9. Физика и химия атмосферы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Уральский государственный университет им. А.М. Горького»
Физический факультет
Кафедра общей и молекулярной физики
Физика и химия атмосферы
Программа специальной дисциплины
(Стандарт ПД.СД/ДС)
Екатеринбург
2006
УТВЕРЖДАЮ
Декан физического факультета
______________А.Н.Бабушкин
«____»_______2006 года
Программа дисциплины «Физика и химия атмосферы» составлена в соответствии с
требованиями федерального компонента к обязательному минимуму содержания и
уровню подготовки:
специалиста, по направлению 010400 «Физика», и магистра, по направлению 510400,
по циклу СД/ДС дисциплин государственного образовательного стандарта высшего
профессионального образования.
Семестр 9
Общая трудоемкость дисциплины 72 часа, в том числе:
Лекций 36
Самостоятельная работа 36
Отчетность: зачет - 9 семестр
Автор (составитель, разработчик)
Береснев С.А., к.ф.-м.н., доцент, кафедра общей и молекулярной физики, УрГУ
(ФИО, ученая степень, ученое звание, кафедра, вуз)
Рекомендовано к печати протоколом заседания
кафедры общей и молекулярной физики
от _______ № ______.
(дата)
(С) Уральский государственный университет
(С) Береснев С.А., 2006
I.
Введение
1. Цель дисциплины - сформировать у студентов современные представления об основных
физических и химических процессах, протекающих в различных слоях атмосферы и их
взаимосвязи с процессами, происходящими в других геологических резервуарах Земли;
сформировать научные представления о причинах и следствиях глобальных и
региональных климатических изменений, происходящих в настоящее время. Курс
«Физика
и
химия
атмосферы»
следует
рассматривать
как
обобщенное
систематизированное введение в междисциплинарный комплекс наук, изучающих
строение, состав, различные физические и химические свойства земной атмосферы.
2. Задача дисциплины – усвоение основных понятий и терминологии, изучение основных
методов и результатов исследования свойств атмосферы Земли, ознакомление с
основными физико-математическими моделями, используемыми в физике и химии
атмосферы, понимание роли газовых составляющих и аэрозолей в атмосферных явлениях,
знакомство с историей развития данной междисциплинарной науки.
3. Место дисциплины в системе высшего профессионального образования. Дисциплина
является одной из завершающих подготовку по специализации «Теплофизика и
молекулярная физика». При этом используются знания и навыки, полученные студентами
при изучении разделов общей и физической химии, механики, термодинамики и
статистической физики, гидрогазодинамики, оптики, электродинамики, теплофизики и
кинетической теории газов.
4. Требования к уровню освоения содержания курса (приобретаемые компетенции,
знания, умения, навыки). Научить студентов применять фундаментальные теоретические
знания из разных областей физики и химии для постановки, решения и анализа базовых
задач физики атмосферы. Познакомить с основами современных экспериментальных и
теоретических методов, используемых в физике атмосферы. Способствовать закреплению
и усвоению взаимосвязей фундаментальных физических, химических и математических
знаний, полученных студентами ранее. Курс предполагается базовым введением при
изучении других специальных курсов, индивидуально предлагаемых магистрам и
аспирантам кафедры, специализирующимся в области физики атмосферы.
5. Методическая новизна курса. При изучении курса студентам предоставляются
электронные варианты лекций на компакт-диске и их мультимедийные презентации. Вся
основная и рекомендуемая (дополнительная) литература, включая англоязычную, также
доступна в pdf-формате на компакт-диске. Студенты имеют возможность представить
научные доклады по избранным темам и направлениям физики и химии атмосферы,
основанные на современных публикациях и обзорах в российских и зарубежных
журналах.
II.
Содержание курса
1. Разделы курса, темы, их краткое содержание
Тема 1. Происхождение и эволюция Земли и ее атмосферы. Концепция Большого Взрыва.
Космологические тесты. Образование солнечной системы. Стадии образования и эволюция
Земли и ее атмосферы. Геологические резервуары: литосфера, гидросфера и атмосфера.
Тема 2. Атмосфера Земли и ее компоненты. Строение земной атмосферы, различные
классифицирующие признаки. Современный химический состав атмосферы Земли. Газовые
составляющие атмосферы (основные компоненты и примеси, постоянные и переменные
компоненты), атмосферный аэрозоль. Происхождение и эволюция химического состава
атмосферы Земли в различные геологические эпохи.
Тема 3. Радиация в атмосфере. Основные законы излучения (закон Кирхгофа, Планка,
Стефана-Больцмана, Вина). Спектральный состав солнечной радиации. Тепловой баланс
системы Земля – атмосфера. Тепловое и радиационное равновесие Земли. Солнечная
постоянная. Поглощение и рассеяние солнечной радиации в атмосфере. Тепловое излучение
земной поверхности.
Тема 4. Атмосферная циркуляция. Масштабы атмосферных движений. Силы,
действующие на атмосферные массы. Типы движений атмосферы. Термическая конвекция,
механизм возникновения конвективных ячеек. Местные ветры: горно-долинные ветры,
бризы, фен (чинук). Муссоны. Циркуляция Хэдли. Циркуляция Феррела как пример
вынужденной конвекции. Макровихри. Потеря устойчивости потока в ламинарном сдвиговом
течении. Циклоническая деятельность. Циклоны средних и высоких широт. Тропические
циклоны. Волновые движения атмосферы. Волны от локальных источников. Планетарные
волны. Свободные колебания. Квазидвухлетние осцилляции. Особенности циркуляции в
стратосфере и мезосфере.
