25.00.29

Министерство образования и науки РФ
ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный педагогический университет»
Программа
кандидатского экзамена
по специальности 25.00.29 - «физика атмосферы и гидросферы»
УТВЕРЖДЕНА
На заседании Ученого совета НГПУ
(протокол № 2 от 28.10.2011 г.)
Председатель Ученого совета НГПУ
Л.Е.Шапошников
« » __________________ 2011 г.
Программа кандидатского экзамена по специальности 25.00.29 - «физика
атмосферы и гидросферы»
по физико-математическим наукам
Введение
Программа – минимум кандидатского экзамена предназначена для экзамена
по специальности 25.00.29 - «физика атмосферы и гидросферы». В ней
приведены вопросы, касающиеся экспериментального и теоретического
изучения феноменологии и физики процессов, происходящих в средней и
верхней атмосфере Земли от стратосферы до экзосферы, а также в ионосфере
и магнитосфере. Значительное внимание уделено вопросам взаимодействия
солнечного ветра с околоземным космическим пространством. Основу
материала включенного в вопросы экзамена составляют ключевые
положения следующих дисциплин: разделы экспериментальной и
теоретической физики, физическая и химическая аэрономия, основы
гидромагнитной динамики и оптики, гидрология суши, метеорология,
климатология,
океанология,
математическое
моделирование
фундаментальных физических явлений, физика плазмы, радиофизика,
теория взаимодействия ионизированного вещества с электромагнитными
полями.
Часть I – Основная
1. Система уравнений, описывающих динамику атмосферы.
Вертикальная структура основных термодинамических параметров
атмосферы. Гидростатическое равновесие. Радиационное равновесие.
Парниковый эффект. Адиабатические вертикальные градиенты температур.
Термодинамическая устойчивость. Конвекция. Движения атмосферы
планетарного масштаба. Система уравнений, описывающих движения
планетарного масштаба. Геострофические движения. Геострофический и
градиентный ветры. Термический ветер. Фронты. Струйные течения.
Приливы. Меридиональная циркуляция (ячейка Гадлея). Планетарные волны
(волны Россби). Описание с помощью “сферических” мод. Движения
синоптических масштабов. Бароклинная неустойчивость. Баротропная
неустойчивость. Вихри (циклоны и антициклоны) в атмосфере. Роль
синоптических движений в глобальной циркуляции атмосферы. Внутренние
гравитационные волны. Турбулентность. Турбулентный перенос. Основные
источники и характеристики. Критический слой. Общее представление о
теории турбулентности Колмогорова-Обухова. Природа и описание
атмосферной турбулентности. Полуэмпирический подход к описанию
турбулентности. Коэффициенты турбулентного переноса атмосфере Земли.
2. Радиационный перенос, малые химические составляющие, озоновый слой.
Уравнение переноса излучения. Законы Кирхгофа. Модели радиационного
равновесия атмосферы. Ослабление (поглощение и рассеяние) солнечного
излучения. Основные линии поглощения малых составляющих в оптическом
и
микроволновом
диапазонах.
Тепловые
эффекты
излучения.
Фотохимические эффекты излучения. Основные малые составляющие и их
роль в формировании структуры атмосферы. Модель Чепмена формирования
озонного слоя. Антропогенные факторы, влияющие на состояние слоя.
Основные причины возникновения “озонных дыр” в полярной нижней
стратосфере в зимне-весенний период.
3. Облака и осадки. Аэрозоли. Микрофизика формирования частиц облаков.
Равновесное давление пара над каплями растворов. Механизмы роста капель
(конденсация, коагуляция броуновская и гравитационная). Рост ледяных
кристаллов. Образование осадков. Классификация облаков и осадков.
Распределение осадков на земном шаре. Источники аэрозольной компоненты
земной атмосферы. Распределение аэрозоля по высоте. Скорость оседания
аэрозоля. Слои аэрозоля в атмосфере. Распределение частиц аэрозоля по
размерам. Эффекты рассеяния и поглощения света атмосферным аэрозолем.
4. Атмосферное электричество. Глобальная электрическая цепь.
