Ατμοσφαιρικές επιστήμες

Οι ατμοσφαιρικές επιστήμες μελετούν την ατμόσφαιρα της Γης, τις διεργασίες της, τις επιδράσεις άλλων συστημάτων σε αυτήν, και τις επιδράσεις της ατμόσφαιρας σε αυτά τα συστήματα. Η μετεωρολογία περιλαμβάνει την ατμοσφαιρική χημεία και την ατμοσφαιρική φυσική με ιδιαίτερη έμφαση στην πρόγνωση του καιρού. Η κλιματολογία είναι η μελέτη των ατμοσφαιρικών αλλαγών (τόσο μακροπρόθεσμων όσο και βραχυπρόθεσμων) που καθορίζουν το μέσο κλίμα και τη μεταβολή του με την πάροδο του χρόνου, λόγω τόσο της φυσικής όσο και της ανθρωπογενούς κλιματικής μεταβλητότητας. Η αερονομία είναι η μελέτη των ανώτερων στρωμάτων της ατμόσφαιρας, όπου έχουν μελετώνται η διάσταση και ο ιονισμός. Η ατμοσφαιρική επιστήμη επεκτάθηκε στον τομέα της πλανητικής επιστήμης και της μελέτης της ατμόσφαιρας των πλανητών του ηλιακού συστήματος. Στα πειραματικά όργανα που χρησιμοποιούνται στις επιστήμες της ατμόσφαιρας περιλαμβάνονται τεχνητοί δορυφόροι, ειδικοί πύραυλοι, αερόστατα και λέιζερ. Ο όρος αερολογία (από την αρχαία ελληνική λέξη ἀήρ, και -λογία) χρησιμοποιείται μερικές φορές ως εναλλακτικός όρος για τη μελέτη της ατμόσφαιρας της γης. Στους πρωτοπόρους του τομέα περιλαμβάνονται οι Λεόν Τεσεράνκ ντε Μπορ και Ρίτσαρντ Άσμαν.

 Η ατμοσφαιρική χημεία είναι κλάδος της ατμοσφαιρικής επιστήμης στην οποία μελετάται η χημεία της γήινης ατμόσφαιρας και αυτής των άλλων πλανητών. Είναι ένα διεπιστημονικό πεδίο έρευνας και βασίζεται στη χημεία περιβάλλοντος, στη φυσική, στη μετεωρολογία, στη μοντελοποίηση μέσω υπολογιστών, στην ωκεανογραφία, στη γεωλογία, στην ηφαιστειολογία και σε άλλους κλάδους. Η έρευνα συνδέεται όλο και περισσότερο με άλλους τομείς μελέτης όπως η κλιματολογία.Η σύνθεση και η χημεία της ατμόσφαιρας είναι σημαντική για πολλούς λόγους, αλλά κυρίως λόγω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ της ατμόσφαιρας και των ζωντανών οργανισμών. Η σύνθεση της ατμόσφαιρας της Γης έχει αλλάξει από την ανθρώπινη δραστηριότητα και ορισμένες από αυτές τις αλλαγές είναι επιβλαβείς για την ανθρώπινη υγεία, τις καλλιέργειες και τα οικοσυστήματα. Παραδείγματα προβλημάτων που έχουν αντιμετωπιστεί από την ατμοσφαιρική χημεία είναι η όξινη βροχή, το φωτοχημικό νέφος και η υπερθέρμανση του πλανήτη. Η ατμοσφαιρική χημεία επιδιώκει να κατανοήσει τα αίτια αυτών των προβλημάτων και με τη θεωρητική κατανόησή τους, να επιτρέψει την εξέταση πιθανών λύσεων και την αξιολόγηση των επιδράσεων των αλλαγών στην κυβερνητική πολιτική. Στην ατμοσφαιρική δυναμική περιλαμβάνεται η μελέτη των παρατηρήσεων και της