Математическое моделирование физических процессов | СГУ

Целями освоения дисциплины «Математическое моделирование физических процессов» являются:

• получение основных сведений по методам построения математиче-ских моделей в различных областях физики, включая радиофизику, электронику, квантовую механику.

• получение основных сведений по методам и алгоритмам решения краевых задач, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных, интегральными и интегродифференциальными  уравнениями.

• приобретение навыков построения математических моделей, оценки их эффективности, построения алгоритмов и их численной реализации.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать:

• методы построения моделей радиофизических динамических систем, типы моделей;

• основные численные методы решения краевых задач;

• классификацию уравнений математической физики, особенности их ре-шения;

• методы анализа сосредоточенных и распределенных систем;

• методы построения и решения эволюционных уравнений и решения уравнений движения;

• методы построения уравнений возбуждения структур электродинамики в стационарном и нестационарном случаях;

• методы построения моделей для задач на собственные значения и их численные реализации;

• модели описания электрофизических свойств веществ и метамате-риалов.

Уметь:

• строить математические модели для различных объектов на основе ра-диофизичеких, квантовомеханических, механических, теплофизических, детерминированных, стохастических и других физических подходах; 

• уметь оценивать достоверность моделей, выбирать наилучшие подходы к моделированию, уметь классифицировать модели и находить способы их совершенствования; 

• применять математические методы к исследованию построенных моде-лей и получению нужных результатов; 

• эффективно использовать современные информационные и коммуника-ционные технологии для моделирования.

Владеть:

• методами векторной алгебры, теории матриц, решения обычных систем дифференциальных уравнений, дифференциальных уравнений в част-ных производных и интегральных уравнений, разносными, проекционными, вариационными и итерационными методами;

• стандартными численными методами, методами аппроксимации и интерполяции, методами построения, оптимизации и отладки алгоритмов и программ в средах программирования;

• методами моделирования с использованием стандартных пакетов про-грамм для электродинамики, механики и других приложений;

• методами компьютерной обработки и представления информации.

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы 

Лаборатория физических процессов и технологий изготовления ВТГ

Cookie-файлы

X

Этот сайт использует файлы cookie. Собранная при помощи cookie информация не может идентифицировать вас, однако может помочь нам улучшить работу нашего сайта. Продолжая использовать сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie.

Лаборатория физических процессов и технологий изготовления ВТГ

Структурное подразделение: Институт инновационных инженерных технологий.

Основанная в 2018 году Лаборатория физических процессов и технологий изготовления ВТГ занимается разработкой конструктивных решений и технологий, направленных на создание недорогих высокоточных волновых твердотельных гироскопов, наряду с разработкой методов и помехоустойчивых алгоритмов обработки выходных сигналов ВТГ в составе БИНС. Помимо прочего, деятельность лаборатории направлена на исследование физических процессов, влияющих на инклинометрию нефтяных и газовых скважин, научно-технологическую подготовку серийного производства кремниевых акселерометров для инклинометров.

Среди текущих задач лаборатории:

• совершенствование методов измерения основных параметров полусферических резонаторов ВТГ;
• оценка качества математических моделей, используемых для расчета собственных частот кварцевых резонаторов;
• отладка технологических процессов производства отечественных недорогих кремниевых микромеханических акселерометров;
• формулирование новых принципов построения глубоко интегрированных бесплатформенных навигационных систем (БИНС) на базе ВТГ;
• создание оригинальных эффективных методов оптического съема информации с ВТГ, а также разработка комплекса алгоритмов обработки выходных сигналов с использованием методов нелинейной стохастической фильтрации.

Главные научные направления

• Транспортные, авиационные и космические системы;
• Технологии производства высокоточных волновых твердотельных гироскопов;
• Теория управления, стохастическая фильтрация, задачи инерциальной навигации;
• Технологии производства современных инклинометров, работающих в сложных условиях бурения нефтяных и газовых скважин;
• Управление, съем информации и навигационные задачи, решаемые с помощью ВТГ.

Разработаны математические модели, позволяющие производить расчет и оптимизацию характеристик кварцевого резонатора ВТГ;

Разработан метод высокоточного аналитического гирокомпасирования на основе использования ВТГ; 

Решена задача возмущенной начальной ориентации БИНС на основе ВТГ с использованием параметров Родрига-Гамильтона;

Лаборатория по исследованию физических процессов при столкновениях адронов сверх-высоких энергий

Сотрудники лаборатории участвует в эксперименте АТЛАС на Большом Адронном Коллайдере (БАК) Европейского Центра по физике высоких энергий (ЦЕРНа) с 1995 г., то есть почти с момента возникновения коллаборации. Набор данных при рекордных энергиях столкновений протонов (8 тера-электрон-вольт (ТэВ) в системе центра масс в сезоне 2012 г., в 2015 г. планируется достичь 13 ТэВ) начался в 2010 г. С этого времени эксперименты, ведущиеся на БАК, стали основным источником новой информации по физике высоких энергий, особенно в том, что касается поиска «новой физики» за пределами Стандартной Модели. Спектр деятельности сотрудников лаборатории охватывает несколько направлений.

Это участие в анализе физических процессов, в частности в группе по поиску и изучению свойств хиггсовского бозона (открытого коллаборациями АТЛАС и CMS в 2012 г.) в канале распада на четыре лептона, а также поиск правополяризованных векторных бозонов и тяжелых нейтрино в группе по поиску так называемой «экзотической физики». Наши сотрудники участвуют в работе групп, занимающихся калибровкой детектора по физическим процессам и настройкой реконструкции частиц в детекторе.

Также ведутся работы по поддержке детектора и развитию программного обеспечения:

• контроль качества физических данных (в том числе в режиме он-лайн при наборе статистики) и данных электронных калибровок систем детектора,
• моделирование электромагнитного калориметра на жидком аргоне (электродная структура которого имеет очень сложную форму, напоминающую аккордеон) в программе GEANT4,
• мониторинг системы распределенной обработки и хранения данных ГРИД (это тысячи задач, одновременно и круглосуточно выполняющихся на мощных вычислительных кластерах, распределенных по всему миру; объем данных составляет десятки петабайт),
• поддержка и развитие системы сбора данных и триггера,
• системное администрирование центральных компьютеров АТЛАС, поддержка многочисленных сервисов и баз данных

Планируется, что светимость БАК (число столкновений протонов на единицу площади в единицу времени) будет повышена с нынешнего уровня 7∙10^33 см-2с-1 до 2∙10^34 см-2с-1 в 2019 г.34 см-2с-1 в 2024 г. Значительно возросший интеграл статистики должен сделать возможными более точные измерения, как для «стандартной», так и для «новой» физики. Наши сотрудники участвуют в работах по подготовке будущих апгрейдов систем детектора АТЛАС – в эксперименте по исследованию работоспособности жидкоаргоновых калориметров при высоких загрузках и в разработке новой электроники для цифровой обработки сигналов триггера электромагнитного калориметра.

Сотрудники

Публикации

Классификация физических процессов — Мегаобучалка

Модели прогнозирования физических процессов

Физические процессы и их характеристики

Классификация физических процессов

Все наблюдаемые процессы, характеризующие физические явления и изменения состояний объектов, можно классифицировать в самом общем виде как детерминированные и недетерминированные. К детерминированным относятся процессы, которые могут быть описаны точными математическими соотношениями. Рассмотрим, например, твердое тело, подвешенное на упругой пружине (рис. 5.1, а).

Пусть m – масса тела, а k – коэффициент жесткости пружины. Предположим, что тело получает начальное смещение X_m из положения равновесия (рис. 5.1, б) и освобождается в момент времени t = 0. На основе фундаментальных законов механики или с помощью повторных наблюдений можно установить справедливость следующего соотношения:

. (5.1)

Формула (5.1) достаточно точно описывает положение тела в любой момент времени в недалеком будущем. Для более точного предсказания положения тела в течение длительного времени требуется учесть затухание колебаний. Следовательно, физический процесс, характеризующий движение данного тела, относится к детерминированным.

На практике встречается много физических процессов, которые с высокой точностью могут быть описаны математическими соотношениями. Например, движение спутника по околоземной орбите, изменение напряжения на конденсаторе, который разряжается через сопротивление, вибрация несбалансированного ротора генератора или изменение температуры воды при охлаждении. Детерминированные процессы можно классифицировать, как показано на рис. 5.2.

Рис. 5.1. Тело, подвешенное на пружине

Рис. 5.2. Классификация детерминированных процессов

Существует много процессов, имеющих недетерминированный, т. е. случайный характер. Например, изменение уровня сигнала в канале связи, температура воздуха, мощность, потребляемая из сети в заводском цехе. Точное значение такого процесса в некоторый момент времени в будущем предсказать невозможно. Эти процессы случайны по своей природе и должны описываться не точными уравнениями, а при помощи осредненных статистических характеристик. Будем обозначать случайный процесс x(t) случайной функцией от независимой переменной t.

