فيزياء الغلاف الجوي

في علوم الغلاف الجوي ، يُعنى علم فيزياء الغلاف الجوي بتطبيق الفيزياء لدراسة الغلاف الجوي . يسعى علماء فيزياء الغلاف الجوي إلى نمذجة الغلاف الجوي للأرض وأغلفة الكواكب الأخرى باستخدام معادلات تدفق الموائع ، وميزانية الإشعاع ، وعمليات نقل الطاقة في الغلاف الجوي (بالإضافة إلى كيفية ارتباطها بالأنظمة الحدودية كالمحيطات). ولنمذجة الأنظمة الجوية، يستخدم علماء فيزياء الغلاف الجوي عناصر من نظرية التشتت ، ونماذج انتشار الموجات، وفيزياء السحب ، والميكانيكا الإحصائية ، والإحصاء المكاني ، وهي عناصر رياضية متقدمة ذات صلة وثيقة بالفيزياء. ويرتبط هذا العلم ارتباطًا وثيقًا بعلم الأرصاد الجوية وعلم المناخ ، كما يشمل تصميم وبناء أجهزة لدراسة الغلاف الجوي وتفسير البيانات التي توفرها، بما في ذلك أجهزة الاستشعار عن بُعد . ومع بزوغ فجر عصر الفضاء وظهور صواريخ السبر، أصبح علم طبقات الغلاف الجوي العليا تخصصًا فرعيًا يُعنى بالطبقات العليا من الغلاف الجوي، حيث يُعد التفكك والتأين من العمليات المهمة.

الاستشعار عن بُعد هو عملية جمع معلومات عن جسم أو ظاهرة ما، سواء على نطاق صغير أو كبير، باستخدام أجهزة تسجيل أو أجهزة استشعار فورية لا تتصل اتصالاً مباشراً بالجسم (مثل الطائرات ، والمركبات الفضائية ، والأقمار الصناعية ، والعوامات ، والسفن ). عملياً، يُعرَّف الاستشعار عن بُعد بأنه جمع المعلومات عن بُعد باستخدام مجموعة متنوعة من الأجهزة، مما يوفر معلومات أكثر مما قد توفره أجهزة الاستشعار في مواقع فردية. ^{[ 1 ]} ومن أمثلة الاستشعار عن بُعد: منصات جمع بيانات الأقمار الصناعية لرصد الأرض والأرصاد الجوية ، ومنصات عوامات رصد المحيطات والغلاف الجوي ، ومراقبة الحمل بالموجات فوق الصوتية ، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، ومجسات الفضاء . في الاستخدام الحديث، يشير المصطلح عموماً إلى استخدام تقنيات التصوير الاستشعاري، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر، استخدام الأجهزة الموجودة على متن الطائرات والمركبات الفضائية، وهو يختلف عن مجالات التصوير الأخرى، مثل التصوير الطبي .

يوجد نوعان من الاستشعار عن بُعد. ترصد أجهزة الاستشعار السلبية الإشعاع الطبيعي المنبعث أو المنعكس من الجسم أو المنطقة المحيطة به. ويُعد ضوء الشمس المنعكس المصدر الأكثر شيوعًا للإشعاع الذي تقيسه هذه الأجهزة. ومن أمثلة أجهزة الاستشعار السلبية: التصوير الفوتوغرافي ، والأشعة تحت الحمراء، وأجهزة اقتران الشحنات ، ومقاييس الإشعاع . أما الاستشعار النشط، فيُصدر طاقة لمسح الأجسام والمناطق، ثم يرصد ويقيس الإشعاع المنعكس أو المتناثر من الهدف. ويُعد الرادار ، والليدار ، والسودار أمثلة على تقنيات الاستشعار النشط المستخدمة في فيزياء الغلاف الجوي، حيث يُقاس التأخير الزمني بين الانبعاث والعودة، لتحديد موقع الجسم وارتفاعه وسرعته واتجاهه. ^{[ 2 ]}

يُتيح الاستشعار عن بُعد جمع البيانات عن المناطق الخطرة أو التي يصعب الوصول إليها. تشمل تطبيقاته رصد إزالة الغابات في مناطق مثل حوض الأمازون ، وتأثيرات تغير المناخ على الأنهار الجليدية والمناطق القطبية الشمالية والجنوبية، وقياس أعماق السواحل والمحيطات. وخلال الحرب الباردة، استُخدمت تقنيات جمع البيانات عن بُعد في العمليات العسكرية، لا سيما فيما يتعلق بالمناطق الحدودية الخطرة. كما يُغني الاستشعار عن بُعد عن جمع البيانات الميداني المكلف والبطيء، مما يضمن عدم إلحاق أي ضرر بالمناطق أو المواقع.

