ПРОГРАММА-МИНИМУМ
кандидатского экзамена по специальности
25.00.29 "Физика атмосферы и гидросферы"
по физико-математическим
и геолого-минералогическим наукам

Введение

Настоящая программа охватывает следующие базовые разделы: геофизика, строение атмосферы, динамика атмосферы и океана, физика Солнца, климатология, распространение электромагнитных и звуковых волн, физика тропосферы, средней и верхней атмосферы, основы теории вероятности и математической статистики, физические основы экологии.

Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по наукам о Земле.

1. Физика атмосферы и гидросферы

• Общие представления о научной специальности "Физика атмосферы и гидросферы".
• Планета Земля в солнечной системе. Основные оболочки Земли. Гравитационное поле Земли.

2. Солнечно-земная физика

Солнечно-земная физика: предмет и содержание. Место солнечно-земной физики в ряду естественных наук, характер решаемых общетеоретических и философских задач. Геофизическая служба; роль солнечно-земной физики в народном хозяйстве. История. Международные геофизические проекты.

3. Физика Солнца и межпланетной среды

• Солнце как переменная звезда. Место Солнца на главной последовательности Герцшпрунга - Рессела.
• Строение Солнца.
• Атмосфера Солнца.
• Происхождение хромосферы и короны.
• Солнечное электромагнитное излучение, распределение энергии в потоке солнечного излучения, солнечная постоянная.
• Солнечный ветер и межпланетное магнитное поле. Происхождение, основные характеристики и их вариации.
• Солнечная активность: пятна, факелы, радиоизлучение, корональные дыры, транзиенты, солнечные вспышки, вариации спектра электромагнитного излучения.
• Индексы солнечной активности.
• Космические лучи в межпланетном пространстве. Происхождение космических лучей, взаимодействие космических лучей с атмосферой Земли. Классификация вариаций космических лучей. Методы регистрации интенсивности космических лучей.

4. Постоянное магнитное поле

Происхождение главного геомагнитного поля. Структура геомагнитного поля. Описание геомагнитного поля, его графическое представление, магнитная съемка, магнитные карты. Аналитическое представление магнитного поля, теория Гаусса, основы потенциального анализа. Геомагнитные измерения. Вековые геомагнитные вариации. Палеомагнетизм.

5. Физика магнитосферы

• Формирование магнитосферы; перенос энергии, вещества и импульса от солнечного ветра в магнитосферу. Структура магнитосферы. Магнитосферная конвекция. Электрические поля. Токи во внешней магнитосфере. Электрические поля и токи в плазмо-сфере. Теория атмосферного динамо.
• Геомагнитные вариации. Связь геомагнитного поля и состояния магнитосферы с параметрами солнечного ветра.
• Частицы и волны в магнитосфере. Геомагнитные пульсации. Очень низкочастотное излучение. Движение частиц в электромагнитных полях.
• Плоские волны в холодной плазме. Гидромагнитные волны. Неустойчивость плазмы. Собственные колебания магнитосферы. Наблюдения волн в плазме, солнечного ветра и магнитосферы. Естественные электромагнитные излучения.
• Геомагнитные пульсации. Классификация. Механизмы генерации и распространения пульсаций. Гидромагнитная диагностика. Спутниковые и наземные наблюдения пульсаций, связь их с другими геофизическими явлениями. Генерация и распространение ОНЧ-излучений в магнитосфере Земли. Классификация ОНЧ-излучений. Связь с физическими процессами в магнитосфере.
• Взаимодействие магнитосферы с верхней атмосферой. Высокоширотная ионосфера.
• Радиоаврора. Морфология, классификация и механизмы образования.
• Полярные сияния. Морфология полярных сияний. Дискретные формы, фоновое свечение. Географическое распределение. Суббури в полярных сияниях. Спектры свечения ночного неба и полярных сияний. Механизмы возбуждения основных эмиссий.
• Магнитосферные возмущения. Бури, суббури и микросуб-бури. Морфология. Повторяемость пространственно-временной структуры суббурь и их фазы.
• Индексы геомагнитной активности.

