Физика атмосферы и дистанционное зондирование.

Введение

Подраздел физики, изучающий структуру, состав и движение атмосферы.

В рамках атмосферных наук, физика атмосферы представляет собой применение физики к изучению атмосферы. Атмосферные физики стремятся моделировать атмосферу Земли и атмосферы других планет, используя уравнения гидродинамики, радиационный баланс и процессы переноса энергии в атмосфере (а также их связь с приповерхностными системами, такими как океаны). Для моделирования погодных систем атмосферные физики используют элементы теории рассеяния, модели распространения волн, физику облаков, статистическую механику и пространственную статистику, которые носят высокоматематический и физический характер. Она тесно связана с метеорологией и климатологией, а также охватывает разработку и создание приборов для изучения атмосферы и интерпретацию получаемых ими данных, включая приборы дистанционного зондирования. С началом космической эры и появлением ракет-зондов аэрономия выделилась в отдельную дисциплину, изучающую верхние слои атмосферы, где важны процессы диссоциации и ионизации.

Далекое зондирование

Дистанционное зондирование – это получение информации об объекте или явлении в малом или большом масштабе с использованием записывающих устройств или датчиков в реальном времени, которые не имеют физического или непосредственного контакта с объектом (например, с помощью самолетов, космических аппаратов, спутников, буев или кораблей). На практике дистанционное зондирование представляет собой сбор данных с использованием различных устройств для получения информации об определенном объекте или территории, предоставляющий больше информации, чем могли бы передать датчики в отдельных точках. Таким образом, платформы наблюдения за Землей или сбора данных метеорологическими спутниками, платформы наблюдения за океаном и атмосферой, мониторинг беременности с помощью ультразвукового исследования, магнитно-резонансная томография (МРТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и космические зонды – все это примеры дистанционного зондирования. В современном понимании термин обычно относится к использованию технологий сенсорной визуализации, включая, но не ограничиваясь, инструментами на борту самолетов и космических аппаратов, и отличается от других областей, связанных с визуализацией, таких как медицинская визуализация. Существуют два типа дистанционного зондирования. Пассивные датчики обнаруживают естественное излучение, испускаемое или отражаемое объектом или окружающей его областью. Отраженный солнечный свет является наиболее распространенным источником излучения, измеряемым пассивными датчиками. Примеры пассивных датчиков включают фотопленку, инфракрасные датчики, приборы с зарядовой связью (ПЗС) и радиометры. Активный сбор данных, напротив, излучает энергию для сканирования объектов и территорий, после чего датчик обнаруживает и измеряет излучение, отраженное или обратно рассеянное от цели. Радар, лидар и SODAR – примеры активных методов дистанционного зондирования, используемых в физике атмосферы, где измеряется временная задержка между излучением и возвратом сигнала, что позволяет определить местоположение, высоту, скорость и направление объекта. Дистанционное зондирование позволяет собирать данные об опасных или труднодоступных районах. Области применения дистанционного зондирования включают мониторинг вырубки лесов в таких регионах, как бассейн Амазонки, последствия изменения климата для ледников и арктических и антарктических регионов, а также измерение глубин прибрежных и океанических вод. Во время Холодной войны военная разведка использовала дистанционный сбор данных об опасных приграничных районах. Дистанционное зондирование также заменяет дорогостоящий и трудоемкий сбор данных на местности, обеспечивая при этом сохранность исследуемых территорий и объектов. Орбитальные платформы собирают и передают данные из различных частей электромагнитного спектра, которые в сочетании с более масштабными воздушными или наземными датчиками и анализом предоставляют исследователям достаточно информации для мониторинга тенденций, таких как Эль-Ниньо и другие природные явления краткосрочного и долгосрочного характера. Другие области применения включают различные области наук о Земле, такие как управление природными ресурсами, сельское хозяйство (например, землепользование и охрана земель), а также национальную безопасность и воздушную, наземную и дистанционную разведку в приграничных районах.

