4720

2

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

В.И. Лисицын, Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова

БИОГЕОФИЗИКА

Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия направленность – Физика конденсированного состояния

ВОРОНЕЖ 2020

3

УДК 574.24

Ф50

Лисицын В. И. Биогеофизика [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния / В.И. Лисицын, Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова ; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2020. – 19 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводится содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы аспирантов по всем видам работ, предусмотренных учебным планом направления.

Методические указания предназначены для аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния. Они могут быть использованы при самоподготовке аспирантами всех форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 2. Ил. 6. Библиогр.: 6 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры математического и прикладного анализа факультета прикладной математики, информатики и механики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» Тимошенко Ю.К.

Ответственный редактор: Лисицын В.И.

Коллектив авторов, 2020

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2020

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Биогеофизика» изучает фундаментальные законы, лежащие в основе функционирования сложных экосистем, в частности закономерности роста древостоев в условиях действия различных антропогенных факторов. Освоение дисциплины необходимо широкому кругу профессионалов-физиков, а также специалистам технического и лесного профиля.

Одной из форм обучения аспиранта является самостоятельная работа над учебным материалом, которая состоит из следующих этапов:

1)проработка лекций;

2)выполнение индивидуальных и расчетных заданий;

3)самостоятельная подготовка доклада на студенческую конференцию;

4)подготовка к коллоквиуму и зачету.

Основная цель данных методических указаний – помочь аспирантам ор-

ганизовать и проконтролировать самостоятельное углубленное изучение этой дисциплины для формирования профессиональных навыков самостоятельной деятельности по разработке, внедрению, контролю, оценке и корректировке применения современных, в том числе и инновационных, технологий.

Методические указания предназначены для аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния. Они могут быть использованы при самоподготовке аспирантами всех форм обучения, а также при дистанционном обучении.

6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Биогеофизика» является формирование у аспирантов знаний и умений по проведению анализа и синтеза различных природных систем, их взаимодействия между собой, в частности растительного покрова Земли с физическими факторами внешней среды, обмене и превращения разных видов энергии, массообмене между средой и экосистемами.

В основу курса положен принцип экспериментального и теоретического моделирования физических процессов в экологических системах.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

–изучение законов окружающего мира в их взаимосвязи;

–формирование у аспирантов представления о физических принципах взаимодействия растительного покрова Земли с окружающей средой;

–овладение фундаментальными принципами и методами решения научнотехнических задач;

–формирование навыков по применению положений биофизики к грамотному научному анализу ситуаций, с которыми аспиранту придется сталкиваться при создании или использовании новой техники и новых технологий;

–освоение основных биогеофизических теорий, позволяющих описать явления в природе, и пределов применимости этих теорий для решения современных и перспективных профессиональных задач;

–формирование у аспирантов основ естественнонаучной картины мира.

В результате освоения дисциплины аспирант должен:

–знать: основные биофизические явления и основные законы физики; границы их применимости, применение законов в важнейших практических приложениях; физические механизмы и принципы их функционирования в биосфере, особенности описания их в экосистемах;

–уметь: объяснить основные наблюдаемые природные и техногенные явления и эффекты с позиций фундаментальных физических взаимодействий; указывать, какие законы описывают данное явление или эффект; оценивать экологические последствия нарушения энергетического баланса и массобмена в природе;

–владеть: навыками использования основных общефизических законов

ипринципов в важнейших практических приложениях; применения основных методов физико-математического анализа для решения естественнонаучных задач; обработки и интерпретации результатов эксперимента.

7

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Экосистемы: понятия и определения.

Раздел 1. Роль физических факторов среды в энерго-массообмене

Общие представления об энергетическом балансе экосистем.

Основные физические закономерности, используемые в биогеофизике леса. Потоки солнечной энергии у поверхности Земли. Утилизация солнечной энергии биосферой.

Раздел 2. Тепловой обмен организмов с окружающей средой

Модели фотосинтеза на уровне листа, дерева, лесной экосистемы.

Потоки энергии на трофических уровнях. Биомасса, потребление и продукция в биосфере. Доля биосферного потока, используемого человечеством. Роль леса в энергетики биосферы.

Кругооборот воды в биосфере. Транспирация. Роль лесных ценозов в кругообороте воды в биосфере. Связь энергетического и водного баланса суши.

