Учение о гидросфере Лекция 2 Химические и

Учение о гидросфере Лекция № 2 Химические и физические свойства природных вод

План: 1. Вода как химическое соединение, ее молекулярная структура и изотопный состав. 2. Химические свойства природных вод. 3. Понятие о качестве воды. 4. Физические свойства природных вод. Агрегатные состояния воды: жидкая вода, водяной пар, лед. Фазовые переходы. 5. Плотность воды и ее зависимость от температуры, минерализации и давления. 6. Тепловые свойства воды. 7. Вязкость воды. Поверхностное натяжение. 8. Общие закономерности распространения света и звука в воде. 9. Гидрологическое и физико-географическое значение физических свойств и «аномалий» воды.

Вода как химическое соединение, ее молекулярная структура и изотопный состав. Вода состоит из 11, 11% водорода и 88, 89% кислорода (по весу). При образовании воды с одним атомом кислорода соединяются два атома водорода – Н 2 О.

• Молекулы воды оказываются чрезвычайно устойчивыми, поскольку атомы кислорода и водорода связаны друг с другом посредством образования электронных пар. Это так называемая ковалентная связь • Сконструированные наподобие магнитов молекулы воды и взаимодействуют как настоящие магниты, создавая пространственные структуры, так каждая вершина тетраэдра или лопасти может притянуть по одной молекуле воды, а всего — четыре молекулы. Электрические взаимодействия между водородом одной молекулы и сравнительно свободными парами электронов другой образуют так называемую водородную связь. Такие связи и возникающие пространственные структуры молекул определяют межмолекулярную структуру воды, которая служит одной из причин ее уникальности.

Вода гидросферы • это смесь нескольких разновидностей воды с общей формулой Н 2 О, представляющих собой соединения изотопов кислорода и водорода. Кроме обычного водорода (протий, Н) в природе встречается водород с массой 2, называемый дейтерий (D), и еще более тяжелый водород с массой 3, называемый тритий (Т). У кислорода выявлены, кроме обычного с атомным весом 16, еще два более тяжелых изотопа: с атомными весами 17 и 18. • Теоретически может существовать 42 разнообразных изотопных разновидностей воды, из которых только 7 устойчивы, т. е. не радиоактивны. 99, 73% гидросферы состоит из обычной воды с молекулярным составом H 2 О(16). Еще 0, 04% — это тяжелокислородная вода с составом Н 2 О(17) и 0, 02% — вода с составом Н 2 О(18). Доля тяжелой воды с составом DO 2 в природных водах составляет в среднем 1/6800, или примерно 0, 15 мл на 1 л природной воды.

• Разница в изотопном составе сказывается на физических свойствах воды. Так, тяжелая вода имеет плотность 1, 104 г/см 3, кипит при 101, 43°С, а лед из тяжелой воды плавится при 3, 813 °С. Тяжелая вода испаряется медленнее, чем обыкновенная, и, может быть, поэтому в некоторых замкнутых водоемах происходит обогащение тяжелой водой. Эксперименты показывают, что она угнетает растения, а в больших дозах даже вызывает их гибель. • При О °С вода состоит из мономеров Н 2 О только частично, большая же ее часть при этой температуре состоит из тримеров (Н 2 О)3, в то время как при температуре 4 °С основную массу воды составляют димеры (Н 2 О)2. (помните про домашнее задание с круговыми диаграммами, которое проверю завтра? )

Аномалия точек кипения и замерзания воды в сравнении с другими соединениями водорода, обладающими похожей молекулярной структурой • Аналогом кислорода по таблице Менделеева служит ряд: сера (S), селен (Se), теллур (Те). Их соединения с водородом, подобные воде, называют гидратами: H 2 S, H 2 Se и Н 2 Те. Заряд ядра определяет физические свойства веществ этого ряда. Действительно, если Н 2 Те (вещество с самым тяжелым молекулярным весом этого ряда) кипит при 4 °С, а замерзает при 51 °С, то два других, более легких, соединения (H 2 Se и H 2 S) кипят и замерзают при более низкой температуре, прямо пропорциональной их молекулярным весам. Но самое легкое из этого ряда соединений — вода — не признает никаких закономерностей: она должна была бы замерзать при 90°С, а она замерзает при 0°С, кипеть при 70°С, а она кипит при 100°С.

