|
|
| Order | Course title |
| Topic 1 (TO1) select 1 | |
| 1 | Společné požadavky |
| Topic 2 (TO2) select 2 | |
| 1 | Atmosférická chemie a kvalita ovzduší |
| 2 | Klimatické modely, jejich druhy, struktura a aplikace |
| 3 | Metody numerického modelování atmosféry |
| 4 | Šíření elektromagnetických a akustických vln v atmosféře |
|
||
|
Last update: Mgr. Dina Novotná Obeidová (26.08.2021)
Požadavky k~ústní části státní závěrečné zkoušky
A. Společné požadavky
1. Statika a~dynamika atmosféry
Atmosféra v~hydrostatické rovnováze - homogenní, adiabatická, izotermní atmosféra. Vertikální stabilita atmosféry - metoda částice, metoda vrstvy a~metoda vtahování, teplotní inverze a~příčiny jejich vzniku. Kinematika a~dynamika proudění vzduchu, vliv tření na proudění, základní typy proudění (geostrofický, ageostrofický vítr a~jeho složky, gradientový, divergentní, nedivergentní proud apod.). Změny větru s~výškou, střih větru, termální vítr. Vorticita a~cirkulace - cirkulační teorémy, rovnice vorticity, divergenční teorém, balanční rovnice a~jejich použití. Druhy a~metody výpočtu vertikálních pohybů, rovnice omega a~její diskuse. Předpověď konvekce. Energetika atmosféry, transformace energie v~atmosféře, dostupná potenciální energie, vlnové pohyby a~kmity v~atmosféře.
2. Termodynamické děje v~atmosféře
Termodynamicky ideální plyn a~reálné plyny, stavové veličiny, základní termodynamické děje (polytropický, izotermický, izobarický, izosterický, adiabatický děj), termodynamické solenoidy, termodynamická práce, I. a~II. hlavní termodynamická věta, entropie, entalpie, měrná a~skupenská tepla, stavové rovnice, Poissonovy rovnice, Gibbsova-Dühemova rovnice, fázové přechody, Clausius--Clapeyronova rovnice, termodynamické potenciály. Termodynamika suchého, vlhkého a~nasyceného vzduchu, závislost tlaku nasycené vodní páry na teplotě, analýza fázového diagramu vody, vlhkostní charakteristiky, vratné adiabatické děje v~atmosféře, tzv. pseudoadiabatický děj, fázové změny vody, konzervativnost Gibbsova termodynamického potenciálu při fázových změnách - aplikace na vícesložkové systémy (např. roztoky, Raoultův zákon), na závislost tlaku nasycené vodní páry na zakřivení vodního nebo ledového povrchu, na vysvětlení existence přechlazených vodních kapiček a~kvantitativní vyjádření jejich přechlazení apod.
3. Fyzika oblaků a~srážek
Mikrostruktura a~makrostruktura oblaků, morfologická klasifikace oblaků, termodynamické a~dynamické podmínky pro vznik a~vývoj oblaků, vodní, smíšené a~ledové oblaky, nukleace vodní páry, kondenzace vodní páry v~atmosférických podmínkách, úloha a~mechanismy působení kondenzačních jader, kondenzační růst a~zamrzání oblačných kapek, koalescence vodních kapek, ledová jádra, nukleace ledu, přechlazená voda v~oblacích, primární a~sekundární produkce ledu v~oblacích, růst ledových částic, agregace, spektra velikostí oblačných, dešťových kapek a~ledových krystalů, tvary ledových částic, vodní obsah oblaků, mechanismy vzniku srážek, vývoj srážek ve vrstevnatých a~konvektivních oblacích.
4. Mezní vrstva atmosféry
Pojem mezní vrstvy atmosféry. Teorie vazkého proudění, Navierovy-Stokesovy rovnice, dynamická podobnost, Reynoldsovo číslo. Turbulence v~atmosféře, Reynoldsovy rovnice turbulentního proudění,Reynoldsova napětí, směšovací délka, koeficient turbulentní difúze, přízemní a~spirální vrstva, vertikální profily proudění v~přízemní vrstvě, Ekmanova spirála. Konvektivní mezní vrstva, stabilní mezní vrstva, denní chod mezní vrstvy, charakteristické profily teploty, rychlosti proudění a~turbulentních toků, oblačnost v~mezní vrstvě. Interakce mezní vrstvy a~zemského povrchu, toky hybnosti, tepla a~vlhkosti, radiační a~tepelná bilance zemského povrchu. Transformace kinetické energie v~mezní vrstvě, turbulentní kinetická energie a~její mechanická a~termická produkce, izotropní a~neizotropní turbulence, spektrum turbulentní kinetické energie. Teorie podobnosti a~škálování, Richardsonovo číslo, Obuchovova délka, Moniova a~Obuchovova teorie podobnosti, bezrozměrné vertikální profily složek hybnosti, teploty a~vlhkosti. Mezní vrstva atmosféry v~městských oblastech, proudění přes horské překážky. Problém uzávěru, modely mezní vrstvy atmosféry, simulace velkých vírů. Metody pozorování mezní vrstvy, experimentální metody pro výzkum turbulentního proudění.
