Введение
Изучение атмосферы, ее процессов и ее взаимодействия с другими системами. Атмосферная наука – это изучение атмосферы Земли и ее различных внутренних физических процессов. Метеорология включает в себя атмосферную химию и атмосферную физику, с основным акцентом на прогнозировании погоды. Климатология – это изучение атмосферных изменений (как долгосрочных, так и краткосрочных), определяющих средний климат и его изменчивость во времени. Аэрономия – это изучение верхних слоев атмосферы, где важны процессы диссоциации и ионизации. Область применения атмосферной науки распространилась на планетарную науку и изучение атмосфер планет и естественных спутников Солнечной системы. Экспериментальные инструменты, используемые в атмосферной науке, включают спутники, ракетные зонды, радиозонды, метеорологические шары, радары и лазеры. Термин «аэрология» (от греческого ἀήρ, aēr – «воздух» и λογία, logia) иногда используется как альтернативный термин для изучения атмосферы Земли; в других определениях аэрология ограничивается свободной атмосферой – областью над планетарным пограничным слоем. К ранним пионерам в этой области относятся Леон Тейссеренк де Бор и Рихард Ассман.
Atmospheric science is the study of the Earth's atmosphere and its various inner working physical processes. Meteorology includes atmospheric chemistry and atmospheric physics with a major focus on weather forecasting. Climatology is the study of atmospheric changes (both long and short term) that define average climates and their change over time climate variability. Aeronomy is the study of the upper layers of the atmosphere, where dissociation and ionization are important. Atmospheric science has been extended to the field of planetary science and the study of the atmospheres of the planets and natural satellites of the Solar System. Experimental instruments used in atmospheric science include satellites, rocketsondes, radiosondes, weather balloons, radars, and lasers. The term aerology (from Greek ἀήρ, aēr, "air"; and λογία, logia) is sometimes used as an alternative term for the study of Earth's atmosphere; in other definitions, aerology is restricted to the free atmosphere, the region above the planetary boundary layer. Early pioneers in the field include Léon Teisserenc de Bort and Richard Assmann.
Химия атмосферы
Атмосферная химия – это раздел атмосферной науки, в котором изучается химия атмосферы Земли и других планет. Это междисциплинарная область исследований, опирающаяся на экологическую химию, физику, метеорологию, компьютерное моделирование, океанографию, геологию, вулканологию и другие дисциплины. Исследования всё больше связаны с другими областями, такими как климатология. Состав и химия атмосферы имеют важное значение по нескольким причинам, но прежде всего из-за взаимодействия атмосферы и живых организмов. Состав атмосферы Земли претерпел изменения в результате деятельности человека, и некоторые из этих изменений наносят вред здоровью человека, сельскохозяйственным культурам и экосистемам. Примерами проблем, которые изучаются в рамках атмосферной химии, являются кислотные дожди, фотохимический смог и глобальное потепление. Атмосферная химия стремится понять причины этих проблем, а получив теоретическое понимание, позволяет тестировать возможные решения и оценивать последствия изменений в государственной политике.
Атмосферная динамика
Атмосферная динамика – это изучение систем движения, имеющих метеорологическое значение, объединяющее наблюдения, выполненные в различных точках и в разное время, и теоретические основы. В рамках этой дисциплины исследуются разнообразные явления, такие как грозы, торнадо, гравитационные волны, тропические и внетропические циклоны, струйные течения и циркуляции глобального масштаба. Цель динамических исследований – объяснить наблюдаемые циркуляции, опираясь на фундаментальные принципы физики. Задачи этих исследований включают в себя повышение точности прогнозов погоды, разработку методов прогнозирования сезонных и межгодовых колебаний климата, а также понимание последствий антропогенного воздействия (например, увеличения концентрации углекислого газа или разрушения озонового слоя) на глобальный климат.
