Untitled - Морской Гидрофизический Институт

18
19
1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ОКЕАНЕ
1.1. Мировой океан как составная часть географической оболочки Земли.
1.2. Основные формы рельефа дна. Шельф, материковый склон, срединноокеанический
хребет,
ложе
океана,
подводные
каньоны,
горы,
вулканы.
Батиметрические карты.
1.3. Географическая
широтная
поясность
и
циркумконтинентальная
зональность океана.
1.4. Главные направления и перспективы изучения океана.
1.5. Важнейшие труды и периодические издания по океану.
2. МОРСКАЯ ВОДА
2.1. Морская вода: строение, состав и физические свойства (плотность, теплоёмкость, теплопроводность, сжимаемость и электропроводность).
2.2. Условия равновесия морской воды как термодинамической системы.
Фазовые равновесия и фазовые переходы. Поверхностное натяжение морской воды.
2.3. Давление насыщенного пара. Скрытая теплота испарения. Осмотическое
давление. Вязкость.
2.4. Уравнение состояния - зависимость плотности и удельного объёма от температуры, солёности, давления. Явление уплотнения при смешении.
2.5. Температура замерзания и наибольшей плотности. Соленость. Вода солоноватая и океаническая (морская). Зависимость температуры замерзания (плавления) от
солености, давления.
2.6. Теплофизические характеристики морской воды: теплоёмкость, удельная
теплота испарения и кристаллизации.
2.7. Давление. Сжимаемость морской воды. Адиабатические явления. Потенциальная температура и плотность.
2.8. Электромагнитные свойства морской воды. Электропроводность морской
воды. Диэлектрическая проницаемость. Магнитная восприимчивость.
20
3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИРОВОГО ОКЕАНА
3.1. Соленость
солености.
вод
Мирового
Вертикальное
океана.
распределение
Меридиональное
солености.
распределение
Главные
факторы,
формирующие поле солености. Понятие о халоклине. Промежуточные слои
высокосоленых вод.
3.2. Температура вод Мирового океана. Меридиональное и вертикальное
распределения
температуры
воды.
Главные
факторы,
формирующие
поле
температуры. Понятия о верхнем квазиизотермическом слое, сезонном и главном
термоклине. Промежуточные слои холодных и теплых вод.
3.3. Плотность вод Мирового океана. Понятие о главном пикноклине.
Вертикальная стратификация в океане, критерий устойчивости стратификации.
Понятия о верхнем квазиоднородном слое.
3.4. Водная масса, ее основные характеристики. Трассеры водных масс.
Классификация водных масс. Условия формирования и закономерности
распространения основных водных масс океанов. Современные методы выделения и
анализа водных масс.
3.5. Общая циркуляция Мирового океана. Субтропический круговорот,
субполярный круговорот. Зональные течения (Антарктическое циркумполярное
течение, пассатные течения, межпассатные противотечения, экваториальные
подповерхностные противотечения), интенсивные меридиональные пограничные
течения (Гольфстрим, Куросио, Сомалийское течение и другие).
3.6. Уровенная поверхность океана. Понятие о среднем уровне океана и его
колебаниях. Периодические и непериодические колебания уровня, их причины.
Спутниковая альтиметрия. Влияние аномалий поля силы тяжести на отклонение
уровня.
3.7. Морские льды, их образование и развитие. Основные физико-химические
особенности морских льдов. Движения морских льдов, их причины и закономерности.
Деформация морских льдов.
21
3.8. Принципы районирования океана. Моря России, их народнохозяйственное
значение, перспективы хозяйственного использования. Научные учреждения и
организации, занимающиеся исследованием и практическим освоением морей
России.
3.9. Донные отложения; процессы осадкообразования и их накопления на дне;
типа донных отложений, их характеристики; биогенные компоненты. Донные осадки
как средства обитания живых организмов.
3.10. Минеральные ресурсы, их виды, распространение в океане, современное
состояние добычи. Энергетические ресурсы, использование энергии приливов и тепла
океана.
3.11. Формы жизни в океане (планктон, бентос, нектон, а также плейстон,
нейстон) и их связь со средой. Трофические цепи в океане. Биологическая
продуктивность
и
биомасса,
их
пространственно-временная
изменчивость.
Биопродуктивность районов Мирового океана.
4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА. КЛИМАТ.
4.1. Тепловое и динамическое взаимодействие океана и атмосферы. Обмен
энергией, веществом и импульсом. Представление об изменчивости характеристик
океана и атмосферы в процессе их взаимодействия.