Случайные процессы можно классифицировать, как показано на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Классификация случайных процессов

Во многих случаях трудно решить, относится рассматриваемый физический процесс к детерминированным или случайным. Можно, например, считать, что в действительности ни один физический процесс не является строго детерминированным, поскольку всегда существует возможность того, что в будущем какое-либо непредвиденное событие изменит течение процесса таким образом, что полученные данные будут носить характер иной, чем предполагалось ранее. С другой стороны, можно утверждать, что в действительности ни один физический процесс не имеет строго случайной природы, так как если достаточно хорошо знать механизм изучаемого процесса, его можно описать точными математическими соотношениями.

Практически решение о детерминированном или случайном характере процесса принимается исходя из возможности либо невозможности воспроизведения его при заданных условиях. Если многократное повторение опыта дает одинаковые результаты (с точностью до ошибки измерения), то можно, вообще говоря, считать процесс детерминированным. Если же повторение опыта в идентичных условиях приводит к разным исходам, то природа процесса полагается случайной.

Классификация холодильных машин

Работа холодильных систем и тепловых насосов основана на реализации обратных термодинамических циклов, когда теплота перемещается от низких температур к высоким. Холодильное оборудование отводит тепло от объектов с температурой ниже, чем температура в окружающей среде, чем дополнительно снижает их температуру. Отводимое тепло может использоваться затем в хозяйственных нуждах: для ГВС или организации отопления.

Конструкции и принцип работы холодильных установок и тепловых насосов во многом похожи. Отличие, в основном, в уровне рабочих параметров.

Классификация холодильных машин

Холодильные машины (агрегаты) разделяют на виды по типу физического процесса, заложенного в основе работы.

• Парокомпрессионные, абсорбционные, эжекторные. Этот тип машин использует процессы фазового перехода рабочего состава из жидкого состояния в газообразное.
• Воздушные детандерные. Работают на основе процесса расширения воздуха, при этом производится внешняя работа.
• Воздушные вихревые. Основаны на том же принципе, но без производства внешней работы.
• Термоэлектрические. Функционируют на основе эффекта Пелье.

По типу потребляемой энергии холодильные машины делят на следующие виды.

• Работающие на основе механической энергии – компрессионные.
• Потребляющие тепло – эжекторные, абсорбционные и ряд компрессорных, имеющих турбинный привод.
• Потребляющие электроэнергию – термоэлектрические.

В зависимости от условий работы и необходимого результата холодильные машины разделяется по холодопроизводительности на малые, средние и крупные установки. К малым относятся машины до 15 кВт, к средним – от 15 до 120 кВт, крупными считаются установки с холодопроизводительностью выше 120 кВт.

По температурным характеристикам обслуживаемого объекта машины подразделяются на низко-, средне- и высокотемпературные. Температура соответственно: ниже -30 ^оС, от -30 ^оС до -10 ^оС и выше -10 ^оС.

По назначению холодильное оборудование может быть универсальным или специализированным. Работает холодильная техника в разных термодинамических циклах, в соответствии с этим меняется схема установки. По этому признаку машины делят на 1-, 2-, многоступенчатые и каскадные.

Варьируется и рабочее тело, в качестве которого в холодильных машинах может использоваться: фреон, пропан, аммиак, этан, воздух, пар и вода и др. Большинство существующих машин относятся к парокомпрессионным, и работают на разных типах компрессоров: поршневых (самые распространенные), ротационных, винтовых, центробежных.

Особенности различных типов холодильных машин

Парокомпрессионные машины на поршневых компрессорах получили заслуженное уважение благодаря высоким энергетическим коэффициентам. У этого типа оборудования высокое отношение давлений кипений и конденсации, но есть и свои недостатки. К ним относятся: высокая вибрация и сравнительно с другими типами оборудования небольшая надежность.

Основным недостатком машин на центробежных компрессорах считается низкая энергетическая эффективность. К плюсам можно отнести: небольшие габариты, высокую надежность и уравновешенность, сравнительную простоту регулирования производительности.

Проблемой машин с винтовыми масляными компрессорами считают именно металлоемкую масляную систему и большие потери в нерасчетных режимах. Тем не менее, они отличаются высокой надежностью и производительностью.

При выборе холодильной техники приходится учитывать много факторов: габариты, производительность, условия и стоимость эксплуатации, виброакустические показатели. К сожалению, универсального оборудования, лучшего по всем показателям, в настоящий момент не существует – на каждом конкретном случае используют те машины, которые оптимально подходят по сумме различных показателей.

Анализируйте, прогнозируйте поведение и оптимизируйте инженерные расчётные проекты с помощью программы COMSOL Multiphysics®

Операции, последовательности и выборки

Базовый пакет COMSOL Multiphysics^® содержит инструменты геометрического моделирования для создания элементов геометрии на основе твердых тел, поверхностей, кривых и булевых операций. Итоговая геометрия определяется последовательностью операций, каждая из которых может получать входные параметры, что облегчает редактирование и параметрические исследования мультифизических моделей. Связь между определением геометрии и настройками физики двусторонняя — любое изменение геометрии автоматически приводит к соответствующим изменениям в связанных настройках модели.

Любые геометрические объекты можно объединять в выборки (selections) для дальнейшего использования в определении физики и граничных условий, построении сеток и графиков. Кроме того, последовательность операций можно использовать, чтобы создать параметризованную геометрическую заготовку (geometry part), которую потом можно сохранить в Библиотеке CAD-заготовок (Part Library) и повторно использовать во многих моделях.

Импорт, обработка, устранение ошибок, упрощение геометрических моделей и виртуальные операции

Импорт всех стандартных CAD и ECAD файлов в COMSOL Multiphysics^® поддерживается при наличии модулей CAD-импорт и ECAD-импорт соответственно. Модуль CAD-импорт и CAD-операции расширяет набор геометрических операций, доступных в COMSOL Multiphysics^®. Модули «CAD-импорт» и «CAD-импорт и CAD-операции» предоставляют возможность исправлять ошибки в импортированной геометрии и удалять некоторые лишние детали (операции группы Repair & Defeaturing) для эффективного численного моделирования. Модели на основе поверхностных сеток, например, в формате STL, можно импортировать и преобразовывать в геометрические объекты с помощью базовой платформы COMSOL Multiphysics^®. Операции импорта работают так же, как и все остальные геометрические операции — в них можно использовать выборки и ассоциативность при параметрических и оптимизационных исследованиях.

В качестве альтернативы операциям Repair и Defeaturing в пакете COMSOL^® также реализованы так называемые виртуальные операции, которые позволяют исключить влияние ряда геометрических артефактов на конечно-элементную сетку, в частности, вытянутых и узких границ, которые могут понижать точность моделирования. В отличие от удаления деталей при дефичеринге, виртуальные операции не изменяют кривизну или точность геометрии, но позволяют получить более чистую сетку.

Список функций геометрического моделирования

• Примитивы
  • Блок, сфера, конус, тор, эллипсоид, цилиндр, спираль, пирамида, шестигранник
  • Параметрическая кривая, параметрическая поверхность, многоугольник, полигоны Безье, интерполяционная кривая, точка
• Операции Extrude (Вытяжка), Revolve (Разворот), Sweep и Loft (создать тело по траектории или по сечениям¹
• Булевы операции: объединение, пересечение, разность и разделение
• Трансформации: создание массива, копирование, отражение, перемещение, вращение и масштабирование
• Преобразования:
  • Преобразовать в замкнутое объемное тело, поверхность, кривую
  • Midsurface (Средняя поверхность)¹, Thicken (Утолщение)¹, Split (разделение на составляющие)
• Chamfer (Скос) и Fillet (Cкругление)²
• Виртуальные операции
  • Remove details (Автоматическое применение виртуальных геометрических операций)
  • Игнорирование: вершин, ребер и границ
  • Формирование композитного объекта: из ребер, границ или областей
  • Схлопывание ребра или границы
  • Объединение вершин или рёбер
  • Контроль сетки: вершины, ребра, границы, области
• Гибридное моделирование: твердые тела, поверхности, кривые и точки
• Рабочие плоскости (Work Planes) с двухмерным геометрическим моделированием
• Импорт из CAD и двусторонняя интеграция с помощью модулей «CAD-импорт», «CAD-импорт и CAD-операции» и продуктов группы LiveLink™
• Исправление и удаление деталей из CAD-моделей с помощью модулей расширения «CAD-импорт», «CAD-импорт и CAD-операции» и продуктов группы LiveLink™
  • Cap faces (Закрыть грань), Delete (Удаление)
  • Скругление, Избавление от коротких ребер, узких граней, границ и выступов
  • Detach faces (Выделение домена из границ), Knit to solid (Избавление от зазоров), Repair (Обработка и исправление геометрии)

¹Данная операция требует наличия модуля «CAD-импорт и CAD-операции»

²Данные операции в 3D требуют наличия модуля «CAD-импорт и CAD-операции»

6. Физические процессы в линиях связи на оптических волокнах. Линии АТС

6.1. Волновая и лучевая трактовки световых процессов

6.2. Апертура волоконного световода

6.3. Типы волоконных световодов

6.4. Критическая частота и длина волны волоконного световода

6.5. Затухание сигнала в волоконных световодах

6.1. Волновая и лучевая трактовки световых процессов

В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью оптические кабели имеют совершенно другой механизм передачи энергии, а именно посредствам токов смещения как и в радиоканалах. Отличие от радиоканалов состоит в том, что волна распространяется не в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передаётся по нему в заданном направлении.

