علوم الغلاف الجوي

علم الغلاف الجوي هو دراسة الغلاف الجوي للأرض وعملياته الفيزيائية الداخلية المختلفة. يشمل علم الأرصاد الجوية كيمياء الغلاف الجوي وفيزياء الغلاف الجوي، مع التركيز بشكل أساسي على التنبؤات الجوية . أما علم المناخ فهو دراسة الظروف الجوية على مدى فترات زمنية أطول من تلك الخاصة بالطقس ، مع التركيز على متوسط ​​الظروف المناخية وتقلباتها عبر الزمن . بينما يُعنى علم طبقات الغلاف الجوي العليا بدراسة الطبقات العليا من الغلاف الجوي، حيث يكون التفكك والتأين مهمين. وقد امتد علم الغلاف الجوي ليشمل مجال علوم الكواكب ودراسة أغلفة الكواكب والأقمار الطبيعية في النظام الشمسي .

تشمل الأدوات التجريبية المستخدمة في علوم الغلاف الجوي الأقمار الصناعية ، ومجسات الصواريخ ، ومجسات الراديو ، وبالونات الطقس ، والرادارات ، والليزر .

يُستخدم مصطلح علم الأرصاد الجوية (من اليونانية ἀήρ، aēr ، " هواء "؛ و-λογία، -logia ) أحيانًا كمصطلح بديل لدراسة الغلاف الجوي للأرض؛ ^{[ 1 ]} وفي تعريفات أخرى، يقتصر علم الأرصاد الجوية على الغلاف الجوي الحر ، أي المنطقة الواقعة فوق طبقة الحدود الكوكبية . ^{[ 2 ]}

ومن بين الرواد الأوائل في هذا المجال ليون تيسيرينك دي بورت وريتشارد أسمان . ^{[ 3 ]}

الكيمياء الجوية فرع من علوم الغلاف الجوي يُعنى بدراسة كيمياء الغلاف الجوي للأرض والكواكب الأخرى. وهو مجال بحثي متعدد التخصصات، يستند إلى الكيمياء البيئية، والفيزياء، والأرصاد الجوية، والنمذجة الحاسوبية، وعلم المحيطات، والجيولوجيا، وعلم البراكين، وغيرها من التخصصات. ويتزايد ارتباط هذا البحث بمجالات دراسية أخرى، مثل علم المناخ.

يُعدّ تركيب الغلاف الجوي وتركيبه الكيميائي ذا أهمية بالغة لعدة أسباب، أهمها التفاعلات بين الغلاف الجوي والكائنات الحية. وقد تغيّر تركيب الغلاف الجوي للأرض بفعل النشاط البشري، وبعض هذه التغييرات ضارة بصحة الإنسان والمحاصيل والنظم البيئية. ومن أمثلة المشكلات التي تناولتها كيمياء الغلاف الجوي: الأمطار الحمضية، والضباب الدخاني الكيميائي الضوئي، والاحتباس الحراري. وتسعى كيمياء الغلاف الجوي إلى فهم أسباب هذه المشكلات، ومن خلال التوصل إلى فهم نظري لها، تُمكّن من اختبار الحلول الممكنة وتقييم آثار التغييرات في السياسات الحكومية.