Происхождение и распределение ионов, проводимость. Профиль
напряженности электрического поля в атмосфере. Генераторы атмосферного
электричества. Грозовое электричество. Механизм электризации облачных
частиц. Электрические разряды (молния). Влияние разрядов на концентрации
малых составляющих.
5. Ионосфера, D, E, F области, их происхождение. Источники ионизации.
Распределение электронной концентрации по высоте в среднеширотной
ионосфере. Основные высотные области (слои) ионосферы. Изменение
ионного состава с высотой. Эффективный коэффициент рекомбинации.
Ионный состав. Влияние ионосферы на распространение радиоволн:
Ленгмюровская частота; Электромагнитные волны в изотропной плазме;
Обыкновенные и необыкновенные нормальные волны в магнитоактивной
плазме (показатели преломления и поляризация при продольном и
поперечном распространении); Точки отражения и резонансы; Свистящие
атмосферики. Поглощение радиоволн. Частота столкновений электронов.
Распространение радиоволн в ионосфере. Рефракция радиоволн.
Среднеширотный ионосферный провал, его природа. Провал легких ионов,
плазмосфера и плазмопауза. Заполнение внешней плазмосферы тепловой
плазмой. Полярный ветер. Нагрев внешней плазмосферы. Стабильные
красные дуги.
6. Экспериментальное
методами.
исследование
атмосферы
радиофизическими
Физические механизмы, лежащие в основе современных дистанционных
методов. Наземные, зондовые, баллонные, самолетные и спутниковые
методы наблюдения. Исследования параметров атмосферы с помощью
естественных внешних источников излучения (“на просвет”). Исследование
атмосферы активными методами в оптическом и микроволновом диапазонах.
Собственное излучение атмосферы и методы исследования, основанные на
его регистрации.
7. Гидросферные течения.
Силы, вызывающие течения. Сила Кориолиса. Основные методы расчета
течений в океане. Экмановские пограничные слои. Дрейфовые течения.
Сгоны и нагоны. Основные течения в океане (Гольфстрим, Куросио,
экваториальное противотечение). Динамика русловых потоков.
8. Волны.
Основные механизмы генерации ветровых волн. Статистическое описание
взволнованной поверхности. Развитое волнение. Автомодельные спектры и
распределения вероятностей ветрового волнения. Спектральные методы
расчета ветровых волн. Обрушение волн и насыщение спектра.
Трансформация ветровых волн на мелководье и течениях. Ветровая рябь.
Зыбь. Индуцированные течения в приповерхностном слое.
9. Внутренние волны.
Внутренние волны на границе двух сред. Внутренние волны в океане с
непрерывной стратификацией. Элементы нелинейной теории внутренних
волн. Взаимодействие внутренних волн с течениями в океане. Генерация
внутреннего прилива при трансформации баротропного прилива на
континентальном шельфе. Механизмы генерации и диссипации
мелкомасштабных внутренних волн. Взаимодействие внутренних волн с
ветровым волнением (кинематический, пленочный и каскадный механизмы).
10. Длинные волны в океане.
Теория мелкой воды. Приливы в океане, механизмы их генерации. Цунами.
Топографический захват волновой энергии (волны Кельвина, Пуанкаре и др.)
и частотные свойства шельфа. Резонансные колебания в бухтах и гаванях
(сейши, тягуны). Накат длинных волн на берег. Наводнения.
Основная литература
1. Акустика океана. Под ред. Дж. Де Санто. М. Мир. 1982.
2. Л.А.Апресян, Ю.А.Кравцов. Теория переноса излучения. М.: Наука,1983.
3. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной
поверхности. М. Наука. 1972.
4. Бауэр З. Физика планетных ионосфер. М.: Мир, 1976.
5. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. Л.:
Гидрометеоиздат, 1987
6. Гилл А. Динамика атмосферы и океана. М: Мир, 1981
7. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере. М.: Мир, 1978
8. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных
от морской поверхности. М. Сов. Радио. 1968.
9. Иванов А. Введение в океанографию / Пер. с франц. М.: Мир, 1978. 574 с.
10. А. Исимару. Распространение и рассеяние
волн
в
случайно
неоднородных средах. М.: Мир,1981.
11. Исакович М.А. Общая акустика. М. Наука, 1973.
12. Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография. М. Мир. 1980.
13. Лазерный контроль атмосферы, под ред. Хинкли Э.Д. -М.: Мир, 1979.
14. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М. Наука, 1986.
15. Лихтер Я.И., А.В. Гульельми, Л.М. Ерухимов, Г.А.Михайлова. Волновая
диагностика приземной плазмы, М.: Наука, 1988.
16. Лайонс Л., Уильямс Д. Физика Магнитосферы. Количественный подход.
М.: Мир, 1987.
17. Ле Блон П., Майсек Л. Волны в океане. Т.1-2. М. Мир, 1981.
18. Миропольский Ю.З. Динамика внутренних волн в океане. Л.
Гидрометеоиздат, 1981 г.
19. Мучник В.М. Физика грозы. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.
20. Монин А.С. Теоретические основы геофизической гидродинамики. Л.:
Гидрометеоиздат, 1988
21. Монин А.С., Озмидов Р.З.
Океанская турбулентность, Л.
Гидрометеоиздат, 1981 г
22. Озмидов Р.З. Диффузия примесей в океане, Л. Гидрометеоиздат, 1981 г
23. Океанология, Физика океана, Том 1-2 под ред. В.М. Каменковича и А.С.
Монина. М., Наука, 1978 г.
24. Распространение звука во флуктуирующем океане. Под ред. С. Флатте. М.
Мир. 1982.
25. Редерер Х. Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем. М.:
Мир,1972.
26. Уиттен Р., Попов И. Основы аэрономии. Л.: Гидрометеоиздат, 1977
27. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. Перевод с англ. Под ред. Е.Л.
Шендерова. Л. Судостроение. 1978
28. Филлипс О.М. Динамика верхнего слоя океана, Л. Гидрометеоиздат, 1980
г.
29. Флигль Р., Бузингер Дж. Введение в физику атмосферы. -М.: Мир, 1965.
30. Хргиан Д.Х. Физика атмосферы. Изд. 2. т.1, 2 -Л.: Гидрометеоиздат,
31. Чалмерс Дж. Атмосферное электричество. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.
32. Чемберлен Дж. Теория планетных атмосфер. М.: Мир, 1981
33. Холтон Дж. Р., Динамическая метеорология стратосферы и мезосферы.
Л.: Гидрометеоиздат, 1979
34. Юман М., Молния, М.: Мир, 1972.
Дополнительная литература
1. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская Л.В. Динамические модели
свободной атмосферы. Новосибирск: Наука, 1987.
2. Крупномасштабные динамические процессы в атмосфере. Под ред. Б.
Хоскинса, Р. Пирса, М.: Мир, 1988.
3. Лоренц Э.Н. Природа и теория общей циркуляции атмосферы. Л.:
Гидрометеоиздат, 1979.
4. Мак-Ивен М., Филлипс Л., Химия атмосферы. М.: Мир, 1978.
5. Мазин И.П., Шметер С.М. Облака (строение и физика образования). Л.:
Гидрометеоиздат, 1983.
6. Маров М.Я., Колесниченко А.В., Введение в планетную аэрономию, М.:
Наука, 1987.
7. Педлоски Дж. Геофизическая гидродинамика. М.: Мир. 1984. т.т. 1,2.
8. Райст П. Аэрозоли. М.: Мир, 1987.
9. Турбулентность (принципы и применения). Под ред. У. Фроста, Т.
Моулдена, М.: Мир, 1980.
Часть II – Дополнительная
1. Межпланетная среда.
Теория Паркера. Солнечный ветер, его состав, скорость, температура,
плотность. Понятие о его распределении по гелио-широте. Межпланетное
магнитное поле, спираль Паркера. Высокоскоростные потоки плазмы и
корональные дыры. «Магнитные облака» в солнечном ветре. Секторная
структура межпланетного магнитного поля вблизи плоскости эклиптики и
гелиосферный токовый слой. Ударные волны и разрывы в солнечном ветре.
Распространение солнечных космических лучей в межпланетном
пространстве. Граница гелиосферы.
2. Взаимодействие магнитосферы Земли с солнечным ветром.