θεωρίας που ασχολούνται με όλα τα συστήματα κίνησης μετεωρολογικής σημασίας. Τα συνηθισμένα θέματα που μελετούνται περιλαμβάνουν ποικίλα φαινόμενα όπως καταιγίδες, ανεμοστρόβιλοι, βαρυτικά κύματα, τροπικοί κυκλώνες, εξωτροπικοί κυκλώνες, αεροχείμαρροι και κυκλοφορίες αέρα σε παγκόσμια κλίμακα. Ο στόχος των δυναμικών μελετών είναι να εξηγήσουν τις παρατηρούμενες κυκλοφορίες με βάση τις θεμελιώδεις αρχές της φυσικής. Οι στόχοι αυτών των μελετών περιλαμβάνουν τη βελτίωση της πρόβλεψης του καιρού, την ανάπτυξη μεθόδων για την πρόβλεψη των εποχιακών και διαχρονικών κλιματικών διακυμάνσεων και την κατανόηση των επιπτώσεων των διαταραχών που προκαλούνται από τον άνθρωπο (π.χ. αυξημένες συγκεντρώσεις διοξειδίου του άνθρακα ή μείωση του στρώματος του όζοντος). Η ατμοσφαιρική φυσική είναι η εφαρμογή της φυσικής στη μελέτη της ατμόσφαιρας. Οι φυσικοί της ατμόσφαιρας επιχειρούν να μοντελοποιήσουν την ατμόσφαιρα της Γης και τις ατμόσφαιρες των άλλων πλανητών χρησιμοποιώντας εξισώσεις ροής υγρών, χημικά μοντέλα, εξισορρόπηση της ακτινοβολίας και διαδικασίες μεταφοράς ενέργειας στην ατμόσφαιρα και τους υποκείμενους ωκεανούς. Για να μοντελοποιηθούν τα καιρικά συστήματα, οι φυσικοί χρησιμοποιούν στοιχεία της θεωρίας σκέδασης, μοντέλα διάδοσης κυμάτων, φυσική συννέφων, στατιστική μηχανική και χωρικές στατιστικές. Σε όλα αυτά ενσωματώνονται μαθηματικά και φυσική υψηλού επιπέδου. Η ατμοσφαιρική φυσική έχει στενή διασύνδεση με τη μετεωρολογία και την κλιματολογία και καλύπτει επίσης το σχεδιασμό και την κατασκευή οργάνων για τη μελέτη της ατμόσφαιρας και την ερμηνεία των δεδομένων που παρέχουν, συμπεριλαμβανομένων των οργάνων τηλεανίχνευσης.Το μαγνητικό πεδίο της Γης και ο ηλιακός άνεμος αλληλεπιδρούν με την ατμόσφαιρα, δημιουργώντας την ιονόσφαιρα, τις ζώνες ακτινοβολίας Βαν Άλεν, τα ρεύματα και την ενέργεια ακτινοβολίας. Σε αντίθεση με τη μετεωρολογία, η οποία μελετά βραχυπρόθεσμα καιρικά συστήματα που διαρκούν μερικές εβδομάδες, η κλιματολογία μελετά τη συχνότητα και τις τάσεις αυτών των συστημάτων. Μελετά την περιοδικότητα των μετεωρολογικών συμβάντων από χρόνια έως χιλιετίες, καθώς και τις μεταβολές των μακροπρόθεσμων μέσων καιρικών συνθηκών σε σχέση με τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Οι κλιματολόγοι μελετούν τόσο τη φύση των κλιμάτων – τοπική, περιφερειακή ή παγκόσμια – όσο και τους φυσικούς ή ανθρωπογενείς παράγοντες που προκαλούν την αλλαγή του κλίματος. Η κλιματολογία έχει ως δεδομένο το παρελθόν και μπορεί να συμβάλει στην πρόβλεψη της μελλοντικής κλιματικής αλλαγής.