2.2. Гидросфера
Основоположник учения о биосфере академик В. И. Вернадский характеризовал воду как один из самых решающих факторов формирования грандиозных геологических процессов. Около 2 млрд. лет назад на поверхности океана появилась жизнь - простейшие водоросли, которые путем фотосинтеза очистили атмосферу от углекислоты и обогатили ее кислородом.
Ныне водная поверхность занимает свыше 71% площади Земли, дает около 50% атмосферного кислорода. Молекулярный вес воды колеблется 18 до 22 (обычная, тяжелокислородная, тяжелая и сверхтяжелая). Химический состав природных вод можно классифицировать по пяти группам: главнейшие ноны, растворенные газы, биогенные элементы, микроэлементы, органические вещества. Теплоемкость воды в 3 300 раз выше, чем у воздуха, что делает поверхностные воды главным собирателем и распределителем солнечной энергии. В табл. 2.4 приведены некоторые сравнительные характеристики воды.
Гидросфера
Гидросфера в практических целях человека является источником энергии, питания, минеральных ресурсов, а также используется в качестве путей сообщения, сбросовых водоемов, технического компонента и климатического п оздоровительного факторов. В настоящее время на земном шаре для всевозможных нужд используется ежегодно около 40 тыс. км3 воды. В наиболее промышленно развитых странах расходуют на нужды промышленности до 50, сельского хозяйства - 40 и коммунальные нужды - до 10%. Особенно возросло потребление пресной воды в сельском хозяйстве.
| Свойство воды | Сравнение со свойствами других веществ | Влияние на физико-биологическую характеристику среды |
|---|---|---|
| Теплоемкость | Самая высокая по сравнению с твердыми и жидкими веществами | Препятствует чрезмерным перепадам температуры. Очень велик перенос тепла при движении воды. Стремится к поддержанию одинаковой температуры тел |
| Теплота плавления | Самая высокая | Эффект термостатирования в точке замерзания за счет поглощения пли выделения теплоты |
| Теплота испарения | Самая высокая | Чрезвычайно важна в процессах теплопереноса и в кругообороте воды в атмосфере |
| Поверхностное натяжение | Наиболее высокое | Важно для физиологии клетки, регулирует некоторые поверхностные эффекты |
| Растворяющая способность | Растворяет больше веществ и в большей степени, чем любая другая жидкость | Влияет на физические и биологические явления |
| Прозрачность | Относительно велика | В инфракрасном и ультразвуковом спектрах сильно поглощает, в видимом спектре поглощение сравнительно мало. Поглощение самой водой важно в физических и биологических процессах |
Температура поверхностного слоя океанических и морских вод колеблется от - 2,2 до + 30°С, суточные изменения могут достигать 4 ... 9°С (хотя обычно эти изменения составляют около 0,5°С). Температурное поле связано с динамикой гидросистемы (зонами конвергенции и дивергенции). Водные организмы выбирают температуру, соответствующую их максимальной подвижности, доказана связь между температурой воды и размножением рыб, обнаружен температурный порог питания. Среднее значение солености океанических вод равно в поверхностном слое 34,7 г/кг. В прибрежных океанических районах и морях, окруженных сушей, соленость понижается до 10 ... 20 г/кг, а в устьевых участках до 1 г/кг. Сравнительно небольшая минерализация характерна для речных вод (менее 0,5 г/кг). Вода озер имеет весьма разнообразный солевой показатель и очень различный ионный состав (в отличие от относительного постоянства ионного состава морских и океанических вод). Концентрация океанического кислорода находится в пределах 0 ... 10 мл/л и зависит от соотношения процессов обогащения (абсорбция кислорода из атмосферы, выделение кислорода водной растительностью при фотосинтезе) и обеднения (десорбция кислорода в атмосферу, расход на дыхание биологического сообщества, па окислительные процессы). Растворимость кислорода увеличивается при понижении температуры воды и уменьшается при повышении солености и температуры. Зависимость интенсивности фотосинтеза от освещенности и температуры является одной из причин суточных колебаний концентрации кислорода.
