ในสาขาวิทยาศาสตร์บรรยากาศฟิสิกส์บรรยากาศคือการประยุกต์ใช้ฟิสิกส์ในการศึกษาบรรยากาศนักฟิสิกส์บรรยากาศพยายามสร้างแบบจำลองบรรยากาศของโลกและบรรยากาศของดาวเคราะห์ดวง อื่น ๆ โดยใช้สมการการไหลของของเหลว งบประมาณการแผ่รังสีและกระบวนการถ่ายโอนพลังงานในบรรยากาศ (รวมถึงความเชื่อมโยงกับระบบขอบเขต เช่น มหาสมุทร) เพื่อสร้างแบบจำลองระบบสภาพอากาศ นักฟิสิกส์บรรยากาศใช้ทฤษฎีการกระเจิงแบบจำลองการแพร่กระจายคลื่น ฟิสิกส์ ของ เมฆ กลศาสตร์เชิง สถิติ และสถิติเชิงพื้นที่ ซึ่งเป็นคณิตศาสตร์ขั้นสูงและเกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ สาขา วิชา นี้มีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับอุตุนิยมวิทยาและภูมิอากาศวิทยาและยังครอบคลุมถึงการออกแบบและการสร้างเครื่องมือสำหรับการศึกษาบรรยากาศและการตีความข้อมูลที่ได้ รวมถึง เครื่องมือ ตรวจวัดระยะไกลในช่วงเริ่มต้นของยุคอวกาศและการนำจรวดสำรวจมาใช้ วิทยาศาสตร์บรรยากาศจึงกลายเป็นสาขาย่อยที่เกี่ยวข้องกับชั้นบนของบรรยากาศ ซึ่งการแตกตัวและการแตกตัวเป็นไอออนมีความสำคัญ

การสำรวจระยะไกลคือการได้มาซึ่งข้อมูลของวัตถุหรือปรากฏการณ์ในขนาดเล็กหรือขนาดใหญ่ โดยใช้อุปกรณ์บันทึกหรืออุปกรณ์ตรวจจับแบบเรียลไทม์ที่ไม่สัมผัสกับวัตถุโดยตรง (เช่น โดยทางเครื่องบินยานอวกาศดาวเทียมทุ่นหรือเรือ ) ในทางปฏิบัติ การสำรวจระยะไกลคือการเก็บรวบรวมข้อมูลจากระยะไกลโดยใช้อุปกรณ์หลากหลายชนิดเพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยว กับวัตถุหรือพื้นที่ที่กำหนด ซึ่งให้ข้อมูลมากกว่าที่เซ็นเซอร์ในแต่ละสถานที่อาจให้ได้ [ 1 ] ดังนั้น แพลตฟอร์มการสังเกตการณ์โลกหรือดาวเทียมตรวจอากาศ แพลตฟอร์มทุ่นตรวจอากาศในมหาสมุทรและชั้นบรรยากาศ การตรวจสอบการตั้งครรภ์ผ่านอัลตราซา^{วนด์การ}ถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า( MRI ) การถ่ายภาพด้วยโพซิตรอน (PET) และยานสำรวจอวกาศ ล้วน เป็นตัวอย่างของการสำรวจระยะไกล ในการใช้งานสมัยใหม่ คำนี้โดยทั่วไปหมายถึงการใช้เทคโนโลยีเซ็นเซอร์ภาพ รวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียงการใช้อุปกรณ์บนเครื่องบินและยานอวกาศ และแตกต่างจากสาขาอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายภาพ เช่น การถ่ายภาพ ทางการ แพทย์

