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大气物理学本文重定向自 大气物理学

大气物理学物理学大气科学的应用。大气物理学家利用流体方程式化学模型,并研究辐射收支以及大气中的能量转换(包含与其它系统间的关联,例如海洋),建立起地球及其他星球的大气模型。为了要建立起天气模型,大气物理学家使用一些与物理相关的数学理论,包含散射理论、波传递的模型、云物理学统计物理学空间分析。大气物理学不仅与气象学气候学有紧密关系,更包含了研究大气所需要仪器的设计和制造,以及其数据的分析,像是遥测。在太空时代的来临及探空火箭的诞生后,高层大气物理学成为大气物理学的一个分支学科,主要研究高层大气分子的解离和游离。

遥测

1960年飓风艾比的气象雷达图,图中的亮度代表反射率。雷达能观测的东西决定于雷达本身的频率、脉冲的形状和天线。

遥测是一种利用跟观测物体没有接触的小尺度或大尺度装置(像是航空器太空载具人造卫星浮标),来记录及即时感测物体或物理现象的一种观测方式。实际上,遥测通常会统整来自各个不同地方仪器所观测到某个特定物体的资料,这样会比使用单独地点探测得到更多的资讯。[1]

所以,地球观测或气象卫星,海洋和大气观测所需的海气象浮标,或怀孕时医生使用的超声波核磁共振成像正电子发射电脑断层扫描,以及太空探测器,都属于遥测的范围。遥测在现代通常指的是成像感应器技术,且不仅仅限于飞行器或太空船上的仪器,不过遥测通常并不包含其他成像有关领域像是医学影像

遥测有两种。被动遥测探测的是物体或附近区域发出的辐射,或者是反射天然产生的辐射,像太阳辐射是最常被用来作为被动遥测的天然辐射。被动遥测的例子有摄影、红外线摄影、CCD辐射计。相反的,主动遥测发出辐射,并借由感测器探测被物体反射或散射的辐射来观测物体。雷达光学雷达和声达都是主动遥测用于大气物理的例子,它们借由测量辐射发出和接收的时间差来测量物体的地点、高度、运动速度的大小和方向。[2]

遥测让我们有机会观测到危险或不可到达的区域,比如说监测亚马逊盆地森林砍伐,观测北极和南极地区因为气候变迁所导致的冰河消融,和使用声波测深来探测滨海及深海地区的海底深度。军事应用的例子像是冷战时期利用遥测来探测危险的边境地区。遥测也成功地取代原本昂贵且缓慢的地面观测,并且能使得观测地区不受到观测影响而被打扰。

人造卫星能够整合和传送来自不同频率电磁波谱的资料,并借助来自大尺度空中和地上的资料,为研究者们提供足够的资讯来监控长及短周期的气候变化,像是圣婴现象。遥测的其他功能也很多,像是地球科学会用到的天然资源管控,农业领域的土地使用监控,有关国家安全的边境地区控管。[3]

辐射

这张图解释了为什么会有季节。除了光入射的强度随着入射角度增加而减少之外,太阳光被地球大气吸收的程度也随着入射角度增加而增加

大气物理学家通常将辐射分成太阳辐射和地球辐射(包含地表和大气的辐射)。

太阳辐射包含了辐射的所有波段。可见光波长是在0.4到0.7微米之间。[4] 波长更短的波段称为紫外线波段,而波长更长的波段称为红外线波段。[5] 臭氧在紫外线波段的0.25微米波长附近吸收效率最高,[6] 这导致了平流层温度的增加。雪反射了大约88%的紫外光[6],而砂粒约反射了12%,水则仅仅只反射了4%的紫外光。[6]而随着太阳光入射大气层的角度减小,能量愈容易被大气层反射或吸收。[7]

因为地球的表面温度远比太阳低,地球辐射的波长远比太阳辐射波长长。地球会辐射出各种波段的辐射,其分布遵守普朗克定律。而地球辐射能量的最大值大概在波长10微米左右。

云物理学

云物理学是一个研究云形成、成长和凝结所伴随之物理现象的一门学科。云通常是由微小的水滴(暖云),或微小的冰晶(冷云)所组成,亦或两者都有(混合云)。在适合的条件下,小水滴互相碰撞而形成水滴产生降雨到地球表面上。[8]

虽然科学家对于云形成和成长的详细过程还没有很了解,但大气学家们已经发展了一些描述个别水滴的微观物理理论来解释云的结构,而雷达和人造卫星技术的进步也使得我们能够精确研究大尺度的云。

大气电学

云对地闪电,全球大气电路的一部分

大气电学研究的是地球大气或其他行星大气中的静电学和电动力学。地球表面游离层和大气层共同组成了“全球大气电路”。[9] 闪电会释放出30000安培的电流,其电压差高达1亿伏特,并放出光、无线电波、X射线或甚至γ射线[10]闪电所产生的等离子温度可高达28000K,而电子数密度也超过1024/m³。[11]

大气潮汐

大气潮汐的成因,主要来自于对流层平流层的水汽和臭氧吸收太阳辐射,而使得大气层被太阳周期性的加热。从源头产生的大气潮汐可以往上传递到中气层增温层。大气潮汐可以借由测量风、温度、密度和压力的日变化来得知。虽然大气潮汐和潮汐有很多相似之处,但它们还是有两个主要不同的地方:

  1. 大气潮汐主要是因为太阳周期性的加热而产生,但潮汐是因为月球对地球的潮汐力而产生。这代表大部分大气潮汐的周期会跟一个太阳日(24小时)密切相关,而潮汐的周期则跟相对比较长的太阴日(24小时又51分钟)有关系。[12]
  2. 大气潮汐的波动是在大气中密度垂直上下变化剧烈的地方传递。这使得大气潮汐的振幅随着传递到高层的稀薄大气而呈现指数性的成长(解释见下面的文章)。相反地,海水的密度在垂直方向上变化很小,所以潮汐的振幅随着深度没什么太大的改变。

要特别注意的是,虽然大气潮汐振幅的主要分量来自于太阳加热,但太阳和月球的潮汐力也在大气中产生了大气潮汐,而且月球的影响比太阳还大得多。[13]

在地表上,大气潮汐可以借由测量海平面气压12及24小时周期的微小震荡来被得知。 气压大概是在当地时间早上及晚上十点点到达极大值,而在当地时间凌晨四点及下午四点到达极小值。而一天中的最大值则大概是发生在早上十点,最小值则大概是下午四点。[14] 但是,大气潮汐的振幅在海拔较高的地方可以变得相当大。在中气层(50~100公里高处)中,大气潮汐的振幅可以达到50m/s,而且通常是该层大气中主要的动力来源。

高层大气物理学

高层大气闪电和电荷释放现象的示意图

高层大气物理学研究的是高层大气,在那里分子的解离和游离变得非常重要。高层大气物理学这个词(aeronomy)是在1960年被雪梨·查普曼所提出的。[15] 如今这个词包含了研究其它行星高层大气的现象。高层大气物理学的研究需要利用到探空气球,人造卫星和探空火箭。它们提供了对研究高层大气极有价值的观测数据。大气潮汐也在上下层大气的交互作用中扮演着重要的角色。高层大气物理学研究的现象有中高层大气放电,像是会放出闪光的红色精灵、精灵晕盘、蓝色喷流和淘气精灵。

研究中心

台湾的大气研究中心除了中央气象局之外,还有台湾台风洪水研究中心,及各大学的大气系。在英国,主要的大气研究单位有英国气象局、自然环境研究委员会和科学及科技研究委员会。 美国国家海洋暨大气总署(NOAA)下的机构也有许多包含大气物理的研究计划和天气建模。美国的阿雷西博天文台也研究高层大气。比利时的比利时太空暨高层大气机构也研究大气和外太空。

参见

参考文献

  1. ^ COMET program (1999). Remote Sensing.页面存档备份,存于互联网档案馆University Corporation for Atmospheric Research英语University Corporation for Atmospheric Research. Retrieved on 2009-04-23.
  2. ^ Glossary of Meteorology (2009).Radar.页面存档备份,存于互联网档案馆American Meteorological Society英语American Meteorological Society. Retrieved on 2009-24-23.
  3. ^ NASA (2009). Earth. 互联网档案馆存档,存档日期2006-09-29. Retrieved on 2009-02-18.
  4. ^ Atmospheric Science Data Center. What Wavelength Goes With a Color? 互联网档案馆存档,存档日期2011-07-20. Retrieved on 2008-04-15.
  5. ^ Windows to the Universe. Solar Energy in Earth's Atmosphere.页面存档备份,存于互联网档案馆) Retrieved on 2008-04-15.
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 University of Delaware. Geog 474: Energy Interactions with the Atmosphere and at the Surface.页面存档备份,存于互联网档案馆) Retrieved on 2008-04-15.
  7. ^ Wheeling Jesuit University. Exploring the Environment: UV Menace. 互联网档案馆存档,存档日期August 30, 2007,. Retrieved on 2007-06-01.
  8. ^ Oklahoma Weather Modification Demonstration Program. CLOUD PHYSICS. 互联网档案馆存档,存档日期2008-07-23. Retrieved on 2008-04-15.
  9. ^ Dr. Hugh J. Christian and Melanie A. McCook. Lightning Detection From Space: A Lightning Primer. 互联网档案馆存档,存档日期April 30, 2008,. Retrieved on 2008-04-17.
  10. ^ NASA. Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning.页面存档备份,存于互联网档案馆) Retrieved on 2007-06-01.
  11. ^ Fusion Energy Education.Lightning! Sound and Fury.页面存档备份,存于互联网档案馆) Retrieved on 2008-04-17.
  12. ^ Glossary of Meteorology. Atmospheric Tide.页面存档备份,存于互联网档案馆) Retrieved on 2008-04-15.
  13. ^ Scientific American. Does the Moon have a tidal effect on the atmosphere as well as the oceans?. Retrieved on 2008-07-08.
  14. ^ Dr James B. Calvert. Tidal Observations.页面存档备份,存于互联网档案馆) Retrieved on 2008-04-15.
  15. ^ Andrew F. Nagy, p. 1-2 in Comparative Aeronomy, ed. by Andrew F. Nagy et al. (Springer 2008, ISBN 978-0-387-87824-9)

参考书目

  • J. V. Iribarne, H. R. Cho, Atmospheric Physics, D. Reidel Publishing Company, 1980

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