تجمع المنصات المدارية البيانات وتنقلها من أجزاء مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي ، مما يوفر للباحثين، بالاقتران مع عمليات الاستشعار والتحليل الجوي أو الأرضي واسعة النطاق، معلومات كافية لرصد اتجاهات مثل ظاهرة النينيو وغيرها من الظواهر الطبيعية طويلة وقصيرة المدى. وتشمل الاستخدامات الأخرى مجالات مختلفة في علوم الأرض ، مثل إدارة الموارد الطبيعية ، والمجالات الزراعية كاستخدام الأراضي وحفظها، والأمن القومي، بالإضافة إلى جمع البيانات من الجو والأرض وعن بُعد في المناطق الحدودية. ^{[ 3 ]}

يقسم علماء الفيزياء الجوية عادةً الإشعاع إلى إشعاع شمسي (ينبعث من الشمس) وإشعاع أرضي (ينبعث من سطح الأرض وغلافها الجوي).

يحتوي الإشعاع الشمسي على أطوال موجية متنوعة. يتراوح طول موجة الضوء المرئي بين 0.4 و0.7  ميكرومتر. ^{[ 4 ]} تُعرف الأطوال الموجية الأقصر بالأشعة فوق البنفسجية (UV)، بينما تُصنف الأطوال الموجية الأطول ضمن الأشعة تحت الحمراء . ^{[ 5 ]} يُعد الأوزون أكثر فعالية في امتصاص الإشعاع ذي الطول الموجي حوالي 0.25  ميكرومتر، ^{[ 6 ]} حيث تقع أشعة UV-c في الطيف. يؤدي ذلك إلى زيادة درجة حرارة طبقة الستراتوسفير القريبة . يعكس الثلج 88% من الأشعة فوق البنفسجية، ^{[ 6 ]} بينما يعكس الرمل 12%، ويعكس الماء 4% فقط من الإشعاع فوق البنفسجي الوارد. ^{[ 6 ]} كلما زادت زاوية سقوط أشعة الشمس على الغلاف الجوي ، زادت احتمالية انعكاس الطاقة أو امتصاصها بواسطة الغلاف الجوي . ^{[ 7 ]}

يُصدر الإشعاع الأرضي بأطوال موجية أطول بكثير من الإشعاع الشمسي، وذلك لأن الأرض أبرد بكثير من الشمس. ويُصدر الإشعاع من الأرض عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية، كما ينص عليه قانون بلانك . ويبلغ طول الموجة التي تُنتج أقصى طاقة حوالي 10 ميكرومترات.

فيزياء السحب هي دراسة العمليات الفيزيائية التي تؤدي إلى تكوين السحب ونموها وهطولها . تتكون السحب من قطرات مجهرية من الماء (السحب الدافئة)، أو بلورات جليدية دقيقة، أو كليهما (السحب المختلطة). في ظل ظروف مناسبة، تتحد القطرات لتشكل الهطول ، الذي قد يسقط على الأرض. ^{[ 8 ]} لا تزال الآلية الدقيقة لتكوين السحب ونموها غير مفهومة تمامًا، لكن العلماء طوروا نظريات تفسر بنية السحب من خلال دراسة الخصائص الفيزيائية الدقيقة للقطرات الفردية. كما أتاحت التطورات في تقنيات الرادار والأقمار الصناعية دراسة السحب بدقة على نطاق واسع.

الكهرباء الجوية مصطلح يُطلق على الخصائص الكهروستاتيكية والديناميكية الكهربائية للغلاف الجوي (أو، بشكل أعم، غلاف أي كوكب ). يُعرف سطح الأرض ، والغلاف الأيوني ، والغلاف الجوي بالدائرة الكهربائية الجوية العالمية . ^{[ 9 ]} يُفرغ البرق تيارًا كهربائيًا بقوة 30,000 أمبير ، وبجهد يصل إلى 100 مليون فولت ، ويُصدر ضوءًا وموجات راديوية وأشعة سينية وحتى أشعة غاما . ^{[ 10 ]} قد تصل درجة حرارة البلازما في البرق إلى 28,000 كلفن ، وقد تتجاوز كثافة الإلكترونات ^10²⁴ إلكترون / ^م³ . ^{[ 11 ]}

تتولد أكبر تيارات المد والجزر الجوية في الغالب في طبقتي التروبوسفير والستراتوسفير عندما يسخن الغلاف الجوي دوريًا نتيجة امتصاص بخار الماء والأوزون للإشعاع الشمسي خلال النهار. ثم تنتشر هذه التيارات بعيدًا عن مناطقها الأصلية وتصعد إلى طبقتي الميزوسفير والثرموسفير . ويمكن قياس تيارات المد والجزر الجوية على أنها تقلبات منتظمة في الرياح ودرجة الحرارة والكثافة والضغط. وعلى الرغم من أن تيارات المد والجزر الجوية تشترك في الكثير من الخصائص مع تيارات المد والجزر في المحيطات، إلا أنها تتميز بسمتين رئيسيتين:

أولًا، تنشأ المد والجزر في الغلاف الجوي بشكل أساسي بفعل تسخين الشمس للغلاف الجوي، بينما تنشأ المد والجزر في المحيطات بشكل أساسي بفعل مجال جاذبية القمر. وهذا يعني أن معظم المد والجزر في الغلاف الجوي لها فترات تذبذب مرتبطة بطول اليوم الشمسي البالغ 24 ساعة، في حين أن للمد والجزر في المحيطات فترات تذبذب أطول مرتبطة باليوم القمري (الفترة الزمنية بين عبور القمر المتتالي) تبلغ حوالي 24 ساعة و51 دقيقة. ^{[ 12 ]}

ثانيًا، تنتشر المد والجزر في الغلاف الجوي حيث تختلف الكثافة اختلافًا كبيرًا مع الارتفاع. ونتيجةً لذلك، تتزايد سعتها بشكل طبيعي أُسّي مع صعود المد إلى مناطق الغلاف الجوي الأكثر تخلخلًا (للاطلاع على شرح لهذه الظاهرة، انظر أدناه). في المقابل، لا تتغير كثافة المحيطات إلا قليلًا مع العمق، ولذلك لا تتغير سعة المد والجزر فيها بالضرورة مع العمق.

تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن التسخين الشمسي مسؤول عن أكبر المد والجزر الجوي، فإن المجالات الجاذبية للشمس والقمر ترفع أيضًا المد والجزر في الغلاف الجوي، مع كون تأثير المد والجزر الجوي الناتج عن جاذبية القمر أكبر بكثير من نظيره الشمسي. ^{[ 13 ]}

على مستوى سطح الأرض، يمكن رصد المد والجزر الجوي على شكل تذبذبات منتظمة ولكنها صغيرة في ضغط السطح، بفترات تتراوح بين 24 و12 ساعة. ويبلغ الضغط ذروته اليومية في الساعة 10 صباحًا و10 مساءً بالتوقيت المحلي، بينما يبلغ أدنى مستوياته في الساعة 4 صباحًا و4 مساءً بالتوقيت المحلي. ويبلغ الضغط ذروته المطلقة في الساعة 10 صباحًا، بينما يبلغ أدنى مستوياته المطلقة في الساعة 4 مساءً ^{[ 14 ].} ومع ذلك، على ارتفاعات أعلى، قد تصبح سعة المد والجزر كبيرة جدًا. ففي طبقة الميزوسفير (على ارتفاعات تتراوح بين 50 و100  كيلومتر تقريبًا)، قد تصل سعة المد والجزر الجوي إلى أكثر من 50  مترًا في الثانية، وغالبًا ما تشكل الجزء الأهم من حركة الغلاف الجوي.

علم طبقات الغلاف الجوي العليا هو علم دراسة الطبقات العليا من الغلاف الجوي، حيث يُعدّ التفكك والتأين من العمليات المهمة. وقد صاغ سيدني تشابمان مصطلح "علم طبقات الغلاف الجوي العليا" عام 1960. ^{[ 15 ]} واليوم، يشمل هذا المصطلح أيضًا دراسة الطبقات المقابلة في أغلفة الكواكب الأخرى. تتطلب أبحاث علم طبقات الغلاف الجوي العليا الوصول إلى البالونات والأقمار الصناعية وصواريخ السبر ، التي توفر بيانات قيّمة حول هذه الطبقة. وتلعب المد والجزر دورًا هامًا في التفاعل مع كلٍّ من الطبقات السفلى والعليا من الغلاف الجوي. ومن بين الظواهر التي تُدرس في هذا المجال، تفريغات البرق في الطبقات العليا من الغلاف الجوي ، مثل الظواهر الضوئية المعروفة باسم " الأشباح الحمراء "، وهالات الأشباح، والنفثات الزرقاء، وظاهرة "الأقزام".

في المملكة المتحدة، تُدعم الدراسات الجوية من قِبل مكتب الأرصاد الجوية ، ومجلس أبحاث البيئة الطبيعية ، ومجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا . وتشرف أقسام الإدارة الوطنية الأمريكية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) على مشاريع بحثية ونماذج جوية تتضمن فيزياء الغلاف الجوي. كما يُجري المركز الوطني الأمريكي لعلم الفلك والغلاف الأيوني دراساتٍ على طبقات الغلاف الجوي العليا. وفي بلجيكا ، يدرس المعهد البلجيكي لعلم الفضاء الجوي الغلاف الجوي والفضاء الخارجي . أما في فرنسا، فتوجد عدة جهات عامة وخاصة تُجري أبحاثًا حول الغلاف الجوي، منها على سبيل المثال هيئة الأرصاد الجوية الفرنسية ( météo-France )، والعديد من المختبرات التابعة للمركز الوطني للبحوث العلمية (مثل مختبرات مجموعة IPSL ).

• JV Iribarne, HR Cho, Atmospheric Physics , D. Reidel Publishing Company, 1980.

• وسائط متعلقة بفيزياء الغلاف الجوي على ويكيميديا ​​كومنز