Изменение плотности воды в зависимости от температуры

Аномальные свойства воды

АНОМАЛИЯ ВОДЫ— отклонение воды по физ. свойствам от др. м-лов.

Главнейшие аномалии следующие: 1) плотность воды наибольшая при +3,98°С, дальнейшее охлаждение, приводящее к переходу ее в лед, сопровождается уменьшением плотности; 2) уменьшение объема при плавлении; 3) летучесть воды наименьшая, тогда как у соединений водорода с элементами подгруппы кислорода она возрастает при переходе от тяжелых к легким элементам; 4) у воды аномально высокие теплота плавления и удельная теплоемкость; при плавлении льда теплоемкость увеличивается более чем вдвое; 5) теплоемкость воды с повышением t до 27°C уменьшается, а затем вновь начинает возрастать; 6) вязкость воды (при t 0—30°С) уменьшается с повышением давления.

Необычайно высокие скрытая теплота испарения и скрытая теплота плавления воды

Чтобы перевести ее из жидкого состояния в парообразное или из твердого в жидкое, надо затратить большое количество энергии, которое требуется, как это следует из гипотез, для разрушения ее межмолекулярной структуры.Эту энергию и называют скрытой теплотой испарения или таянияю резкое увеличение плотности при плавлении льда - связана с тем, что сетка водородных связей льда сильно искажается после плавления: в водной сетке углы между связями отклоняются от оптимальных тетраэдрических, в результате чего уменьшается объем пустого пространства между молекулами воды

Изменение плотности воды в зависимости от температуры

Аномалия плотности двоякая. Во-первых, после таяния льда плотность увеличивается, и только затем уменьшается с ростом температуры. В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с температурой. В воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но почему-то это приводит в ней к понижению плотности только при высоких температурах.

Во-вторых, аномалия плотности состоит в том, что плотность воды больше плотности льда (благодаря этому лед плавает на поверхности воды, вода в реках зимой не вымерзает до дна и т.д.). Обычно же при плавлении плотность жидкости оказывается меньше, чем у кристалла. Это тоже имеет простое физическое объяснение. В кристаллах молекулы расположены регулярно, обладают пространственной периодичностью - это свойство кристаллов всех веществ. Но у обычных веществ молекулы в кристаллах, кроме того, плотно упакованы. После плавления кристалла регулярность в расположении молекул исчезает, и это возможно только при более рыхлой упаковке молекул, то есть плавление обычно сопровождается уменьшением плотности вещества. Такого рода уменьшение плотности очень мало: например, при плавлении металлов она уменьшается на 2 - 4%. А плотность воды превышает плотность льда сразу на 10%! То есть скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине.

 

 

5) Оптические свойства. Вода прозрачна только для видимых лучей и сильно поглощает инфракрасную радиацию. Поэтому на инфракрасных фотографиях водная поверхность всегда получается черной. При прохождении света через слой морской воды толщиной в 0,5 м поглощаются только инфракрасные лучи, ниже поглощаются последовательно красные, желтые, а затем и сине-зеленые тона.

Однако водой поглощается не весь солнечный свет. Она отражает 5 % солнечных лучей, в то время как снег — около 85%. Под лед океана проникает только 2% солнечного света.

Синий цвет чистой океанской воды объясняется избирательным поглощением и рассеянием света в воде. При рассеянном освещении морской поверхности море выглядит более серым. Причина этого заключается в преобладания отраженного света. При наличии ряби и волнения насыщенность цвета увеличивается (с подветренной стороны более, чем с наветренной).

 

7) Классификация природных вод по солености.Факторы,влияющие на соленость морс.в.

По степени солености все природные воды, согласно Венецианской системе,подразделяют на:1)пресные (до 0,5о/оо),

2)миксогалинные или солоноватые (0,5 - 30о/оо),3)олигогалинные (0,5 - 5о/оо),4)мезогалинные (5 - 18о/оо)5)полигалинные (18 - 30о/оо)6)эугалинные или морские (30 - 40о/оо),7)гипергалинные или пересоленные (более 40 о/оо).К пресным водоемам относятся реки и большинство озер, к эугалинным – Мировойокеан, к миксогалинным и гипергалинным – некоторые озера и отдельные участкиМирового океана.Такие процессы, как испарение способствуют повышению солености, а выпадение осадков, сток речных вод, таяние льдов понижают ее. Главную роль в изменении солености играют испарение и выпадение атмосферных осадков. Поэтому соленость поверхностных слоев океана, так же как и температура, зависит от климатических условий, связанных с широтой.Течения, близость впадающих рек. Чем больше рек впадает в море, тем оно менее солёное будет. Реки несут пресную воду в моря и океаны. Течения её переносят и перемешивают.

