- •Ющенко ю.С.
- •Чернівці Зелена Буковина 2005
- •Наука про природні води
- •Предмет і об’єкт гідрологічних досліджень
- •1.1.1. Уявлення про природні води до Нового часу
- •1.1.2. Формування основ наукової гідрології
- •1.1.3. Сучасна гідрологія
- •1.1.4. Природні води — об’єкт дослідження гідрології
- •1.1.5. Різноманітність водних об’єктів Землі
- •1.1.6. Колообіги та циркуляції природних вод
- •Середньорічний водний баланс Землі [12]
- •1.1.7. Зміни водних об’єктів в часі
- •1.1.8. Основні гідрологічні поняття та терміни
- •Фундаментальні основи гідрологічних досліджень
- •1.2.1. Молекули та надмолекулярні структури води
- •1.2.2. Агрегатні стани та фазові переходи води
- •1.2.3. Густина води
- •1.2.4. Теплові властивості води
- •1.2.5. В’язкість, поверхневий натяг та змочування
- •1.2.6. Деякі фізичні властивості снігу та льоду
- •1.2.7. Умови перебування води в ґрунтах та породах
- •1.2.8. Механіка рідини і дослідження природних вод
- •1.2.9. Основи статики природних вод
- •1.2.10. Загальні поняття та визначення гідродинаміки
- •1.2.11. Види руху водних потоків
- •1.2.12. Два режими руху рідини
- •1.2.13. Рівняння нерозривності
- •1.2.14. Рівняння Бернуллі
- •1.2.15. Рух поверхневих водотоків
- •1.2.16. Спокійні та бурхливі потоки
- •1.2.17. Приклади ламінарного руху
- •1.2.18 Течії у водойомах
- •1.2.19. Хвилі у воді
- •1.2.20. Стратифікація, стійкість та перемішування природних вод
- •1.2.21. Природні води як хімічний розчин
- •1.2.22. Основні типи домішок у природних водах
- •Головні іони в океанічних водах (за с. Бруєвичем)
- •1.2.23 Гідрохімічна класифікація природних вод. Зміни їх складу
- •1.2.24. Забруднення та якість природних вод
- •Методи гідрологічних досліджень
- •1.3.1. Математичні методи, інформатика
- •1.3.2. Системний підхід
- •1.3.3. Експеримент та моделювання
- •1.3.4. Порівняння, типізація, класифікація
- •1.3.5. Історичний метод
- •1.3.6. Прогнозування
- •1.3.7. Експедиційний метод
- •1.3.8. Вимірювання, спостереження, моніторинг
- •1.3.9. Балансові методи
- •1.3.10. Картографічні методи
- •1.3.11. Географо-гідрологічні методи
- •1.3.12. Еколого-гідрологічні методи
- •Гідрологія водних об’єктів
- •Гідрологія океанів і морів
- •2.1.1. Поділ Світового океану
- •Основні характеристики океанів
- •2.1.2. Рельєф дна та донні відклади Світового океану
- •2.1.3. Розподіл основних гідрологічних характеристик та водні маси океану. Процеси перемішування
- •2.1.4 Морський лід
- •2.1.5. Морські хвилі
- •2.1.6. Припливи в океані
- •2.1.7. Морські течії
- •2.1.8. Рівень океанів і морів
- •2.1.9. Життя в океані
- •2.1.10. Моря України
- •Гідрологія льодовиків
- •2.2.1. Процеси утворення льодовиків
- •2.2.2. Рух льодовиків
- •2.2.3. Розповсюдження, основні типи, будова та гідрографічна сітка льодовиків
- •2.2.4. Баланс та режим льодовиків
- •2.2.5. Процеси та явища пов’язані з льодовиками
- •Гідрологія підземних вод
- •2.3.1. Походження підземних вод
- •2.3.2. Класифікації підземних вод
- •2.3.3. Води зони аерації
- •2.3.4. Ґрунтові води
- •2.3.5. Артезіанські води
- •2.3.6. Підземні води у тріщинуватих та закарстованих породах
- •2.3.7. Структури підземної гідросфери
- •2.3.8. Рух підземних вод
- •2.3.9. Підземний стік