Химические свойства природных вод. Вода как растворитель. • Вода самый сильный природный растворитель: в воде растворяются в той или иной мере почти все вещества. Сильный разнос центров положительных и отрицательных зарядов в молекуле воды приводит к тому, что молекулы ориентируются в электрическом поле, стремясь нейтрализовать его. Иными словами, обладают высоким дипольным моментом, что обеспечивает уникально большую диэлектрическую постоянную воды, наиболее высокую среди всех жидкостей. В результате любые заряды в воде отталкиваются или притягиваются с силой, в 80 раз большей, чем в вакууме. Это обеспечивает высокую растворимость веществ в воде, так как молекулы воды «растаскивают» частицы или ионы веществ, сила притяжения между которыми ослаблена.

Процессы, происходящие в воде при растворении • Если в дистиллированной воде растворить обычную поваренную соль (Na. Cl) с таким расчетом, чтобы получился 1 кг морской воды, то понижение температуры воды будет соответствовать потере примерно 2514 Дж. Кроме того, объем раствора окажется меньше суммы первоначальных объемов воды и соли. Раствор как бы сожмется. Это явление называется электрострикцией. Каждый ион в растворе обволакивают молекулы воды — гидратируют его.

• Одни ионы и частицы уплотняют воду, а другие могут делать ее более рыхлой. • К разуплотняющим воду веществам, которые снижают давление внутри нее, относятся ионы калия, рубидия, цезия, брома, йода.

Вода — это инертный растворитель, который обычно не вступает в реакцию с растворенным веществом. • Природные растворы в одних случаях бывают насыщенными и даже перенасыщенными, а в других случаях — слабыми; иногда они равновесные, а иногда — неравновесные. Чем быстрее жидкая вода движется по поверхности суши, тем дальше она от насыщения растворенными веществами (поэтому реки обладают способностью к самоочищению). Но большая часть гидросферы малоподвижна, а потому она соленая и близка к равновесию.

Растворенные в воде вещества, изменяя ее структуру, меняют и свойства. • Электропроводность растворов обычно возрастает в десятки тысяч раз, что объясняется появлением в воде большого количества ионов, переносящих электрические заряды. • Падает температура замерзания воды морская вода замерзает в среднем при температуре — 1, 9 °С. • Если в воду попадают тонкодисперсные частицы, не растворяющиеся в ней, то молекулы воды, вступая в контакт с адсорбирующей поверхностью, теряют свою подвижность, связываются с этой поверхностью, выделяя при этом внутреннюю кинетическую энергию, которую называют теплотой смачивания.

Классификация природных вод по величине минерализации, то есть суммы найденных в воде ионов: пресные - до 1, 0 г/кг солоноватые - 1— 25 воды с морской соленостью - 25— 50 воды соленые (с соленостью выше морской) - выше 50 • Область пресных вод, установленная до 1 г/кг, основана на восприятии человеком вкуса солености при наличии ионов свыше 1 г/кг. • Граница в 25 г/кг между солоноватыми водами с морской соленостью установлена на том основании, что примерно при этой минерализации (24, 695) температуры замерзания и максимальной плотности воды равны между собой. А эти характеристики весьма важны для гидрологии. • Граница между водами с морской соленостью и солеными водами установлена потому, что в морях не наблюдается минерализации свыше 50 г/кг, более высокие ее величины характерны только для соляных озер и сильно минерализованных подземных вод.

Классификация О. А. Алекина, сочетающая принцип деления по преобладающим анионам и катионам с делением по соотношениям между ионами.

• Первый тип: НСО 3 > Са + Мg. Чаще характерны для бессточных озер. • Второй тип: НСО 3 < Са + Мg < НСО 3 + S 04. К этому типу относится большинство рек, озер и подземных вод малой и умеренной минерализации. • Третий тип: НСО 3 + SO 4 < Са + Мg, или Cl > Na. К этому типу принадлежат воды океана, морей, лиманов, реликтовых водоемов и многих сильно минерализованных подземных вод. • Четвертый тип: НСО 3 = 0, т. е. воды этого типа кислые. Поэтому в класс карбонатных вод этот тип не входит, а его воды находятся только в сульфатном и хлоридном классах, в группах Са и Мg, где нет первого типа.

