Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова
Кафедра физики моря и вод суши

Механика сплошных сред

Кинематика жидкой среды. Переменные Эйлера и Лагранжа. Уравнение неразрывности. Потенциальное и вихревое движение. Потенциал скорости. Вихревое поле и его свойства. Основные уравнения динамики идеальной жидкости. Уравнения Эйлера. Другие формы уравнений. Случай несжимаемой жидкости. Баротропность и бароклинность. Приток энергии. Простейшие случаи движения идеальной жидкости. Вихревые движения идеальной жидкости. Движение круглого цилиндра. Обтекание плоской пластины. Основные уравнения динамики вязкой жидкости. Тензор скоростей деформации и тензор напряжений, связь между ними. Уравнения Навье-Стокса. Векторная форма уравнений движения вязкой несжимаемой жидкости. Закон подобия . Числа Рейнольдса и Фруда. Точные решения уравнений движения вязкой жидкости. Общий случай стационарного течения. Нестационарное одномерное течение. Диффузия вихря. Приближенные решения уравнений движения вязкой жидкости в случае малых и больших чисел Рейнольдса.

Экологические проблемы геофизики

Работы Медоуз и др. "Пределы роста", "За пределами роста". Глобальный экологический кризис. Концепция устойчивого развития.Глобальное потеплене. Парниковый эффект. Озоновый кризис. Кислотные дожди. Основные понятия общей экологии. Экосистемы. Биосфера. Экологические факторы. Эволюция экосистем. Потоки вещества в экосистемах.. Углеродный, азотный, кислородный циклы. Круговорот воды. Роль океана в круговороте веществ в биосфере. Влияние геофизических и антропогенных факторов на потоки вещества в биогеоценозах. Потоки энергии в экосистемах. Энергетика и экология. Антропогенные воздействия на биосферу. Виды загрязнений. ПДК. Загрязнение океана. Атмосферы и литосферы. Добыча минеральных ресурсов и возможные экологические последствия. Понятие о процессах самоочищения. Структура пограничных слоев атмосферы и океана, океана и литосферы. Перенос вещества и энергии через границы. Природные катастрофы: ураганы, цунами, извержения вулканов, землетрясения и их экологические последствия.

Моделирование физических процессов в гидросфере

Разработка методов расчета и моделирования внутренних волн, пограничных течений, многокомпонентной конвекции, вихрей и турбулентности. Аналитическое моделирование природных процессов, допускающее прямое сравнение с наблюдениями, разрабатываемое на основе теории непрерывных и дискретных групп, дифференциальной геометрии, асимптотических разложений, нелинейной механики, символьных вычислений.

Динамика морских течений

Методы изучения динамических процессов в морях и океанах. Уравнения движения и неразрывности , используемые в задачах о морских течениях. Трение в морской воде. Коэффициент вязкости, его зависимость от режима движения и устойчивости водных масс.Динамические касательные напряжения, вызываемые ветром на поверхности моря. Сила Кориолиса. Поля силы тяжести, давления и плотности в море. Аномалии силы тяжести. Гравитационный потенциал. Давление в толще моря и единицы его измерения. Динамический метод определения установившихся течений в морях и океанах. "Нулевая" поверхность в океане и метод ее определения. Теория установившихся дрейфовых течений в бесконечно глубоком море по Экману. Теория Экмана для моря конечной глубины. Связь между коэффициентом вязкости и скоростью ветра, вытекающая из теории Экмана. Градиентные течения в однородном море. Прибрежные течения, возникающие под действием ветра. Сгонно-нагонные явления. Современные направления в исследовании океанических течений.

Динамика морских волн

7 семестр, 36 часов

Волны бесконечно малой амплитуды. Вывод выражений для потенциала скоростей, фазовой скорости волн, скоростей движения частиц жидкости и их траекторий в глубоком и мелком море. Волновое давление в толще воды и его затухание с глубиной. Групповая скорость волн. Кинетическая, потенциальная и полная энергия волн. Перенос волновой энергии. Физический смысл групповой скорости. Волны конечной амплитуды. Теория трохоидальных волн и теория потенциальных волн конечной амплитуды на глубокой воде. Стоксово волновое течение: его затухание с глубиной. Предельно крутые волны на поверхности воды. Расчет элементов ветровых волн при изменяющейся скорости и изменяющемся направлении ветра. Распределение волн зыби в океане при выходе из зон шторма. Стоячие волны и генерация микросейсм. Статистический метод описания волнения. Автокорреляционная функция, энергетический спектр, соотношение между ними. Угловой энергетический спектр взволнованной поверхности."Интервал равновесия" в частотном спектре волн и его физический смысл.

