ТЕРМОДИНАМИКА ОКЕАНА

Программа вступительного экзамена в аспирантуру
Морского гидрофизического института НАН Украины
по специальности «океанология»
ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ОКЕАНЕ, КАК ЭЛЕМЕНТЕ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ.
1. Общие сведения о Мировом океане. Основные крупномасштабные формы рельефа
дна. Шельф, материковый склон, срединно-океанический хребет.
2. Морская вода: строение, состав и физические свойства (плотность, теплоёмкость,
теплопроводность, сжимаемость и электропроводность).
3. Условия равновесия морской воды как термодинамической системы. Фазовые равновесия и фазовые переходы. Поверхностное натяжение морской воды.
4. Давление насыщенного пара. Скрытая теплота испарения. Осмотическое давление.
Вязкость.
5. Уравнение состояния - зависимость плотности и удельного объёма от температуры,
солёности, давления. Явление уплотнения при смешении.
6. Температура замерзания и наибольшей плотности. Вода солоноватая и океаническая (морская). Зависимость температуры замерзания (плавления) от солености,
давления.
7. Теплофизические характеристики морской воды: теплоёмкость, удельная теплота
испарения и кристаллизации.
8. Давление. Сжимаемость морской воды. Адиабатические явления. Потенциальная
температура и плотность.
9. Электромагнитные свойства морской воды. Электропроводность морской воды.
Диэлектрическая проницаемость. Магнитная восприимчивость.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИРОВОГО ОКЕАНА.
1. Соленость вод Мирового океана. Меридиональное распределение солености. Вертикальное распределение солености. Главные факторы, формирующие поле солености. Понятие о халоклине. Промежуточные слои высокосоленых вод.
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. Плотность вод Мирового океана. Понятие о главном пикноклине. Вертикальная
стратификация в океане, критерий устойчивости стратификации. Понятия о верхнем квазиоднородном слое.
4. 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).
5. Синоптические вихри в океане. Фронтальные вихри, образующиеся вследствие меандрирования струйных течений типа Гольфстрим.
6. Уровень Мирового океана. Понятие о среднем уровне океана и его колебаниях.
Кратковременные и длительные непериодические колебания уровня. Причины периодических и непериодических колебаний уровня.
7. Морские льды, их образование и развитие. Основные физико-химические особенности морских льдов. Движения морских льдов, их причины и закономерности.
Деформация морских льдов.
2
ТЕРМИКА И ДИНАМИКА ОКЕАНА.
1. Баланс тепла в океане. Суточный и годовой ход температуры в океане. Формирование верхнего квазиизотермического слоя и слоя скачка температуры.
2. Термодинамическая система. Параметры состояния. Термодинамический процесс.
Обратимый и необратимый процессы.
3. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия. Уравнение притока тепла.
4. Термодинамика равновесных процессов. Второй закон термодинамики. Энтропия.
Соотношение Гиббса. Термодинамические потенциалы.
5. Уравнения гидродинамики океана - уравнения движения, неразрывности, диффузии тепла и соли. Уравнения в системе координат вращающейся вместе с Землей.
Сила Кориолиса.
6. Приближения Буссинеска, несжимаемости, гидростатики. Геострофические соотношения. Локальная система координат. Понятие о β (бета) – плоскости.
7. Геострофические течения. Динамический метод расчета морских течений.
8. Классическая экмановская теория установившихся ветровых течений в однородном
море.
9. Приближения мелкого и глубокого моря. Вертикальная структура течений. Экмановские пограничные слои у поверхности и дна моря.
10. Неравномерность ветра как причина горизонтальной циркуляции в океане. Основные положения теории межпассатных противотечений.
11. Теория западной интенсификации течений. Соотношение Свердрупа.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА. КЛИМАТ ОКЕАНА.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Тепловое и динамическое взаимодействие океана и атмосферы. Обмен энергией,
веществом и импульсом. Представление об изменчивости характеристик океана и
атмосферы в процессе их взаимодействия.
Уравнение теплового баланса поверхности океана. Коротковолновое и длинноволновое излучение. Явные и скрытые потоки тепла. Адвекция тепла. Изменение теплозапаса вод Мирового океана.
Основные факторы, определяющие пространственно-временную изменчивость составляющих теплового баланса на поверхности океана.
Влагообмен между океаном и атмосферой. Осадки и испарение. Факторы, определяющие их пространственно-временную изменчивость.
Климат океана и его изменчивость. Факторы, определяющие изменчивость климата океана.
Глобальные и региональные изменения климата океана.
ПЕРЕМЕШИВАНИЕ И ТУРБУЛЕНТНОСТЬ.
1. Молекулярная вязкость. Возникновение турбулентности. Закон подобия и критерий Рейнольдса. Турбулентные напряжения Рейнольдса.
