Хмара1
.doc-
Вода в природе и жизни человека. Понятие о гидросфере. Вода — одно из самых распространенных на Земле химических соединений. Природные воды образуют океаны, моря, озера, реки, водохранилища, болота, ледники, в виде пара находятся в атмосфере, проникают в почву и горные породы литосферы. Без воды невозможно существование биосферы и жизни на Земле. Исключительно велика роль воды в формировании географической оболочки Земли и облика поверхности нашей планеты. Вода — важный компонент многих ландшафтов. Вода — не только элемент природной среды, но и активный геологический и географический фактор: она служит носителем механической и тепловой энергии, транспортирует вещества, совершает работу. Вода используется человеком не только как необходимое средство жизнедеятельности. Современная экономика основана на широком применении воды: получение энергии (гидроэнергетика, тепловая и атомная энергетика); необходимое условие существования сельского хозяйства, водного транспорта, добывающих отраслей промышленности, рыбного хозяйства, коммунального хозяйства, отдыха и туризма. Вода поистине пронизывает всю жизнь человека. Нехватка воды —тяжкое бедствие для людей. Вода — важнейший компонент многих экосистем, причем не только водных, но и наземных, поэтому наличие воды — непременное условие поддержания экологического равновесия и биоразнообразия как в водных объектах, так и на суше. Вода — бесценное богатство человечества, поэтому водные ресурсы люди должны бережно и экономно использовать и охранять.
2.Общая гидрология, как наука, изучающая наиболее общие закономерности гидрологических процессов , ее предмет, задачи, составные части, взаимосвязь с другими науками. Гидрология — наука комплексная и относится к циклу географических наук. На ранней стадии развития гидрологии как науки ее подразделяли на две части — гидрологию моря и гидрологию суши. В настоящее время гидрология моря выделилась в самостоятельную науку — океанологию. В задачу океанологии входит комплексное изучение процессов, протекающих в Мировом океане, изучение свойств воды как среды обитания живых организмов, установление взаимосвязи между процессами в водах океана и процессами, протекающими в атмосфере, литосфере и биосфере. Гидрология суши подразделяется на собственно гидрологию суши (общую) и гидрографию. Собственно гидрология суши ставит своей задачей изучение общих свойств водных объектов суши, законов, управляющих происходящими в них процессами, и общего взаимодействия этих вод с окружающей средой, включая и те изменения, которые происходят под влиянием деятельности человека. Гидрография суши занимается изучением конкретных водных объектов и вод отдельных территорий, основываясь на общих закономерностях, установленных собственно гидрологией. Подземные воды, находящиеся в земной коре, т. е. в среде» где воды не представляют собой основную массу вещества, а входят в нее как составная часть, являются предметом изучения гидрогеологии — раздела геологии. Аналогично изучение почвенных вод является одной из задач почвоведения, а изучение воды атмосферы— одной из задач метеорологии и климатологии. Одним из важных свойств воды как жидкости является ее подвижность. Изучение законов движения и равновесия жидкости — задача гидромеханики и ее прикладного раздела — гидравлики. Изучением физических свойств природной воды как жидкости и физических процессов, происходящих в водной оболочке Земли и ее объектах, занимается гидрофизика — раздел геофизики. Изучение состава и химических свойств природных вод и их изменения во времени и в пространстве является содержанием раздела геохимии — гидрохимии. 3. МЕТОДЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Важнейшее место в гидрологии занимают методы полевых исследований. Полевые исследования подразделяют на экспедиционные и стационарные. Первые из них заключаются в проведении относительно кратковременных экспедиций на водных объектах. Вторые состоят в проведении длительных наблюдений в отдельных местах водных объектов — на специальных гидрологических станциях и постах.
В последнее время стали широко применяться так называемые нетрадиционные дистанционные методы наблюдения и измерения с помощью локаторов, аэрокосмические съемки и наблюдения, автономные регистрирующие системы.