- •2.3.10. Природні явища та процеси пов’язані з підземними водами
- •Гідрологія річок
- •Найбільші річки світу
- •2.4.1. Річкові системи
- •2.4.2. Річкові водозбори
- •2.4.3. Річкові долини
- •2.4.4. Русла та заплави річок
- •2.4.5. Рух води в річках
- •2.4.6. Поняття про водний режим річок
- •2.4.7. Процеси водного живлення річок
- •2.4.8. Аналіз водного режиму річок
- •2.4.9. Рівневий режим річок
- •2.4.10. Утворення та основні характеристики річкових наносів
- •2.4.11. Основні категорії та стік наносів
- •2.4.12. Поняття про русловий процес річок
- •2.4.13. Типізації та класифікації руслового процесу
- •2.4.14. Термічний режим річок
- •2.4.15. Льодовий режим річок
- •2.4.16. Гідрохімічний режим та особливості гідробіології річок
- •Гідрологія озер
- •Найбільші озера світу
- •2.5.1. Котловини озер
- •2.5.2. Морфометрія та морфологія озер
- •2.5.3. Термічний режим озер
- •2.5.4. Льодовий режим озер
- •2.5.5. Динаміка озер
- •2.5.6. Водний режим озер
- •2.5.7. Гідрохімічні та гідробіологічні особливості озер
- •2.5.8. Донні відклади озер
- •Гідрологія особливих типів водних об’єктів
- •2.6.1. Сніговий покрив
- •2.6.2. Гідрологічні явища та процеси в зоні багаторічної мерзлоти та холодного клімату
- •2.6.4. Гідрологія водосховищ
- •2.6.5. Канали та гідромеліоративні системи
- •2.6.6. Гідрологія боліт
- •2.6.7. Гідрологія гирл річок
- •Типи гирлових областей річок
- •Загальні гідрологічні явища та процеси
- •Природні води і атмосфера Землі
- •3.1.1. Кліматична система Землі і природні води
- •Характеристики складових кліматичної системи Землі
- •3.1.2. Взаємодія океану та атмосфери
- •3.1.3. Атмосферна ланка колообігу води
- •Водний баланс та стік води з суходолу
- •3.2.1. Водний баланс територій
- •3.2.2. Формування стоку
- •3.2.3. Стік води в річках
- •Природні води і тверде тіло Землі
- •3.3.1. Літосфера та підземні води
- •3.2.2. Ендогенний вплив на поверхневу гідросферу
- •3.3.3. Природні води і рельєф
- •3.3.4. Гідрогенні відклади та акумулятивні утворення
- •Природні води та еволюційні процеси
- •3.4.1. Еволюція географічної оболонки та її складових
- •3.4.2. Біогенний етап розвитку природних вод
- •3.4.3. Антропогенний етап розвитку природних вод
- •Заключення Новітній етап розвитку гідрології
1.2.2. Агрегатні стани та фазові переходи води
Вода може знаходитися у трьох агрегатних станах (фазах) — твер-дому (лід), рідкому (власно вода) та газоподібному (водяна пара). Всі вони представлені в умовах (тиск, температура та ін.) приповерхневої частини Землі. Це має величезне значення для розвитку географічних процесів та біосфери.
Зміни агрегатного стану речовини називають фазовими переходами. При цьому стрибкоподібно змінюються деякі її властивості. При здійсненні фазових переходів відбувається виділення або поглинання енергії речовиною. Це особлива характеристика — теплота переходу (“захована теплота”). Вона також має величезне значення для процесів у природі.
Існує шість фазових переходів.
1. Лід — рідка вода (плавлення, танення).
2. Рідка вода — лід (кристалізація, замерзання, льодоутворення).
3. Рідка вода — водяна пара (кипіння та випаровування).
4. Водяна пара — рідка вода (конденсація).
5. Лід — водяна пара (випаровування льоду, возгонка).