تلعب كيمياء الغلاف الجوي دورًا محوريًا في فهم تركيز الغازات في غلافنا الجوي التي تُسهم في تغير المناخ . وبشكلٍ أدق، عند دمجها مع فيزياء الغلاف الجوي والكيمياء الحيوية الجيولوجية، تُصبح مفيدةً في دراسة تأثير غازات الدفيئة ، مثل _ثاني أكسيد الكربون _وأكسيد النيتروز والميثان ، على التوازن الإشعاعي للأرض. ^[ ₄ ^] ووفقًا لبرنامج الأمم المتحدة للبيئة، ارتفعت انبعاثات ثاني _أكسيد الكربون إلى مستوى قياسي جديد بلغ 57.1 جيجا طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون _{، بزيادة} ^قدرها 1.3% عن العام السابق. وقد بلغ متوسط ​​نمو انبعاثات غازات الدفيئة خلال الفترة من 2010 إلى 2019 نسبة 0.8% سنويًا فقط، مما يُظهر الزيادة الهائلة في الانبعاثات العالمية. أشار تقرير الميزانية العالمية لأكسيد النيتروز إلى أن تركيز أكسيد النيتروز في الغلاف الجوي قد ازداد _بنحو 25% بين عامي 1750 و2022، مسجلاً أسرع معدل نمو سنوي في عامي 2020 و2021. ^{[ 5 ]} يُعدّ فهم كيمياء الغلاف الجوي أمرًا بالغ الأهمية لفهم العوامل المساهمة في تغير المناخ. يحدث الاحترار المناخي عندما تتجاوز انبعاثات _ثاني أكسيد الكربون ، التي تحددها العوامل البيوجيوكيميائية، نسبة الصفر. ولإيقاف ارتفاع درجات الحرارة، يجب أن تتوقف انبعاثات _ثاني أكسيد الكربون تمامًا . ومن خلال فهم التركيب الكيميائي ومعدلات الانبعاثات في غلافنا الجوي، إلى جانب العوامل الاقتصادية، يتمكن الباحثون من تتبع الانبعاثات إلى مصادرها. استُخدم حوالي 26% من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المكافئ (GtCO₂e) لعام 2023 _{في توليد الطاقة، و15% في النقل، و11% في الصناعة، و11% في الزراعة، وما إلى ذلك.} ^{[ 6 ]} وللحد من الأضرار الناجمة عن الأنشطة البشرية والمساهم في تغير المناخ العالمي، يلزم خفض الانبعاثات بنسبة تقارب 42% بحلول عام 2030، وسيتم تنفيذ ذلك من خلال تدخل حكومي. هذا مثال على كيفية ارتباط كيمياء الغلاف الجوي بالسياسات الاجتماعية والسياسية، والكيمياء الحيوية الجيولوجية، والعوامل الاقتصادية.

ديناميكيات الغلاف الجوي هي دراسة أنظمة الحركة ذات الأهمية المناخية، وتدمج الملاحظات في مواقع وأوقات متعددة مع النظريات. تشمل المواضيع الشائعة التي تُدرس ظواهر متنوعة مثل العواصف الرعدية ، والأعاصير القمعية ، وموجات الجاذبية ، والأعاصير المدارية ، والأعاصير خارج المدارية ، والتيارات النفاثة ، والدورات الجوية العالمية. يهدف البحث الديناميكي إلى تفسير الدورات الجوية المرصودة استنادًا إلى المبادئ الأساسية للفيزياء . تشمل أهداف هذه الدراسات تحسين التنبؤات الجوية ، وتطوير أساليب للتنبؤ بالتقلبات المناخية الموسمية والسنوية، وفهم آثار الاضطرابات التي يتسبب بها الإنسان (مثل زيادة تركيزات ثاني أكسيد الكربون أو استنزاف طبقة الأوزون) على المناخ العالمي. ^{[ 7 ]}

فيزياء الغلاف الجوي هي تطبيق الفيزياء لدراسة الغلاف الجوي. يسعى علماء فيزياء الغلاف الجوي إلى نمذجة الغلاف الجوي للأرض وأغلفة الكواكب الأخرى باستخدام معادلات تدفق الموائع، والنماذج الكيميائية، وموازنة الإشعاع، وعمليات نقل الطاقة في الغلاف الجوي والمحيطات واليابسة. ولنمذجة الأنظمة الجوية، يستخدم علماء فيزياء الغلاف الجوي عناصر من نظرية التشتت، ونماذج انتشار الموجات ، وفيزياء السحب ، والميكانيكا الإحصائية ، والإحصاء المكاني ، وكلها تتضمن مستويات متقدمة من الرياضيات والفيزياء. ترتبط فيزياء الغلاف الجوي ارتباطًا وثيقًا بالأرصاد الجوية وعلم المناخ، كما تشمل تصميم وبناء أجهزة لدراسة الغلاف الجوي وتفسير البيانات التي توفرها، بما في ذلك أجهزة الاستشعار عن بُعد .

في المملكة المتحدة، يتولى مكتب الأرصاد الجوية دعم الدراسات الجوية. وتشرف أقسام الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي الأمريكية (NOAA) على مشاريع بحثية ونماذج جوية تتناول فيزياء الغلاف الجوي. كما يُجري المركز الوطني الأمريكي لعلم الفلك والغلاف الأيوني دراساتٍ على طبقات الغلاف الجوي العليا.

يتفاعل المجال المغناطيسي للأرض والرياح الشمسية مع الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تكوين طبقة الأيونوسفير ، وأحزمة فان ألين الإشعاعية ، والتيارات الأرضية ، والطاقة الإشعاعية .

