Экология» по физико-математическим наукам

Министерство образования и науки Российской Федерации
ПРОГРАММА-МИНИМУМ
кандидатского экзамена по специальности
03.00.16 «Экология»
по физико-математическим наукам
Программа-минимум
содержит 9 стр.
2007
2
Введение
В основу настоящей программы положены следующие дисциплины:
физические основы экологии, закономерности миграции и трансформации
загрязняющих веществ в природных средах, основы радиобиологи и
радиационной
безопасности,
статистическая
обработка
результатов
научных исследований, компьютерные технологии в экологических
исследованиях, математическое моделирование в экологии, основы
нелинейной динамики, введение в системный анализ. Программа
разработана экспертным советом по физике Высшей аттестационной
комиссии Минобразования России при участии Института промышленной
экологии УрОРАН.
Физические основы экологии
Строение вещества. Элементарные частицы, атомы, химические
элементы, молекулы.
Энергия. Механическая, кинетическая, потенциальная, тепловая,
внутренняя
энергия.
Электрическая
и
электромагнитная
энергия.
Химическая и атомная энергия.
Законы сохранения. Сохранение массы, энергии, импульса, заряда.
Фазовые состояния вещества. Фазовые переходы. Критическая точка.
Энергия фазового перехода. Метастабильные состояния.
Термодинамическая система и термодинамические параметры,
термодинамическое равновесие, равновесные и неравновесные процессы,
внутренняя энергия системы, работа и теплота, уравнения состояния
Первое
начало
термодинамики,
основные
термодинамические
процессы и их уравнения
Второе начало термодинамики, энтропия, обратимые и необратимые
процессы
3
Условия термодинамического равновесия и устойчивости, Принцип
Ле Шателье.
Процессы диффузии и теплопроводности.
Основные закономерности миграции и трансформации загрязняющих
веществ в природных средах
Атмосфера: состав и строение атмосферы, источники эмиссии
загрязняющих веществ, физико-химические трансформации, перенос
(статистические и динамические модели, Гауссов факел), сухое/мокрое
осаждение.
Гидросфера: вода и водные объекты в природе, источники сброса
загрязняющих
веществ,
физико-химические
и
биологические
трансформации, перенос (гидравлические модели, уравнение Бернулли),
процессы очищения.
Геосфера: геохимия ландшафтов суши, источники загрязнения, биогеохимические процессы, миграция (модели просачивания, закон Дарси),
геохимические барьеры.
Основы радиобиологи и радиационной безопасности
Основные представления о радиоактивности: строение атома,
радиоактивность, единицы активности.
Взаимодействие
ионизирующих
излучений
с
веществом:
рентгеновское и гамма-излучение, электроны, тяжелые заряженные
частицы, нейтроны.
Биологическое действие ионизирующих излучений: соматические,
стохастические и генетические эффекты.
Радиационный фон Земли. Естественный радиационный фон.
Естественные радиоактивные ряды. Радон, дочерние продукты распада.
4
Техногенно измененный естественный радиационный фон. Радиоактивное
загрязнение окружающей среды при испытаниях ядерного оружия и работе
предприятий атомной промышленности и энергетики.
Среда и факторы существования организмов
Общие принципы действия факторов среды на организм. Формы
воздействия
факторов
на
организмы.
Взаимодействие
факторов.
Компенсация факторов. Лимитирующие факторы. Толерантность.
Энергетический бюджет организма. Физика преобразования энергии
в авто- и гетеротрофных организмах. Эффективность превращения энергии
на организменном уровне.
Потоки энергии и вещества в сообществах. Модели потока энергии в
трофических структурах. Связь между потоком энергии и круговоротом
биогенных элементов в сообществах.
Основы физики биосферы и глобальная экология
Развитие
представлений
о
биосфере.
Структура
биосферы.
Энергетический баланс биосферы. Круговорот веществ как основный
механизм гомеостаза биосферы. Биогеохимические функции различных
групп организмов и типов экосистем. Проблемы динамики биосферы и ее
компонентов.
Экологический
механизм
эволюции
организмов.
Экологический механизм эволюции человека. Антропогенные воздействия
на компоненты биосферы. Антропогенные изменения энергетического
баланса биосферы. Глобальные экологические проблемы.
Математическое моделирование в экологии
Основные принципы математического моделирования в экологии.
Метод математического моделирования в экологии как инструмент
5
исследования. Принципы построения, классификация и использования
моделей. Численные методы моделирования.
Моделирование
динамики
популяций.
Модель
популяции
с
дискретным размножением: экспоненциальный и S-образный рост. Модель
популяции с непрерывным размножением: логистическое уравнение.
Модели внутривидовой конкуренции.
Основные модели динамики в системах хищник-жертва и растениерастительноядное животное. Модель Лотки-Вольтерры. Логистическое
уравнение с запаздыванием по времени. Циклические колебания в системе
хищник-жертва.
Статистическое моделирование. Проблемы медико-экологического
мониторинга и взаимосвязь здоровья населения с факторами окружающей
среды.
Вычислительный эксперимент и метод Монте-Карло. Принципы
организации
вычислительного
эксперимента.
Имитатационное
моделирование экосистем.
Модели «промысла» (изъятия возобновимых ресурсов).
Глобальные
модели
эколого-экономического
взаимодействия.
«Мировая динамика» Дж.Форестера и «Пределы роста» Д.Медоуза,
структура моделей, предположения, результаты.
Глобальные геоклиматические модели. Модель «ядерной зимы».
Прикладная экология и охрана окружающей среды
Виды и масштабы антропогенного воздействия на природную среду.
