Программа для поступающих в аспирантуру по специальности

ПРОГРАММА
для поступающих в аспирантуру по специальности
25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферы
I. Введение
Предмет и задачи метеорологии. Место метеорологии среди других наук и связь с
ними. Значение метеорологии для практики народного хозяйства и др. Методы
исследования, применяемые в метеорологии. Основные этапы развития метеорологии
и роль отечественных и зарубежных ученых в этом развитии.
II. Общие сведения об атмосфере
1.Состав атмосферного воздуха. Состав воздуха в нижних слоях атмосферы.
Важнейшие переменные составные части: водяной пар, озон, пыль и другие аэрозоли.
Изменение состава воздуха с высотой. Возможность разделения основных газов.
Диссоциация кислорода и азота. Диссипация газов из земной атмосферы.
2. Строение атмосферы. Понятие о прямых и косвенных методах изучения
атмосферы. Новейшие данные по исследованиям с помощью ракет и спутников.
Вертикальное расчленение атмосферы.
Основные
физические явления,
происходящие в разных слоях атмосферы. Горизонтальное расчленение атмосферы.
3. Основные газовые законы применительно к атмосфере. Уравнение состояния
сухого воздуха. Характеристики влагосодержания воздуха. Уравнение состояния
влажного воздуха. Виртуальная температура.
4. Основы статики атмосферы. Уравнение статики атмосферы. Вертикальный
барический градиент и барическая ступень. Однородная атмосфера. Барометрическая
формула в общем виде. Изменение давления с высотой в изометрической и реальной
атмосфере. Полная барометрическая формула. Изменение плотности воздуха с
высотой. Общая масса атмосферы.
III. Лучистая энергия в атмосфере.
1. Общие сведения о потоках лучистой энергии в атмосфере. Основные свойства
лучистой энергии. Коротковолновая и длинноволновая радиация. Солнце как источник
энергии. Спектральный состав солнечной радиации на границе атмосферы. Солнечная
постоянная.
2. Ослабление солнечной радиации.
Рассеяние в идеальной и реальной
атмосфере. Молекулярное рассеяние. Рассеяние крупными частицами. Поглощение
радиации в атмосфере, его избирательный характер.
Спектральный состав прямой и рассеянной радиации у земной поверхности и его
зависимость от высоты солнца. Закон радиации. Коэффициенты прозрачности
атмосферы и его зависимость от физического состояния и оптической массы
атмосферы. Формула Кострова. Фактор мутности.
3. Результаты наблюдений прямой и рассеянной радиации. Понятие о методах
измерения прямой и рассеянной радиации. Изменение коэффициента прозрачности и
фактора мутности, их годовой и суточный ход.
Периодические изменения прямой радиации. Изменение прямой радиации Изменение
прямой радиации с высотой. Факторы, влияющие на интенсивность рассеянной
радиации. Периодические изменения рассеянной радиации. Факторы, влияющие на
интенсивность суммарной радиации. Соотношение между прямой и рассеянной
радиацией в суточном ходе при безоблачном небе.
4. Суммы солнечной радиации. Инсоляции. Сумма радиации за пределами
атмосферы. Возможные и действительные суммы радиации. Годовой ход, зональное
2
распределение сумм радиации. Альбедо для прямой и рассеянной радиации, его
зависимость от высоты солнца. Альбедо для естественных поверхностей и Земли в
целом. Поглощенная радиация.
5. Излучение Земли и атмосферы. Радиационные свойства различных
естественных поверхностей. Спектральный состав излучения Земли.
Поглощение длинноволновой радиации в атмосфере. Излучение атмосферы, его
спектральный состав. Эффективное излучение. Понятие о поглощения и методах
расчета. Зависимость эффективного излучения от метеорологических элементов.
Суточный и годовой ход эффективного излучения и общие закономерности его
распределения. Уравнение переноса длинноволновой радиации в атмосфере.
6. Радиационный баланс. Радиационный баланс подстилающей поверхности.
Понятие о методах измерения и расчета радиационного баланса подстилающей
поверхности суши и океана. Изменение радиационного баланса при проведении
мелиоративных
мероприятий.
Основные
закономерности
распределения
радиационного баланса по земному шару.
Радиационный баланс атмосферы и системы Земля-атмосфера.
IV. Тепловой режим поверхности Земли и атмосферы
1.
