программа вступительного экзамена - На главную

ПРОГРАММА ВСТУПИТЕЛЬНОГО ЭКЗАМЕНА
В АСПИРАНТУРУ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТЯМ 25.00.10 «ГЕОФИЗИКА,
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОИСКОВ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ» И 25.00.29
«ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ»
«ФИЗИКА ЗЕМЛИ, ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ
Санкт-Петербург
2013 г.
Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых
Гравитация, ее задачи. Потенциал силы тяжести. Понятие геоида.
Гравитационные модели Земли: Ньютона, Гюйгенса, Клеро.
Идеальная Земля. Нормальное гравитационное поле Земли. Теорема Клеро.
Представление поля силы тяжести рядом по сферическим функциям: зональные,
секториальные, тессеральные гармоники.
5. Масса Земли, средняя плотность. Изменение плотности и силы тяжести с глубиной.
6. Прямая и обратная задачи гравитации (проблема Стокса). Гравитационные аномалии.
7. Редукции силы тяжести.
8. Гипотеза изостатической компенсации.
9. Исследование фигуры геоида: вывод основного дифференциального уравнения
гравитации.
10. Интегрирование основного дифференциального уравнения гравитации: формула
Стокса.
11. Изучение фигуры физической поверхности Земли (по Молоденскому).
12. Приливно-отливные движения на Земле (статическая теория).
13. Гравиметрическая разведка.
14. Распределение элементов земного магнетизма на поверхности Земли. Методы
изучения пространственного распределения геомагнитного поля.
15. Аналитические представления магнитного поля: магнитное поле Земли как поле
однородно намагниченной сферы.
16. Теория Гаусса, физический смысл членов ряда Гаусса. Выделение составляющих
поля, обусловленных внешними и внутренними источниками.
17. Магнитный момент Земли. Структура магнитного поля Земли. Методы и принципы
разделения геомагнитного поля на главное и аномальное.
18. Вековые вариации магнитного поля Земли. Методы изучения. Западный дрейф,, его
характер. Спектр вековых вариаций.
19. Археомагнетизм и палеомагнетизм. Физические основы этих явлений. Остаточная
намагниченность горных пород, ее виды. Вековые изменения магнитного поля Земли
по археомагнитным данным. Инверсии магнитного поля.
20. Гипотезы о природе магнитного поля Земли. Современные теории. Математическое
обоснование магнитного гидродинамо.
21. Гипотеза Булларда. Процесс регенерации поля. Гипотеза Брагинского. Условия,
обеспечивающие работу динамо. Источники энергии, обеспечивающие конвекцию.
22. Основные особенности поля, объясняемые МГД-теорией.
23. Нестационарность солнечной короны. Солнечный ветер, теория Паркера.
Экспериментальное подтверждение теории Паркера.
24. Взаимодействие солнечного ветра с геомагнитным полем. Магнитосфера.
25. Основные типы геомагнитных возмущений: DCF, DR, DPI, DP2, DP3, DP4.
26. Sq-вариации геомагнитного поля. Эквивалентные токовые системы. Динамо- теория
Sq-вариаций. Экваториальный электроджет и его объяснение.
27. Строение ионосферы. Образование простого слоя Чепмена. Проводимость
ионосферы.
28. Интегральная (по высоте) проводимость ионосферы. Область длинных и коротких
пробегов.
29. Уравнения движения упругой среды. Продольные и поперечные волны, скорости их
распространения.
30. Поверхностная волна, скорость ее распространения.
1.
2.
3.
4.
2
31. Падение плоской волны на граничную поверхность, возникновение отраженной
волны. Отражение и преломление упругих волн на поверхности раздела сред.
32. Сейсмические лучи в Земле. Дифференциальные уравнения сейсмического луча.
33. Параметр луча. Параметрическое уравнение годографа. Траектории сейсмических
лучей внутри Земли.
34. Близкие землетрясения. Использование их для изучения земной коры.
35. Определение глубин очагов и координат эпицентра.
