplituden, så ökar solens och månens gravitationsfält också tidvattnet i atmosfären, med månens gravitationella atmosfäriska tidvatteneffekt som är betydligt större än dess motsvarighet till solen.

På marknivå kan atmosfäriska tidvatten detekteras som regelbundna men små svängningar i yttrycket med perioder på 24 och 12 timmar. Dagliga tryckmaxima inträffar klockan 10 och klockan 22 lokal tid, medan minima uppträder klockan fyra och klockan 16 lokal tid. Det absoluta maximumet inträffar klockan 10 medan det absoluta minimumet inträffar klockan 16.00. Men vid större höjder kan tidvattenamplituderna bli mycket stora. I mesosfären (höjder på ~ 50 - 100 km) kan atmosfäriska tidvatten nå amplituder på mer än 50 m / s och är ofta den viktigaste delen av atmosfärens rörelse.

Aeronomi

Representation av övre atmosfäriska blixtar och elektriska urladdningsfenomen

Aeronomi är vetenskapen om atmosfärens övre region, där dissociation och jonisering är viktiga. Termen aeronomi introducerades av Sydney Chapman 1960. Idag inkluderar termen också vetenskapen om motsvarande regioner i andra planets atmosfärer. Forskning inom aeronomi kräver tillgång till ballonger, satelliter och sondraketer som ger värdefull information om denna region i atmosfären. Atmosfäriska tidvatten spelar en viktig roll i samspelet med både den nedre och övre atmosfären. Bland de studerade fenomenen är övre atmosfäriska blixtnedsläpp , såsom ljushändelser som kallas röda spriter , sprite-halor, blå strålar och alver.

Forskningscentra

I Storbritannien stöds atmosfärstudier av Met Office , Natural Environment Research Council och Science and Technology Facilities Council . Avdelningar från US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) övervakar forskningsprojekt och vädermodellering med atmosfärisk fysik. US National Astronomy and Ionosphere Center genomför också studier av den höga atmosfären. I Belgien studerar det belgiska institutet för rymd aeronomi atmosfären och yttre rymden .

Se även

Referenser

Vidare läsning

JV Iribarne, HR Cho, Atmospheric Physics , D. Reidel Publishing Company, 1980.

externa länkar

Media relaterade till atmosfärisk fysik på Wikimedia Commons

Languages

In other projects