Кандидатский экзамен по &quot

Программа кандидатского экзамена
по специальности 25.00.29 "Физика атмосферы и гидросферы"
ВВЕДЕНИЕ
Предмет физики атмосферы, ее подразделение. Место физики атмосферы в системе наук
о Земле. Метеорологические службы. Практическое значение физики атмосферы.
Взаимодействие физики атмосферы и наук о космосе.
ЧАСТЬ I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
1. Основные уравнения гидродинамики. Уравнение Эйлера и Навье-Стокса. Понятие
объемной и сдвигаемой вязкости. Понятие молекулярной и турбулентной теплопроводности.
2. Турбулентность. Масштабы турбулентности. Изотропная и неизотропная
турбулентность. Турбулентность в вязком и инерционном диапазонах. Возникновение и
развитие турбулентности. Турбулентный перенос массы, импульса и энергии. Роль
пограничных слоев и формирование турбулентности.
3. Волны. Понятие о волновых процессах. Физические условия возникновения волн.
Типы волновых процессов. Понятие частоты Бренга-Вейсяля. Вертикальные и
горизонтальные волновые числа. Дисперсия волн. Затухание волн, отражение и преломление.
Взаимодействие волн с потоком. Насыщенные и ненасыщенные волны.
4. Радиационные процессы. Теория теплового излучения. Закон Планка и предельные
случаи. Понятие абсолютно черного и серого тела. Закон Кирхгоффа. Распространение
радиации. Отражение, поглощение и рассеяние света. Солнце – как источник света.
Спектральный состав излучения Солнца. Распространение света. Поглощение, отражение.
Коэффициенты поглощения диссоциации и ионизации. Рефракция. Релеевское и нерелеевское
рассеяние. Дифракция и интерференция. Поляризация света.
5. Атомная физика и электричество. Строение материи. Постоянная Планка. Квант
энергии. Энергетические переходы. Основные квантовые числа. Понятие волновой функции.
Основные законы электродинамики. Уравнение Максвелла.
6. Некоторые понятия из термодинамики и статистической физики. Законы
термодинамики. Равновесность и неравновесность. Основные термодинамические функции и
величины. Статистический ансамбль. Уравнение Гиббса. Распределение МаксвеллаБольцмана и понятие о методах его решения.
ЧАСТЬ II. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ
1. Характеристики атмосферы на разных высотах. Химический состав атмосферы и его
зависимость от высоты. Распределение с высотой температуры, плотности, давления,
влажности. Классификация различных слоев
атмосферы (тропосфера, стратосфера,
мезосфера, термосфера).
2. Термодинамика и динамика атмосферы. Сухо- и влажно адиабатические процессы.
Термодинамическая устойчивость. Энергия неустойчивости. Баротропная и бароклинная
неустойчивость. Термические и динамические параметры, определяющие степень
устойчивости атмосферы. Фазовые переходы воды. Конденсационные процессы и ядра
конденсации. Образование облаков и туманов, макро-, мезо- и микроструктура облаков.
Влияние облаков на погоду и климат. Активные воздействия на облака и осадки.
Уравнение движения атмосферы на вращающейся Земле. Теорема Бъеркенса.
Уравнение притока тепла и полная система уравнений движения атмосферы.
Геострофический ветер. Сила Кариолиса. Приближенный учет сил трения и поворот
ветра с высотой. Термический ветер. Бароклинные зоны. Фронты в атмосфере. Циклоны и
антициклоны. Струйные течения. Понятие об общей циркуляции атмосферы. Внутренние
гравитационные волны. Волны Россби-Блиновой.
2
3. Турбулентность атмосферы. Понятие о турбулентности и ее спектральной природе.
Уравнение Рейнольдса и турбулентные потоки тепла, водяного пара, количество движения.
Пограничный слой атмосферы. "Закон 2/3".
Фактические данные о турбулентности
атмосферы.
4. Распространение электромагнитных волн в атмосфере (атмосферная оптика и
радиометеорология).
Показатель преломления атмосферных газов в оптическом и радиодиапазоне.
Атмосферная рефракция. Влияние ионосферы на распространение радиоволн.
Распространение элетромагнитного излучения в поглощающей среде.
