Современное состояние. Физика атмосферы (нижней части атмосферы) – наука о строении атмосферы, свойствах и протекающих в ней процессах

Физика атмосферы

История науки

Физика атмосферы (нижней части атмосферы) – наука о строении атмосферы, свойствах и протекающих в ней процессах. При рассмотрении «нижней атмосферы» имеется в виду, как правило, тропосфера, но иногда стратосфера и мезосфера (вертикальная структура атмосферы). Воздух нижней части атмосферы с очень хорошим допущением представим моделью сплошной электронепроводящей «почти невязкой» среды, движение которой описывается уравнениями Навье-Стокса. Вращение Земли определяет требование принятия во внимание в динамике воздушного потока (при соответствующем масштабе движения) силы Кориолиса. Особенностью атмосферных процессов является необходимость учета притоков тепла за счет радиационных потоков и притоков тепла за счет фазовых переходов водяного пара. Использование свойств воздушной среды и действующих сил позволяет сформулировать на базе уравнений Навье-Стокса так называемые уравнения геофизической гидродинамики, определяющие движение «почти невязкой», стратифицированной, вращающейся жидкости. Необходимым требованием является переход к движениям, у которых свойства осреднены на некотором пространственно-временном масштабе. При этом получаются так называемые уравнения Рейнольдса, в которых воздействие мелких эффектов (с масштабами, меньшими чем интервал осреднения) учитывается параметрически. Во многих задачах важным является еще одно важное свойство – это представление о том, что атмосфера, фактически, представляет собой тонкую пленку, натянутую на поверхность планеты (при радиусе Земли в ~6400 км, 4/5 массы атмосферы сосредоточены в нижнем 10–километровом слое атмосферы - тропосфере). Превалирование горизонтальных масштабов приводит к «квазиплоскому» характеру атмосферных, что позволяет упростить задачу динамики атмосферы.

Происходящие в этой среде физические процессы определяют круг задач, которые решаются в рамках данной области науки и методы решения. Ниже перечислены основные направления исследований.

Общие проблемы турбулентности, имеющей различную природу в зависимости от пространственно-временных масштабов движущихся систем. Принципиальный вклад в развитие теории внесли советские ученые А.Н.Колмогоров и А.М.Обухов.

Физика пограничного слоя, возникающего в «почти невязкой» атмосфере вблизи земной (морской) поверхности. Эти исследования базируются на работах Л.Прандтля, А.М.Обухов и др., глубоко продвинувшихся в развитии теории базируясь на использовании методов теории подобия и размерностей. В настоящее время наряду с этим важным направлением стало использование полных уравнений гидродинамики для моделирования структуры пограничного слоя. При этом решается ряд важных задач, таких, как взаимодействие атмосферы с поверхностью (осуществляемое потоками тепла, влаги и импульса), перенос примесей и исследование загрязнение атмосферы.

Изучение динамики атмосферы, в рамках которого выделяют исследование общих проблем гидродинамической неустойчивости применительно к атмосферным течениям, построение математических моделей общей циркуляции атмосферы, погодных систем, мезо- и микроциркуляций. Данное направление работ является базовым для всего направления науки, поскольку именно построение математических моделей динамики атмосферы позволило, в конечном счете, реализовать систему прогнозирования погоды и климата. Основы применения гидродинамики к описанию циркуляции атмосферы заложены В.Бьеркнесом. Развитие науки определили работы К.Россби, И.А.Кибеля, А.М.Обухова, Дж.Чарни, Э.Лоренца.

Изучение синоптической метеорологии, в которой динамика атмосферы и физические процессы в атмосфере рассматриваются под углом зрения развития методов прогнозирования погоды различной заблаговременности. Первые представления о возможности предсказания погоды, основанные на прогнозе перемещения крупных долгоживущих атмосферных вихрей, сделаны французским ученым У.Леверье, анализировавшим генезис знаменитой Балаклавской бури (14 ноября 1854 г.) на Черном море, когда флоту союзников (Франция, Великобритания, Турция) по коалиции, воевавшей с Россией, был нанесен значительный урон. У.Леверье, анализируя газеты разных стран за предшествующие даты, определил, что информация о штормовой области в атмосфере последовательно отмечалась сначала на побережье Адриатического моря, затем в Греции и Турции, и, наконец, шторм пришел в Крым. У.Леверье предположил, что если бы была создана соответствующая система слежения за атмосферными процессами (прообраз метеорологической сети), то предсказание этого события было бы реально. Эта идея через некоторое время была практически реализована, в частности, английским адмиралом Р.Фицроем, который организовал сеть корреспондентов, связанную телеграфом, и начал давать прогнозы опасных атмосферных явлений на морях. Однако после ряда ошибок, повлекших человеческие жертвы, адмирал застрелился, и созданная им структура прекратила свое существование.

