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大氣物理學是研究大氣的物理現象、物理過程及其演變規律的學科,是大氣科學的一個分支。它主要研究大氣中的聲象、光象、電象、輻射過程、雲和降水物理、近地面層大氣物理、平流層和中層大氣物理,既是大氣科學的基礎理論部分,又是環境科學的一個部分。

1簡介

人們對大氣中的許多物理現象,如虹、暈、華、雷、閃電等早巳注意,並進行過研究,但
大氣物理學

  大氣物理學

內容分散在物理、化學、天文、無線電等學科之中,把它們納入大氣物理學一個學科,則是近三、四十年中的事情。
20世紀40年代以來,隨著人類在大氣中活動範圍的迅速擴展,大氣物理學的研究領域不斷擴大。如為了改進大氣中的電波通信、光波通信、提高導彈制導水平,就需要了解它們所賴以傳播的大氣介質及相互作用,因此就要研究大氣的聲、光、電和無線電氣象;又如,為避免晴空湍流引起飛機墮毀的事故,就要研究大氣湍流。大氣物理學(atmospheric physics)研究大氣中各種物理現象和過程及其演變規律的學科。大氣科學的一個分支。它主要研究大氣中的聲學、光學、電學和輻射過程,雲和降水物理,大氣底層的邊界層大氣物理,平流層和中層大氣物理,既是大氣科學基礎理論的一個部分,又和許多邊緣學科,例如農業氣象學、大氣環境科學等有密切的關係。
大氣物理學的許多內容,早就受到人們的關注。在早期,所有的大氣熱力學和大氣動力學研究內容均包含在大氣動力學和天氣學中,20世紀20年代,人們開始關注較小尺度大氣動力學和熱力學過程,其中包括了大氣底層的邊界層結構的研究,因而形成大氣湍流和大氣邊界層的研究方向,40年代大氣中污染物的擴散受到了關注,開始形成污染氣象學的研究方向。由於工農業對人工降水的需求,並對雲的微觀和宏觀有了較深入的了解,因而逐漸形成對雲霧物理學的系統研究。有關大氣中的光學、聲學和電學現象的研究,早在氣象學、物理學和無線電學中進行了一些研究,40年代開始的氣象雷達觀測,60年代氣象衛星的釋放,對形成大氣光、聲、電學、雷達氣象學和衛星氣象學的形成起了極大的推動作用。
大氣物理學的研究不僅需要發展有關的理論還需要系統精確的實驗資料予以驗證。一般氣象台站網的觀測內容遠不能滿足實際和理論工作的要求,因而設計和製造專用的儀器設備,組織精細的觀測是很重要的。例如大氣湍流的觀測需要快速反應的溫度、濕度和風的觀測儀器;雲霧物理的觀測則需要使用飛機和特種雷達;氣象衛星安裝的儀器幾乎全都屬於大氣遙感的設備。
由於工業生產排入大氣中的大量氣溶膠和污染物通過擴散造成大氣污染,有些通過沉降或降水形成酸雨等,又被送到地面,導致土地河流污染、造成對植物和人類的嚴重影響。既要發展生產,又必須使大氣不超過其對污染物質的稀釋能力,這就要詳細研究大氣邊界層的物理特性。
生產活動和人類的其他活動,影響著自然環境。如大氣中二氧化碳含量逐年增加,影響著大氣輻射程和氣候變化規律。這些又影響農業生產,特別是糧食生產。糧食問題導致對氣候變化的關注,進而促進了對大氣輻射問題的研究。
工農業用水逐年增加,就必須充分利用大氣中豐富的水分,這就要開發大氣中的水資源;此外,為避免或減輕天氣災害,又推動著人工影響天氣試驗研究的廣泛開展,從而促進了雲和降水物理學的研究。
20世紀60年代以來,遙感技術飛速地發展起來,輻射傳輸是遙感的基礎,由此推動著大氣輻射學的研究;人造衛星、電子計算機的發展,新技術(如激光、雷達、微波)的應用,給大氣物理研究提供了有力的探測工具,獲得了更多的探測資料,從而大大加速大氣物理學發展的進程。
大氣物理學主要包括大氣邊界層物理學、雲和降水物理學、雷達氣象學、無線電氣象學、大氣聲學、大氣光學和大氣輻射學、大氣電學、平流層和中層大氣物理學。

2特點

大氣聲學、大氣光學,大氣電學和無線電氣象學,是研究大氣中聲、光、電的現象和聲波、電磁波在大氣中傳播的特性;雷達氣象學研究用氣象雷達探測大氣的原理和方法,及其在天氣分析預報、
雲圖

