ПРОГРАММА-МИНИМУМ
кандидатского экзамена
по специальности
03.00.16 "Экология"
по физико-математическим
наукам
Введение
В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: физические основы экологии, закономерности миграции и трансформации загрязняющих веществ в природных средах, основы радиобиологии и радиационной безопасности, статистическая обработка результатов научных исследований, компьютерные технологии в экологических исследованиях, математическое моделирование в экологии, основы нелинейной динамики, введение в системный анализ.
Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по физике при участии Института промышленной экологии УрОРАН.
1. Физические основы экологии
- Строение вещества. Элементарные частицы, атомы, химические элементы, молекулы.
- Энергия. Механическая, кинетическая, потенциальная, тепловая, внутренняя энергия. Электрическая и электромагнитная энергия. Химическая и атомная энергия.
- Законы сохранения. Сохранение массы, энергии, импульса, заряда.
- Фазовые состояния вещества. Фазовые переходы. Критическая точка. Энергия фазового перехода. Метастабильные состояния.
- Термодинамическая система и термодинамические параметры, термодинамическое равновесие, равновесные и неравновесные процессы, внутренняя энергия системы, работа и теплота, уравнения состояния.
- Первое начало термодинамики, основные термодинамические процессы и их уравнения.
- Второе начало термодинамики, энтропия, обратимые и необратимые процессы.
- Условия термодинамического равновесия и устойчивости. Принцип Ле Шателье.
- Процессы диффузии и теплопроводности.
2. Основные закономерности миграции и трансформации загрязняющих веществ в природных средах
- Атмосфера: состав и строение атмосферы, источники эмиссии загрязняющих веществ, физико-химические трансформации, перенос (статистические и динамические модели, Гауссов факел), сухое/мокрое осаждение.
- Гидросфера: вода и водные объекты в природе, источники сброса загрязняющих веществ, физико-химические и биологические трансформации, перенос (гидравлические модели, уравнение Бернулли), процессы очищения.
- Геосфера: геохимия ландшафтов суши, источники загрязнения, био-геохимические процессы, миграция (модели просачивания, закон Дарси), геохимические барьеры.
3. Основы радиобиологи и радиационной безопасности
- Основные представления о радиоактивности: строение атома, радиоактивность, единицы активности.
- Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом: рентгеновское и гамма-излучение, электроны, тяжелые заряженные частицы, нейтроны.
- Биологическое действие ионизирующих излучений: соматические, стохастические и генетические эффекты.
- Радиационный фон Земли. Естественный радиационный фон. Естественные радиоактивные ряды. Радон, дочерние продукты распада. Техногенно измененный естественный радиационный фон. Радиоактивное загрязнение окружающей среды при испытаниях ядерного оружия и работе предприятий атомной промышленности и энергетики.
4. Среда и факторы существования организмов
- Общие принципы действия факторов среды на организм. Формы воздействия факторов на организмы. Взаимодействие факторов. Компенсация факторов. Лимитирующие факторы. Толерантность.
- Энергетический бюджет организма. Физика преобразования энергии в авто- и гетеротрофных организмах. Эффективность превращения энергии на организменном уровне.
- Потоки энергии и вещества в сообществах. Модели потока энергии в трофических структурах. Связь между потоком энергии и круговоротом биогенных элементов в сообществах.
5. Основы физики биосферы и глобальная экология
- Развитие представлений о биосфере. Структура биосферы. Энергетический баланс биосферы. Круговорот веществ как основный механизм гомеостаза биосферы. Биогеохимические функции различных групп организмов и типов экосистем. Проблемы динамики биосферы и ее компонентов. Экологический механизм эволюции организмов. Экологический механизм эволюции человека. Антропогенные воздействия на компоненты биосферы. Антропогенные изменения энергетического баланса биосферы. Глобальные экологические проблемы.
6. Математическое моделирование в экологии
- Основные принципы математического моделирования в экологии. Метод математического моделирования в экологии как инструмент исследования. Принципы построения, классификация и использования моделей. Численные методы моделирования.
- Моделирование динамики популяций. Модель популяции с дискретным размножением: экспоненциальный и S-образный рост. Модель популяции с непрерывным размножением: логистическое уравнение. Модели внутривидовой конкуренции.
- Основные модели динамики в системах хищник-жертва и растение-растительноядное животное. Модель Лотки-Вольтерры. Логистическое уравнение с запаздыванием по времени. Циклические колебания в системе хищник-жертва.
- Статистическое моделирование. Проблемы медико-экологического мониторинга и взаимосвязь здоровья населения с факторами окружающей среды.
- Вычислительный эксперимент и метод Монте-Карло. Принципы организации вычислительного эксперимента. Имитатационное моделирование экосистем.
- Модели "промысла" (изъятия возобновимых ресурсов).
- Глобальные модели эколого-экономического взаимодействия. "Мировая динамика" Дж. Форестера и "Пределы роста" Д. Медоуза, структура моделей, предположения, результаты.
- Глобальные геоклиматические модели. Модель "ядерной зимы".
