Спецкурс кафедры акустики

ФИЗИКА ОКЕАНА

5 курс, 9 семестр, 36 часов


Цель спецкурса: изучение студентами физической природы основных процессов в Мировом океане, основных физических параметров и структуры его вод и дна, закономерностей и механизмов взаимодействия океана и атмосферы, методов и средств исследования океана, методов измерений основных физических параметров вод океана; приобретение навыков решения прикладных задач.


I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МИРОВОГО ОКЕАНА- 6 ч.

  1. Эволюция океанических бассейнов. Современная гидросфера Земли, прогноз ее дальнейшей эволюции.

  2. Основные физические параметры вод и дна океана. Температура, соленость, плотность, скорость звука, рН-показатель, теплоемкость. Закон Диттмара. Понятие о потенциальной темепературе. Относительная (условная) плотность. Температура замерзания и температура максимальной плотности морской воды.

  3. Обмен энергией между океаном и атмосферой. Океан как термодинамическая машина. Спектры энергии и основные масштабы движений в океане, характеристика передачи энергии по спектру. Источники и стоки энергии в океане. Энергоактивные зоны океана.

  4. Изменчивость океана.

II. СТРУКТУРА И РЕЛЬЕФ ДНА МИРОВОГО ОКЕАНА – 4 ч.

  1. Морфологическая характеристика дна океана. Влияние генерального рельефа дна и частоты звука на отражение и рассеяние звука дном.

  2. Гипотеза тектоники плит. Срединно-океанические хребты, рифтовые долины, трансформные разломы. Аккреция, спрединг дна, субдукция. Землетрясения, сейсмофокальные поверхности. Подводные вулканы, гидротермы.

  3. Структура дна. Океаническая седиментация. Транспорт океанических осадков. Районирование океана по плотности, пористости и скорости звука в грунте. Связь основных параметров грунта. Сиппинг, газогидраты. ЖМК и возможности их обнаружения акустическими методами.

III. ДИНАМИКА ОКЕАНА (ТЕЧЕНИЯ И ОБЩАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОД) – 8 ч.

  1. Основные типы течений. Теория дрейфовых и градиентных течений. Экмановские слои. Элементарная система течений (по Экману). Геострофические течения.

  2. Общая циркуляция вод Мирового океана. Основные квазистационарные течения и круговороты. Эффект западной интенсификации течений. Межпассатные поверхностные противотечения, их физическая природа. Глубинные и подповерхностные противотечения. Глубоководные контурные течения. Течения в придонном слое. Придонные шторма.

  3. Синоптические и мезомасштабные вихри (ринги, вихри открытого океана, вихревые линзы). Возможности их изучения акустическими методами.

  4. Вертикальные движения вод (апвеллинг, даунвеллинг). Биологическая продуктивность апвеллингов. Прибрежные апвеллинги. Явление Эль-Ниньо.

  5. Общие сведения о самоорганизации океанических движений.

  6. Влияние течений на распространение звука в океане и на работу гидроакустической аппаратуры.

IV. СТРУКТУРА ВОД МИРОВОГО ОКЕАНА – 4 ч.

  1. Горизонтальная и вертикальная стратификация вод и ее изменчивость.

  2. Структура и физическая природа океанических фронтов, их классификация. Влияние фронтов на распространение звуковых волн, на биоактивность и биошумы. Двумерные и трехмерные звуковые каналы.

  3. Структурные зоны и водные массы Мирового океана.

  4. Тонкая структура вод океана, ее влияние на высокочастотные звуковые поля.

V. ВОЛНЫ В ОКЕАНЕ – 4 ч.

  1. Волны как проявление изменчивости океана. Специфика волновых явлений в океане.

  2. Волны на поверхности. Основные факторы волнообразования, полностью развитое волнение. Дисперсия, береговая рефракция. Спектры волнения, гравитационный интервал спектра. Механизмы генерации шума поверхностью океана.

VI. ОКЕАНИЧЕСКАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ – 4 ч.

  1. Основные механизмы генерации турбулентности в океане. Особенности океанической турбулентности (влияние стратификации, тонкая структура, перемежаемость, "взрывной" характер генерации). Число Ричардсона.

  2. Спектры океанической турбулентности (Колмогорова-Обухова, Болджиано-Обухова). Турбулентная диффузия в океане. Шум турбулентности в океане.

