Захаров Виктор Иванович
«Волны в слоистых и неоднородных средах»
Описание курса:
Спецкурс посвящен широкому кругу вопросов геофизики и физики атмосферы, связанных с распространением волн различной природы – акустических и электромагнитных – в атмосфере и ионосфере Земли. Обзорно рассмотрены геофизические характеристики атмосферы и ионосферы с точки зрения проявлений волновых процессов, а также физические основы теории турбулентности как причины появления неоднородностей параметров сред. Основой современных дистанционной диагностики свойств природных сред являются задачи рассеяния пробного излучения, поэтому в курсе обсуждаются основные методы решения прямых задач для слабо турбулентных и неоднородных сред. Курс содержит также обзоры некоторых методов наблюдений и дистанционного зондирования атмосферы и ее верхних слоев, включая и проявления взаимодействия геосфер на примере сейсмоионосфнерных событий.
План курса:
Тема 1. Общие вопросы и основные определения
(4 лекции)
Волновые процессы в природе. Основные свойства сред (определения и их физ. смысл). Волновое уравнение.
Общие вопросы распространения информационного и зондирующего акустического и электромагнитного сигнала в слоисто-неоднородной среде на примере атмосферы Земли. Разнообразие волновых явлений в природных средах.
Общие сведения о нейтральной атмосфере Земли. Атмосфера как пример плоско-слоистой среды. Наблюдаемые динамические характеристики средней атмосферы. Мезомасштабные явления в атмосфере.
Ионизованная часть атмосферы – ионосфера. Источники ионизации. Изменчивость параметров ионосферы. Электроджет и экваториальная аномалия. Понятие о неоднородностях среды.
Тема 2. Приближение геометрической оптики для описания распространения волны
(3 лекции)
Приближение и основные уравнения геометрической оптики (ГО) плоско-слоистых сред. Влияние уравнений состояния на скорость акустических волн в атмосфере.
Регулярная рефракция в плоскослоистой среде и траектория звукового луча в атмосфере. Перенос энергии и импульса. Экспериментальные доказательства существования зоны тени, влияние ветра.
Вопросы моделирования распространения волны.
Тема 3. Волны в атмосфере Земли
(5 лекций)
Мезомасштабные волны в атмосфере. Акустические, гравитационные (внутренние) и акустико-гравитационные волны (АГВ). Источники, законы дисперсии.
Линейная теория АГВ. Частоты акустической отсечки и Брента-Вяйсяля. Фазовая и групповая скорости волн. Направление распространения.
Рефракция. Трансформация волн. Влияние орографии на распространение волн. Инфразвук.
Планетарные атмосферные волны Россби, их роль в динамике атмосферы, влияние на погоду и климат. Дисперсия, фазовая и групповая скорости волн Россби.
Элементы теории планетарных волн. Наблюдения атмосферных волн.
Тема 4. Электромагнитные волны в атмосфере Земли
(4 лекции)
Уравнения Максвелла как способ описания электромагнитных волн. Перенос энергии. Неоднородное волновое уравнение для случая конечной проводимости
Рефракция и диэлектрическая проницаемость атмосферы в радио-диапазоне.
Формула Бина-Даттона. Диэлектрические свойства верхней атмосферы – ионосферы и параметры ионосферной плазмы. Общая теория дисперсии. Задача о распространении волнового пучка в среде. Фазовая и групповая скорости. Волновой пакет и скорость переноса энергии.
Геострофический ветер и его изменения с высотой в проводящей атмосфере. Диссипативно-центробежная неустойчивость во вращающейся проводящей атмосфере.
Тема 5. Волны в ионосферной плазме
(3 лекции)
Понятие плазмы. Характеристики. Электромагнитное возмущение в плазме. Собственные колебания плазмы. Радиус Дебая.
Распространение электромагнитных волн в магнитоактивной плазме. Постановка задачи, решение Эплтона-Хартли. Обзор результатов. Особенности квазипродольного и поперечного распространения радиоволн в верхней атмосфере Земли. Ионный звук.
АГВ в плазме (вертикальное распространение плоской акустической волны). Распространение внутренних гравитационных волн до ионосферы с учетом ветра и диссипации.
Источники волн. Понятие о сейсмо-ионосферном событии. Влияние циклонов на атмосферу и ионосферу Земли. Ионосферная неустойчивость
Тема 5. Дифракция и рассеяние волн
(3 лекции)
Дифракционные явления и методы их описания. Интеграл Кирхгофа. Функция Грина. Упрощения Зоммерфельда.
Дифракции Френеля и Фраунгофера. Классификация задач по волновому параметру. Понятие о геометрической теории дифракции.
Общая постановка задачи рассеяния акустических и электромагнитных волн. Задача об интенсивности рассеянного поля в дальней зоне. Селективный характер и индикатриса рассеяния.
Тема 6. Случайные процессы и поля
(1 лекция)
Стационарность процесса. Основы статистической обработки нестационарных процессов. Стационаризуемость. Структурная функция и ее отличия от корреляционной. Спектр процессов.
Тема 7. Турбулентность как причина рассеяния и дифракционных эффектов
(2 лекции)
Турбулентность в атмосфере и ионосфере Земли.
Основные причины возникновения турбулентности в атмосфере и ионосфере Земли. Конвекция и термическая неустойчивость. Пульсации и методы усреднения. Макроскопичекские следствия турбулентности. Потоки импульса, тепла и влаги. Турбулентное трение. Пограничный слой атмосферы и атмосферные явления, с ним связанные. Спираль Экмана в атмосфере.
Основы теории турбулентности Колмогорова. Спектры и классификация турбулентных масштабов. Энергетический каскад.
Тема 8. Задачи рассеяния в слабо турбулентных средах
(4 лекции)
Обзор методов решения задач рассеяния и дифракции для случайно-неоднородных сред.
Геометрическая оптика турбулентных сред, метод малых и плавных возмущений.
Метод эквивалентных амплитудно-фазовых экранов экранов, методы решения задач рассеяния и дифракции для случайно-неоднородных сред. Метод параболического уравнения. Приближения Борна и Рытова. Сравнение и границы применимости методов. Многократное рассеяние.
Тема 9. Примеры использования рассмотренных методов
(2 лекции)
Задачи о средней интенсивности в дальней зоне рассеянного поля. Флуктуации фазы и уровня поля, рассеянного средой с неоднородностями заданных пространственных характеристик.
Практическое применение данных о турбулентном рассеянии. Преимущества фазовой модуляции информационного сигнала.
Тема 10. Методы исследования турбулентности в атмосфере и ионосфере Земли
(4 лекции)
Акустические и радиофизические методы изучения пульсаций параметров атмосферы.
Содары. Акустическое зондирование. Исследования флуктуаций параметров нижней атмосферы.
Системы наземного мониторинга и радиозондирования ионосферы Земли. Магнитное поле Земли. Обзор основных методик дистанционного зондирования (вертикальное зондирование, некогерентное и возвратно-наклонное зондирование). Контактные методы определения параметров неоднородной плазмы.
Системы космического радиозондирования атмосферы и ионосферы Земли. Обзор основных методик дистанционного зондирования (рефрактометрия, радиотомография, миссии на станции Союз и МКС). Определение параметров атмосферы и неоднородной плазмы. Влияние параметров неоднородностей на точность восстановления регулярных профилей.
Перспективы развития систем мониторинга.