Στα φαινόμενα κλιματολογικού ενδιαφέροντος περιλαμβάνονται το ατμοσφαιρικό οριακό επίπεδο, τα μοντέλα κυκλοφορίας, η μεταφορά θερμότητας (ακτινοβολία, συναγωγή και λανθάνουσα), οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ της ατμόσφαιρας και των ωκεανών και της επιφάνειας της γης (ιδιαίτερα τη βλάστηση, τη χρήση γης και την τοπογραφία) και η χημική και φυσική σύνθεση της ατμόσφαιρας. Στις σχετικές επιστήμες περιλαμβάνονται η αστροφυσική, η ατμοσφαιρική φυσική, η γεωλογία, η γεωφυσική, η ηφαιστειολογία, η οικολογία, η υδρολογία, η φυσική γεωγραφία, η χημεία και η ωκεανογραφία. Όλοι οι πλανήτες του ηλιακού συστήματος έχουν ατμόσφαιρες. Αυτό συμβαίνει επειδή η βαρύτητά τους είναι αρκετά ισχυρή ώστε να κρατήσει σωματίδια αερίων κοντά στην επιφάνεια τους. Οι μεγαλύτεροι γίγαντες αερίων είναι αρκετά ισχυροί για να συγκρατήσουν μεγάλες ποσότητες ελαφρών σωματιδίων υδρογόνου και ηλίου κοντά στην επιφάνειά τους, ενώ οι μικρότεροι πλανήτες χάνουν αυτά τα αέρια στο διάστημα. Η σύνθεση της ατμόσφαιρας της Γης είναι διαφορετική από τους άλλους πλανήτες, επειδή οι μορφές και διαδικασίες ζωής που υπάρχουν στον πλανήτη έχουν αποδεσμεύσει ελεύθερο μοριακό οξυγόνο. Μεγάλο μέρος της ατμόσφαιρας του Ερμή έχει καταρρεύσει από τον ηλιακό άνεμο. Το μοναδικό φεγγάρι που έχει διατηρήσει πυκνή ατμόσφαιρα είναι ο Τιτάνας. Υπάρχει λεπτή ατμόσφαιρα στον Τρίτωνα, και ίχνος ατμόσφαιρας στη Σελήνη. Οι πλανητικές ατμόσφαιρες επηρεάζονται από τους διάφορους βαθμούς ενέργειας που λαμβάνονται είτε από τον ήλιο είτε από το εσωτερικό τους, οδηγώντας στον σχηματισμό δυναμικών καιρικών συνθηκών όπως οι τυφώνες (στη Γη), οι αμμοθύελλες (στον Άρη), οι αντικυκλώνες στον Δία (που ονομάζεται Μεγάλο Κόκκινο Σημείο), και τρύπες στην ατμόσφαιρα (στον Ποσειδώνα). Τουλάχιστον ένας εξωηλιακός πλανήτης, ο HD 189733 b, θεωρείται ότι διαθέτει ένα τέτοιο μετεωρολογικό σύστημα, παρόμοιο με το Μεγάλο Κόκκινο Σημείο, αλλά δύο φορές μεγαλύτερο.Έχει αποδειχθεί πως θερμοί πλανήτες όπως ο Δίας, χάνουν τις ατμόσφαιρές τους στο διάστημα λόγω της αστρικής ακτινοβολίας, όπως γίνεται με τις ουρές των κομητών. Αυτοί οι πλανήτες μπορεί να έχουν τεράστιες διαφορές στη θερμοκρασία μεταξύ των ημερήσιων και νυχτερινών πλευρών τους οι οποίες παράγουν υπερηχητικούς ανέμους, παρόλο που οι ημερήσιες και βραδινές πλευρές του HD 189733b φαίνεται να έχουν παρόμοιες θερμοκρασίες, γεγονός που δείχνει ότι η ατμόσφαιρα του πλανήτη ανακατανέμει αποτελεσματικά την ενέργεια του άστρου γύρω από τον πλανήτη. Εφαρμογές ατμοσφαιρικής δυναμικής ρευστών σε καιρικούς χάρτες.