การตรวจวัดระยะไกลมีสองประเภท เซ็นเซอร์แบบพาสซีฟตรวจจับรังสีธรรมชาติที่ปล่อยออกมาหรือสะท้อนจากวัตถุหรือบริเวณโดยรอบที่กำลังสังเกต แสงแดดที่สะท้อนเป็นแหล่งกำเนิดรังสีที่พบได้บ่อยที่สุดที่วัดโดยเซ็นเซอร์แบบพาสซีฟ ตัวอย่างของเซ็นเซอร์ระยะไกลแบบพาสซีฟ ได้แก่การถ่ายภาพ ด้วยฟิล์ม อินฟราเรดอุปกรณ์ประจุไฟฟ้าและเรดิโอมิเตอร์ในทางกลับกัน การเก็บรวบรวมแบบแอคทีฟจะปล่อยพลังงานเพื่อสแกนวัตถุและพื้นที่ จากนั้นเซ็นเซอร์จะตรวจจับและวัดรังสีที่สะท้อนหรือกระเจิงกลับจากเป้าหมายเรดาร์ไลดาร์และSODAR เป็นตัวอย่างของเทคนิคการตรวจวัดระยะไกลแบบแอคทีฟที่ใช้ในฟิสิกส์บรรยากาศ ซึ่งวัดความล่าช้าของเวลาระหว่างการปล่อยและการสะท้อนกลับ เพื่อกำหนดตำแหน่ง ความสูง ความเร็ว และทิศทางของวัตถุ^{[ 2 ]}

การสำรวจระยะไกลทำให้สามารถรวบรวมข้อมูลในพื้นที่อันตรายหรือเข้าถึงยากได้ การประยุกต์ใช้การสำรวจระยะไกล ได้แก่ การติดตามการตัดไม้ทำลายป่าในพื้นที่ต่างๆ เช่นลุ่มน้ำอะมาซอน ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศต่อธารน้ำแข็งและภูมิภาคอาร์กติกและแอนตาร์กติก และการวัดความลึกของชายฝั่งและมหาสมุทร การเก็บรวบรวมข้อมูลทางทหารในช่วงสงครามเย็นใช้การเก็บรวบรวมข้อมูลจากระยะไกลเกี่ยวกับพื้นที่ชายแดนอันตราย การสำรวจระยะไกลยังเข้ามาแทนที่การเก็บรวบรวมข้อมูลภาคพื้นดินที่ยุ่งยากและมีค่าใช้จ่ายสูง โดยมั่นใจได้ว่าพื้นที่หรือวัตถุจะไม่ถูกรบกวน

แพลตฟอร์มวงโคจรจะรวบรวมและส่งข้อมูลจากส่วนต่างๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเมื่อรวมกับการตรวจวัดและวิเคราะห์ทางอากาศหรือภาคพื้นดินในระดับที่ใหญ่กว่า จะช่วยให้นักวิจัยมีข้อมูลเพียงพอในการติดตามแนวโน้มต่างๆ เช่นเอลนีโญและปรากฏการณ์ทางธรรมชาติอื่นๆ ทั้งระยะยาวและระยะสั้น การใช้งานอื่นๆ ได้แก่ ด้านต่างๆ ของวิทยาศาสตร์โลกเช่นการจัดการทรัพยากรธรรมชาติด้านการเกษตร เช่น การใช้และการอนุรักษ์ที่ดิน และความมั่นคงของชาติ รวมถึงการเก็บรวบรวมข้อมูลจากทางอากาศ ภาคพื้นดิน และระยะไกลในพื้นที่ชายแดน^{[ 3 ]}

โดยทั่วไป นักฟิสิกส์บรรยากาศจะแบ่งรังสีออกเป็นรังสีจากดวงอาทิตย์ (ที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์) และรังสีจากพื้นโลก (ที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวโลกและชั้นบรรยากาศ)

