Реализация программы формирования системы инновационного образования
в МГУ им. М.В. Ломоносова

Подпроект 10.в. Реализация образовательных программ инновационного типа в области фундаментальных и прикладных исследований оболочек Земли для решения задач геофизики, геологии, недропользования и экологии.
 
10.в.9. "Прикладная физика атмосферы и гидросферы"
 
Руководитель подпроекта - проф. В.Б. Лапшин

    В рамках данного спецкурса планируется познакомить студентов с современными методиками моделирования климата Земли для расчета скорости и последствий глобального потепления, а также связанных с ним погодных явлений. Такие модели позволяют предвидеть резкие изменения как глобального, так и локального климата, а также за много лет предсказывать такие природные явления, как ураганы, проливные дожди с последующими наводнениями и цунами. Также такого рода модели модель могут учитывать влияние на климат процессов, происходящих в биосфере.

    Комплекс программ виртуального практикума также будет включать знакомство с самыми современными моделями климатической системы Земли и апробацию удаленного задания сценариев расчета по этой модели. Студенты, изучающие как физико-математические дисциплины, так и предметы геофизического и экологического профиля будут знакомиться с возможностями и тонкостями сценарных расчетов и многогранностью отклика климатической системы. К настоящему моменту задача работает в тестовом режиме, проводится обучение преподавателей работе с вычислительным кластером под управлением. В ближайших планах - вывод тестовых расчетов на страницу пользователя для удаленного контроля и знакомства с моделью.

    Вверху - меридиональная функция тока (Св) в Атлантике за годы 1951-2000 эксперимента XX. Внизу - изменений меридиональной функции тока в Атлантике в годы 2151-2200 эксперимента А1В по сравнению с 1951-2000 г.г. эксперимента ХХ. Изв. Акад. Наук, Физика Атмосферы и Океана, 2006, ?3

    Динамика большинства физико-химических процессов в атмосфере определяется термодинамическими характеристиками атмосферы и движениями воздушных масс. К задачам, которые требуют данных о состоянии атмосферы на тех или иных пространственных масштабах следует отнести задачи о распространении примесей, активных воздействиях с целью изменения определенных характеристик атмосферы на некоторых масштабах и др.

    Для моделирования этих процессов необходимо работать с моделями, реалистически воспроизводящими требуемые характеристики атмосферы на заданных пространственно- временных масштабах. Одной из таких моделей является мезомасштабная модель ММ5. Она может использоваться для широкого спектра теоретических исследований и прогнозов в оперативном режиме. Для малых (мезо-бета и мезо-гамма масштабов: 2-200 км), ММ5 может использоваться для изучения мезомасштабных конвективных систем, фронтов, бризов, горно-долинных циркуляций и городских островов тепла. Модель может применяться для детализации данных глобального прогноза метеоэлементов. Для расчета распределения характеристик атмосферы на меньших масштабах применяется микромасштабная модель пограничного слоя.

    С целью дистанционного обучения излагается технология применения средств компьютерного моделирования при изучении курсов механики жидкости на основе учебной версии пакета прикладных программ (ППП) Flow Vision. На примерах задач из различных областей гидродинамики рассматриваются возможности использования ППП для проведения вычислительного эксперимента, целью которого является максимально подробное воспроизведение, в том числе визуализация изучаемого явления, анализ и сопоставление получаемых численных данных с теоретическими результатами.

    Содержание курса соответствует магистерским программам курсов лекций и практических занятий для студентов физического факультета МГУ и может быть использовано университетами и другими ВУЗами, обучающими по другим родственным направлениям и специальностям, в которых заметное место уделяется изучению механики жидкости.

    Обязательным условием реализации образовательных программ подготовки специалистов высшей квалификации, ориентированных на будущую работу в сфере современной науки и наукоемких технологий, связанных с механикой жидкости, является необходимость сочетания общетеоретических курсов по всем основным разделам механики жидкости с практическим освоением явлений и процессов, с которыми приходится встречаться в различных научных и прикладных задачах. Наиболее адекватным инструментом решения такой задачи является полномасштабный лабораторный эксперимент. Однако при организации массового учебного процесса широкое использование экспериментальных методов и средств сопряжено с принципиальными ограничениями, связанными в первую очередь со сложностью, ограниченной доступностью, уникальностью и высокой стоимостью современных установок и собственно эксперимента по воспроизведению гидродинамических процессов во всем их разнообразии. Возможной альтернативой, предлагаемой в курсе, является образовательная технология, основанная на возможности проведения вычислительного эксперимента с использованием наукоемких пакетов прикладных программ. Сочетание в обоснованных границах широких возможностей адекватного количественного описания и визуального воспроизведения разнообразных гидродинамических процессов позволяет обучающемуся в максимально наглядном виде и условиях, приближенных к лабораторному эксперименту, познакомиться с изучаемым явлением (процессом) и провести сопоставление с соответствующими теоретическими положениями.