Тепловой режим подстилающей поверхности. Процессы нагревания и
охлаждения почвы. Тепловые свойства и физические характеристики деятельного слоя
почвы, определение его теплового режима. Понятие о методах измерения
температуры почвы. Уравнение теплопроводности и законы распространения
температурных колебаний вглубь почвы.
Результаты наблюдений за распространением тепла вглубь почвы и вертикальным
распределением температуры в почве. Промерзание почвы.
Влияние растительного и снежного покрова на тепловой режим почвы. Искусственное
воздействие на температуру почвы. Понятие о методах расчета теплообмена в почве.
Результаты расчета. Особенности теплообмена водоемов.
2. Основы термодинамики атмосферы. Первое начало термодинамики к
атмосфере. Адиабатические изменения температуры при вертикальных перемещениях
сухого и влажного ненасыщенного воздуха. Потенциальная температура. Условия
устойчивости атмосферы по отношению к вертикальным перемещениям сухого и
ненасыщенного воздуха. Уровень конденсации. Адиабатические изменения
температуры при вертикальных перемещениях насыщенного воздуха. Эквивалентная,
потенциально-эквивалентная
и
псевдопотенциальная
температура.
Псевдодиабатический процесс. Условия устойчивости атмосферы по отношению к
вертикальным перемещениям насыщенного воздуха. Графическое представление
адиабатических процессов с помощью аэрологической диаграммы. Уровень
конденсации. Энергия неустойчивости.
3. Тепловой режим приземного слоя атмосферы. Приземный слой атмосферы.
Турбулентное
перемешивание
в
атмосфере.
Особенности
турбулентного
перемешивания в приземном слое. Факторы, влияющие на коэффициент
турбулентности. Методы определения коэффициента турбулентности и потока тепла в
приземном слое по данным градиентовых наблюдений. Факторы, влияющие на
температуру приземного слоя воздуха. Изменение температуры воздуха с высотой в
приземном слое. Периодические и непериодические изменения температуры воздуха.
Заморозки.
4. Тепловой режим свободной атмосферы. Влияние различных видов притоков
тепла на термический режим атмосферы. Роль турбулентного обмена и радиационных
потоков в вертикальном распределении температуры.
Особенности турбулентного теплообмена в свободной атмосфере. Распределение
температуры по вертикали в тропосфере и стратосфере на разных широтах.
3
Периодические изменения температуры воздуха на высотах. Понятие о лучистом
равновесии. Температура высоких слоев атмосферы. Инверсия в тропосфере.
5. Тепловой баланс. Уравнение теплового баланса подстилающей поверхности.
Тепловой баланс суши и моря. Суточный ход составляющих баланса. Закономерности
распределения составляющих теплового баланса суши и моря. Связь теплового и
водного балансов суши. Тепловой баланс атмосферы. Тепловой баланс системы
Земля – атмосфера. Изменение составляющих теплового баланса при проведении
мелиоративных мероприятий.
V. Вода в атмосфере
1. Испарение. Процесс испарения в естественных условиях, факторы,
определяющие скорость испарения с поверхности водоемов.
Особенности испарения с поверхности суши. Испаряемость. Метод расчета испарения
по данным градиентных наблюдений. Определение испарения с поверхности суши и
водоемов с помощью уравнения теплового баланса. Расчет суммарного годового
испарения с поверхности суши по радиационному балансу и осадкам. Результаты
фактического измерения испарения. Изменения испарения и испаряемости при
орошении. Испарение с поверхности снега и льда. Роса и условия ее образования.
Особенности испарения капель.
2. Влажность воздуха. Вертикальный перенос водяного пара путем молекулярной
диффузии и турбулентного обмена. Понятие о методах определения влажности
воздуха. Изменение характеристик влажности с высотой. Общее количество влаги в
вертикальном столбе атмосферы. Периодические изменения абсолютной и
относительной влажности.
3. Общие условия перехода воды из одного состояния в другое. Условия фазовых
переходов воды в атмосфере. Понятие о равновесии фаз. Зависимость упругости
насыщенного пара от температуры и фазового состояния испаряющей поверхности.
Влияние кривизны поверхности гигроскопических примесей и электрического заряда на
упругость насыщенного пара.
4. Конденсация и сублимация водяного пара. Условия конденсации водяного пара
в атмосфере. Образование зародышевых капель. Условия, необходимые для роста
зародышевой капли. Переохлаждение капель. Образование ледяных кристаллов и
снежинок.