Органические вещества природных вод находятся в растворенном и взвешенном (детрит) состояниях; их совместная концентрация составляет от сотых долей до нескольких сотен мг/л. Растворенные в воде соли находятся примерно в следующей пропорции (в процентах):
Важно для физиологии клетки, регулирует некоторые поверхностные эффекты
Хлориды (соли соляной кислоты) - 88,7;
Сульфаты (соли серной кислоты) - 10,8;
Карбонаты (соли угольной кислоты) - 0,3;
Остальные соли - 0,2.
В речной воде больше карбонатов, а в морской - хлоридов. Их используют обитающие в воде живые существа для построения раковин и скелетов. В океанах содержание растворенной органики (органического углерода) составляет всего 0,8 ... 2,5 мг/л, в морях - 4,0 ... 7,8 "(Азовское море), 3,7 ... 5,2 (Балтийское море), 3,2 ... 3,8 (Черное море), 0,3 ... 0,8 (Средиземное море). Преобладающие элементы водной органики: углерод (около 50%), азот, фосфор и др., а основным соединением растворенного органического вещества (углеводы, пигменты, аминокислоты, белки, ферменты и др.) является водный гумус (около 90%), образующийся в основном при разложении органических остатков организмов. Органика природных вод участвует в процессе их самоочищения, количественный и качественный ее состав оказывает активное биологическое воздействие на живые организмы. Если испольвать размер 0,5 мкм как границу между растворенной и взвешенной фракциями органического вещества, то для океанических акваторий отношение между ними 10:1.
Актуальность приобретает как в теоретическом, так и при кладиом плане исследование пенных образований морских и океанических акваторий. Это вызвано изучением закономерностей гпдроатмосферпых взаимодействий, процессов волнения водных поверхностей, развитием методов экспресс - анализа концентрационных соотношений веществ водной среды. Статистический анализ параметров пены, ее качественного состава может дать физическую, химическую и биологи ческую характеристики той или иной части водоема. Замечено, что морские (соленые) воды обладают существенно большей способностью ценообразования, чем пресные. Пузырьки пены сохраняются в соленых и пресных водах тем дольше, чем холоднее вода; при 0°С они сохраняются в среднем 70, а при 10°С - около 35 с. Чем выше соленость, тем мельче пузырьки, но больше иены (при 34 г/кг средний диаметр пузырьков 0,75, 31 г/кг - 0,84, 29 г/кг - 0,98, 14 г/кг - 1,2, а при 7 г/кг - уже 2,8 мм). Ветер поддерживает более или менее обильную пену в соответствии с названными факторами: при трех баллах количество пены растет, при семи - пена ложится густыми полосами, при восьми - вся акватория покрывается пеной. Пена активно аккумулю рует планктон п, если судить по содержанию органического углерода п азота в пене, происходит концентрирование растворенной и взвешенной органики в десятки и сотни раз. Из минеральных соединений наиболее аккумулируются в пене соединения железа, марганца и фосфора.
Определенный интерес представляют взвешенные вещества, имеющие размер от 0,01 мкм до 1 мм и различное происхождение (терригенное, биогенное, хемогенное, вулканическое). Количество взвеси в морях и океанах колеблется от 0,5 до 5 г/м3, в устьевых участках - свыше 10 ... 15 г/м3. В пределах деятельного слоя (0 ... 200 м) распределение концентрации взвеси неравномерно, пятнисто. Взвесь собирает многие элементы, изменяя химический состав участков акваторий, в ее состав входят минеральные и органические вещества.
Огромное научное и практическое значение имеет изучение физико-химической структуры дна океанов и морен. Уточнение представлении о строении Земли, разработка гидробиологических источников пищи, обнаружение подводных месторождений нефти, газа, руд являются назревшими проблемами гидролитосферы.
