1.3.4. Некоторые другие физические свойства воды

Молекулярная вязкость воды (внутреннее трение). По сравнению с вязкостью других жидкостей вязкость воды невелика, что также относится к специфическим свойствам воды. Вязкость жидкости характеризуется кинематическим коэффициентом вязкости , м²/с, и динамическим коэффициентом вязкости , кг/(м с).

Между этими коэффициентами существует связь:

 =   . (1.15)

Вязкость воды уменьшается с повышением ее температуры. Поэтому в холодное время года вязкость воды несколько больше, чем в теплое. Ниже приводятся значения кинематического коэффициента вязкости химически чистой воды при нормальном атмосферном давлений:

Т °с 0 5 10 15 20 30 40 50

v, 10^-6м²/с 1,78 1,52 1,31 1,14 1,01 0,81 0,66 0,55

Благодаря малой вязкости вода текуча, и даже небольшие по величине внешние силы приводят ее в движение. Вода способна переносить большие количества растворенных и взвешенных веществ, а также теплоты.

Увеличение минерализации несколько повышает вязкость воды: увеличение солености на 10‰ приводит к возрастанию коэффициента вязкости приблизительно на 1,5%. С ростом давления вязкость воды уменьшается, а не повышается, как у других жидкостей.

Лед — твердое тело, обладающее пластичностью, которая позволяет ему в некоторых условиях, например в ледниках, двигаться. Считают, что кинематический коэффициент вязкости льда лежит в пределах 10⁸—10¹¹ м²/с.

Поверхностное натяжение и смачивание. У воды по сравнению с другими жидкостями очень высокое поверхностное натяжение. С ростом температуры поверхностное натяжение воды немного уменьшается. Коэффициент поверхностного натяжения воды изменяется от 75,610^-3 Н/м при 0 °С до 60,810^-3 Н/м при 90 °С. Лишь ртуть в жидком состоянии обладает более высоким поверхностным натяжением.

Необычайно высокое поверхностное натяжение воды способствует размыву почв и грунтов: дождевые капли благодаря поверхностному натяжению упруги и обладают относительно большой кинетической энергией и разрушительной силой.

Вода как хорошо смачивающая жидкость обладает, кроме того, способностью подниматься в порах и капиллярах почвы и растений.

Поверхностное натяжение играет роль и в процессах волнообразования на поверхности воды, обмена теплотой и веществом между водой и атмосферой. На величину поверхностного натяжения нередко сильно влияет загрязнение вод, например нефтяная пленка.

Оптические свойства воды. Свет от поверхности воды частично отражается, на границе раздела воздух-вода преломляется, а в толще воды рассеивается и поглощается и в результате этого ослабляется.

Отношение энергии отраженного от поверхности раздела воздух-вода света к энергии падающего света (альбедо) зависит от освещенности (ясно или облачно), состояния водной поверхности (гладкая или с волнами) и составляет 4—11% от величины падающего света. Альбедо уменьшается с увеличением волнения и облачности.

Коэффициент преломления света (отношение угла падения светового луча к углу преломления) на границе раздела воздух-вода равен в среднем 1,33—1,34. Он несколько уменьшается с повышением температуры и возрастает с увеличением солености воды.

Наиболее важны закономерности распространения света в воде. Вода пропускает видимую часть электромагнитного спектра с длинами волн от 0,38 до 0,77 мкм лучше, чем более коротко- и длинноволновую части спектра.

Свет распространяется в воде на небольшие расстояния. Интенсивность света быстро затухает в воде по экспоненциальному закону:

I=I₀ е^-(k+m)h, (1.16)

где I и I₀ - интенсивность света соответственно на глубине h и на поверхности; k — коэффициент рассеяния света; т — коэффициент поглощения света; k + т — коэффициент ослабления света; е — основание системы натуральных логарифмов.

В чистой воде на глубине 1 м интенсивность света составляет лишь 90% интенсивности света на поверхности, на глубине 2 м — 81%, на глубине 3 м — 73%, а на глубине 100 м сохраняется лишь около 1% интенсивности света на поверхности.

Главная роль в ослаблении света в воде принадлежит поглощению. Доля рассеяния имеет максимум при длинах волн 0,42— 0,44 мкм (16% в чистой пресной и 21% в чистой морской воде) быстро уменьшается с уменьшением и увеличением длины волны. Наличие растворенных и особенно взвешенных веществ резко увеличивает коэффициенты поглощения и рассеяния света в воде. Наибольшее проникновение света в воду и минимум коэффициента ослабления сдвигаются в сторону больших длин волн. При этом меняется и цвет воды — от синего к зеленому и желтовато-бурому.