Динамика руслового потока

Основные уравнения гидродинамики идеальной несжимаемой жидкости. Массовые и поверхностные силы. Гидродинамическое давление в идеальной жидкости. Плоское безвихревое движение. Функции тока. Комплексная скорость и комплесный потенциал. Источники и стоки. Дуплеты. Вихревые точки. Образование вихрей. Плоская задача о движении тела в идеальной жидкости. Равномерное и ускоренное движение установившегося потока. Потоки, скорость которых убывает вдоль по течению. Процесс образования цилиндрических вихрей и шаг отрывающейся цепочки вихрей. Движение цилиндрических вихрей, движущихся как твердое тело в потоке со сдвигом скорости. Поперечная циркуляция в русловых потоках. Основные виды русловых деформаций. Типы речных русел. Механизм эрозии и транспорта наносов. Стационарные волны в потоках, скорость которых меняется вдоль по течению.Воздействие стационарных волн на поток. Усиление стационарных волн на рельефе дна. Образование трехмерных гряд. Образование излучин рек и донных гряд. Турбулентное движение руслового потока. Частотный спектр. Турбулентная диффузия. Характеристики наносов. Распространение, перемешивание и разбавление вредных примесей в равномерных и неравномерных речных потоках.

Длинные волны

Длинные волны. Уравнения мелкой воды. Дисперсионное уравнение. Энергетика движения. Сейши и приливы в заливах. Формула Мериана. Эффекты вращения в узких заливах. Учет конечности амплитуды волны. Подход Эйри. Вторая гармоника. Роль трения при распространении волны. Приливы. Малая и полная вода. Синодический, деклинационный, аномалистический типы приливов. Приливные составляющие. Приливообразующие силы. Приливные уравнения Лапласа. Равновесный прилив. Приливная волна в зональном канале.Приливы в устьях рек. Бор. Солитон. История его открытия. Уравнение Кортевега-де-Фриза.Уравнения мелкой воды с учетом эффектов вращения. Волны Пуанкаре. Радиус деформации Россби. Топографические волны Россби. Волны в тропической зоне. Экваториальные волны Кельвина, Пуанкаре, Россби. Береговые захваченные волны. Волны Стокса. Лучевая теория захвата волн. Внутренние волны. Приближение Буссинеска. Эффект вращения. Цунами .Основные причины возникновения. Параметры волн цунами в очаге. Цунами в открытом океане. Цунами в прибрежной зоне. Трансформация на откосе. Моделирование цунами в лабораторных условиях. Критерии подобия. Понятие о цунамирайонировании.

Стратифицированные течения

Стратифицированные течения. Виды стратификации. Стратифицированные течения как одно из наиболее распространенных явлений природы. Особенности изучения двухфазных течений. Уравнения движения одиночной твердой частицы; статистические методы исследования движения множества частиц; метод исследования двухфазных течений как ,,аналога сплошной среды; комбинированные методы. Особенности движения придонных стратифицированных течений: ламинарный режим движения, турбулентный режим, устойчивость потока. Связь вертикальных распределений плотности жидкости с профилями средней скорости стратифицированного течения. Распределение в толще плотностного течения основных пульсационных характеристик при турбулентном движении потока. Явление отрицательной турбулентной вязкости в стратифицированных течениях. Энергообменные процессы в плотностных потоках.

Оптика океана

Океан и атмосфера - единая термодинамическая система Земли. Радиационный баланс атмосферы и океана. Тепловой баланс атмосферы и океана. Распространение электромагнитных волн в пространстве. Уравнения Максвелла. Волновое уравнение. Бегущая. Плоская , г,армоническая волна . Решение волнового уравнения. Энергия, переносимая бегущей волной. Плотность потока излучения. Поляризация элетромагнитного излучения. Основные величины энергетической радиометрии. Поглощение и рассеяние излучения. Оптические характеристики морской воды. Первичные и производные характеристики. Методика измерения. Оптические свойства чистой воды. Поглощение света морской водой. Рассеяние света морской водой. Форма индикатриссы рассеяния для различных размеров рассеивающих частиц. Уравнение переноса излучения. Проникновение солнечной радиации в океан. Альбедо океана. Световое поле в океане и его характеристики. Подводная яркость и облученность. Цвет моря.

