Физические свойства льда, воды и водяного пара

Лед может находиться в нескольких кристаллических состояниях. При температуре тройной точки (практически при 0°) удельный объем льда равен 1,091 см³/г. При охлаждении льда ниже 0° объем его уменьшается, но настолько медленно, что его можно считать постоянным. Удельная теплоемкость льда составляет примерно половину теплоемкости воды.

Вода имеет наименьший удельный объем и наибольшую плотность при температуре 4°. При этой температуре удельный объем воды и плотность ее равны единице: V_в=1 см³/г; р_в=1 г/см³

При изменении температуры в ту и другую сторону от 4° удельный объем воды увеличивается, а плотность уменьшается. В этом отношении вода ведет себя аномально по сравнению со всеми другими известными телами. Хотя удельный объем и плотность воды изменяются с температурой, но практически воду можно считать несжимаемой. Так, например, при температуре 100° удельный объем воды 1,043 см³/г, т. е. всего лишь на 4% отличается or удельного объема при температуре 4°.

Удельная теплоемкость воды несколько изменяется с температурой, но настолько незначительно, что ее также можно считать постоянной величиной, равной С_v —4,1868 • 10⁷ эрс/г • град = 1 кал/г • град.

До достижения состояния насыщения водяной пар по своим свойствам близок к идеальному газу. Уравнением состояния водяного пара служит

e=R_пр_пТ

где е — упругость, р_п — плотность, R_п — удельная газовая постоянная водяного пара.

Удельные теплоемкости ненасыщенного водяного пара можно считать независящими от температуры и равными:

Cтруктура и взаимосвязь различных звеньев гидрологического цикла

Гидрологический цикл удобно представить в виде системы из четырех взаимосвязанных резервуаров (океан, материки, криосфера, атмосфера), между которыми происходит непрерывный процесс циркуляции и перераспределения природных вод

Рис 1

Самым большим водным резервуаром является Мировой океан (МО), содержащий 96,5% общих запасов воды на Земле. Самым малым резервуаром, содержащим влагу, является атмосфера, где находится всего лишь 0,001% общих запасов природных вод. Несмотря на это, значение атмосферной влаги для гидрологического цикла, чрезвычайно велико.

В отличие от МО и атмосферы, на материках и в криосфере наблюдается большое многообразие видов природных вод. Так, материковые воды можно разделить на речные, озерные, болотные, почвенные, подземные (включая гравитационные и. капиллярные) и биологические. Суммарное. их количество оценивается в 2,475 % общих запасов вод на Земле.

К криосфере Земли относятся материковые ледяные щиты, горные ледники, льды вечной мерзлоты, сезонный снежный покров и морские льды. Приближенно суммарный объем воды в криосфере можно оценить в 1,76 % общего запаса природных вод.

По современным представлениям общие запасы природных вод в течение длительного периода, измеряемого геологическими эпохами, практически остаются неизменными, т. е. поступление воды из земных недр и космического пространства на поверхность Земли очень мало и почти компенсируется потерей воды в космос вследствие рассеивания водяного пара в верхних слоях атмосферы.

Хотя ГГЦ является замкнутой системой, внутри нее между от дельными резервуарами постоянно происходит перераспределение вод, в результате которого запасы вод в каждом резервуаре меняются во времени. Эти колебания могут быть разного масштаба: короткопериодными, сезонными, многолетними, вековыми и много вековыми. Наиболее мощными являются сезонные и многовековые колебания.

Многовековые колебания в истории Земли связаны с эпохами оледенения, которые кардинально изменяли климатический и гидрологический режимы планеты. При этом происходило перераспределение природных вод. В ледниковые эпохи, когда океан от ступал, площадь криосферы значительно увеличивалась, и наобо рот, при потеплении происходила перекачка вод криосферы в МО.

Очевидно, все оценки межвековых колебаний в значительной степени гипотетичны. По-видимому, лучшим их индикатором является средний уровень МО. Естественно, что наиболее достоверными являются сведения от изменениях уровня в настоящую эпоху. Так, можно полагать, что за последние 20 тыс. лет уровень МО повысился по чти на 100 м, а в текущем столетии, за 1900— 1960 гг., он повысился на 12,5 см, что изменило его объем всего на 0,002 %.

Каждый резервуар вместе со всеми видами вод, заключенными р нем, а также с потоками вод внутри него и на границах можно рассматривать в качестве самостоятельного звена ГЦ, т. е. процессы влагообмена для каждого звена ГЦ можно считать относительно независимыми друг от друга. Таким образом, имеем четыре звена ГЦ: океаническое, материковое (наземное), криосферное и атмосферное, которые будем считать основными структурными единицами ГЦ.