7. Прикладная экология и охрана окружающей среды
- Виды и масштабы антропогенного воздействия на природную среду. Качество окружающей природной среды и его нормирование. Мониторинг окружающей среды. Общие принципы рационального природопользования. Классификация и основные направления природозащитных мероприятий. Экономика природопользования и охраны окружающей среды. Оценка экологического риска.
8. Статистическая обработка результатов экологических исследований
- Случайные величины и случайные процессы. Функции распределения случайных величин. Моменты случайных величин. Модели распределений случайных величин (равномерное, биномиальное, пуассоновское, нормальное). Центральная предельная теорема.
- Элементарная обработка результатов наблюдения: диаграмма рассеяния, гистограмма, сравнение средних значений (критерий Стьюдента, непараметрические критерии), сравнение долей (процентов) - критерий хи-квадрат.
- Исследование статистических взаимосвязей между параметрами. Постановка задачи в моделях регрессионного и дисперсионного типа. Коэффициенты модели, статистическая значимость коэффициентов, коэффициент корреляции, коэффициент детерминации.
- Задачи классификации. Постановка задачи в модели дискриминантного типа. Решающее правило, качество классификации. Постановка задачи в модели кластер-анализа.
9. Компьютерные технологии в экологических исследованиях
- Базы данных, принципы построения, назначение. Системы управления базами данных, простейшие операции с базами данных: сортировка, выборка по условию, запросы.
- Работа со статистическими пакетами: Statistica for Windows, Statgraphics, SPSS или любой другой.
- Компьютерные системы сбора и анализа информации. Электронные таблицы, системы управления базами данных, пакеты прикладных программ для статистического и математического моделирования.
- Визуализация экологической информации. Геоинформационные системы.
10. Основы нелинейной динамики
- Понятие динамической системы. Переменные и параметры, дискретные и непрерывные переменные, стохастические и детерминированные динамические системы.
- Нелинейные динамические системы. Аттрактор. Бифуркация. Хаос.
- Двух- и трехмерные системы. Система хищник - жертва как пример двумерной динамической системы.
- Фракталы и фрактальная размерность. Примеры геометрических объектов с дробными размерностями. Самоподобие фракталов.
11. Введение в системный анализ
- Понятие системы. Системность как всеобщее свойство материи. Развитие системных представлений.
- Основные компоненты систем. Элементы и связи. Структура системы.
- Системы и окружение. Границы системы. Взаимодействие системы и окружения.
- Искусственные и естественные системы.
- Понятие "большая" система и "сложная" система.
- Информация как свойство материи. Сигналы в системах.
- Системный анализ как прикладная дисциплина. Этапы системного анализа. Алгоритмы проведения системного анализа. Применение системного анализа к экологическим системам. Принципы постановки задач и формулирование целей. Выбор переменных, характеризующих систему и ее управление. Структурное разбиение и моделирование систем. Анализ и прогнозирование условий функционирования в будущем.
- Создание систем. Движение системы. Целе- и ценностно-ориентированные системы. Принципы управления системой. Организация управляемой системы. Процесс принятия решений. Оценка возможных вариантов решений. Качественное и количественное измерение показателей, определение значимости показателей Оптимизация решения при допустимости незначительного загрязнения окружающей среды. Исследование моделей и оценка ущерба окружающей среде. Процесс принятия решений в условиях многокритериальности.
Основная литература
- Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Основы моделирования и первичная обработка данных. М.: Финансы и статистика, 1983.
- Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Исследование зависимостей. М.: Финансы и статистика, 1985.
- Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности / С.А. Айвазян, В.М. Бухштабер, И.С. Енюков, Л.Д. Мешалкин. М.: Финансы и статистика, 1989.
- Афифи А., Айзен С. Статистический анализ. Подход с использованием ЭВМ. М., 1982.
- Андерсен Д.М. Экология и науки об окружающей среде: биосфера, экосистемы, человек. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
- Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества: В 2-х т. Пер. с англ. М.: Мир, 1989.
- Будыко М.И. Глобальная экология. М.: "Мысль", 1977.
- Горелов А.А. Экология - наука - моделирование. М.: Наука, 1985.
- Джефферс Дж. Введение в системный анализ: применение в экологии. М.: Мир, 1981.
- Довиньо П., Танг М. Биосфера и место в ней человека. М.: Изд-во "Прогресс", 1973.
- Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рандерс И. За пределами роста: Учеб. пособие. М.: Прогресс, Пангея, 1994.
- Могилевский В.Д. Методология систем: вербальный подход / Отд. экон. РАН; науч.-ред. совет изд-ва "Экономика". М.: ОАО "Издательство "Экономика", 1999.
- Одум Ю. Экология. В 2-х т. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.
- Петросян Л.А., Захаров В.В. Математические модели в экологии. Изд-во СПбГУ, 1997.
- Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1989.
- Пианка Э. Эволюционная экология. М.: Мир, 1981.
- Пэнтл Р. Методы системного анализа окружающей среды. М.: Мир, 1979.
- Реймерс Н.Ф. Концептуальная экология. Надежда на выживание человечества. М.: Россия молодая, 1992.
- Смит Дж. М. Модели в экологии. М.: Мир, 1976.
- Уатт К. Экология и управление природными ресурсами. М.: Мир, 1971.
- Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. М.: Прогресс, 1980.
