Institute of Geophysics

Pracownia Geofizyczna I (sem.letni) / II (sem.zimowy)
Rok akademicki: 2018/2019
Kierunek: Geofizyka (Fizyka, II stopień)
Jednostka organizacyjna: Instytut Geofizyki

Celem Pracowni jest zapoznanie studentów z doświadczalnymi i teoretycznymi metodami oraz zaawansowaną analizą danych geofizycznych. Zakres tematyczny proponowanych ćwiczeń obejmuje zagadnienia z fizyki atmosfery, fizyki litosfery oraz planetologii. Pracownia polega na wykonaniu wybranych trzech (PG II sem.zimowy) lub czterech (PG I sem.letni) ćwiczeń. Opisy proponowanych ćwiczeń znajdują się poniżej. Literatura jest określana przez prowadzących asystentów, stosownie do tematu i zakresu ćwiczenia.

Zaliczenie Pracowni na ocenę odbywa się w oparciu o opisy własne ćwiczeń wykonanych przez studenta (trzech - PG II sem.zimowy oraz czterech - PG I sem.letni). Każdy opis jest oceniany przez asystenta prowadzącego ćwiczenie. Ocena końcowa jest średnią z uzyskanych ocen z poszczególnych raportów.

Student po wybraniu ćwiczeń, kontaktuje się z osobami prowadzącymi w celu potwierdzenia, że ćwiczenie może być wykonywane w danym semestrze. Informacja o wybranych i potwierdzonych ćwiczeniach musi trafić do koordynatora przedmiotu w ciągu 1 miesiąca od rozpoczęcia semestru.

Każde ćwiczenie student realizuje z prowadzącym. Po wykonaniu ćwiczenia student przygotowuje raport i oddaje go do sprawdzenia przez prowadzącego. Koordynator otrzymuje od prowadzącego oceniony raport końcowy.

Brak dostarczenia ocenionego raportu do koordynatora przedmiotu w terminie do końca sesji egzaminacyjnej danego semestru oznacza otrzymanie z danego ćwiczenia oceny niedostatecznej. Istnieje możliwość poprawy każdego raportu do końca sesji poprawkowej danego semestru. Ocena końcowa jest średnią z 3 (PGII) lub 4 (PG I) ocen.

Nakład pracy studenta:

- przygotowanie do ćwiczeń 30h (PG II), 40h (PG I)

- wykonanie ćwiczeń 30h (PG II), 30h (PG I)

- opracowanie wyników i sporządzenie raportów 30h (PG II), 40h (PG I)

Prowadzący grup: Gustavo Abade, Leszek Czechowski, Marek Grad, Konrad Kossacki, Łucja Janicka, Szymon Malinowski, Krzysztof Markowicz, Hanna Pawłowska, Iwona Stachlewska, Dominika Szczepanik, Olga Zawadzka

Ćwiczenie 1

Numeryczne modelowanie konwekcji w płaszczu ze zmienną lepkością w dwóch wymiarach.

Konwekcja w płaszczu Ziemi to podstawowy wielkoskalowy proces dynamiczny określający aktywność tektoniczną i wulkaniczną Ziemi. Numeryczne modelowanie jej to ważna metoda badań tej konwekcji. W ramach ćwiczenia należy za pomocą gotowego programu numerycznego dokonać: zapoznania się z programem, uruchomienia programu w środowisku Windows lub Linux, przeprowadzenia kilku modelowań z różnymi parametrami lepkości w celu poznania zachowania się konwekcji oraz graficznej wizualizacji wyników.

Prowadzący: prof. dr hab. Leszek Czechowski (leszek.czechowski@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 2

Numeryczne modelowanie ewolucji rzeki.

Rzeki stanowią istotny czynnik ewolucji powierzchni Ziemi. W ramach ćwiczenia należy zbadać ewolucję niewielkiej rzeki o zadanych parametrach i zbadać kryteria, jakie decydują o typie rzeki (jednokorytowa, wielokorytowa, meandrująca, roztokowa). W czasie ćwiczenia student korzysta z gotowego programu numerycznego, który jest szeroko stosowany w zagadnieniach hydrologicznych.