Классификация вод по величине р. Н • Водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной. • Известные свойства кислот независимо от их анионов будут характеризоваться наличием положительно заряженного иона водорода. Основания же независимо от катионов при электролитической диссоциации воды образуют гидроксильные ионы ОН, имеющие отрицательные заряды. • Концентрацию водородных ионов выражают в виде их логарифмов, взятых с обратным знаком, и обозначают символом р. Н. Следовательно, р. Н = lg (Н+). И кислую, и щелочную реакцию выражают концентрацией водородных ионов, так как их легче определять, чем концентрацию ионов гидроксильных. При р. Н = 7 реакция воды нейтральная, при р. Н < 7 — кислая, при р. Н > 7 — щелочная. • Величина р. Н в природных водах зависит от содержания в них различных форм угольной кислоты, от присутствия органических кислот, газов, микроорганизмов, от гидролиза солей и т. д.

• Для большинства природных вод р. Н определяется главным образом соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов. Угольная кислота в воде диссоциирует с образованием ионов Н+. Угольная кислота является слабой кислотой и в нормальных условиях диссоциирует незначительно.

Величины р. Н, наиболее характерные для разных природных вод. По значению р. Н природные воды в зависимости от назначения делят на несколько групп. Подземные воды по значению р. Н рационально делить на семь групп: 1) сильнокислые воды (р. Н < 3) ; 2) кислые воды (р. Н = 3 -5); 3) слабокислые воды (р. Н = 5 -6, 5); 4) нейтральные воды (р. Н = 6, 5 -7, 5): 5) слабощелочные воды (р. Н = 7, 5 -8, 5); 6) щелочные воды (р. Н = 8, 5 -9, 5); 7) сильнощелочные воды (р. Н > 9, 5). р. Н служит критерием для определения возможности существования в водных растворах многих компонентов (H 2 S, Si. О 3, тяжелых металлов и пр. ).

Главные ионы в водах и их происхождение • К числу главных ионов, содержащихся в природных. водах, относятся ионы Cl, SO 4, HCO 3, Na, Mg, Ca и K, которые образуют основную часть их минерального состава. Главные ионы определяют химический тип вод, иначе их называют макрокомпонентами. • Микрокомпоненты содержатся в водах в гораздо меньших количествах и не определяют химического типа воды. Ряд компонентов, растворенных в водах, занимает промежуточное положение между макро и микрокомпонентами. К их числу относятся Н, NH 4, NO 3, H 2 Si. O 3. • Массовая концентрация главных ионов в весьма пресных водах выражается первыми единицами миллиграммов в литре, в рассолах же достигает нескольких сотен граммов на 1 кг (промилле, %о).

Относительная роль главных анионов в формировании химического состава природных вод различной минерализации.

Относительная роль главных катионов в формировании химического состава природных вод различной минерализации.

Понятие о качестве воды Вода для хозяйственно-питьевых целей • При установлении норм хозяйственно питьевых вод принимается во внимание минерализация (сухой остаток), содержание макро и микрокомпонентов, физические свойства воды и ее санитарное состояние. К питьевой воде предъявляются следующие требования: • она должна быть прозрачной, бесцветной, освежающего вкуса и без запаха; • присутствие веществ, растворенных обычно в природной воде, не должно превышать некоторых пределов; • содержание вредных для здоровья человека веществ (меди, свинца, мышьяка и пр. ) не должно превышать установленных для этих компонентов значений; • вода должна быть свободной от болезнетворных микроорганизмов.

Вода для технических целей • Используемая в области производства вода имеет различное назначение. • В отличие от питьевых вод, при оценке качества технической воды прежде всего учитывается жесткость. • Жесткость воды, согласно введенному в настоящее время стандарту, выражается в миллимолях количества вещества эквивалента Са 2+ и Mg 2+, содержащихся в 1 л воды.

