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 , balance de radiación y procesos de transferencia de energía en la atmósfera (así como la forma en que estos se relacionan con sistemas límite como los océanos). Para modelar los sistemas meteorológicos, los físicos atmosféricos emplean elementos de la teoría de la 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 estudiar la atmósfera y la interpretación de los datos que proporcionan, incluidos los instrumentos de teledetección . En los albores de la era espacial y la introducción de los cohetes de sondeo, la aeronomía se convirtió en una subdisciplina relacionada con las capas superiores de la atmósfera, donde la disociación y la ionización son importantes.
La teledetección es la adquisición de información a pequeña o gran escala de un objeto o fenómeno, mediante el uso de dispositivos de grabación o de detección en tiempo real que no están en contacto físico o íntimo con el objeto (como por ejemplo mediante aeronaves , naves espaciales , satélites , boyas o barcos ). En la práctica, la teledetección es la recopilación de información a distancia mediante el uso de una variedad de dispositivos para recopilar información sobre un objeto o área determinada que proporciona más información de la que podrían transmitir los sensores en sitios individuales. [1] Por lo tanto, las plataformas de recopilación de satélites de observación de la Tierra o meteorológicos , las plataformas de boyas meteorológicas de observación oceánica y atmosférica , el seguimiento de un embarazo mediante ultrasonidos , la resonancia magnética (MRI), la tomografía por emisión de positrones (PET) y las sondas espaciales son todos ejemplos de teledetección. 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 la imagenología, como la imagenología médica .
Existen 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. Algunos ejemplos de sensores remotos pasivos son la fotografía en película , los infrarrojos, los dispositivos acoplados a carga y los radiómetros . La recolección activa, por otro lado, emite energía para escanear objetos y áreas, con lo que un sensor detecta y mide la radiación que se refleja o retrodispersa desde el objetivo. El radar , el lidar y el SODAR son ejemplos de técnicas de teledetección activa utilizadas en física atmosférica, donde se mide el retraso temporal entre la emisión y el retorno, estableciendo la ubicación, la altura, la velocidad y la dirección de un objeto. [2]
La teledetección permite recopilar datos sobre zonas peligrosas o inaccesibles. Entre las aplicaciones de la teledetección se incluyen el seguimiento de la deforestación en zonas como la cuenca del Amazonas , los efectos del cambio climático en los glaciares y las regiones ártica y antártica, y el sondeo de profundidad de las profundidades costeras y oceánicas. La recopilación militar durante la Guerra Fría se basaba en la recopilación de datos a distancia sobre zonas fronterizas peligrosas. La teledetección también sustituye a la costosa y lenta recopilación de datos sobre el terreno, garantizando en el proceso que no se alteren zonas u objetos.
Las plataformas orbitales recogen y transmiten datos de diferentes partes del espectro electromagnético , que junto con la detección y el análisis aéreos o terrestres a mayor escala, proporcionan a los investigadores suficiente información para monitorear tendencias como El Niño y otros fenómenos naturales de largo y corto 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 recopilación aérea, terrestre y a distancia en áreas fronterizas. [3]
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 una variedad de longitudes de onda. La luz visible tiene longitudes de onda entre 0,4 y 0,7 micrómetros. [4] 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 porción infrarroja del espectro. [5] El ozono es más eficaz para absorber la radiación alrededor de 0,25 micrómetros, [6] donde se encuentran los rayos UV-c en el espectro. Esto aumenta la temperatura de la estratosfera cercana . La nieve refleja el 88% de los rayos UV, [6] mientras que la arena refleja el 12% y el agua refleja solo el 4% de la radiación UV entrante. [6] Cuanto más oblicuo sea el ángulo entre la atmósfera y los rayos del sol , más probable es que la energía sea reflejada o absorbida por la atmósfera . [7]
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 radiación se emite en la Tierra en un rango de longitudes de onda, tal como se formaliza en la ley de Planck . La longitud de onda de máxima energía es de alrededor de 10 micrómetros.
La física de las nubes es el estudio de los procesos físicos que conducen a la formación, el crecimiento y la precipitación de las nubes . Las nubes están compuestas de gotitas microscópicas de agua (nubes cálidas), diminutos cristales de hielo o ambos (nubes de fase mixta). En condiciones adecuadas, las gotitas se combinan para formar precipitaciones , donde pueden caer a la tierra. [8] 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 gotitas individuales. Los avances en la tecnología de radar y satélite también han permitido el estudio preciso de las nubes a gran escala.
La electricidad atmosférica es el término que se le da a la electrostática y 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 . [9] Los rayos descargan 30.000 amperios , a hasta 100 millones de voltios , y emiten luz, ondas de radio, rayos X e incluso rayos gamma . [10] Las temperaturas del plasma en los rayos pueden acercarse a los 28.000 kelvin y las densidades de electrones pueden superar los 10 24 / m 3. [11]
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 propagarse a partir de estas regiones de origen y ascender a la mesosfera y la termosfera . Las mareas atmosféricas se pueden medir como fluctuaciones regulares del 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 el 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. [12]
ii) Las mareas atmosféricas se propagan en una atmósfera cuya 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 cada vez más enrarecidas de la atmósfera (para una explicación de este fenómeno, véase más adelante). En cambio, la densidad de los océanos varía solo ligeramente con la profundidad, por lo que en esos casos las mareas no varían necesariamente en amplitud con la profundidad.
Cabe señalar que, si bien el calentamiento solar es responsable de las mareas atmosféricas de mayor amplitud, los campos gravitacionales del Sol y la Luna también aumentan las mareas en la atmósfera, y el efecto de marea atmosférica gravitacional lunar es significativamente mayor que su contraparte solar. [13]
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 [14] Sin embargo, a mayores alturas las amplitudes de las mareas pueden llegar a ser muy grandes. En la mesosfera (alturas de ~ 50 – 100 km) las mareas atmosféricas pueden alcanzar amplitudes de más de 50 m/s y son a menudo la parte más significativa del movimiento de la atmósfera.
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. [15] Hoy, 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 inferior y superior. Entre los fenómenos estudiados se encuentran las descargas de rayos de la atmósfera superior , como los eventos luminosos llamados duendes rojos , halos de duendes, chorros azules y elfos.
En el Reino Unido, los estudios atmosféricos están respaldados por el Met Office , el Natural Environment Research Council y el Science and Technology Facilities Council . Las divisiones de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) de los EE. UU. supervisan los proyectos de investigación y modelado meteorológico que involucran la física atmosférica. El Centro Nacional de Astronomía e Ionosfera de los EE. UU. también realiza estudios de la alta atmósfera. En Bélgica , el Instituto Belga de Aeronomía Espacial estudia la atmósfera y el espacio exterior . En Francia, hay varias entidades públicas o privadas que investigan la atmósfera, como por ejemplo Météo-France ( Météo-France ), varios laboratorios en el centro nacional de investigación científica (como los laboratorios del grupo IPSL ).
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