Кіріспе

Атмосфералық физика – атмосфераның құрылымы, құрамы және қозғалысын зерттейтін физиканың бір саласы. Атмосфералық ғылымдар ішінде атмосфералық физика – атмосфераны зерттеуде физиканы қолдану болып табылады. Атмосфералық физиктер Жер атмосферасын және басқа планеталардың атмосферасын сұйықтық ағыны теңдеулерін, сәулелену балансын және атмосферадағы энергия алмасу процестерін (сондай-ақ олардың мұхиттар сияқты шекаралық жүйелермен байланысын) пайдалана отырып модельдеуге тырысады. Ауа райы жүйелерін модельдеу үшін атмосфералық физиктер шашырау теориясының элементтерін, толқын таралу модельдерін, бұлт физикасын, статистикалық механиканы және физикамен байланысты жоғары математикалық және кеңістіктік статистиканы қолданады. Бұл сала метеорологиямен және климатологиямен тығыз байланысты, сонымен қатар атмосфераны зерттеуге арналған құралдарды жобалау мен құрастыруды, олар ұсынатын деректерді түсіндіруді, оның ішінде қашықтан зондтау құралдарын қамтиды. Ғарыш кеңістігінің бастапқы кезеңінде және зондтық ракеталардың енгізілуімен қатар аэрономия атмосфераның жоғарғы қабаттарын зерттейтін жеке салаға айналды, онда диссоциация және иондану процестері маңызды болып табылады.

Қашықтан зондтау

Қашықтан зондтау – объектінің немесе құбылыстың ақпаратын, физикалық немесе тікелей жанасусыз (мысалы, ұшақ, ғарыш кемесі, спутник, буй немесе кеме арқылы) жазу немесе нақты уақыттағы сезімталдық құрылғыларын пайдалану арқылы, кішкентай немесе үлкен ауқымда алу. Іс жүзінде, қашықтан зондтау – бұл белгілі бір нысан немесе аймақ туралы ақпарат жинау үшін түрлі құрылғыларды қолдану арқылы, жеке орналасқан сенсорлар бере алатын ақпараттан гөрі толыққанды мәліметтерді ұсыну. Осылайша, Жерді бақылау немесе ауа райы спутниктері, мұхит пен атмосфераны бақылау платформалары, жүктілікті ультрадыбыспен бақылау, магниттік-резонанстық томография (МРТ), позитрон-эмиссиялық томография (ПЭТ) және ғарыш зондтары – қашықтан зондтаудың барлық түрлері. Қазіргі қолданыста бұл термин көбінесе суретке түсіру сенсорлық технологияларын, соның ішінде ұшақтар мен ғарыш кемелеріндегі құралдарды пайдалануды білдіреді, және медициналық бейнелеу сияқты басқа суретке түсіру салаларынан ерекшеленеді. Қашықтан зондтаудың екі түрі бар. Пассивті сенсорлар объектінің немесе оны қоршаған аумақтың табиғи сәулеленуін анықтайды немесе шағылыстырады. Күн сәулесінің шағылысуы – пассивті сенсорлармен өлшенетін ең көп таралған сәулелену көзі. Пассивті қашықтан зондтау сенсорларына фотосурет, инфрақызыл, зарядталған құрылғылар және радиометрлер жатады. Ал белсенді зондтау нысанды және аумақты сканерлеу үшін энергияны шығарады, содан кейін сенсор нысанадан шағылысқан немесе кері шашыраған сәулеленуді анықтап, өлшейді. Радар, лидар және SODAR – атмосфералық физикада қолданылатын белсенді қашықтан зондтау техникаларының мысалдары, онда сәулеленудің шығарылуы мен кері қайтуы арасындағы уақыт кешіктірілісі өлшеніп, объектінің орналасуы, биіктігі, жылдамдығы және бағыты анықталады. Қашықтан зондтау қауіпті немесе қол жеткізу қиын аймақтар туралы деректерді жинауға мүмкіндік береді. Қашықтан зондтауты қолдануға Амазонка бассейні сияқты аймақтардағы орманның жойылуын бақылау, климаттың өзгеруінің мұздықтарға және Арктика мен Антарктика аймақтарына тигізетін әсерін зерттеу, сондай-ақ жағалау және мұхит тереңдігін өлшеу жатады. Ұлы Суық соғыс кезіндегі әскери жинақтау қауіпті шекаралық аймақтар туралы деректерді алыстан жинауға пайдаланылды. Сондай-ақ, қашықтан зондтау жердегі деректерді жинаудың қымбат және ұзақ процесін алмастырады, соның салдарынан аймақтар мен объектілердің бұзылуына жол бермейді. Орбиталық платформалар электромагниттік спектрдің әртүрлі бөліктерінен деректерді жинап, жібереді, бұл ауа немесе жердегі кең ауқымды сезімталдық және талдаумен бірге зерттеушілерге Эль-Ниньо және басқа да табиғи ұзақ және қысқа мерзімді құбылыстар сияқты үрдістерді бақылау үшін жеткілікті ақпаратты ұсынады. Басқа қолданыс салаларына жер ғылымдарының түрлі салалары, мысалы, табиғи ресурстарды басқару, ауыл шаруашылығы (жерді пайдалану және қорғау), ұлттық қауіпсіздік және шекаралық аймақтардағы әуеден, жерден және алыстан деректерді жинау кіреді.