    Методика, предложенная в данном курсе, позволяет существенно повысить эффективность усвоения различных разделов изучаемой области, в том числе соответствующих разделов из курса общей физики, за счет использования современных средств прикладной информатики.

    На сегодняшний день методы квантовой химии и молекулярной динамики получили широкое распространение в численном моделировании электронной и атомной структур сложных систем молекулярных, кристаллических и переходных (нано) размеров. Это связано с технологическим развитием соответствующего математического обеспечения. В условиях современной технократической цивилизации особенно важно стоит вопрос загрязнения окружающей среды продуктами горения, слабо разлагаемыми органическими соединениями и тяжелыми металлами. Ситуация зашла так далеко, что современные климатические модели вынуждены учитывать выбросы атмосферного аэрозоля техногенного происхождения, наличие которого влияет на нуклеацию и конденсацию водяного пара в атмосфере, а как следствие, на каплеобразование и выпадение осадков. В настоящее время физические основы, учитывающие химические процессы в атмосфере находятся в стадии разработки. Так как остановить технический прогресс не удастся, то химические процессы в атмосфере будут и в дальнейшем оказывать существенное влияние на климат Земли.

    Для описания химических процессов в атмосфере в настоящий момент разработаны методы, основанные на квантово-химическом и молекулярно-динамическом подходах. Сейчас в мире функционирует достаточно много современных вычислительных комплексов, реализующих методы квантовой химии и молекулярной динамики, однако, для широкого круга пользователей наиболее доступно использование этих методов обеспечивается известной квантово-химической и молекулярно-динамической программой HyperChem.

    Для ознакомления студентов с методами и программами квантовой химии и молекулярной динамики, планируется проведение некоего "курса молодого бойца", который позволяет легко начать работу с программой HyperChem,

    после чего студенты уверенно могут использовать программу для построения молекул, минимизации их энергии и вычисления ИК спектра, который сравнивается с экспериментальными данными.

    Параллельно приобретению практических навыков по молекулярному моделированию, планируется проведение как аудиторного, так и внеаудиторного (дистанционного) обучения для усвоения студентами теоретической основы квантово-химических и молекулярно-динамических методов.

    Завершающим этапом спецкурса является обучение работе с программами GaussViewM и GAUSSIAN-03M, приобретение распараллеленной версии которой, планируется в 2007 году. Также на этом этапе студенты знакомятся с устройством вычислительного кластера и основными принципами параллельного программирования.

 
GaussWiewM.

    Дистанционные методы исследования океана осуществляются, в основном, с помощью акустических волн, распространяющиеся в океанской толще на большие расстояния. По характеру распространения, отражения, рассеяния акустических волн можно получать информацию о свойствах среды, решая так называемые обратные задачи. Такого рода средства уже давно используются, как правило, на ограниченных дистанциях, например, эхолоты, устанавливаемые практически на всех судах и позволяющие не только измерять глубину океана, но и с помощью более совершенных моделей изучать строение дна океана. Широко применяются также акустические измерители течений, акустические маяки, используемые, например, при бурении глубоководных скважин, и т.п.

    В 1979 году американский ученый В.Манк по аналогии с медицинской рентгеновской томографией ввел новый термин "Акустическая томография океана" (АТО), основной задачей которой предполагалась просветная диагностика крупномасштабных неоднородностей океана (десятки и сотни километров), располагающимися на трассе между источником и приемником звука. Акустическую томографию можно отнести к группе методов, позволяющих получить изображение внутренней структуры исследуемого объекта по характеристикам зондирующего сигнала, прошедшего через исследуемую область. В отличие от прямых измерений параметров водной толщи акустическая томография океана позволяет дистанционно получать как интегральные характеристики среды распространения, так и параметры локальных неоднородностей, а также наблюдать эволюцию среды в течение времени проведения наблюдений. К настоящему времени понятие подводной томографии охватывает большинство задач, связанных с акустическим зондированием океана, от мелких случайных неоднородностей до усредненных среднеклиматических параметров среды на тысячекилометровых трассах, важных, например, для слежения за глобальным потеплением климата Земли.