Кругооборот углерода и кислорода в биосфере. Устойчивость биосферы, как условие сохранения окружающей человека среды.

Раздел 3. Энерго- и массообмен в лесных экосистемах

Эколого-физиологические модели динамики роста древостоев. Газообмен между экосистемой и атмосферой. Поглощение света кроной

деревьев. Листовой индекс. Движение воды в ксилеме и флоэме растений. Механизмы движения воды по ксилеме.

Общие биофизические и геофизические свойства растительного покрова. Энергетика отношений леса и внешней среды. Общая математическая модель энергетики растительного покрова. Математическая модель энергетики нестационарного растительного покрова. Нестационарные хвойные насаждения с максимальным поглощением световой энергии. Нестационарные лиственные насаждения с максимальным поглощением световой энергии. Отношение хвойных и лиственных пород в смешанном насаждении с энергетической точки зрения. Методика прогностического расчета биомассы одновозрастного насаждения. Биомасса лесных насаждений в условиях хозяйственной эксплуатации. Биофизическая теория самоизреживания леса. Биогеофизическая модель Корзухина для однопородного одновозрастного древостоя. Модели динамики роста многопородного древостоя.

8

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ АСПИРАНТОВ

Методические указания аспирантам по организации самостоятельной работы в соответствии с рабочей программой дисциплины включают в себя:

методические рекомендации по работе над конспектом лекций;

методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий;

методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы;

методические рекомендации по подготовке рефератов;

методические рекомендации по подготовке к зачету.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ НАД КОНСПЕКТОМ ЛЕКЦИЙ

В ходе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. При этом надо обращать внимание на категории, формулировки, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов, научные выводы и практические рекомендации, выделять важные моменты, усваивать положительный опыт в ораторском искусстве.

Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых следует делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений, а также отмечать вопросы, вызвавшие затруднение, с целью дальнейшего их разрешения. В ходе лекции рекомендуется задавать преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений, разрешения спорных ситуаций.

Необходимо систематически прорабатывать лекционный материал в течение семестра, для этого надо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, при этом учитывать рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Следует дорабатывать свой конспект лекций, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой.

Внимательная работа над лекционным конспектом поможет давать правильные ответы на вопросы текущего контроля, фронтальные опросы в конце лекций.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Каждое индивидуальное задание представляет собой задачу, относящуюся к определенному разделу биогеофизики. Цель индивидуального задания –

9

практическое освоение теоретического курса и приобретение навыков решения задач, имеющих как учебный, так и научный характер.

Решенные задачи не заменяют учебный и лекционный материал, поэтому перед выполнением задач следует ознакомиться с соответствующими разделами теоретического курса лекций или учебников, которые приведены в рекомендуемом списке литературы.

Впроцессе расчетов следует обратить внимание на согласованность единиц измерения величин, входящих в формулы. (Не забывайте писать, в каких единицах получен результат). Рекомендуемые единицы измерения приведены в перечне используемых обозначений. Все вычисления следует выполнять с точностью до четырех значащих цифр, принятой для подобных расчётов.

Индивидуальное задание оформляется в рукописном виде. Пример оформления решения задачи приведен в таблице 2.

После решения задачи, входящую в задание, листы с решениями брошюруются и снабжаются титульным листом с обязательным указанием дисциплины, номера варианта задания и данных аспиранта.

При представлении задач обязательными элементами являются:

–текст задачи и числовые исходные данные;

–применяемая модель.

Впроцессе защиты индивидуального задания аспирантам могут быть предложены контрольные вопросы и задачи из соответствующего раздела курса.

Небрежно оформленные и выполненные не по своему варианту индивидуальное задания к защите не принимаются.

Выполнение индивидуальных заданий максимально приближает обучение к практическим интересам с учетом имеющейся информации и является результативным методом закрепления знаний.

Примеры оформления решения заданий

Задание №1. Провести оптимизацию параметров модели динамики роста однопородного древостоя по Г.П. Кареву для сосновых насаждений бонитета 1а. Исходные значения числа стволов взять для нормальных древостоев культур сосны из [5]. В качестве начальных значений параметров взять значения параметров а1, а2, а3 из [4]. Для составления программы расчета использовать Matcad. Оптимизацию провести, применяя метод наименьших квадратов, предварительно линеаризовав систему соответствующих нелинейных уравнений.

10