Ciencias atmosféricas

La ciencia atmosférica estudia la atmósfera terrestre y sus diversos procesos físicos internos. La meteorología abarca la química y la física atmosféricas , con especial énfasis en la predicción del tiempo . La climatología estudia las condiciones atmosféricas en escalas temporales mayores que las del tiempo meteorológico , centrándose en las condiciones climáticas promedio y su variabilidad a lo largo del tiempo . La aeronomía estudia las capas superiores de la atmósfera, donde la disociación y la ionización son importantes. La ciencia atmosférica se ha extendido al campo de la ciencia planetaria y al estudio de las atmósferas de los planetas y satélites naturales del Sistema Solar .

Entre los instrumentos experimentales utilizados en la ciencia atmosférica se incluyen satélites , cohetes sonda , radiosondas , globos meteorológicos , radares y láseres .

El término aerología (del griego ἀήρ, aēr , " aire "; y -λογία, -logia ) se utiliza a veces como término alternativo para el estudio de la atmósfera terrestre; ^{[ 1 ]} en otras definiciones, la aerología se restringe a la atmósfera libre , la región por encima de la capa límite planetaria . ^{[ 2 ]}

Entre los primeros pioneros en este campo se encuentran Léon Teisserenc de Bort y Richard Assmann . ^{[ 3 ]}

La química atmosférica es una rama de la ciencia atmosférica que estudia la química de la atmósfera terrestre y la de otros planetas. Es un campo de investigación multidisciplinario que se nutre de la química ambiental, la física, la meteorología, la modelización computacional, la oceanografía, la geología, la vulcanología y otras disciplinas. La investigación se vincula cada vez más con otras áreas de estudio, como la climatología.

La composición y la química de la atmósfera son importantes por varias razones, principalmente debido a las interacciones entre la atmósfera y los organismos vivos. La actividad humana ha alterado la composición de la atmósfera terrestre, y algunos de estos cambios son perjudiciales para la salud humana, los cultivos y los ecosistemas. Ejemplos de problemas que se han abordado mediante la química atmosférica incluyen la lluvia ácida, el smog fotoquímico y el calentamiento global. La química atmosférica busca comprender las causas de estos problemas y, al obtener una comprensión teórica de los mismos, permite probar posibles soluciones y evaluar los efectos de los cambios en las políticas gubernamentales.

La química atmosférica juega un papel fundamental en la comprensión de la concentración de gases en nuestra atmósfera que contribuyen al cambio climático . Más específicamente, cuando se combina con la física atmosférica y _la biogeoquímica, es útil para estudiar la influencia de gases de efecto invernadero como _el CO₂ , _el N₂O y el CH₄ en el balance radiativo de la Tierra. ^{[ 4 ]} Según el PNUMA, las emisiones _de CO₂ aumentaron a un nuevo récord de 57,1 GtCO₂e _, un 1,3 % más que el año anterior. El crecimiento anterior de las emisiones de GEI de 2010 a 2019 promedió solo +0,8 % anual, lo que ilustra el aumento drástico de las emisiones globales. El Presupuesto Global de Óxido Nitroso citó que el N₂O _atmosférico ha aumentado aproximadamente un 25 % entre 1750 y 2022, con la tasa de crecimiento anual más rápida en 2020 y 2021. ^{[ 5 ]} La química atmosférica es fundamental para comprender qué contribuye a nuestro clima cambiante. El calentamiento de nuestro clima se produce cuando las emisiones _de CO₂ , limitadas por la biogeoquímica, superan un aumento del 0 %. Para evitar que las temperaturas sigan subiendo, no debe haber emisiones _de CO₂ . Al comprender la composición química y las tasas de emisión en nuestra atmósfera, junto con los factores económicos, los investigadores pueden rastrear las emisiones hasta sus fuentes. Aproximadamente el 26 % de las GtCO₂e de 2023 _se utilizó para la generación de energía, el 15 % para el transporte, el 11 % en la industria, el 11 % en la agricultura, etc. ^{[ 6 ]} Para revertir con éxito el daño causado por el ser humano que contribuye al cambio climático global, se necesitan reducciones de casi el 42 % para 2030, las cuales se implementarán mediante la intervención gubernamental. Este es un ejemplo de cómo la química atmosférica va de la mano con las políticas sociales y políticas, la biogeoquímica y los factores económicos.