Бесстолкновительная ударная волна. Переходная область (Магнитослой).
Структура магнитосферы. Магнитопауза. Полярные каспы. Геомагнитный
хвост. Плазменный слой и крупномасштабный электрический ток хвоста.
Размеры магнитосферы и хвоста. Зона устойчивого захвата энергичных
частиц (пояса радиации). Понятие о моделях крупномасштабного магнитного
и электрического поля в магнитосфере Земли.
3. Крупномасштабные электрические поля в магнитосфере и конвекция
плазмы.
Понятие о механизмах генерации электрического поля. Дрейф горячей
плазмы плазменного слоя к Земле, адиабатическое ускорение частиц.
Крупномасштабные трехмерные электрические токи в магнитосфере, их
замыкание через проводящую ионосферу.
4. Радиационные пояса Земли.
Распределение интенсивности захваченных в геомагнитную ловушку
зараженных частиц. Понятие о дрейфовой оболочке (L-оболочке),
инвариантных координатах. Нарушение адиабатических инвариантов и
диффузия захваченных частиц в магнитосфере поперек L-оболочек, по питчуглам. Механизмы наполнения и утечки энергичных частиц радиационных
поясов. Энергетические спектры захваченных частиц, массовый и зарядовый
состав энергичных ионов. Суммарная энергия захваченных частиц и штормтайм вариация геомагнитного поля (Dst - вариация). Понятие о радиационной
опасности для аппаратуры в поясе радиации.
5. Магнитосферная суббуря и магнитная буря.
Формы проявления и фазы магнитосферной суббури. Инжекция энергичных
частиц во внутреннюю магнитосферу и формирование пояса кольцевого
тока, механизмы его распада.
6. Полярные сияния.
Основные морфологические формы дискретных полярных сияний. Понятие о
механизмах ускорения в спокойных однородных и в активных лучистых
дискретных формах полярных сияний. Структура энергетических спектров и
угловых распределений высыпающихся частиц в авроральном овале и в
диффузной авроральной зоне. Полярные сияния как отображение процессов
нагрева, ускорения и рассеяние частиц в горячей плазмы в магнитосфере.
Носители восходящих и нисходящих продольных токов, роль продольного
электрического поля. Понятие о связи полярных сияний с основными
магнитосферными структурами – плазменным слоем, каспом. Понятие о
генерации продольных токов в магнитосфере и ионосфере.
Литература
1. Акасофу С., Чепмен С. Солнечно-земная физика. М.: Мир, 1974.
2. Акасофу С. Полярный и магнитосферные суббури. М.: Мир, 1971.
3. Брандт Дж. Солнечный ветер. М.: Мир, 1972.
4. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.:
Наука, 1967 .
5. Ионосферно–магнитные возмущения на высоких широтах. Под ред. О.А.
Трошичева и др. Л.:Гидрометеоиздат, 1986.
6. Космическая геофизика. Под ред. А. Эгеленда, О.Хольтера и О. Охмольта.
М.: Мир, 1976.
7. Красицкий В.П., Монин А.С. Волны на поверхности океана Л.
Гидрометеоиздат, 1985 г.
8. Кринберг И.А., Тащилин А.В. Ионосфера и плазмосфера., М.: Наука, 1984.
9. Хесс В. Радиационный пояс и магнитосфера земли. М.: Атомиздат,1971.
10. Хундхаузен А. Дж. Расширение короны и солнечный ветер.М.: Мир,
1976.
Вопросы к вступительным экзаменам в аспирантуру
специальности 25.00.29 - «физика атмосферы и гидросферы»
по
1. Вертикальная структура основных термодинамических параметров
атмосферы. Гидростатическое равновесие.
2. Радиационное равновесие. Парниковый эффект. Адиабатические
вертикальные градиенты температур. Термодинамическая устойчивость.
3. Происхождение и распределение ионов, проводимость. Профиль
напряженности электрического поля в атмосфере.
4. Распределение электронной концентрации по высоте в среднеширотной
ионосфере. Основные высотные области (слои) ионосферы.
5. Изменение ионного состава с высотой.
6. Влияние ионосферы на распространение радиоволн: ленгмюровская
частота.