Учитывая, что все звенья ГЦ связаны между собой, имеет смысл взаимодействующие звенья рассматривать как единые гидрологические системы (ГС). В результате имеем шесть таких ГС, из которых наиболее важными следует, очевидно, признать системы океан-—атмосфера и литосфера— атмосфера.

Одновременно с этим каждое из звеньев ГЦ можно разделить на более мелкие сравнительно однородные части (например, океаническое звено ГЦ разделяется на ГЦ отдельных океанов, морей, заливов, проливов и т. п.), которые назовем гидрологическими подсистемами (ГП). Самой малой частью ГП является единичная масса воды, льда, воздуха или почвы. Математической моделью ГЦ является уравнение водного баланса, которое отражает универсальный закон сохранения вещества и в самом общем виде в алгебраической записи может быть представлено следующим образом:

Где -сумма аккумуляционных составляющих водного баланса, характеризующих изменение запасов вод во времени;

- сумма приходных компонентов водного баланса, означающих увеличение объема вод; -сумма расходных компонентов, характеризующих уменьшение объема вод. Для закрытой системы, какой является ГГЦ,, а правая часть обращается в очевидное тождество

Из которого следует равенство глобальных оценок осадков (Pgl)и испарения (Egl). Все остальные гидрологические системы являются уже открытыми, а для них аккумуляционные составляющие

могут обращаться в нуль лишь для средних многолетних условий и то не во всех случаях. С уменьшением пространственных масштабов уравнение водного баланса обычно усложняется, причем иногда члены уравнения (1.2) не могут быть количественно оценены.

Приведенная. схема ГЦ может быть представлена в более детальном виде, причем степень детальности будет зависеть прежде всего от целей исследования. Теоретически можно даже учесть все виды вод и их потоки для каждого резервуара, какими бы малыми они не были. Однако практически осуществить это в компактной форме вряд ли возможно.

Поэтому рассмотрим такую схему ГЦ, в которой, по мнению автора, учтены лишь наиболее важные виды природ ных вод и наиболее важные процессы влагообмена. Первые из них помещены в прямоугольники, а вторые -в овалы. Из данной схемы отчетливо видна центральная роль атмосферного звена ГЦ в системе глобального водного баланса. И это не случайно, так как атмосфера является единственным источником возобновления в природе пресных вод (испарение) и главным источником пополнения и перераспределения запасов вод (осадки) как между от дельными резервуарами, так и между различными частями одногои того же резервуара.

Атмосфера представляет собой единственную оболочку планеты, содержащую воду во всех трех агрегатных состояниях (газообразном, твердом, жидком), из которых газообразное (водяной пар) является важнейшим и не содержится более ни в одной другой оболочке. В атмосфере постоянно происходят фазовые пере ходы воды, из которых важнейшим является процесс конденсации, сопровождающийся выделением огромного количества тепла, 'которое в свою очередь играет весьма значительную роль для под держания общей циркуляции атмосферы (ОЦА).

Атмосфера является наиболее подвижным компонентом ГЦ. Так, характерная скорость переноса атмосферной влаги на поря док больше скорости движения речных вод и на два порядка— типичной скорости океанских течений. В соответствии с этим период полного возобновления атмосферной влаги составляет 7—9 сут, что значительно меньше, чем в других резервуарах.

Разумеется, здесь перечислены далеко не все специфические особенности атмосферы, но даже они наглядно свидетельствуют о большом значении атмосферных процессов для познания внутренних закономерностей̆ движения воды в крупномасштабных гидрологических системах. Поэтому, рассматривая относительную значимость отдельных резервуаров, можно вполне определенно утверждать, что атмосферное звено играет центральную роль в ГЦ, а следовательно, проблема изучения атмосферного водного баланса является центральной̆ в крупномасштабных исследованиях ГЦ.

С другой̆ стороны, нельзя не отметить огромной̆ роли океана в поддержании ГГЦ. Он является самым большим резервуаром природных вод, главной̆ причиной̆ существования круговорота влаги на земном шаре и основным поставщиком энергии для атмосферы (через испарение). Кроме того, океан вследствие превышения испарения над осадками предопределяет существование водных ресурсов (речного стока) на континентах и ледникового стока с Антарктиды и Гренландии. Поэтому изучение водного баланса системы океан— атмосфера также следует отнести к числу главнейших приоритетов в исследованиях ГГЦ.