Как известно, однако, свет имеет двойственную природу: волновую и лучевую (корпускулярную). Волновая теория света обосновывает, что все свойства света совпадают со свойствами электромагнитных колебаний очень высокой частоты (10¹⁴…10¹⁵ Гц). Волны подразделяются на классы и типы (рассмотрены в лекции № 3). Тип волны (мода) определяется сложностью структуры, т.е. числом максимумов и минимумов поля в поперечном сечении. Мода обозначается двумя числовыми индексами n и m ( и ). Индекс n обозначает число полных изменений поля по окружности световода, индекс m — число изменений поля по диаметру (см. рис. 1).

По корпускулярной теории свет — это поток быстро движущихся мелких частиц (корпускул), которые излучаются отдельными порциями (квантами) и образуют луч света.

Таким образом, теория света является синтезом волновых и лучевых его свойств. На рис 2 показана одномодовая и многомодовая схемы передачи. Одномодовой передачи соответствует один луч, а многомодовой — в данном примере три луча.

Передача волны по световоду осуществляется за счёт её отражения от границ сердцевины и оболочки, имеющих разные показатели преломления ( и , причем , см. рис.3), т.е. передача происходит волноводным методом.

Рис.3

В волновой трактовке процесс передачи световых сигналов рассматривается как разновидность распространения ЭМ волн. Математические решения получают из электродинамических решений уравнений Максвелла. Решение этих уравнений приводит к цилиндрическим функциям Бесселя для сердцевины и Ганкеля для оболочки. Эти решения являются наиболее точными, т.к. учитывают модовый состав пропускаемого излучения, Основной вывод который следует из результатов решения: в световодах могут существовать моды соответствующие только целым значениям числовых индексов n и m. Для инженерных расчетов использование решений на основе уравнений Максвелла затруднительно в виду сложности.

6.2. Апертура волоконного световода

Более подходящей в этом смысле является лучевая теория. По законам геометрической оптики на границе сердечник оболочка в общем случае присутствуют падающая волна под углом , отраженная и преломленная — (см. рис. 4,б).

Рис. 4

Известно, что при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, т.е. при волна при определённом угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду (рис. 4, а). Угол падения , начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, (т.е. ), называется углом полного внутреннего отражения:

, где (6.1)

, и — соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемость сердечника и оболочки. (Исходим из общей формулы:

, очевидно при получим соотношение (6.1))

Апертура волоконного световода — это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 5).

Рис. 5

Кроме этого часто используют понятие числовой апертуры (NA), которую определяют по формуле

,

где n_0, n₁ n₂ — показатели преломления наружной среды, сердцевины и оболочки. (если наружная среда — воздух n₀=1).

6.3. Типы волоконных световодов

Оптические волокна классифицируются на две группы: одномодовые и многомодовые, причем последние подразделяются на ступенчатые и градиентные.

В одномодовых оптических волокнах диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны, и по нему передается всего один луч — тип волны (мода). В многомодовых оптических волокнах диаметр сердцевины больше, чем длина волны, и по нему распространяется большое число лучей (мод). Практически у одномодовых волокон диаметр сердцевины составляет мкм, а у многомодового — 50мкм.

Как видно из рис.6:а,б,в ход лучей у различных оптических волокон различен.

Рис. 6

В ступенчатом многомодовом волокне (а) лучи резко отражаются от от границы сердцевина — оболочка. Причем пути следования различных лучей различны и потому они приходят к концу линии со сдвигом во времени. Это приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии).

В градиентном многомодовом волокне лучи распространяются по волнообразным траекториям и потому они с меньшим разбросом приходит к концу линии.

Наилучшими характеристиками в этом смысле обладает одномодовое волокно, т.к. здесь распространяется всего один луч.

Характер распространения лучей в многомодовом волокне определяется характером изменения коэффициента преломления по сечению волокна. В варианте (а) он резкий (ступенчатый). В варианте (б) плавный, например, по параболическому закону.

6.4. Критическая частота и длина волны волоконного световода

При фиксированном диаметре d световода и различных длинах волн характеристикой условий распространения излучения может быть некоторый угол , связанный соотношением:

. (6.2)

Как видно из рис.7, чем ближе длина волны к диаметру световода, тем меньше продольная составляющая распространения волны. Предельный случай . В соответствии с лучевой теорией при этом вдоль световода нет передачи энергии.

Рис. 7

Имея в виду, что и предполагая, что выполняется условие полного внутреннего отражения, т.е. можно записать

. (6.3)

Прировняв правые части выражений (6.2) и (6.3) для косинусов получим:

. (6.4)

Критическая длина волны волоконного световода, в таком случае

. (6.5)

Соответственно критическая частота

, (6.6)

где — скорость распространения волны в сердечнике световода (сорость света).

Анализируя полученные соотношения, отметим, что чем толще сердечник световода и чем больше различаются и , тем больше критическая длина волны и соответственно ниже критическая частота. (Следует иметь в виду, что соотношения (6.5) и (6.6) получены из упрощенных выражений геометрической оптики и не учитывают возможность передачи по световоду большого числа различных типов волн. Более строгое решение может быть получено только на основе уравнений электродинамики.)

Ещё одной характеристикой световодов служит, так называемая, нормированная частота

, (6.7)

которая является обобщенной характеристикой световода.

Выбирая параметры световода таким образом, чтобы передаваемая частота была близка к критической, можно реализовать одномодовый режим распространения волны . Относительно нормированной частоты это условие может быть реализовано при V<2.405.

С увеличением диаметра сердцевины и уменьшением длины волны число мод резко возрастает. Число мод может быть приближенно определено как .

Достоинство одномодовой передачи является широкая полоса передаваемых частот (несколько гигагерц). С увеличением числа мод полоса передаваемых частот сужается. Однако одномодовый режим требует применение когерентных источников излучения (лазеров). Для многомодовых систем можно использовать простейшие источники излучения — светодиоды.

6.5. Затухание сигнала в волоконных световодах

Важнейшим параметром волоконного световода являются затухание. Затухание в волоконых световодах обусловлено потерями поглощения , рассеяния , и дополнительными кабельными потерями :

. (6.8)

Затухание в результате поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой, существенно зависит от свойств материала световода () и определяется по формуле (размерность Нп/км)

, (6.9)

— показатель преломления сердцевины;

— длина волны;

— тангенс угла диэлектрических потерь.

Потери рассеяния обусловлены неоднородностью материала волоконного световода и тепловой флюктуацией показателя преломления. В природе различают два механизма рассеяния Ми — рассеяние на неоднородностях значительно превышающих длину волны излучения и релеевское рассеяние — на неоднородностя соизмеримых с длиной волны излучения. В световдах основным является релеевское рассеяние, потери за счет которого определяются по формуле

, (6.10)

где — коэффициент рассеяния, для кварца равный 0.8 (мкм⁴дБ/км).

Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел потерь присущих волоконным световодам.

Реальные световоды на основе кварцевого стекла имеют ярко выраженую волновую зависимость потерь. Наименьшие потери соответствуют диапазонам волн 0.83мкм, 1.3мкм и 1.5мкм, которые получили названия окон прозрачности. Потери в окнах прозрачности ориентировочно составляют: 0.83мкм — 3 дБ/км; 1.3мкм — 1дБ/км; 1.5мкм — 0.3дБ/км.

Дополнительные кабельные потери обусловлены прежде всего причинами, связанными с технологией производства и эксплуатации волокна. Потери растут за счет скрутки, изгиба, отклонения от прямолинейности, из-за термомеханических воздействий при наложении оболочек и покрытий и др. факторами. Установлено, что дополнительные кабельные потери могут привести к увеличению затухания в два три раза.

Эффективное использование оптического волокна на основе кварцевого стекла ограничивается диапазоном 1.5мкм. Для более длинных волн кварц становится не прозрачным т.к. резко возрастают потери на поглощение. Поэтому для этого диапазона волн необходимо использовать новые материалы. Перспективными считаются фториды, галоиды и халькогениды. Например, в дальнем ИК диапазоне (10.6мкм) использование халькогенидов позволит достичь затухания порядка дБ/км, что даст возможность отказаться от ретрансляционных пунктов для линий практически любой длины в земных измерениях.

Национальный стандарт географии 7 | Национальное географическое общество

Географически информированный человек должен понимать, что физические системы создают, поддерживают и изменяют элементы, составляющие поверхность Земли. Физическая среда обеспечивает необходимый фон для всей человеческой деятельности на Земле.

Таким образом, Стандарт 7 содержит следующие темы: Компоненты физических систем Земли, Взаимоотношения Земля-Солнце и Физические процессы.

