Física atmosférica

Dentro de las ciencias atmosféricas, la física atmosférica es la aplicación de la física al estudio de la atmósfera. Los físicos atmosféricos intentan modelar la atmósfera de la Tierra y las atmósferas de los otros planetas utilizando ecuaciones de flujo de fluidos, modelos químicos, balance de radiación y procesos de transferencia de energía en la atmósfera (además de cómo estos se relacionan con sistemas de límites como los océanos). Para modelar los sistemas meteorológicos, los físicos atmosféricos emplean elementos de la teoría de dispersión, modelos de propagación de ondas, física de nubes, mecánica estadística y estadística espacial que son altamente matemáticos y están relacionados con la física. Tiene estrechos vínculos con la meteorología y la climatología y también cubre el diseño y la construcción de instrumentos para el estudio de la atmósfera y la interpretación de los datos que proporcionan, incluidos los instrumentos de teledetección.

Sensores remotos

La teledetección es la adquisición de información de un objeto o fenómeno a pequeña o gran escala, mediante el uso de dispositivos de registro o de detección en tiempo real que no están en contacto físico o íntimo con el objeto (como por medio de aeronave, nave espacial, satélite, boya o barco). En la práctica, la teledetección es la recopilación independiente mediante el uso de una variedad de dispositivos para recopilar información sobre un objeto o área determinada que brinda más información que la que podrían transmitir los sensores en sitios individuales.Por lo tanto, las plataformas de recolección de satélites meteorológicos o de observación de la Tierra, las plataformas de boyas meteorológicas de observación oceánica y atmosférica, el seguimiento de un embarazo a través de ultrasonido, la resonancia magnética nuclear (RMN), la tomografía por emisión de positrones (PET) y las sondas espaciales son ejemplos de sensores remotos. En el uso moderno, el término generalmente se refiere al uso de tecnologías de sensores de imágenes que incluyen, entre otros, el uso de instrumentos a bordo de aeronaves y naves espaciales, y es distinto de otros campos relacionados con las imágenes, como las imágenes médicas.

Hay dos tipos de teledetección. Los sensores pasivos detectan la radiación natural que emite o refleja el objeto o el área circundante que se observa. La luz solar reflejada es la fuente más común de radiación medida por sensores pasivos. Los ejemplos de sensores remotos pasivos incluyen fotografía de película, infrarrojos, dispositivos de carga acoplada y radiómetros. La recolección activa, por otro lado, emite energía para escanear objetos y áreas, después de lo cual un sensor detecta y mide la radiación que se refleja o retrodispersa desde el objetivo. radar, lidar y SODAR son ejemplos de técnicas de detección remota activa utilizadas en la física atmosférica donde se mide el tiempo de retraso entre la emisión y el retorno, estableciendo la ubicación, la altura, la velocidad y la dirección de un objeto.

La teledetección permite recopilar datos sobre zonas peligrosas o inaccesibles. Las aplicaciones de teledetección incluyen el seguimiento de la deforestación en áreas como la cuenca del Amazonas, los efectos del cambio climático en los glaciares y las regiones árticas y antárticas, y el sondeo de las profundidades costeras y oceánicas. La recopilación militar durante la Guerra Fría hizo uso de la recopilación aislada de datos sobre áreas fronterizas peligrosas. La teledetección también reemplaza la costosa y lenta recopilación de datos sobre el terreno, asegurando en el proceso que las áreas u objetos no se vean perturbados.

Las plataformas orbitales recopilan y transmiten datos de diferentes partes del espectro electromagnético, lo que, junto con la detección y el análisis aéreos o terrestres a mayor escala, proporciona a los investigadores suficiente información para monitorear tendencias como El Niño y otros fenómenos naturales a corto y largo plazo. Otros usos incluyen diferentes áreas de las ciencias de la tierra, como la gestión de recursos naturales, campos agrícolas, como el uso y la conservación de la tierra, y la seguridad nacional y la recolección aérea, en tierra y separada en áreas fronterizas.

Radiación

Los físicos atmosféricos suelen dividir la radiación en radiación solar (emitida por el sol) y radiación terrestre (emitida por la superficie y la atmósfera de la Tierra).

La radiación solar contiene variedad de longitudes de onda. La luz visible tiene longitudes de onda entre 0,4 y 0,7 micrómetros. Las longitudes de onda más cortas se conocen como la parte ultravioleta (UV) del espectro, mientras que las longitudes de onda más largas se agrupan en la parte infrarroja del espectro. El ozono es más eficaz en la absorción de radiación alrededor de 0,25 micrómetros, donde los rayos UV-c se encuentran en el espectro. Esto aumenta la temperatura de la estratosfera cercana. La nieve refleja el 88% de los rayos UV, mientras que la arena refleja el 12% y el agua refleja solo el 4% de la radiación UV entrante. Cuanto más inclinado sea el ángulo entre la atmósfera y los rayos del sol, más probable es que la energía sea reflejada o absorbida por la atmósfera.

La radiación terrestre se emite en longitudes de onda mucho más largas que la radiación solar. Esto se debe a que la Tierra es mucho más fría que el sol. La Tierra emite radiación en un rango de longitudes de onda, como se formaliza en la ley de Planck. La longitud de onda de máxima energía es de alrededor de 10 micrómetros.