36. Распределение скоростей продольных и поперечных волн по глубине. Схема
строения Земли по Буллену. Строение мантии. Строение ядра.
37. Состояние вещества внутри Земли. Изменение с глубиной силы тяжести, давления,
температуры.
38. Мобильность верхней оболочки Земли. Строение земной коры. Материковые глыбы.
Океанические области. Слои, составляющие земную кору.
39. Очаги землетрясений. Энергия землетрясений.
40. Элементы современной глобальной тектоники и связь их с сейсмическими
явлениями.
41. Основные методы исследования электропроводности Земли, основанные на
применении источников постоянного и переменного тока: вертикальное
электрическое зондирование, частотное зондирование, дипольное зондирование,
метод становления поля, метод вызванной поляризации (теория, методика
проведения, интерпретация).
42. Магнитотеллурические (МТ) методы исследования электропроводности Земли:
теория, методика, интерпретация, результаты.
43. Методика МТ зондирований в условиях горизонтально-неоднородной среды.
Магнитовариационные исследования горизонтально-неоднородной среды. Вектор
Визе. Интерпретация магнитовариационных аномалий.
44. Глобальные магнитовариационные исследования на основе анализа
пространственных гармоник вариаций типа Sq, Dst и др.
45. Построение глобальной кривой зондирования по результатам сферического анализа
поля типа Sq, Dst и др. Интерпретация глобальной кривой.
46. Электропроводность Земли по данным МТЗ, МВЗ и вековым вариациям.
47. Тепловой поток: измерение и закономерности в его распределении.
48. Оценка температуры в коре и верхней мантии по данным о тепловом потоке и
радиоактивности горных пород.
49. Оценка минимальной (соответствующей адиабатическому градиенту) и
максимальной (температура плавления) температур в мантии.
50. Оценка температуры ядра Земли.
Литература
1) Бахмутов.В.Г. Палеовековые геомагнитные вариации // Изд. Наукова думка. Киев.
2006. С. 295.
2) Боганик Г.Н., Гурвич И.И. Сейсморазведка Тверь, АИС 2006 744 с.
3) Боровик Е. С.,. Ерёменко В. В, Мильнер А. С. Лекции по ферромагнетизму //
Москва. Физматлит. 2005. С. 510
4) Жданов М.С. Теория обратных задач и регуляризации в геофизике. М., Научный
мир, 2007.
5) Кауфман А.А., Левшин А.Л. Введение в теорию геофизических методов.
Акустические и упругие волновые поля в геофизике. т 3, М., Недра, 2001г.
6) Калинин Д.Ф. Информационно-статистический прогноз полезных ископаемых.
Геологоразведка, Санкт-Петербург. 2011, 164 с.
7) Ковтун А.А., Успенский Н.И.. Геоэлектрика. Естественное поле. Изд-во СПбГУ,
3
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
15)
16)
17)
18)
19)
20)
21)
2009.
Крылов С.С. Геоэлектрика. Поля искусственных источников. Изд-во СПбГУ, 2004.
Петрашень Г.И. Распространение волновых полей сигнального типа в упругих
сейсмических средах. Изд-во СПбГУ, 2000, 356 с.
Троян В.Н., Киселев Ю.В. Анализ и обработка данных. Издательство СПбГУ, 2010,
580 с.
Яновская Т.Б. Основы сейсмологии. Изд-во СПбГУ, 2007. 259 с.
Яновская Т.Б. Порохова Л.Н. Обратные задачи геофизики Изд-во СПбГУ 2004.
Gubbins D., Herrero-Bervera E (Editors). Encyclopedia of Geomagnetism and
Paleomagnetism // The Netherlands. Springer. 2007. P. 1054.
Havskov J. and Ottemoller L. Routine data processing in Earthquake seismology. 2010.
Springer. 326 p.
Hubert A., Schafer R. Magnetic Domains: The Analysis of Magnetic Microstruktures //
Berlin. Springer. 1998. P. 696.