Есть четыре физических системы: атмосфера, биосфера, гидросфера и литосфера.Они составляют важнейшие единицы физических систем планеты. Признание взаимодействий внутри этих четырех компонентов и между ними позволяет понять, как Земля служит домом для всех живых существ — растений, животных и людей.

Почти вся энергия Земли поступает от Солнца. Синхронизированные отношения Земля-Солнце необходимы для того, чтобы планета была пригодной для жизни и способной поддерживать жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. Положение Земли относительно Солнца влияет на события и условия во всех частях мира.Количество солнечной энергии, получаемой местом, зависит от циклически изменяющихся углов падения солнечных лучей. Времена года возникают из-за наклона Земли и ее вращения вокруг Солнца, вызывая различные модели нагрева, и, таким образом, значительно влияют на климат и погоду, а также на деятельность человека.

Физические процессы на Земле постоянно меняются. Эти процессы, включая движение тектонических плит в земной коре, ветровую и водную эрозию, а также отложения, формируют особенности поверхности Земли.

Понимание того, как работают физические системы, может влиять на выбор людей в отношении места проживания, типов зданий, которые они строят, сетей путешествий, которые они развивают, и того, как они в целом ведут свою жизнь. Учитывая неопределенную траекторию и последствия глобального изменения климата, знания о факторах, влияющих на погоду и климат, важны как для личного, так и для правительственного принятия решений. Глобальное изменение климата — это проблема государственной политики, которую должны решать правительства, что приведет к действиям, которые определяют здоровье, безопасность и экономическое благополучие людей во всем мире.Обоснованные и ответственные политические решения должны исходить из четкого понимания взаимодействий между физическими системами Земли, а также процессов, их создающих.

Студенты должны понимать влияние физических систем на поверхность Земли. Понимание этих тем позволяет учащимся увидеть, как изменяющаяся физическая среда является сценой для всей человеческой деятельности.

Физический процесс — обзор

Параметризация физических процессов

Физические процессы, связанные с переносом излучения, турбулентным перемешиванием, орографическим сопротивлением в субсеточном масштабе, влажной конвекцией, облаками и поверхностными / почвенными процессами, оказывают сильное влияние на большие -масштабный поток атмосферы.Однако эти механизмы часто активны в масштабах, меньших размера горизонтальной сетки. Затем необходимы схемы параметризации, чтобы должным образом описать влияние этих субсеточных механизмов на крупномасштабный поток атмосферы. Другими словами, эффект ансамбля подсеточных процессов должен быть сформулирован в терминах разрешенных переменных сетевого масштаба. Особый интерес представляют процессы, происходящие у земли и на пересечении с океаном; воздействие радиации, облаков и осадков; и смешивание и перемешивание с помощью мелкомасштабных процессов.На рисунке 2 схематично представлены различные физические процессы, рассматриваемые в атмосферной модели ECMWF.

Рис. 2. Схематическая диаграмма различных физических процессов, представленных в атмосферной модели ECMWF. (Любезно предоставлено ECMWF.)

Обработка планетарного пограничного слоя (PBL) играет фундаментальную роль для всей системы атмосфера-Земля. Атмосфера «ощущает» движение по неровной поверхности земли или по мокрому гладкому морю благодаря поверхностному обмену импульсом, теплом и влагой.Самый нижний уровень модели находится на высоте около 10 м над поверхностью, а еще несколько уровней находятся в пределах нескольких сотен метров от поверхности, где скорость, влажность и температура могут быстро меняться. Даже при таком довольно высоком разрешении вертикальные градиенты температуры, ветра, влажности и т. Д. В PBL не могут быть описаны очень точно, не говоря уже о турбулентном переносе количества движения, тепла и влаги. Для оценки этих параметров модель использует более крупномасштабные переменные, такие как ветер, температура и удельная влажность, с предположением, что потоки пропорциональны вертикальным градиентам.На поверхности Земли турбулентные потоки количества движения, тепла и влаги вычисляются как функция разницы между воздухом и поверхностью и характеристик поверхности. Над землей, высота снежного покрова, температура почвы и влажность являются прогнозируемыми переменными, рассчитанными с помощью модели почвы с четырьмя слоями в пределах верхних 2 м.

Для альбедо используется ежемесячное фоновое климатическое поле над сушей. При расчете солнечного излучения используются две спектральные полосы, соответствующие прямому входу от Солнца и диффузному излучению.На открытой воде альбедо для них меняется по-разному. Над сушей прогнозируемое альбедо зависит от фонового альбедо и высоты снежного покрова. Он имеет минимум 0,07 и может доходить до 0,70 для открытого снега, но только до 0,20 для снега в лесу. Тепловые свойства заснеженного грунта зависят только от высоты снежного покрова на единицу площади. Высота снежного покрова увеличивается за счет комбинированного эффекта снегопада, испарения и таяния.

Почвенная влага делится на кожные и почвенные резервуары.Кожный резервуар (который в основном представляет собой влагу на растительности) развивается под действием собственного испарения и его способности собирать росу и задерживать осадки. Почвенный резервуар учитывает осадки и таяние снега, а также вертикальный перенос воды из-за дренажа и капиллярности, испарение над голой землей и поглощение корнями растительностью. Коэффициент растительности указывается в каждой точке сетки и используется моделью для оценки шероховатости и испарения.

Ввиду важности взаимодействия облака и излучения как в долгосрочных (климат), так и в краткосрочных (погода) процессах большое внимание уделяется рассмотрению поглощения и рассеяния облаками солнечной и земной радиации.Значительная часть общего времени вычислений посвящена схеме излучения, даже несмотря на то, что для снижения стоимости сделаны некоторые упрощения, такие как расчет излучения только каждые 3 часа, а не каждый временной шаг только по подмножеству точек сетки.

Спектр излучения разделен на восемь частотных диапазонов: два в коротковолновом спектре (прямое от Солнца и диффузное излучение) и шесть в длинноволновом спектре (от Земли и внутри атмосферы). Рассеянное вверх и вниз излучение рассчитывается для каждой из восьми спектральных полос.Параметры, влияющие на выбросы и поглощение, — это давление, температура, влажность, облачность и влажность облаков. Кроме того, на выбросы и абсорбцию влияет количество присутствующих диоксида углерода, озона, метана, закиси азота, CFC-11 и CFC-12. Предполагаемые параметры — это концентрация этих газовых примесей, солнечная постоянная, распределение и оптические свойства аэрозолей, а также альбедо земли, которое изменяется в зависимости от снежного покрова.

Схема излучения разработана таким образом, чтобы детально учесть взаимодействие облака с излучением.Это позволяет частично покрывать облаками любой слой модели. Для точек сетки с облачностью вычисления производятся как для ясных, так и для пасмурных условий, а также для общего количества, взвешенного в соответствии с прогнозируемым количеством облачности. Учитывается радиационное воздействие различных типов аэрозолей (океанический, континентальный, пустынный, городской и стратосферный фон).

Основная цель схемы облачности — обеспечить ввод для расчетов радиации и расчета осадков. Облака порождаются крупномасштабным подъемом, кучевой конвекцией, турбулентностью пограничного слоя и радиационным охлаждением.Они рассеиваются за счет испарения из-за крупномасштабного спуска, оседания, вызванного кучевыми облаками, радиационного нагрева и турбулентности как на вершине, так и на сторонах облаков. Схема облачности обрабатывает основные процессы, связанные с облаками, согласованным образом, прогнозируя как фракцию облаков, так и содержание воды / льда в облаках с помощью собственных прогностических уравнений. Облачные процессы сильно связаны с другими параметризованными процессами.

Подсеточные вертикальные потоки массы, тепла, водяного пара и количества движения вычисляются на каждом уровне модели с помощью простой модели потока массы, взаимодействующей с окружающей средой.Схема применяется к проникающей конвекции, мелкой конвекции и средней конвекции. Они являются взаимоисключающими, поэтому, только когда схема не может создать облако одного типа, она пытается выполнить следующий. Глубокая конвекция преимущественно возникает в возмущенных ситуациях с глубоким слоем условной нестабильности и крупномасштабной конвергенцией влаги. Считается, что нисходящий поток массы пропорционален восходящему потоку массы. Неглубокая конвекция преимущественно возникает в невозмущенном потоке, в отсутствие крупномасштабного сходящегося потока.Подача влаги происходит от поверхностного испарения. Обычно при этом не образуются осадки. Конвекция на среднем уровне описывает конвективные ячейки, которые возникают на уровнях выше пограничного слоя. Слоисто-кучевые облака связаны с потоком влаги в пограничном слое, создаваемым схемой вертикальной диффузии. Слоистые облака (например, слоистые слои нижнего и среднего уровня) определяются скоростью, с которой уменьшается удельная влажность насыщения из-за восходящего вертикального движения и радиационного охлаждения.Процессы испарения в связи с облаками учитываются по-разному: крупномасштабное и кучевое оседание и радиационный нагрев, испарение на краях облаков из-за турбулентных процессов и турбулентное движение на верхушках облаков.