 

8) Химический состав вод океана и внутренних морей.

При среднем значении суммы главных ионов 34,887 г/кг масса растворенных в воде в виде ионов 11 элементов и соединений: Сl, Na',Mg"+, SO4"-, Ca +,К+, Вг~, НСОз, Sr"+, F~ и недиссоциированной борной кислоты Н3ВО3-главные компоненты или макроэлементы.Масса 13 микроэлементов (Li, Rb.P, I, Ba, Mo, Fe, Zn, As, V, Си, Al, Ti), концентрация которых больше 1 мкг/л, но меньше 0,2 мг/л.

1. Твердые вещества, составляющие в среднем 3,5% (по массе). Больше всего в морской воде содержится хлора (1,9%), т.е. более 50% всех растворенных твердых веществ. Далее следуют: натрий (1,06%), магний (0,13%), сера (0,088%), кальций (0,040%), калий (0,038%), бром (0,0065%), углерод (0,003 %). Главные растворенные в морской воде элементы образуют соединения, основные из которых: а) хлориды (NaCl, MgCl) - 88,7%, которые придают морской воде горьковато-соленый вкус; б) сульфаты (MgSO4, CaSO4, K2SO4) - 10,8%; в) карбонаты (СаСО3) - 0,3%. В пресной воде наоборот: больше всего карбонатов (60,1%) и меньше всего хлоридов (5,2%).

2. Биогенные элементы (питательные вещества) - фосфор, кремний, азот и др.Под органическим веществом природных вод понимают совокупность различных форм существования органических соединений: истинно растворенных (размер частиц менее 0,001 мкм), коллоидных (0,001—0,1 мкм) и часть более крупных частиц — взвесь (обычно до 150—200 мкм). В состав органического вещества взвеси входят: 1) планктонные водоросли, микрозоопланктон, большая часть агрегированногобактериопланктона; 2) остатки различных организмов и органическое вещество, заключенное в скелетных образованиях; 3) органическое вещество, соосажденное, сорбированное и агрегированное из раствора.

По происхождению органическое вещество разделяют наавтохтонное и аллохтонное. Первое образовано непосредственно в океане живыми организмами, а второе поступает в океан извне: с речными водами суши, с эоловым материалом (через атмосферу), в результате абразии (разрушения) берегов, с космогенным материалом и вследствие антропогенного загрязнения. Генетически аллохтонное органическое вещество связано с фи-томассой суши, гумусом почв и органическим веществом ископаемых пород. Поэтому его большая часть значительно устойчивее к деструкции, чем основная масса

3. Газы. В морской воде содержатся все атмосферные газы, но в иной пропорции, чем в воздухе: преобладает азот (63%), который в силу своей инертности не участвует в биологических процессах. Далее следуют: кислород (около 34%) и углекислый газ (около 3%), присутствуют аргон и гелий. В тех морских районах, где отсутствует кислород (например, в Черном море), образуется сероводород, который в атмосфере при нормальных условиях отсутствует.

4. Микроэлементы, присутствующие в малых концентрациях.

Микроэлементы играют важную роль в различных геохимических, геологических и биологических процессах в океане. Так, микроэлементы оказывают большое влияние на фотосинтез, участвуют в метаболизме растений и животных. Некоторые микроэлементы могут служить индикаторами различных процессов, протекающих в океане.Микроэлементы в морской воде находятся в двух основных формах: растворенной и взвешенной. В открытых районах океана концентрация химических элементов в растворенной форме резко превышает концентрацию взвесей. В приустьевых участках и полузакрытых морях, наоборот, преобладают взвешенные формы микроэлементов.

Распределение микроэлементов в обеих формах в общем подчиняется трем типам зональности: циркумконтинентальной, широтной и вертикальной.