4.2. Уравнение теплового баланса поверхности океана. Коротковолновое и
длинноволновое излучение. Явные и скрытые потоки тепла. Адвекция тепла.
Изменение теплозапаса вод Мирового океана.
4.3. Основные
факторы,
определяющие
пространственно-временную
изменчивость составляющих теплового баланса на поверхности океана.
4.4. Влагообмен между океаном и атмосферой. Осадки и испарение. Факторы,
определяющие их пространственно-временную изменчивость.
4.5. Климатические изменения в морях и океанах. Климатообразующие
факторы.
4.6. Глобальные
и
региональные
изменения
климата.
Особенности
22
формирования климатических аномалий а Атлантико-Европейском регионе.
5. ТЕРМОДИНАМИКА ОКЕАНА
5.1. Термодинамическая система. Параметры состояния. Термодинамический
процесс. Обратимый и необратимый процессы.
5.2. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия. Уравнение притока
тепла.
5.3. Термодинамика равновесных процессов. Второй закон термодинамики.
Энтропия. Соотношение Гиббса. Термодинамические потенциалы.
5.4. Морская
Параметры
вода
состояния
как
двухкомпонентная
морской
воды.
термодинамическая
Температура.
Давление.
система.
Соленость.
Химический потенциал. Соотношение Гиббса с учетом массообмена с окружающей
средой.
5.5. Плотность. Удельный объем. Уравнение состояния морской воды.
Коэффициенты термического расширения, соленостного сжатия, сжимаемости. T,S –
диаграмма.
5.6. Адиабатический градиент температуры. Потенциальная температура.
Потенциальная плотность. Теплоемкость морской воды. Скорость звука.
5.7. Термодинамика необратимых процессов. Локальное термодинамическое
равновесие. Уравнение неразрывности. Уравнения переноса тепла и соли. Связь
потоков тепла и соли с градиентами температуры и солености.
6. ОБЩАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ МИРОВОГО ОКЕАНА
6.1. Общая циркуляция Мирового океана. Субтропический круговорот,
субполярный круговорот. Зональные течения, интенсивные меридиональные
пограничные течения.
6.2. Синоптические вихри в океане. Фронтальные вихри, образующиеся
вследствие меандрирования струйных течений типа Гольфстрим.
23
6.3. Уравнения гидродинамики океана - уравнения движения, неразрывности,
диффузии тепла и соли. Уравнения в системе координат вращающейся вместе с
Землей. Сила Кориолиса. Граничные условия на поверхности океана, дне, боковых
(твердых и жидких) границах.
6.4. Приближения
Буссинеска,
несжимаемости,
гидростатики.
Геострофические соотношения. Локальная система координат. Понятие о β (бета) –
плоскости. Параметризация горизонтальной и вертикальной турбулентной вязкости
и диффузии тепла и соли.
6.5. Геострофические градиентные течения. Динамический метод расчета
морских течений.
6.6. Классическая экмановская теория установившихся ветровых течений в
однородном море. Сведение трехмерной задачи к решению двумерного уравнения
для уровня или для интегральной функции тока.
6.7. Приближения мелкого и глубокого моря. Вертикальная структура течений.
Вязкие пограничные слои у поверхности и дна моря. Чисто дрейфовое течение.
Спираль Экмана. Параметр Экмана.
6.8. Неравномерность ветра как причина горизонтальной циркуляции в океане.
Основные положения теории межпассатных противотечений.
6.9. Теория западной интенсификации течений. Модели Гольфстрима (модели
Стоммела, Манка). Соотношение Свердрупа, β (бета) – эффект.
7. ПЕРЕМЕШИВАНИЕ И ТУРБУЛЕНТНОСТЬ
7.1. Молекулярная вязкость. Возникновение турбулентности. Закон подобия и
критерий Рейнольдса. Турбулентные напряжения Рейнольдса.
7.2. Турбулентная
Рейнольдса.
диффузия
Градиентная
тепла
гипотеза,
и
примесей.
коэффициенты
Правила
турбулентной
осреднения
диффузии.
Уравнения переноса тепла и примесей.
7.3. Основные типы движений в верхнем квазиоднородном слое океана.
Механизмы генерации турбулентности и вертикальный обмен при конвекции.
24
7.4. Механизмы
вертикального
стратифицированных
бассейнах.
турбулентного
обмена
Формирование
в
естественных
тонкой
структуры
и
микроструктуры гидрофизических полей.