Процессы осадков учитывают не только местное содержание воды / льда, но также различные процессы увеличения количества осадков, а также испарение выпадающих осадков. Включены два механизма генерации осадков — конвективных и стратиформных (фронтальных или динамических) осадков.В случае конвективных осадков конденсат, образующийся в восходящих потоках конвекции, представляет собой воду с температурой выше 0 ° C, лед ниже -23 ° C и смесь того и другого между ними. Если количество образовавшегося конденсата превышает значение, которое может выдержать вертикальная скорость, осадки образуются в виде снега или воды. Когда выпадают слоистые осадки, облачная вода и лед из облачной схемы преобразуются в осадки в зависимости от содержания воды / льда. Предполагается, что падающие осадки испаряются ненасыщенными слоями до того, как достигают земли, и этот процесс может существенно уменьшить количество осадков, достигающих поверхности.

Циркуляция атмосферы формируется контрастами между сушей и морем и наличием основных горных хребтов мира, благодаря блокирующим эффектам потока и сопротивлению поверхности. Горы имеют много масштабов, связанных с долинами и вершинами, и недостаточно просто представить их по их средней высоте. Фактически, представление орографии использует среднюю орографию и четыре дополнительных поля, описывающих стандартное отклонение, ориентацию, анизотропию и наклон подсеточной орографии.При этом в некоторой степени учитывается орографическая изменчивость, но даже в этом случае орография модели все еще значительно более гладкая, чем в действительности. Однако параметризация позволяет реалистично представить сопротивление гор, что важно для создания крупномасштабных атмосферных вихрей. Важной частью схемы является то, что, в зависимости от динамических критериев, она может блокировать поток низкого уровня, а не заставлять воздух проходить через орографию. Когда стабильно стратифицированный воздух пересекает горный хребет, возбуждаются гравитационные волны.В зависимости от статической устойчивости и вертикального сдвига ветра эти гравитационные волны могут распространяться вертикально до тех пор, пока они не приобретут достаточно большую амплитуду для разрушения. Схема сопротивления гравитационной волны включена для представления переноса импульса из-за гравитационных волн в подсетке, способствующих формированию блокирующих максимумов и пороговых минимумов.

Физические процессы, связанные с формированием географических объектов

Формы рельефа различаются отчасти из-за геологического строения. Геологическая структура относится к типам и расположению материалов, из которых состоит рельеф.Материалы чрезвычайно разнообразны: от отложений, таких как мелкозернистые глинистые отложения на дне ледникового озера, до массивных крупнозернистых пород, кристаллизовавшихся из подземной магмы. Есть три основных типа горных пород — магматические, осадочные и метаморфические, но у каждого типа есть множество примеров, которые различаются по своему химическому составу, текстуре, цвету, твердости и так далее. Обычными примерами осадочных пород являются конгломерат, песчаник, алевролит, сланец и известняк. Магматические породы образуются, когда жидкая магма (расплавленная порода) охлаждается и затвердевает.В процессе затвердевания минералы принимают форму или кристаллизуются. Есть две основные подкатегории магматических пород — интрузивные и экструзивные. Когда магма остывает в земной коре, породы относятся к интрузивному магматическому типу. Гранит — самая распространенная порода этого типа. Когда магма извергается на поверхность Земли, она остывает за пределами коры, превращаясь в экструзионную магматическую породу или лаву. Базальт — самый распространенный тип лавы. Метаморфические породы образуются, когда интенсивное давление и высокая температура вызывают деформацию или метаморфозу ранее сформированных пород (включая другие метаморфические породы).(Метаморфоза на латыни означает «изменить форму».) У разных пород есть свои метаморфические аналоги. Осадочные породы, такие как известняк и долестон, превращаются в мрамор. Низкосортный сланец превращается в листы сланца, а песчаник — в кварцит. Метаморфизм может происходить и в магматических породах. Гранит перекристаллизовывается, превращаясь в полосчатый гнейс (произносится как «хороший»). Сильная жара и давление также могут превратить некоторые виды осадочных пород или их продукты метаморфизма в гнейсы. Сланец — это общий термин для группы метаморфических горных пород, которые образуются под самым сильным давлением и высокой температурой.Земные материалы демонстрируют еще большее разнообразие в своем расположении. Соединения разделяют горные породы, и внутренние силы (сжатие, растяжение и сдвиг) разбивают их по разломам, толкают на огромные расстояния по горизонтали или деформируют под воздействием тепла и давления. Камни могут быть слоями, а могут и не быть. Песчаник имеет слои, но гранит — массивная порода, лишенная их. Слои осадочных пород могут быть горизонтальными, наклонными или складчатыми. Породы также различаются по степени подверженности процессам выветривания и эрозии.Твердые и мягкие породы изнашиваются в разной степени. Горные хребты и вершины встречаются там, где твердые породы сопротивляются выветриванию, дождю и ручьям. В долинах, разделяющих хребты, скалы слабые. Скалы в долинах легко переносятся погодой, а ручьи быстро смывают свои отложения. Расположение большинства отложений зависит от переносящего агента (ручей, ветер, волны или ледник). Например, талая вода, выходящая из отступающего ледника, наносит слоистые (отсортированные по воде) слои глины, ила, песка и гравия, но также оставляет после себя груды неслоистых (несортированных) обломков, от глины до материалов размером с валун.Подобно талая ледниковая вода, другие транспортные агенты расслаивают или сортируют свои отложения. Реки образуют поймы и дельты; волны оставляют за собой пляжи и косы; а ветры откладывают песчаные дюны и лёсс (иловые отложения). Напротив, слои отложений, оставленные кораллами и грунтовыми водами, являются отложениями на месте (осадки остаются в месте своего происхождения). Кораллы оставляют свои скелеты, образуя известняковые рифы, а грунтовые воды образуют различные типы кальцинированных отложений, такие как сталагмиты и сталактиты.

ПЛИТНАЯ ТЕКТОНИКА

Геоморфологи имеют полное представление о происхождении и общем распределении форм рельефа благодаря изучению тектоники плит. Тектоника плит относится к движению и взаимодействию плит, которые представляют собой части литосферы Земли (внешний слой горных пород). Движения плит объясняют происхождение и нынешнее распространение обширных равнин, плато, вулканов и горных систем, а также континентов и океанических бассейнов. Пластины перемещаются медленно — обычно менее 10 дюймов (4 см) в год.Тем не менее, их постепенное движение на протяжении миллионов лет перемещает континенты и открывает и закрывает обширные океаны. Под воздействием внутренней тепловой энергии Земли тектонические плиты несколько раз сталкивались и разделялись, создавая и упорядочивая скалы. С 1960-х годов геоморфологи стали все больше узнавать о том, как движутся и взаимодействуют тектонические плиты. Теперь они понимают, что горообразование (землетрясения, складчатость, разломы и вулканизм) чаще происходит на краях плит, где они сходятся, раздвигаются или скользят друг мимо друга.Слово тектонический — подходящее название для этих плит, формирующих рельеф. На греческом языке слово «тектоника» означает «строитель». Самые внушительные горные системы современности — Гималаи, Альпы и Анды — находятся на границах сходящихся плит. Горы в первую очередь являются результатом складчатости. Вулканизм и разломы, хотя они могут иметь катастрофические последствия в складчатых горных районах, имеют второстепенное значение по сравнению с поднятием, вызванным складчатостью вдоль сходящихся границ. Вулканизм играет ключевую роль в строительстве гор с морского дна.Там, где под водой сходятся плиты, образуются вулканические островные дуги, такие как Япония, Филиппины, Курильские и Алеутские острова. Там, где тектонические плиты расходятся на морском дне, вулканизм и разломы создают самую большую горную систему в мире — срединно-океанический хребет. Кроме того, вулканизм также формирует вулканические острова, где плита проходит над шлейфом магмы, который находится в стационарном месте в мантии, которая находится чуть ниже движущейся литосферы. Классический пример — Гавайские острова.Там, где плиты скользят друг мимо друга, преобладающими тектоническими проявлениями являются сдвиговые разломы и землетрясения, например, в Калифорнии, где зона разлома Сан-Андреас так активна. Континентальные ЩИТЫ возникают вдали от краев плит, где поверхность Земли практически не подвергалась тектонической активности. Щиты — это пейзажи невысоких плато и холмов. Они состоят из древних горных пород, избежавших разрушительных сил движения плит. Есть два типа щитов — закрытые и открытые.Покрытые щиты находятся под покровом более молодых осадочных слоев. Эти слои накапливались время от времени, когда щиты опускались и мелководные моря затопляли землю. Породообразующие отложения с суши (глина, песок и гравий) и от мертвых морских организмов покрывали щиты. Крытые щиты лежат в основе некоторых частей всех континентов. Например, осадочные породы скрывают щит в Северной Америке, который находится между Скалистыми горами и Аппалачским нагорьем. Открытые щиты встречаются там, где обнажены древние континентальные скалы.Примером открытого щита является Канадский щит Северной Америки. Открытые щиты также существуют в Скандинавии (равнинная Швеция и Финляндия), Южной Америке (Бразильское нагорье и Гвиана), Африке, Австралии и Индии.

ВЫПУСКНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Износ возвышенностей также влияет на характер рельефа с места на место. Неумолимая эрозия, вызванная реками и ледниками, стерла массивные горные хребты, оставив лишь кусочки древней коренной породы.Например, плиты столкнулись, образуя скалы Аппалачского нагорья в восточной части Северной Америки, а также высокогорья на Британских островах, юге Германии, Чехии и Скандинавии. Эти области на самом деле являются корнями гор, которые в прошлом были такими же великолепными, как сегодня Скалистые горы и Гималаи. Толщина и возраст речных отложений, окружающих подножие этих невысоких гор, свидетельствуют о большой высоте бывших вершин. Градация начинается с физического и химического выветривания горных пород и других материалов земли.Массовое истощение (перемещение массы) переносит выветрившийся материал вниз по склону. Процессы массового истощения включают ползучесть, камнепад, солифлюкцию, сели, грунтовые потоки, лавины и оползни. Эти процессы являются результатом действия силы тяжести на спуске. Гравитация также тянет вниз по склону поверхностные воды и ледяной лед, поскольку они собирают и переносят обломки горных пород, образовавшиеся в результате выветривания. Помимо силы тяжести, источником энергии для градации является солнечное излучение. Он стимулирует атмосферную циркуляцию, которая порождает штормы, вызывающие основные факторы эрозии — дождь, талая вода из снега и льда, ветер и океанские волны.Кинетическая энергия агентов эрозии физически отделяет, переносит и откладывает отложения, образуя разнообразные формы рельефа осадконакопления: ручьи откладывают отложения, образуя конусы выноса, поймы и дельты; ветры откладывают песчаные дюны и лёсс; волны и течения образуют пляжи; а отступающие ледники оставляют за собой конечные морены и размывают равнины. Выветривание, массовое движение и эрозия переносят отложения с возвышенных гор и плато в низколежащие осадочные бассейны. Осадочные отложения покрывают обширные области континентальных низменностей, прибрежных равнин и подводных окраин континентов.Примерами осадочных бассейнов в Северной Америке являются регион Центральной низменности США, который включает внутренние низменности Огайо, Индианы, Иллинойса и Айовы; дельта Миссисипи; и прибрежная равнина Мексиканского залива, а также континентальный шельф под Мексиканским заливом.

http://world-geography.org/257-geomorphology.html

Физическое и химическое выветривание горных пород

Камни, обнаруженные на поверхности Земли, со временем подвергаются процессу выветривания.Выветривание — это разрушение горной породы.

Что такое скала?

Порода — это твердый агрегат минеральных материалов. Породы делятся на три основные группы в зависимости от химического состава и способа их образования: магматические породы, метаморфические породы и осадочные породы.

Примеры обычных горных пород: гранит, базальт, известняк и песчаник.

Каковы два основных типа выветривания горных пород?

Существует два основных типа выветривания: физическое и химическое.

Физическое или механическое выветривание происходит, когда порода разрушается под действием силы другого вещества, воздействующего на камень, например льда, проточной воды, ветра, быстрого нагрева / охлаждения или роста растений.

Химическое выветривание происходит, когда реакция между горной породой и другим веществом растворяет горную породу, в результате чего ее части выпадают.

Вот несколько примеров физического и химического выветривания горных пород.

Примеры физической погоды

Физическое выветривание происходит, когда порода разрушается в результате механических процессов, таких как ветер, вода, сила тяжести, циклы замораживания-оттаивания или прорастание корней в породу.

Выветривание на воде

Движение воды — основная сила физического выветривания. Постоянные удары волн о скалы вызывают физическое выветривание.

Физическое выветривание волнами в Национальном парке Аркадия в штате Мэн. Фото: Джон Дж. Мосессо, Геологическая служба США. Всеобщее достояние.

Замерзание-оттепель, выветривание

Когда вода просачивается в скалы и замерзает, она расширяется и заставляет скалу трескаться. Когда вода переходит из жидкого состояния в замороженное, она расширяется. Жидкая вода просачивается в существующие трещины в породе, замерзает, а затем расширяет эти трещины.

Этот тип физического выветривания называется замораживанием-таянием.

Водопад Хвоща, ущелье реки Колумбия. Фото: USDA, общественное достояние

Wind Weathering

Эти грибовидные скальные вершины в Брайс-Каньоне, известные как худу, образовались в результате выветривания песчаника ветром.

Брайс-Каньон — уникальное образование из песчаника на юге штата Юта. Это дом для большого количества худу, которые представляют собой каменные столбы странной формы, которые образовались из-за разной скорости эрозии доломита, который покрывает их, и песчаника, который составляет их основу.Фото: Алекс Демас, Геологическая служба США. Всеобщее достояние.

Термическое напряжение

По мере того, как породы нагреваются (и расширяются), а затем охлаждают (и сжимаются), они могут со временем ослабевать и распадаться на более мелкие части. Это вызванное температурой выветривание известно как термическое напряжение.

Например, жаркие дни могут вызвать камнепады на гранитных скалах Йосемити.

Рядом с водопадом Йосемити можно увидеть большую вершину. Вершины образуются, когда гранит выветривается через лед, воду или рост растений. Фото: Алекс Демас, Геологическая служба США.Всеобщее достояние.

Выветривание корней

Корни растений превращаются в камни, растрескивая камни и вызывая выветривание. Корни обычно расширяются в существующие трещины и вызывают их расширение.

Стена из метаморфических пород докембрия в каньоне Ламар. Йеллоустонский национальный парк, Фото: Джим Пико, NPS, общественное достояние

Примеры химического выветривания

Химическое выветривание можно увидеть на этой фотографии Голубого бассейна, расположенного в Национальном памятнике Джона Дэй в Орегоне.

Зеленый цвет аргиллита обусловлен химическим выветриванием минерала, называемого селадонитом.

Химическое и физическое выветривание

Выветривание сот — это тип выветривания, который, как полагают, имеет как физические, так и химические компоненты выветривания.

Солевое выветривание — это когда расширяющиеся кристаллы соли разбивают осколки породы, которые со временем создают все более крупные отверстия. Образующийся в результате образец известен как сотовое выветривание.

Эта скала в Пьюджет-Саунд, штат Вашингтон, является образцом сотового выветривания песчаника.

Соты выветривания песчаника, расположенного на берегу Пьюджет-Саунд.Фото: Коллин Смит, Геологическая служба США. Всеобщее достояние.

Выветривание сот на этой фотографии из Юты.

Связанные

Поделиться:

Четыре типа физического выветривания

Физическое выветривание, также известное как механическая погода, представляет собой процесс разрушения или растворения горных пород и минералов на поверхности Земли в результате воздействия воды, льда, соли, растений , животные или перепады температуры. Физическое выветривание не изменяет химический состав породы, а только растрескивает и крошит ее на более мелкие кусочки.После того, как скала выветрилась, происходит эрозия, уносящая обломки и куски. Наконец, процесс осаждения откладывает частицы породы на новом месте.

Выветривание из воды

Вода может выдерживать скалы разными способами. Движущаяся вода может поднимать и переносить камни со дна реки или ручья. Когда камни возвращаются на землю под водой, они могут удариться о другие камни и развалиться. Вода также может выдерживать воздействие на камень, воздействуя на материал вокруг него. Например, глина, окружающая камень, может впитывать воду, набухать, а затем давить на камень, вызывая его разрушение.После испарения соленая вода может вызвать другой вид выветривания. Когда соленая вода просачивается в поры породы, а затем испаряется, остаются кристаллы. Кристаллы растут и оказывают давление на камень, что в конечном итоге приводит к его разрушению. Выветривание в соленой воде — обычное явление на побережье.

Выветривание изо льда

Когда вода проникает в трещины в скале и температура падает достаточно низко, вода замерзает и превращается в лед. Лед расширяется и образует в скале клинья, которые могут раскалывать ее на более мелкие фрагменты.Расклинивание льда обычно происходит после того, как вода многократно замерзает и тает внутри небольших трещин в скалах с течением времени. Результат такого выветривания можно увидеть на уличных тротуарах зимой. Клинья льда часто вызывают выбоины на дорогах и улицах. Лед образуется в трещинах улиц, расширяется и давит на окружающие камни или тротуар, расширяя трещины до тех пор, пока они не расколются и не расколются.

Выветривание от растений

Растения могут вызывать физическое выветривание по мере роста их корней.Семена растений или деревьев могут расти внутри трещин в камнях, где скопилась почва. Затем корни давят на трещины, делая их шире и в конечном итоге раскалывая камень. Даже небольшие растения со временем могут вызвать такое выветривание.

Выветривание от животных

Животные, прячущиеся под землей, такие как кроты, суслики или даже муравьи, также могут вызывать физическое выветривание, разрыхляя и разрушая камни. Логова и туннели — признаки этого типа выветривания. Другие животные копают и топчут камни на поверхности Земли, заставляя их медленно рассыпаться.Этот процесс подвергает новые части породы воздействию элементов, делая их восприимчивыми к другим типам выветривания, например химическому выветриванию.