รังสีจากดวงอาทิตย์ประกอบด้วยความยาวคลื่นที่หลากหลาย แสงที่มองเห็นได้มีความยาวคลื่นระหว่าง 0.4 ถึง 0.7 ไมโครเมตร^{[ 4 ]}ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าเรียกว่ารังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ในขณะที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่าจัดอยู่ในกลุ่มรังสีอินฟราเรด[ ^{5 ] โอโซน}มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการดูดซับรังสีที่ความยาวคลื่นประมาณ 0.25 ไมโครเมตร^{[ 6 ]}ซึ่งเป็นช่วงที่รังสี UV-c อยู่ในสเปกตรัม ส่งผลให้อุณหภูมิของชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ ที่อยู่ใกล้เคียงเพิ่มสูงขึ้น หิมะสะท้อนรังสี UV ได้ 88% ^{[ 6 ]}ในขณะที่ทรายสะท้อนได้ 12% และน้ำสะท้อนรังสี UV ที่เข้ามาได้เพียง 4% ^{[ 6 ]}ยิ่งมุมตกกระทบระหว่างชั้นบรรยากาศกับ รังสีของ ดวงอาทิตย์ มาก เท่าใด พลังงานก็ยิ่งมีแนวโน้มที่จะถูกสะท้อนหรือดูดซับโดยชั้นบรรยากาศ มากขึ้นเท่านั้น ^{[ 7 ]}

รังสีจากพื้นโลกมีช่วงความยาวคลื่นยาวกว่ารังสีจากดวงอาทิตย์มาก เนื่องจากโลกมีอุณหภูมิต่ำกว่าดวงอาทิตย์มาก รังสีจากโลกมีช่วงความยาวคลื่นหลากหลาย ดังที่ระบุไว้ในกฎของพลังค์ความยาวคลื่นที่มีพลังงานสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 10 ไมโครเมตร

ฟิสิกส์ของเมฆคือการศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการทางกายภาพที่นำไปสู่การก่อตัว การเติบโต และการตกของเมฆเมฆประกอบด้วยหยดน้ำขนาดเล็ก (เมฆอุ่น) ผลึกน้ำแข็งขนาดเล็ก หรือทั้งสองอย่าง (เมฆแบบผสม) ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม หยดน้ำจะรวมตัวกันเพื่อก่อตัวเป็นหยาดน้ำฟ้าซึ่งอาจตกลงสู่พื้นโลก^{[ 8 ]}กลไกที่แม่นยำของการก่อตัวและการเติบโตของเมฆยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ แต่นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาทฤษฎีที่อธิบายโครงสร้างของเมฆโดยการศึกษาฟิสิกส์จุลภาคของหยดน้ำแต่ละหยด ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเรดาร์และดาวเทียมยังช่วยให้สามารถศึกษาเมฆได้อย่างแม่นยำในวงกว้าง

ไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศเป็นคำที่ใช้เรียกไฟฟ้าสถิตและไฟฟ้าพลศาสตร์ของชั้นบรรยากาศ (หรือในวงกว้างกว่านั้นคือชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ ใดๆ ) พื้นผิวโลกไอโอโนสเฟียร์และชั้นบรรยากาศ เรียกว่า วงจร ไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศทั่วโลก^{[ 9 ]}ฟ้าผ่าปล่อยกระแสไฟฟ้า 30,000 แอมแปร์ ที่ แรงดัน สูงถึง 100 ล้านโวลต์และปล่อยแสง คลื่นวิทยุรังสีเอ็กซ์และแม้แต่รังสีแกมมา [ ^{10 ] อุณหภูมิ}พลาสมาในฟ้าผ่าอาจสูงถึง 28,000 เคลวินและ ความหนาแน่น ของอิเล็กตรอน อาจ ^เกิน 10 ²⁴ /m ^{3 [ 11} ]