Remote sensing is the small or large scale acquisition of information of an object or phenomenon, by the use of either recording or real time sensing device(s) that is not in physical or intimate contact with the object (such as by way of aircraft, spacecraft, satellite, buoy, or ship). In practice, remote sensing is the stand off collection through the use of a variety of devices for gathering information on a given object or area which gives more information than sensors at individual sites might convey. Thus, Earth observation or weather satellite collection platforms, ocean and atmospheric observing weather buoy platforms, monitoring of a pregnancy via ultrasound, magnetic resonance imaging (MRI), positron emission tomography (PET), and space probes are all examples of remote sensing. In modern usage, the term generally refers to the use of imaging sensor technologies including but not limited to the use of instruments aboard aircraft and spacecraft, and is distinct from other imaging related fields such as medical imaging. There are two kinds of remote sensing. Passive sensors detect natural radiation that is emitted or reflected by the object or surrounding area being observed. Reflected sunlight is the most common source of radiation measured by passive sensors. Examples of passive remote sensors include film photography, infrared, charge coupled devices, and radiometers. Active collection, on the other hand, emits energy in order to scan objects and areas whereupon a sensor then detects and measures the radiation that is reflected or backscattered from the target. radar, lidar, and SODAR are examples of active remote sensing techniques used in atmospheric physics where the time delay between emission and return is measured, establishing the location, height, speed and direction of an object. Remote sensing makes it possible to collect data on dangerous or inaccessible areas. Remote sensing applications include monitoring deforestation in areas such as the Amazon Basin, the effects of climate change on glaciers and Arctic and Antarctic regions, and depth sounding of coastal and ocean depths. Military collection during the Cold War made use of stand off collection of data about dangerous border areas. Remote sensing also replaces costly and slow data collection on the ground, ensuring in the process that areas or objects are not disturbed. Orbital platforms collect and transmit data from different parts of the electromagnetic spectrum, which in conjunction with larger scale aerial or ground based sensing and analysis, provides researchers with enough information to monitor trends such as El Niño and other natural long and short term phenomena. Other uses include different areas of the earth sciences such as natural resource management, agricultural fields such as land usage and conservation, and national security and overhead, ground based and stand off collection on border areas.

Излучение

Атмосферные физики обычно разделяют излучение на солнечное излучение (излучаемое Солнцем) и земное излучение (излучаемое поверхностью Земли и атмосферой). Солнечное излучение содержит множество длин волн. Видимый свет имеет длины волн от 0,4 до 0,7 микрометра. Более короткие длины волн известны как ультрафиолетовая (УФ) часть спектра, а более длинные длины волн – как инфракрасная часть спектра. Озон наиболее эффективно поглощает излучение около 0,25 микрометра, где в спектре находятся УФ-лучи C. Это приводит к повышению температуры ближайшей стратосферы. Снег отражает 88% УФ-лучей.

Земное излучение испускается на гораздо больших длинах волн, чем солнечное излучение. Это связано с тем, что Земля значительно холоднее Солнца. Земля излучает энергию в диапазоне длин волн, что описывается законом Планка. Длина волны максимальной энергии составляет около 10 микрометров.

Физика облаков

Физика облаков – это изучение физических процессов, приводящих к образованию, росту и выпадению осадков из облаков. Облака состоят из микроскопических капель воды (теплые облака), крошечных кристаллов льда или и того, и другого (облака смешанной фазы). При благоприятных условиях капли объединяются, формируя осадки, которые могут достигать земли. Точные механизмы формирования и роста облаков изучены не полностью, но ученые разработали теории, объясняющие структуру облаков на основе изучения микрофизики отдельных капель. Достижения в технологиях радаров и спутников также позволили проводить масштабные и точные исследования облаков.

