УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. А.М. ГОРЬКОГО
Физический Факультет
Кафедра общей и молекулярной физики
«УТВЕРЖДАЮ»
Проректор по учебной
работе
Программа
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.
Лекционный курс
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
8
8
Банки
спектроскопической
информации. Анализ
полос поглощения
атмосферных газов.
PC
Pentium;
9
8
Перенос микроволнового
и инфракрасного
излучения в атмосфере
PC
Pentium;
Тема
Наглядные
пособия и
оборудован
ие
Самостоятельная
работа студентов
Содержан часы
ие
Формы
контроля
Приобрете
ние
практичес
База
ких
данных
навыков
HITRANработы с
96
и/или современн
HITRANыми
2k
базами
данных
4
Практическ
ие занятия
Усвоение
основ
моделиров
ания
переноса
излучения
в
атмосфере
6
Практическ
ие
занятия
Демонстра
ционная
версия
Программн
ого
продукта
FIREARMS
Эмиссионн
ые спектры
атмосферы,
наблюдаем
ые
со
спутников