Спецкурс: Термодинамика атмосферы Специальность: Физика Земли Екатеринбург 2004
Вид материала | Программа |
- Молекулярная физика и термодинамика статистический и термодинамический методы Молекулярная, 12.67kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины «Физика конденсированного состояния, термодинамика,, 223.9kb.
- Всероссийская конференция с международным участием «Физика окружающей среды», 124.24kb.
- Программа по физике для 10-11 классов общеобразовательных, 75.87kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплина «физика» Кафедра общей и экспериментальной, 611.05kb.
- C. Исследование атмосферы и океана оптическими методами, 41.81kb.
- C. Исследование атмосферы и океана оптическими методами, 39.28kb.
- C. Исследование атмосферы и океана оптическими методами, 41.93kb.
- Спецкурс «Физикохимия полимеров фазовые равновесия и термодинамика полимерных растворов,, 18.13kb.
- Первое информационное сообщение, 25.56kb.
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. А.М. ГОРЬКОГО
Физический Факультет
Кафедра общей и молекулярной физики
«УТВЕРЖДАЮ»
Проректор по учебной
работе
П р о г р а м м а
Спецкурс: Термодинамика атмосферы
Специальность: Физика Земли
Екатеринбург – 2004
Составитель программы: Захаров В.И.
Рецензент:
Отв. Редактор:
Одобрена методической комиссией
Физического факультета УрГУ
« » ___________ 2004 г.
Программа составлена на основе учебного плана кафедры общей и молекулярной физики по специальности «Физика Земли».
Содержание курса – термический режим атмосферы, принципы глобальной экологии, активные и пассивные оптические методы исследования Земли из космоса и состояния окружающей среды.
Цель курса – основываясь на термодинамическом описании тепловых режимов атмосферы, дать базисные представления о глобальной экологии, физических, социально-экономических и гуманитарных аспектах проблемы антропогенного парникового эффекта и изменения климата, методах исследования Земли современными аэрокосмическими средствами и мониторинга состояния различных экосистем и планеты в целом.
В результате усвоения курса у студентов должно сформироваться адекватное физическое (термодинамическое) представление о глобальной экологии, ее роли в современном обществе, о методах и технике мониторинга окружающей среды. Они должны получить знания о термодинамике климатической системы, современных технологиях дистанционного зондирования компонент климатической системы (литосферы, криосферы, атмосферы, океана, биосферы) со спутников, основанных на использовании электромагнитного излучения микроволнового, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов спектра.
Изучение курса «Термодинамика атмосферы» предполагает знание следующих дисциплин: общая физика, электродинамика, геофизика, оптика и молекулярная спектроскопия, термодинамика, квантовая механика, линейная алгебра, методы математической физики, математическая статистика и численные методы.
Данный раздел спецкурса рассчитан на 30 час.
^
Л е к ц и о н н ы й к у р с
1. Введение (1 час)
Предмет науки глобальная экология и мониторинг окружающей среды. Понятия и терминология. Природа, окружающая среда и ресурсы. Экология как экономика экосистем. Приоритеты глобальной экологии. Антропогенный парниковый эффект и проблема глобального потепления. Экономические и социальные аспекты проблемы. Аэрокосмические технологии наблюдения за Землей и изучения глобальных изменений на планете.
^ 2. Климатическая система и ее устойчивость (1 час)
Элементы климатической системы. Атмосфера. Океан. Криосфера. Литосфера. Биота. Биологическая регуляция окружающей среды и климата. Механизмы биотического контроля окружающей среды. Принцип Ле Шателье в современной биосфере. Биосфера как «свободный рынок». Сообщества биосферы. Эволюция. Проблема прогресса. Переход к ноосфере Вернадского или сохранение биосферы?
^ 3. Солнечная энергия и упорядоченные процессы в природе (2 часа)
Земля как открытая система. Потоки свободной энергии и энтропии. Трансформация солнечной энергии на Земле. Тепловая машина планеты. Потоки энергии у земной поверхности и их характерные величины. Устойчивость физических состояний окружающей среды. Возмущение тепловой машины планеты антропогенным парниковым эффектом. Термическая устойчивость климата.
^ 4. Биотическая регуляция окружающей среды (2 часа)
Ограниченность ресурсов и замкнутость круговоротов веществ в биосфере. Биогеохимические круговороты. Сообщества биосферы. Биотическая регуляция круговоротов веществ. Биотическая регуляция в океане. Биотический насос атмосферного углерода и его резервуары. Энергетика и размеры фотосинтезирующих растений. Чистая первичная продукция растений в различных экосистемах. Неподвижные и передвигающиеся организмы. Распределение потребления организмов в зависимости от их размеров. Мощность биоты и ее сообществ. Круговорот воды. Изменение глобального круговорота углерода, антропогенный парниковый эффект и дестабилизация климатической системы.