2. Турбулентная диффузия тепла и примесей. Правила осреднения Рейнольдса. Гипотеза Тейлора, коэффициенты турбулентной диффузии. Уравнения переноса тепла и
примесей.
3. Основные типы движений в верхнем квазиоднородном слое океана. Механизмы
генерации турбулентности и вертикальный обмен при конвекции.
4. Механизмы вертикального турбулентного обмена в естественных стратифицированных бассейнах. Формирование тонкой структуры и микроструктуры гидрофизических полей.
5. Горизонтальная турбулентная диффузия тепла и примесей в естественных бассейнах, физические механизмы. Постановка задачи о горизонтальной турбулентной
2
3
диффузии примеси и характерные особенности решения. Коэффициенты диффузии, закон 4/3.
6. Неустойчивость и генерация турбулентности за счет сдвиговой неустойчивости
стратифицированного потока. Критерий Ричардсона.
7. Конвекция, обусловленная «двойной диффузией»: солевые пальцы. Тип стратификации. Критерий гидростатической устойчивости. Механизм неустойчивости и характер конвективных движений.
8. Конвекция, обусловленная «двойной диффузией»: диффузионный режим (послойная конвекция). Тип стратификации. Критерий гидростатической устойчивости.
Механизм неустойчивости и характер конвективных движений.
ВОЛНЫ И ПРИЛИВЫ.
1. Типы волн. Классификация волн по возбуждающим силам, характеру движения
формы, вертикальной структуре. Основные элементы волн. Волны на глубокой и
мелкой воде.
2. Морские волны и их классификация. Гидродинамическая теория поверхностных
гравитационных волн. Теория свободных волн малой амплитуды.
3. Короткие и длинные волны. Энергия волн и ее поток.
4. Ветровые волны. Статистическое описание ветровых волн. Волнообразующие факторы и методы расчета элементов ветровых волн. Характеристики ветровых волн в
океанах и морях и их связь с синоптическими условиями.
5. Приливы. Основные понятия. Приливообразующие силы. Потенциал приливообразующих сил.
6. Статическая теория приливов. Динамическая теория приливов. Влияние трения на
приливные явления. Гармонический анализ приливных колебаний.
7. Нерегулярные длинные волны. Сейши. Цунами. Анемобарические волны. Гироскопические волны.
8. Внутренние волны в стратифицированной жидкости. Нормальные моды в океане
постоянной глубины. Влияние вращения Земли. Внутренние волны в двухслойном
море.
ХИМИЧЕСКАЯ ОКЕАНОГРАФИЯ
1. Основные физические и химические свойства воды, аномальные свойства воды и
их причины.
2. Основные компоненты солевого состава морской воды. Закономерности распределения солености в океанах. Особенности гидрохимической структуры поверхностной, промежуточной и придонной водных масс. Колебания солености.
3. Химический состав морской воды и химическое равновесие в морях и океанах.
4. Макро и микрокомпоненты морской воды. Биогенные элементы. Эвтрофикация водоемов. Органическое вещество в океанах и морях. Особенности деструкции в водных экосистемах.
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.
6. Понятие о геохимических барьерах в морской воде и биогеохимические процессы
на морских поверхностях раздела.
7. Понятие о радиоактивности вод морей и океанов. Естественная и искусственная
радиоактивность.
8. Загрязняющие вещества в водах морей и океанов их природа и источники, пути поступления. Трансформация и перемешивание загрязняющих веществ в морях и
океанах. Понятие о критических зонах в морях и океанах.
3
4
9. Виды гидрохимических исследований и наблюдений. Нормирование качества вод.
Предельно допустимые концентрации. Сеть службы гидрохимических наблюдений
и виды документов.
10. Классификация факторов, формирующих гидрохимический состав природных вод:
основные и второстепенные, прямые и косвенные.
11. Особенности гидрохимической структуры морей, омывающих Украину.
ОПТИЧЕСКИЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ
1. Первичные гидрооптические характеристики (определения, единицы измерения).
Закон Бугера. Оптически активные компоненты морской воды (краткая характеристика).
2. Поглощение света: чистой водой, чистой океанской водой, желтым веществом, фитопланктоном (особенности спектрального распределения).
3. Два вида рассеяния света в океанской воде: а) молекулярное, б) на частицах взвеси.
Особенности их индикатрис рассеяния и спектральной изменчивости.
4. Ослабление света океанской водой. Факторы, влияющие на форму спектрального
распределения показателя ослабления.
5. Связь вертикального распределения показателя ослабления с вертикальной гидрологической структурой вод. Океанологические факторы, влияющие на пространственное распределение показателя ослабления света в поверхностных водах.
6. Характеристики светового поля в океане (определения, единицы измерения).
7. Изменение спектрального состава солнечного света с глубиной. Отражение океаном солнечного излучения; коэффициент диффузного отражения, коэффициент яркости толщи вод. Их спектральное распределение в разных типах вод.