5. Туман и дымка. Процессы, приводящие к образованию дымки и тумана.
Классификация туманов. Физические условия образования туманов различных типов.
Микрофизические характеристики дымки и туманов. Вертикальная мощность туманов.
Суточный и годовой ход туманов.
6. Облака. Общие процессы, приводящие к образованию облаков. Классификация
облаков. Процессы образования основных форм облаков. Системы облаков.
Микрофизические характеристики облачных элементов. Агрегатное строение облаков.
Вертикальная мощность облаков. Суточной и годовой ход облачности. Общие
закономерности распределения облачности.
7. Осадки. Виды осадков и их классификация.
Интенсивность осадков.
Сравнительные размеры облачных и дождевых капель и скорость падения. Понятие о
методах измерения осадков. Основные факторы, приводящие к росту капель в
облаках. Образование осадков на водяных, ледяных и смешанных облаках. Общая
схема образования осадков. Град, крупа, снежные зерна и условия их образования.
Суточный и годовой ход осадков и особенности их распределения. Снежный покров и
его свойства. Таяние снега. Продукты наземной конденсации и условия их
образования.
4
8. Активные воздействия на туманы и облака. Искусственные туманы. Физические
основы методов воздействия на туманы и облака. Искусственное образование
осадков. Методы борьбы с градобитиями.
9. Влагооборот в атмосфере. Общая схема влагооборота. Влияние
мелиоративных мероприятий на изменение внутреннего влагооборота.
VI. Воздушные течения
1. Поле давления. Барическое поле на плоскости и в пространстве, способы его
графического представления. Горизонтальный барический градиент. Связь изменения
давления в атмосфере на разных уровнях с изменением температуры у Земли.
Суточный и годовые колебания атмосферного давления. Распределение давления по
земному шару.
2. Основы динамики атмосферы. Силы, действующие при горизонтальном
движении воздуха в атмосфере. Особенности движения в свободной атмосфере при
прямолинейных и круговых изобарах. Стационарное движение при наличии трения или
сил турбулентной вязкости при различной конфигурации изобар. Траектория
движущихся частиц и линии тока.
3. Ветер и его характеристики. Структура воздушного потока. Влияние земной
поверхности и препятствий на ветер. Роль полезащитных лесных полос в изменении
ветрового режима. Изменение скорости и направления ветра с высотой в пограничном
слое. Влияние горизонтального изменения температуры на изменение скорости и
направления ветра в свободной атмосфере. Результаты наблюдений. Периодические
изменения скорости ветра в пограничном слое и в свободной атмосфере.
4. Циркуляция атмосферы. Простейшие схемы общей циркуляции атмосферы.
Циркуляция в тропической зоне. Ветры умеренных и высоких широт. Роль циркуляции
атмосферы. Муссоны. Понятие о струйных течениях. Условия образования местных
циркуляций. Бризы, горно-долинные ветры. Влияние орфографии на ветер.
VII. Оптические явления в атмосфере
1. Основные световые величины. Световые величины и единицы их измерения.
Глаз и его работа в различных условиях освещения.
2. Рассеяние света в атмосфере. Понятие о теориях молекулярного рассеяния и
рассеяния света на крупных частицах. Цвет неба. Поляризация рассеянного света.
Результаты наблюдений. Изменения поляризации во времени и в зависимости от
состояния атмосферы.
3. Освещенность земной поверхности. Яркость небесного свода. Результаты
наблюдений и понятие о методах определения прозрачности
атмосферы по
изменению яркости небесного свода. Освещенность прямым и рассеянным светом,
суммарная освещенность. Понятие о методах измерения освещенности. Результаты
наблюдений. Понятие о световом климате. Сумерки. Освещенность в сумерки и ее
характеристики. Сумеречный метод зондирования атмосферы. Заря и ее причины
появления. Освещенность в лунные ночи. Свечение ночного неба. Прожекторный
метод зондирования атмосферы.
4. Яркость и цвет ландшафта. Яркость предметов ландшафта. Коэффициент
яркости. Индикатрисы отражения различных поверхностей. Цвета объектов
ландшафта. Спектральный коэффициент яркости.
5. Дальность видимости. Геометрическая дальность видимости. Основные
факторы,
определяющие
условия
видимости
любых
предметов.
Теория
горизонтальной дальности видимости. Влияние атмосферы на видимость предметов.