6. Физика средней и верхней атмосферы

• Нейтральная атмосфера. Состав и строение атмосферы Земли. Высотное распределение состава, плотности, давления, влажности. Классификация различных областей атмосферы. Вертикальная структура атмосферы, механизмы ее формирования. Энергетика и тепловой баланс. Источники и стоки энергии. Динамика атмосферы. Общая циркуляция атмосферы на ионосферных уровнях, уравнения движения нейтральной атмосферы. Теория планетарных волн, приливов и внутренних гравитационных волн. Модели нейтральной атмосферы. Особенности и характеристики средней атмосферы. Атмосферное электричество (общие представления).
• Ионосфера. Образование ионосферных слоев. Фотохимические процессы в ионосфере. Фотоионизация. Ионизирующее излучение Солнца. Поглощающие свойства атмосферы. Ионизационная функция. Фотоэлектроны. Рекомбинационные процессы. Классификация реакций. Эффективный коэффициент рекомбинации. Уравнение непрерывности. Образование ионосферных слоев. Уравнение простого слоя. Особенности фотохимии в областях D, Е, F ионосферы.
• Морфология ионосферных слоев. Область D. Область Е. Регулярный слой Е. Слой Е - спорадический. Область F. Слой F1: морфология и механизмы образования. Особенности поведения слоя F2 ("аномалия" слоя FZ, главный ионосферный провал). Механизмы формирования слоя F2 и крупномасштабной неоднородности структуры. Ионосферные неоднородности. Классификация, радиофизические и геофизические аспекты проявления (замирания радиосигналов, явление F-рассеяния и т.п.). Основы теории генерации и движения неоднородностей. Динамический режим ионосферы и взаимодействие различных слоев (сводка экспериментальных данных). Внешняя ионосфера и экзосфера. Плазмосфера и ее роль в формировании ионосферы.
• Процессы переноса в ионосферной плазме. Уравнения движения электронов и ионов. Взаимодействие с нейтралами. Проводимость ионосферной плазмы. Электродинамические дрейфы в ионосфере. Принципы динамотеории. Диффузия в ионосфере. Амбиполярное приближение. Роль диффузии в формировании основного максимума ионосферы.
• Нерегулярные явления в ионосфере. Эффекты солнечных вспышек. Эффекты магнитных бурь. Ионосферные возмущения: классификация, морфология, механизмы. Особенности ионосферных процессов в высокоширотной ионосфере. Ионосферно - магнитосферное взаимодействие.
• Высокоширотная ионосфера. Формирование высокоширотной ионосферы. Корпускулярная ионизация, механизмы образования регулярной ионосферы. Ионосферные неоднородности, механизмы формирования ионосферных неоднородностей. Структура высокоширотной ионосферы. Геофизическое районирование (субавроральный провал, главный ионосферный провал, ионосфера авроральной зоны, ионосфера полярной шапки).
• Сведения об ионосферах других планет солнечной системы.
• Глобальные изменения окружающей среды и климата (общее представление). Проблема глобального потепления. Парниковый эффект. Проблема озона. Связь вариаций озона с внутриатмосферными, гелио-, геофизическими и антропогенными факторами. Солнечно-атмосферные связи. Долговременные вариации параметров верхней атмосферы.