Солнечный свет, таким образом, может проникать в водоемы лишь на небольшую глубину (несколько десятков метров); именно здесь и могут протекать процессы фотосинтеза.

Акустические свойства воды. Вода хорошо проводит звук. В толще воды звук может при некоторых условиях распространяться на огромные расстояния и с большой скоростью.

Скорость распространения звука в воде равна 1400—1600 м/с, т.е. в 4—5 раз больше скорости распространения звука в воздухе. Скорость звука в воде увеличивается с повышением температуры воды (приблизительно на 3—3,5 м/с на 1 °С), с увеличением солености (приблизительно на 1—1,3 м/с на 1‰) и с ростом давления. Последнее означает, что с ростом глубины при прочих равных условиях скорость звука возрастает (приблизительно на 1,5—1,8 м/с на 100 м глубины).

Электропроводность воды. Химически чистая вода — плохой проводник электричества. Удельная электропроводность такой воды при 18 °С равна 3,810^-6 (Ом м)^-1. Электопроводность льда примерно в 10 раз меньше, чем у жидкой воды. Электропроводность воды немного увеличивается с повышением температуры и сильно возрастает с увеличением минерализации. У морской воды электропроводность значительно больше (до 4—6 (Ом м)^-1), чем у речной. Электропроводность воды несколько возрастает с ростом давления, поэтому на больших глубинах в океане (более 10 км) электропроводность воды приблизительно на 12% больше, чем в поверхностном слое.

На электропроводность воды влияет не только ее минерализация, но и химический состав. Оказалось, что воздействие на электропроводность разных ионов солей, растворенных в воде, различно, и поэтому изменение солевого состава воды влечет за собой изменение ее электропроводности даже при неизменной общей минерализации (солености). Например, ионы Cl^- и К⁺ влияют на электропроводность воды значительно сильнее, чем ионы SO₄^2-, Ca²⁺, Mg²⁺ и Na⁺.

Данные об основных физических аномалиях воды. В табл. 1.2 приведены сведения о 10 основных аномалиях воды и их влиянии на гидрологические процессы и природные условия на Земле в целом.

Таблица 1.2. Наиболее важные физические аномалии воды и их географическое значение

№ п/п	Физическая характеристика воды	Ее «аномалия»	Значение для
			водных объектов на Земле	природы Земли в целом
1	Температура плавления (замерзания), 0 °С	Очень высока	Вода может существовать в твердом виде	Существование ледников и снеж- ного покрова
2	Температура кипения, 100 °С	Очень высока	Вода может существовать в жидком виде	Существование водоемов и водотоков — океанов, морей, рек, озер
3	Температура наибольшей плотности, 4 °С	Наступает не в момент замерзания, а при более высокой температуре	При охлаждении водоема вода прекращает опускаться при достижении температуры наибольшей плотности. Водная толща не замерзает	Сохранение жизни в водоемах зимой
4	Плотность льда, 917 кг/м3	Плотность льда меньше, чем жидкой воды	Лед всплывает, теплоизолирует водоем, замедляет его охлаждение	Тоже
5	Удельная теплота плавления (замерзания), 333103 Дж/кг	Очень велика	При плавлении льда требуется большая затрата теплоты; при замерзании это же количество теплоты выделяется	Регулирование тепловых процессов
6	Удельная теплота испарения (конденсации), 2,5106 Дж/кг при 0 °С, 2,26106 Дж/кг при 100 °С	Очень велика	При испарении воды требуется большая затрата теплоты; при конденсации водяного пара это же количество теплоты выделяется	То же
7	Удельная теплоемкость, 4190 Дж/(кг°С) при 15 °С	Очень велика	Вода медленно нагревается и медленно охлаждается	Тоже
8	Коэффициент теплопроводности, 0,57 Вт/(м  °С) при 0 °С	Очень мал	То же	Тоже
9	Коэффициент вязкости, 1,1410-6м2/с при 15 °С	Мал	Вода текуча и хорошо смачивает твердые тела	Вода переносит наносы, растворенные вещества, теплоту, совершает механическую и эрозионную работу
10	Коэффициент поверхностного натяжения, 75,610-3 Н/м при 0 °С и 60,810-3 Н/м при 90 °С	Очень велик	В порах грунта и растениях действуют капиллярные силы. Капли воды обладают ударной силой	Питание растений. Дождевая эрозия

Примечание. Численные значения характеристик приводятся для химически чистой воды.