Atmosfer bilimi

Atmosfer bilimi, Dünya atmosferi ve içinde gerçekleşen fiziksel süreçlerinin incelenmesidir. Meteorolojinin kapsamında atmosferik kimya ve atmosfer fiziği bulunmasıyla beraber, ana odağı hava tahminidir. İklim bilimi, hem doğal hem de antropojenik iklim değişkenliği nedeniyle ortalama iklimleri ve bunların zaman içerisindeki değişimlerini tanımlayan atmosferik değişikliklerin (hem uzun hem de kısa vadeli) incelenmesidir. Aeronomi, ayrışma ve iyonlaşmanın önem arz ettiği atmosfer üst katmanlarının incelenmesidir. Atmosfer bilimi, gezegen bilimi alanına, güneş sistemindeki gezegenlerin ve doğal uyduların atmosferlerinin incelenmesine kadar genişletilmiştir.

Aeroloji terimi (Yunanca ἀήρ, aēr, "hava" ve -λογία, -logia'dan) bazen Dünya atmosferinin incelenmesi için alternatif bir terim olarak kullanılır; diğer tanımlarda aeroloji, serbest atmosferle, yani gezegen sınır tabakasının üzerindeki bölge ile sınırlıdır.

Atmosfer kimyası, Dünya ve diğer gezegenlerin atmosfer kimyasının incelendiği bir atmosfer bilimi dalıdır. Çok disiplinli bir araştırma alanıdır ve çevre kimyası, fizik, meteoroloji, bilgisayar modellemesi, okyanus bilimi, jeoloji, volkanoloji ve diğer çeşitli disiplinlerden yararlanır. Araştırmalar, iklim bilimi gibi diğer çalışma alanlarıyla gittikçe artan oranda bağlantılıdır.

Atmosferin bileşimi ve kimyası birkaç nedenden ötürü önemlidir ancak önemli olmasının esas sebebi atmosfer ile canlı organizmalar arasındaki etkileşimlerdir. Dünya atmosferinin bileşimi insan faaliyetleri ile değişmiştir ve bu değişikliklerin bazıları insan sağlığına, ekinlere ve ekosistemlere zararlıdır. Atmosfer kimyasında ele alınan sorunlar arasında asit yağmurları, fotokimyasal dumanlar ve küresel ısınma gibi örnekler yer alır. Atmosfer kimyası, bu sorunların nedenlerini anlamaya çalışır ve bunlarla ilgili teorik bir anlayış kazanarak, olası çözümlerin test edilmesini ve hükûmet politikalarındaki değişikliklerin etkilerinin değerlendirilmesini sağlar.

Atmosfer dinamikleri, birden çok yer ve zamanda gözlem ve teorileri bütünleştiren, meteorolojik öneme sahip hareket sistemlerinin incelenmesidir. İncelenen ortak konular arasında gök gürültülü fırtınalar, kasırgalar, yerçekimi dalgaları, tropikal siklonlar, tropikal olmayan siklonlar, jet akımları ve küresel ölçekli dolaşımlar gibi çeşitli olaylar bulunmaktadır. Dinamik çalışmaların amacı, gözlemlenen sirkülasyonları fiziğin temel ilkelerine dayalı olarak açıklamaktır. Hava tahminini iyileştirmek, mevsimsel ve yıllar arasındaki iklim dalgalanmalarını tahmin etmek için yöntemler geliştirmek ve küresel iklim üzerindeki insan kaynaklı düzensizliklerin (örneğin artan karbondioksit derişimleri veya ozon tabakasının incelmesi) etkilerini anlamak, bu tür çalışmaların hedefleri arasındadır.

Atmosfer fiziği, fiziğin atmosfer araştırmalarına uygulanmasıdır. Atmosfer fizikçileri, atmosfer ve altında bulunan okyanuslarda akışkan akış denklemleri, kimyasal modeller, radyasyon dengeleme ve enerji aktarımı süreçlerini kullanarak Dünya ve diğer gezegenlerin atmosferini modellemeye çalışır. Atmosfer fizikçileri, hava sistemlerini modellemek için her biri yüksek derecelerde matematik ve fizik içeren saçılma teorisi, dalga yayılma modelleri, bulut fiziği, istatistiksel mekanik ve uzamsal istatistik unsurlarını kullanır. Atmosfer fiziğinin meteoroloji ve iklim bilimi ile yakın ilişkisi var olmakla beraber, uzaktan algılama cihazları da dahil olmak üzere, atmosferi incelemek ve sağladıkları verilerin yorumlanması için araçların tasarımı ve yapımı da atmosfer fiziği kapsamındadır.