 

9) Растворенные в воде газы и их экологическое значение.

В морской воде растворены газы, поступающие из атмосферы, а также с атмосферными осадками, при вулканических подводных извержениях и в ходе биохимических, биологических и физико-химических процессов (фотосинтез, дыхание, разложение органических веществ, радиоактивный распад и др.). Газовый состав морских вод несколько отличается от атмосферного. В морской воде, например, содержатся сероводород, метан. Растворимость газов в морской воде уменьшается с повышением температуры и увеличением солености.

Растворенный в морской воде газообразный азот ввиду его химической инертности не имеет существенного влияния на жизнь и химические процессы в океане. Его усваивают только азотофиксирующие бактерии, способные переводить свободный азот в его соединения. Поэтому по сравнению с другими газами кон­центрация азота (от 10 до 15 мл/л) самая большая, а относи­тельное содержание всегда близко к 100 %.Кислород — весьма подвижный и химически активный компо­нент морских вод. По характеру распределения кислорода в вод­ных массах можно судить об их происхождении и протекающих в них химических и физических процессах.

Концентрация кислорода в поверхностных слоях океана обычно колеблется от 5 до 9 мл/л, относительное содержание достигает 120, 130 и даже 315 %. Поступление кислорода в глубинные океанические слои зависит от скорости его потребления, от перемешивания вод и переноса их течениями. Поэтому оно бывает различным — от значительного до ничтожного малого.Растворенный в воде кислород для нашей планеты почти так же важен, как и свободный атмосферный. Им дышат рыбы и водоросли, он участвует в ряде физико-химических процессов.Оксид углерода (IV) /СО2/ содержится в морской воде в не­значительных концентрациях (не более 0,5 мл/л), но его роль огромна, так как он является источником углерода, необходимого для построения живой клетки, то есть определяет наличие в океане органической жизни. Кроме того, оксид углерода Мирового океана, будучи регулятором содержания СО2 в атмосфере, влияет на климат Земли.В морской воде есть и другие газы — аргон, водород. Серо­водорода сравнительно мало.Серо­водорода образуется в анаэробной среде, создающейся в результате деятельности сульфатредуцирующих бактерий при недостатке или отсутствии кислорода, например в Черном море на глубинах 150—200 м и более.

 

 

10) Водные массы.Классифиикация,принципы выделения. Водные массы - это большой объем воды, формирующийся в определенном районе Мирового океана и обладающий относительно постоянными физическими, химическими и биологическими свойствами. По вертикали выделяют следующие водные массы: поверхностные, промежуточные, глубинные и придонные. Среди поверхностных водных масс выделяют экваториальные, тропические (северные и южные), субтропические (северные и южные), субполярные (субарктические и субантарктические) и полярные (арктические и антарктические) водные массы.Границами различных типов водных масс являются пограничные слои: гидрологические фронты, зоны дивергенций (расхождения) или конвергенции (схождения) вод. Поверхностные воды наиболее активно взаимодействуют с атмосферой - pppa.ru. В поверхностном слое происходит интенсивное перемешивание вод, он богат кислородом, углекислым газом и живыми организмами. Их можно назвать водами «океанической тропосферы».Наряду с поверхностными течениями в Мировом океане существуют противотечения, подповерхностные и глубинные движения вод, а также вертикальное перемешивание, приливоотливные течения, колебания уровня.

Естественно, что водная масса отражает прежде всего физико-географические черты района формирования. На границах между водными массами формируются фронтальные зоны, в которых обостряются градиенты характеристик при переходе из одной водной массы в другую. При особенно резких градиентах граница между водными массами может иметь вид поверхности раздела, или фронтальной поверхности.

Поскольку и в настоящее время существуют трудности в определении многих химических и биологических характеристик, то очень сложно судить о том, какие из них являются более важными, а какие— менее важными с точки зрения идентификации водной массы. Это существенно затрудняет их однозначное выделение. Поэтому обычно для выделения водных масс используются данные только о температуре и солености, хотя этих данных не всегда оказывается достаточно для надежной идентификации.