Понятие о жесткости воды • По жесткости воды классифицируются следующим образом (в ммоль/л количества вещества эквивалента): Очень мягкие до 1, 5 Мягкие 1, 5— 3, 0 Средние 3, 0— 6, 0 Жесткие 6, 0— 10, 0 Очень жесткие более 10

Оценка природных вод для орошения • Чтобы дать оценку пригодности воды для орошения, необходимо знать: 1) температуру, 2) минерализацию, 3) солевой состав и 4) ирригационный коэффициент. • Температура воды. Низкая температура является недостатком, так как задерживает рост растений. • Минерализация. Безвредной считается вода, содержащая не более 1— 1, 5 г/л растворенных солей. При содержании же солей от 1, 5 до 3, 0 г/л необходимо проведение на орошаемом массиве мелиоративных мероприятий. Предельная норма допустимого общего содержания солей в воде 5, 0 г/л.

• Солевой состав. Среди солей, растворенных в поливной воде, наиболее вредными считаются соли натрия. масс: Na 2 CO 3: Na. Cl: Na 2 SO 4= 1 : 3 : 10. Для хорошо водопроницаемых почв принимаются следующие предельные нормы содержания солей (в г/л): Na 2 CO 3— 1, 0, Na. Cl — 2, 0; Na 2 SO 4 — 5, 0. При совместном присутствии этих солей в поливной воде нормы снижаются. • Ирригационный коэффициент. Этот коэффициент был предложен Стеблером как критерий оценки качества ирригационной воды. Ирригационный коэффициент Ка вычисляется для каждого типа вод по концентрации соответствующих ионов в мг/л. Значением данных коэффициентов определяется качество воды: Ка > 18 — хорошее; от 18 до 6 — удовлетворительное; от 5, 9 до 1, 2— неудовлетворительное и при Ка < 1, 2 — плохое, т. е. вода является непригодной для орошения.

Физические свойства природных вод. Агрегатные состояния воды: жидкая вода, водяной пар, лед. Фазовые переходы. • Только воды в нормальных земных условиях может находится в трех агрегатных состояниях. • Жидкая вода в тонких слоях бесцветна, в толстых имеет голубовато зеленый оттенок. • Чистая вода, без примесей, почти не проводит электрический ток. • Температура замерзания дистиллирован ной воды принята за 0° С, а температура кипения при нормальном давлении за 100° С.

Возможность перехода воды из одного агрегатного состояния в другое (из жидкого в лед или в пар и обратно) определяется температурой и давлением. Линия АВ показывает границу равновесия между парообразной и твердой водой, линия ВС - между парообразной и жидкой водой. При температуре 0, 0075°С и давлении 6, 1 мб в устойчивом равновесии могут одновременно существовать лед, пар и жидкая вода (точка В на графике).

Плотность и удельный объем. • Под плотностью воды понимается отношение ее массы m к объему V, занимаемому ею при данной температуре, т. е. = m/ V , где в г/см 3. • За единицу плотности принята плотность дистиллированной воды при 4° С. • Величина, обратная плотности, т. е. отношение единицы объема к единице массы, называется удельным объемом: • v = V/m где v - в см 3/г.

Плотность воды зависит от ее: • • температуры, минерализации, давления, количества взвешенных частиц и растворенных газов.

Зависимость плотности воды от температуры: • С повышением температуры плотность всех жидкостей, как правило, уменьшается. Вода в этом отношении ведет себя аномально: при температурах выше 4° С плотность ее с повышением температуры уменьшается, а в интервале температур 0 4° С увеличивается. • Изменения плотности воды на один градус температуры в различных интервалах температуры неодинаковы. Они очень малы около температуры наибольшей плотности и быстро возрастают по мере удаления от нее. Так, при температуре, близкой к 4°С, изменение плотности воды на один градус температуры составляет 8*10 6, при температуре около 30°С до 3*10 4.

• При переходе воды из жидкого состояния в твердое (лед) плотность резко, скачкообразно изменяется приблизительно на 9%; плотность дистиллированной воды при 0°С равна 0, 99987, а плотность льда, образовавшегося из той же воды при 0°С, равна 0, 9167. • С понижением температуры плотность чистого льда несколько возрастает и при 20° С достигает 0, 92.