Lanza, R. and Meloni, A. The Earth's magnetism : an introduction for geologists. 2006,
Berlin ; New York: Springer. x, 278 p.
Lay T. and Wallas T.G. Modern Global Seismology. 1995. Acad.Press, New York, 521 p.
McElhinny, M.W. and McFadden, P.L. Paleomagnetism : continents and oceans. 2000,
San Diego: Academic Press. xii, 386 p.
Schubert, G. (ed.), Treatise on geophysics. Vol. 5 Geomagnetism. 2007, Amsterdam ;
Boston: Elsevier. 589 p.
Stacey F., Davis P. Physics of the Earth, 4th ed., 2008. Cambridge Univ.Press , 513 p.
Tauxe, L., Essentials of paleomagnetism. 2010, Berkeley: University of California Press.
xvi, 489p.
4
Физика атмосферы и гидросферы
1. Структурные параметры атмосферы (давление, плотность, температура) и их
единицы. Уравнения состояния идеального газа и гидростатики. Изменение давления
и плотности с высотой, высота однородной атмосферы. Горизонтальные изменения
температуры и давления (циклоны, антициклоны, гребни и ложбины давления).
2.
Газовый состав атмосферы. Гомосфера и гетеросфера. Основные и малые газовые
составляющие. Состав атмосфер других планет (Венера, Марс, планеты-гиганты).
Диффузионно-гравитационное разделение газов. Понятие о фотохимическом времени
жизни газовой компоненты и времени перемешивания. Озон в атмосфере, и теория
его вертикального распределения.
3.
Аэрозольный состав атмосферы. Распределение частиц по размерам. Источники
аэрозоля. Химический состав аэрозолей. Распределение аэрозоля по высоте.
Серебристые облака, полярные стратосферные облака.
4.
Основные определения физических величин в атмосферной оптике: интенсивность,
плотность, поток излучения, приток лучистой энергии. Уравнение переноса
излучения в общем виде. Коэффициенты ослабления, поглощения, рассеяния и
излучения. Функция источника, альбедо однократного рассеяния, вероятность
выживания кванта, индикатриса рассеяния. Вектор-параметр Стокса. Закон БугераЛамберта.
5.
Спектры атмосферных газов. Контур и ширина линий. Уширение в результате
столкновений и допплер-эффекта. Контур Фойгта. Структура вращательных и
колебательно- вращательных спектров. Вращательные, колебательно-вращательные и
электронно-колебательно-вращательные полосы и континуумы атмосферных газов.
Атмосферные окна прозрачности. Функции пропускания и поглощения атмосферных
газов.
6.
Рассеяние света частицами и молекулами. Оптические свойства частиц (показатели
преломления и поглощения) и зависимость их от размера частицы и частоты
излучения. Релеевское рассеяние, индикатриса рассеяния, поляризация рассеянного
света. Зависимость количества рассеянной от длины волны и объёма частицы.
Определение факторов эффективности ослабления рассеяния и поглощения.
Индикатриса рассеяния для больших частиц. Индикатриса рассеяния реальной
атмосферы. Аэрозольное и молекулярное ослабление света в реальной атмосфере,
зависимость коэффициента ослабления от длины волны, закон Ангстрема. Цвет неба.
Оптические явления на каплях и ледяных кристаллах (ореол, дифракционные венцы,
гало, радуга, глория).
7.
Оптические характеристики поверхностей. Альбедо подстилающей поверхности
(вода, суша), облаков и Земли как планеты. Освещённость и суточная сумма прихода
солнечного излучения на поверхность Земли в случае отсутствия атмосферы.
Поляризационные характеристики отражения. Атмосферная рефракция. Уравнение
траектории луча. Эффекты астрономической и земной рефракции. Миражи.
5
8.
Рассеянное солнечное излучение. Однократное и многократное рассеяние. Методы
решения уравнения переноса излучения. Освещённость земной поверхности, вклад в
нее прямого и рассеянного излучения, зависимость освещённости от альбедо,
вытянутости индикатрисы рассеяния, оптической толщины и зенитного угла солнца.