7. Электромагнитные волны в изотропной плазме: обыкновенные и
необыкновенные нормальные волны в магнитоактивной плазме
8. Силы, вызывающие течения. Сила Кориолиса.
9. Солнечный ветер, его состав, скорость, температура, плотность.
10. Высокоскоростные потоки плазмы в солнечном ветре.
11. Структура магнитосферы. Магнитопауза. Полярные каспы.
Геомагнитный хвост.
12. Понятие о механизмах генерации электрического поля.
13. Крупномасштабные трехмерные электрические токи в магнитосфере, их
замыкание через проводящую ионосферу.
14. Распределение интенсивности захваченных в геомагнитную ловушку
зараженных частиц. Понятие о дрейфовой оболочке (L-оболочке),
инвариантных координатах.
15. Суммарная энергия захваченных частиц и шторм-тайм вариация
геомагнитного поля (Dst - вариация).
16. Магнитосферная суббуря и магнитная буря. Формы проявления и фазы
магнитосферной суббури.
17. Основные морфологические формы дискретных полярных сияний.
Экзаменационные билеты для кандидатского минимума
специальности 25.00.29 - «физика атмосферы и гидросферы»
по
БИЛЕТ 1
1. Вертикальная структура основных термодинамических параметров
атмосферы. Гидростатическое равновесие.
2. Влияние ионосферы на распространение радиоволн: ленгмюровская
частота.
БИЛЕТ 2
1. Радиационное равновесие. Парниковый эффект. Адиабатические
вертикальные градиенты температур. Термодинамическая устойчивость.
2. Электромагнитные волны в изотропной плазме: обыкновенные и
необыкновенные нормальные волны в магнитоактивной плазме (показатели
преломления и поляризация при продольном и поперечном распространении)
БИЛЕТ 3
1. Внутренние гравитационные волны.
2. Физические механизмы, лежащие в основе современных дистанционных
радиофизических методов.
БИЛЕТ 4
1. Турбулентность. Турбулентный перенос. Общее представление о теории
турбулентности Колмогорова-Обухова.
2. Теория Паркера. Солнечный ветер, его состав, скорость, температура,
плотность.
БИЛЕТ 5
1. Уравнение переноса излучения. Законы Кирхгофа. Модели радиационного
равновесия атмосферы.
2. Высокоскоростные потоки плазмы и корональные дыры. «Магнитные
облака» в солнечном ветре.
БИЛЕТ 6
1. Происхождение и распределение ионов, проводимость. Профиль
напряженности электрического поля в атмосфере. Генераторы атмосферного
электричества.
2. Бесстолкновительная ударная волна. Переходная область (Магнитослой).
Структура магнитосферы. Магнитопауза. Полярные каспы. Геомагнитный
хвост.
БИЛЕТ 7
1. Распределение электронной концентрации по высоте в среднеширотной
ионосфере. Основные высотные области (слои) ионосферы.
2. Понятие о механизмах генерации электрического поля. Дрейф горячей
плазмы плазменного слоя к Земле, адиабатическое ускорение частиц.
БИЛЕТ 8
1. Изменение ионного состава с высотой. Эффективный коэффициент
рекомбинации. Ионный состав.
2. Крупномасштабные трехмерные электрические токи в магнитосфере, их
замыкание через проводящую ионосферу.
БИЛЕТ 9
1. Силы, вызывающие течения. Сила Кориолиса.
2. Распределение интенсивности захваченных в геомагнитную ловушку
зараженных частиц. Понятие о дрейфовой оболочке (L-оболочке),
инвариантных координатах.
БИЛЕТ 10
1. Основные механизмы генерации ветровых волн.
2. Суммарная энергия захваченных частиц и шторм-тайм вариация
геомагнитного поля (Dst - вариация).
БИЛЕТ 11
1. Внутренние волны на границе двух сред.
2. Магнитосферная суббуря и магнитная буря. Формы проявления и фазы
магнитосферной суббури.
БИЛЕТ 12
1. Длинные волны в океане. Теория мелкой воды.
2. Основные морфологические формы дискретных полярных сияний.
Понятие о механизмах ускорения в спокойных однородных и в активных
лучистых дискретных формах полярных сияний.