В работе суммируются результаты, полученные в Институте оптики атмосферы СО АН СССР по проблеме комплексного исследования распространения оптического излучения в атмосфере. Материалы книги отражают отдельные стороны общей проблемы комплексного изучения закономерностей распространения оптического излучения в аэрозолях, в турбулентной атмосфере, поглощения оптических волн, лазерной спектроскопии и лазерного зондирования атмосферы.Сборник рассчитан на исследователей и инженеров, работающих в области оптики и спектроскопии атмосферы, метеорологии, геофизики и астрофизики, оптико-электронной и лазерной техники.

В монографии представлены результаты многолетних исследований оптических характеристик атмосферы в неколмогоровской когерентной турбулентности горного пограничного слоя атмосферы акустическими и оптическими методами. Приведены результаты регистрации когерентных структур в воздухе специализированных помещений астрономических телескопов. Экспериментально подтверждено присутствие в атмосфере над территориями высокогорных обсерваторий областей когерентной турбулентности, в которых значительное влияние оказывает одна крупная когерентная структура. Установлены свойства одиночных когерентных структур и их смесей. Показано, что в когерентной турбулентности происходит ослабление флуктуаций света, влияющее на улучшение качества оптических изображений. Представлены построенная авторами для когерентной турбулентности кармановская модель спектра температуры, а также асимптотические выражения структурных функций и дисперсий смещений астрономических изображений. Изложены практические рекомендации по повышению эффективности астрономических наблюдений, в частности рекомендовано располагать телескопы в местах, где имеются крупные когерентные структуры. Монография предназначена для специалистов в области оптики атмосферы, физики атмосферы и океана, астрономии, а также для аспирантов и студентов вузов соответствующих специальностей.

В книге представлены материалы лекций по проблеме взаимодействия атмосферы и гидросферы, прочитанных во время Школы молодых ученых - международной конференции по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде, проведенной в г. Петрозаводске с 25 августа по 5 сентября 2013 г. Лекции оформлены в виде отдельных глав учебного пособия, в которых рассматриваются такие проблемы, как роль океана в наблюдающейся и возможной климатической изменчивости; модели и методы, используемые в задачах крупномасштабного взаимодействия атмосферы и океана; проблема усвоения данных наблюдений в моделях циркуляции океана и морей; региональные и локальные аспекты взаимодействия атмосферы и гидросферы; вычислительно-информационные технологии для анализа климатических изменений. В заключительной главе представлены результаты, полученные участниками школы при выполнении практикума по моделированию изменений климата. Для специалистов в области наук о Земле, информатики и прикладной математики, аспирантов и студентов соответствующих вузов.

Можно ли создать формализованный аппарат термодинамики, в том числе и для самоорганизующихся систем, как раздала теоретической физики, соответствующий сегодняшнему пониманию протекающих неравновесных и нелинейных процессов в открытых системах с хаотической динамикой? В монографии излагаются проблемы математического и численного моделирования нелинейных процессов в открытых физико-химических локально-неравновесных системах с фазовыми переходами и самоорганизацией, которые ранее методами классической термодинамики не могли быть решены. Эти задачи на основе принципа локального неравновесия позволяют на феноменологическом уровне в рамках хаотической динамики описать возникновение и эволюцию гомо- и гетерофазных флуктуаций, ответственных за возникновение новых структур. Учитываются трудно формализуемые потери энергии, последействие и релаксация, которые приводят к бифуркационным явлениям, забыванию начальных условий и, как следствие, - необратимости. эффективность разработанного термодинамического подхода проверена на задачах в системах с процессами переноса энергии, массы, импульса и заряда при наличии источников и стоков, межфазного слоя с испарением и конденсацией, химическими реакциями и некоторых задачах нерегулярной динамики, включающих самоорганизацию, в биофизике и медицине. Книга может быть полезна как специалистам в области термодинамики сплошных сред, гидродинамики, синергетики, так и студенческой аудитории, в частности магистрам, специализирующимся в области термодинамик и реальных процессов.