Prowadzący: prof. dr hab. Leszek Czechowski (leszek.czechowski@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 3
Wyznaczenie lokalizacji trzęsienia ziemi.

Na podstawie kilkunastu sejsmogramów należy wyznaczyć czas i miejsce trzęsienia ziemi. Będzie to przypadek „bliskiego” trzęsienia ziemi pozwalający na pewne uproszczenia. W ramach wprowadzenia do ćwiczenia przedstawione zostaną podstawy rozchodzenia się fal sejsmicznych podłużnych P i poprzecznych S, oraz metoda sfer Wadati służąca wyznaczeniu momentu trzęsienia i jego lokalizacji. Zadanie będzie polegało na identyfikacji fal P i S na sejsmogramach, wyznaczeniu ich czasów wstąpień, określeniu czasu t0, oraz wyznaczeniu miejsca trzęsienia dla znanej geometrii położeń stacji sejsmicznych. Wariant podstawowy będzie oparty na danych syntetycznych („bezbłędnych”) dający możliwość weryfikacji uzyskanego wyniku ze znanym położeniem źródła (znanym układającemu ćwiczenie). Wariant rozszerzony będzie oparty na faktycznych danych katalogowych zarejestrowanego trzęsienia ziemi. W tym przypadku porównanie nastąpi z wynikiem katalogowym, uzyskanym w wyniku rutynowych opracowań przez służby sejsmologiczne.
W obu wariantach inwencji osoby wykonującej ćwiczenie pozostawiona zostanie analiza błędów wyznaczenia czasu trzęsienia, epicentrum i głębokości ogniska.

Prowadzący: prof. dr hab. Marek Grad (mgrad@mimuw.edu.pl)

Ćwiczenie 4
Modelowanie sejsmicznej struktury skorupy ziemskiej.

Zadanie będzie polegało na określeniu trzech modeli skorupy ziemskiej: dla obszaru oceanicznego, oraz kontynentalnych obszarów platformowych i tarczowych. W ramach wprowadzenia do ćwiczenia przedstawione zostaną podstawy propagacji fal sprężystych w ośrodkach wielowarstwowych oraz prosty program służący obliczaniu hodografów w ośrodku 1D (program HOD ze wspomaganiem graficznym PLOT). Materiałem do modelowania będą sekcje sejsmiczne (kolekcje sejsmogramów) uzyskane w eksperymentach sejsmicznych. Zadanie będzie polegało na wyznaczeniu kolejnych fal na tych sekcjach, a następnie na dopasowaniu trzech modeli rozkładu prędkości fal podłużnych dla sekcji sejsmicznych z Oceanu Atlantyckiego, SW Polski i Tarczy Bałtyckiej. Podsumowaniem zadania będzie porównanie modeli i skomentowanie różnic w budowie skorupy ziemskiej tych trzech różnych obszarów tektonicznych.

Prowadzący: prof. dr hab. Marek Grad (mgrad@mimuw.edu.pl)

Ćwiczenie 5

Wyznaczanie przewodnictwa cieplnego piasku technologią sondy liniowej (ćwiczenie łatwiejsze).

Ćwiczenie polega na wykonaniu pomiarów przewodnictwa cieplnego piasku bez pobierania próbki badanego materiału. Pomiar ma zostać wykonany technologią sondy liniowej. Jest ona stosowana w praktyce w sytuacjach, kiedy pobranie próbki materiału jest niecelowe, lub technicznie niemożliwe. Przykładem zastosowania metody jest pomiar przewodnictwa cieplnego jądra komety Churyumov-Gerasimenko – misja Rosetta, eksperyment MUPUS.

Prowadzący: dr hab. Konrad Kossacki (konrad.kossacki@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 6

Wyznaczanie przewodnictwa cieplnego śniegu lub ziarnistego lodu technologią sondy liniowej (ćwiczenie trudniejsze).