Законы теплового излучения. Тепловое излучение атмосферы и земной поверхности в
оптическом и радиодиапазоне. Температура излучения. Рассеяние света и радиоволн
атмосферным аэрозолем, облаками, осадками. Релеевское рассеяние. Рассеян6ие радиоволн
турбулентными неоднородностями атмосферы.
Уравнение переноса излучения в оптическом и радиодиапазоне. Прямая и рассеянная
радиация Солнца.
Радиационный теплообмен в атмосфере.
Парниковый эффект.
Парниковые газы (озон, углекислый газ, метан) в атмосфере. Их вертикальное распределение.
Связь с термодинамическими характеристиками атмосферы.
Оптические свойства облаков и туманов.
5. Физика и термодинамика верхней атмосферы. Стратосфера, мезосфера, термосфера.
Распределение состава, температуры и плотности. Диссипация атмосферы. Роль солнечной
активности в строении верхней атмосферы. Озоносфера и формирующие ее процессы.
Элементарные химические процессы в верхней атмосфере.
Ионосфера, D, E, F
области, их происхождение. Эффективный коэффициент
рекомбинации. Ионный состав. Понятие о магнитосфере и областях радиации. Движение
заряженных частиц в магнитном поле. Полярные сияния, их происхождение. Свечение
ночного неба. Понятие о механизмах возбуждения основных эмиссий.
Экспериментальные методы исследования атмосферы при помощи радиозондов, ракет и
спутников. Другие дистанционные методы: ик-спектроскопия, радиофизические методы.
ЧАСЬ III. ФИЗИКА ГИДРОСФЕРЫ
1. Динамика моря. Силы, вызывающие течения. Динамический метод расчета течений.
Нулевая поверхность в океане, дрейфовые течения. Сгоны и нагоны волн. Инерционные
течения. Горизонтальная циркуляция в океане. Экваториальные противотечения. Гольфстрим.
Дрейф ледяных полей. Приливы в морях и океанах. Сейшевые колебания. Цунами.
Внутренние волны. Зарождение волн под действием ветра. Спектр волн на поверхности моря.
Баланс энергии волн. Волновое течение Стокса. Разрушение волн на мелководье. Мертвая
зыбь. Затухание ветровых волн с глубиной. Трехмерные волны в море.
2. Термика морей и водохранилищ. Взаимодействие гидросферы и атмосферы как
основа формирования термического режима океанов и водохранилищ. Радиационный баланс
морей и водохранилищ. Потери тепла на испарение. Уравнение теплового баланса.
Турбулентный теплообмен в море. Годовой ход температуры воды незамерзающих морей и
водохранилищ. Суточный ход температуры мелководных водоемов и поверхностного слоя
моря. Адвекция тепла течениями. Формирование и методы расчета слоя температурного
скачка в водоемах. Термодинамические циркуляции в океане. Годовой ход температуры
замерзающих водоемов. Ледообразование. Внутриводный и донный лед. Снеголедяной
покров на поверхности водоемов. Температурные и ледовые прогнозы.
3. Взаимодействие океана и атмосферы. Влияние физических характеристик океана и
атмосферы на процессы теплового и динамического взаимодействия. Задачи взаимодействия
океана и атмосферы малого, среднего и глобального масштабов и системы уравнений,
описывающие
эти
взаимодействия.
Автоколебательные
процессы
в
системе
взаимодействующих сред. Физические корни климата и породы.
3
4.
Оптика
моря.
Основные гидрооптические
характеристики.
Оснащенность поверхности моря. Поглощение света водой. Рассеяние света в мутных средах.
Цвет моря. Свет на больших глубинах в океане.
5. Акустика моря. Основные факторы, определяющие скорость распространения звука в
морях и океанах. Гидролокация. Рефракция звука в море. Зона тени. Явление "звукового
канала". "Голос моря".
Основная литература
1. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Изд-во МГУ, 1986.
2. Ламли Д., Панковский Г. Структура атмосферной турбулентности. М. Мир, 1966.
3. Мазин И.П., Шметер С.М. Облака, строение и физика образования. Л. Гидрометеоиздат,
1983.
4. Лайтхман Д. (ред.) Динамическая метеорология (теоретическая метеорология). Л.
Гидрометеоиздат,1976.
5. Атмосфера (справочник под редакцией Седунова Ю.С. и др.) Л. Гидрометеоиздат, 1991.
6. Денис А. Изменение погоды засевом облаков. М. Мир, 1983.
7. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Л. Гидрометеоиздат, 1994.
8. Шулейкин В.В. Физика моря. М. Наука, 1973.
9. Шляхтинг Г. Теория пограничного слоя. М. Мир, 1973.
10. Термика океана. М. Изд-во МГУ, 1978
11. Гусев А.М. Свободная конвекция в атмосфере и океане. М. Изд-во МГУ, 1978.
Дополнительная литература
1. Александров Э.Л., Израэль Ю.А., Кароль И.А., Хргиан А.Х. Озонный щит Земли и его
применение. Л. Гидрометиздат, 1992.
2. Перов С.П., Хргиан АХ. Современные проблемы атмосферного озона. Л. Гидрометиздат,
1980.
3. Ионосферно-магнитная служба. Под редакцией Авдюшина С.И. и Данилова А.Д.
М. Гидрометиздат, 1987.
4. Тарасов Л.В. Атмосфера нашей планеты. Изд-во Физматлит, 2012.
5. Моханакумар К. Взаимодействие стратосферы и тропосферы.
Изд-во Физматлит, 2011.
7. Криволуцкий А.А., Репнев А.И. Воздействие космических факторов на озоносферу
Земли. М. ГЕОС, 2009.
Программа утверждена Ученым советом ЦАО 23.03. 2004 г.
ЧАСТЬ IV. ОЗОНОСФЕРА И ЕЕ ЭВОЛЮЦИЯ
1. Структура озоносферы. Основные механизмы ее формирования. Аппаратные средства
измерения состояния озоносферы. Типы вертикального распределения озона. Роль
озоносферы в формировании вертикального распределения температуры.
2. Общее содержание озона (ОСО). Глобальное распределение озона и его сезонная
изменчивость. Аномалии в полях ОСО и их диагностика. олговременная изменчивость ОСО
и методы расчета ее параметров.
3. Вертикальное распределение озона (ВРО). Динамическое и статистическое
моделирование ВРО. Лидарные измерения ВРО и регуляризация обратной задачи. Аномалии
в профилях ОСО и их диагностика. олговременная изменчивость ВРО и методы расчета ее
параметров.
4. Влияние озона на спектральную плотность энергетической освещенности (СПЭО)
земной поверхности излучением Солнца в УФ-Б диапазоне. Влияние облачности на СПЭО.
Эмпирическое моделирование СПЭО. Национальная система мониторинга озона и СПЭО
РФ.
Литература
4
1. Хргиан А.Х. Физика атмосферного озона. Л., Гидрометеоиздат, 1973, с. 129.
2. Белинский В.А., Гараджа М.П., Меженлая М.Н., Незваль Э.И. Ультрафиолетовая радиация
Солнца и неба. Изд-во МГУ, 1968, 228 с.
3. Кадыгрова Т.В., Крученицкий Г.М. Выделение трендов в парциальном давлении озона на
различных высотах в атмосфере. Изв. АН. ФАО, 1995, т.31, N.1, с.62-68.
4. Звягинцев А.М., Кадыгров Н.Е., Крученицкий Г.М. Регрессионный анализ зонально
осреднённых рядов спутниковых наблюдений за общим содержанием озона: регрессоры и
тренды. Известия РАН. Исследование Земли из космоса, № 4, 2003, с.29-37.
5. Кадыгров Н.Е., Крученицкий Г.М. Выделение медленных изменений в рядах
геофизических наблюдений радиофизическими методами. Известия РАН. Исследование
Земли из космоса, №4, 2003, с.42-48.
6. Белявский А.В., Захаров В.М., Крученицкий Г.М. Влияние облачности на обнаружимость
трендов УФ-Б облученности, обусловленных уменьшением общего содержания озона.
Оптика атмосферы, 1991, т.4, № 9, c. 987-994.
7. Иванова Н.С., Крученицкий Г.М., Черников А.А. Создание первой очереди системы
мониторинга УФ – радиации в России. Оптика атмосферы и океана, 1999, т. 12, №1, с. 5- 9.
8. Израэль Ю.А., Белокриницкая Л.М., Дворецкая И.В. ,Дорохов В.М., Захаров В.М., Иванов
К.А., Крученицкий Г.М., Шепелёв Д.В., Юсипов Т.А. Сравнение наземных и спутниковых
измерений общего содержания озона, Метеорология и гидрология, 2014, № 6, с.85-98.