Метеорологическая дальность видимости днем. Дальность видимости ночью, ее
5
особенности. Визуальные методы определения метеорологической дальности
видимости. Основные сведения о методах определения дальности видимости любых
предметов. Понятие о полетной и посадочной видимости. Видимость в облаках и
туманах.
6. Рефракция света в атмосфере. Уравнение траектории светового луча в
атмосфере. Рефракция астрономическая и земная. Явления, обусловленные
астрономической и земной рефракцией.
7. Оптические явления в облаках. Виды гало. Объяснения основных форм гало.
Венцы и другие дифракционные явления. Радуга, ее объяснение.
8. Кажущаяся форма небесного свода. Мера сплюснутости. Явления,
обусловленные сплюснутостью небесного свода.
VIII. Электрические явления в атмосфере
1. Ионизация атмосферы. Общий обзор электрических явлений в атмосфере.
Ионы в атмосфере, их ряды, характеристики. Рекомбинации ионов и
продолжительность их жизни. Проводимость атмосферы. Понятие о методах
измерения колизационного состояния атмосферы, проводимости и числа ионов.
Результаты наблюдений над проводимостью, числом и подвижностью ионов.
Основные ионизаторы атмосферы.
2. Электрическое поле в атмосфере. Основные соотношения электростатики
применительно к атмосферному электрическому полю. Поверхностный заряд Земли.
Объемные заряды в атмосфере. Изменения электрического поля в пространстве и во
времени. Влияние турбулентности на изменения напряженности электрического поля
атмосферы. Электрические токи в атмосфере.
3. Грозовое электричество. Понятие о теория зарядов в грозовых облаках. Заряд
облаков и напряженность молнии. Электрические характеристики грозовых разрядов.
Схема пробоя молнии. Поражаемость молнией объектов на земной поверхности.
Методы защиты от молний. Проблема сохранения отрицательного заряда Земли.
4. Ионосфера. Изменение ионизации и проводимости атмосферы с высотой.
Траектория радиоволн в ионосфере. Понятие о методах изучения ионосферы:
определение высоты и концентрации ионозированных слоев. Основные результаты
экспериментального изучения ионосферы с учетом данных искусственных спутников
Земли и геофизических ракет. Источники ионизации ионосферы. Изменения состояния
ионосферы, связь с другими геофизическими явлениями.
5. Полярные сияния. Общие сведения о полярных сияниях. Связь сияний с
другими геофизическими явлениями. Основные характеристики спектра полярных
сияний. Понятие о теориях возникновения полярных сияний. Современные взгляды на
происхождение атмосферного электричества.
IX. Звуковые явления в атмосфере
1. Распределение звуковых колебаний в атмосфере. Звуковые колебания, как
упругие колебания среды. Скорость распространения
звуковых колебаний в
атмосфере и ее зависимость от метеорологических факторов. Ослабление звуковых
колебаний в атмосфере. Отражение и преломление звука. Рефракция звука в
зависимости от изменения ветра с высоты. Условия, благоприятные и
неблагоприятные для слышимости
звуков в атмосфере. Рефракция звука в
зависимости от изменения ветра, стратификации атмосферы.
2.
Звуковые явления в атмосфере. Звуковые явления метеорологического
происхождения: гром, эхо, скрип снега, «голос моря» и др. Зоны аномальной
слышимости, их объяснение. Взрывные волны, их использование в геофизических
целях.
6
Основная литература
1. А.Х Хргиан. Физика атмосферы. Л. Гидрометеоиздат, 1969.
2. П.Н. тверской. Курс метеорологии. Л. Гидрометеоиздат, 1962.
3. Л.С. Гандин, Д.Л. Лайтхман, Л.Т. Матвеев, М.И. Юдин. Основы динамической
метеорологии.
Дополнительная литература
1.
Л.Т. Матвеев. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.
Гидрометеоиздат, 1965.
2. Н.З. Пинус, С.М. Шметер. Аэрология, ч. II. Физика свободной атмосферы, Л.
Гидрометеоиздат, 1965.
3. К.Я. Кондратьев. Актинометрия. Л. Гидрометеоиздат. 1965.
4. Дж. А. Чалмерс. Атмосферное электричество. Л. Гидрометеоиздат, 1974.
А.С. Зверев. Синоптическая метеорология. Л. Гидрометеоиздат, 1968.
5. Л.К. Качурин. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.
Гидрометеоиздат, 1973.
Программа рассмотрена и одобрена Ученым советом ЦАО 23.03.2004 г.