Приводится анализ и обобщение экспериментальных и теоретических исследований физических основ явлений самофокусировки и филаментации фемтосекудных лазерных импульсов в воздухе. Представлены результаты лабораторных и натурных экспериментов, теоретические модели, а также данные численных расчетов в сравнении с экспериментами. Рассмотрены экспериментальные и теоретические аспекты филаментации в конденсированных оптических средах, моделирующих распространение мощного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере. Обсуждаются различные приложения явления филаментации в воздухе в атмосферно-оптических задачах: зондирование аэрозоля суперконтинуальным излучением, спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя растительного покрова, механических мишеней. Книга предназначена для научных работников, аспирантов и студентов, интересующихся проблемами атмосферной и нелинейной оптики, лазерной физики, а также их приложениями.

Рассматривается проблема моделирования турбулентных струйных и отрывных течений на основе метода дискретных вихрей. Описаны методы расчета статистических характеристик плоских, осесимметричных и пространственных турбулентных струй и следов. Исследован процесс формирования струй и определена скорость распространения её фронта; освещена роль крупномасштабных когерентных структур; рассмотрены диффузионные характеристики струи; изучено влияние периодического возбуждения струйных течений на их характеристики; анализируется процесс хаотизации течения. Описаны модификации метода дискретных вихрей, позволяющие учесть влияние мелкомасштабной турбулентности и вязкости среды. Результаты численного моделирования сопоставляются с многочисленными данными экспериментов. Для научных работников и инженеров, интересующихся аэродинамикой свободных турбулентных течений, а также преподавателей, аспирантов и студентов соответствующих вузов.

В монографии представлено обобщение результатов разработки и использования полной нестационарной полуторамерной численной модели конвективного облака и её модификаций. Модель позволяет получать и интерпретировать данные о пространственно-временном распределении основных характеристик конвективных облаков. Разработаны разные версии модели, учитывающие такие процессы, как электризация и разделение зарядов, взаимодействие облачных и аэрозольных частиц, влияние конвективного облака на безопасность полетов др. Имеется версия модели, предназначенная для прогноза образования и развития конвективных облаков и связанных с ними опасных явлений. Наряду с моделями большой размерности, полуторамерные нестационарные модели являются эффективным инструментом для решения определенного круга фундаментальных и прикладных задач физики облаков. По сравнению с первым изданием, опубликованным в 2007 г., монография дополнена рядом новых материалов.

Книга посвящена проблемам моделирования турбулентных потоков газа, несущих дисперсную примесь в виде твердых частиц. Особое внимание уделено рассмотрению различных столкновительных процессов («частица-частица», «частица-стенка», «частица-тело»), имеющих место в гетерогенных потоках. С использованием большого массива экспериментальных и численных данных предложены и верифицированы безразмерные критерии, отвечающие за наличие и интенсивность указанных взаимодействий. Детально рассмотрены характеристики турбулентных гетерогенных течений в каналах (трубах), а также вблизи обтекаемых тел и в пограничных слоях. Описаны и проанализированы результаты физического и математического моделирования потоков газа с твердыми частицами, полученные в последние годы как российскими, так и зарубежными исследователями. Для научных работников, занимающихся исследованиями газодинамики и тепломассообмена многофазных потоков, а также преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений.

В книге дается систематическое изложение вопросов, связанных с применением метода моделирования крупных вихрей для расчетов турбулентных течений. Основное внимание уделяется замыканию фильтрованных уравнений Навье-Стокса и построению моделей подсеточной вязкости. Рассматриваются особенности численной реализации метода моделирования крупных вихрей и приводятся результаты расчетов внутренних и струйных турбулентных течений. Систематизация и обобщение данных позволяет сформулировать ряд проблем, решение которых имеет важное значение для развития данного направления в численном моделировании турбулентности, и выделить круг задач, для которых его применение представляется возможным и рациональным. Для специалистов в области механики жидкости и газа, а также аспирантов и студентов соответствующих специальностей.