3. Физические свойства воды

Общие сведения. Вода, являясь одним из наиболее распространенных и подвиж­ных природных тел, участвует почти во всех физических, климатических и биологических процессах, совершающихся на Земле. Среди необозримого множества веществ вода с ее физико-химическими свойствами занимает совершенно особое, исключительное место. И это надо понимать буквально.

Плотность и удельный объем. Под плотностью воды r по­нимается отношение ее массы m к объему V, занимаемому ею при данной температуре, т.е.

r = m/V где r - в г/см³.

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 см³/г.

Плотность воды зависит от ее температуры, минерализации, дав­ления, количества взвешенных частиц и растворенных газов. 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. Аномальное изменение плотности воды объясняется особенностями ее строения. При нагревании воды идут два параллельных про­цесса: первый - нормальное увеличение объема за счет увеличения расстояния между молекулами, второй - уменьшение объема бла­годаря возникновению более плотных гидролей и дигидролей.

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.

Изменение плотности воды оказывает существенное влияние на режим водоемов, вызывая конвекционные токи и течения, стре­мящиеся выровнять возникшую неравномерность в распределении плотности.

Теплоемкость и теплопроводность. Количество тепла, необ­ходимое для нагревания 1 г воды на 1°С, называется удельной теплоемкостью. В гидрологии теплоемкость обычно выражается в кал/(г*град).

Вода характеризуется наибольшей теплоемкостью по сравнению с другими жидкими и твердыми веществами, за исключением во­дорода и аммиака.

Громадное значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью, в 3000 раз большей, чем воздух. Это значит, что при охлаждении 1 м³ воды на 1° С на столько же нагревается 3000 м³ воздуха. Поэтому, аккумулируя тепло, Океан оказывает смягчающее влияние на климат прибрежных территорий. В

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, как уже говорилось, значительно существеннее, чем роль углекис­лого газа. Атмосферную влагу можно сравнить с теплым одеялом, окутывающим нашу Землю.

Благодаря большой теплоемкости воды суточные и сезонные изменения ее температуры оказываются менее значительными, чем изменение температуры воздуха, удельная теплоемкость которого в 4 раза меньше, чем теплоемкость воды. Весну и осень умеренных широт можно рассматривать как время перестройки структуры воды в первом случае от льдистой к квазильдистой и во втором — наоборот. Осенью, наоборот, выделяющаяся скрытая теплота замерзания тормозит процесс установления зимы. Потому и существуют эти сезоны в умеренных широтах. Нагляд­ное представление о выделяемых количествах тепла дает такое сравнение — 1м³ воды при замерзании выделяет примерно столько же тепла, сколько его получается при сжигании 10 кг угля.

Тепловые характеристики воды имеют огромное зна­чение для климата Земли, в системе которого вода высту­пает хранителем и переносчиком тепла, а также тепловым тормозом и стабилизатором. Гидросфера гасит теплые и холодные импульсы через изменение интенсивности испа­рения или путем смены соотношения между массами та­ких своих составляющих, как твердая (ледники) и жидкая (в основном океан). Вода через океаническую составляю­щую гидросферы уменьшает различия в температуре меж­ду низкими (экваториальными) и высокими (полярными) широтами, так как мощные течения несут к полюсам огром­ные массы нагретой в тропиках воды, а от полюсов — хо­лодные воды к тропикам. Теплые и холодные океанические течения настолько сильно воздействуют на омываемые ими участки континентов, что существенно меняют широтную географическую зональность. Наконец, вода на суше умень­шает разницу между дневными и ночными температурами, когда при образовании росы, изморози или тумана в при­земном слое воздуха выделяется скрытая теплота.

За счет огромной теплоемкости воды морские течения и крупные реки долго сохраняют свои свойства, изменяя прилегающие к ним участки. Например, течение Гольфст­рим делает Мурманск незамерзающим портом, тогда как Архангельск, расположенный на 500 км южнее, надолго за­крывается в период ледостава. Сибирские реки, текущие с юга на север, отепляют прилегающие к ним территории, по их долинам тайга вклинивается далеко в тундру. Раз­ница в теплоемкости океана и суши создает системы бри зовых и муссонных ветров. Наконец, увлажнение поверх­ности суши после осадков резко меняет физические свой­ства этой поверхности.

Электропроводность воды. Химически чистая вода является очень плохим проводником электричества.

Вследствие малой сжимаемости в воде хорошо распространяются звуковые и ультразвуковые волны.

С повышением температуры уменьшаются поверхностное натяжение, плотность и вязкость воды и возрастают электропроводность и скорость звука в воде.

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. При больших высотах солнца, порядка 30-80°, от гладкой поверхности воды отражается только 6-2% энергии; при уменьшении высоты солнца количество отраженной энергии бы­стро возрастает и при угле 15° составляет 21,5%, при 10° - 35%, а при 1° - от поверхности воды отражается 90% падающей на нее прямой солнечной радиации. Коэффициент отражения рассеян­ной радиации для водной поверхности составляет 5-10%, увели­чиваясь с убыванием потока рассеянной радиации.

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 (длина волны более 0,76 мкм); наименьшие его значения приходятся на видимую световую часть спектра (длина волны от 0,40 до 0,76 мкм). В ультрафиолетовой части спектра (длина волны менее 0,40 мкм) 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 (длина волны от 0,40 до 0,76 мкм) более интенсивно поглощается длинно­волновое излучение.

В зависимости от коэффициента поглощения, изменяющегося с изменением длин световых волн, на различные глубины прони­кает разное количество солнечной энергии. После прохождения слоя воды 1,0 см все лучи в спектре с длиной волны более 1,5 мкм полностью по­глощаются; 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.

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. Иначе говоря, сильнее рассеивается и менее поглощается коротковолновая сине-фиолетовая часть спек­тра и, наоборот, меньше рассеиваются и больше поглощаются крас­ные лучи.

Совокупным действием поглощения и рассеяния объясняется цвет воды природных водоемов. Вследствие того что фиолетовые и синие лучи поглощаются в меньшей степени, чем красные, и в большей степени рассеиваются, цвет воды отличается синеватым и сине-зеленоватым оттенками.

Поверхностное натяжение. Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое высокое поверхностное натяжение и поверхностное давление. В силу этого капля воды стремится принять форму шара, а при соприкосновении с твердыми телами смачивает поверхность большинства из них. Именно поэтому она может подниматься вверх по капиллярам горных пород и растений, обеспечивая почвообразование и питание растений. Поверхностные водоемы имеют высокоразвитую жизнь на поверхности воды благодаря пленке поверхностного натяжения. Есть много организмов, которые опираются на пленку поверхностного натяжения своим телом или конечностями и передвигаются по ней – это эпинейстонные организмы, например, водомерки и жуки вертячки; другие прикрепляются к пленке поверхностного натяжения снизу конечностями или другими частями тела и могут передвигаться по ней - это гипонейстонные организмы, например, улитки-прудовики, личинки комаров, рачки. Есть растительные и животные организмы, которые занимают как бы промежуточное положение – это плейстонные организмы, которые перемещаются с помощью ветра, например, ряски и медузы – парусники и португальские кораблики.

Удивительные свойства воды позволили возникнуть и развиться жизни на Земле. Благодаря им вода может играть незаменимую роль во всех процессах, совершающихся в Биосфере.