Качество окружающей природной среды и его нормирование. Мониторинг
окружающей
среды.
природопользования.
Общие
Классификация
принципы
и
основные
рационального
направления
природозащитных мероприятий. Экономика природопользования и охраны
окружающей среды. Оценка экологического риска.
6
Статистическая обработка результатов экологических исследований
Случайные
величины
и
случайные
процессы.
Функции
распределения случайных величин. Моменты случайных величин. Модели
распределений
случайных
величин
(равномерное,
биномиальное,
пуассоновское, нормальное). Центральная предельная теорема
Элементарная
рассеяния,
обработка
гистограмма,
результатов
сравнение
наблюдения:
средних
диаграмма
значений
(критерий
Стьюдента, непараметрические критерии), сравнение долей (процентов) –
критерий хи-квадрат.
Исследование статистических взаимосвязей между параметрами.
Постановка задачи в моделях регрессионного и дисперсионного типа.
Коэффициенты
модели,
статистическая
значимость
коэффициентов,
коэффициент корреляции, коэффициент детерминации.
Задачи
классификации.
Постановка
задачи
в
модели
дискриминантного типа. Решающее правило, качество классификации.
Постановка задачи в модели кластер-анализа.
Компьютерные технологии в экологических исследованиях
Базы
данных,
принципы
построения,
назначение.
Системы
управления базами данных, простейшие операции с базами данных:
сортировка, выборка по условию, запросы.
Работа со статистическими пакетами: Statistica for Windows,
Statgraphics, SPSS или любой другой.
Компьютерные системы сбора и анализа информации. Электронные
таблицы, системы управления базами данных, пакеты прикладных
программ для статистического и математического моделирования.
Визуализация экологической информации. Геоинформационные
системы.
7
Основы нелинейной динамики
Понятие
дискретные
динамической
и
системы.
непрерывные
Переменные
переменные,
и
параметры,
стохастические
и
детерминированные динамические системы.
Нелинейные динамические системы. Аттрактор. Бифуркация. Хаос.
Двух- и трехмерные системы. Система хищник-жертва как пример
двумерной динамической системы.
Фракталы и фрактальная размерность. Примеры геометрических
объектов с дробными размерностями. Самоподобие фракталов.
Введение в системный анализ
Понятие системы. Системность как всеобщее свойство материи.
Развитие системных представлений.
Основные компоненты систем. Элементы и связи. Структура
системы.
Системы и окружение. Границы системы. Взаимодействие системы и
окружения.
Искусственные и естественные системы.
Понятие «большая» система и «сложная» система.
Информация как свойство материи. Сигналы в системах.
Системный анализ как прикладная дисциплина. Этапы системного
анализа.
Алгоритмы
проведения
системного
анализа.
Применение
системного анализа к экологическим системам. Принципы постановки
задач и формулирование целей. Выбор переменных, характеризующих
систему и ее управление. Структурное разбиение и моделирование систем.
Анализ и прогнозирование условий функционирования в будущем.
Создание
систем.
Движение
системы.
Целе-
и
ценностно-
ориентированные системы. Принципы управления системой. Организация
8
управляемой системы. Процесс принятия решений. Оценка возможных
вариантов
решений.
Качественное
и
количественное
измерение
показателей, определение значимости показателей Оптимизация решения
при допустимости незначительного загрязнения окружающей среды.
Исследование моделей и оценка ущерба окружающей среде. Процесс
принятия решений в условиях многокритериальности
Рекомендуемая литература
Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика.
Основы моделирования и первичная обработка данных. М., Финансы и
статистика, 1983. – 471 с.
Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика.
Исследование зависимостей. М., Финансы и статистика, 1985. – 423 с.
Айвазян С.А., Бухштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д.
Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. М.,
Финансы и статистика, 1989. – 607 с.
Афифи
А.
Айзен
С.
Статистический
анализ.
Подход
с
использованием ЭВМ. 1982.
Андерсен Д.М. Экология и науки об окружающей среде: биосфера,
экосистемы, человек. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 165 с.
Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. особи, популяции и
сообщества: В 2-х т. пер. с англ. – М.: Мир, 1989.
Будыко М.И. Глобальная экология. М.: «Мысль», 1977. – 327 с.
Горелов А.А. Экология – наука – моделирование. М.: Наука, 1985. –
207 с.
Джефферс Дж. Введение в системный анализ: применение в
экологии. М.:Мир, 1981. – 256 с.
9
Довиньо П., Танг М. Биосфера и место в ней человека. М.:
Издательство «Прогресс», 1973. – 269 с.
Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рандерс И. За пределами роста: Учеб.
пособие. М.: Прогресс, Пангея, 1994
Могилевский В.Д. Методология систем: вербальный подход / Отдние экон. РАН; науч.-ред. совет изд-ва «Экономика». – М.: ОАО
«Издательство «Экономика», 1999. – 251 с.
Одум Ю. Экология: В 2-х т. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 328 с.
Петросян Л.А., Захаров В.В. Математические модели в экологии.
Изд-во СпбГУ, 1997
Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ:
Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 367 с.
Пианка Э. Эволюционная экология. М.: Мир, 1981. 357 с.
Пэнтл Р. Методы системного анализа окружающей среды. М.: Мир,
1979. 214 с.
Реймерс Н.Ф. Концептуальная экология. Надежда на выживание
человечества. М.: Россия молодая, 1992.
Смит Дж. М. Модели в экологии. М.: Мир, 1976.
Уатт К. Экология и управление природными ресурсами. М.: Мир,
1971.
Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. М.: Прогресс, 1980