Поляризация рассеянного света.
9.
Уравнение переноса теплового излучения. Полосы поглощения, ответственные за его
перенос. Интенсивности линии и полосы. Кинетическое уравнение заселённости
состояний молекулы. Локальное термодинамическое равновесие (ЛТР) для
колебательных и вращательных степеней свободы молекул. Нарушение ЛТР и его
влияние на перенос теплового излучения атмосферы.
10. Функции пропускания атмосферы, их роль при решении прямых и обратных задач.
Приближенные методы теории переноса теплового излучения - модели полос
поглощения, к-метод, фактор диффузности, пропускание смеси газов.
11. Полярные сияния, свечения ночного неба, дневное и сумеречное свечение. Их
спектры, механизмы и высоты.
12. Прямые и обратные задачи атмосферной оптики. Различные типы обратных задач
атмосферной оптики. Дистанционные методы измерений атмосферных параметров.
Классификация дистанционных методов по различным признакам. Блок-схема
дистанционных измерений. Роль априорной информации при решении обратных
задач атмосферной оптики. Различные типы априорной информации при решении
обратных задач.
13. Определение характеристик газового состава атмосферы. Полосы поглощения
атмосферных газов в различных областях спектра. Определение общего содержания
озона - метод Добсона и метод Гущина. Определение характеристик газового
состава атмосферы по измерениям прозрачности атмосферы в ИК области. Факторы,
определяющие точность дистанционного метода.
14. Формулировка физико-математической модели дистанционных измерений в
тепловой области спектра. Определение температуры подстилающих поверхностей.
Методы учета влияния атмосферы при определении температуры подстилающих
поверхностей. Определение вертикального профиля температуры атмосферы.
Дистанционный метод определения характеристик газового состава атмосферы.
15. Формулировка физико-математической модели дистанционных измерений по
рассеянному и отраженному излучению. Определение вертикального профиля и
общего содержания озона. Наземный метод определения вертикального профиля и
общего содержания озона. Определение аэрозольных характеристик атмосферы.
Поляризационный метод определения содержания озона и характеристик
аэрозольного состояния атмосферы.
16. Активные методы дистанционного зондирования атмосферы и поверхности лазерное и радиолокационное зондирование. Уравнение радиолокации и лидарное
уравнение. Пространственное разрешение методов. Методы определения
температуры, газового и аэрозольного состава атмосферы, поля ветра.
6
17. Уравнение неразрывности. Уравнение движения (формы записи Эйлера и
Рейнольдса). Объёмные и поверхностные силы, действующие в атмосфере. Тензор
вязких напряжений и сила молекулярной вязкости. «Сила инерции». Сила
Кориолиса.
18. Уравнение сохранения энергии и его представление в виде уравнения притока тепла.
Сухо и влажно-адиабатические процессы и соответствующие им градиенты
температуры. Потенциальная температура. Статический критерий устойчивости
атмосферы. Частота Брента-Вяисяля.
19. Турбулентные пульсации скорости, температуры, плотности и давления в
атмосфере. Полуэмпирическое диффузионное описание турбулентных потоков. Путь
смешения, коэффициент турбулентности. Уравнения неразрывности, движения и
притока тепла в турбулизованной среде. Тензор турбулентных напряжений. Сила
турбулентного трения. Турбулентный поток и приток тепла.
20. Уравнение баланса турбулентной энергии в виде, используемом в атмосферных
задачах. Работа сил плавучести. Критерии Ричардсона и Рейнольдса возникновения
и развития турбулентных пульсаций. Применение критериев устойчивости к
интерпретации пространственного распределения интенсивности турбулентности в
атмосфере. Турбопауза.
21. Классификация атмосферных движений по методу теории подобия. Условия
стационарности и горизонтальной однородности движений (число Россби).