7.5. Горизонтальная турбулентная диффузия тепла и примесей в естественных
бассейнах,
физические
турбулентной
диффузии
механизмы.
примеси
Постановка
и
задачи
характерные
о
горизонтальной
особенности
решения.
Коэффициенты диффузии, закон 4/3.
7.6. Конвекция от нагретых (охлажденных) поверхностей. Число Рэлея.
Границы устойчивости (линейный подход).
7.7. Неустойчивость
неустойчивости
и
генерация
стратифицированного
турбулентности
потока.
за
Двухслойное
счет
и
сдвиговой
непрерывное
вертикальное распределение характеристик потока. Критерий Ричардсона. Границы
устойчивости (линейный подход).
7.8. Конвекция, обусловленная «двойной диффузией»: солевые пальцы. Тип
стратификации.
Критерий
гидростатической
устойчивости.
Механизм
неустойчивости и характер конвективных движений.
7.9. Конвекция, обусловленная «двойной диффузией»: диффузионный режим
(послойная
конвекция).
Тип
стратификации.
Критерий
гидростатической
устойчивости. Механизм неустойчивости и характер конвективных движений.
8. ВОЛНОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ В ОКЕАНЕ
8.1. Типы волн. Классификация волн по возбуждающим силам, характеру
движения формы, вертикальной структуре. Основные элементы волн. Волны на
глубокой и мелкой воде - упрощающие аппроксимации.
8.2. Уравнения теории поверхностных гравитационных волн. Потенциальность
волн. Интеграл Бернулли. Граничные условия.
8.3. Теория волн малой амплитуды. Дисперсионное соотношение. Компоненты
скорости
и давление в прогрессивной и стоячей волне. Траектории движения
жидких частиц.
25
8.4. Определения коротких и длинных гравитационных волн. Основные
допущения теории длинных волн. Уравнения длинных волн.
8.5. Кинетическая и потенциальная энергия волн. Поток энергии и групповая
скорость.
8.6. Ветровые волны. Зарождение и развитие, волнообразующие факторы. Средние
характеристики, обеспеченность и функции распределения. Спектральное представление
ветровых волн.
8.7. Ветровые
волны
и
зыбь.
Связь
спектра
ветровых
волн
с
волнообразующими факторами. Трансформация волн при подходе к берегу.
8.8. Приливы.
Основные
понятия.
Наблюдения
приливов.
Приливообразующие силы. Потенциал приливообразующей силы.
8.9. Статическая теория приливов. Формирование статического прилива.
Влияние Солнца на статический прилив. Неравенства статического прилива.
8.10. Динамическая теория приливов. Влияние трения на приливные явления.
Гармонические составляющие приливов.
8.11. Сейши. Механизм образования сейш. Основные элементы сейшевых
колебаний. Периоды сейшевых колебаний. Траектории движения жидких частиц.
8.12. Цунами.
Причины
возникновения.
Скорость
распространения.
Трансформация элементов цунами при подходе к берегу.
8.13. Анемобарические
волны.
Характеристика
явления.
Механизм
формирования. Методы расчета и прогноза.
8.14. Инерционные
(гироскопические)
волны.
Причина
возникновения.
Уравнения для волн в однородном жидком слое. Дисперсионное соотношение,
групповая скорость и вертикальная структура гироскопических волн.
8.15. Внутренние
волны.
Определение
внутренних
волн.
Условия
их
существования. Вертикальная структура внутренних волн. Методы обнаружения.
8.16. Уравнение для вертикальной составляющей скорости внутренних волн в
стратифицированном океане. Приближения Буссинеска и твердой крышки.
Дисперсионные кривые и собственные моды внутренних волн.
8.17. Внутренние
волны
при
двухслойной
стратификации
океана.
26
Дисперсионное соотношение и вертикальная структура собственных мод.
9. ОПТИКА И АКУСТИКА ОКЕАНА
9.1. Первичные оптические характеристики: показатели поглощения, рассеяния,
ослабления, индикатриса рассеяния (определения, единицы измерения). Закон Бугера
ослабления света.
9.2. Оптически
растворенные
активные
органические
компоненты
и
морской
минеральные
воды:
вещества,
чистая
взвесь
вода,
(краткая
характеристика).
9.3. Поглощение света чистой водой, чистой океанской водой, желтым
веществом, фитопланктоном (особенности спектрального распределения).
