Кафедра термогидромеханики океана МФТИ

преподаватель: Голицын Георгий Сергеевич, академик РАН, доктор физико-математических наук, профессор

Цель курса

Теоретические исследования физических и физико-химических процессов в планетных атмосферах, динамики планетных атмосфер, взаимодействия атмосфер с поверхностью, процессов их образования и эволюции. Разработка моделей атмосфер планет, их спутников и комет. Теория подобия для планетных атмосфер. Цель курса - дать общее понимание процессов в планетных атмосферах.

Задачи курса

• ознакомить студентов с основными процессами формирования планетных атмосфер в различных
• масштабах, особенностями их проявления для разных планет;
• дать представление об основных методах исследования планетных атмосфер;
• показать применимость теории подобия для исследования динамики планетных атмосфер.

Содержание курса, структурированное по темам (разделам)

1. Краткая история исследования движений в атмосферах планет
   Исторический обзор; Экспериментальные исследования (включая измерения на космических аппаратах и наземные наблюдения при помощи телескопов) химического состава, вертикального строения, аэрозольной компоненты и динамики атмосфер планет, их спутников и комет. Теоретические исследования физических и физико-химических процессов в планетных атмосферах, динамики планетных атмосфер, взаимодействия атмосфер с поверхностью, процессов их образования и эволюции. Разработка моделей атмосфер планет, их спутников и комет.
   
   
2. Причины и характер атмосферных движений (на примете земной атмосферы)
   Планетарный слой атмосферы. Экмановский пограничный слой. Атмосферный пограничный слой. Основы физики пограничного слоя атмосферы, законы сопротивления и теплопередачи. Вертикальное распределение метеорологических элементов в пограничном слое атмосферы. Классификация моделей пограничного слоя атмосферы; замыкание моделей, граничные условия. Когерентные структуры, мезо- и крупномасштабное влияние потоков плавучести на структуру АПС.
   
   
3. Методы исследования динамики планетных атмосфер
   Понятие атмосферной турбулентности; Спектры пульсаций метеопараметров; Устойчивость и типы стратификации в приземном слое (число Монина-Обухова). Основы полуэмпирической теории подобия Монина-Обухова. Методы оптической и инфракрасной спектрометрии, фотометрии и инфракрасной радиометрии, масс-спектрометрии, газовой хроматографии, рентгеновской флюоресцентной спектрометрии.
   
   
4. Обзор астрономических и атмосферных параметров планет солнечной системы.
   Вертикальная структура планетных атмосфер. Тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера. Гомосфера и гетеросфера. Экзосфера. Сравнительный анализ строения атмосфер Венеры, Земли, Марса и Юпитера. Общая циркуляция планетных атмосфер. Уравнения гидродинамики на вращающейся сфере. Два режима общей циркуляции. Ячейки Хэдли и струйные течения. Термический ветер. Планетарный пограничный слой. Понятие о гидродинамических моделях планетных атмосфер. Волны в атмосфере планеты. Баротропные и бароклинные моды. Внутренние гравитационные волны. Гравитационные и термические приливы. Волны Россби.
   
   
5. Теория подобия для общей циркуляции планетных атмосфер
   Оценки некоторых характеристик общей циркуляции на основе энергетических и термодинамических соображений; Уравнения гидротермодинамики для общей циркуляции атмосферы. Критерии подобия. Турбулентное движение в атмосферах. Колмогоровский спектр. Конвективная и сдвиговая неустойчивость. Число Ричардсона. Турбулентный пограничный слой. Турбулентные коэффициенты обмена.
   
   
6. Общие гипотезы подобия для крупномасштабных движений планетных атмосфер
   Полная кинетическая энергия циркуляции, время ее жизни, типичная; разность температур, вызывающая циркуляцию. Методы теории подобия и размерности и термодинамических рассмотрений. Гипотезы об автомодельности некоторых характеристик общей циркуляции относительно ряда определяющих параметров.
   