تعتمد الدراسات الحديثة في فيزياء الغلاف الجوي غالبًا على الرصد عبر الأقمار الصناعية. ومن الأمثلة على ذلك مشروع CALIPSO ، أو مشروع رصد السحب والهباء الجوي باستخدام تقنية الليدار والأشعة تحت الحمراء. تدرس مهمة CALIPSO، التي صممتها وكالة ناسا والمركز الوطني للدراسات الفضائية (CNES)، دور السحب والجسيمات المحمولة جوًا في تنظيم الطقس والمناخ وجودة الغلاف الجوي للأرض. ووفقًا لوكالة ناسا، تستخدم هذه المهمة أساليب مثل تطوير خوارزميات الاسترجاع، وتطوير علم المناخ، والتحليل الطيفي، وتقييم نماذج الطقس والمناخ، ونماذج نقل الإشعاع السحابي، بالإضافة إلى مفاهيم فيزياء الغلاف الجوي، لفهم الفيزياء التي تُسهم في تنظيم الغلاف الجوي للأرض. ^{[ 8 ]}

علم المناخ هو علم يستمد معارفه وممارساته من تخصصات أكثر دقة كالأرصاد الجوية، وعلم المحيطات، والجيولوجيا، وعلم الأحياء، وعلم الفلك، لدراسة المناخ. وعلى عكس الأرصاد الجوية التي تدرس الأنظمة الجوية قصيرة الأجل التي تدوم لبضعة أسابيع، يدرس علم المناخ تواتر هذه الأنظمة واتجاهاتها. فهو يدرس دورية الظواهر الجوية على مدى فترات زمنية تتراوح من سنوات إلى آلاف السنين، بالإضافة إلى التغيرات في أنماط الطقس المتوسطة طويلة الأجل. يدرس علماء المناخ ، وهم الممارسون لهذا العلم، طبيعة المناخات  - المحلية والإقليمية والعالمية  - والعوامل الطبيعية أو البشرية التي تُسبب تقلبات المناخ والاحتباس الحراري العالمي الحالي . علاوة على ذلك، يمكن استخدام بيانات المناخات السابقة على الأرض، كتلك التي نشأت خلال العصور الجليدية والفترات الدافئة بينها، للتنبؤ بالتغيرات المناخية المستقبلية.

غالبًا ما تُدرس علم المناخ بالتزامن مع تخصصات أخرى. ومن الدراسات العلمية الحديثة التي تستخدم مواضيع من علم المناخ وعلم المحيطات وحتى الاقتصاد، دراسة بعنوان "مخاوف بشأن ظاهرة النينيو والتذبذب الجنوبي ودوران المحيط الأطلسي المقلوب مع ارتفاع درجة حرارة المحيط". ^{[ 9 ]} وقد وجد العلماء، ضمن مشروع "رؤى جديدة في علم المناخ"، أن الأرض مُعرّضة لخطر حدوث ظاهرة النينيو بدرجات متطرفة أكبر وعدم استقرار مناخي عام، وذلك في ضوء المعلومات الجديدة المتعلقة بظاهرة النينيو والتذبذب الجنوبي (ENSO) ودوران المحيط الأطلسي المقلوب (AMOC). تصف ظاهرة النينيو والتذبذب الجنوبي نمطًا مناخيًا متكررًا تتغير فيه درجة حرارة المياه في وسط وشرق المحيط الهادئ الاستوائي بشكل دوري. ^{[ 10 ]} أما دوران المحيط الأطلسي المقلوب، فتصفه الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) بأنه "نظام من التيارات المحيطية التي تُحرّك المياه داخل المحيط الأطلسي، جالبةً المياه الدافئة شمالًا والمياه الباردة جنوبًا". ^{[ 11 ]} وقد كشف هذا البحث أن انهيار دوران المحيط الأطلسي المقلوب يبدو أنه يحدث في وقت أبكر مما تنبأت به النماذج السابقة. كما يُسلط الضوء على حقيقة أن أنظمتنا الاقتصادية والاجتماعية أكثر عرضةً لتأثيرات ظاهرة النينيو مما كان يُعتقد سابقًا. تُعد دراسة علم المناخ ضرورية لفهم المخاطر المناخية الحالية. فالبحوث ضرورية للتخفيف من آثار تغير المناخ المستمر ورصد الجهود المبذولة في هذا الصدد. إن تعزيز معرفتنا في مجال علم المناخ يُتيح لنا الاستعداد بشكل أفضل لتأثيرات ظواهر النينيو المتطرفة، مثل تفاقم الجفاف والفيضانات وموجات الحر الشديدة. ^{[ 9 ]}