9.4. Два вида рассеяния света в океанской воде: а) молекулярное, б) на
взвешенных частицах. Особенности их индикатрис рассеяния и спектральной
изменчивости. Параметр, определяющий характер рассеяния света на частицах.
9.5. Ослабление света океанской водой. Факторы, влияющие на форму
спектрального распределения показателя ослабления света.
9.6. Характеристики светового поля в океане: подводная облученность,
показатель вертикального ослабления облученности, коэффициент диффузного
отражения, коэффициент яркости толщи океанских вод, индекс цвета воды, глубина
видимости белого диска, цвет океанских вод (определения, единицы измерения).
9.7. Уравнение
переноса
излучения
в
океане.
Метод
двухпотокового
приближения решения уравнения переноса излучения.
9.8. Изменение спектрального состава солнечного света с глубиной; основные
факторы, влияющие на этот процесс. Оптическая классификация вод: а) по
спектральному распределению показателя вертикального ослабления, б) по величине
индекса цвета.
9.9. Цвет океанских вод; факторы, влияющие на видимый цвет воды.
Визуальный и колориметрический методы определения цвета воды.
9.10. Акустические волны. Компоненты скорости и давление в акустической
27
волне в жидкости. Скорость звука, ее связь с характеристиками среды, формулы
Ньютона и Лапласа. Зависимость коэффициента поглощения акустического
излучения в воде от его частоты.
9.11. Распространение звука в океане. Рефракция звуковых волн. Подводный и
приповерхностный
звуковые
каналы.
Факторы,
влияющие
на
затухание
акустических волн с расстоянием.
10. ХИМИЧЕСКАЯ ОКЕАНОГРАФИЯ
10.1. Основные компоненты солевого состава морской воды. Закономерности
распределения солености в океанах. Особенности гидрохимической структуры
поверхностной, промежуточной и придонной водных масс. Колебания солености.
10.2. Химический состав морской воды и химическое равновесие в морях и
океанах.
10.3. Растворенные в морской воде газы и их источники.
10.4. Макро и микрокомпоненты морской воды. Биогенные элементы.
Эвтрофикация водоемов. Органическое вещество (ОВ) в океанах и морях.
Особенности деструкции ОВ в водных экосистемах.
10.5. Основные типы вод суши и моря. Различные принципы классификации
природных вод по химическим свойствам. Основные и региональные особенности и
процессы формирования гидрохимической структуры вод морей и океанов.
10.6. Понятие о геохимических барьерах в морской воде и биогеохимические
процессы на морских поверхностях раздела.
10.7. Понятие о радиоактивности вод морей и океанов. Естественная и искусственная радиоактивность. Стабильные и радиоактивные изотопы в водах океана.
10.8. Загрязняющие вещества в водах морей и океанов их природа и источники, пути поступления. Трансформация и перенос загрязняющих веществ в морях и
океанах. Понятие о критических зонах в морях и океанах.
10.9. Виды гидрохимических исследований и наблюдений. Нормирование
качества вод. Предельно допустимые концентрации. Сеть службы гидрохимических
28
наблюдений.
10.10. Классификация факторов, формирующих гидрохимический состав
природных вод: основные и второстепенные, прямые и косвенные.
10.11. Особенности биогеохимических процессов, протекающих в Черном
море.
Черноморский
сероводород:
источники,
баланс
и
бюджет
микробиологическая и химическая утилизация. Геохимия метана в Черном море.
11. ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, МОНИТОРИНГ
11.1. Дистанционные методы (самолетно-вертолетные, спутниковые). Бортовая
аппаратура, ее назначение. ИК-радиометры, СВЧ, локаторы бокового обзора. Визуальные
наблюдения с борта летающих аппаратов.
11.2. Дистанционные наблюдения в интересах океанологии, метеорологии,
геологии, изучения природных ресурсов океана, охраны природной среды океана,
геодезии и картографии.
11.3. Основы
спутниковых
методов
исследования
океана.
Спутниковое
обеспечение мореплавания и связи.
ЛИТЕРАТУРА
Взаимодействие атмосферы и океана
1.
Океанология, т. 1. Гидрофизика океана. Под ред. Каменковича В.М., Мо-
нина А.С. М.: Наука, 1978. – 456 с.
2.
Гилл А. Динамика атмосфера и океана. М., Изд. Мир. 1986г. т.1-2
Дополнительная литература
1.
Пирри А., Уокер Дж. Система океан-атмосфера. -Л.: Гидрометеоиздат,
1979. –196 с.
2.
Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Радиационные тепло- и водобалансовые
режимы океанов. Климат и изменчивость. –Сев.: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2004. -265с.
29
Термодинамика океана
1.
Каменкович В.М. Основы динамики океана. Л., Гидрометеоиздат. 1973г.
2.
Океанология. Физика океана. Т.1. Гидрофизика океана. М. Наука. 1979г.
3.
Гилл А. Динамика атмосфера и океана. М., Т.1. М. Мир. 1986г.
4.
Архипкин В.С., Добролюбов С.А. Основы термодинамики морской во-
ды. М. Диалог-МГУ. 1998г.
5.
Архипкин В.С., Добролюбов С.А. Физические свойства морской воды.
М. МАКС Пресс. 2005г.
6.
Мамаев О.И. Термохалинный анализ вод Мирового океана. Л., Гидроме-
теоиздат, 1987г.
Крупномасштабная циркуляция океана
1.
Каменкович В.М. Основы динамики океана. Л., Гидрометеоиздат. 1973г.
2.
Океанология. Физика океана. Т.1. Гидрофизика
океана. Изд. Наука.
1979г.
3.
Океанология. Физика океана. Т.2. Гидродинамика океана. Изд. Наука.
1979г.
4.
Фельзенбаум А.И. Теоретические основы и методы расчета установив-
шихся морских течений. Изд. АН СССР. 1960г.
Дополнительная литература.
1.
Гилл А. Динамика атмосфера и океана. М., Изд. Мир. 1986г. т.1-2
2.
Каменкович В.М., Кошляков М.Н., Монин А.С. Синоптические вихри в
океане.
Л., Гидрометеоиздат. 1982г.
3.
Педлоски Дж. Геофизическая гидродинамика. М., Изд. Мир. 1984г.
Перемешивание и турбулентность
1.
Монин А.С., Озмидов Р.В. Океанская турбулентность. Л.: Гидрометеоиз-
дат, 1981.
2.
Озмидов Р.В. Диффузия примесей в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. –
3.
Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкостях. М.: Мир, 1977. – 431 с.
280 с.
30
4.
Мамаев О.И.
Физическая океанография. Избранные труды. М. Изд.
ВНИРО, 2000.-358с. - Лекционный курс «Морская турбулентность (Перемешивание
вод мирового океана)».
5.
Федоров К.Н., Гинзбург А.И. Приповерхностный слой океана. Л.: Гид-
рометеоиздат, 1988. – 304 с.
Дополнительная литература
6.
Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика, механика тур-
булентности М.: «Наука», 1965. – 639 с.
7.
Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. Л.: Гид-
рометеоиздат, 1985. – 519с.
8.
Океанология, т. 1. Гидрофизика океана. Под ред. Каменковича В.М., Мо-
нина А.С. М.: Наука, 1978. – 456 с.
9.
Федоров К.Н. Тонкая термохалинная структура вод океана. Л.: Гидроме-
теоиздат, 1976. – 184 с.
10.
Филлипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. Л.: Гидрометеоиздат,
1980. – 319 с.
Волны и приливы
1.
Доронин Ю.П. Динамика океана. Л., Гидрометеоиздат, 1980, 304с.
2.
Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидродинамика, 1963,
т.1 (Глава 8, Волновые движения идеальной жидкости)
3.
Ле Блон Н., Майсек Л. Волны в океане. Т1-2, М., Мир, 1981
Дополнительная литература
4.
Океанология. Физика океана. Т.2. Гидродинамика океана. Изд. Наука.
1979г.
5.
Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. Л.: Гид-
рометеоиздат, 1985. – 519с.
6.
Черкесов Л.В. Основы динамики несжимаемой жидкости. Киев, Наукова
думка, 1984, 167с.
7.
Филлипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. Л.: Гидрометеоиздат,
1980. – 319 с.
31
Оптика и акустика
1.
Маньковский В.И. Основы оптики океана. (Методическое пособие) //
Изд. МГИ НАНУ, Севастополь, 1996.
2.
Оптика океана. Том1. Физическая оптика океана. Том 2. Прикладная оп-
тика океана // М., Наука, 1983.
3.
Доронин Ю.П. Физика океана. (Глава 17. Оптика океана; Глава 18. Аку-
стика океана) // Л., Гидрометеоиздат, 1978.
4.
Иванов А. Введение в океанографию. (Глава 15. Оптические свойства
морской воды; Глава 16. Проникновение солнечного света в океан; Глава 17. Акустические свойства морской воды) // М., "МИР", 1978.