กระแสน้ำขึ้นน้ำลงในชั้นบรรยากาศที่มีแอมพลิจูดสูงสุดส่วนใหญ่เกิดขึ้นในชั้นโทรโปสเฟียร์และสตราโตสเฟียร์เมื่อชั้นบรรยากาศได้รับความร้อนเป็นระยะๆ เนื่องจากไอน้ำและโอโซนดูดซับรังสีจากดวงอาทิตย์ในระหว่างวัน กระแสน้ำขึ้นน้ำลงที่เกิดขึ้นจะสามารถแพร่กระจายออกจากบริเวณแหล่งกำเนิดเหล่านี้และขึ้นไปสู่ชั้นมีโซสเฟียร์และเทอร์โมสเฟียร์ได้ กระแสน้ำขึ้นน้ำลงในชั้นบรรยากาศสามารถวัดได้จากการผันผวนอย่างสม่ำเสมอของลม อุณหภูมิ ความหนาแน่น และความดัน แม้ว่ากระแสน้ำขึ้นน้ำลงในชั้นบรรยากาศจะมีหลายอย่างที่คล้ายคลึงกับกระแสน้ำขึ้นน้ำลงในมหาสมุทร แต่ก็มีลักษณะเด่นที่แตกต่างกันสองประการที่สำคัญ:

i) กระแสน้ำขึ้นน้ำลงในชั้นบรรยากาศส่วนใหญ่เกิดจากการที่ดวงอาทิตย์ให้ความร้อนแก่ชั้นบรรยากาศ ในขณะที่กระแสน้ำขึ้นน้ำลงในมหาสมุทรส่วนใหญ่เกิดจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ ซึ่งหมายความว่ากระแสน้ำขึ้นน้ำลงในชั้นบรรยากาศส่วนใหญ่มีคาบการแกว่งที่สัมพันธ์กับระยะเวลา 24 ชั่วโมงของวันสุริยะ ในขณะที่กระแสน้ำขึ้นน้ำลงในมหาสมุทรมีคาบการแกว่งที่ยาวกว่าซึ่งสัมพันธ์กับวันจันทรคติ (เวลาระหว่างการผ่านหน้าของดวงจันทร์ที่ต่อเนื่องกัน) ประมาณ 24 ชั่วโมง 51 นาที^{[ 12 ]}

ii) ปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงในชั้นบรรยากาศเกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศที่มีความหนาแน่นแปรผันอย่างมากตามความสูง ผลที่ตามมาคือ แอมพลิจูดของน้ำขึ้นน้ำลงจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามธรรมชาติเมื่อน้ำขึ้นน้ำลงเคลื่อนตัวขึ้นไปยังบริเวณที่มีความหนาแน่นน้อยลงเรื่อยๆ (สำหรับคำอธิบายปรากฏการณ์นี้ โปรดดูด้านล่าง) ในทางตรงกันข้าม ความหนาแน่นของมหาสมุทรแปรผันเพียงเล็กน้อยตามความลึก ดังนั้นแอมพลิจูดของน้ำขึ้นน้ำลงในมหาสมุทรจึงไม่จำเป็นต้องแปรผันตามความลึก

โปรดทราบว่าแม้ว่าความร้อนจากดวงอาทิตย์จะเป็นสาเหตุของกระแสน้ำขึ้นน้ำลงในชั้นบรรยากาศที่มีแอมพลิจูดสูงสุด แต่สนามแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ก็ทำให้เกิดกระแสน้ำขึ้นน้ำลงในชั้นบรรยากาศเช่นกัน โดยผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ต่อกระแสน้ำขึ้นน้ำลงในชั้นบรรยากาศนั้นมากกว่าผลกระทบจากดวงอาทิตย์อย่างมีนัยสำคัญ^{[ 13 ]}