Однако надо отметить, что динамика поведения и влияние объектов гидросферы (морских воли, в частности) на литосферу для изучения представляет несомненный интерес при анализе проблем гидролитосферы (физика явлении, эрозия берегов и т. д.). На рис. 2.2 и 2.3 показаны в качестве примеров изменения волн в зависимости от рельефа дна и эрозия берега.
Рис. 2.2. Изменение волн в зависимости от рельефа дна
Хлорофилл является одним из основных пигментов фитопланктона (микроклеточные водоросли) и определяет питательную загрузку водной среды. Интересно отметить, что хлорофилл дает в организме человека начало усиленному образованию гемоглобина, причем оба эти пигмента имеют близкую химическую структуру. Фитопланктона в общем количестве органической взвеси содержится менее 8%, т. е. значительно меньше концентрации взвешенных и растворенных неорганических веществ (это особенно характерно для прибрежных районов). Малыми концентрациями хлорофилла являются 0,1 мг/л, высокими - более 10 мг/л. Составной частью гидросферы является природный лед и снег. Лед термически более инерционен, чем снег. Лед морских акваторий делят на начальный, молодой, однолетний, многолетний. Структуру морского льда составляют собственно лсд, рассол, воздушные включения. Льду свойственна динамическая вертикальная неоднородность физико-химических параметров. Соленость морского льда ниже солености воды и уменьшается со временем. Температура льда зимой у верхней поверхности равна температуре воздуха, у нижней - температуре замерзания воды.
Рис. 2.3. Эрозия берега. Показан путь гальки, передвигаемой волнами, которые разрушают берег. Толстой линией показан волнорез. Галька оседает между железнобетонными перемычками и образует пологий берег, на котором волны теряют свою разрушительную силу
Из табл. 2.5 видно, что при солености 4 г/кг температура замерзания воды - 0,2; 14 г/кг - 0,8; 30 г/кг - 1,0; 35 г/кг - минус 1,9°С. В период таяния минимум температуры находится в середине толщины льда.
| Соленость г/кг | Температура замерзания, °С | Соленость г/кг | Температура замерзания, °С |
|---|---|---|---|
| пресная вода | 0 | 20 | -1,1 |
| 2 | -0,1 | 22 | -1,2 |
| 4 | -0,2 | 24 | -1,3 |
| 6 | -0,3 | 26 | -1,4 |
| 8 | -0,4 | 28 | -1,5 |
| 10 | -0,5 | 30 | -1,6 |
| 12 | -0,6 | 32 | -1,7 |
| 14 | -0,8 | 35 | -1,9 |
| 16 | -0,9 | 37 | -2,0 |
| 18 | -1,0 | 39 | -2,1 |
Зная соленость воды, можно определить температуру замерзания любого моря, пользуясь подобной таблицей. Соленость воды Азовского моря зимой около 12 г/кг, следовательно, оно начинает замерзать около - 0,6°С.
В открытой части Белого моря соленость доходит до 25 г/кг, а температура замерзания - 1,4°.
Вода с соленостью 100 г/кг (в Сиваше, отделенном от Азовского моря Арабатской стрелкой) будет замерзать при температуре - 6,1°, а в Кара-Богаз-Голе с соленостью больше 250 г/кг вода замерзает только при температуре ниже - 10°С.
Снежный и пыльный покров существенно влияет на форму вертикального профиля температуры льда. Пресноводные льды более однородны по вертикали по всем параметрам (кроме температуры).
Наиболее полное представление о физической сущности гидросферы дает изучение электромагнитных и акустических свойств воды, которые позволяют в дальнейшем осуществить анализ, контроль и прогноз гидропараметров.
Электромагнитные свойства
Воду относят к дпамагпстикам, ее относительная магнитная проницаемость практически равна единице и не зависит от давления, соленостн, температуры и частоты электромагнитных колебании.