Ćwiczenie polega na wykonaniu pomiarów przewodnictwa cieplnego śniegu lub ziarnistego lodu bez pobierania próbki badanego materiału. Pomiar ma zostać wykonany technologią sondy liniowej. Jest ona stosowana w praktyce w sytuacjach, kiedy pobranie próbki materiału jest niecelowe, lub technicznie niemożliwe. Przykładem zastosowania metody jest pomiar przewodnictwa cieplnego jądra komety Churyumov-Gerasimenko – misja Rosetta, eksperyment MUPUS.

Prowadzący: dr hab. Konrad Kossacki (konrad.kossacki@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 7

Pomiar szybkości sublimacji lodu.

Sublimacja różnych rodzajów lodu jest istotnym, a w niektórych przypadkach dominującym procesem kształtującym powierzchnię planet i innych obiektów kosmicznych. Szybkość sublimacji silnie zależy od temperatury i składu lodu. Proste w użyciu równanie Hertza-Knudsena jest niestety przybliżone. Z tego względu duże znaczenie mają pomiary. Ćwiczenie polega na pomiarze cofania się powierzchni próbki lodu na skutek sublimacji w komorze próżniowej.

Prowadzący: dr hab. Konrad Kossacki (konrad.kossacki@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 8

Wyznaczanie długości Obuchowa na podstawie pomiarów anemometrem ultradźwiękowym.

Anemometr ultradźwiękowy zainstalowany na platformie pomiarowej IGF UW rejestruje trzy składowe prędkości przepływu powietrza oraz temperaturę wirtualną z częstością do 32 pomiarów na sekundę. Pozwala to na obliczenie turbulencyjnych strumieni pędu i ciepła w warstwie granicznej atmosfery metodą kowariancji wirów. Wielkości te z kolei pozwalają określić stabilność dynamiczną w warstwie, którą zwyczajowo wyraża się za pomocą tzw. długości Obuchowa, Zadaniem studenta będzie wykonanie analizy zmienności długości Obuchowa w okresie jednej doby.

Prowadzący: prof. dr hab. Szymon Malinowski (szymon.malinowski@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 9

Wyznaczanie dyssypacji energii kinetycznej turbulencji na podstawie pomiaru turbulencyjnych fluktuacji prędkości.

Pomiary turbulencyjnych fluktuacji prędkości powietrza (pochodzące np. z anemometru ultradźwiękowego lub pomiarów lotniczych) posłużą do określenia widma mocy oraz funkcji struktury tych fluktuacji. Pozwala to, przy wykorzystaniu teorii Kołmogorowa, na określenie wartości dyssypacji energii kinetycznej turbulencji, co będzie zadaniem studenta.

Prowadzący: prof. dr hab. Szymon Malinowski (szymon.malinowski@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 10

Mikrofizyczne własności chmur.

Ćwiczenie ma na celu zapoznanie z podstawowymi własnościami mikrofizycznymi chmur (koncentracja i rozmiary kropel chmurowych), ich zmiennością w przestrzeni oraz zależnością od typu chmury. Ćwiczenie będzie polegało na analizie danych pomiarowych pochodzących z eksperymentów ACE2 (Second Aerosol Characterization Experiment, Wyspy Kanaryjskie) i RICO (Rain in Cumulus over the Ocean; Karaiby, 2004-2005) prowadzonych odpowiednio w chmurach typu Stratocumulus oraz Cumulus. Realizacja tego ćwiczenia pozwoli skutecznie zapoznać się z podstawowymi (i bardziej zaawansowanymi) parametrami charakteryzującymi chmury, zrozumieć i zapamiętać jakie są najważniejsze procesy rządzące chmurami.

Prowadzący: prof. dr hab. Hanna Pawłowska (hanna.pawlowska@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 11

Porównanie różnych algorytmów obliczania końcowej prędkości osiadania grawitacyjnego kropelek chmurowych.

Obliczanie prędkości osiadania kropelek chmurowych jest niezbędne w modelach chmur uwzględniających koalescencyjny wzrost kropel. Prędkości te zależą zarówno od geometrycznych rozmiarów kropli jak i od warunków atmosferycznych. Celem ćwiczenie jest porównanie wybranych przybliżonych wzorów opisujących tą zależność z danymi doświadczalnymi.