Тема 5. Атмосфера Земли и глобальные климатические изменения. Наблюдаемые
глобальные и региональные климатические изменения – основные факты и проявления.
Климатические изменения в различные исторические эпохи. Естественные причины
климатических изменений. Антропогенное влияние на состав атмосферы. Увеличение
углекислого газа и других радиационно-активных газов в атмосфере и тренды средней
температуры земной поверхности. Природа парникового эффекта. Радиационное
возмущающее воздействие как способ контроля над климатическими изменениями. Озоновая
проблема. Роль атмосферного аэрозоля в климатических изменениях. Международная
контролирующая и регулирующая деятельность.
Зачет проводится по стандартной форме, образцы зачетных билетов с вопросами из
разделов курса приведены ниже:
Зачетный билет №1 по дисциплине «Физика и химия атмосферы»
1. Стадии образования и эволюция Земли и ее атмосферы.
2. Физическая природа парникового эффекта.
Зачетный билет №2 по дисциплине «Физика и химия атмосферы»
1. Происхождение и эволюция химического состава атмосферы Земли в различные
геологические эпохи.
2. Оценки радиационного возмущающего воздействия как способ контроля глобальных
климатических изменений.
Зачетный билет №3 по дисциплине «Физика и химия атмосферы»
1. Газовые составляющие атмосферы (основные компоненты и примеси, постоянные и
переменные компоненты).
2. Спектральный состав солнечной радиации.
III.
№
п/п
1
2
3
Распределение часов курса по темам и видам работ
Наименование
разделов и тем
Происхождение и
эволюция Земли и ее
атмосферы. Концепция
Большого Взрыва.
Космологические тесты.
Образование солнечной
системы. Стадии
образования и эволюции
Земли и ее атмосферы.
Геологические резервуары:
литосфера, гидросфера и
атмосфера
Атмосфера Земли и ее
компоненты. Строение
земной атмосферы,
различные
классифицирующие
признаки. Современный
химический состав
атмосферы Земли. Газовые
составляющие атмосферы
(основные компоненты и
примеси, постоянные и
переменные компоненты),
атмосферный аэрозоль.
Происхождение и
эволюция химического
состава атмосферы Земли в
различные геологические
эпохи.
Радиация в атмосфере.
Основные законы излучения
(закон Кирхгофа, Планка,
Стефана-Больцмана, Вина).
Спектральный состав
солнечной радиации.
Тепловой баланс системы
Земля – атмосфера.
Тепловое и радиационное
равновесие Земли.
Солнечная постоянная.
Поглощение и рассеяние
солнечной радиации в
атмосфере. Тепловое
излучение земной
поверхности.
ВСЕГО
(часов)
Аудиторные занятия
(час)
в том числе
Лекции Практические
занятия
2
0
Самостоятельная
работа
2
2
0
2
4
0
4
4
5
Атмосферная циркуляция.
Масштабы атмосферных
движений. Силы,
действующие на
атмосферные массы. Типы
движений атмосферы.
Термическая конвекция,
механизм возникновения
конвективных ячеек.
Местные ветры: горнодолинные ветры, бризы,
фен (чинук). Муссоны.
Циркуляция Хэдли.
Циркуляция Феррела как
пример вынужденной
конвекции. Макровихри.
Потеря устойчивости
потока в ламинарном
сдвиговом течении.
Циклоническая
деятельность. Циклоны
средних и высоких широт.
Тропические циклоны.
Волновые движения
атмосферы. Волны от
локальных источников.
Планетарные волны.
Свободные колебания.
Квазидвухлетние
осцилляции. Особенности
циркуляции в стратосфере
и мезосфере.
Атмосфера Земли и
глобальные климатические
изменения. Наблюдаемые
глобальные и
региональные
климатические изменения
– основные факты и
проявления.
Климатические изменения
в различные исторические
эпохи. Естественные
причины климатических
изменений. Антропогенное
влияние на состав
атмосферы. Увеличение
углекислого газа и других
радиационно-активных
газов в атмосфере и тренды
средней температуры
земной поверхности.
4
0
4
4
0
4
Природа парникового
эффекта. Радиационное
возмущающее воздействие
как способ контроля над
климатическими
изменениями. Озоновая
проблема. Роль
атмосферного аэрозоля в
климатических
изменениях.
Международная
контролирующая и
регулирующая
деятельность.
ИТОГО:
72
36
0
36
IV.
Форма итогового контроля
Зачет (магистры и специалисты).
V.
Учебно-методическое обеспечение курса
1. Рекомендуемая литература (основная)
Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е. Общая и экологическая геофизика.
М.: Физматлит, 2005. 576 с.
Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е., Шрейдер А.А. Основы экологической
геофизики. 2-е изд. СПб.: Изд-во «Лань», 2004.
Прибылов К.П., Савельев В.П., Латыпов З.М. Основы химии атмосферы. Казань: Изд-во
ДАС, 2001.
Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. 5-е изд. М.: Изд-во МГУ,
2001. 528 с.
Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. 2-е изд.
Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 752 с.
2. Рекомендуемая литература (дополнительная)
Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисс П. Введение в химию окружающей среды.
М.: Мир, 1999.
Сажин М.В. Современная космология в популярном изложении. М.: УРСС, 2002.
Фишер Д. Рождение Земли. М.: Мир, 1990.
Семенченко Б.А. Физическая метеорология. М.: Аспект Пресс, 2002. 415 с.