Экспериментальные исследования верхней и средней атмосферы

• Радиофизические методы исследования. Основы теории распространения электромагнитных волн в ионосферной плазме. Метод вертикального радиозондирования (наземный и спутниковый варианты). Наклонное зондирование. Возвратно-наклонное зондирование. Метод частичных отражений. Кросс-модуляция и нелинейные эффекты при распространении радиоволн в ионосферной плазме. Измерение поглощения радиоволн в ионосфере. Метод некогерентного рассеяния. Эксперименты по распространению радиоволн с использованием ракет и ИСЗ (метод дисперсионного интерферометра, фарадеевское вращение плоскости поляризации и т.п.). Метод разнесенного приема и его модификации. Радиолокация метеорных следов и искусственных образований.
• Оптические методы исследований. Свечение ночного неба (эмиссии 5577 А и 6300 А). Серебристые облака. Полярные сияния. Исследования в оптическом диапазоне со спутников (космический мониторинг).
• Другие методы наблюдений за состоянием верхней атмосферы. Прямые измерения параметров ионосферной плазмы с помощью ИСЗ и ракет (зондовые, масс-спектрометрические, инжекционные). Акустический метод. Инфразвуковые измерения.
• Особенности экспериментальных исследований высокоширотной ионосферы (радиофизические, оптические, магнитные, ракетно- спутниковые).

7. Избранные разделы математической статистики и численного анализа

• Элементы теории вероятностей. Основные определения. Согласование экспериментальных данных. Определение числовых характеристик и законов распределения. Построение доверительных интервалов и проверка гипотез.
• Обработка экспериментальной информации. Корреляционный анализ. Спектральный анализ. Регрессионный анализ. Фильтрация и выделение скрытых периодичностей. Метод наименьших квадратов. Аппроксимация. Сплайны. Фрактальный анализ. Построение эмпирических формул. Разложение в ряд по заданной системе функций (тригонометрических, сферических) и по естественным ортогональным функциям (главным компонентам). Методы пространственной интерполяции физических полей.