Определения планетарного пограничного слоя, поверхностного слоя и свободной
атмосферы. Геострофический ветер и его изменение с высотой, понятие
термического ветра. Зональный ветер и его широтно-сезонно-высотное
распределение. Циклострофический ветер. Движение воздушных масс в циклонах и
антициклонах.
22. Вертикальный профиль ветра в пограничном слое, спираль Экмана. Принципы
построения теории подобия и замыкания системы уравнений для пограничного слоя.
23. Свободная термическая конвекция в атмосфере. Мезомасштабная конвекция РэлеяБенара. Конвекция, обусловленная горизонтальным градиентом температуры:
местные ветры (бризы и горно-долинные ветры), мусонная циркуляция,
макромасштабные конвективные ячейки Хэдли.
24. Наблюдения акустико-гравитационных волн (АГВ) в атмосфере. Линейная теория
АГВ. Дисперсионные и поляризационные соотношения. Уравнение энергии АГВ и
ее поток. Источники АГВ.
25. Глобальные волны в атмосфере, их классификация и способы описания.
Собственные колебания атмосферы (волны Россби), их наблюдение и фазовая
скорость. Лунный гравитационный и солнечный тепловой приливы. Механизмы их
возбуждения и наблюдения.
26. Бароклинная и баротропная неустойчивость зонального потока как причина
циклонообразования на умеренных и высоких широтах. Режим циркуляции Россби и
Хэдли. Опыты во вращающихся сосудах.
7
27. Составляющие теплового баланса атмосферы. Лучистые притоки энергии
(поглощение солнечного излучения, перенос теплового излучения атмосферы).
Приток тепла за счет фотохимических процессов. Тепловой эффект фазовых
переходов воды. Приток тепла за счёт диссипации мезо- и макро-движений. Приток
тепла за счёт молекулярной и турбулентной/конвективной теплопроводности.
Вентильный эффект. Изменение температуры при адвекции тепла и холода и в
адиабатическом процессе.
28. Объяснение основных особенностей вертикального распределения температуры в
планетных атмосферах (тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера).
Приближение лучистого равновесия. Парниковый эффект.
29. Условия равновесия двухфазной и трёхфазной однокомпонентной
термодинамической системы. Стабильные и нестабильные состояния.
Поверхностное натяжение и свободная энергия «поверхностной фазы». Условия
равновесия системы газ-заряженная капля. Уравнение Дж. Томсона. Образование и
рост зародышевой капли в чистой газообразной фазе. Капли критического размера и
вероятность их образования. Уравнение Клайперона- Клаузиуса. Упругость пара над
растворами. Ядра конденсации, сублимации и кристаллизации и роль в образовании
жидкой и твёрдой фаз воды.
30. Изменение размера капель и кристаллов путём молекулярной диффузии водяного
пара. Типы коагуляции капель. Коэффициенты соударения, слияния и захвата или
коагуляции. Эффект дробления капель. Кинетическое уравнение для распределения
капель по размерам. Уравнение водности. Микрофизические характеристики облаков
и туманов.
31. Процессы образования облаков и туманов и классификация их по генетическому
признаку. Понятия воздушной массы и фронтальной поверхности. Общая постановка
задачи возникновения и развития облаков. Системы уравнений для слоистого и
кучевого облаков.
32. Механизм образования осадков из водяных и смешанных облаков. Искусственные
воздействия на облака и туманы. Физические механизмы воздействия и их
практическая реализация. Способы стимулирования термической конвекции.
33. Грозовое электричество. Заряды облачных капель и осадков. Пространственное
распределение зарядов в грозовом облаке. Грозовые разряды, молния и механизмы её
развития.
Литератуpa
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Чемберлен Дж. Теория планетных атмосфер. Введение в их физику и химию. М.:
Мир, 1985.
Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.
Матвеев Л.Т. Физика атмосферы. Издание третье. СПб.: Гидрометеоиздат, 2000.
Тверской П.Н. Курс метеорологии (физика атмосферы). Гидрометеоиздат, 1962.