   
7. Подобие циркуляции с учетом вращения
   Исследования циркуляции в атмосферах планет и в атмосфере Солнца, методом анализа размерностей и теории подобия. Медленно вращающиеся планеты с плотной атмосферой; Медленно вращающиеся планеты с разряженной атмосферой. Набор определяющих параметров, которые могут характеризовать вращение и магнитные поля звезд.
   
   
8. Оценки глобальных характеристик циркуляции, основанные на различных гипотезах о природе диссипации
   Иерархия моделей. Понятие о диссипации энергии. Различные гипотезы о природе диссипации.
   
   
9. Применение теории к различным планетам солнечной системы и к солнечной атмосфере
   Основные закономерности динамики атмосфер Марса, Венеры, планет-гигантов. Теория Большого Красного Пятна на Юпитере.
   
   
10. Пограничные слои и турбулентность в атмосферах планет земной группы.
    Пограничные слои на Марсе и Венере; Турбулентность в свободной атмосфере; Пыльные бури на Марсе.

Основная литература

1. Витязев А.В., Печерников Г.В., Сафронов B.C., Планеты земной группы, М., Наука, 1990.
2. Голицын Г.С. Введение в динамику планетных атмосфер. Л., Гидрометеоиздат, 1973.
3. Горькавый Н.Н., Фридман А.М. Физика планетных колец. М., Наука,1994
4. Гуди Р., Дж Уокер. Атмосферы. М., Мир, 1975.
5. Мюррей К., Дермотт С. Динамика Солнечной системы, Москва, Физматлит, 2009.
6. Соболев В.В. Перенос излучения в атмосферах звезд и планет. М., ГТТИ, 1956.
7. Чемберлен Дж. Теория планетных атмосфер. М., Мир, 1981.
8. Encyclopedia of the Solar system (second edition), edited by McFadden L.-A., Weissman P.R., Johnson T.V., Elsevier, 966, 2007.
9. Irwin P. Giant planets of our Solar system. Atmospheres, composition and structure. Springer, 403c., 2009 (2006 – first edition).
10. Imke de Pater, Jack J. Lissauer, Planetary sciences, Cambridge University press, 528 c., 2004
11. Sanchez-Lavega A., An Introduction to Planetary Atmospheres, CRC press: Taylor & Francis, 629 c., 2010.
12. Taylor F.W. Planetary atmospheres Oxford University Press, 261 c., 2010

Учебно-методические материалы для самостоятельной работы

1. Голицын Г.С. Введение в динамику планетных атмосфер. Л., Гидрометеоиздат, 1973

Дополнительная литература

1. Александров Ю.В. Введение в физику планет. Киев, Вища школа, 1982.
2. Барсуков B.JI. (ред) Планета Венера. М., Наука, 1989.
3. Ксанфомалити JI.B. Планета Венера. М., Наука, 1985.
4. Ксанфомалити JT.B. Парад планет. М., Наука, 1997.
5. Маров М.Я. Планеты Солнечной системы. М., Наука, 1986.
6. Монин А.С. и Шишков Ю.А. История климата. Л., Гидрометеоиздат,1979.
7. Мороз В.И. Физика планеты Марс. М., Наука, 1978.
8. Планеты и спутники. Сб. под ред. Дж. Койпера и Б. Мидлхерста, М.,Мир, 1963.
9. Солнечная система. Пер. под ред. В.И. Мороза. М., Мир, 1978.
10. Сурков Ю.А. Космические исследования планет и спутников. М.,Наука, 1985.
11. Юпитер. Сб. под ред. Т. Герелса. М., Мир, 1978.
12. Houghton J., The physics of atmosphere (3 Ed.), Cambridge University press, 320 c., 2005

Перечень ресурсов, необходимых для освоения дисциплины

1. http://lib.mipt.ru/ – электронная библиотека Физтеха
2. http://benran.ru –библиотека по естественным наукам Российской академии наук
3. http://www.edu.ru – федеральный портал «Российское образование».