Существует несколько классификаций водных масс. Наиболее известными являются классификации Дефанта, Свердрупа, Мамаева, Степанова, различающиеся между собой как методологическими основами их выделения, так и полученными результатами. Наиболее детальная классификация принадлежит В. Н. Степанову, который для выделения водных масс использовал термохалинные экстремумы вертикального распределения вод. При этом водные массы он рассматривал отдельно по структурным зонам. Естественно, что наибольшее число водных масс (12) было выделено в поверхностной структурной зоне (экваториально-тропическая, бенгальская, тропическая, восточно-тропическая, срединно-тропическая, аравийская, субтропическая, североатлантическая, южная индо-тихоокеан-ская, субполярная, субарктическая, полярная). На рис. 7.8 приводится распределение указанных водных масс, свидетельствующее об их довольно сложной структуре.

По мере удаления от поверхности океана число водных масс уменьшается. Это связано с увеличением гомогенности водных слоев из-за уменьшения числа воздействующих факторов, а также вследствие общего ослабления интенсивности гидрофизических процессов. В частности, в промежуточной структурной зоне число водных масс сокращается до 6, причем все они, за исключением присредиземноморской, являются продолжением соответствующих поверхностных водных масс. Столько же водных масс выделяется в глубинной и придонной зонах. Однако ареалы их распространения не совпадают, а некоторые из них имеют и принципиально различное происхождение.

Наиболее существенный недостаток данной классификации состоит в несколько искусственном разбиении водных масс по структурным зонам, ибо в действительности они не имеют таких жестких границ. В качестве примера обратимся к классической схеме распределения водных масс на меридиональном разрезе через Атлантический океан от Исландии до Антарктиды (рис. 7.9). Эта схема была составлена Бюстом в 1935 г. и основана на данных, полученных во время первого кругосветного плавания научно-исследовательского судна „Метеор" (1925—1927 гг.). Вюст выделил в океане тропосферные (поверхностные и промежуточные) и стратосферные (глубинные и придонные) водные массы. К тропосферным относится центральная водная масса, которая состоит из теплой соленой воды и в Северной Атлантике находится в Саргассовом море. Ниже этой водной массы отмечается небольшая прослойка средиземноморских вод.

В стратосфере Вюст выделил четыре основные водные массы. Это североатлантическая глубинная вода (водная масса), которая образуется в Норвежском и Гренландском морях в результате осенне-зимнейконвек-ции. Опускаясь, она занимает практически все глубинные слои, и медленно движется к Южному полюсу. Вблизи Антарктиды она поднимается к поверхности. Весь путь от Арктики до Антарктиды занимает около 700 лет. Это антарктическая промежуточная вода, которая формируется около 50° ю. ш. при смешении центральной водной массы и распреснен-ных антарктических поверхностных вод. После смешения новая водная масса опускается и начинает распространяться на север, пересекая экватор. Это антарктическая циркумполярная вода, которая движется вокруг Антарктиды в виде Антарктического циркумполярного течения и благодаря которой все океаны оказываются связанными между собой. Наконец, это антарктическая донная вода, механизм формирования которой также обусловлен главным образом мошной осенне-зимней конвекцией, причем он является постепенным и многостадийным и состоит из ряда последовательных смешений различных водных масс.

11) Адвекция и конвекция.Аппвелинги. Адвекция (от лат. advectio — доставка) перемещение водных масс в горизонтальном направлении и перенос вместе с ней ее свойств: температуры, солености и др.

Конвекция-перемешивание по вертикале,обусловленное изменением (уменьшентем) воды с глубиной и не зависит от движения слоев.Наиболее часто встречается при выхолаживании поверхностного слоя,ослонении.М.б.поверхностной и внутрислойной,которая обусловлена переносом тепла и солей.Термогравитационная конвекция — обычная, под действием разности температур в поле гравитации, из-за силы Архимеда.Термокапиллярная конвекция — под действием сил поверхностного натяжения

Концентрационная конвекция — под действием градиента концентрации растворённого вещества (осмос, см. также эффект Марангони).Термомагнитная конвекция — в магнитных жидкостях под действием магнитного поля в поле гравитации

Гранулярная конвекция (англ.) — в сыпучих неоднородных средах.Термострессовая конвекция — под действием температурных напряжений.Термодинамическая конвекция — перенос теплоты потоком вещества, возникающих в поле сил тяжести при неравномерном нагреве газообразных, текучих или сыпучих веществ.Апвеллинг (англ. upwelling) или подъём — это процесс, при котором глубинные воды океана поднимаются к поверхности. Наиболее часто наблюдается у западных границ материков, где перемещает более холодные, богатые биогенами воды с глубин океана к поверхности, замещая более тёплые, бедные биогенами поверхностные воды. Также может встречаться практически в любом районе мирового океана.