    Целью практикума является ознакомление студентов с основными принципами и методами подводной акустической томографии. Первая часть практикума посвящена ознакомлению с основами расчета звуковых полей в океане. Описаны лучевой и модовый подходы, метод параболического приближения. Далее рассказывается о способах построения среды распространения звука (фоновая среда), используя базис среднеклиматических профилей скорости звука, присущих данной акватории. Дано представление о построении эмпирических ортогональных функций (ЭОФ). Студентов знакомят с различными типами сигналов используемых в акустической томографии океана (тональные, импульсные, взрывные, М-последовательности), а также способами их обработки (коггерентое и некоггерентное накопление). Кратко изложены современные томографические методы реконструкции неоднородностей, уделено внимание основным возникающим при этом проблемам и способам их преодоления (линейная томография Манка, метод согласованного поля, восстановление усредненных по трассе распространения звука параметров среды, акустическая термометрия океана). Дано представление о восстановлении поля скорости течений в океане по результатам встречного распространения звука. Описаны основы нелинейных томографических подходов. В завершении практикума рассказано об основных крупомасштабных томографических экспериментах.

    Практические задачи затрагивают следующие вопросы:
  - Построение фоновой модели среды вдоль звуковой трассы по заданному на исследуемой акватории базису профилей скорости звука (среднеклиматических и измеренных).
  - Построение присущих для данного района эмпирических ортогональных функций (ЭОФ).
  - Расчет звуковых полей по различным алгоритмам с целью исследования влияния неоднородностей океана на измеряемые характеристики принятого акустического поля.
  - Простейшие томографические задачи, основанные на измерении временных задержек между сигналами по автокорреляционной функции принятого широкополосного сигнала.
  - Томографическое восстановление локальной неоднородности (линзы) итерационным методом.
  - Коггерентная обработка М-последовательности для реальных сигналов из эксперимента THETIS-II
  - Разложение принятого вертикальной антенной тонального сигнала в спектр звуковых мод.
  - Линейная лучевая схема восстановления поля течений в океане.
  - Малопараметрические томографические схемы. Восстановление усредненных по трассе распространения звука параметров среды. Акустическая Термометрия Океанского Климата (АТОК).

    Куликов Е.А.

    Представленный учебный материал посвящен знакомству с основами теории морских катастроф - цунами. Он включает главы, заимствованные из книг Б.Ф.Левина и М.А. Носова "Физика цунами и родственных явлений в океане", 2005, [Поплавский, Куликов, Поплавская, 1988], а также научных статей [Куликов Е.А., Рабинович А.Б., Томсон, 2005], [Куликов Е.А., Рабинович А.Б., 1981].

    Курс обучения предполагает выполнение практических заданий - работа с базами данных об исторических цунами. Знакомство с методами статистического анализа данных, численных расчетов распространения волн цунами, оценки физических параметров. Задания включают как работу с базой данных, инсталлированной на компьютере, так и on-line, с использованием интернет-доступа к известным базам данных http://tsun.sscc.ru/htdbpac и http://www.ngdc.noaa.gov/seg/hazard/tsu.shtml

    Данный учебный материал предназначен для студентов старших курсов в рамках программ обучения Геофизика и Океанология, Гидродинамика.

    Главы 1-2 дают общее представление о проблемах изучения и прогноза цунами.

    Глава 1 содержит описание явления.

    Отрывок из Главы 1:

    1. Цунами. Определение понятий.

 
Рис. 1.1 Лиссабонское землетрясение и цунами 1755 г. Старинная гравюра неизвестного автора

    Слово цунами происходит от составления двух японских иероглифов (Рис. 1.2), которые переводятся вместе как "волна в гавани". Этот термин уже является общепринятым в научной литературе, хотя пока еще в средствах массовой информации встречаются бытовавшие ранее термины "приливная волна", "сейсмическая морская волна", "моретрясение". Иногда используются старинные европейские названия "zeebeben" и "terremoto".

 
Рис. 1.2 Японские иероглифы, читаемые как "цу-нами" и означающие в дословном переводе "волна в гавани"

    Образование цунами в первую очередь связывают с сейсмическими движениями дна, оползнями и обвалами (в том числе и подводными), подводными вулканическими извержениями. Аналогичные по характеристикам волны могут возникать при резких изменениях атмосферного давления (метеоцунами) и при мощных подводных взрывах. В последнее время активно обсуждается вопрос о генерации цунами в результате падения метеоритов. Следует иметь в виду возможность комбинации различных причин. Так, например, подводные оползни, спровоцированные землетрясением, могут обеспечить дополнительный вклад в энергию волн цунами, образованных подвижками дна. Подчеркнем, что основной причиной разрушительных цунами являются резкие вертикальные смещения участков дна при сильных подводных землетрясениях. Рассматривая все причины вкупе, можно утверждать, что любое побережье крупного водоема потенциально опасно с точки зрения цунами.

    В Главе 2 приведены описания наиболее известных событий.

    Отрывок из Главы 2:

    2. Проявления цунами на побережье.