Электромагнитные свойства
Электропроводность о и относительная диэлектрическая проницаемость с природных вод практически не изменяются с частотой до значения f=100 МГц (λ0=3 м). Из табл. 2.6 видно, что величина е практически не зависит от солености S и для длин электромагнитных волн λ0>3 м равна 80. При уменьшении температуры t ее значение уменьшается (например, при частотах 105... 108 Гц температурный коэффициент равен 0,35 отп. ед./град).
| Тип воды | ε=ε-j60λ0σ,ω t=18°С | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| f=106 Гц | 107 | 108 | 109 | 1010 | 1011 | |
| Пресная | 80-j200 | 80-j20 | 80-j2 | 79-j4 | 65-j30 | 8-j15 |
| Соленая | 80-j8•104 | 80-j8•103 | 80-j8•102 | 79-j80 | 65-j40 | 8-j15 |
Электропроводность природных вод растет линейно при увеличении солености (коэффициент равен примерно 0,1... 0,2). Температурный коэффициент составляет 2,1... 3% на 1°С. Значения а для различных типов вод при температуре 18°С приведены в табл. 2.7.
| Тип воды | f=106 Гц | 107 | 108 | 109 | 1010 | 1011 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Дистилированная | 1,66•10-5 | 1,66•10-4 | 3,30•10-3 | 8,30•10-2 | 3,86•10-1 | - |
| Пресная | 1,10•10-2 | 1,10•10-2 | 1,10•10-2 | 2,20•10-2 | 1,60•10-2 | 83,3•10-2 |
| Соленая | 4,45 | 4,45 | 4,45 | 4,45 | 2,20 | 8,39 |
Увеличение давления на 100 атмосфер (глубина, примерно, 1000 метров) приводит к увеличению значения в и а всего на один процент.
Из табл. 2.8 видно, что для λ0=3 мм-300 м наибольшая отражательная способность (в случае вертикального зондирования) природных вод приходится на метровый диапазон зондирующих волн.
| λ0 | Ф при t=18°С | ΔФ=Ф35-Ф0,1 | |
|---|---|---|---|
| S=0,1 г/кг | S=35 г/кг | ||
| 300 м | 0,835 | 0,995 | 0,160 |
| 30 м | 0,814 | 0,965 | 0,150 |
| 3 м | 0,799 | 0,939 | 0,140 |
| 30 см | 0,789 | 0,840 | 0,042 |
| 3 см | 0,793 | 0,802 | 0,009 |
| 3 мм | 0,660 | 0,662 | 0,002 |
Пространственно-временная структура природных вод самая разнообразная. Для океанических вод деление вертикальных неоднородностей производят на крупномасштабные (более 100 м), промежуточные (1 ... 100) и мелкомасштабные (менее 1). Различные вертикальные градации гидропараметров присущи внутренним водоемам. Временные изменения изолиний гидрополей имеют также самый разнообразный характер.
Глубинные изменения температуры океанических вод в пределах верхних стa метров составляют около 5°С, термоградации топкостратпфпцпрованных слоев (до глубин около 10 см) находятся в районе 0,01°С. Среднее значение вертикального градиента температуры в слое 0 ... 1 м составляет 0,35 ... 0,50°С, наибольшее - 3°С. Максимум градиента в верхнем метровом слое приходится на глубину 10 см (85%), из них на слои 0 ... 5 см падает 63, а на слой 5 ... 10 см - 22%. Для пресноводных вод амплитуда флюктуации достигает 0,05°С при поверхностных вертикальных масштабах пеоднородностеп порядка 0,2 ... 1 мм. В прибрежной морской зоне колебания могут достигать 8°С.
Результаты расчетов но ослаблению (Lе) амплитуды электромагнитных сигналов в пресной (соленость 0,1 г/кг) и соленой (35 г/кг) водах приведены в табл. 2.9.