С помощью радиолокаторов ведут наблюдения за дождевыми облаками; этот метод в будущем позволит прогнозировать атмосферные осадки и вызываемые ими дождевые паводки. Снимки со спутников позволяют вести наблюдения за замерзанием и вскрытием рек, разливами и наводнениями, ледяными заторами, состоянием ледников, течениями в океане и т. д..
Широко используют в гидрологии и методы экспериментальных исследований. Различают эксперименты в лаборатории и эксперименты в природе. В первом случае на специальных лабораторных установках проводят эксперименты в условиях. Во втором случае наблюдения проводят на небольших участках природных объектов, специально выбранных для детальных исследований.
Установить связи между различными гидрологическими характеристиками или между ними и другими определяющими факторами в конкретных природных условиях, а также оценить вероятность наступления того или иного гидрологического явления помогают статистические методы, использующие современные приемы обработки данных наблюдений и математической статистики. Теоретические методы в гидрологии базируются, с одной стороны, на законах физики, а с другой — на географических закономерностях пространственно-временных изменений гидрологических характеристик. 5. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ. 6. ВОДА КАК РАСТВОРИТЕЛЬ
Вода — слабый электролит, диссоциирующий по уравнению
Н20<->Н+ + ОН
Уравнение (1.1) характеризует так называемое ионное равновесие воды. Состояние ионного равновесия природных вод отражает водородный показатель рН.
Величина рН характеризует кислотную или щелочную реакцию воды. Величина рН = 7 харак-к-ризует нейтральную, рН > 7 — щелочную, рН < 7 — кислую реакцию воды. Благодаря особенностям молекулярного строения вода обладает свойством хорошо растворять различные химические вещества. Природная вода представляет собой слабый раствор.
Суммарное содержание в воде растворенных неорганических веществ выражают либо в виде минерализации М (мг/л, г/л), либо в относительных единицах. По содержанию солей (минерализации или солености) природные воды подразделяют на четыре группы: пресные — менее 1, солоноватые—\—25, соленые (морской солености) — 25—50, высокосоленые (рассолы) — свыше 50 %о.
К числу главных ионов солей, находящихся в природных водах, относятся отрицательно заряженные ионы (анионы): HCO — гидрокарбонатный, SO4 — сульфатный, С1~ — хлоридный и положительно заряженные ионы (катионы) — кальция Ca2t, магния Mg2+, натрия Na+ и калия К+.
Все природные воды делятся по преобладающему аниону на три класса: гидрокарбонатный, сульфатный и хлоридный; по преобладающему катиону на три группы: кальциевую, магниевую, натриевую.
7. Газы, Биогенные и органические вещества, микроэлементы, загрязняющие вещества в природных водах. Газы хорошо растворяются в воде, если способны вступать с ней в химические связи. Прочие газы мало растворимы в воде. При понижении или, повышении температуры и увеличении солености растворимость газов в воде уменьшается. Наиболее распространенные газы, растворенные в природных водах,— это кислород, азот, диоксид углерода С02, сероводород H2S. Источниками поступления газов в воду служат атмосфера, жизнедеятельность растений, разложение органического вещества .
К числу так называемых биогенных веществ, растворенных в воде и потребляемых в процессе жизнедеятельности организмов, относятся соединения азота N, фосфора Р, кремния Si. Эти вещества поступают в воду из атмосферы, грунтов, а также при разложении сложных органических соединений. Их источником служат также промышленные, сельскохозяйственные и бытовые стоки.
Содержатся в воде и различные растворенные органические вещества: углеводы, белки и продукты их разложения, липиды — эфиры жирных кислот, гуминовые вещества и др.
Микроэлементами называют вещества, находящиеся в воде в малых количествах (менее 1 мг/л). Многие микроэлементы в очень малых концентрациях необходимы для жизнедеятельности организмов, а в повышенных концентрациях могут стать ядами. К микроэлементам в природных водах относятся и радиоактивные вещества естественного или смешанного происхождения.