Процессы выветривания | Физическая география

Выветривание — это процесс, при котором твердые породы превращаются в отложения. При выветривании порода распадается на более мелкие части. После того, как эти отложения отделяются от горных пород, эрозия — это процесс, который перемещает отложения с исходного положения.Четыре силы эрозии — это вода, ветер, ледники и гравитация. Вода ответственна за большую часть эрозии. Вода может перемещать осадки большинства размеров, в зависимости от силы воздействия. Ветер перемещает по воздуху куски камня размером с песок и меньшие по размеру. Ледники перемещают отложения всех размеров, от очень больших валунов до мельчайших фрагментов. Гравитация перемещает осколки камня, большие или маленькие, вниз по склону. Эти силы эрозии будут рассмотрены позже. В то время как силы тектоники плит работают, чтобы построить огромные горы и другие ландшафты, силы выветривания и массового истощения постепенно стирают эти скалы и ландшафты, что называется денудацией .Вместе с эрозией высокие горы превращаются в холмы и даже равнины. Аппалачи на восточном побережье Северной Америки когда-то были такими же высокими, как Гималаи.

Ни один человек не может миллионы лет наблюдать, как строятся горы, и никто не может наблюдать, как те же самые горы постепенно стираются. Но представьте себе новый тротуар или дорогу. Новая дорога ровная и ровная. Через сотни лет он полностью исчезнет, ​​но что произойдет через год? Какие изменения вы бы заметили? Какие силы выветривания со временем изнашивают эту дорогу, скалы или горы?

Механическое выветривание

Механическое выветривание , также называемое физическим выветриванием, разбивает горную породу на более мелкие части.Эти меньшие части похожи на большой камень, только меньшего размера. Это означает, что камень изменился физически, не изменив своего состава. Более мелкие куски содержат те же минералы, но в тех же пропорциях, что и исходная порода. Есть много способов разбить камни на более мелкие части. Заклинивание льда , также называемое выветривание при замораживании-оттаивании , является основной формой механического выветривания в любом климате, который регулярно циклически меняется выше и ниже точки замерзания. Заклинивание льда работает быстро, разрушая камни в областях с температурами, которые колеблются выше и ниже нуля днем ​​и ночью, а также с циклами выше и ниже нуля в зависимости от времени года.Ледяной клин раскалывает так много камней, что у подножия склона, называемого осыпью, видны большие груды обломков. Заклинивание льда распространено в полярных регионах Земли и в средних широтах, а также на больших высотах, например в горах. Истирание — еще одна форма механического выветривания. При истирании один камень натыкается на другой камень.

• Гравитация вызывает истирание, когда камень падает со склона горы или утеса.
• Движущаяся вода вызывает истирание, поскольку частицы в воде сталкиваются и сталкиваются друг с другом.
• Сильный ветер, разносящий кусочки песка, может производить пескоструйную обработку поверхностей.
• Лед в ледниках несет в себе множество осколков горных пород. Камни, застрявшие на дне ледника, царапают камни внизу.
• При истирании камни с острыми или зазубренными краями становятся гладкими и круглыми. Если вы когда-либо собирали пляжное стекло или булыжник из ручья, вы были свидетелями истирания.

Теперь, когда вы знаете, что такое механическое выветривание, можете ли вы подумать о других способах его возникновения? Растения и животные могут выполнять работу механического выветривания.Это может происходить медленно, когда корни растения врастают в трещину или трещину в скале и постепенно увеличиваются в размерах, расклинивая трещину. Роющие животные также могут раскалывать камни, когда копают себе пищу или устраивают себе жилые помещения.

Механическое выветривание увеличивает скорость химического выветривания. По мере того, как порода распадается на более мелкие части, площадь поверхности частей увеличивается. Чем больше открытых поверхностей, тем больше поверхностей может возникнуть химическое выветривание.

Химическое выветривание

Химическое выветривание — другой важный тип выветривания.Химическое выветривание отличается от механического, потому что порода изменяется не только по размеру кусков, но и по составу. То есть один тип минерала превращается в другой минерал. Химическое выветривание происходит через химические реакции, которые вызывают изменения в минералах. Большинство минералов образуются при высоком давлении или высоких температурах глубоко в коре, а иногда и в мантии. Когда эти породы достигают поверхности Земли, они находятся при очень низких температурах и давлении. Эта среда сильно отличается от той, в которой они образовались, и минералы больше не стабильны.При химическом выветривании минералы, которые были стабильны внутри коры, должны превратиться в минералы, устойчивые на поверхности Земли. Помните, что наиболее распространенными минералами в земной коре являются силикатные минералы. Многие силикатные минералы образуются в магматических или метаморфических породах глубоко под землей. Минералы, образующиеся при самых высоких температурах и давлениях, наименее стабильны на поверхности. Глина стабильна на поверхности, а химическое выветривание превращает многие минералы в глину. Существует много типов химического выветривания, потому что существует множество агентов химического выветривания.Вода — важнейший агент химического выветривания. Двумя другими важными агентами химического выветривания являются углекислый газ и кислород.

Химическое выветривание водой

Молекула воды имеет очень простую химическую формулу, H ₂ O, два атома водорода, связанные с одним атомом кислорода. Но вода замечательна во всем, на что она способна. Вода — полярная молекула; положительная сторона молекулы притягивает отрицательные ионы, а отрицательная сторона притягивает положительные ионы.Таким образом, молекулы воды отделяют ионы от их соединений и окружают их. Вода может полностью растворять некоторые минералы, например соль. Гидролиз — это название химической реакции между химическим соединением и водой. Когда происходит эта реакция, вода растворяет ионы минерала и уносит их. Эти элементы подверглись выщелачиванию. В результате гидролиза такой минерал, как калиевый полевой шпат, выщелачивается от калия и превращается в глинистый минерал. Глинистые минералы более устойчивы на поверхности Земли.

Химическое выветривание углекислым газом

Двуокись углерода (CO ₂ ) соединяется с водой, когда капли дождя падают через атмосферу. Это создает слабую кислоту, называемую угольной кислотой. Углекислота очень распространена в природе, поскольку она растворяет горные породы. Загрязняющие вещества, такие как сера и азот, при сжигании ископаемого топлива создают серную и азотную кислоту. Серная и азотная кислоты — два основных компонента кислотных дождей, которые ускоряют химическое выветривание.

Химическое атмосферное воздействие кислородом

Окисление — это химическая реакция, протекающая при взаимодействии кислорода с другим элементом.Кислород очень химически активен. Самый известный тип окисления — это когда железо реагирует с кислородом с образованием ржавчины. Минералы, богатые железом, разрушаются по мере окисления железа и образования новых соединений. Оксид железа придает почвам красный цвет. Теперь, когда вы знаете, что такое химическое выветривание, можете ли вы подумать о других способах его возникновения? Химическому выветриванию также могут способствовать растения и животные. Поскольку корни растений принимают растворимые ионы в качестве питательных веществ, происходит обмен определенных элементов.Корни растений и бактериальный гниль используют углекислый газ в процессе дыхания.

2. Энергия в физических процессах

Обучение энергетике и физическим процессам поддерживается 7 ключевыми понятиями:

2.1 Земля постоянно меняется, поскольку энергия течет через систему. Геологические, окаменелые и ледовые записи свидетельствуют о значительных изменениях на протяжении всей истории Земли. Эти изменения всегда связаны с изменениями потока энергии через систему Земли.Этому изменению способствовали как живые, так и неживые процессы.

2.2 Солнечный свет, гравитационный потенциал, распад радиоактивных изотопов и вращение Земли — основные источники энергии, управляющие физическими процессами на Земле. Солнечный свет является источником внешнего по отношению к Земле, в то время как радиоактивные изотопы и гравитационный потенциал, за исключением энергии приливов, являются внутренними. Радиоактивные изотопы и гравитация работают вместе, чтобы произвести геотермальную энергию под поверхностью Земли.Вращение Земли влияет на глобальные потоки воздуха и воды.

2.3 Погода и климат Земли в основном определяются энергией Солнца. Например, неравномерное нагревание поверхности Земли и атмосферы Солнцем вызывает конвекцию в атмосфере, вызывая ветры и влияя на океанские течения.

2.4 Вода играет важную роль в хранении и передаче энергии в системе Земля. Основная роль, которую играет вода, является результатом ее преобладания, высокой теплоемкости и того факта, что фазовые изменения воды происходят на Земле регулярно.Солнце обеспечивает энергию, которая управляет круговоротом воды на Земле.

2.5 Движение материи между резервуарами осуществляется за счет внутренних и внешних источников энергии Земли. Эти движения часто сопровождаются изменением физических и химических свойств вещества. Углерод, например, присутствует в карбонатных породах, таких как известняк, в атмосфере в виде углекислого газа, в воде в виде растворенного диоксида углерода и во всех организмах в виде сложных молекул, контролирующих химию жизни.Энергия управляет потоком углерода между этими разными резервуарами.