Теория турбулентности

Определение турбулентного движения и возникновение турбулентности. Переход ламинарного движения в турбулентное. Турбулентность в стратифицированных по плотности течениях. Теория возникновения турбулентности Ландау. Модель Лоренца. Странный аттрактор. Статистический метод в теории турбулентности. Правила осреднения и система уравнений Рейнольдса. Система уравнений Фридмана. Методы замыкания систем уравнений Рейнольдса и Фридмана. Уравнение баланса турбулентной энергии Приближения Буссинеска. Учет силы Кориолиса в задачах геофизической гидродинамики. Полуэмпирические теории турбулентности. Коэффициенты турбулентного обмена. Учет влияния поля плотности на характеристики турбулентного движения. Микроструктура турбулентного потока. Законы Колмогорова - Обухова для структуры поля скорости. Внутренний масштаб турбулентности.Пограничные слои и их влияние на структуру потока. Пограничный слой на гладкой твердой поверхности. Плоские турбулентные слои смешения, нестратифицированные и стратифицированные по плотности. Пограничные слои с отрывом . Тепловой пограничный слой над водной поверхностью. Пограничные слои и синергетика.

Термика и молекулярная физика моря

Основные физические характеристики воздуха и морской воды. Уравнение состояния. Ослабление лучистой энергии Солнца в атмосфере и в воды. Эффективное излучение водной поверхности. Специфика условий океана и классификация движений в океане по масштабам. Система термогидродинамических уравнений для океана и проблема ее замыкания. Упрощение системы уравнений для турбулентного переноса на основе теории подобия. Статическая и динамическая устойчивость. Полная вертикальная устойчивость водных масс. Термохалинная устойчивость океанических вод. Основы теории Обухова - Монина для температурно-стратифицированной среды. Гидродинамическая классификация подстилающих поверхностей. Параметр шероховатости морской поверхности и связь его с волнением. Параметризация турбулентных потоков импульса, тепла и влаги. Методы расчета коэффициентов турбулентного обмена теплом. Расчет суточного и годового хода температуры в океане. Моделирование термической структуры деятельного слоя океана.

Взаимодействие атмосферы и океана

Определение климата и климатической системы. Энергетические характеристики климатической системы. Классификация процессов взаимодействия. Изменчивость метеорологических и океанических характеристик. Основные свойства составляющих климатической системы Земли: атмосферы, океана, криосферы, поверхности суши. Внешние и внутренние факторы в системе, определяющие глобальное взаимодействие. Глобальный климат и его изменения. Основные уравнения составляющих (блоков) климатической системы: уравнения блока атмосферы и океана; уравнения блока криосферы; краевые граничные условия; параметризация атмосферного пограничного слоя и краевые условия на границе раздела; схема связей основных уравнений и краевых условий. Общие принципы математического моделирования климата Земли. Основные климатические модели: одномерные балансовые модели, одномерные модели вертикальной структуры; двумерные климатические модели ; трехмерные модели общей циркуляции атмосферы и океана; модели климатической системы ледники-океан-атмосфера. Моделирование парникового эффекта газов и аэрозолей.

Геофизическая гидродинамика

Предмет и задачи курса. Причины появления геофизической гидродинамики как отдельной науки. Определение, задачи геофизической гидродинамики и ее приложения.Методы решения задач геофизической гидродинамики. Взаимодействие теории и эксперимента. Основные понятия классической гидродинамики , используемые в геофизической гидродинамике. Текучесть жидкостей. Приближение несжимаемой жидкости и сплошной среды. Структуры термогидродинамических полей высокоэнергетичных придонных слоев.Вихре-волновые процессы в геофизической гидродинамике. Понятие вихре-волновых структур. Физические свойства природных потоков, содержащих взвешенные частицы. Двухфазные и неньютоновские течения. Взаимодействие частиц. Влияние частиц на сдвиговые течения. Механика турбулентных взвесенесущих течений. Турбулентная диффузия взвешенных частиц в стратифицированных течениях. Спектры размеров взвешенных частиц в турбулентных течениях при наличии вихре-волновых процессов, седиментации и донной эрозии. Диагностика структуры течения по результатам гранулометрического анализа.

Гидрофизические исследования

Мировой океан как объект исследования. Роль и задачи гидрофизических измерений в физике моря. Основные требования, предъявляемые к гидрофизической аппаратуре. Носители гидрофизической аппаратуры. Измерители температуры воды. Измерители морских течений. Соленость воды. Волнение и уровень моря. Гидрооптические характеристики морской воды и способы их определения. Радиоактивность воды и грунта. Лазерная диагностика морской среды. Методы определения скорости течения, прозрачности, гранулометрического состава взвесей и других параметров. Проблемы и возможности спутниковой гидрофизики.