VII. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОД И ДНА – 6 ч.

  1. Методы и средства измерения основных физических параметров вод и дна. Автономные и буксируемые аппараты, зонды. Дистанционные и космические методы наблюдений.

  2. Гидроакустические средства исследования океана: эхолоты, лаги, гидролокаторы бокового обзора и др. Сейсмоакустические исследования.

  3. Акустическая томография и глобальный акустический мониторинг океана.

  4. Перспективы развития технических средств изучения океана.


Литература:


  1. Иванов В.А., Показеев К.В., Шрейдер А.А. Основы океанологии. – СПб: Издательство «Лань», 2008. – 576 с.

  2. Анисимова Е.П., Показеев К.В. Введение в физику гидросферы. – М.: Физический факультет МГУ, 2002. – 172 с.

  3. Нешиба С. Океанология (пер. с англ.). - М.: Мир, 1991.

  4. Жуков Л.А. Общая океанология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976.

  5. Монин А.С., Корчагин Н.Н. Десять открытий в физике океана. – М.: Научный мир, 2008. – 172 с.

  6. Бреховских Л.М. Океан и человек. Настоящее и будущее. – М.: Наука, 1987. – 304 с.

  7. Акустика океана. - М.: Наука, 1974.

  8. Океанология. Физика океана. Т.1. Гидрофизика океана; Т.2. Гидродинамика океана. - М.: Наука, 1978.

  9. Дрейк Ч., Имбри Дж., Кнаус Дж., Турекиан К. Океан сам по себе и для нас (пер. с англ.). - М.: Прогресс, 1982.

  10. Монин А.С., Каменкович В.М., Корт В.Г. Изменчивость Мирового океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

  11. Конюхов А.И. Геология океана. - М.: Наука, 1989.

  12. Каменкович В.М., Кошляков М.Н., Монин А.С. Синоптические вихри в океане. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

  13. Когерентные структуры и самоорганизация океанических движений. - М.: Наука, 1992.

  14. Федоров К.Н. Физическая природа и структура океанических фронтов. Л.:Гидрометеоиздат, 1983.

  15. Принципы построения технических средств исследования океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984.


Методические рекомендации: При изучении соответствующих разделов спецкурса рекомендуется использовать карты и атласы Мирового океана, включая их электронные варианты, реальные данные океанологических измерений, иллюстрировать материал примерами из океанологической практики (фотоматериалы, конкретные результаты измерений в океане и т.п.), давать студентам расчётные задачи. Помимо лекций, проводятся 3-4 контрольные работы по основным разделам. Студентам рекомендуется обращать внимание не только на общие физические принципы и закономерности явлений в океане, но и на специфику их проявлений в конкретных условиях той или иной зоны Мирового океана.

Предполагается знание студентами курсов общей и теоретической физики, математики, основ геофизики и экологии, волновой физики.


Примерный список вопросов для зачета (экзамена):

Основные физические параметры вод и дна океана.

Уравнение состояния морской воды (общий вид).

Температура максимальной плотности и температура замерзания морской воды.

Вертикальная стратификация вод океана.

Характерные профили температуры и солёности в различных районах океана.

(T,S)-кривые.

Частота Вяйсяля-Брента, ее физический смысл.

Поверхностное волнение. Общая характеристика, дисперсионное соотношение для капиллярно-гравитационных волн с учётом глубины моря.

Гравитационные волны на мелкой воде. Береговая рефракция.

Синоптические вихри в океане (ринги, вихри открытого океана, вихревые линзы).

Фронтальные зоны и фронты в океане: классификация, гидрологические характеристики.

Главные квазистационарные фронты климатического происхождения.

Элементарная система течений в океане (по Экману). Геострофические течения.

Срединно-океанические хребты, рифтовые долины, трансформные разломы.

Аккреция и спрединг дна океана, субдукция. Скорости спрединга.

Волны на поверхности океана. Разгон волнения, спектры волнения. Оценка волнения в баллах.

Волновое течение.

Вертикальные движения вод (апвеллинг, даунвеллинг), физические причины их возникновения. Основные апвеллинги и даунвеллинги Мирового океана.



Программу составил к.ф.-м.н., доцент П.Н. Кравчун