^ 5. Экология человека. Энергетика. (2 часа)
Стратегия поведения передвигающихся животных. Стадные животные. Территориальные животные. Генетическое и культурное наследие. Экологические ниши человека. Генетические программы поведения. Запасы информации и информационные потоки в биоте и цивилизации. Климатический предел роста величины энергопотребления и природных ресурсов человеком. Термодинамическая модель эволюции. Мировая энергетика, проблемы и тенденции развития. Критические точки. Пределы роста народонаселения, энергетики и парникового эффекта. Гуманитарные аспекты проблемы. Механизмы регуляции в социуме. Образование. Государство и Религия. Глобализация.
^ 6. Физика парникового эффекта (8 часов)
Радиационный режим атмосферы. Солнце и солнечная постоянная. Распределение солнечной радиации по земному шару при отсутствии атмосферы. Ослабление солнечной радиации. Поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли. Рассеяние солнечной радиации в атмосфере. Законы ослабления солнечной радиации в земной атмосфере. Закон Бугера. Ослабление излучения облаками. Альбедо. Излучение земной поверхности и атмосферы. Уравнение переноса инфракрасного излучения в атмосфере. Молекулярные полосы поглощения атмосферных газов: диоксида углерода, паров воды, метана, озона и других мелких примесей. Поглощение и рассеяние атмосферным аэрозолем. Радиационный баланс земной поверхности и атмосферы. Радиационный баланс атмосферы на верхней границе. Термический режим поверхности Земли. Уравнение теплового баланса Будыко-Селлерса. Природный и антропогенный парниковый эффект. Положительные и отрицательные обратные связи. Пороговые условия теплового баланса и взрывной парниковый эффект.
^ 7. Атмосферная прикладная спектроскопия (6 часов)
Колебательно-вращательные полосы поглощения молекул атмосферных газов. Молекулярная спектроскопия высокого разрешения. Идентификация линий в экспериментальных спектрах. Поглощение инфракрасного излучения основными атмосферными газами, мелкими примесями и аэрозолем. Базы спектроскопической информации – HITRAN и GEISA. Уравнение переноса для спектральной яркости излучения в атмосфере. Особенности переноса излучения ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и микроволнового диапазонов спектра в атмосфере. Лазерное зондирование атмосферы. Метод дифференциального поглощения. Лидары. Методы пассивного зондирования атмосферы. Современные оптические сенсоры наземного, самолетного и космического базирования.
^ 8. Современные методы дистанционного мониторинга глобальных изменений (8 часов).
Метеорологические и экологические спутники на полярных и геостационарных орбитах. Спутниковые сенсоры микроволнового, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов. Различные геометрии зондирования атмосферы Земли со спутников и космических станций: надир, лимб, наклонные трассы. Проблема наблюдения за парниковыми газами и аэрозолем в атмосфере. Картирование распределения озона в атмосфере и мониторинг озоновых дыр. Мониторинг температуры поверхности Земли и содержания парниковых газов в атмосфере. Сенсоры построения изображения и их использование для визуализации процесса деградации экосистем. Международные программы наблюдения Земли со спутников.
Литература
Марчук Г.И., Кондратьев К.Я. «Приоритеты глобальной экологии», М.: Наука, 1992.
Матвеев Л.Т. «Курс общей метеорологии (физика атмосферы)», Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
Зуев В.Е. «Распространение лазерного излучения в атмосфере», М.: Радио, 1981.
Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.Н., «Термическое зондирование атмосферы со спутников», Л.: Гидрометеоиздат, 1970.
Горшков В.Г. «Физические и биологические основы устойчивости жизни», Под редакцией К.С.Лосева, Москва 1995 г.
Одум Ю. «Экология», т.1,2 – М.: Мир, 1986.
Пригожин И.Р. «От существующего к возникающему», М.: Наука, 1985.
Хакен Г. «Синергетика. Иерархии устойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах», М.: Мир, 1985.
Яблоков А.В. «Популяционная биология», М.: Высшая школа, 1987.
Фоули Р. «Еще один неповторимый вид. Экологические аспекты эволюции человека», М.: Мир, 1990.
Учебно-методическая программа практических занятий по спецкурсу «Термодинамика атмосферы»
Номер недели | Номер темы | Тема | Нагляд-ные пособия и оборудование | Самостоятельная работа студентов | Формы контроля | |
Содержание | часы | |||||
8 | 8 | Банки спектроскопической информации. Анализ полос поглощения атмосферных газов. | PC Pentium; База данных HITRAN-96 и/или HITRAN-2k | Приобретение практических навыков работы с современными базами данных | 4 | Практические занятия |
9 | 8 | Перенос микроволнового и инфракрасного излучения в атмосфере | PC Pentium; Демонстрационная версия Программного продукта FIRE-ARMS Эмиссионные спектры атмосферы, наблюдаемые со спутников | Усвоение основ моделирования переноса излучения в атмосфере | 6 | Практические занятия |