Химический состав атмосферного воздуха является ключевым параметром, определяющим качество среды и здоровье экосистем. Основные загрязнители — это диоксид серы (SO₂), оксиды азота (NOₓ), углеродные соединения (CO, CH₄), твердые частицы (PM₂.₅ и PM₁₀) и летучие органические соединения (ЛОС). Их концентрации изменяются под воздействием как природных процессов (вулканы, лесные пожары), так и антропогенной деятельности (промышленность, транспорт).
Физика переноса загрязнителей включает процессы диффузии, конвекции и адсорбции на частицах аэрозоля. Турбулентные потоки в атмосфере определяют распространение загрязнений на большие расстояния. Математические модели диффузии используют уравнения типа Навье–Стокса с добавлением источников и стоков загрязнителей, что позволяет предсказывать концентрации и их динамику во времени.
Эффекты загрязнения на климатическую систему проявляются через изменение альбедо, усиление парникового эффекта и формирование локальных тепловых островов. Частицы аэрозоля могут служить ядрами конденсации, влияя на облачность и распределение осадков.
Энергетический баланс планеты определяется разностью между солнечной радиацией, поглощаемой Землей, и инфракрасным излучением, уходящим в космос. Антропогенные выбросы парниковых газов увеличивают эффективность удержания тепла атмосферой, что приводит к глобальному потеплению.
Физические методы оценки изменений климата включают:
Особое внимание уделяется обратным связям: таяние ледников снижает альбедо, увеличивая поглощение энергии, а высвобождение метана из вечной мерзлоты ускоряет нагрев.
Физика гидрологического цикла включает испарение, конденсацию, осадки и сток. Изменение климата влияет на интенсивность и распределение осадков, частоту наводнений и засух.
Динамика атмосферной влаги описывается уравнением непрерывности для водяного пара и уравнениями теплопереноса. Изменения температуры влияют на насыщение воздуха влагой и скорость конденсации, что напрямую связано с формированием экстремальных осадков.
Чрезвычайные гидрометеорологические явления — тайфуны, ливни, засухи — рассматриваются как проявления нестабильности динамической системы атмосферы и океана. Математическое моделирование позволяет прогнозировать их интенсивность и локализацию, но высокая турбулентность и нелинейность системы ограничивают точность долгосрочных прогнозов.
Физика переноса веществ в водных системах включает процессы диффузии, конвекции, турбулентного смешения и седиментации. Загрязнители могут быть растворенными (нитраты, фосфаты, тяжелые металлы) и коллоидными (частицы взвеси).
Эвтрофикация — процесс ускоренного накопления питательных веществ в водоемах — изменяет световой режим, снижает содержание кислорода и влияет на экосистемы. Физические параметры, такие как турбулентность и обмен с атмосферой, определяют скорость распространения и осаждения веществ.
Моделирование качества воды включает уравнения переноса массы с учетом химических реакций и биологических процессов. Особое значение имеют теплообмен и турбулентность, которые контролируют распределение кислорода и других растворенных веществ.
Городские тепловые острова — локальные зоны повышенной температуры, образующиеся из-за высокой плотности зданий, асфальта и снижения растительности. Изменение энергетического баланса поверхности приводит к локальному повышению температуры воздуха на несколько градусов по сравнению с пригородными районами.
Физика атмосферного движения в городских условиях учитывает эффекты ветрового затенения, ускорения потоков между зданиями и накопления загрязнителей. Математические модели применяют численное решение уравнений Навье–Стокса для прогнозирования распределения температуры, ветра и загрязнителей.
Микроклимат и здоровье человека: повышение температуры и концентрации загрязняющих веществ усиливает стресс для организма, повышает риск сердечно-сосудистых заболеваний и респираторных нарушений.
Возобновляемые источники энергии — солнечные панели, ветровые установки, гидроэнергетика — требуют анализа энергетического баланса и влияния на локальные климатические условия. Эффективность преобразования энергии зависит от физических характеристик среды: солнечной радиации, скорости ветра, температуры воды.
Физика выбросов и вторичных эффектов: даже чистые технологии могут влиять на среду через изменение теплового потока, локальное осушение почвы или воздействие на экосистемы. Оптимизация таких систем требует комплексного моделирования переноса энергии и массы.