ที่ระดับพื้นดิน สามารถตรวจจับกระแสน้ำขึ้นน้ำลงในบรรยากาศได้ในรูปของการแกว่งตัวเล็กน้อยแต่สม่ำเสมอของความดันพื้นผิว โดยมีคาบเวลา 24 และ 12 ชั่วโมง ความดันสูงสุดรายวันเกิดขึ้นเวลา 10.00 น. และ 22.00 น. ตามเวลาท้องถิ่น ในขณะที่ความดันต่ำสุดเกิดขึ้นเวลา 4.00 น. และ 16.00 น. ตามเวลาท้องถิ่น ความดันสูงสุดสัมบูรณ์เกิดขึ้นเวลา 10.00 น. ในขณะที่ความดันต่ำสุดสัมบูรณ์เกิดขึ้นเวลา 16.00 น. ^{[ 14 ]}อย่างไรก็ตาม ที่ระดับความสูงที่มากขึ้น แอมพลิจูดของกระแสน้ำขึ้นน้ำลงอาจมีขนาดใหญ่มาก ในชั้นมีโซสเฟียร์ (ความสูงประมาณ 50 – 100 กม.) กระแสน้ำขึ้นน้ำลงในบรรยากาศอาจมีแอมพลิจูดมากกว่า 50 ม./วินาที และมักเป็นส่วนสำคัญที่สุดของการเคลื่อนที่ของบรรยากาศ

วิทยาศาสตร์บรรยากาศคือวิทยาศาสตร์ของชั้นบรรยากาศตอนบน ซึ่งการแตกตัวและการแตกตัวเป็นไอออนมีความสำคัญ คำว่าวิทยาศาสตร์บรรยากาศได้รับการแนะนำโดยซิดนีย์ แชปแมนในปี 1960 ^{[ 15 ]}ปัจจุบัน คำนี้ยังรวมถึงวิทยาศาสตร์ของชั้นบรรยากาศในบริเวณที่สอดคล้องกันของดาวเคราะห์ดวงอื่นด้วย การวิจัยในวิทยาศาสตร์บรรยากาศจำเป็นต้องเข้าถึงบอลลูน ดาวเทียม และจรวดสำรวจซึ่งให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับชั้นบรรยากาศบริเวณนี้ กระแสน้ำขึ้นน้ำลงในชั้นบรรยากาศมีบทบาทสำคัญในการมีปฏิสัมพันธ์กับทั้งชั้นบรรยากาศตอนล่างและตอนบน ปรากฏการณ์ที่ศึกษาได้แก่ การปล่อย ประจุฟ้าผ่าในชั้นบรรยากาศตอนบนเช่น ปรากฏการณ์เรืองแสงที่เรียกว่าเรดสไปรท์รัศมีสไปรท์ เจ็ทสีน้ำเงิน และเอลฟ์

ในสหราชอาณาจักร การศึกษาด้านบรรยากาศได้รับการสนับสนุนโดย สำนักงานอุตุนิยมวิทยา ( Met Office ) สภาวิจัยสิ่งแวดล้อมธรรมชาติ ( Natural Environment Research Council) และสภาสิ่งอำนวยความสะดวกด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (Science and Technology Facilities Council ) หน่วยงานต่างๆ ขององค์การบริหารมหาสมุทรและบรรยากาศแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (NOAA)ดูแลโครงการวิจัยและ การสร้างแบบจำลอง สภาพอากาศที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์บรรยากาศศูนย์ดาราศาสตร์และไอโอโนสเฟียร์แห่งชาติ ของสหรัฐอเมริกา ยังดำเนินการศึกษาบรรยากาศระดับสูงด้วย ในเบลเยียม สถาบันอวกาศแห่งเบลเยียม ( Belgian Institute for Space Aeronomy ) ศึกษาบรรยากาศและอวกาศภายนอกในฝรั่งเศส มีหน่วยงานภาครัฐและเอกชนหลายแห่งที่ทำการวิจัยเกี่ยวกับบรรยากาศ ตัวอย่างเช่น องค์การอุตุนิยมวิทยาแห่งฝรั่งเศส ( Météo-France ) และห้องปฏิบัติการหลายแห่งในศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (เช่น ห้องปฏิบัติการใน กลุ่ม IPSL )

• JV Iribarne, HR Cho, ฟิสิกส์บรรยากาศ , สำนักพิมพ์ D. Reidel, 1980.

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์บรรยากาศใน Wikimedia Commons