Введение в теоретические основы атмосферной оптики
Бакалаврская программа по специальности "Физика"
Спецкурс: 3-й курс, 5-6 семестр.
Объём: 108 академических часов.
СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ
Введение
Краткая история развития метеорологии и физики атмосферы. Объяснения атмосферных явлений в древнем мире. От Аристотеля до наших дней - основные вехи в развитии физики атмосферы. Объяснения необычных оптических явлений. Современные проблемы физики атмосферы. Связь физики атмосферы с другими науками о Земле.
Раздел 1. Общая характеристика планеты Земля
1.1. Земля - планета солнечной системы. Солнечная система - современные представления. Основные характеристики планет солнечной системы.
1.2. Основные параметры атмосфер планет солнечной системы. Современные представления о термическом режиме, газовом составе, облаках и поле ветра в атмосферах планет .
1.3. Особенности орбиты Земли. Изменения параметров орбиты Земли и характеристик ее движений. Экспериментальные подтверждения изменчивости параметров орбиты и движений Земли. Возможные влияния на климат Земли.
1.4. Солнце и его излучение. Строение Солнца. Формирование излучения Солнца. Образование фраунгоферовых линий. Изменчивость излучения Солнца. Астрономическая и метеорологическая солнечные постоянные.
Спектральная солнечная постоянная и ее изменчивость.
Раздел 2. Параметры физического состояния атмосферы
2.1. Деление атмосферы на слои. Различные принципы деления атмосферы на слои. Тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера. Ионосфера и ее особенности. Гомосфера и гетеросфера.
2.2. Пространственная и временная изменчивость структурных параметров атмосферы. Высотный ход температуры атмосферы и его изменчивость. Широтные и сезонные вариации температурного режима атмосферы.
2.3. Газовый состав атмосферы. Основные газовые составляющие атмосферы. Газовые примеси атмосферы, их классификация. Роль газовых примесей в различных атмосферных процессах. Изменчивость и временные тренды в содержании различных газовых примесей. Естественные и антропогенные источники и стоки различных газовых примесей. Климатические эффекты изменений содержания газовых примесей.
Уравнения связи структурных параметров - уравнение гидростатики и уравнение состояния. Барометрические формулы.
2.4. Атмосферный аэрозоль. Влияние аэрозоля на атмосферные процессы. Классификация атмосферных аэрозолей. Естественные и антропогенные источники и стоки атмосферного аэрозоля. Функции распределения аэрозольных частиц по размерам - теоретические и эмпирические аппроксимации. Вулканические извержения как источники атмосферных аэрозолей и газовых примесей.
2.5. Облака и осадки. Классификация облаков и осадков. Фазовый состав облаков и осадков. Функции распределения частиц облаков и осадков по размерам. Интенсивность осадков. Пространственные и временные вариации характеристик облаков и осадков. Климатология облачного покрова Земли и осадков. Спутниковые методы изучения облаков и осадков.Раздел 3. Электромагнитное излучение в атмосфере
3.1. Основные радиометрические величины. Интенсивность, поток, плотность излучения, притоки э.м. энергии, скорости радиационного изменения температуры атмосферы .
3.2. Шкала электромагнитных волн. Различные спектральные области э.м. излучения, их особенности.
3.3. Основные механизмы взаимодействия излучения со средой - ослабление, рассеяние, поглощение излучения. Закон Бугера. Эффект Форбса при ослаблении немонохроматического излучения.
3.4. Уравнение переноса излучения. Дифференциальная и интегральная формы уравнения переноса. Уравнение переноса для теплового излучения в условиях локального термодинамического равновесия ( ЛТР ). Нарушения условий ЛТР в атмосферах планет.
3.5. Уравнения теории многократного рассеяния излучения. Приближенные методы теории переноса излучения. Приближение однократного рассеяния.