تشمل الظواهر ذات الأهمية المناخية طبقة الحدود الجوية ، وأنماط الدوران ، وانتقال الحرارة ( الإشعاعي ، والحملي، والكامن ) ، والتفاعلات بين الغلاف الجوي والمحيطات وسطح الأرض (وخاصة الغطاء النباتي ، واستخدام الأراضي ، والتضاريس ) ، بالإضافة إلى التركيب الكيميائي والفيزيائي للغلاف الجوي. وتشمل التخصصات ذات الصلة الفيزياء الفلكية ، وفيزياء الغلاف الجوي ، والكيمياء ، وعلم البيئة ، والجغرافيا الطبيعية ، والجيولوجيا ، والجيوفيزياء ، وعلم الجليد ، وعلم المياه ، وعلم المحيطات ، وعلم البراكين .

علم طبقات الغلاف الجوي هو الدراسة العلمية للغلاف الجوي العلوي للأرض - الطبقات الجوية فوق الستراتوبوز - والمناطق المقابلة لها في أغلفة الكواكب الأخرى، حيث قد يتطابق الغلاف الجوي بأكمله مع الغلاف الجوي العلوي للأرض أو جزء منه. يُعد علم طبقات الغلاف الجوي فرعًا من كلٍّ من كيمياء الغلاف الجوي وفيزياء الغلاف الجوي، وهو يختلف عن علم الأرصاد الجوية الذي يركز على طبقات الغلاف الجوي أسفل الستراتوبوز. ^{[ 12 ]} في المناطق الجوية التي يدرسها علماء طبقات الغلاف الجوي، يُعد التفكك الكيميائي والتأين من الظواهر المهمة.

جميع كواكب المجموعة الشمسية لها أغلفة جوية. ويعود ذلك إلى قوة جاذبيتها التي تُبقي الجزيئات الغازية قريبة من سطحها. فالكواكب الغازية العملاقة ذات الكتلة الكبيرة تُبقي كميات كبيرة من غازي الهيدروجين والهيليوم الخفيفين بالقرب منها، بينما تفقد الكواكب الأصغر حجمًا هذه الغازات في الفضاء . ^{[ 13 ]} يختلف تركيب الغلاف الجوي للأرض عن الكواكب الأخرى، لأن العمليات الحيوية المختلفة التي حدثت على الكوكب قد أدخلت الأكسجين الجزيئي الحر . ^{[ 14 ]} وقد جرف الرياح الشمسية جزءًا كبيرًا من غلاف عطارد الجوي . ^{[ 15 ]} القمر الوحيد الذي احتفظ بغلاف جوي كثيف هو تيتان . ويوجد غلاف جوي رقيق على تريتون ، وأثر ضئيل من الغلاف الجوي على القمر .

تتأثر الأغلفة الجوية للكواكب بدرجات متفاوتة من الطاقة الواردة من الشمس أو من باطنها، مما يؤدي إلى تكوين أنظمة جوية ديناميكية مثل الأعاصير (على الأرض)، والعواصف الترابية التي تغطي الكوكب بأكمله ( على المريخ )، ومنطقة ضغط جوي مرتفع بحجم الأرض على كوكب المشتري (تُعرف باسم البقعة الحمراء العظيمة )، وثقوب في الغلاف الجوي (على نبتون). ^{[ 16 ]} وقد زُعم أن كوكبًا واحدًا على الأقل خارج المجموعة الشمسية، وهو HD 189733 b ، يمتلك نظامًا جويًا مشابهًا للبقعة الحمراء العظيمة ولكنه أكبر منها بمرتين. ^{[ 17 ]}

أظهرت الدراسات أن الكواكب العملاقة الحارة تفقد غلافها الجوي في الفضاء بفعل الإشعاع النجمي، تمامًا كما يحدث مع ذيول المذنبات. ^{[ 18 ] [ 19 ]} قد تشهد هذه الكواكب اختلافات شاسعة في درجات الحرارة بين جانبيها النهاري والليلي، مما يُنتج رياحًا تفوق سرعة الصوت، ^{[ 20 ]} على الرغم من أن جانبي الكوكب HD 189733b النهاري والليلي يبدوان متقاربين جدًا في درجات الحرارة، مما يشير إلى أن غلافه الجوي يُعيد توزيع طاقة النجم حوله بكفاءة. ^{[ 17 ]}

• تلوث الهواء

• ديناميكيات الموائع الجوية المطبقة على خرائط الطقس  – مبادئ مثل الحمل الحراري والتشوه والدوامية
• توثق أرشيفات المركز الوطني لأبحاث الغلاف الجوي (NCAR) تاريخ علوم الغلاف الجوي.