Различают как минимум четыре типа апвеллинга: прибрежный апвеллинг; крупномасштабный ветровой апвеллинг в открытом океане; апвеллинг, связанный с вихрями; апвеллинг, связанный с топографией.

12 ) Ламинарное и турбулентное течение. Ламина́рноетече́ние (лат. lamina — пластинка, полоска) — течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть беспорядочных быстрых изменений скорости и давления). Ламинарное течение возможно только до некоторого критического значения числа Рейнольдса, после которого оно переходит в турбулентное. Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения (течение в круглой трубе, обтекание шара и т. п.)

Турбулентное течение (от лат. turbulentus — бурный, беспорядочный), форма течения жидкости или газа, при которой их элементы совершают неупорядоченные, неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями движущихся жидкости или газа.

 

18) Водный баланс рек.Уравнение водного баланса. (фр.balance - букв весы), соотношение за какой-либо промежуток времени (год, месяц, декаду и т.д.) прихода, расхода и аккумуляции воды для речного бассейна или участка территории, для озера, болота или др. водного объекта. Основные элементы водного баланса - атмосферные осадки, испарение и сток воды. Все элементы могут быть выражены в объемных единицах (м3 или км3) или в величинах слоя воды, отнесенной к площади земной поверхности (мм). Уравнение водного баланса в общем случае служит отражением закона сохранения вещества.Уравнения водного баланса можно составлять для различных периодов времени: суточных, сезонных, годовых, многолетних и т. д.

Уравнения водного баланса являются основой исследований и расчетов, связанных с изучением общих закономерностей влагооборота. Уравнения водного баланса для рек, озер, водохранилищ и болот существенно отличаются. Для конкретных водных объектов уравнения водного баланса имеют значительно более сложный вид, т. к. включают значительное число составляющих элементов - поверхностный и подземный сток, конденсация влаги в почве, изменение запасов вод в почвогрунтах, испарение с поверхности воды, льда, снега; горизонтальный перенос и отложение снега, забор воды для целей водоснабжения и пр., а также атмосферные осадки и др.

Напр., уравнение водного баланса для экологических систем водосборных бассейнов имеет вид:

о=т+ипол+ипочв+спов+с1р,

где: О — атмосферные осадки, Т — транспирация (испарение воды надземными органами растений, прежде всего листьями), Ипол — перехват осадков пологом, Ипочв — испарение с поверхности почвы (лесной подстилки), СП0Б — поверхностный сток, C1р> — грунтовый сток.

Первые три члена правой части уравнения объединяют термином «суммарное испарение», или «эвапотранспирация», два др. представляют суммарный сток. Из этого следует, что, меняя суммарное испарение, можно менять суммарный сток, т. е. поступление влаги в водотоки и водоемы. Такие возможности на экосистемном уровне реализуются путем замены одних экосистем др. посредством воздействия на отдельные их структурные составляющие, в т. ч. путем регулирования отдельных стадий (серий) сукцессионного процесса.

19)Тепловой режим рек и баланс рек. На тепловой режим рек оказывают влияние климат и источники питания. По тепловому режиму роки делят на три основных зональных типа:

с постоянно теплой водой без сезонных колебаний температуры: Амазонка, Конго, Нигер и др.;

с сезонными колебаниями температуры воды, но не замерзающие зимой: Сена, Темза и др.;

с большими сезонными колебаниями температуры, замерзающие зимой: Волга, Амур, Макензи и др.

Последний тип можно разделить на два подтипа: реки с неустойчивым и устойчивым ледоставом. У тех и у других рек наиболее сложный тепловой режим.