3.6. Электромагнитная природа излучения. Поляризация излучения. Параметры Стокса. Векторная форма уравнения переноса.Раздел 4. Молекулярное поглощение в атмосфере
4.1. Поглощение атмосферными атомами и молекулами. Два типа спектральной зависимости молекулярного поглощения - селективный и континуальный. Физическая природа двух типов поглощения. Электронные, колебательные и вращательные спектры поглощения молекул.
Параметры, описывающие селективное молекулярное поглощение - положения, интенсивности, полуширины спектральных линий.
Форма спектрального контура линий поглощения. Физические причины уширения спектральных линий в атмосферах планет - естественное уширение, уширение за счет столкновений молекул и эффекта Доплера. Роль различных типов уширения в различных спектральных областях и на различных высотах в атмосфере.
Контур спектральных линий при совместном действии столкновений молекул и эффекта Доплера ( контур Фойгта ).
4.2. Функции пропускания атмосферных газов. Монохроматическая функция пропускания и функции пропускания для конечных спектральных интервалов. Методы получения функций пропускания: экспериментальные, теоретические и расчетные. Преимущества и недостатки различных методов получения функций пропускания.
Модели полос поглощения. Поглощение в изолированной спектральной линии. Случайные и регулярные модели полос поглощения. Асимптотические выражения для различных моделей полос поглощения. Прямой метод расчета функций пропускания - его преимущества и недостатки.
Метод получения функций пропускания , основанный на интегрировании коэффициента поглощения.
4.3. Приближенные методики в теории переноса ИК излучения. Расчеты функций пропускания для неоднородных сред : метод эффективной массы и метод Куртиса-Годсона. Трехпараметрический метод. Точность приближенных методов учета неоднородности атмосферы, их применимость при решении прямых и обратных задач атмосферной оптики.
4.4. Общая характеристика спектра молекулярного поглощения земной атмосферы. Коэффициенты поглощения атмосферных составляющих в УФ и видимой областях спектра. Основные полосы поглощения водяного пара, углекислого газа и озона в ИК области спектра. Молекулярное поглощение в микроволновой области спектра. Молекулярное поглощение в окнах прозрачности атмосферы.Раздел 5. Рассеяние в атмосфере
5.1. Молекулярное рассеяние. Элементарная теория молекулярного рассеяния. Индикатриса молекулярного рассеяния. Коэффициент молекулярного рассеяния и его зависимости от плотности атмосферы и длины волны. Эффекты поляризации при молекулярном рассеянии. Резонансное молекулярное рассеяние.
5.2. Аэрозольное рассеяние. Параметр рассеяния. Физическая картина рассеяния на больших частицах. Основы теории Ми. Факторы эффективности ослабления, рассеяния и поглощения монодисперсных аэрозолей. Индикатриса рассеяния аэрозольных частиц. Оптические характеристики полидисперсного аэрозоля.
Рассеяние на частицах произвольной формы.
5.3. Рассеяние излучения с перераспределением по частоте. Различные типы неупругого рассеяния - комбинационное рассеяние, флюоресценция. Длительность различных процессов неупругого рассеяния. Процессы тушения возбужденных состояний. Роль неупругого рассеяния в атмосферной оптике и в дистанционном зондировании атмосферы.
5.4. Атмосферная рефракция. Изменчивость коэффициента преломления в земной атмосфере. Астрономическая рефракция. Регулярная рефракция. Рефракционное ослабление при наблюдения звезд из космоса.
Вариации показателя преломления воздуха, обусловленные флюктуациями температуры. Случайная рефракция. Явления мерцания звезд при их наблюдениях на поверхности Земли и в космосе.
5.5. Оптические явления в атмосфере. Рассеяние света в безоблачной атмосфере. Поляризация дневного неба.Раздел 6. Оптические свойства подстилающих поверхностей
6.1. Основные типы отражения подстилающих поверхностей - зеркальное, квазизеркальное, диффузное, ламбертово. Количественные характеристики, описывающие отражение от подстилающих поверхностей, - альбедо поверхности, коэффициенты яркости, двухнаправленный коэффициент отражения. Зеркальное отражение - формулы Френеля. Отражение от неровной поверхности.