  雲圖

雲和降水物理中的應用;大氣輻射學研究輻射在地球大氣系統內的傳輸轉換過程和輻射平衡;雲和降水物理學研究雲和降水的形成、發展和消散的過程;大氣邊界層物理研究受地面影響較大的大氣低層的溫度、濕度、風等要素的水平和鉛直分佈,大氣湍流和擴散,水汽和熱量傳輸等;平流層和中層大氣物理學研究對流層頂(10公里左右)到80~90公里大氣層中發生的物理過程。大氣過程常是多因素綜合作用的結果,故大氣物理諸方面常常相互聯繫,如大氣電學同雲和降水物理學都研究雷暴。既各有側重,又緊密相關。
大氣物理學和大氣科學其他分支有緊密的聯繫,如大氣物理過程受到天氣背景的制約,同時大氣物理研究和探測的結果,又廣泛用於天氣分析和預報,所以它和天氣學關係密切;雲動力學是大氣物理學和大氣動力學結合的產物;大氣物理學的許多內容涉及對氣候變化的研究;大氣物理學是大氣探測和應用氣象學的基礎,而這兩個學科的發展,又豐富了大氣物理學的內容。例如大氣物理為氣象雷達觀測提供原理依據,而雷達的氣象信息則為研究大氣物理過程提供了豐富的資料。
科學技術的許多新成就,推動大氣物理學向前發展,又不斷向大氣物理學提出新的要求,人類在大氣中活動頻繁,有意和無意地影響大氣,使大氣狀態變得更加複雜。如何進一步認識大氣的精細結構,深入了解大氣三維空間的演變,有效地利用、妥善地保護和不斷地改造大氣,是大氣物理學長期的重大任務。

3研究方向

1.天氣動力學、數值模式及模擬分析
2.氣候動力學及氣候變化和預測
3.熱帶天氣學、海—氣相互作用和季風
4.中小尺度天氣學和暴雨研究
5.雲霧物理學及氣溶膠
大氣聲學

  大氣聲學

6.衛星遙感學及其應用
7.大氣光學探測及應用
8.大氣邊界層物理學及下墊面過程
9.污染氣象學
10.雷電物理學和雷電探測
11.中層大氣物理和化學
其它大氣科學分支學科
大氣科學、氣候學、物候學、古氣候學、年輪氣候學、大氣化學、動力氣象學、大氣物理學、大氣邊界層物理、雲和降水物理學、雲和降水微物理學、雲動力學、雷達氣象學、無線電氣象學、大氣輻射學、大氣光學、大氣電學、平流層大氣物理學、大氣聲學、天氣學、熱帶氣象學、極地氣象學、衛星氣象學、生物氣象學、農業氣象學、森林氣象學、醫療氣象學、水文氣象學、建築氣象學、航海氣象學、航空氣象學、軍事氣象學、空氣污染氣象學

4大事記

公元前3世紀,歐幾里得(Euclid,前330?-前260?)論述光的直線傳播和反射定律。
1世紀,古書《漢書》記載尖端放電、避雷知識和有關的裝置。王充(27-97)著《論衡》,記載有關力學、熱學、聲學、磁學等方面的物理知識。希龍(Heron,62-150)創製蒸汽旋轉器,是利用蒸汔動力的最早嘗試,他還製造過虹吸管。
2世紀,托勒密(C.Ptolemaeus,100?-170?)發現大氣折射。張衡(78-139)創製地動儀,可以測報地震方位,創製渾天儀。王符(85-162)著《潛夫論》分析人眼的作用。
5世紀,祖沖之(429-500),改造指南車,精確推算л值,在天文學上精確編製《大明曆》。
8世紀,王冰(唐代人)記載並探討了大氣壓力現象。
13世紀,趙友欽(1279-1368)著《革象新書》,記載有他作過的光學實驗以及光的照度、光的直線傳播、視角與小孔成象等問題。
15世紀,達·芬奇(L.da Vinci,1452-1519)設計了大量機械,發明溫度計和風力計,最早研究永動機不可能問題。
1609年,伽利略,初次測光速,未獲成功。1609年,開普勒(J.Kepler,1571-1630)著《新天文學》,提出開普勒第一、第二定律。
1619年,開普勒著《宇宙諧和論》,提出開普勒第三定律。
1620年,斯涅耳(W.Snell,1580-1626)從實驗歸納出光的反射和折射定律。
1632年,伽利略《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》出版,支持了地動學說,首先闡明了運動的相對性原理。
1636年,麥森(M.Mersenne,1588-1648)測量聲的振動頻率,發現諧音,求出空氣中的聲速。

5其他分支學科關係

大氣物理學和大氣科學其他分支有緊密的聯繫,如大氣物理過程受到天氣背景的制約,同時大氣物理研究和探測的結果,又廣泛用於天氣分析和預報,所以它和天氣學關係密切;雲動力學是大氣物理學和大氣動力學結合的產物;大氣物理學的許多內容涉及對氣候變化的研究;大氣物理學是大氣探測和應用氣象學的基礎,而這兩個學科的發展,又豐富了大氣物理學的內容,例如大氣物理為氣象雷達觀測提供原理依據,而雷達的氣象信息則為研究大氣物理過程提供了豐富的資料。
大氣中很多過程還和大氣化學有關係,特別是工農業污染物排入大氣中,使大氣物理過程複雜化,如平流層和中層大氣的輻射過程,光化學反應是重要因素之一。

6展望

科學技術的許多新成就,推動大氣物理學向前發展,又不斷向大氣物理學提出新的要求,人類在大氣中活動頻繁,有意和無意地影響大氣,使大氣狀態變得更加複雜。如何進一步認識大氣的精細結構,深入了解大氣三維空間的演變,有效地利用、妥善地保護和不斷地改造大氣,是大氣物理學長期的重大任務。
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