8. Оптические классификации вод: а) по спектральному распределению показателя
вертикального ослабления солнечного излучения; б) по величине индекса цвета.
9. Методы определения цвета воды: колориметрический, визуальный. Факторы, влияющие на видимый цвет океанских вод.
10. Скорость звука, связь с характеристиками среды. Формулы Ньютона и Лапласа для
скорости звука в упругих средах. Эмпирические формулы для расчета скорости
звука в море.
11. Распространение звука в слоисто-неоднородной среде. Рефракция. Приповерхностный и подводный звуковой каналы.
12. Затухание акустических волн. Зависимость коэффициента поглощения от частоты
волн. Рассеяние акустических волн. Явление реверберации. Подводные шумы. Звукорассеивающие слои.
ЛИТЕРАТУРА
Общие представления об океане, как элементе географической оболочки земли.
1. Доронин Ю.П. Региональная океанология. Л., Гидрометеоиздат, 1986, 302 с.
2. Егоров Н.И. Физическая океанография. Л., 1974.
3. Иванов А. Введение в океанографию. М., Мир, 1978.
4. Иванов В.А., Показеев К.В., Шрейдер А.А. Основы океанологии. Севастополь,
НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2005
5. Степанов В.Н. Океанография, М., Мысль, 1983.
Дополнительная литература
1. Гусев А.М. Курс общей геофизики. Основы океанологии. М., 1983.
2. Доронин Ю.П. Динамика океана. Л., Гидрометеоиздат. 1980, 304 с.
3. Добровольский А.Д., Залогин Б.С. Моря СССР. Изд-во МГУ, 1982.
4
5
4. Шулейкин В.В. Физика моря. М., Изд-во АН СССР, 1953.
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 воды. 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., Гидрометеоиздат,
1987г.
Основные характеристики Мирового океана.
1. Иванов А. Введение в океанографию. М., Мир, 1978.
2. Иванов В.А., Показеев К.В., Шрейдер А.А. Основы океанологии. Севастополь,
НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2005
3. Степанов В.Н. Океанография, М., Мысль, 1983.
Дополнительная литература
1. Гусев А.М. Курс общей геофизики. Основы океанологии. М., 1983.
Крупномасштабная циркуляция океана.
1. Бурков В.А. Общая циркуляция Мирового океана. Л., Гидрометеоиздат, 1980.
2. Каменкович В.М. Основы динамики океана. Л., Гидрометеоиздат. 1973г.
3. Океанология. Физика океана. Т.1. Гидрофизика океана. Изд. Наука. 1979г.
4. Океанология. Физика океана. Т.2. Гидродинамика океана. Изд. Наука. 1979г.
5. Фельзенбаум А.И. Теоретические основы и методы расчета установившихся 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.: Гидрометеоиздат, 1981.
2. Озмидов Р.В. Диффузия примесей в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 280 с.
3. Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкостях. М.: Мир, 1977. – 431 с.
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.: Гидрометеоиздат, 1988. – 304 с.
Дополнительная литература
6. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика, механика турбулентности
М.: «Наука», 1965. – 639 с.
7. Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. Л.: Гидрометеоиздат,
1985. – 519с.
8. Океанология, т. 1. Гидрофизика океана. Под ред. Каменковича В.М., Монина А.С.
М.: Наука, 1978. – 456 с.
9. Федоров К.Н. Тонкая термохалинная структура вод океана. Л.: Гидрометеоиздат,
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)
5
6
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.: Гидрометеоиздат,
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.
Взаимодействие атмосферы и океана.
1. Степанов В.Н. Океанография, М., Мысль, 1983.
2. Тимофеев Н.А. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Радиационные тепло- и водобалансовые режимы океанов. Климат и изменчивость. –Сев.: ЭКОСИ-Гидрофизика,
2004. -265с.
3. Гарвей Дж. Атмосфера и океан. -М.: Прогресс, 1982. –183 с.
4. Монин А.С. Гидродинамика атмосферы, океана и земных недр. -С-П.: Гидрометеоиздат, 1999. –524 с.
5. Пирри А., Уокер Дж. Система океан-атмосфера. -Л.: Гидрометеоиздат, 1979. –196 с.
6. Иванов А. Введение в океанографию. М., Мир, 1978.
7. Иванов В.А., Показеев К.В., Шрейдер А.А. Основы океанологии. Севастополь,
НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2005
8. Монин А.С., Каменкович В.М., Корт В.Г. Изменчивость Мирового океана. Л., Гидрометеоиздат, 1974.
9. Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. - Л: Гидрометеоиздат, 1986.
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 оптика океана
// М., Наука, 1983.
3. Доронин Ю.П. Физика океана. (Глава 17. Оптика океана; Глава 18. Акустика 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.
5. Ерлов Н.Г. Оптика океана. Л., Гидрометеоиздат. 1980.
6. Шифрин К.С. Введение в оптику океана. Л., Гидрометеоиздат, 1983.
6