Атмосферная физика
Атмосферная физика – это применение физики к изучению атмосферы. Атмосферные физики стремятся моделировать атмосферу Земли и атмосферы других планет, используя уравнения гидродинамики, химические модели, радиационный баланс и процессы передачи энергии в атмосфере, а также в прилегающих океанах и на суше. Для моделирования погодных систем атмосферные физики используют элементы теории рассеяния, модели распространения волн, физику облаков, статистическую механику и пространственную статистику, каждая из которых опирается на высокий уровень математики и физики. Атмосферная физика тесно связана с метеорологией и климатологией, а также охватывает разработку и создание приборов для изучения атмосферы и интерпретацию получаемых данных, включая приборы дистанционного зондирования. В Соединенном Королевстве атмосферные исследования поддерживаются Метеорологическим управлением. 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. Земное магнитное поле и солнечный ветер взаимодействуют с атмосферой, формируя ионосферу, радиационные пояса Ван Аллена, телурические токи и излучаемую энергию.
Климатология
Это наука, основанная на более общих знаниях, полученных из специализированных дисциплин, таких как метеорология, океанография, геология и астрономия, которые, в свою очередь, опираются на фундаментальные науки – физику, химию и математику. В отличие от метеорологии, изучающей краткосрочные погодные системы продолжительностью до нескольких недель, климатология исследует частоту и тенденции этих систем. Она изучает периодичность погодных явлений на протяжении лет и тысячелетий, а также изменения в долгосрочных средних погодных условиях в связи с атмосферными процессами. Климатологи, специалисты, занимающиеся климатологией, изучают как природу климатов – локальных, региональных или глобальных – так и естественные или антропогенные факторы, вызывающие изменения климата. Климатология анализирует прошлое и стремится прогнозировать будущие изменения климата. К явлениям, представляющим интерес для климатологов, относятся приграничный слой атмосферы, схемы циркуляции, процессы передачи тепла (радиационный, конвективный и скрытый), взаимодействие атмосферы с океанами и земной поверхностью (в частности, растительностью, землепользованием и рельефом), а также химический и физический состав атмосферы. Родственными дисциплинами являются астрофизика, физика атмосферы, химия, экология, физическая география, геология, геофизика, гляциология, гидрология, океанография и вулканология.
Аэрономия
Аэрономия — это научное изучение верхней атмосферы Земли — атмосферных слоев выше стратопаузы — и соответствующих областей атмосфер других планет, где вся атмосфера может соответствовать верхней атмосфере Земли или её части. Являясь отраслью как атмосферной химии, так и атмосферной физики, аэрономия отличается от метеорологии, которая сосредоточена на слоях атмосферы ниже стратопаузы. В атмосферных областях, изучаемых специалистами по аэрономии, важными явлениями являются химическая диссоциация и ионизация.
Атмосфера на других небесных телах
У всех планет Солнечной системы есть атмосфера. Это происходит потому, что их гравитация достаточно сильна, чтобы удерживать газообразные частицы вблизи поверхности. Крупные газовые гиганты обладают достаточной массой, чтобы удерживать большие объемы легких газов – водорода и гелия, в то время как более мелкие планеты теряют эти газы в космос. Состав атмосферы Земли отличается от атмосфер других планет, поскольку различные жизненные процессы, происходившие на планете, привели к появлению свободного молекулярного кислорода. Большая часть атмосферы Меркурия была рассеяна солнечным ветром. Единственной луной, сохранившей плотную атмосферу, является Титан. На Тритоне существует тонкая атмосфера, а на Луне – следовые количества атмосферы. Планетарные атмосферы подвержены воздействию различной интенсивности энергии, получаемой от Солнца или их недр, что приводит к формированию динамических погодных систем, таких как ураганы (на Земле), планетарные пылевые бури (на Марсе), антициклон размером с Землю на Юпитере (известный как Большое Красное Пятно) и прорехи в атмосфере (на Нептуне). По крайней мере, на одной экзопланете, HD 189733 b, обнаружена подобная погодная система, схожая с Большим Красным Пятном, но вдвое больше. Было показано, что горячие юпитеры теряют свои атмосферы в космос из-за звездного излучения, подобно хвостам комет. Эти планеты могут иметь значительные перепады температуры между дневной и ночной сторонами, вызывающие сверхзвуковые ветры, хотя, судя по всему, дневная и ночная стороны HD 189733b имеют очень близкие температуры, что указывает на эффективное перераспределение энергии звезды атмосферой планеты.