6.2. Спектральное поведение коэффициентов отражения различных поверхностей. Альбедо подстилающих поверхностей и облаков.
6.3. Взаимодействие излучения с системой атмосфера - океан. Перенос излучения на границах полупрозрачных сред.
Раздел 7. Свечения атмосферы
7.1. Основные законы фотохимии. Элементарная химическая кинетика. Термодинамический подход. Столкновительная теория бимолекулярных реакций. Мономолекулярные реакции. Термомолекулярные реакции. Процессы возбуждения и тушения состояний атомов и молекул, ионизации и диссоциации. Возбужденные составляющие в атмосфере. Элементарная теория ионосферы. Распределение электронной концентрации в атмосфере Земли и других планет. Классификация ионосферных слоев.
7.2. Простейшая теория озоносферы. Процессы образования и уничтожения озона. Основные фотохимические реакции с учетом малых газовых составляющих. Интенсивности фотохимических источников и стоков малых газовых составляющих атмосферы. Атмосферные циклы газовых примесей атмосферы.
7.3. Свечения ночного и дневного неба. Классификация свечений. Физические причины свечений различного типа. Полярные сияния и их морфология - географическое распределение и их периодические изменения. Спектральный состав свечений различного типа.Раздел 8. Основы теории переноса излучения
8.1. Перенос теплового излучения. Интегральные уравнения переноса излучения в ИК и микроволной областях спектра. Законы излучения абсолютно черного тела. Функция Планка абсолютно черного тела. Закон Стефана-Больцмана. Приближения Релея-Джинса и Вина. Определения яркостной ( радиояркостной ) температуры излучения. Роль функций пропускания в теории переноса теплового излучения. Теория переноса инфракрасного излучения в плоскопараллельных атмосферах.
8.2. Многократное рассеяние излучения. Формулировка задачи рассеяния солнечного излучения в плоскопараллельной модели атмосферы. Приближения теории переноса солнечного излучения. Аналитические и численные методы решения уравнения переноса излучения.
Перенос излучения в трехмерных средах.
8.3. Перенос излучения в сферической модели атмосферы. Уравнение переноса излучения в сферической атмосфере. Роль рефракции при многократном рассеянии излучения.Раздел 9. Радиационная энергетика
9.1. Солнечная инсоляция на верхней границе атмосферы. Зависимость солнечной инсоляции от широты, времени года. Дневной ход солнечной инсоляции для различных широт и сезонов. Измерения солнечной постоянной - аэростатные и космические эксперименты.
9.2. Поглощение солнечного излучения и радиационные притоки тепла. Распределение солнечных радиационных притоков тепла по высоте. Изменчивость радиационных притоков тепла в земной атмосфере.
9.3. Радиационный теплообмен в ИК области спектра. Вычисление скоростей радиационных изменений температуры атмосферы. Поток инфракрасной радиации в терминах закона Стефан-Больцмана и радиационные номограммы. Роль углекислого газа и малых газовых составляющих в формировании климата Земли.
9.4. Радиационный баланс подстилающей поверхности. Климатология радиационного баланса поверхности. Влияние метеорологических факторов на радиационный баланс поверхности. Радиационный баланс атмосферы и Земли как планеты. Спутниковые исследования компонент радиационного баланса.
9.5. Радиационные факторы изменения климата Земли. Влияние изменений газового и аэрозольного состава атмосферы на радиационные характеристики атмосферы. Парниковый эффект. Влияние вулканов на климат Земли. Антропогенные факторы изменения климата. Изменения альбедо подстилающей поверхности и облаков как регуляторы климата Земли.Раздел 10. Излучение как источник информации об оптических и физических параметрах атмосфер планет
10.1. Прямые и обратные задачи теории переноса излучения и атмосферной оптики. Основные величины и характеристики, фигурирующие в задачах переноса излучения и атмосферной оптики.