Хргиан А.Х. Физика атмосферы. ГИФЛМ, 1958.
Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. Наука,
8
Л., 2003.
7. Соболев В.В. Перенос лучистой энергии в атмосферах звёзд и планет. ГИТТЛ. 1965.
8. Минин И.Н. Теория переноса излучения в атмосферах планет. М., Наука. 1988.
9. Нагирнер Д.И. Лекции по теории переноса излучения. СПб.: Изд. СанктПетербургского университета, 2001.
10. Гуди P.M. Атмосферная радиация. Основы теории. Мир, 1966.
11. Ван де Хюлст. Рассеяние света малыми частицами. М.: ИИЛ, 1961.
12. Ку-Нан Лиоу. Основы радиационных процессов в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат.
1984.
13. Шефов Н.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Излучение верхней атмосферы – индикатор
ее структуры и динамики. М.: ГЕОС, 2006.
14. Краснопольский В. Л. Физика свечения атмосфер планет. М.: Наука, 1987.
15. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Термическое зондирование атмосферы со
спутников. Л. Гидрометеоиздат, 1970.
16. Кондратьев К.Я. Тимофеев Ю.М. Метеорологическое зондирование атмосферы из
космоса. Л. Гидрометеоиздат, 1978.
17. Кароль И.Л., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере. Л.
Гидрометеоиздат, 1983.
18. Малкевич М.С. Оптические исследования атмосферы со спутников. М. Наука, 1973.
19. Турчин В.Ф., Козлов В.П., Малкевич М.С. Использование методов математической
статистики для решения некорректных задач. УФН. 1970 т. 102, № 3 с. 33-55
20. Степаненко В.Д., Радиолокация в метеорологии. Л. Гидрометеоиздат, 1973.
21. Башаринов А.Е., Гурвич А.С, Егоров СТ. Радиоизлучение Земли как планеты, М.
Наука. 1974.
22. Лазерный контроль атмосферы. Под ред. Э.Дэ Хинкли. М. Мир. 1979.
23. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М. Мир. 1987.
24. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Издание второе. Л.:
Гидрометеоиздат, 1970.
25. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М: Наука, ГРФМЛ, 1988.
26. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. Наука. М., 1967.
27. Хинце И.О. Турбулентность. ГИФМЛ. М.: 1963.
28. Матвеев Л.Т. Теория общей циркуляции атмосферы и климата Земли. Л.:
Гидрометеоиздат, 1991.
29. Холтон Дж.Р. Динамическая метеорология стратосферы и мезосферы. Л.:
Гидрометеоиздат, 1979.
30. Гисина Ф.А., Лайхтман Д.Л., Мельникова И.И., Палагин Э.Г., Подольская Э.Л.,
Радикевич В.М., Юргенсон А.П. Динамическая метеорология. Под ред. Лайхтмана
Д.Л.. Л: Гидрометеоиздат, 1970.
31. Госсард Э.Э., Хук У.Х. Волны в атмосфере. М: Мир, 1978.
32. Дикий Л.А. Теория колебаний земной атмосферы. Л: Гидрометеоиздат, 1969.
33. Лоренц Э.Н. Природа и теория общей циркуляции атмосферы. Л: Гидрометеоиздат,
1970.
34. Монин А.С. Введение в теорию климата. Л: Гидрометеоиздат, 1982.
35. Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. Л: Гидрометеоиздат,
1973.
36. Чепмен С., Линдзен Р. Атмосферные приливы. М: Мир, 1972.
37. Моханакумар К. Взаимодействие стратосферы и тропосферы. М.: Физматлит, 2011.
38. Шакина Н.П. Гидродинамическая неустойчивость в атмосфере. Л.:
Гидрометеоиздат, 1990. 309 с.
39. Тимофеев Ю.М. Глобальная система мониторинга параметров атмосферы и
поверхности. — Учебное пособие, СПбГУ, Санкт-Петербург, — 2010. — 129 стр.
9
10