У равнинных рек умеренного и субполярного климатических поясов в теплое полугодие в первой половине периода температура воды ниже температуры воздуха, а во второй половине – выше. Температуры воды по живому сечению у рек мало отличаются вследствие перемешивания. Изменение температуры воды по длине реки зависит от направления течения: оно меньше у широтных рек, нежели у рек, текущих в меридиональном направлении. У рек, текущих с севера на юг, температура повышается от истока до устья (Волга и др.), текущих с юга на север наоборот (Обь, Енисей, Лена, Макензи). Эти реки несут огромные запасы тепла в Северный Ледовитый океан, облегчая там ледовую обстановку в летне-осеннее время. У горных рек, питающихся талыми водами снегов и ледников, температура воды ниже температуры воздуха на всем протяжении, но в низовьях разница между ними сглаживается.

В зимнем периоде замерзающих рек выделяют три основные фазы: замерзание, ледостав, вскрытие. Замерзание рек начинается при температуре воздуха чуть ниже 0°С с появления кристаллов-игл, потом сала и блинчатого льда. При обильных снегопадах в воде образуется снежура. Одновременно появляются полосы льда у берегов – забереги.Ледяной покров на поверхности рек устанавливается в основном в результате заторов – скопления льдин на мелководьях, в извилистых и узких местах и смерзания их друг с другом и с заберегами. Малые реки замерзают раньше больших. Подо льдом температура воды в реках почти постоянна и близка к 0°С. Продолжительность ледостава и толщина льда разная и зависит от зимних условий. Наконец, возможно и полное промерзание рек на северо-востоке Сибири и на Аляске в условиях многолетней мерзлоты и при отсутствии у рек подземного питания.

Вскрытие рек весной происходит через 1,5-2 недели после перехода температуры воздуха через 0°С за счет солнечного тепла и прихода теплого воздуха Высота половодья зависит от годового количества снежных запасов на водосборе, интенсивности весеннего снеготаяния и дождей в этот период. На реках, текущих с севера на юг, ледоход и половодье на разных отрезках проходят разновременно, начиная с низовья; бывает несколько пиков половодий, и в целом все проходит спокойно, но растянуто во времени (например, на Днепре.Волге и др.).

На реках, текущих с юга на север, вскрытие начинается в верховьях. Волна половодья смещается вниз по реке, где все еще сковано льдом. Начинаются мощные ледоходы, часты разрушения берегов, возникает опасность для зимующих судов, например, на Северной Двине, Печоре, Оби, Енисее и др. Часто образуются ледовые заторы – торосистые нагромождения льдин, играющие роль плотин: выше их реки выходят из берегов и затапливают не только поймы, но и низкие надпойменные террасы.

20) Водный баланс озер. Уравнение водного баланса. Приходная часть водного баланса озера складывается из поступления поверхностного и подземного стока с озерного водосбора и атмосферных осадков, выпадающих на поверхность самого озера. Расходная часть водного баланса складывается из поверхностного и подземного стока из озера, испарения с его поверхности.Водный баланс может быть положительным, отрицательным, а за некоторый промежуток времени — нулевым или нейтральным. Поэтому и объем воды в озере может увеличиваться, уменьшаться или оставаться неизменным. Водный баланс озера изменяется в течение года. Весной в умеренных широтах резко возрастает приток воды в озеро, летом, наоборот, возрастает расход воды за счет ее испарения. Это отражается на сезонном колебании уровня
озер.
Питаются озера главным образом атмосферными осадками, которые выпадают в виде дождей или снега прямо на поверхность озера или его водосборную площадь. В экваториальном, тропическом и субтропическом поясах основным источником питания является дождь, в умеренном и полярном — снег и дождь. Горные, арктические и антарктические озера кроме снеговых вод питаются ледниковыми водами.
Подземные воды в питании озер играют незначительную роль. Исключением являются озера, располагающиеся в тектонических депрессиях, где происходит разгрузка подземных вод. В этом отношении уникальным озером является Иссык-Куль, в котором подземное питание составляет около 40 %. Значительная доля подземного питания наблюдается у крупных озер Барабинской степи — Сартлан и. Чебаклы. У первого она составляет пятую часть, у второго — почти половину всего питания. Повышенное подземное питание свойственно карстовым озерам. Самое глубокое карстовое озеро в бывшем СССР Церик-Кёль в Кабардино-Балкарии питается исключительно подземными водами.

