Для специальности 020801.65 «экология»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Дагестанский государственный университет

Факультет экологии

Кафедра географии

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплинам

«УЧЕНИЕ О ГИДРОСФЕРЕ»

Для специальности 020801.65 «экология»,

Направление бакалавриат 020800.62 «экология и природопользование»

«ГИДРОЛОГИЯ»

Специальность: 020401.65 «география»

Содержание

Введение в предмет
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРОЛОГИИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ, ХИМИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ПРИРОДНЫХ ВОД
Общие понятия.
Физические основы гидрологических явлений и процессов
УСЛОВИЯ И ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПРИРОДНЫХ ВОД
Физико-географические условия (рельеф, климат, процессы выветривания и почвенный покров)
Классификация вод по их химическому составу (классификация О.А. Алекина)
КРУГОВОРОТ ВОДЫ И СОДЕРЖАЩИХСЯ В НЕЙ ВЕЩЕСТВ
Атмосферное звено
Океаническое звено
Литогенное звено
Почвенное звено
Речное звено
Озерное звено круговорота
Биологическое звено круговорота
Хозяйственное звено круговорота
МИРОВОЙ ОКЕАН
Происхождение океанической части земной коры, солевой и водной масс океана
Определение понятия «Мировой океан»
Единство и части Мирового океана
Рельеф Океана
Донные отложения
Основные особенности морской (океанической) воды
Распределение солености, температуры и плотности в Мировом океане
Морские льды
Химический и газовый состав
Водные массы и фронтальные зоны Мирового океана
Течения
Циркуляция глубинных вод
Апвеллинг
Волнение
Приливы
Океан как среда жизни. Вертикальная и горизонтальная зональность океана.
ГИДРОЛОГИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Движение подземных вод. Баланс вод зоны аэрации
Типы взаимодействия подземных и поверхностных вод
ГИДРОЛОГИЯ РЕК.
Характеристики реки и ее бассейна. Речная долина
Питание, водный режим рек, водный баланс речного бассейна
Речные наносы и русловые процессы
Температура воды и ледовые явления
Химический состав и гидрохимический режим рек
Устьевые области рек
ГИДРОЛОГИЯ ОЗЕР
Морфометрические характеристики и морфология озер
Водный баланс и внешний водообмен озер
Колебания уровня воды в озерах
Ветровое волнение в озерах, течения, перемешивание вод
Температурный режим и ледовые явления на озерах
Гидрохимический режим озер
Гидробиологические характеристики озер
Наносы и донные отложения в озерах
ГИДРОЛОГИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ
Назначение водохранилищ
Классификация водохранилищ. Их морфометрические характеристики
Особенности водного баланса и режима водохранилищ
Заиление водохранилищ и переформирования их берегов
Влияние водохранилищ на реки и окружающую природу
ГИДРОЛОГИЯ БОЛОТ
ГИДРОЛОГИЯ ЛЕДНИКОВ
Режим и баланс ледника
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Понятие о водных ресурсах. Водные ресурсы земного шара
Водные ресурсы частей света
Водные ресурсы России

ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ

Происхождение воды.

Вода - самый распространенный на земле минерал. Богатство водой - космическая особенность нашей планеты. Все (или почти все) процессы географической оболочки протекают при участии воды. А главное, что зарождение, существование и развитие живого вещества (биосферы) связано с водой. Ей принадлежит важнейшая роль в истории развития Земли. В свете космогонической теории происхождение воды на Земле представляется в следующем виде (по А.В. Виноградову). Земля при достижении примерно современной массы стала разогреваться, в мантии начались плавление и дифференциация вещества на летучие, легкоплавкие и тугоплавкие компоненты. Тугоплавкие компоненты остались в мантии, легкоплавкие в виде базальта образовали земную кору, а летучие, в т.ч. и водяной пар, поднялись на поверхность. По мере охлаждения земной поверхности из водяного пара формировалась водная оболочка - гидросфера. Она появилась на завершающем этапе образования планеты.

Выделение воды из мантии происходит и теперь - около 1 км³ в год. Эта вода называется ювенильной (юной).

Вода поступает и из межпланетного пространства. Исходя из того, что в поступающем из вселенной на Землю в межпланетном веществе содержится около 0,5% воды. Подсчитано, что за геологическое время на Землю выпало около 0,73 х 10²г воды (или слой в 15см). Следовательно, межпланетное пространство не может рассматриваться как прародитель воды на Земле. Выделяясь из мантии, и переходя из парообразного в жидкое состояние, вода растворяла другие летучие вещества, одновременно сформировался влагооборот. Вода проникла в атмосферу и на материки. Появились реки, озера, подземные воды и ледники.

Развитие гидросферы.

Водная оболочка Земли развивалась вместе с литосферой, атмосферой и живой природой.

В архее, в жарком климате интенсивно протекал круговорот воды по сокращенной схеме: океан - атмосфера - океан. Не было зеленых растений, интенсивно поступала ювенильная вода. Объем гидросферы увеличился.

С протерозоя начинается рост массы живого вещества, в развитии гидросферы активно начинает участвовать фотосинтез, изымающий значительное количество воды. Одновременно шло развитие материков, горообразование, формирование мощной коры выветривания. Эти процессы также связали значительную массу воды.