5. Synoptická meteorologie a~meteorologické jevy
Horizontální a~vertikální rozdělení meteorologických prvků, denní a~roční chody. Vzduchové hmoty - vznik, rozdělení, transformace, charakteristiky a~podmínky počasí. Atmosférické fronty - definice, dynamická a~kinematická podmínka, tlakové pole, druhy front, podmínky počasí. Frontogeneze a~frontolýza. Tlakové útvary - barotropní a~baroklinní instabilita. Stavba a~vývoj tlakových útvarů, regenerace, změny tlaku, změny teplot, podmínky počasí v~cyklonálním a~anticyklonálním tlakovém poli, výškové frontální zóny, rapidní cyklogeneze. Tryskové proudění. Oblaky frontálních systémů a~oblaky uvnitř vzduchových hmot, buněčná cirkulace v~oblacích, struktura bouřkových oblaků (Cb), silné konvektivní bouře a~s~nimi spojené extrémní meteorologické jevy, multicely, supercely, tornáda. Tropické cyklony. Fén.
6. Klima a~klimatický systém
Klimatický systém, pozorovaný stav atmosféry a~oceánů (teplotní struktura, srážky, salinita), definice klimatu. Radiační a~tepelná bilance zemského povrchu, atmosféry, soustavy Země-atmosféra (fyzikální zákony, sluneční radiace, dlouhovlnná radiace, rovnice radiačních přenosů). Skleníkový jev, skleníkové plyny v~atmosféře, uhlíkový cyklus. Tok tepla do litosféry a~hydrosféry. Denní a~roční chody jednotlivých složek radiační a~tepelné bilance. Vliv aktivního povrchu na radiační a~tepelnou bilanci. Vodní bilance atmosféry, kontinentů, oceánů. Cirkulace atmosféry. Všeobecná cirkulace troposféry a~stratosféry, pasátová a~monzunová cirkulace, intertropická zóna konvergence, místní cirkulační systémy. Typy klimatu a~jeho klasifikace. Základní rysy klimatu ČR. Cirkulace v~oceánech. Interakce atmosféra-oceán, módy variability, dálkové vazby. Přirozené a~antropogenní změny klimatu, příčiny klimatických změn, Milankovičova teorie klimatu. citlivost klimatického systému na vnější a~vnitřní vlivy, zpětné vazby, globální a~regionální klimatické modely. Metody statistické analýzy klimatických prvků a~polí. Specifika klimatu v~městských oblastech.
7. Vyšší vrstvy atmosféry
Stratosféra a~mezosféra, přechodové vrstvy, vertikální profily a~horizontální rozložení základních meteorologických prvků, cirkulace ve střední atmosféře. Roční chody teploty a~proudění, charakteristiky polární cirkulace, srovnání severní a~jižní hemisféry. Náhlé stratosférické oteplení, klasifikace, vývoj oteplení, vliv různých faktorů, dopady na další části atmosféry. Transport ve střední atmosféře, Brewer-Dobsonova cirkulace, vznik a~základní charakteristiky, roční chod, výměna mezi troposférou a~stratosférou. Radiační procesy. Gravitační vlny, planetární vlny, role vlnových procesů v~dynamice střední atmosféry. Ozon ve stratosféře, vznik a~destrukce ozonu, související chemické reakce, role halogenovaných uhlovodíků a~dalších chemických skupin, ozonová díra, její vznik a~vývoj, dlouhodobé trendy koncentrací ozonu. Vliv vulkanických erupcí a~sluneční aktivity.
8. Metody dálkového průzkumu atmosféry
Družicová pozorování, měření meteorologických veličin a~složení atmosféry. Meteorologické geostacionární družice, polární družice. Spektrální pásma a~spektrální kanály, jejich základní vlastnosti. Odrazivost, propustnost, emisivita, jasová teplota. Základní spektrální vlastnosti oblačnosti a~zemského povrchu. Současné operativní družice, základní metody zpracování družicových snímků, družicové snímání atmosférických sloupců plynů (ozón, NO2, SO2, formaldehyd, CO), aerosolů, optické vlastnosti aerosolů. Radarová měření. Princip funkce a~použití radaru v~meteorologii, radiolokační odrazivost, data Dopplerovských rychlostí, polarimetrická měření. Radiolokační rovnice, mikrovlnná refrakce, útlum, pozemní odrazy. Radiolokační odhady srážek, kombinace se srážkoměrnými daty. Metody snímání a~zpracování dat. Interpretace radiolokačních měření, radiolokační charakteristiky konvektivní a~vrstevnaté oblačnosti. Radiolokační síť v~ČR. Detekce blesků, metoda stanovení času příchodu, metoda určení směru zdroje. Měření pomocí lidarů, pozemní lidary, letecké lidary. Měření pomocí sodaru, rozptyl zvukových vln v~atmosféře. Využití GPS dat, radiookultační (RO) metoda.