Научное развитие синоптической метеорологии началось позже. Этому способствовало накопление значительного архива метеорологических данных. Особенно важную роль сыграло становление радиозондирования атмосферы (конец 30-х годов) для оперативного получения данных о состоянии свободной атмосферы (первый радиозонд был запущен в СССР). Владение трехмерной информацией позволило сделать ряд ключевых открытий, среди которых важнейшим явилось обнаружение атмосферных фронтов. Синтез эмпирических данных и теоретических результатов в области динамической метеорологии создал основы прогнозирования погоды. Важными вехами явились работы Т.Бержерона, С.П.Хромова и др. В настоящее время синоптический метод прогноза погоды сочетается и во многом базируется на данных, предвычисленных с помощью математических моделей циркуляции атмосферы.

Радиационный режим атмосферы и земной поверхности. В рамках этого направления решается важнейшая задача определения теплового бюджета планеты и закладывается основа понимания энергетики атмосферных процессов. Важнейшей вехой стало определение количества энергии, поступаемой к Земле от Солнца (Солнечная постоянная). Это сделал в начале 19 века Ч.Аббот, используя данные высокогорных измерений потоков солнечной радиации.

Теория распространения в атмосфере солнечного излучения и излучения, испускаемого поверхностью и самой атмосферой базируется на законах излучения и интегро-дифференциальном уравнении переноса радиации в мутной среде (в развитии теории важный вклад внес С.Чандрасекар). Параметры среды, характеризующие поглощение и рассеяние радиации элементарным объемом среды, определяются теорией Ми (Г.Ми). Рассматриваемая теория является основой в задачах дистанционного зондирования атмосферы и поверхности со спутников. Сюда же близко примыкают работы по оптике атмосферы.

Химия атмосферы развивается потому, что химические процессы играют в некоторых случаях важную роль в формировании притоков тепла к атмосфере, то есть их учет необходим для правильного воспроизведения циркуляции атмосферы и прогнозирования погоды. С другой стороны, изучение химических процессов важно потому, что они играют важную роль в загрязнении атмосферы. В некоторых случаях химические процессы важны постольку, поскольку они определяют концентрации тех атмосферных составляющих, которые, в свою очередь, играют важную экологическую роль. Таково, например, воздействие озона на ультрафиолетовую радиацию. Большой вклад в исследование химии атмосферы внесли П.Крутцен (Нобелевская премия 1995 г.) и др.

Климатология долгое время была частью метеорологии, в которой рассматривались различного рода осредненные характеристики атмосферы. Однако при переходе к решению проблемы прогноза климата, климатология превратилась в междисциплинарную синтетическую науку.

Во всех областях физики атмосферы важную роль играет математическое моделирование. Важность его подчеркивает то обстоятельства, что уравнения, используемые в разных областях физики атмосферы (уравнения гидродинамики, уравнения переноса радиации и др.) как правило, не допускают аналитических решений. Поэтому единственным средством получения решений является их численное решение осуществляемое с помощью компьютеров. Эта возможность в принципиальном плане появилась тогда, когда были построены первые вычислительные машины. После этого математическое моделирование развивалось по следующим направлениям: происходило совершенствование техники (увеличивалось быстродействие, оперативная память, скорость обмена с периферийными устройствами и др.) непосредственно способствующее улучшению качества моделирования; развивалась вычислительная математика (создавались эффективные методы решения уравнений); улучшались методы параметризаций тех физических процессов, которые из-за малости масштаба не могут быть явно разрешены в конкретном сеточном представлении данной модели. В последнее время эти направления развиваются не независимо друг от друга – структура моделей и архитектура вычислительных схем строится с учетом современной архитектуры компьютеров (параллельные вычисления).

Наибольшие достижения достигнуты в области моделирования циркуляции атмосферы. В начале 60-х годов была сформулирована проблема создания численной схемы прогноза погоды на основе полных уравнений гидродинамики. В середине 60-х годов Г.И.Марчук предложил использовать для решения уравнений гидродинамики атмосферы абсолютно устойчивые разностные схемы, основанные на методе расщепления по физическим процессам и геометрическим переменным. В это же время был открыт метод спектрально-сеточного преобразования, позволивший создавать численные схемы на основе так называемого спектрального метода. Первую численную модель, построенную на полных уравнениях гидродинамики, реализовал коллектив ученых под руководством Дж. Смагоринского в Принстонском университете (США).

С тех пор происходило быстрое развитие данного направления, достигшее наибольшего ускорения в самые последние годы в связи с появлением нового поколения суперкомпьютеров с широким использованием принципа параллельных вычислений. При этом казавшаяся плодотворной идея разделения моделей в соответствии с задачами и масштабами моделирования (глобальные модели, областью интегрирования которых служит весь Земной шар, и региональные (мезометеорологические) модели, реализуемые на ограниченной территории) стала подвергаться сомнению. Появилась идеология и практическая реализация «бесшовных» моделей, то есть предназначенных для любых масштабов.

В тоже время, продолжается и развитие специализированных детализированных моделей. В ближайшей перспективе ожидается переход на шаг сетки порядка 1 км. Такие модели применяются для моделирования городских агломераций, обслуживания горных районов (в частности, Олимпиады в Сочи 2014 г.).

Также к проблемам физики атмосферы можно отнести такие ее ветви, как атмосферное электричество и атмосферную акустику, однако широкого распространения эти исследования пока не получили.