Влияние солености на температуру и плотность воды Соленость, %0 0 5 10 15 20 24, 7 30 35 40 Температура замерзания, 0 С 0 -0, 3 -0, 5 -0, 8 -1, 1 -1, 33 -1, 6 -1, 9 -2, 2 Температура наибольшей плотности, 0 С 4 2, 9 1, 9 0, 8 0, 3 -1, 33 -2, 5 -3, 5 -4, 5

Зависимость свойств воды от давления и температуры Чистая под давлением 1 атм. замерзает при 0, под давлением 600 атм. при 5, под 2200 атм. – при 22, под 3500 атм. – при 17, под 6380 атм. – при +0, 16, под 20670 атм. при +76 – горячий лед.

Тепловые свойства воды. 1. Удельная теплота парообразования воды и плавления снега и льда 2. Теплоемкость 3. Теплопроводность

Удельная теплота парообразования L – это количество тепла, необходимое для перевода 1 г воды из жидкого состояния в парообразное без изменения температуры при нормальном атмосферном давлении. Скрытая теплота испарения воды при 0°С равна 597 кал/г, при температуре 100°С 539 кал/г, или 2, 23*106 Дж/кг. При переходе водяного пара в жидкую воду выделяется такое же количество тепла

Удельная теплота плавления снега и льда Lпл – это количество тепла, поглощаемого при переходе 1 г снега или льда в жидкую воду той же температуры. Удельная теплота плавления чистого льда равна 79, 9 кал/г при 0° С и нормальном атмосферном давлении. Это же количество тепла выделяется при замерзании 1 г воды.

Скрытая теплота плавления и испарения воды. В точке плавления 1 г воды поглощает 333, 7 Дж (79, 7 кал) без повышения температуры, а в точке испарения 2258, 5 Дж (539, 4 кал), также без повышения температуры.

Удельная теплота испарения воды и удельная теплота плавления льда значительно больше, чем многих других жидкостей. Скрытая теплота плавления у воды наиболее высокая среди всех веществ, за исключением аммиака и водорода, скрытая теплота испарения — наиболее высокая из всех веществ. • Эта аномалия объясняется, так же как и аномалия плотности, особенностями строения воды. При переходе жидкой воды в пар и льда в жидкую воду энергия затрачивается не только на преодоление сил взаимного притяжения молекул, но и на разрушение агрегатов двойных и тройных молекул.

• Каждую минуту на испарение с поверхности океана уходит 2 • 1018 Дж солнечной энергии. Но это тепло не потеряно для планеты. При конденсации пара в верхней части тропосферы тепло, затраченное на испарение, вновь выделяется. Водяной пар выступает как теплоноситель, перемещающий тепло Солнца, для излучения которого атмосфера прозрачна, от поверхности океана и увлажненной поверхности суши к уровню конденсации в атмосфере. Мощные импульсы тепла, возникающие при конденсации, служат одним из двигателей циркуляции атмосферы и, возможно, источниками энергии тропических ураганов.

• Пары воды в атмосфере играют и другую, не менее важную роль: они перехватывают и поглощают тепловое (инфракрасное) излучение Земли, создавая парниковый эффект. Роль водяного пара в парниковом эффекте значительно существеннее, чем роль углекислого газа. • В течение весеннего и осеннего сезонов за счет скрытой теплоты плавления (замерзания) происходит обмен таким количеством тепла, которое эквивалентно 2 • 1011 т сожженного угля, что намного превышает годовую добычу его во всем мире.

Теплоемкость • Количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1°С, называется удельной теплоемкостью. В гидрологии теплоемкость обычно выражается в кал/(г*град), или Дж. • Вода характеризуется наибольшей теплоемкостью по сравнению с другими жидкими и твердыми веществами, за исключением водорода и аммиака, и примерно в 10 раз больше, чем у пород, слагающих земную кору. • Так же как и плотность, теплоемкость воды изменяется с температурой аномально: при 30°С она наименьшая 0, 9975 кал/(г*град) при 15 и 70°С равна 1, 000, при 3, 6 и 100°С возрастает до 1, 0057; теплоемкость водяного пара при 100°С и давлении 760 мм равна 0, 462, теплоемкость льда при 0°С 0, 485, а при 10°С 0, 444 кал/(г*град).