Física de la nube

La física de nubes es el estudio de los procesos físicos que conducen a la formación, crecimiento y precipitación de las nubes. Las nubes están compuestas de gotas microscópicas de agua (nubes cálidas), pequeños cristales de hielo o ambos (nubes de fase mixta). En condiciones adecuadas, las gotas se combinan para formar precipitaciones, donde pueden caer a la tierra. La mecánica precisa de cómo se forma y crece una nube no se entiende por completo, pero los científicos han desarrollado teorías que explican la estructura de las nubes mediante el estudio de la microfísica de las gotas individuales. Los avances en la tecnología de radares y satélites también han permitido el estudio preciso de las nubes a gran escala.

Electricidad atmosférica

La electricidad atmosférica es el término dado a la electrostática y la electrodinámica de la atmósfera (o, más ampliamente, la atmósfera de cualquier planeta). La superficie de la Tierra, la ionosfera y la atmósfera se conocen como el circuito eléctrico atmosférico global. Los rayos descargan 30.000 amperios, hasta 100 millones de voltios, y emiten luz, ondas de radio, rayos X e incluso rayos gamma. Las temperaturas del plasma en los rayos pueden acercarse a los 28.000 Kelvin y las densidades de electrones pueden superar los 10 /m.

Marea atmosférica

Las mareas atmosféricas de mayor amplitud se generan principalmente en la troposfera y la estratosfera cuando la atmósfera se calienta periódicamente a medida que el vapor de agua y el ozono absorben la radiación solar durante el día. Las mareas generadas pueden luego propagarse lejos de estas regiones de origen y ascender a la mesosfera y la termosfera. Las mareas atmosféricas se pueden medir como fluctuaciones regulares en el viento, la temperatura, la densidad y la presión. Aunque las mareas atmosféricas tienen mucho en común con las mareas oceánicas, tienen dos características distintivas clave:

i) Las mareas atmosféricas son excitadas principalmente por el calentamiento de la atmósfera por parte del Sol, mientras que las mareas oceánicas son excitadas principalmente por el campo gravitacional de la Luna. Esto significa que la mayoría de las mareas atmosféricas tienen períodos de oscilación relacionados con la duración de 24 horas del día solar, mientras que las mareas oceánicas tienen períodos de oscilación más largos relacionados con el día lunar (tiempo entre tránsitos lunares sucesivos) de aproximadamente 24 horas y 51 minutos.

ii) Las mareas atmosféricas se propagan en una atmósfera donde la densidad varía significativamente con la altura. Una consecuencia de esto es que sus amplitudes aumentan naturalmente de manera exponencial a medida que la marea asciende hacia regiones de la atmósfera progresivamente más enrarecidas (para una explicación de este fenómeno, ver más abajo). Por el contrario, la densidad de los océanos varía solo ligeramente con la profundidad, por lo que las mareas no varían necesariamente en amplitud con la profundidad.

Tenga en cuenta que aunque el calentamiento solar es responsable de las mareas atmosféricas de mayor amplitud, los campos gravitatorios del Sol y la Luna también elevan las mareas en la atmósfera, siendo el efecto de marea atmosférica gravitacional lunar significativamente mayor que su contraparte solar.

A nivel del suelo, las mareas atmosféricas pueden detectarse como oscilaciones regulares pero pequeñas en la presión superficial con períodos de 24 y 12 horas. Los máximos de presión diarios ocurren a las 10 am y 10 pm hora local, mientras que los mínimos ocurren a las 4 am y 4 pm hora local. El máximo absoluto ocurre a las 10 am mientras que el mínimo absoluto ocurre a las 4 pm Sin embargo, a mayor altura, las amplitudes de las mareas pueden llegar a ser muy grandes. En la mesosfera (alturas de ~ 50 a 100 km), las mareas atmosféricas pueden alcanzar amplitudes de más de 50 m/s y suelen ser la parte más significativa del movimiento de la atmósfera.

Aeronomía

La aeronomía es la ciencia de la región superior de la atmósfera, donde la disociación y la ionización son importantes. El término aeronomía fue introducido por Sydney Chapman en 1960. Hoy en día, el término también incluye la ciencia de las regiones correspondientes de las atmósferas de otros planetas. La investigación en aeronomía requiere acceso a globos, satélites y cohetes de sondeo que proporcionan datos valiosos sobre esta región de la atmósfera. Las mareas atmosféricas juegan un papel importante en la interacción con la atmósfera superior e inferior. Entre los fenómenos estudiados se encuentran las descargas de rayos en la atmósfera superior, como los eventos luminosos llamados sprites rojos, halos de sprites, chorros azules y elfos.

Centros de investigación

En el Reino Unido, los estudios atmosféricos están respaldados por la Oficina Meteorológica, el Consejo de Investigación del Medio Ambiente Natural y el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas. Las divisiones de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) de los EE. UU. supervisan los proyectos de investigación y el modelado del clima relacionados con la física atmosférica. El Centro Nacional de Astronomía e Ionosfera de EE. UU. también lleva a cabo estudios de la alta atmósfera. En Bélgica, el Instituto Belga de Aeronomía Espacial estudia la atmósfera y el espacio exterior.