Особую категорию содержащихся в воде соединений составляют так называемые загрязняющие вещества (ЗВ), оказывающие вредное воздействие на живую природу и жизнедеятельность человека. Это прежде всего нефтепродукты, ядохимикаты, удобрения, моющие средства, некоторые микроэлементы . и кадмий), радиоактивные вещества. 8. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ. Агрегатные состояния воды и фазовые переходы
Вода может находиться в трех агрегатных состояниях— твердом (лед), жидком (собственно вода), газообразном (водяной пар). Очень важно, что при реально существующих на Земле диапазонах атмосферного давления и температуры вода может находиться одновременно в разных агрегатных состояниях. В этом отношении вода существенно отличается от других физических веществ, находящихся в естественных условиях преимущественно либо в твердом (минералы, металлы), либо в газообразном (02, N2, С02 и т. д.) состоянии. Температура, при которой происходит плавление льда (или кристаллизация воды), называется температурой или точкой. Температура, при которой давление насыщенного водяного пара равно внешнему давлению, называется температурой или точкой кипения. Температура замерзания Тшм и температура кипения воды ТКИЛ зависят от давления. Аномально высокие значения температуры замерзания и кипения предопределяют возможность существования воды на планете как в твердом, так и в жидком состоянии и служат определяющими условиями основных гидрологических и других природных процессов на Земле. Да и сам облик нашей планеты есть следствие этих особенностей свойств воды. Земля, по-видимому, единственная планета в Солнечной системе, где вода находится в жидком состоянии 9. Плотность воды
Плотность — главнейшая физическая характеристика любого вещества. Она представляет собой массу однородного вещества, приходящуюся на единицу его объема:
p = m/V,
Плотность воды, как и других веществ, зависит прежде всего от температуры и давления и скачкообразно изменяется при фазовых переходах. При повышении температуры плотность воды, как и любого другого вещества, в большей части диапазона изменения температуры уменьшается, что связано с увеличением расстояния между молекулами при росте температуры. Эта закономерность нарушается лишь при плавлении льда и при нагревании воды. Здесь отмечаются еще две очень важные «аномалии» воды: 1) плотность воды в твердом состоянии (лед) меньше, чем в жидком (вода), чего нет у подавляющего большинства других веществ. 2) в диапазоне температуры воды от 0 до 4 °С плотность воды с повышением температуры не уменьшается, а увеличивается. Особенности изменения плотности воды связаны с перестройкой молекулярной структуры воды. Эти две «аномалии» воды имеют огромное гидрологическое значение: лед легче воды и поэтому «плавает» на ее поверхности; водоемы обычно не промерзают до дна, так как охлажденная до температуры ниже 4 °С пресная вода становится менее плотной и поэтому остается в поверхностном слое. 10. Тепловые свойства воды
К важным особенностям изменения агрегатного состояния воды или так называемых фазовых переходов относятся большая затрата теплоты на плавление, испарение, кипение, возгонку и большое выделение теплоты при обратных переходах. В сравнении с другими веществами удельная теплота плавления льда и удельная теплота парообразования аномально высоки. Они представляют две очередные «аномалии» воды.
Удельная теплота плавления пресного льда Lm - количество теплоты, затрачиваемое при превращении единицы массы льда при температуре плавления и нормальном атмосферном давлении в воду. Удельная теплота парообразования (испарения) - количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы воды в пар зависит от температуры. Удельная теплота испарения льда (возгонки) складывается из удельной теплоты плавления и удельной теплоты испарения.. Удельная теплоемкость воды - количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы воды на один градус.