Atmosfer çalışmaları Birleşik Krallık'ta Meteoroloji Dairesi tarafından desteklenmektedir. ABD Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi'nin bölümleri, atmosfer fiziği ile ilgili araştırma projelerini ve hava durumu modellemelerini denetlemektedir. ABD Ulusal Astronomi ve İyonosfer Merkezi de yüksek atmosferle ilgili çalışmalar yapmaktadır.

Birkaç hafta kadar süren kısa vadeli hava sistemlerini inceleyen meteorolojinin aksine, iklim bilimi bu sistemlerin sıklığını ve eğilimlerini inceler. İklim biliminde yıllardan bin yıllık dönemlere kadar hava olaylarının dönemselliği incelendiği gibi, atmosferik koşullarla ilişkili uzun vadeli ortalama hava modellerinde meydana gelen değişiklikler de incelenmektedir. İklim bilimciler, hem iklimlerin -yerel, bölgesel veya küresel- doğasını hem de iklimlerin değişmesine neden olan doğal veya beşeri etkenleri inceler. İklim bilimi geçmişi dikkate almaktadır ve gelecek iklim değişikliklerinin tahmininde yardımcı olabilir.

Atmosferik sınır tabaka, dolaşım modelleri, ısı aktarımı (ışınımsal, konvektif ve gizli), atmosfer, okyanuslar ve yeryüzü (özellikle bitki örtüsü, arazi kullanımı ve topoğrafya) arasındaki etkileşimler ile atmosferin kimyasal ve fiziksel bileşimi iklimin odağında bulunan olaylar arasındadır. Astrofizik, atmosfer fiziği, kimya, ekoloji, fiziksel coğrafya, jeoloji, jeofizik, buzul bilimi, hidroloji, okyanus bilimi ve volkanoloji, iklim bilimi ile ilgili disiplinlerdendir.

Güneş sisteminin tüm gezegenlerinin atmosferi vardır. Bunun nedeni bu gezegenlerin yer çekimlerinin gaz parçacıklarını yüzeye yakın tutacak kadar güçlü olmasıdır. Büyük gaz devleri, hafif gazlar olan hidrojen ve helyumu büyük miktarlarda yakınında tutacak kadar büyükken, küçük gezegenler bu gazları uzaya bırakarak kaybeder. Dünya atmosferinin bileşiminin diğer gezegenlerden farklı olmasının sebebi Dünya'da meydana gelen çeşitli yaşam süreçlerinin atmosfere serbest hâlde moleküler oksijen beslemiş olmasıdır. Merkür'ün atmosferinin büyük bir kısmı güneş rüzgarı tarafından yok edilmiştir. Yoğun bir atmosfere sahip olan tek uydu Titan'dır. Triton'da ince bir atmosfer varken, Ay'da da bir atmosfere dair izler bulunmaktadır.

Gezegen atmosferleri, Güneş'ten veya gezegenin içerisinden gelen çeşitli derecedeki enerjilerden etkilenir ve bunun sonucu olarak kasırgalar (Dünya'da), gezegen çapında toz fırtınaları (Mars'ta), Jüpiter üzerinde Dünya büyüklüğünde bir antisiklon (Büyük Kırmızı Leke olarak adlandırılır) ve atmosferde delikler (Neptün'de) oluşur. En az bir güneş dışı gezegenin; HD 189733 b'nin, Büyük Kırmızı Leke'ye benzer, ancak ondan iki kat daha büyük olan bir hava sistemine sahip olduğu iddia edilmiştir.

Sıcak gaz devlerinin tıpkı kuyruklu yıldızların kuyrukları gibi, yıldız radyasyonu nedeniyle atmosferlerini uzaya kaybettikleri gösterilmiştir. Bu gezegenlerin gündüz ve gece tarafları arasında süpersonik rüzgarlar üreten büyük sıcaklık farklılıkları olabilir ancak HD 189733 b'nin gündüz ve gece tarafları çok benzer sıcaklıklara sahiptir ve bu da atmosferinin, yıldızının enerjisini gezegen etrafında etkin bir şekilde yeniden yaydığını gösterir.