Атмосферная электричество

Атмосферное электричество — это термин, обозначающий электростатику и электродинамику атмосферы (или, в более широком смысле, атмосферы любой планеты). Поверхность Земли, ионосфера и атмосфера вместе образуют глобальную атмосферную электрическую цепь. Молния несёт ток в 30 000 ампер при напряжении до 100 миллионов вольт и излучает свет, радиоволны, рентгеновские лучи и даже гамма-лучи. Температура плазмы в молнии может достигать 28 000 кельвинов, а плотность электронов – превышать 10<sup>24</sup>/м<sup>3</sup>.

Атмосферный прилив

Наибольшая амплитуда атмосферных приливов в основном формируется в тропосфере и стратосфере, когда атмосфера периодически нагревается по мере поглощения солнечного излучения водяным паром и озоном в течение дня. Сгенерированные приливы затем могут распространяться от этих источников и подниматься в мезосферу и термосферу. Атмосферные приливы можно измерять как регулярные колебания ветра, температуры, плотности и давления. Хотя атмосферные приливы имеют много общего с океаническими приливами, они обладают двумя ключевыми отличительными особенностями:

i) Атмосферные приливы в основном возбуждаются нагревом атмосферы Солнцем, в то время как океанические приливы в основном возбуждаются гравитационным полем Луны. Это означает, что у большинства атмосферных приливов периоды колебаний связаны с 24-часовой продолжительностью солнечного дня, тогда как у океанических приливов периоды колебаний более длительные и связаны с лунным днем (временем между последовательными лунными транзитами), составляющим примерно 24 часа 51 минуту. ii) Атмосферные приливы распространяются в атмосфере, где плотность существенно меняется с высотой. В результате их амплитуды естественным образом экспоненциально возрастают по мере подъема прилива в постепенно более разреженные слои атмосферы (объяснение этого явления приведено ниже). В отличие от этого, плотность океанов изменяется незначительно с глубиной, поэтому амплитуда приливов в океане не обязательно меняется с глубиной. Следует отметить, что хотя солнечное нагревание является причиной наибольшей амплитуды атмосферных приливов, гравитационные поля Солнца и Луны также вызывают приливы в атмосфере, причем гравитационное влияние Луны на атмосферные приливы значительно сильнее солнечного. На уровне земли атмосферные приливы могут быть обнаружены как регулярные, но небольшие колебания поверхностного давления с периодами 24 и 12 часов. Суточные максимумы давления наблюдаются в 10 утра и 10 вечера по местному времени, а минимумы – в 4 утра и 4 вечера по местному времени. Абсолютный максимум приходится на 10 утра, а абсолютный минимум – на 4 вечера. Однако на больших высотах амплитуды приливов могут становиться очень большими. В мезосфере (на высотах около 50–100 км) атмосферные приливы могут достигать амплитуды более 50 м/с и часто являются наиболее значимой частью движения атмосферы.

Аэрономия

Аэрономия – это наука об верхних областях атмосферы, где важны диссоциация и ионизация. Термин "аэрономия" был предложен Сиднеем Чапманом в 1960 году. В настоящее время этот термин также охватывает науку о соответствующих областях атмосфер других планет. Исследования в области аэрономии требуют использования аэростатов, спутников и ракет-зондов, которые предоставляют ценные данные об этой части атмосферы. Атмосферные волны играют важную роль во взаимодействии с нижней и верхней атмосферами. Среди изучаемых явлений – верхнеатмосферные электрические разряды, такие как светящиеся явления, известные как красные спрайты, гало спрайтов, синие джеты и эльфы.

Центры исследований

В Великобритании атмосферные исследования поддерживаются Метеослужбой, Советом по исследованию естественной среды и Советом по науке и технологиям. Подразделения Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) осуществляют надзор за исследовательскими проектами и моделированием погоды, связанными с физикой атмосферы. Национальный астрономический и ионосферный центр США также проводит исследования верхних слоев атмосферы. В Бельгии Бельгийский институт космической аэрономии изучает атмосферу и космическое пространство. Во Франции существует ряд государственных и частных организаций, занимающихся исследованиями атмосферы, например, Météo France (Météo France), а также несколько лабораторий в Национальном центре научных исследований (включая лаборатории группы IPSL).