Теплоемкость чистого льда почти в два раза меньше теплоемкости воды, а чистого сухого снега меньше теплоемкости воды, больше теплоемкости воздуха. С увеличением содержания в воде солей удельная теплоемкость воды слабо уменьшается. Поэтому теплоемкость морской воды немного меньше, чем пресной. Отмечается также небольшое уменьшение удельной теплоемкости воды с увеличением давления, что также имеет некоторое значение для тепловых процессов в толще океана. Отмеченные особенности тепловых свойств воды — аномально большие удельная теплота плавления, удельная теплота испарения и удельная теплоемкость воды, а также аномально высокие температура плавления и температура кипения — объясняются одной и той же причиной: наличием сильных межмолекулярных взаимодействий в жидкой воде и льде, о которых речь шла выше. Поэтому для плавления льда, нагревания и испарения воды, при которых преодолеваются водородные связи, необходимы гораздо большие затраты энергии, чем для других веществ. Из других тепловых свойств воды важное значение имеет теплопроводность.
11. Вязкость воды. Поверхностное натяжение. 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 и динамическим коэффициентом вязкости
Вязкость воды уменьшается с повышением ее температуры. Поэтому в холодное время года вязкость воды несколько больше, чем в теплое. 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. Лед — твердое тело, обладающее пластичностью, которая позволяет ему в некоторых условиях, например в ледниках, двигаться.
Поверхностное натяжение и смачивание. У воды по сравнению с другими жидкостями очень высокое поверхностное натяжение. С ростом температуры поверхностное натяжение воды немного уменьшается. Лишь ртуть в жидком состоянии обладает более высоким поверхностным натяжением.
Необычайно высокое поверхностное натяжение воды способствует размыву почв и фунтов: 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.
12. Ламинарные и турбулентные, установившиеся и неустановившиеся, равномерные и неравномерные движения воды. Движение воды считают установившимся (стационарным), если скорость течения во времени не изменяется, и неустановившимся (нестационарным), если скорость течения во времени—величина переменная . Установившееся движение, в свою очередь, подразделяют на равномерное, если скорость течения вдоль потока остается неизменной, и неравномерное, если скорость течения вдоль потока изменяется. При равномерном движении равна нулю и полная производная скорости .
Выделяют два гидродинамических режима движения воды: ламинарный и турбулентный. Слово «ламинарный» происходит от латинского слова, означающего «слоистый», слово «турбулентный» — от латинского слова, означающего «беспорядочный». И действительно, при ламинарном режиме частицы воды движутся по параллельным траекториям без перемешивания; при турбулентном режиме их движение имеет хаотический характер, в потоке формируются вихри и активизируются процессы перемешивания воды, скорости течения непрерывно изменяются по величине и направлению. Ламинарный режим может переходить в турбулентный при увеличении скорости течения.
13. Круговорот воды: глобальный круговорот, его материковое и океаническое звенья; внутриматериковый круговорот. Глобальный круговорот воды (гидрологический цикл). В глобальном круговороте воды выделяют два звена: океаническое звено,, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности океана — перенос водяного пара над океаном — осадки на поверхность океана — океанические течения — испарение и т. д. ; материковое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности суши — перенос водяного пара — осадки на поверхность суши — поверхностный и подземный сток — испарение и т. д. Оба звена связаны между собой переносом водяного пара с океана на сушу и, наоборот, поверхностным и подземным стоком с суши в океан.
Внутриматериковый влагооборот. Осадки на любом участке суши складываются из «внешних», сконденсировавшихся из водяного пара, пришедшего извне, и «внутренних» (или местных), сконденсировавшихся из влаги, испарившейся с поверхности данного конкретного участка суши. Этот сложный многократно повторяющийся процесс называется внутриматериковым влагооборотом.