La dinámica atmosférica es el estudio de los sistemas de movimiento de importancia meteorológica, que integra observaciones en múltiples lugares y momentos, así como teorías. Entre los temas comunes de estudio se incluyen diversos fenómenos como tormentas eléctricas , tornados , ondas de gravedad , ciclones tropicales , ciclones extratropicales , corrientes en chorro y circulaciones a escala global. El objetivo de los estudios dinámicos es explicar las circulaciones observadas a partir de principios fundamentales de la física . Los objetivos de estos estudios incluyen mejorar la predicción meteorológica , desarrollar métodos para predecir las fluctuaciones climáticas estacionales e interanuales y comprender las implicaciones de las perturbaciones antropogénicas (por ejemplo, el aumento de las concentraciones de dióxido de carbono o el agotamiento de la capa de ozono) en el clima global. ^{[ 7 ]}

La física atmosférica es la aplicación de la física al estudio de la atmósfera. Los físicos atmosféricos intentan modelar la atmósfera terrestre y las de otros planetas utilizando ecuaciones de flujo de fluidos, modelos químicos, balance de radiación y procesos de transferencia de energía en la atmósfera, los océanos y la tierra subyacentes. Para modelar los sistemas meteorológicos, emplean elementos de la teoría de la dispersión, modelos de propagación de ondas , física de nubes , mecánica estadística y estadística espacial , cada uno de los cuales incorpora altos niveles de matemáticas y física. La física atmosférica está estrechamente relacionada con la meteorología y la climatología, y también abarca el diseño y la construcción de instrumentos para el estudio de la atmósfera y la interpretación de los datos que proporcionan, incluidos los instrumentos de teledetección .

En el Reino Unido, los estudios atmosféricos cuentan con el respaldo de la Oficina Meteorológica. Las divisiones de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de los Estados Unidos (NOAA) supervisan proyectos de investigación y modelos meteorológicos relacionados con la física atmosférica. El Centro Nacional de Astronomía e Ionosfera de los Estados Unidos también realiza estudios de la atmósfera superior.

El campo magnético de la Tierra y el viento solar interactúan con la atmósfera, creando la ionosfera , los cinturones de radiación de Van Allen , las corrientes telúricas y la energía radiante .

Los estudios recientes en física atmosférica a menudo se basan en observaciones satelitales. Un ejemplo es CALIPSO , o Observación Satelital de Lidar e Infrarrojo para la Detección de Nubes y Aerosoles. La misión CALIPSO, diseñada por la NASA y el Centre National d'Études Spatiales/CNES, estudia cómo las nubes y las partículas en suspensión influyen en la regulación del tiempo, el clima y la calidad de la atmósfera terrestre. Según la NASA, esta misión utiliza métodos como el desarrollo de algoritmos de recuperación, el desarrollo de la climatología, la espectroscopia, la evaluación de modelos meteorológicos y climáticos, y modelos de transferencia radiativa nubosa, además de conceptos de física atmosférica, para comprender la física involucrada en la regulación atmosférica terrestre. ^{[ 8 ]}

La climatología es una ciencia que deriva conocimientos y prácticas de disciplinas más especializadas como la meteorología, la oceanografía, la geología, la biología y la astronomía para estudiar el clima. A diferencia de la meteorología , que estudia los sistemas meteorológicos a corto plazo que duran hasta unas pocas semanas, la climatología estudia la frecuencia y las tendencias de dichos sistemas. Estudia la periodicidad de los fenómenos meteorológicos en escalas temporales que van desde años hasta milenios, así como los cambios en los patrones meteorológicos promedio a largo plazo. Los climatólogos , quienes practican la climatología, estudian tanto la naturaleza de los climas  —locales, regionales o globales—  como los factores naturales o antropogénicos que causan la variabilidad climática y el actual calentamiento global . Además, la ocurrencia de climas pasados ​​en la Tierra, como los derivados de los períodos glaciales e interglaciales, puede utilizarse para predecir futuros cambios climáticos.