 

21) Тепловый режим и баланс озер. Тепловой режим озер тесно связан с балансом тепла. Водная масса всегда получает и отдает или расходует тепло.

Дополнительные статьи прихода и расхода тепла, обусловленные влиянием поступающей в озеро воды, биохимическими процессами, льдообразованием и таянием, существенного значения не имеют. Соотношение между элементами теплового баланса не остается постоянным. Поглощение водой солнечной радиации плавно изменяется в течение года, достигая максимума в июне и минимума в декабре. Затраты тепла на испарение максимальные в осенний период – период наибольшего прогрева массы озерной воды; минимальное количество тепла затрачивается на испарение (при открытой водной поверхности) весной. Озеро отдает тепло атмосфере, когда температура водной поверхности выше температуры воздуха. Это положение существует (при открытой поверхности озера) во все месяцы года, кроме весенних (апрель, май).Наиболее интенсивно поглощает солнечную радиацию поверхностный слой воды. Опыт показывает, что в озерах с прозрачной водой верхний слой мощность до 1 м задерживает 43 – 59 % солнечной радиации, в озерах с повышенной мутностью воды процент поглощенной верхним слоем радиации достигает 80. Как известно, теплопроводность воды очень мала, и поэтому в неподвижной воде суточные колебания температуры могут распространяться всего до глубины 40 см, годовые – до глубины около 8 м. В действительности суточные колебания температуры прослеживаются в озерах на глубине нескольких метров, а годовые захватывают всю массу озерной воды (кроме очень глубоких озер). Это возможно благодаря перемешиванию, возникающему как в результате различий в плотности на разной глубине (конвективное перемешивание), так и в результате воздействия динамических причин, например ветра (турбулентное перемешивание).

В результате непосредственного нагревания и охлаждения поверхностного слоя и перераспределения тепла в озерах возникают различные типы теплового режима. Тепловой режим пресных озер умеренной зоны делится на несколько периодов в зависимости от сезонов.

 

22) Морфометрические характеристики речного бассейна.

Морфометрические показатели характеризуют величину и форму бассейна и речной сети. Они определяются по картам и планам. Поскольку точность определения зависит от масштаба, рекомендуется пользоваться картами и планами крупных масштабов.К основным морфометрическим характеристикам бассейна относятся площадь, длина, ширина, высота, асимметрия, средний уклон. Площадь бассейна (F) определяется планиметром, а при ориентировочных подсчетах палеткой и выражается в квадратных километрах. В случае, если крупный речной бассейн включает несколько трапеций, ограниченных на карте двумя соседними меридианами и параллелями, площади этих трапеций берутся из специальных таблиц, а по карте измеряются только участки бассейна, не входящие в трапеции. Нарастание площади бассейна по длине реки и распределение ее между притоками могут быть изображены графически в виде графика нарастания площади бассейна. По вертикальной оси откладывается длина главной реки, по горизонтальной — площадь бассейна главной реки между притоками и площади бассейнов притоков.

 