Таблица 2.9. Глубина проникновения электромагнитных волн в вертикально-однородной воде при t=18 °C
Влияние концентрации растворенных солен на ослабление волн видимого диапазона, в отличие от влияния взвешенного вещества и растворенной органики, практически не обнаруживается. В ультрафиолетовом интервале длин волн (особенно при 200 ... 300 мм) влияние солености морской воды уменьшит значение Lе (для указанных длин волн в 3 ... 10 раз по сравнению с пресной (дистиллированной) водой).
Зависимость величин ε и σ снега от частоты (в диапазоне 103 ... 1010 Гц) носит практически линейный характер. Значения ε составляют единицы и практически эта величина не зависит от температуры. Значения σ растут с увеличением частоты, приближенно от 10-7 до 10-4 См/м. Частотные зависимости величин ε и σ снега и глубины проникновения Lе зондирующей волны приведены и табл. 2.10.
Таблица 2.10. Частотная зависмость величин ε, σ и Le снега
Электромагнитные волны инфракрасного диапазона ослабевают в 2,7 раза уже в поверхностном слое снега. Снег сильно отражает в видимом диапазоне, сильно поглощает в инфракрасном диапазоне, при больших длинах (миллиметровых, сантиметровых, метровых) коэффициент отражения вначале растет, а затем резко падает почти до нуля (снег становится радпопрозрачным).
Электрические параметры морского льда приведены в табл. 2.11 (σ измеряется в См/м, Le - в метрах).
| λ0, м | S=5 г/кг | S=12,5 г/кг | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| t=-15°С | t=-25°С | t=-15°С | t=-25°С | |||||||||
| ε | σX10-4 | Le | ε | σX10-4 | Le | ε | σX10-4 | Le | ε | σX10-4 | Le | |
| 30 | 12,3 | 95 | 2,6 | 7,7 | 22 | 7,2 | 17,2 | 188 | 1,5 | 10,0 | 55 | 3,3 |
| 10 | 9,3 | 146 | 1,6 | 7,7 | 38 | 4,0 | 13,1 | 257 | 0,8 | 7,7 | 85 | 1,8 |
| 5 | 8,8 | 270 | 0,7 | 7,2 | 76 | 2,0 | 9,3 | 287 | 0,6 | 5,4 | 113 | 1,2 |
| 3 | 8,1 | 427 | 0,4 | 6,7 | 128 | 1,1 | 7,7 | 372 | 0,4 | 4,4 | 167 | 0,7 |
В миллиметровом диапазоне волн при t<-7°С, S<8 г/кг значение величины ε≈3. При частотах f≈34 ГГц для соленостей льда S=3-8 г/кг электропроводность льда изменяется от 0,012 См/м (при t=-32°C) до 0,350 См/м (при t=-7°С). Для пресноводного льда диэлектрическая проницаемость е при его температурах от -3 до -50°С в диапазоне частот 10 Гц... 1 МГц уменьшается с ростом частоты в среднем от 80 до 5, при λ0<3 м она становится равной 3 и не зависит от частоты и температуры. Частотно-температурная зависимость электропроводности пресноводного льда имеет при 102<f<105 Гц восходящий характер с уменьшением длины волны (от 0,005•10-4 до 2•10-4 См/м), а при λ0=30 м значения а становятся равными 0,05 См/м. Глубины проникновения Le в пресноводный лед при t=-10°С; составляют: 200 (для λ0=300 м), 55 (для λ0=30 м), 27 (для λ0=3 м), 9 м (для λ0=0,3 м).
Акустические свойства
Упругие (акустические) параметры составляющих гидросферы связаны с их физико-химическими свойствами.
Акустические свойства
Расчеты но ослаблению (уменьшение амплитуды в е раз) акустических воли в однородной природной воде приведены в табл. 2.12.
Из табл. 2.12 видно, что ослабление при частотах более 1 МГц одинаково для морской п пресной воды (не зависит от солености).