14. водный баланс Земного шара, Мирового Океана, суши. ВО́ДНЫЙ БАЛА́НС ЗЕМЛИ́, соотношение, связывающее количество воды, поступающей на поверхность земного шара в виде осадков, и количество воды, испаряющейся с поверхности суши и Мирового ок. за определенный период времени. В средний многолетний период годовое количество осадков равно 1020 мм, испарение с поверхности Мирового океана 880 мм и с суши 140 мм. Водный баланс Земли — количественное выражение влагооборота на Земле. Он тесно связан с тепловым балансом и наряду с ним — один из важных показателей для характеристики природных зон. баланс мирового океана и суши. Водный баланс связан с тепловым через испарение, так как на него затрачивается тепло, которое освобождается при конденсации водяного пара. Влагооборота сопровождается перераспределением тепла между геосферами и отдельными районами Земли, что важно для функционирования географической оболочки. Помимо этого, в процессе влагооборота происходит обмен веществом (солями, газами). 15. Влияние гидрологических процессов на природную среду. В настоящее время отмечается заметное потепление климата. Объем материковых ледников медленно уменьшается, о чем свидетельствует продолжающееся повышение уровня Мирового океана. По-видимому, этот процесс будет продолжаться и дальше.
Геоморфологический облик современной суши, да и довольно обширной прибрежной зоны океанов и морей, без всякого сомнения, сформировался под огромным и в ряде случаев решающим воздействием гидрологических процессов. В современном рельефе суши многочисленные формы обязаны своим происхождением эрозионной, транспортирующей и аккумулирующей роли текущей воды. Размещение организмов на планете в целом подчиняется климатической зональности, но существенно зависит от наличия воды и ее физико-химических свойств. Основной средой обитания животных служит океан. Растения заселяют и океан и сушу; в последнем случае их распространение во многом определяется тремя факторами: поступлением тепла, характером почв и, что особенно важно, наличием воды.
16. Понятие о водных ресурсах. Водные ресурсы земного шара Водные ресурсы представляют собой весьма важную часть используемых человеком природных ресурсов, к которым также относятся ресурсы земельные, минеральные, растительные, ресурсы животного мира, энергия солнца, ветра, теплота и др.
Водные ресурсы в широком смысле — это все природные воды Земли, представленные водами рек, озер, водохранилищ, болот, ледников, водоносных горизонтов, океанов и морей. Наиболее ценными водными ресурсами являются запасы пресных вод. Ресурсы пресных вод складываются из так называемых статических (или вековых) запасов воды и из непрерывно возобновляемых водных ресурсов, т. е. стока рек.
Статические (вековые) запасы пресных вод представлены не подверженной заметным ежегодным изменениям частью водных объемов озер, ледников, подземных вод.
Возобновляемые водные ресурсы — это те воды, которые ежегодно восстанавливаются в процессе круговорота воды на земном шаре. Российская Федерация по общим запасам пресных вод занимает среди стран мира первое место и уступает лишь Бразилии по возобновляемым водным ресурсам. Несмотря на благоприятное в целом состояние возобновляемых водных ресурсов России, в ряде районов имеются серьезные проблемы с водообеспечением населения и хозяйства. Эти проблемы связаны с крайне неравномерным и не соответствующим потребностям. в воде распределением водных ресурсов по территории страны, с большой их временной изменчивостью и высокой загрязненностью вод. Хорошо обеспечены водой Сибирский и Дальневосточный федеральные округа, в меньшей степени — Уральский и Северо-Западный, хуже всего — Приволжский, Центральный и Южный. 17. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЛЕДНИКОВ И ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЕ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ Ледник — это масса фирна и льда, образовавшаяся путем длительного накопления и преобразования твердых атмосферных осадков и обладающая собственным движением. Согласно Атласу снежно-ледовых ресурсов мира (1997) площадь современного оледенения на планете (площадь, занятая многолетним льдом и снегом) составляет 16,25 млн км 2, или 10,9 % поверхности суши. Если в том или ином районе земная поверхность имеет высоты, превышающие высоту климатической снеговой линии, то именно здесь накопление снега приводит к его преобразованию в фирн и лед и возникает ледник. Таким образом, главная причина существования оледенения — климатическая. Основным условием существования ледников служит положительный снеговой баланс, т. е. преобладание накопления снега над его расходованием, чему способствует большое количество твердых атмосферных осадков и длительный период отрицательных температур воздуха.