B. Užší zaměření
Studenti a~studentky si volí dva z~následujících čtyř tematických okruhů.
1. Atmosférická chemie a~kvalita ovzduší
Složení atmosféry, základy chemické kinetiky, základy troposférické a~stratosférické chemie, atmosférická chemie pozadí, chemie oxidů dusíku, alkanů, alkenů, karbonylová chemie, alkoholy, aromáty, polycyklické aromatické uhlovodíky, dusíkaté organické sloučeniny, halogenované uhlovodíky, látky ohrožující ozonosféru, radikály a~jejich role v~chemismu atmosféry, antropogenní a~biogenní těkavé organické látky a~jejich reakce, fotochemický smog, prekurzory ozonu, reakce oxidů síry, heterogenní reakce, oxidace síry a~dusíku, procesy tvorby aerosolů, primární a~sekundární atmosférické aerosoly, spektra aerosolových částic. Typické antropogenní příměsi a~jejich zdroje, emise, imise, emisní bilance a~databáze, difúze příměsí v~atmosféře, suchá a~mokrá depozice příměsí. Typizace meteorologických podmínek pro účely ochrany čistoty ovzduší, monitorování znečištění vzduchu, hlavní typy modelů pro transport znečišťujících příměsí v~atmosféře, lagrangeovské a~eulerovské modely, gaussovské modely, vlečkové modely, tzv. puff modely, disperzní a~receptorové modelování, fyzikální modelování, značkovací látky.
2. Klimatické modely, jejich druhy, struktura a~aplikace
Typy klimatických modelů a~jejich aplikace. Struktura energetických a~radiačně konvekčních modelů, parametrizace mezišířkových přenosů energie a~radiačních procesů, zpětné vazby. Globální klimatické modely, modely systému Země (ESM). Metody statistického downscalingu a~regionální klimatické modely, jejich aplikace. Struktura modelů, parametrizace základních fyzikálních procesů, interpretace výstupů. Validace modelových výstupů. Emisní scénáře. Konstrukce scénářů změny klimatu. Zdroje neurčitostí ve výstupech klimatických modelů. Multimodelové a~skupinové simulace a~projekce.
3. Metody numerického modelování atmosféry
Formulace rovnic atmosférických modelů, zjednodušující aproximace, zahrnutí vlnových pohybů, modely v~hydrostatickém přiblížení, rovnice mělké vody, formulace počátečních a~okrajových úloh (globální model, model na omezené oblasti), horizontální i~vertikální souřadnice používané v~modelech, příprava vstupních údajů, objektivní analýza a~asimilace dat, inicializace, normální módy, metody prostorové diskretizace a~časové integrace rovnic meteorologických modelů, stabilita a~konvergence numerických schémat, parametrizace fyzikálních dějů. Synoptická interpretace výstupů modelů, hlavní faktory limitující úspěšnou předpověď meteorologických polí, prediktabilita atmosférických procesů, teoretické a~praktické meze prediktability.
4.Šíření elektromagnetických a~akustických vln v~atmosféře
Maxwellovy rovnice a~jejich aplikace v~atmosféře, vlnové rovnice, lom, odraz, rozptyl a~útlum elektromagnetických vln v~atmosféře, radiolokační rovnice, Rayleighův rozptyl, Mieův rozptyl, astronomická refrakce, spodní, svrchní a~boční zrcadlení, fata morgána, snížení a~zvednutí obzoru, deformace a~laminace slunečního disku, zelený záblesk, barvy oblohy, soumrak a~soumrakové jevy, duhy, koróny, glórie, halové jevy, dohlednost, polarizace světla oblohy. Šíření zvuku v~atmosféře, rychlost zvuku, akustický index lomu, akustické stíny, anomální slyšitelnost, rázové vlny, útlum zvuku v~atmosférickém prostředí. Elektrické pole v~atmosféře, sférický kondenzátor, ionizace a~elektrická vodivost vzduchu, vertikální elektrické proudy, oblačná a~bouřková elektřina, elektrické vlastnosti oblaků, elektrický náboj ve srážkách, elektrická struktura kumulonimbů, mechanismy generování elektrických nábojů v~oblacích, hrotové výboje, blesky, atmosfériky, TLE, bilance transportu elektrického náboje v~atmosféře. |