Закономерности, установленные при изучении физики атмосферы Земли, могут быть перенесены, со своими особенностями, и на другие планетные атмосферы. В работах Г.С.Голицына показано, как, используя теорию подобия и размерностей, можно учесть изменения параметров планет при расчете ключевых показателей.

Методы

Во всех областях физики атмосферы, как и в других областях физики, важную роль играют измерения (наблюдения). Особенностью, свойственной уже только наукам о Земле, является то, что измерения проводятся, за редким исключением, в реальной среде, а не на лабораторных установках, поэтому они «неповторимы». Они служат как для изучения каких-то специальных данных в рамках полевых экспериментов, так и как сетевые наблюдения. Наблюдения проводятся или «in situ” или дистанционным образом. В случае контактных измерений для сетевых наблюдений у поверхности земли используются стандартные приборы (барометр, термометр, гигрометр и др.), которые часто используются в комплексе автоматических метеорологических станций. Для получения оперативной информации о состоянии свободной атмосферы применяется радиозонд. Кроме этого, в последнее десятилетия самолеты гражданской авиации оснащены метеорологическими датчиками, позволяющими выполнять измерения во время полета, взлета и посадки. Эта информация оперативно усваивается центрами прогноза погоды и, вместе с данными радиозондирования и спутниковыми данными, используется в подготовке начального поля для численного (компьютерного) прогноза погоды.

В рамках полевых экспериментов или при проведении уникальных наблюдений в обсерваториях наряду с стандартными приборами и системами, используются совершенно разные подходы. Прежде всего, следует упомянуть наблюдения на мачтах, позволяющие получить информацию о вертикальном распределении метеорологических величин с высотой в нижней части пограничного слоя. Уникальна 300 метровая метеорологическая мачта, расположенная в г. Обнинск (Россия). В некоторых типичных по природным условиям регионах расставлены 40 – метровые мачты, позволяющие получать детальную информацию о тепло-влаго-газоообмене атмосферы и суши в условиях разных ландшафтов.

Наблюдения на поверхности океана осуществляется системой автоматических буев (некоторые представляют собой ныряющие комплексы). Гораздо реже для этих целей применяются научно-исследовательские суда. Получаемая информация имеет как оперативное значение, так и позволяет решить проблемы оценки взаимодействия атмосферы и океана (осуществляемого импульсо-энерго-массо-газоообменом).

Для наблюдений за состоянием свободной атмосферы применяются специализированные радиозонды. Наибольшее распространение получили озонозонды (радиозонд, дополненный датчиком концентрации озона) и актинометрический радиозонд, в комплектацию которого был включен прибор, измеряющий баланс длинноволнового земного и атмосферного излучения). Гораздо реже применяются специализированные самолеты-лаборатории.

В случае дистанционных измерений широко используются хорошо известные закономерности распространения и излучения электромагнитных волн, по возмущению которых можно получить информацию о состоянии среды. Так осуществляется спутниковое зондирование и радиолокационное зондирование, системы которых дают в настоящее время существенный вклад в формирование начального поля, от которого осуществляется старт компьютерного расчета прогностических атмосферных полей. Гораздо реже используется в этом плане акустическое и лидарное зондирование.

Важнейшим методом физики атмосферы является математическое моделирование. Особенное развитие получили модели циркуляции атмосферы разного иерархического уровня – от моделей глобальной циркуляции до моделей мезомасштабных явлений. Их практическая реализация, потребовавшая создания вычислительной техники, развития вычислительной математики и гидродинамики, явилась одним из самых существенных «технологических» достижений физики 20 века.

Современное состояние

Физика атмосферы представляет собой пограничную науку между физикой и науками о Земле. Она строится на фундаменте, обеспеченном концепциями, развитыми в общей и теоретической физике. Широко используются представления термодинамики и статистической физики, оптики, теории волн, механики сплошной среды и др. Важнейшим методом исследований, пронизывающим все сферы деятельности, является математическое моделирование. Теоретические разработки и результаты моделирования опираются на эмпирические данные, которые поставляются сетевыми наблюдениями (на сети станций) и отдельными полевыми экспериментами.

Особенностью физики атмосферы является ориентация на решение метеорологических задач, из которых важнейшие связаны с прогнозом погоды и уровня атмосферных загрязнений. Достижение успеха при решении этих проблем связано с совершенствованием вычислительной техники, успехами вычислительной математики, развитием физики атмосферы. Таким образом, физика атмосферы представляет собой науку, достижения которой немедленно реализуются при решении практически важных задач.

Физика атмосферы является частью физики, и открытия, сделанные в ее рамках, при решении ее конкретных задач, обогатили всю физику (и, в некоторых случаях, и другие области естествознания). Это, во-первых, открытие в атмосфере волн Россби (как волн в сплошной среде на вращающейся сфере). Во-вторых, это существенное продвижение в понимание физических причин возникновения хаоса. В-третьих, это создание теории турбулентности Колмогорова – Обухова с конкретным приложением к динамике пограничных слоев. Четвертым важным открытием является стохастический резонанс, который может наблюдаться в самых разных системах.