Основная литература

1. Акасофу С.И. Полярные и магнитосферные суббури. М.: Мир, 1971.
2. Акасофу С.И. Физика магнитосферных суббурь (на англ. яз.). Бостон, 1977.
3. Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. М.: Мир, 1973-1974. Т. 1 и 2.
4. Александров Э.Л., Израэль Ю.А., Кароль И.А., Хргиан А.Х. Озонный щит Земли и его применение. Гидрометиздат, 1992.
5. Альперт Я.Л. Волны и искусственные тела в приземной плазме. М.: Наука, 1974.
6. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. Наука, 1972.
7. Альвен Г., Фельтхаммар К.-Г. Космическая электродинамика. М.: Мир, 1967.
8. Андерсон Т. Статистический анализ временных рядов. М.: Мир, 1976.
9. Афраймович Э.Л. Интерференционные-методы радиозондирования ионосферы. М.: Наука, 1982.
10. Бауер 3. Физика планетных ионосфер. Мир, 1976.
11. Базарджапов А.Д., Матвеев М.И., Мишин В.М. Геомагнитные вариации и бури. Наука, 1979.
12. Бакунин П.И. Курс общей астрономии. Наука, 1966.
13. Бахвалов Н.С. Численные методы. М., 1973.
14. Бендат Дж.С., Пирсол А.Г. Измерения и анализ случайных процессов.М., 1971.
15. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. Наука, 1966.
16. Библиографические указатели. // Международный геофизический год. М.: Изд. АН СССР, 1954-63.
17. Де Бор К. Практическое руководство по сплайнам. М.: Радиосвязь, 1985.
18. Брюнелли В.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988.
19. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. Гидрометиздат, 1987.
20. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. Гидрометиздат, 1980.
21. Витинский Ю.И. Солнечная активность. М.: Наука, 1983.
22. Витинский Ю.И., Оль А.И., Сазонов Б.А. Солнце и атмосфера Земли. М.: Гидрометиздат, 1976.
23. Ионосферные измерения / А.И. Галкин, Н.М. Ерофеев, Э.С. Казимировский, В.Д. Кокоуров. М.: Наука, 1971.
24. Гандин Л.С. Объективный анализ метеорологических полей. Л.: Гидрометиздат, 1963.
25. Геофизический бюллетень. М.: Наука, 1958-74. ? 1-27.
26. Явление F-рассеяния в ионосфере / Б.Н. Гершман, Э.С. Казимировский, В.Д. Кокоуров, Н.А. Чернобровкина. М.: Наука, 1984.
27. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. Физматгиз, 1947.
28. Грушанский Н.П. Теория фигуры Земли. 1963.
29. Гусев А.М. Свободная конвекция в атмосфере и океане. М.: Изд-во МГУ, 1978.
30. Гульельми А.В., Троицкая ВА Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы. М.: Наука, 1973.
31. Данилов А.Д., Казимировский Э.С., Вергасова Г.В., Хачикян Г.Я. Метеорологические эффекты в ионосфере. Л.: ГИМИЗ, 1987.
32. Дженкинс Г.М., Ватте Д.Г. Спектральный анализ и его приложение. М., 1971-72.
33. Дорман Л.И. Вариации космических лучей. М.: Наука, 1981.
34. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973.
35. Зирин. Г. Солнечная атмосфера. М.: Мир, 1969.
36. Жаров В.Н., Трубицын В.П., Самсоненко В.В. Физика Земли и планет. Наука, 1971.
37. Жеребцов Г.А., Мизун Ю.Г., Мингалев B.C. Физические процессы в полярной ионосфере. М.: Наука, 1988.
38. Жеребцов Г.А. От магнитно-метеорологических наблюдений до проблем солнечно-земной физики. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Наука, 1986. Вып. 76.
39. Иванов-Холодный Г.С., Никольский Г.М. Солнце и ионосфера. Физ-матгиз, 1969.
40. Ионосферно-магнитная служба. / Под ред. С.И. Авдюшина и А.Д. Данилова. М.: Гидрометиздат, 1987.
41. Исаев С.И., Пудовкин М.И. Полярные сияния и процессы в магнитосфере Земли. Л.: Наука, 1972.
42. Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д. Движения в ионосфере. Наука, 1979.
43. Калиткин Н. Н. Численные методы.
44. Кендалл М. Временные ряды. М.: Финансы и статистика, 1981.
45. Коваленко В.А. Солнечный ветер. М.: Наука, 1983.
46. Кошелев В.В., Климов Н.Н., Сутырин Н.А. Аэрономия мезосферы и нижней термосферы. М.: Наука, 1983.
47. Магницкий В. А. Внутреннее строение и форма Земли. М.: Наука, 1965.
48. Мейндоналд Дж. Вычислительные алгоритмы в прикладной статистике. М.: Финансы и статистика, 1988.
49. Мишин В.М. Спокойные геомагнитные вариации и токи в магнитосфере. Новосибирск: Наука, 1976.
50. Национальная программа по космической погоде, FCM-P31-1997, США, Вашингтон, 1997.
51. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. М.: Мир, 1982.
52. Паркер Е. Динамические процессы в межпланетной среде. М.: Мир, 1965.
53. Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. Мир, 1986.
54. Перов С.П., Хргиан АХ. Современные проблемы атмосферного озона. Гидрометиздат, 1980.
55. Повзнер А.Д. К истории организации Международного геофизического года // История и методология естественных наук. МГУ. 1961-1967.
56. Поляков В.М., Щепкин Л.А., Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д. Ионосферные процессы. Наука, 1968.
57. Пономарев Е.А. Механизмы магнитосферных суббурь. М.: Наука, 1985.
58. Ратклифф Д. Введение в физику ионосферы и магнитосферы. М.: Мир, 1975.
59. Рикитаки Т. Электромагнетизм и внутреннее строение Земли. М.: Недра, 1968.
60. Ришбет Г., Гарриот О. Введение в физику ионосферы. ГМИЗ, 1975.
61. Смирнов Н.В., Дудин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математическая статистика для технических приложений. М.: Наука, 1965.
62. Тихонов АН., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972.
63. Тьюки Дж. Анализ результатов наблюдений. Разведочный анализ. М.: Мир, 1981.
64. Уиттен Р., Поппов И. Основы аэрономии. ГМИЗ, 1977.
65. Поток энергии Солнца и его изменения. / Под ред. О. Уайта. М.: Мир, 1980.
66. Харгривс Дж.К. Верхняя атмосфера и солнечно-земные связи. Гидрометиздат, 1982.
67. Хргиан АХ. Физика атмосферы. Л.: Гидрометиздат, 1970.
68. Хргиан АХ. Физика атмосферного озона. Л.: Гидрометиздат, 1973.
69. Чемберлен Дж. Теория планетных атмосфер. Введение в их физику и химию. М., 1981.
70. Чемберлен Дж. Физика полярных сияний и излучения атмосферы. М.: ИЛ. 1963.
71. Щепкин Л.А, Климов Н.Н. Термосфера Земли. М.: Наука, 1980.
72. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Наука, 1964. Часть 1 и 2.
73. Annals of the International Geophysical Year. London, New York, Paris: Pergamon Press. V. 2a, 2b.
74. Sullivan W. Assault on the unknown. The International Geophysical Year. London, New York, Toronto: McGraw Hill Book Co, Inc., 1961.