23) Химический состав воды рек и факторы его определяющие. Следует отметить, что химический состав речных и озерных вод отличается большой изменчивостью во времени, так как зависит от целого ряда беспрерывно изменяющихся факторов. Химический состав речной воды определяется прежде всего составом тех вод, которые питают данную реку. Весной река получает большое количество вод поверхностного стока, летом же такие воды поступают в реку только периодически, во время дождей, в остальное время река питается грунтовыми водами. Для рек характерна непрерывная смена воды, в результате чего речные воды относительно мало испаряются и сравнительно слабо воздействуют на перемытые ранее грунты речного ложа, но интенсивно взаимодействуют с атмосферным воздухом. Эти условия определяют следующие особенности химического состава речных вод: 1) малую по сравнению с другими водными объектами минерализацию; 2) быструю изменяемость, происходящую под влиянием гидрометеорологических условий; 3) слабое воздействие на ионный и газовый состав биологических процессов и нередко значительное содержание органических веществ; 4) постоянное присутствие в воде растворенных газов, находящихся в атмосфере, и ничтожно малое количество газов, не находящихся в ней. Большое значение для величины минерализации речной воды, как известно, имеют климатические условия и в первую очередь увлажненность местности. Увлажненность определяет не только баланс влаги, но и характер выветривания горных пород, тип почвообразовательного процесса, направление циркуляции грунтовых вод, интенсивность, биологических процессов и целый ряд других явлений, с которыми связано формирование химического состава природных вод. Однако если между минерализацией и увлажнением существует довольно ясная обратная зависимость, то связь показателя ионного стока с увлажнением, как уже указывалось выше, более сложная.Воды большинства рек принадлежат к гидрокарбонатному классу. По составу катионов эта вода имеет почти исключительно преобладание кальция; гидрокарбонатные воды с преобладанием магния и натрия - крайне редкое явление. Из природных вод гидрокарбонатного класса наиболее распространены воды малой минерализации (суммарное содержание солей до 200 мг/л).Реки с водой, относящейся к сульфатному классу, сравнительно малочисленны. Они распространены преимущественно в степной полосе и частично в полупустынях. В составе катионов природных вод сульфатного класса, так же как и в водах гидрокарбонатного класса, преобладает кальций. Однако ряд рек сульфатного класса имеет преобладание натрия. По минерализации воды сульфатного класса значительно превосходят воды гидрокарбонатного класса. Речные сульфатные воды с малой (общее количество солей до 200 мг/л) и средней (общее количество солей с 200 до 500 мг/л) минерализацией встречаются сравнительно редко.

Реки, воды которых относятся к хлоридному классу, встречаются почти так же редко, как и реки, в воде которых преобладают сульфаты. К этой территории относятся преимущественно степные районы и полупустыни. Преобладающими катионами природных вод хлоридного класса являются главным образом ионы натрия. Воды хлоридного класса отличаются высокой минерализацией - свыше 1000 мг/л, реже от 500 до 1000 мг/лВ распределении ионного состава речной воды на территории России наблюдается определенная закономерность. Имеется общая тенденция к увеличению минерализации воды на большей территории европейской части России с севера на юг и с запада на восток. Зональность ионного состава речных вод объясняется не только действием климатических условий настоящего времени, но и в значительной мере климатом прошлого. Степень выщелоченности почв и пород, наличие в них легкорастворимых солей или засоленность почв - это естественный результат многовекового воздействия соответствующих климатических условий. Нарушают зональность химического состава воды рек на территории России различия состава пород и условий их залегания.

24) Термический и ледовый режим рек. В термическом режиме рек ярко выражены два периода: открытой поверхности воды и ледостава, когда температура воды остается почти постоянной, близкой к нулю. В период открытой поверхности воды ее температура зависит в основном от погодных условий, в меньшей мере от особенностей питания реки, скорости течения и глубины потока. Слабо выражена зависимость температуры воды от направления течения, особенно на малых реках.

Период открытого русла длится около восьми месяцев (с апреля по ноябрь). От вскрытия рек до августа происходит нарастание температуры воды, а затем – спад, продолжающийся до появления ледовых образований. Наибольший прирост температуры отмечается в апреле-мае (на 5—8°С). Максимум температуры воды наблюдается чаще в июле. Средняя многолетняя ее величина для большинства рек в этом месяце близка к 20°С. Максимальные значения температуры воды достигают 23-27°С, в редких случаях 29С. Многолетняя средняя годовая температура воды колеблется в основном от 7,0 до 8,ОС.Ледовый режим большинства рек области в основном сходен. Наступление первых ледовых образований на малых реках происходит преимущественно в конце первой декады ноября, на средних — на неделю — десять дней позже.

При раннем похолодании в отдельные годы первые ледовые образования наблюдаются уже в последней декаде октября, а на севере и востоке области — во второй декаде этого месяца. Наиболее позднее появление на реках ледовых образований происходит в основном в третьей декаде декабря.

Процесс замерзания наступает вскоре после перехода температуры воздуха через 0° С. Наиболее интенсивно охлаждаются воды рек с малыми скоростями течения и малыми глубинами.

Замерзание начинается с появления заберегов и сала. На малых реках забереги могут расти быстро, особенно при резком понижении температуры. На больших реках забереги нарастают медленно, могут обламываться и исчезать. Продолжительность существования заберегов различна. В наиболее мягкие зимы они могут сохраняться до месяца (р. Западная Двина – г. Велиж, 1954-1955 гг.).