Теплопроводность • Передача тепла путем молекулярной теплопроводности состоит в том, что повышенные колебания молекул в более нагретых слоях постепенно передаются молекулам смежных слоев и таким образом энергия теплового движения постепенно передается от слоя к слою. В результате возникает поток тепла от более нагретых слоев к слоям с более низкой температурой. • Коэффициент теплопроводности воды ( ) при 0° С равен 0, 001358 кал/(см*с*град). С повышением температуры он увеличивается и при температуре 20° С равен 0, 00143 кал/(см*с*град). • Вследствие малых значений коэффициента молекулярной теплопроводности перенос тепла с помощью описанного механизма не играет существенной роли в термическом режиме водных объектов. В природных условиях решающую роль при переносе тепла в воде играют турбулентные процессы.

• Коэффициент теплопроводности чистого, лишенного пузырьков воздуха льда равен 0, 0054 кал/(см*с*град). С понижением температуры теплопроводность льда несколько уменьшается. • Теплопроводность снега зависит в значительной мере от его плотности. Зависимость коэффициента теплопроводности снега К от его плотности может быть выражена в следующей форме: с = 0, 0067 с2, где с плотность снега; с в кал/(см*с*град).

Молекулярная вязкость • Вязкостью жидкости называется ее свойство оказывать сопротивление взаимному передвижению смежных слоев. • Вязкость играет двойную роль при движении жидкости: С одной стороны, она выступает как фактор, формирующий скоростное поле потока, передающий скорости от одного слоя к другому, сглаживающий различие скоростей в соседних точках, с другой как фактор, оказывающий сопротивление движению, т. е. способствующий превращению механической энергии в тепловую. • Коэффициент вязкости воды ( ) зависит от температуры: с повышением температуры он значительно уменьшается.

Поверхностное натяжение • Силы притяжения, действующие между молекулами воды, вызывают на поверхностях раздела вода - воздух - твердое тело явление, называемое поверхностным натяжением. Оно проявляется на границе раздела вследствие разности сил молекулярного притяжения, так как поверхностные молекулы испытывают притяжение, направленное к массе воды, большее, чем в направлении парообразных частиц воды, находящихся в воздухе.

Молекулы, находящиеся внутри массы воды, испытывают притяжение соседних молекул-магнитиков во всех направлениях. Если же молекула расположена на поверхности, то такое притяжение возможно только в нижней полусфере вокруг молекулы. Она как бы втягивается внутрь водной массы. Этим самым создается пленка поверхностного натяжения. Вода характеризуется самым большим поверхностным натяжением, за исключением ртути.

Способность к смачиванию • Вода обладает высокой способностью смачивать твердые тела, т. е. прилипать к ним при соприкосновении. При смачивании тонким слоем за счет поверхностного натяжения она может прочно удерживаться на поверхности твердых частиц.

Поглощение и рассеяние водой (снегом, льдом) солнечной энергии. • Солнечная энергия, поступающая к поверхности воды (снега, льда), частично проникает в воду и поглощается ею, частично отражается. Поглощенная лучистая энергия превращается в тепловую. • Количество отражаемой от поверхности воды прямой солнечной радиации зависит от угла падения лучей или высоты солнца; отражение рассеянной радиации от высоты солнца не зависит и происходит по другим законам. • Отношение отраженной солнечной энергии к поступающей носит название коэффициента отражения, или альбедо.

Отражательная способность снега и льда, помимо высоты солнца, зависит от их структуры, степени загрязненности и пр. • В среднем для условий Европейской территории СССР альбедо снежного покрова для свежевыпавшего сухого снега составляет 0, 82, а для мокрого 0, 50. Коэффициент отражения в период снеготаяния быстро изменяется от 0, 70 0, 82 в начале до 0, 30 в конце снеготаяния; он закономерно убывает вместе с уменьшением высоты снега и скачкообразно возрастает при каждом новом снегопаде. Наиболее быстро коэффициент отражения уменьшается с уменьшением высоты при небольшой толщине снежного покрова (до 10 см), медленнее при высоте от 10 до 30 см и остается почти неизменным при высоте 40 50 см.