Акустика океана

Скорость звука в морской воде. Наиболее характерные профили скорости звука. Подводный звуковой канал. Поглощение и рассеяние звука. Влияние поверхности и дна океана на распространение звука. Шумы океана. Звукорассеивающие слои. Лучевая теория звукового поля в океане. Отражение звука от поверхности и дна океана. Прохождение звуковой волны из воды в воздух и обратно. Отражение звуковой волны от жидкого слоистого дна и от твердого дна. Точечный излучатель. Звуковое поле подводного излучателя, расположенного вблизи поверхности воды. Распространение звука в мелкой воде. Распространение звука в подводном звуковом канале. Простейшая лучевая теория подводного звукового канала. Рассеяние звука неровными поверхностями. Распространение звука в океане как случайно-неоднородной среде.Флуктуации фазы и уровня звукового сигнала. Рассеяние звука случайными неоднородностями. Акустические измерения.

Динамика и экология вод суши

Объект изучения и цели курса. Озерная котловина. Морфология озерных котловин.Классификация озер и водохранилищ. Водный баланс озер и водохранилищ. Уравнение водного баланса. Типы режимов озер и водохранилищ России. Термика озер и водохранилищ. Тепловой баланс. Термические структуры годового цикла озер и водохранилищ. Сезонный ход температуры в озере. Циркуляция в озерах и водохранилищах и основные методы расчетов течений. Волновые движения в озерах и водохранилищах. Сейши. Уравнения мелкой воды. Учет вращения Земли. Инерционные колебания. Волны Пуанкаре и Кельвина. Нагоны и сгоны в озерах. Краевые волны. Элементы гидрохимии озер и водохранилищ. Биогеоценозы озер и водохранилищ. Понятие о самоочищении вод и основные процессы самоочищения . Контроль качества воды. Физико-химические характеристики поверхности раздела вода-воздух. Адсорбционные явления. Пленки на поверхности водоемов.Динамика поверхностных волн и процессы обмена водоем - атмосфера при наличии поверхностных загрязнений.

Дистанционные методы изучения океана

Методы и средства дистанционного лазерного зондирования океана. Лидар: общая функциональная схема, передатчик, приемник. Отражение лазерного луча от поверхности океана и измерение характеристик волнения. Лазерная батиметрия.Распространение лазерного излучения в морской воде.Расчет величины эхо-сигнала. Определение светорассеивающих слоев в океане по поляризационным характеристикам эхо-сигнала. Комбинационное рассеяние лазерного излучения . Дистанционное измерение температуры и солености воды. Диагностика фитопланктона, водного гумусова вещества , нефтей и нефтепродуктов и других растворенных и эмульгированных в воде веществ. Лазерный мониторинг морских экосистем. О возможности лидарного зондирования океана со спутников. Физические основы радиолокационного зондирования. Гидроакустические методы дистанционной диагностики взволнованной морской поверхности.Звукорассеивающие свойства микроструктурных неоднородностей водной среды океана. Применение акустической локации для измерения течений и внутренних волн в океане.Оптическая радиометрия. ИК-радиометрия: измерение температуры океанской поверхности; исследование теплового излучения и радиационного баланса системы океан - атмосфера; обнаружение нефтяных пленок на морской поверхности. Физические основы СВЧ-радиометрии. Сравнительный анализ возможностей разных дистанционных методов изучения океана.

Статистические методы в геофизике

10 семестр, 38 часов

Основные задачи статистических методов обработки в геофизике. Стационарные и однородные случайные процессы во времени и в пространстве. Изотропные и анизотропные случайные процессы. Эргодичность стационарных случайных процессов: условия и возможность практической проверки. Законы распределения случайных величин. Центральная предельная теорема. Характеристическая функция и ее свойства. Выборочные характеристики случайных процессов. Проблема равных и неравных интервалов группировки. Статистический анализ выборочных моментов первого и второго порядка и коэффициент корреляции. Проверка гипотез. Ошибки первого и второго рода. Спектр мощности случайного процесса. Выборочные спектры мощности. Проблема фильтрации. Частотная характеристика фильтра. Нелинейная фильтрация случайных процессов. Нестационарные случайные процессы. Статистические свойства по совокупности реализаций. Выбросы случайных процессов.