Наиболее благоприятен для образования ледников морской климат с большим количеством осадков и прохладным летом. Сухой континентальный климат с жарким летом менее благоприятен для образования ледников. 18. снеговой баланс и снеговая линия. Типы ледников. В холодный период года на обширных территориях суши идет накопление твердых атмосферных осадков — снега. В теплый период года на большей части территории снег растаивает. В каждый момент времени можно найти границу между поверхностью, покрытой снегом, и поверхностью, где снега нет. Эта граница называется сезонной снеговой линией. Естественно, что в течение года эта линия смещается в пространстве. Среднее положение снеговой линии называется климатической снеговой линией. Выше ее в среднем за год снега может накапливаться больше, чем растаять или испариться, ниже весь выпавший за зиму снег летом должен полностью растаять. Выше климатической снеговой линии наблюдается положительный снеговой баланс, ниже — отрицательный снеговой баланс, на самой линии — нулевой снеговой баланс. Ледники на Земле подразделяются на две основные группы: покровные и горные.
Покровные ледники размещаются на материках или крупных островах: к ним относятся ледники Антарктиды, Гренландии, арктических островов. Форма покровных ледников в меньшей степени, чем у горных, зависит от рельефа подстилающей поверхности земли и в основном обусловлена распределением снегового питания ледника. Покровные ледники подразделяются на ледниковые купола; ледниковые щиты ; выводные ледники ; шельфовые ледники. Горные ледники подразделяются на три подгруппы. Это ледники вершин, лежащие на вершинах отдельных гор, хребтов и горных систем, в кальдерах вулканов; ледники склонов, занимающие депрессии на склонах горных хребтов; долинные ледники, располагающиеся в верхних и средних частях горных долин.
19. Образование и строение ледников. Питание и таяние ледников, баланс льда и воды в ледниках. На каждом леднике можно выделить две области: верхнюю, где идет накопление снега, фирна и льда, и нижнюю, где лед, переместившийся из первой области, тает. Эти области называют соответственно областью питания и областью абляции. Выпадающий на поверхность ледника и поступающий с прилегающих склонов снег постепенно накапливается, уплотняется под давлением вышележащих слоев и под влиянием рекристаллизации и частичного таяния и замерзания просочившейся воды превращается сначала в зернистый снег, а затем в фирн, или зернистый лед, представляющий собой конгломерат бесформенных зерен льда. Дальнейшее уплотнение фирна и рекристаллизация приводят к образованию ледникового льда. Питание ледника. Основным источником питания ледника служат твердые атмосферные осадки. Кроме них в питании ледника участвуют дождевые жидкие осадки; принос ветром снега на поверхность ледника со смежных горных склонов; лавины, приносящие дополнительные объемы снега на ледник и т.д. Баланс льда и воды в леднике. Поскольку в ледниках происходит переход льда в воду и, наоборот, воды в лед, а лед и вода имеют различную плотность, баланс вещества в ледниках удобнее всего выражать в единицах массы. Граница питания ледника может совпадать с фирновой линией, отделяющей область распространения фирна от области обнаженного льда, но может лежать и несколько ниже фирновой линии. В этом случае между границей фирна и границей питания ледника находится полоса так называемого «наложенного» льда, образовавшегося в результате повторного замерзания талой воды (зона ледяного питания).
20. РЕЖИМ И ДВИЖЕНИЕ ЛЕДНИКОВ. Роль ледников в питании рек. Под режимом ледника понимается совокупность всех процессов, происходящих на поверхности и в толще ледника, включая изменение его массы и формы, наступание и отступание. в периоды положительного баланса льда ледники должны наступать, в период отрицательного баланса льда — отступать. Эта связанная с изменением баланса массы ледника и имеющая климатическую природу закономерность выполняется, однако, не всегда строго. Движение ледников. От наступания и отступания ледников, связанных в основном с изменением условий их питания и таяния, следует отличать движение ледников, проявляющееся в перемещении (всегда в одном направлении) самих масс льда. Благодаря пластичности лед оказывается текучим и под действием силы тяжести и давления медленно перемещается.