Поглощение солнечной энергии • Изменяется в зависимости от длины световой волны и наличия в воде взвешенных и растворенных веществ. • Наибольшего значения он достигает в инфракрасной части спектра; наименьшие его значения приходятся на видимую световую часть спектра. В ультрафиолетовой части спектра коэффициент поглощения снова возрастает. Таким образом, вода хуже пропускает инфракрасные лучи и лучше световые (видимые) лучи, которые, проникая вглубь, обусловливают освещенность воды. В видимой части спектра более интенсивно поглощается длинно волновое излучение. • В зависимости от коэффициента поглощения, изменяющегося с изменением длин световых волн, на различные глубины проникает разное количество солнечной энергии. На глубину 1, 0 см проникает 74% поступающей солнечной энергии, на глубину 100 см 36%, а до глубины 10 м доходит 18%; остальная часть солнечной энергии поглощается вышележащим слоем воды и расходуется на нагревание. На глубину свыше 200 м солнечный свет практически не проникает.

Рассеяние света • Происходит как в самой водной массе, так и под влиянием взвешенных в ней частиц. Чем длиннее волна, тем она меньше рассеивается; поглощаются же, наоборот, сильнее длинные волны и слабее короткие.

Распространение звука в воде • Звук распространяется в воде в пять раз быстрее, чем в воздухе. Средняя скорость равняется 1400 — 1500 м/сек (скорость распространения звука в воздухе 340 м/сек). Энергия звуковой волны в морской воде постепенно убывает из за ее поглощения, обусловленного в основном двумя процессами: внутренним трением среды и диссоциацией растворенных в ней солей.

Распространение звука в воде • Расходимость. Звуковое излучение, удаляясь от источника, расходится в пространстве, как свет и радиоволны; в результате этого интенсивность звука ослабевает пропорционально квадрату расстояния от излучателя. • Рассеяние. Затухание звука в море происходит и из за его рассеяния на различных неоднородностях среды взвешенных частицах, микроорганизмах и тепловых аномалиях. Рассеяние следом корабля или большим рыбным косяком может дать до 90% всех потерь, и его необходимо учитывать особо. Более важным следствием рассеяния оказывается то, что звук попадает в т. н. зоны акустической тени, где он рассеивается в многократных отражениях от граничных поверхностей.

Распространение звука в воде • Отражение. Поверхность океана активно отражает звук, но ее волны и рябь вызывают разброс направлений и фаз отраженных звуков, и между падающим и отраженным звуковыми пучками возникает интерференция, так что интенсивность звука в фиксированной точке пространства изменяется со временем по сложному закону. Дно тоже отражает звуки, но его коэффициент отражения сильно зависит от структуры дна и глубины. Илистое дно плохой отражатель, а песчаное или скалистое очень хороший. На небольших глубинах над дном из твердых пород вследствие многократных отражений звука от него и от водной поверхности возникает подводный звуковой канал, в котором создаются благоприятные условия для гидролокации.

Распространение звука в воде • Рефракция. Искривление звуковых "лучей" вызывается тем, что в разных (по глубине) слоях воды скорость звука различна и звуковой пучок отклоняется в сторону слоя с наименьшей скоростью. Влияние давления хорошо известно и зависит лишь от глубины. Весьма существенно влияние температуры, а она переменчива, и для определения профиля скорости звука по глубине нужно измерять температуру воды на разных глубинах.

Распространение звука в воде • Подводный звуковой канал — слой воды в морях и океанах, в котором возможно сверхдальнее распространение звука вследствие рефракции. • На некоторой глубине под поверхностью воды находится слой, в котором звук распространяется с наименьшей скоростью; выше этой глубины скорость звука увеличивается из за повышения температуры, а ниже — вследствие увеличения гидростатического давления с глубиной. • Этот слой представляет собой своеобразный подводный звуковой канал (ПЗК). Луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вследствие рефракции всегда стремится попасть в него обратно. В таком канале звуковые лучи, отклоняясь от его оси вверх или вниз, попадают в области большей скорости звука и вновь стремятся к оси канала. Когда они ее пересекают, процесс повторяется, и звуковой пучок оказывается в продольной ловушке, на оси которой скорость звука минимальна.

Гидрологическое и физико-географическое значение физических свойств и «аномалий» воды. 1. Аномальные изменения плотности воды в зависимости от температуры. 2. Аномальные изменения теплоемкости воды в зависимости от температуры. 3. Сила поверхностного натяжения. 4. Поглощение и рассеяние света.

Задания на дом: • Письменно дать характеристики физических свойств снега: соотношения льда и воздуха по массе и по объему, влагоемкость, влажность, водоотдача.

Всего доброго!