ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет им. А.М. Горького»
Физический факультет
Кафедра астрономии и геодезии
ГЕОФИЗИКА И ФИЗИКА ПЛАНЕТ
Программа специальной дисциплины
(Стандарт ПД.СД)
Екатеринбург
2006
|
| Утверждаю
Декан физического факультета
______________ А.Н.Бабушкин
«___»_______________ 200__ г.
|
Программа дисциплины «Геофизика и физика планет» составлена в соответствии с требованиями федерального компонента к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки:
дипломированного специалиста по специальности 010702 «Астрономия»
по циклу СД дисциплин государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования.
Семестр 7.
Общая трудоемкость дисциплины 120 часов, в том числе:
Лекций 60 часов
Семинаров 60 часов
Лабораторных работ ___________
Контрольные мероприятия:
Рефераты _______________
Коллоквиумы ___________
Контрольные работы
Другие _________________
Автор (составитель, разработчик)
Хачай Юрий Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, кафедра астрономии и геодезии, Уральский государственный университет им. А.М.Горького
Рекомендовано к печати протоколом заседания
кафедры астрономии и геодезии
от ….04.2006 г. № ….
(С) Уральский государственный университет
(С) Ю.В. Хачай, 2006
I. Введение
Геофизика и физика планет является одним из разделов естествознания, изучает процессы формирования планет, анализирует физические поля, исследование распределения которых позволяет получить информацию о современных структурах внутренних оболочек и состоянии планет, а также об их эволюции.
Цель дисциплины - сформировать у студентов, опирающиеся на современные наблюдения планет и протопланетных дисков у других звезд; данные о составе и возрасте малых тел Солнечной системы представления о методах реконструкции динамики формирования планет. Познакомить с физическими основами и основными результатами современных
физических экспериментальных методов изучения внутренней структуры планет
и формируемых ею гравитационном, магнитном и др. полей. Дать представление о темпах развития геодинамических процессов от планетарного до регионального уровня.
Задача дисциплины - на основе базового университетского образования сформировать у студентов возможность и желание самостоятельно анализировать заключения, к которым приходят в современной геофизике о структуре и состоянии внутренних областей планеты, возможных сценариях геотектонического формирования планет земной группы и планет -гигантов. Показать на основе имеющегося экспериментального материала возможности прогноза (включая момент наступления и локализацию места) таких, например, разномасштабных событий как столкновение Земли с крупным космическим телом, катастрофическое землетрясение, инверсия геомагнитного поля, глобальное изменение климата и т.д., включая оценку точности таких прогнозов.
Дисциплина является одной из завершающих подготовку мировоззренческих дисциплин по специальности «Физика». При ее изучении используются знания и навыки, полученные студентами при изучении курсов общей физики, математической физики, теории поля, новейшие достижения геофизики и астрономии.
Требования к уровню освоения содержания курса (приобретаемые компетенции, знания, умения, навыки). Научить студентов пытливой работе со специальной литературой, критическому анализу заключений междисциплинарных исследований и применению теоретических знаний к интерпретации результатов экспериментальных исследований применительно к планетарной геофизике.
Методическая новизна курса. Курс непрерывно обновляемый. При чтении курса студентам представляются ссылки как на доступные монографические издания и методические пособия, так и публикации в центральных отечественных и международных журналах, Интернет-изданиях.
II. Содержание курса
Разделы курса, темы, их краткое содержание
1. Введение.
Область интересов геофизики и ее связь с другими естественными науками: общей физикой, математической физикой, космогонией, астрономией, геодезией.
2. Проблемы планетологии. Состав до планетного облака. Динамика роста протопланет. Уравнение Сафронова, современные модели. Химические и изотопные методы реконструкции состава протопланетного облака.
3. Геохронология. Относительная геологическая шкала возрастов осадочных пород. Понятие о стратиграфической шкале возрастов. Изотопная геохронология: основные типы естественно радиоактивных ”часов”. Мономинеральный и валовый возраст образцов. Изохронна.
Возрастное распределение пород на поверхности континентов и океанов. Циклы тектономагматической активности Возраст Земли. Возраст тяжелых элементов.