Prowadzący: dr Gustavo Abade (gustavo.abade@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 12

Wyznaczanie własności optycznych atmosfery podczas epizodów pylenia alergennego Warszawie.

Celem ćwiczenia jest odzyskanie profili własności optycznych, depolaryzacji i wilgotności względnej atmosfery z sygnałów lidaru ADR-PollyXT oraz lidaru NARLa. Student wykorzysta do tego celu dostępne pomiary lidarowe, radiosondarze meteorologiczne, pomiary fotometryczne oraz zestaw pomiarów kalibracyjnych. Obróbka danych będzie wykonana z użyciem dostępnego programu numerycznego, kt. również szacuje błędy pomiarowe. Do analizy obrobionych danych pomiarowych student użyje metodyki zaproponowanej przez siebie.

Prowadzący: mgr Dominika Szczepanik, dr hab. Iwona S. Stachlewska (dominika.szczepanik@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 13

Wyznaczanie profili depolaryzacji i wilgotności względnej z pomiarów lidarem ADR-PollyXT w Warszawie.

Celem ćwiczenia jest odzyskanie profili depolaryzacji (UV i VIS) stosunku zmieszania pary wodnej (UV) z sygnałów lidaru ADR-PollyXT. Student wykorzysta do tego celu dostępne pomiary lidarowe (trzy przypadki: 1) atmosfera Rayleighowska, 2) z domieszką aerozoli pochodzących ze spalania biomasy, 3) z domieszka pyłów mineralnych) oraz pomiary kalibracyjne. Napisze programy numeryczne do odzyskiwania profili pary wodnej i depolaryzacji promieniowania w atmosferze, oszacuje błędy pomiarowe metody, oraz wykona analizę porównawczą ww. przypadków.

Prowadzący: mgr Łucja Janicka, dr hab. Iwona S. Stachlewska (iwona.stachlewska@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 14

Własności optczne atmosfery z pomiarów lidarem EMORAL w Rzecinie.

Celem ćwiczenia jest analiza danych pomiarówych zebranych w ramach kampanii pomiarowej nad obszerem torfowiska Natura 2000 w Rzecinie. Praca polega na odzyskaniu z pomiarów lidarowych profili współczynników ekstynkcji i rozproszenia wstecznego w atmosferze oraz profili depolaryzacji i stosunku zmieszania pary wodnej. Student wykorzysta do tego celu dostępne pomiary lidarowe oraz zestaw pomiarów kalibracyjnych. Napisze programy numeryczne do odzyskiwania profili oraz oszacuje błędy pomiarowe metody.

Prowadzący: dr hab. Iwona S. Stachlewska (dongxiang.wang@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 15

Analiza danych satelitarnych.

Ćwiczenie ma na celu zapoznanie studentów z tematyką teledetekcji satelitarnej, szeroko wykorzystywanej w badaniach własności atmosfery. W ramach zajęć przeprowadzona zostanie analiza danych satelitarnych dla wybranego przypadku (do ustalenia), pod kątem różnych parametrów, takich jak np. aerozole atmosferyczne, zachmurzenie, zanieczyszczenia atmosfery.

Prowadzący: dr Olga Zawadzka (olga.zawadzka@fuw.edu.pl)

Ćwiczenie 16

Kalibracja Langley’a radiometrów MFR-7 oraz wyznaczanie grubości optycznej aerozolu.

Celem ćwiczenia jest wykonanie kalibracji Langley’a przyrządu Multifilter Rotating Shadowband Radiometer i zastosowanie jej do wyznaczenia grubości optycznej aerozolu. Przeprowadzenie kalibracji przyrządu wymaga wybrania odpowiedniego dnia pomiarowego z bazy danych, wykonanie korekcji azymutalnej oraz przeprowadzenie regresji liniowej sygnałów. Uzyskanie w jej wyniku stałe należy wykorzystać do wyznaczenia grubości optycznej aerozolu oraz współczynnika Ǻngstroma.