Дополнительная литература

1. Гершман Б.Н., Ерухимов Л.Е. и др. Волновые явления в ионосферной и космической плазме. М.: Физматтиз, 1984.
2. Принципы построения динамических моделей верхней атмосферы / Под ред. Гинзбурга Э.И. М.: Гидрометиздат, 1989.
3. Гульельми АВ. МГД-волны в околоземной плазме. М.: Наука, 1979.
4. Данилов АД. Химия ионосферы. ГИМИЗ, 1967.
5. Иванов-Холодный Г.С. (ред. пер. с англ.) Физика верхней атмосферы Земли. ГИМИЗ, 1971.
6. Кринберг И.А., Тащилин А.В. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука, 1984.
7. Кринберг И.А и др. Аддитивная модель ионосферы. Наука, 1986.
8. Ланцош К. Практические методы прикладного анализа. М.: Физматгиз, 1961.
9. Митра С.К. Верхняя атмосфера. М.: ИЛ, 1955.
10. Омхольт А. Полярные сияния. М.: Мир, 1974.
11. Пановский Г.А., Брайер Г.В. Статистические методы в метеорологии. Л.: Гидрометиздат, 1972.
12. Пикельнер С.Б. Основы космической электродинамики. Наука, 1966.
13. Пудовкин М.И., Распопов О.М., Клейменова Н.Г. Возмущения электромагнитного поля Земли. Л.: Изд-во ЛГУ, 1975-76. Ч. 1 и 2.
14. Тверской Б.А Динамика радиационных поясов Земли. М.: Наука, 1968.
15. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М., 1974.
16. Фадеев Д.К., Фадеева В.Н. Вычислительные методы линейной алгебры. М., 1963.
17. Хесс В. Физика магнитосферы. Мир, 1974.
18. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры. М.: Сов. радио, 1980.
19. Шабанский В.П. Явления в околоземном пространстве. М.: Наука, 1972.
20. Щиголев Б.М. Математическая обработка результатов наблюдений. Физматгиз, 1962.
21. Johnson R.M., Kileen T.L. The Upper Mesosphere and Lower Thermo-sphere: A Review of Experiment and Theory. // Geoph. Monographs, AGU, USA 1995, V. 87, 356 p.
22. Tsurutani B.T., Gonsalez W.D., Kamide Y., Arballo J. Magnetic Storms. // Geoph. Monographs, AGU, USA, 1997, No. 18.
23. Nishida A., Baker D.N., Cowley S.W.H. New Perspectives on the Earth's Magnetotail. AGU, USA 1996.
24. Song B.U. Sonnerup M.F. Tomsen. Phisics of the Magnetopause. // Geoph. Monographs. AGU, USA, 1995, V. 90.