Сәулелену

Атмосфералық физиктер радиацияны әдетте күн радиациясына (күннен шығады) және жер радиациясына (жер бетінен және атмосферадан шығады) бөледі. Күн радиациясы әртүрлі толқын ұзындықтарынан тұрады. Көрінетін жарықтың толқын ұзындығы 0,4-тен 0,7 микрометрге дейін. Ұзындығы қысқа толқындар ультракүлгін (УК) спектрдің бөлігі деп аталады, ал ұзындығы ұзақ толқындар инфрақызыл спектрдің бөлігіне жатады. Озон 0,25 микрометр шамасындағы радиацияны сіңіруде ең тиімді, осы спектрде УК-С сәулелері орналасқан. Бұл жақын орналасқан стратосфераның температурасын жоғарылатады. Қар УК сәулелерінің 88% -ын шағылыстырады.

Жер радиациясы күн радиациясынан әлдеқайда ұзын толқын ұзындықтарында шығарылады. Өйткені Жер Күннен әлдеқайда суық. Радиация Жерден Планк заңымен бекітілген толқын ұзындығы диапазонында шығарылады. Ең көп энергияға ие толқын ұзындығы шамамен 10 микрометрді құрайды.

Бұлт физикасы

Бұлт физикасы – бұлттардың қалыптасуына, өсуіне және жауын-шашын түсіруіне себеп болатын физикалық процестерді зерттейтін ғылым. Бұлттар судың көзге көрінбейтін тамшыларынан (жылу бұлттар), ұсақ мұз кристалдарынан немесе екеуінің қосындысынан (аралас фазалы бұлттар) құралады. Тиісті жағдайларда, тамшылар бірігіп жауын-шашынға айналады, содан кейін жерге түседі. Бұлттың қалай қалыптасып, қалай өсетінінің нақты механизмдері толыққанды түсініксіз, бірақ ғалымдар жеке тамшылардың микрофизикасын зерттеу арқылы бұлттардың құрылымын түсіндіретін теорияларды жасады. Радар және спутниктік технологияның жетістіктері бұлттарды ірі масштабта зерттеуге де мүмкіндік берді.

Атмосфералық электр энергиясы

Атмосфералық электр – атмосфераның электростатикасы және электродинамикасын табатын термин (немесе кеңірек алғанда, кез келген планетаның атмосферасы). Жер беті, ионосфера және атмосфера – бұл жаһандық атмосфералық электр тізбегі деп аталады. Нашар құбылысы 30 000 амперге дейін, 100 миллион вольтқа дейін ток күшімен, жарық, радио толқындары, рентген сәулелері және тіпті гамма сәулелерін шығарады. Нашар құбылысындағы плазма температурасы 28 000 кельвинге жуықтап, электрон тығыздығы 1024/м³-ден асуы мүмкін.