2.6 Парниковые газы влияют на поток энергии через систему Земля. Парниковые газы в атмосфере, такие как углекислый газ и водяной пар, прозрачны для большей части падающего солнечного света, но не для инфракрасного света от нагретой поверхности Земли. Эти газы играют важную роль в определении средней глобальной приземной температуры. Когда Земля излучает столько же энергии, сколько поглощает, ее средняя температура остается стабильной.

2.7 Последствия изменений в энергетической системе Земли часто не проявляются сразу. Реакция на изменения в энергетической системе Земли, вход и выход, часто заметны только в течение месяцев, лет или даже десятилетий.

Энергия движет системой Земля

В 1969 году на Мауна-Улу извергались фонтаны вулканического огня, демонстрируя проблеск внутреннего тепла Земли. Изображение любезно предоставлено Геологической службой США.

Происхождение: Изображение любезно предоставлено Геологической службой США.
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях, пока вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы по аналогичной лицензии.

Когда учащиеся изучают земные процессы, они обычно сосредотачиваются на самом процессе, таком как тектоника плит, приливы или ручьи. Эти идеи иллюстрируют, как все процессы на Земле управляются энергией.Передачу энергии можно рассматривать как движущую силу системы Земли.

Большая часть энергии в системе Земля поступает из нескольких источников: солнечная энергия, гравитация, радиоактивный распад и вращение Земли. Солнечная энергия управляет многими поверхностными процессами, такими как ветры, течения, гидрологический цикл и климатическая система в целом. Гравитация заставляет реки и другие материалы течь вниз и создает приливы (от гравитационного притяжения Луны). Радиоактивный распад создает тепло внутри Земли, в то время как силы вращения Земли влияют на потоки воздуха и воды.

Эти идеи в значительной степени перекликаются с Принципами климатической грамотности 1 и 2. Принцип климатической грамотности 1 фокусируется на Солнце как на основном источнике энергии для климатической системы Земли, а Принцип 2 климатической грамотности объясняет, что парниковые газы влияют на энергетический баланс Земля. Углекислый газ и другие парниковые газы улавливают исходящую радиацию, которая в противном случае вышла бы из системы Земли, нагревая атмосферу. Он также суммирует углеродный цикл через различные поглотители и источники углерода.

Потоки энергии могут изменяться со временем

Эта карта показывает картину ветров, дующих над США.

Происхождение: Изображение с карты ветра
Повторное использование: Если вы хотите использовать этот предмет за пределами этого сайта способами, выходящими за рамки добросовестного использования (см. Http://fairuse.stanford.edu/), вы должны получить разрешение от его создателя.

Энергетические потоки на Земле могут принимать разные формы. В некоторых случаях потоки энергии постоянны, например, при распаде естественных радиоактивных материалов на Земле.Этот процесс выделяет тепло внутрь Земли, что помогает управлять движением тектонических плит с довольно постоянной скоростью.

В других случаях потоки энергии могут изменяться во времени, например, в связи с углеродным циклом. Энергия управляет потоком углерода между разными резервуарами. Углерод может присутствовать в карбонатных породах (например, известняке), хранящемся ископаемом топливе (например, угле, нефти или природном газе) в атмосфере, в океанах или в молекулах биологических организмов. Крупномасштабное сжигание ископаемого топлива удаляет накопленный органический углерод из земной коры и выбрасывает углекислый газ в атмосферу.Это изменило состав атмосферы, так что она более эффективно улавливает исходящее тепло. Таким образом, люди изменили естественный энергетический баланс Земли.

Даже без людей Земля испытала изменения в своем энергетическом балансе. В течение геологического времени в потоке энергии через Землю произошли резкие изменения. Например, Земля была полностью расплавленной в начале своей геологической истории и была покрыта льдом в докембрийский период. Солнце когда-то было на 30% тусклее, чем сегодня.

Изучите эти идеи в контексте Учения о ранней Земле.

Эти драматические изменения иллюстрируют, как изменение потоков энергии через систему Земли изменило ход истории Земли. Студенты могут оценить, как на энергетический баланс планеты повлияли как природные, так и антропогенные воздействия.

Помогаем студентам понять эти идеи

Эти концепции тонкие. Намного легче понять знакомый, наблюдаемый физический процесс, чем понять энергию, которая им движет.Начните с процессов, в которых можно легко наблюдать энергию, таких как извержения вулканов или ураганы. Оттуда студенты могут понять, насколько энергия является частью почти каждого процесса на Земле. Попросите учащихся использовать концептуальное картирование, чтобы связать процесс с задействованными типами энергии. Вернитесь к Принципу Энергии 1 для получения списка различных форм энергии.

В качестве альтернативы преподаватели могут использовать системный подход. Используя гидросферу в качестве одного из примеров, учащиеся могут изучить, как энергия включается на протяжении всего цикла.Солнечная энергия вызывает испарение; неравномерный нагрев Земли вызывает движение воздушных масс; Силы Кориолиса помогают формированию штормов; а гравитация заставляет реки течь вниз. Другой важный фактор — высокая теплоемкость (или удельная теплоемкость) воды. Это означает, что для изменения температуры воды требуется много энергии. Этот смягчающий эффект позволяет водной среде поддерживать относительно стабильную температуру по сравнению с воздухом. Это также объясняет, почему в районах, расположенных рядом с большими водоемами, наблюдаются умеренные температуры с меньшим количеством экстремальных температур, чем в районах, удаленных от воды.

Если вы преподаете об изменении климата, подумайте, как потепление атмосферы влияет на другие процессы, такие как штормы, волны тепла и другие формы экстремальных погодных условий. Благодаря высокой теплоемкости воды океаны могут поглотить большую часть потепления, вызванного изменением климата. Но какие еще эффекты это имеет?

Еще один способ связать эти идеи с изучением изменения климата — это посмотреть на альбедо. Эта концепция исследует, каким образом энергия Солнца может поглощаться поверхностью Земли или отражаться от нее и отражаться обратно в космос.Снег и лед отражают большую часть приходящей радиации. Более темные поверхности, такие как открытый океан и голая земля, поглощают больше энергии. По мере того, как ледники отступают и морской лед тает, потеря площади, покрытой льдом, способствует дальнейшему потеплению. Это один из примеров цикла самоусиливающейся обратной связи.

Реализация этих идей в вашем классе

Этот принцип можно включить в уроки о земных процессах, чтобы учащиеся познакомились с идеей о том, что энергия является неотъемлемой частью почти всех процессов на Земле.Обучение потоку энергии в системах — это один из способов поощрения системного мышления у учащихся.

Поскольку эти идеи могут быть абстрактными, полезны педагогические методы, воплощающие их в жизнь. Визуализации и моделирования могут выявить скрытые процессы в работе. Сопоставление понятий может помочь учащимся найти связь между причиной и следствием. Студенты могут даже принять стратегию ролевой игры, чтобы стать атомом углерода или тропическим штормом. Как только учащиеся познакомятся с идеей о том, что энергия является неотъемлемой частью земных процессов, эти принципы могут быть включены во многие темы наук о Земле.

Учебные материалы из коллекции CLEAN

Средняя школа

• Amazing Albedo — это лаборатория, в которой студенты используют термометры, белую и темную бумагу и лампы для измерения разницы в альбедо. Установлены связи с альбедо в Антарктиде.
• Геотермальная энергия: использование энергии Земли — В этом коротком видеоролике объясняется, как геотермальная энергия используется, преобразуется в пар, транспортируется к генераторам и преобразуется в электричество.

Средняя школа

• Визуализация Земли как системы помогает объяснить, почему понимание Земли как интегрированной системы компонентов и процессов имеет важное значение для естественнонаучного образования. В видео «Достижение солнечного баланса» используются красочные анимации, иллюстрирующие энергетический баланс Земли.
• Что делает парниковый газ парниковым газом? и почему некоторые молекулы поглощают энергию? предложите учащимся два интерактивных способа (компьютерное моделирование и построение практических моделей), чтобы узнать, как газы могут удерживать тепло.

Анимация

• Wind and Ocean Circulation иллюстрирует след энергии, который течет от атмосферных ветровых течений к океанским течениям. Высокое качество анимации привлекает внимание и может быть очень полезно для объяснения сложных процессов, которые трудно представить.
• В упражнении «Ураганы как тепловые двигатели» учащиеся исследуют влияние ураганов на температуру поверхности моря, чтобы выяснить, как ураганы извлекают тепловую энергию с поверхности океана.

Колледж

Сопутствующие учебные материалы

Обучающие системы мышления для студентов колледжа

Обучающие сложные системы с помощью STELLA

• Почему изменение климата вызывает более сильные штормы — В этом видео рассматривается, как повышение температуры в Арктике влияет на траекторию струйного течения, силу штормов и продолжительность отдельных погодных явлений.

• В упражнении «Моделирование энергетического баланса Земли» используется программное обеспечение для моделирования коробки STELLA для определения температуры Земли на основе входящей и исходящей радиации, альбедо и сложной атмосферы со скрытыми и ощутимыми тепловыми потоками.