3.3.2. Расход, энергия, работа и мощность водных потоков

Расход воды – это количество воды, протекающее через попе­речное сечение потока в единицу времени.

Расход воды – одна из важнейших гидрологических и гидрав­лических характеристик. Выражают расход воды обычно в объемных единицах (Q, м³/с).

Расход воды может быть представлен как произведение площа­ди поперечного сечения потока (w, м²) на среднюю скорость дви­жения воды (v, м/с):

Q = vw (11)

Кинетическая энергия движущейся воды Е_кин. выражается формулой

E_кин. = mv²/2 (12)

За время Δt масса воды т, переместившейся через данное по­перечное сечение, равна ρQΔt, поэтому для кинетической энергии водного потока получим выражение

E_кин. = ρQv²Δt/2 (13)

Потенциальная энергия массы воды Е_пот равна

E_пот = mgH (14)

где Н – высота центра тяжести объема воды над некоторой плос­костью отсчета, например уровнем моря. Выразив т через ρQΔt, получим

E_пот = ρQΔtH (15)

Вода, перемещаясь вниз на высоту АН, совершает работу А, равную:

A = ρQΔtΔH (16)

Мощность такого водного потока (N=A/Δt) равна:

N= ρQΔtH (17)

А, как и Е_кин., Е_пот., выражают в Дж, N – в Дж/с или Вт.

По формулам можно оценить энергию, работу и мощность не только движущейся воды, но и перемещающегося льда и снега.

4. Круговорот воды в природе и водные ресурсы земли

Важнейшей особенностью природных условий Земли яв­ляется круговорот воды. Он осуществляет в глобальном, региональном и местном масштабе обмен веществом и энергией, служит основой единства природы, обеспе­чивает возобновление части природных ресурсов и игра­ет решающую экологическую роль. Движение воды на пла­нете сопровождается переносом растворенных и взве­шенных веществ, теплоты, кинетической энергии. Вода – причина процессов выветривания, основа денудационных и эрозионно-аккумулятивных процессов. Вполне справед­ливыми поэтому выглядят слова, приписываемые Лео­нардо да Винчи: "Вода – это движущая сила природы".

4.1. Вода на земном шаре

Распределение суши и воды на земном шаре. Площадь поверхно­сти Земли 510 млн км². Из этой площади водами Мирового океана покрыто 361 млн км² (71 %), а площадь суши составляет 149 млн км². В Северном полушарии соотношение воды и суши 61:39, в Южном 81:19. Таким образом, более ²/з поверхности нашей планеты по­крыто водной оболочкой, состоящей из океанов и морей; причем особенно существенно вода преобладает над сушей в Южном по­лушарии.

Общая площадь водных объектов на поверхности суши (ледни­ков, озер, водохранилищ, рек, болот) составляет 21,5 млн км², или 14,4 % площади суши. Если не учитывать ледники, то на остальные водные объекты суши останется всего 5,2 млн км² (3,5 % площади суши).

Общий объем воды в водных объектах на земном шаре около 1390 млн км³, при этом на долю Мирового океана приходится 96,4 %. Из водных объектов суши наибольшее количество воды содержат ледники – 25,8 млн км³ (1,86 % всех вод на Земле). Из этого количества воды на долю ледников Антарктиды, Гренландии и островов Арктики приходится соответственно 89,8; 9,7 и 0,3 %. На горные ледники остается всего 0,2 %.

Большие сложности представляет оценка содержания воды в зем­ной коре (литосфере). Часть подземных вод, представленная капил­лярными и гравитационными водами, находящаяся на глубинах с абсолютными отметками под поверхностью суши до - 2000 м и участвующая в круговороте воды в природе, должна быть отне­сена к гидросфере. Она оценивается гидрологами в 23,4 млн км³, или 1,68 % общего объема вод на Земле.

Некоторый объем воды находится в живых организмах биосфе­ры (растениях и животных). Считают, что масса живого вещества на Земле 1,4·10¹² т. Если принять, что содержание воды в живых организмах в среднем 80 %, то получим массу воды в организмах, равную 1,12·10¹² т, что и дает объем "биологической воды" немно­гим более 1 тыс км³.

В атмосфере в среднем постоянно присутствует около 13 тыс км³ влаги в виде водяного пара, капель воды, кристалликов льда. При этом 90 % воды находится в самом нижнем слое атмосферы – на высотах 0–5 км.

Важное значение имеет оценка количества на Земле пресной воды– наиболее ценных для человека природных ресурсов. Всего на планете 36,7 млн км³ пресных вод (2,65 % общего объема вод). Главные аккумуляторы пресной воды – ледники, пресные подземные воды, подземные льды в зоне многолетней мерзлоты, пресные озера. Из общего количества пресных вод на Зем­ле на твердую фазу (лед) приходится 71 %, на жидкую фазу – 29 %.

Изменение количества воды на земном шаре. За большую часть истории Земли, по мнению геологов, в результате дегазации ман­тии выделялось в среднем не более 0,5–1 км³ воды в год. Пола­гают, что и в настоящее время из недр Земли поступает прибли­зительно столько же воды.

С метеоритами и космической пылью на Землю ежегодно по­падает в виде льда около 0,5 км³ воды, т.е. величина в сравнении с полным объемом вод на планете ничтожная. Приблизительно столько же воды рассеивается с Земли в космическое пространство.

С течением времени происходит перио­дическое перераспределение воды в самой гидросфере, причем главными элементами такой изменчивой системы оказываются Мировой океан и ледники. В межледниковые периоды ледники тают и увеличивают объем воды в Мировом океане, в ледниковые периоды происходит обратный процесс – влага в виде льда аккуму­лируется в ледниках, уменьшая объем Мирового океана. Если бы растаяли все покровные ледники Земли, то уровень Мирового океана, по оценке В.М. Котлякова, поднялся бы по сравнению с совре­менным на 64 м.

За последние 18 тыс лет уровень Мирового океана повысился не менее чем на 100 м. В последние 5–6 тыс. лет уровень Мирового океана в целом стабилизировался при небольшой тенденции к повышению.

Более новые данные (Р.К. Клиге, 2000) указывают на то, что объем вод в Мировом океане в настоящее время увеличивается на 610 км³ в год, что должно давать прирост его уровня с интенсив­ностью 1,7 мм/год.