Спецкурс: Термодинамика атмосферы Специальность: Физика Земли Екатеринбург 2004

Вид материалаПрограмма

Содержание


Л е к ц и о н н ы й к у р с
2. Климатическая система и ее устойчивость (1 час)
3. Солнечная энергия и упорядоченные процессы в природе (2 часа)
4. Биотическая регуляция окружающей среды (2 часа)
5. Экология человека. Энергетика. (2 часа)
6. Физика парникового эффекта (8 часов)
7. Атмосферная прикладная спектроскопия (6 часов)
8. Современные методы дистанционного мониторинга глобальных изменений (8 часов)
Подобный материал:


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