Атмосфералық су тасқыны

Ең үлкен амплитудалы атмосфералық толқындары көбінесе тропосфера мен стратосферада пайда болады, атмосфера су буы мен озон күн сәулесін сіңіретін кезде мерзімді түрде қызып тұрғанда. Пайда болған толқындар осы бастау аймақтарынан таралып, мезосфера мен термосфераға көтеріледі. Атмосфералық толқындар желдің, температураның, тығыздықтың және қысымның үнемі өзгеруі ретінде өлшенуі мүмкін. Атмосфералық толқындар мұхит толқындарымен көп ортақ нәрсеге ие болғанымен, екі маңызды ерекшелігі бар:

i) Атмосфералық толқындар негізінен Күннің атмосфераны қыздыруынан туындайды, ал мұхит толқындары негізінен Айдың гравитациялық өрісінен туындайды. Бұл атмосфералық толқындардың көпшілігінің тербеліс периоды Күннің 24 сағаттық ұзындығымен байланысты екенін, ал мұхит толқындарының тербеліс периоды Ай күнімен байланысты екенін (екі тікелей Ай транзиті арасындағы уақыт) шамамен 24 сағат 51 минутты құрайды. ii) Атмосфералық толқындар атмосферада таралады, онда тығыздық биіктікке қарай айтарлықтай өзгереді. Осының салдарынан, толқын атмосфераның тығыздығы азаятын биік аймақтарына көтерілген кезде олардың амплитудасы табиғи түрде экспоненциалды түрде артады (осы құбылыстың түсіндірмесі үшін төмендегі бөлімді қараңыз). Мұхиттардың тығыздығы тереңдікке қарай аздап өзгеретіндіктен, мұнда толқындардың амплитудасы тереңдікке қарай міндетті түрде өзгере бермейді. Күннің қыздыруы ең үлкен амплитудалы атмосфералық толқындарға жауапты болғанымен, Күн мен Айдың гравитациялық өрістері атмосферада да толқындар тудырады, мұнда Айдың гравитациялық толқынының әсері оның Күн әсерінен әлдеқайда үлкен. Жер бетінде атмосфералық толқындарды 24 және 12 сағаттық периодтары бар жер бетіндегі қысымның үнемі, бірақ шағын өзгеруі ретінде анықтауға болады. Күнделікті қысымның ең жоғары мәні жергілікті уақыт бойынша сағат 10:00 және 22:00-де, ал ең төменгі мәні сағат 04:00 және 16:00-де болады. Абсолюттік максимум сағат 10:00-де, ал абсолюттік минимум сағат 16:00-де болады. Дегенмен, биіктік артқан сайын толқындардың амплитудасы өте үлкен болуы мүмкін. Мезосферада (биіктігі ~ 50–100 км) атмосфералық толқындар 50 м/с-тан асатын амплитудаға жете алады және көбінесе атмосфераның қозғалысының ең маңызды бөлігін құрайды.

Аэрономия

Аэрономия – атмосфераның жоғарғы қабатын зерттейтін ғылым, онда диссоциация және иондалу маңызды процестер болып табылады. «Аэрономия» терминін 1960 жылы Сидней Чапман енгізген. Бүгінде бұл термин басқа планеталар атмосферасының ұқсас аймақтарын зерттейтін ғылымды да қамтиды. Аэрономия саласындағы зерттеулер үшін атмосфераның бұл қабаты туралы құнды деректер беретін аэростаттар, спутниктер және зондтық ракеталар қолжетімді болуы қажет. Атмосфералық толқындар төменгі және жоғарғы атмосферамен өзара әрекеттесуде маңызды рөл атқарады. Зерттелетін құбылыстардың ішінде жоғарғы атмосферадағы молния разряды, мысалы, қызыл спириттер, спирит галолары, көк джеттер және эльфтер сияқты жарқыраған құбылыстар бар.

Ғылыми-зерттеу орталықтары

Ұлыбританияда атмосфералық зерттеулер Метеорологиялық қызмет, Табиғи ортаны зерттеу кеңесі және Ғылым мен технологиялық құрылымдар кеңесімен қамтамасыз етіледі. АҚШ Ұлттық мұхиттық және атмосфералық басқару басқармасының (NOAA) бөлімдері атмосфералық физика саласын қамтитын зерттеу жобалары мен ауа райын модельдеуді бақылайды. АҚШ Ұлттық астрономия және ионосфера орталығы да жоғары атмосфераны зерттеумен айналысады. Бельгияда Бельгия ғарыш аэрономия институты атмосфера мен сыртқы ғарышты зерттейді. Францияда атмосфераны зерттейтін бірнеше мемлекеттік немесе жеке ұйымдар бар, мысалы, Météo France (Météo France), Ұлттық ғылыми зерттеу орталығының бірнеше зертханалары (мысалы, IPSL тобындағы зертханалар).