4. Гравиметрия. Внешний и внутренний гравитационный потенциалы планет. Получение информации о распределении плотности во внутренних областях планет по их гравитационному потенциалу. Прямая и обратные задачи гравитационного потенциала. Гравитационный потенциал жидкой вращающейся планеты. Фигуры планет. Изостазия. Методы измерения гравитационного поля.
5. Геомагнитное поле. Элементы земного магнетизма. Методы измерения и описания. Магнитные обсерватории и магнитные карты. Аналитическое описание магнитного поля Земли. Разделение поля на поле внешних и внутренних источников. Магнитосфера Земли и планет. Инверсии геомагнитного поля. МГД – модели генерации геомагнитного поля.
6. Палеомагнетизм. Типы остаточной намагниченности и особенности их датировки. Карты материковых аномалий и полосовых аномалий океанического дна. Миграция виртуальных палеомагнитных полюсов. Использование палеомагнитных методов для геодинамических реконструкций.
7. Сейсмология и сейсмичность Земли. Сейсмичность и развитие методов сейсмического прогноза. Механизм очага землетрясения. Описание распространения возмущений в сплошных средах. Тензор деформаций. Тензор напряжений. Термодинамика упругих деформаций. Обобщенный закон Гука. Уравнение Ламе распространения возмущений в сплошной среде.
Объемные сейсмические волны. Принципы Ферма и Гюйгенса. Годограф. Сейсмический параметр. Законы отражения и преломления волн. Типы сейсмических волн. Уравнение эйконала. Поверхностные волны. Волны Релея и Лява. Собственные колебания Земли. Скоростной и плотностной разрезы Земли и Луны.
8. Энергетические источники эволюции планеты. Геотермия. Региональная геотермия. Модели термической эволюции планет земной группы. Реологические свойства вещества. Конвективная устойчивость внутренних оболочек планет. Оценки критических значений числа Релея для типичных моделей. Принципы подобия в исследовании конвекции. Результаты математического и физического моделирования. Тектоника плит. Плюмтектоника.
Примерный перечень вопросов к экзамену (7 семестр)
ВОПРОСЫ ПО КУРСУ «ГЕОФИЗИКА И ФИЗИКА ПЛАНЕТ»
БИЛЕТЫ
№1
1. Динамические аспекты модели формирования планетной
системы. Уравнение Сафронова.
2. Тензор деформаций, физ. смысл компонент этого тензора.
№2
1. Радиометрический метод определения возраста. ( K-Ar ; U-Pb
системы).Изохрона.
2. Волновые уравнения распространения объемных сейсмических волн
(получить из уравнения Ламе).
№3
1. Гравитационный потенциал Земли и планет. Разложение
гравитационного потенциала в ряд по сферическим функциям.
2. Валовая и мономинеральная оценки возраста. Тектономагматические
циклы.
№4.
1. Гравитационный потенциал жидкой вращающейся планеты.
2. Поле магнитного диполя над проводящим полупространством.
№5.
1. Уравнения Гельмгольца для магнитного и электрического полей
(вывод).
2. Шкала магнитуд, шкала балльности землетрясений.
№6.
1. Изостазия. Модели изостатической компенсации (Эри, Пратт).
2. Геомагнитное поле. Его аналитическое представление.
№7.
1. Разложение геомагнитного поля на поле внутренних и
внешних источников.
2. Годограф. Сейсмический параметр.
№8.
1. Тензор напряжений для упругой среды.
2. Виды остаточной намагниченности, используемые для
палеомагнитных реконструкций.
№9.
1. Закон Гука для сплошной среды (вывод).
2. Уравнение Сафронова.
№10.
1. Уравнение Ламе (вывод).
2. Радиометрический метод определения возраста. ( K-Ar ; U-Pb
системы). Изохрона.
№11.
1. Поверхностные волны Релея.
2. Понятие об инверсиях геомагнитного поля: регистрация, возможные
механизмы.
№12.
1. Поверхностные волны Лява.
2. Природа геомагнитного поля и магнитного поля планет.
№13.
