Física atmosférica

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 terrestre y las atmósferas de otros planetas utilizando ecuaciones de flujo de fluidos , balance de radiación y procesos de transferencia de energía en la atmósfera (así como su relación con sistemas límite como los océanos). Para modelar 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 abarca 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 sonda, 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 detección en tiempo real que no están en contacto físico o íntimo con el objeto (como por ejemplo, aeronaves , naves espaciales , satélites , boyas o barcos ). En la práctica, la teledetección es la recopilación a distancia mediante el uso de una variedad de dispositivos para obtener información sobre un objeto o área determinada, lo que proporciona más información que la que podrían transmitir los sensores en sitios individuales. ^{[ 1 ]} Así, las plataformas de recopilación de satélites de observación de la Tierra o meteorológicos , las plataformas de boyas meteorológicas para la observación oceánica y atmosférica , el monitoreo de un embarazo mediante ultrasonido , imágenes por resonancia magnética (IRM), tomografía por emisión de positrones (PET) y sondas espaciales son ejemplos de teledetección. En el uso moderno, el término generalmente se refiere al uso de tecnologías de sensores de imágenes, incluyendo, pero no limitándose al uso de instrumentos a bordo de aeronaves y naves espaciales, y es distinto de otros campos relacionados con imágenes, como la imagen médica .

Existen dos tipos de teledetección. Los sensores pasivos detectan la radiación natural emitida o reflejada por el objeto o el área circundante que se observa. La luz solar reflejada es la fuente de radiación más común medida por los sensores pasivos. Ejemplos de sensores remotos pasivos incluyen la fotografía analógica , el infrarrojo, los dispositivos de carga acoplada (CCD) y los radiómetros . La captación activa, por otro lado, emite energía para escanear objetos y áreas, tras lo cual un sensor detecta y mide la radiación reflejada o retrodispersada por el objetivo. El radar , el lidar y el SODAR son ejemplos de técnicas de teledetección activa utilizadas en física atmosférica, donde se mide el retardo 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 sus aplicaciones se incluyen el monitoreo de la deforestación en áreas como la cuenca del Amazonas , los efectos del cambio climático en glaciares y regiones árticas y antárticas, y la medición de profundidades costeras y oceánicas. Durante la Guerra Fría, la recopilación militar de datos sobre zonas fronterizas peligrosas se realizó a distancia. La teledetección también reemplaza la costosa y lenta recopilación de datos sobre el terreno, garantizando así que las áreas u objetos no se vean afectados.

Las plataformas orbitales recopilan y transmiten datos de diferentes partes del espectro electromagnético , lo que, junto con la detección y el análisis aéreos o terrestres a mayor escala, proporciona a los investigadores información suficiente para monitorear tendencias como El Niño y otros fenómenos naturales a corto y largo 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, la seguridad nacional y la recopilación de datos desde el aire, desde tierra y a distancia en zonas 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 absorbiendo 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 incidente. ^{[ 6 ]} Cuanto más rasante sea el ángulo entre la atmósfera y los rayos del sol , mayor será la probabilidad de que la energía sea reflejada o absorbida por la atmósfera . ^{[ 7 ]}

La radiación terrestre se emite en longitudes de onda mucho mayores que la radiación solar. Esto se debe a que la Tierra es mucho más fría que el Sol. La Tierra emite radiación en un amplio rango de longitudes de onda, tal como lo establece la ley de Planck . La longitud de onda de máxima energía se sitúa alrededor de los 10 micrómetros.

La física de las nubes estudia los procesos físicos que dan lugar 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 precipitación , que puede caer a la Tierra. ^{[ 8 ]} La mecánica precisa de cómo se forma y crece una nube no se comprende del todo, pero los científicos han desarrollado teorías que explican su estructura mediante el estudio de la microfísica de las 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 la electrodinámica de la atmósfera (o, más ampliamente, a la atmósfera de cualquier planeta ). La superficie terrestre , 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 alcanzar los 28 000 kelvin y las densidades de electrones pueden superar los ^10²⁴ / ^m³ . ^{[ 11 ]}

Las mareas atmosféricas de mayor amplitud se generan principalmente en la troposfera y la estratosfera cuando la atmósfera se calienta periódicamente debido a que el vapor de agua y el ozono absorben la radiación solar durante el día. Las mareas generadas pueden entonces propagarse desde 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. Si bien las mareas atmosféricas comparten muchas características con las mareas oceánicas, presentan dos rasgos distintivos clave:

i) Las mareas atmosféricas se originan principalmente por el calentamiento de la atmósfera causado por el Sol, mientras que las mareas oceánicas se originan principalmente por el campo gravitatorio de la Luna. Esto significa que la mayoría de las mareas atmosféricas tienen periodos de oscilación relacionados con la duración de 24 horas del día solar, mientras que las mareas oceánicas tienen periodos 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 donde la densidad varía significativamente con la altura. Como consecuencia, su amplitud aumenta exponencialmente 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 ellos la amplitud de las mareas no varía necesariamente con la profundidad.

Cabe señalar que, si bien el calentamiento solar es responsable de las mareas atmosféricas de mayor amplitud, los campos gravitatorios del Sol y la Luna también provocan mareas en la atmósfera, siendo el efecto de las mareas atmosféricas gravitatorias lunares significativamente mayor que el solar. ^{[ 13 ]}

A nivel del suelo, las mareas atmosféricas se pueden detectar como oscilaciones regulares pero pequeñas en la presión superficial con periodos 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 volverse muy grandes. En la mesosfera (alturas de ~ 50 – 100  km) las mareas atmosféricas pueden alcanzar amplitudes de más de 50  m/s y a menudo son 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 en día, 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 sonda 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 en la atmósfera superior , como eventos luminosos llamados sprites rojos , halos de sprites, chorros azules y elfos.

En el Reino Unido, los estudios atmosféricos están respaldados por la Met Office , el Consejo de Investigación del Medio Ambiente Natural y el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas . Divisiones de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de EE. UU. (NOAA) supervisan proyectos de investigación y modelización meteorológica que involucran la física atmosférica. El Centro Nacional de Astronomía e Ionosfera de EE. UU. también realiza estudios de la atmósfera superior. En Bélgica , el Instituto Belga de Aeronomía Espacial estudia la atmósfera y el espacio exterior . En Francia, existen varias entidades públicas y privadas que investigan la atmósfera, como por ejemplo Météo-France , y varios laboratorios en el centro nacional de investigación científica (como los laboratorios del grupo IPSL ).

• JV Iribarne, HR Cho, Física atmosférica , D. Reidel Publishing Company, 1980.

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