6. Водяна пара — лід (конденсація у тверду фазу, сублімація).
Фазовий стан води залежить від температури, тиску та інших факторів. Залежність від температури та тиску називають діаграмою стану води, або фазовою діаграмою. При зростанні тиску вище атмосферного температура замерзання дещо понижується. (Наприклад: при значеннях тиску 108 Па, що приблизно відповідає умовам в океані на глибині 11 км, t° зап. -12°С).
Температура замерзання води понижується також при збільшенні її мінералізації (солоності). Це показує графік Хелланд — Хансена .
З фазової діаграми видно, що рідкий стан води існує лише в обмеженому діапазоні умов. Якщо ж подивитися на точку з “нормальними” умовами (t° = 20°С; р = 1,013 Ч 105 Па), то бачимо, що вода повинна знаходитися в рідкому стані. Але ми знаємо, що в цих умовах в повітрі також знаходиться водяна пара. Це пов’язано з існуванням газового середовища (атмосфери) в яке відбувається дифузія молекул води. При цьому парціальний тиск (упругість) водяної пари надзвичайно малий.
Таким чином фазову діаграму (межі фаз) слід розуміти лиш як рівновагу (рівну імовірність) протилежно направлених фазових переходів, що не виключає існування інших фаз (у значно менших масштабах і в залежності від конкретних умов).
Завдяки сильним міжмолекулярним зв’язкам, вода є особливою (аномальною) речовиною. Зокрема, порівняно з речовинами, які є сполуками водню та елементів кисневої групи (Те — телур; Sе — селен, S — сірка) температури замерзання та кипіння води аномально високі.
Важливим явищем, що спостерігається в різних водних об’єктах, є переохолодження води. Це пониження температури нижче точки замерзання при збереженні рідкого агрегатного стану. В дійсності замерзання — це складна система процесів, для реалізації яких потрібні певні умови. Основними умовами є наявність так-званих ядер (центрів) кристалізації та досить інтенсивного відведення тепла (за рахунок перемішування, дифузії), яке виділяється при кристалізації. Вони не завжди добре розвинуті, тому і відбувається переохолодження. З точки зору фізики любі аморфні тіла можна розглядати, як переохолоджені рідини. Але вони дуже в’язкі (певною мірою сюди відноситься також і лід). Таким чином явище переохолодження пов’язане також із в’язкістю.
В річках переохолодження складає від –0,03°С до –0,06°С (рідко до –0,1°С). Але в озерах і особливо у морях воно проявляється більше і може сягати — 1°С. Для мікроскопічних крапельок у повітрі (туман, хмари), води в мікрокапілярах переохолодження може досягати -30°С. В лабораторних умовах досягнуто — 70°С.
Знання про переохолодження застосовують при вивченні льодотермічних процесів у природі.
Ще більш важливим для природи Землі процесом є випаровування води. З фізичної (молекулярної) точки зору воно полягає у тому, що рідку фазу покидає більше молекул ніж повертається назад. Такий процес можливий в тому випадку коли пара рідини не насичена. Зворотній процес (конденсація) відбувається при повному насиченні. Пружність (тиск) насичення в першу чергу залежить від температури випаровуючої поверхні. Так при 0°С для води вона складає 6,1 мб (мілібара — див. 1.2.9), а при 30°С вже 42,5 мб. Тобто щоб її досягти необхідна набагато більша кількість (концентрація) молекул води. Таким чином основним фактором випаровування є недостача (дефіцит) пружності водяної пари над випаровуючою поверхнею. На дефіцит пружності (вологості) впливають, в свою чергу, досить багато факторів. Основні з них — температура та швидкість відвода (переносу) пари, тобто швидкість вітру та інтенсивність перемішування повітря. Розрізняють деякі основні типи випаровування в природі: з водної поверхні, з поверхні ґрунтів, з поверхні снігу та льоду (возгонка), випаровування рослинами — транспірація. Випаровування з географічної, природничої точки зору буде розглянуто у третій частині підручника.