Обратные задачи атмосферной оптики различных типов. Обратные задачи первого типа - дистанционные методы зондирования атмосферы и подстилающей поверхности. Обратные задачи второго типа - определение оптических характеристик атмосферы и подстилающей поверхности. Обратные задачи атмосферной оптики относительно граничных условий. Роль априорной информации при решении обратных задач атмосферной оптики.
10.2. Радиационные и радиационно-физические обратные задачи атмосферной оптики. Примеры радиационно-физических обратных задач. Преимущества и недостатки в различных подходах в дистанционном зондировании атмосферы и подстилающей поверхности.
10.3. Классификации обратных задач атмосферной оптики. Различные принципы классификации. Классификация дистанционных методов измерений параметров атмосферы и подстилающей поверхности - по области спектра, по основным процессам взаимодействия излучения со средой, по геометрии наблюдений и т.д. Космические методы дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности. Глобальная система мониторинга параметров окружающей среды.Рекомендуемая литература
1. Кондратьев К.Я. Актинометрия. Л. Гидрометеоиздат. 1965. 692 с.
2. Кондратьев К.Я. Перенос излучения в атмосфере. Л. Гидрометеоиздат. 1972. 402 с.
3. Минин И.Н. Теория переноса излучения в атмосферах планет. М., Наука. 1988. 264 с.
4. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. М. Л. Гостехиздат. 1951. 288 с.
5. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М. Мир. 1971. 165 с.
6. Мак-Картни Э. Оптика атмосферы. М. Мир. 1979. 421 с.
7. Гуди Р.М. Атмосферная радиация. 1.Основы теории. М. Мир. 1966. 552 с.
8. Ку-Нан Лиоу. Основы радиационных процессов в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат. 1984. 376 с.
9. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Термическое зондирование атмосферы со спутников. Л. Гидрометеоиздат. 1970. 410 с.
10. Кондратьев К.Я. Тимофеев Ю.М. Метеорологическое зондирование атмосферы из космоса. Л. Гидрометеоиздат.1978. 280 с.
11. Кароль И.Л., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере. Л. Гидрометеоиздат. 1983. 192 с.
12. Тимофеев Ю.М. Дистанционные ( косвенные ) методы измерений атмосферных параметров. Методические указания к курсу "Косвенные методы исследования атмосфер планет". Л. 1988. 17 с.
13. Шифрин К.С. Введение в оптику океана . Л. Гидрометеоиздат. 1983. 278 с.
14. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. М. Советское радио. 1970. 496 с.
15. Флигль Р., Бузингер Д. Введение в физику атмосферы. М. Мир. 1965. 297 с.
16. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. Л. Гидрометеоиздат. 1987. 413 с.
17. Малкевич М.С. Оптические исследования атмосферы со спутников. М. Наука. 1973. 303 с.
18. Пеннер С.С. Количественная молекулярная спектроскопия и излучательная способность газов. М. Изд. Иностр. Лит. 1963. 494 с.
19. Перов С.П., Хргиан А.Х. Современные проблемы атмосферного озона. Л. Гидрометеоиздат. 1989. 287 с.
20. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Л. Гидрометеоиздат. 1978. Т. 1. 246 с.
21. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Л. Гидрометеоиздат. 1978. Т. 2. 318 с.
22. Мороз В.И. Физика планет. М. Наука. 1977. 312 с.
23. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л. Гидрометеоиздат. 1986. 256 с.
24. Чемберлен Д. Физика полярных сияний и излучения атмосферы. М. Изд. Иностр. Лит. 1963. 777 с.
25. Ландсберг Г.С. Оптика. М. Гос. Изд. Тех.-тер. Лит. 1957. 759 с.