Атмосфера Земли представляет собой газовую оболочку, окружающую планету и удерживаемую гравитацией. Она состоит из нескольких слоёв, различающихся по температурному режиму, составу, плотности и другим физическим характеристикам. Основными слоями атмосферы являются:
Атмосфера состоит преимущественно из азота (≈78%) и кислорода (≈21%), с примесями аргона, углекислого газа, водяного пара, озона и других газов. Однако содержание водяного пара и аэрозолей может сильно варьироваться и играет важнейшую роль в физических процессах атмосферы.
Физика атмосферы как наука изучает явления, происходящие в газовой оболочке Земли, с использованием методов классической физики, термодинамики, молекулярной физики, электродинамики, радиофизики и квантовой теории. Её структура включает следующие ключевые направления:
Физика атмосферы использует широкий спектр методов:
В основе теоретических исследований лежат следующие фундаментальные уравнения:
Уравнения Навье–Стокса — описывают движение вязкой жидкости и применяются к воздушным потокам.
Уравнение непрерывности — отражает сохранение массы:
$$ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \vec{v}) = 0 $$
Уравнение состояния идеального газа:
p = ρRT
где p — давление, ρ — плотность, R — удельная газовая постоянная, T — температура.
Термодинамические уравнения — описывают обмен энергии и фазовые превращения.
Уравнения переноса излучения — моделируют поглощение, испускание и рассеяние электромагнитного излучения.
Максвелловы уравнения — лежат в основе описания электромагнитных процессов в атмосфере.
1. Изучение климатической системы Земли Физика атмосферы исследует взаимосвязь между различными элементами климатической системы — атмосферой, океанами, сушей и биотой. Это необходимо для понимания глобального климата и его изменений.
2. Прогнозирование погодных условий Математические модели атмосферы позволяют предсказывать эволюцию погодных процессов на различных временных масштабах — от нескольких часов до недель (оперативный прогноз), сезонов (сезонный прогноз) и даже десятилетий (долгосрочные прогнозы).
3. Анализ и предсказание экстремальных явлений Сюда относятся ураганы, смерчи, ливни, засухи, наводнения. Понимание физических механизмов их возникновения критически важно для предупреждения природных катастроф.
4. Изучение радиационного баланса Поглощение и отражение солнечного излучения, а также тепловое излучение Земли — важнейшие процессы, определяющие энергетический баланс планеты и связанные с ним климатические изменения.
5. Оценка влияния деятельности человека на атмосферу Физика атмосферы анализирует выбросы парниковых газов, аэрозолей, загрязнителей и их влияние на состав атмосферы, прозрачность, радиационные характеристики и термодинамическое равновесие.
6. Исследование глобальных круговоротов вещества и энергии Круговорот воды, углерода, серы и азота включает атмосферные процессы как неотъемлемый компонент. Физика атмосферы изучает механизмы переноса, осаждения и трансформации этих веществ.
7. Разработка методов дистанционного зондирования На основе физических принципов создаются методы регистрации температуры, влажности, содержания газов и аэрозолей с орбитальных и наземных платформ, включая активные (лидар, радар) и пассивные (радиометр, спектрометр) системы.
8. Исследование процессов в верхней атмосфере Включает анализ ионосферных и магнитосферных явлений, влияющих на радиосвязь, навигационные системы и распространение электромагнитных волн.
Физика атмосферы тесно взаимодействует с другими дисциплинами:
Физика атмосферы стоит перед рядом серьёзных вызовов:
Физика атмосферы — фундаментальная область науки, объединяющая теорию и практику, эксперименты и вычисления, локальные измерения и глобальные модели. Её достижения критичны для устойчивого развития, безопасности и понимания нашего положения в природной системе Земли.