1.Физический смысл первых 3 членов разложения магнитного
потенциала в ряд по сферическим функциям.
2.Сейсмичность Земли. Шкала магнитуд, шкала балльности
землетрясений.
№ 14
1.Тензор напряжений сплошной среды.
2.Волновые уравнения распространения объемных сейсмических волн.
№ 15
1.Поверхностные сейсмические волны на контакте двух
полупространств (условия возникновения).
2.Критическое число Релея для конвективной устойчивости жидкости в
задаче Релея- Бенара.
№ 16
1.Скоростной разрез Земли.
2.Плоская электромагнитная волна на проводящем полупространстве.
( Модель для метода магнитотеллурического зондирования).
№ 17
1. Система уравнений для конвективных возмущений гидростатического
равновесия жидкости (вывод).
2.Понятие об инверсиях геомагнитного поля, виртуальные траектории
дрейфа палеомагнитного полюса.
№ 18
1. Основные источники внутренней энергии Земли.
2. Тензор деформаций сплошной среды, физ. смысл компонент этого тензора.
№ 19
1. Метод реперных точек для оценки распределения современной
температуры Земли.
2.Параметры физического подобия (на примере системы ур. конвекции)
№ 20
Годограф. Сейсмический параметр. Головная волна. Принцип Ферма.
Разложение магнитного потенциала внешнего по отношению к поверхности Земли источника в виде ряда по сферическим функциям.
№ 21
Распределение температуры плавления в оболочках Земли.
Уравнения Гельмгольца для магнитного и электрического полей
(вывод).
III. Распределение часов курса по темам и видам работ
№
п/п
|
Наименование
разделов и тем
|
ВСЕГО
(часов)
|
Аудиторные занятия
(час)
|
Самостоятельная работа
|
в том числе
|
Лекции
|
Практические (семинары, лабораторные работы)
|
|
Введение
|
4
|
2
|
|
2
|
|
Проблемы планетологии.
|
10
|
4
|
2
|
4
|
|
Геохронология.
|
14
|
8
|
4
|
2
|
|
Гравиметрия.
|
12
|
6
|
4
|
2
|
|
Магнитное поле Земли и планет.
|
16
|
8
|
6
|
2
|
|
Палеомагнетизм
|
12
|
6
|
4
|
2
|
|
Сейсмология и сейсмичность. Распространение возмущений в сплошной среде.
|
18
|
12
|
2
|
4
|
|
Энергетика тектонических процессов
|
8
|
4
|
2
|
2
|
|
Геотермия и электромагнитные методы зондирования.
|
10
|
4
|
2
|
4
|
|
Конвективные течения во внутренних оболочках
|
12
|
4
|
4
|
4
|
|
Геодинамика
|
4
|
2
|
|
2
|
|
ИТОГО:
|
120
|
60
|
30
|
30
|
IV. Форма итогового контроля
Семестр 7 — экзамен.
V. Учебно-методическое обеспечение курса
Рекомендуемая литература (основная)
1. Жарков В.Н., Трубицын В.П. Физика планетных недр. М.: Наука,
1980. 448 с.
2. Шарма П. Геофизические методы в региональной геологии. М.:
Мир, 1989. 487 с.
Хачай Ю.В. Исследование внутреннего строения Земли и планет с использованием внешнего гравитационного потенциала. Мет.ук.,
УрГУ.Екат., 1997. 20с.
Хачай Ю.В. Исследование внутреннего строения Земли и планет с использованием сейсмических волн. Мет.ук.,УрГУ.Екат.,1997.29с.
Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г, Кирдяшкин А.А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001, 409 с.
Аки К., Робертс П. Количественная сейсмология. М. Мир. 1983. 880с.
Яновский Б.М. Земной магнетизм. Ленинград. ЛГУ.1978. 592с.
Рекомендуемая литература (дополнительная)
Стейси Ф. Физика Земли. Москва. Мир. 1972.
Буллен К.Е. Введение в теоретическую сейсмологию. М.: Мир. 1966. 460с.
Гершуни Г.З., Жуховицкий Е. М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука 1972.
4. Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. Т.1-2. Москва. Мир. 1985. |