A menudo, la climatología se estudia junto con otra disciplina especializada. Un estudio científico reciente que utiliza temas de climatología, oceanología e incluso economía se titula "Preocupaciones sobre El Niño-Oscilación del Sur y la Circulación Meridional de Vuelco del Atlántico con un Océano cada vez más cálido". ^{[ 9 ]} Científicos del proyecto "Nuevas Perspectivas en la Ciencia del Clima" descubrieron que la Tierra está en riesgo de eventos de El Niño de mayor intensidad y de inestabilidad climática general, dada la nueva información sobre la Oscilación del Sur de El Niño (ENSO) y la Circulación Meridional de Vuelco del Atlántico (AMOC). ENSO describe un patrón climático recurrente en el que la temperatura de las aguas en el Pacífico tropical central y oriental cambia periódicamente. ^{[ 10 ]} La NOAA describe mejor la AMOC como "un sistema de corrientes oceánicas que circula el agua dentro del Océano Atlántico, llevando agua cálida al norte y agua fría al sur". ^{[ 11 ]} Esta investigación ha revelado que el colapso de la AMOC parece estar ocurriendo antes de lo que habían predicho los modelos anteriores. También profundiza en el hecho de que nuestros sistemas económicos y sociales son más vulnerables a los impactos de El Niño de lo que se creía. El estudio de la climatología es vital para comprender los riesgos climáticos actuales. La investigación es necesaria para mitigar y monitorear los esfuerzos realizados en nuestro clima en constante evolución. Fortalecer nuestro conocimiento en el ámbito de la climatología nos permite prepararnos mejor para los impactos de los eventos extremos de El Niño, como sequías, inundaciones y olas de calor intensificadas. ^{[ 9 ]}

Entre los fenómenos de interés climatológico se incluyen la capa límite atmosférica , los patrones de circulación , la transferencia de calor ( radiativa , convectiva y latente ), las interacciones entre la atmósfera, los océanos y la superficie terrestre (en particular la vegetación , el uso del suelo y la topografía ), así como la composición química y física de la atmósfera. Las disciplinas relacionadas incluyen la astrofísica , la física atmosférica , la química , la ecología , la geografía física , la geología , la geofísica , la glaciología , la hidrología , la oceanografía y la vulcanología .

La aeronomía es el estudio científico de la atmósfera superior de la Tierra —las capas atmosféricas por encima de la estratopausa— y las regiones correspondientes de las atmósferas de otros planetas, donde la atmósfera completa puede corresponder a la atmósfera superior de la Tierra o a una parte de ella. Rama tanto de la química atmosférica como de la física atmosférica, la aeronomía contrasta con la meteorología, que se centra en las capas de la atmósfera por debajo de la estratopausa. ^{[ 12 ]} En las regiones atmosféricas estudiadas por los aeronómeros, la disociación química y la ionización son fenómenos importantes.

Todos los planetas del Sistema Solar tienen atmósferas. Esto se debe a que su gravedad es lo suficientemente fuerte como para mantener las partículas gaseosas cerca de la superficie. Los gigantes gaseosos más grandes son lo suficientemente masivos como para mantener grandes cantidades de los gases ligeros hidrógeno y helio cerca, mientras que los planetas más pequeños pierden estos gases en el espacio . ^{[ 13 ]} La composición de la atmósfera de la Tierra es diferente a la de los otros planetas porque los diversos procesos de vida que han tenido lugar en el planeta han introducido oxígeno molecular libre . ^{[ 14 ]} Gran parte de la atmósfera de Mercurio ha sido expulsada por el viento solar . ^{[ 15 ]} La única luna que ha conservado una atmósfera densa es Titán . Hay una atmósfera delgada en Tritón y un rastro de atmósfera en la Luna .

Las atmósferas planetarias se ven afectadas por los distintos grados de energía recibida del Sol o de sus interiores, lo que da lugar a la formación de sistemas meteorológicos dinámicos como huracanes (en la Tierra), tormentas de polvo a escala planetaria ( en Marte ), un anticiclón del tamaño de la Tierra en Júpiter (llamado la Gran Mancha Roja ) y agujeros en la atmósfera (en Neptuno). ^{[ 16 ]} Se ha afirmado que al menos un planeta extrasolar, HD 189733 b , posee un sistema meteorológico similar a la Gran Mancha Roja, pero del doble de tamaño. ^{[ 17 ]}

Se ha demostrado que los Júpiter calientes pierden sus atmósferas en el espacio debido a la radiación estelar, de forma similar a las colas de los cometas. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Estos planetas pueden tener grandes diferencias de temperatura entre sus lados diurno y nocturno, lo que produce vientos supersónicos, ^{[ 20 ]} aunque los lados diurno y nocturno de HD 189733b parecen tener temperaturas muy similares, lo que indica que la atmósfera del planeta redistribuye eficazmente la energía de la estrella alrededor del planeta. ^{[ 17 ]}

• contaminación del aire

• Dinámica de fluidos atmosféricos aplicada a mapas meteorológicos  : principios como advección, deformación y vorticidad.
• Los archivos del Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR, por sus siglas en inglés) documentan la historia de las ciencias atmosféricas.