Лед является пол и кристалл, и ческой структурой, механизм ослабления акустических колебаний в котором весьма сложен. Значение Le при f=0,1... 0,8 МГц составляет единицы и десятки сантиметров.
| f, Гц | Морская вода S=35 г/кг t=20°C | Пресная вода S=0,1 г/кг t=20°C |
|---|---|---|
| 10•103 | 1000 м | - |
| 20•103 | 334 м | 2228 м |
| 40•103 | 100 м | 667 м |
| 60•103 | 50 м | 313 м |
| 80•103 | 33 м | 200 м |
| 100•103 | 20 м | 143 м |
| 200•103 | 13 м | 50 м |
| 400•103 | 10 м | 25 м |
| 600•103 | 5,3 м | 13 м |
| 800•103 | 4,5 м | 8,3 м |
| 1•103 | 3,8 м | 5,6 |
| 2•103 | 1,7 м | 1,7 м |
| 4•103 | 45 см | 45 см |
| 6•103 | 17 см | 17 см |
| 8•103 | 10 см | 10 см |
| 10•103 | 5,6 см | 5,6 см |
| 20•103 | 1,4 см | 1,4 см |
| 40•103 | 3 мм | 3 мм |
Акустические волны в природных водах (λ0<10 см), также как видимые и инфракрасные электромагнитные волны, испытывают ослабление за счет взвешенных частиц, пузырьков газов, морских организмов. Температурная зависимость ослабления упругих волн в воде весьма существенна: при частотах, меньших частоты релаксации fр (значение fp для воды 1 ... 10 МГц), глубина ослаблении Le при 30°С в три раза меньше, чем при 4°С; при частотах f≈fp эта зависимость имеет более сложный характер. Значение глубины ослабления увеличивается. Приближенно на 2% при увеличении глубины до 300 м (30 атм), на 70% - на глубине 4 500 м (эти данные справедливы для морских вод и частот более 5 кГц).
Звуковое давление при переходе из воздуха в воду уменьшается, в среднем в 2 000 раз (коэффициент отражения по давлению практически равен единице), а при обратном переходе увеличивается всего в 2 раза. При отражении от волнующихся, турбулентных границ, от быстрых физико-химических флюктуации и псодпородностен гидропелеп, подводных объектов происходят изменения амплитуды (интенсивности) акустической волны, а также частотные превращения (появляются новые частотные составляющие, образующие частотный спектр отраженного сигнала).
Скорость акустических волн в водной среде зависит от температуры солености, давления и их пространственных распределений, характеристик газовых включений, взвешенных веществ, пульсации во времени физико-химических характеристик природных вод и др. Усредненные изменении имеют для океана следующие прямо пропорциональные значения: на 1°С скорость звука растет на 3,0 м/с, на 1 г/кг солености - 1,2 м/с, на 106 Па (10 атм) давления - 1,6 м/с. В мелководных районах, континентальном шельфе, внутренних акваториях эти зависимости носят еще более сложный, нерегулярный характер.
Скорость распространения акустических волн в донных породах значительно больше, чем в воде, хотя в иловом дне она зачастую меньше. Так, в плотных глинах скорость может достигать 3000 м/с, в гранитных породах - 5000 ... 6000, в вулканических - 4300 ... 6900, т. е. время прохождения звуковых Колебаний в этих породах различно.
Следует обратить внимание, что в процессе техпогенеза возросли загрязнения гидросферы: химические, бактериальные, радиоактивные, тепловые. Сточные воды современного химического производства (предприятия нефтехимии, пластмасс, искусственного волокна, целлюлозы, минеральных удобрений, серной кислоты, соды и др.) содержат органические и неорганические соединения. Отвод термальных вод энергопроизводителей и энергопотребителей дает разницу температуры в водоемах до 20 ... 30°С, что уменьшает содержание кислорода, стимулирует развитие вредных водорослей. Бытовые сточные воды, отходы медицинских учреждений, научных лабораторий и некоторых промышленных произ