В палеозое, литосфера переживала бурное геологическое развитие, моря заливали геосинклинали и трансгрессировали на платформы, которые то поднимались, то опускались. Земная поверхность дифференцировалась на материковую и океанскую. Неуклонно росла континентальная часть гидросферы (реки, озера, подземные воды).

Увеличивалась масса зеленых растений, достигая апогея в карбоне. Дифференцировались климаты.

В мезозое и палеогене сформировались современные океаны. Возраст океанов различный.

Особого внимания заслуживает роль фотосинтеза в развитии гидросферы. Фотосинтез изымает и захороняет на некоторое время часть воды и выступает в качестве регулятора объема гидросферы. Без него географической оболочке угрожало бы затопление. Если мы вспомним процесс фотосинтеза: из 4х молекул воды безвозвратно разлагается только одна, а 3 снова образуют воду. Следовательно, из общего объема воды, идущей на фотосинтез, изымается только 25%, а 75% обратно возвращаются в гидросферу. Вот почему все природные воды эндогенно-биогенные.

Единство и части гидросферы

Гидросфера состоит из Мирового океана, вод суши (реки, озера, ледники, подземные воды). Гидросфера непрерывна. В гидросферу обычно не включают атмосферную влагу (0,001% объема гидросферы), но роль ее несравненно больше в сравнении с местом, которое она занимает по объему (табл.1).

Количество воды на Земле до сих пор достаточно надежно не определено, в т.ч. в связи с трудностями подсчета ее массы внутри земной коры.

Таблица 1.Объем гидросферы

Части гидросферы	Объем, тыс.км3	Доля общего объема в %	Время обновления
1.Океан		93,93	3 тыс. лет
2.Подземные воды		4,12	300 лет
3.Ледники		1,65	15 тыс. лет
4.Озера		0,16	200 лет
5.Реки	1,2	0,0001	12 сут.
6.Почвенная влага		0,005	1 год
7.Атмосферная влага		0,001	9 сут.
	1458642,2	100%

Главная масса природной воды сосредоточена в океанах (около 94%). Из них около 32-35 тыс. км³ приходится на айсберги – это большой резервуар пресной воды. Второе место по объему занимает вода земной коры. Ее объем не поддается точному учету из-за невозможности надежно подсчитать количество свободной и связанной воды, да и термодинамические условия литосферы допускают существование воды. Третье место занимают ледники – это тоже резерв пресной воды. Объем воды в ледниках составляет где-то 1,65% объема гидросферы и 90% общего запаса пресной воды. Объем озерной воды – 230 тыс. км³, в водохранилищах – 5тыс. км³. В реках всего 0,0001%, но вода в них весьма активна и ее роль определяется не столько удельным весом, сколько быстротой смены.

Почвенная влага участвует в питании растений.

Условно к гидросфере можно причислить воду, содержащуюся в живых организмах (около 50 км³) где-то 0,003% водной оболочки. Сухопутные организмы на 80%, водные на 90%, споры на 50% состоят из воды. Представление о времени обновления воды в природе дают следующие числа – льды обновляются за 15 тыс. лет, подземные воды (в 1км. слое) за 300 лет, озерные воды – 3,5 года, почвенные – 8-11 мес., речные – 12 суток. Приняв во внимание быструю смену воды в организмах, можно понять, что за короткое время живое вещество перерабатывает всю природную воду.

ИТАК: гидросфера – водная оболочка Земли, включающая всю химически несвязанную воду в жидком, твердом и газообразном состоянии.

Верхняя граница гидросферы – тропосфера (тропопауза), нижняя примерно 4 км. Вглубь Земли (в МО – по дну).

По массе гидросфера составляет 1/4000 часть от массы Земли (m_Земли = 10¹⁵).

Рис. 1. Схема строения молекулы воды

Молекула воды характеризуется значительной полярностью вследствие того, что в ней оба атома водорода располагаются не на прямой, проведенной через центр атома кислорода, а как бы по одну сторону от атома кислорода. Это приводит к неравномерности распределения электрических зарядов. Сторона молекулы с атомом кислорода имеет некоторый избыток отрицательного заряда, а противоположная сторона, в которой размещены атомы водорода - избыток положительного заряда электричества. Наличием полярности и некоторых других сил обусловлена способность молекул воды объединяться в агрегаты по несколько молекул.

Простейшую формулу H₂O имеет молекула парообразной воды. Молекула воды в жидком состоянии представляет собой объединение двух простых молекул (Н₂O)₂, молекула льда - объединение трех простых молекул (Н₂0)з. Простая, не объединившаяся с другой, молекула воды Н₂0 называется гидроль, образование из двух объединившихся молекул воды, т. е. (Н₂0)₂, - дигидроль, а соединение из трех простых молекул (Н₂0)з - тригидроль. Образование дигидроля и тригидроля происходит вследствие притяжения молекул воды друг к другу в результате отмеченного выше эффекта полярности, свойственного молекулам воды.

Во льду преобладают молекулы тригидроля, имеющие наибольший объем, а простые, необъединившиеся молекулы в нем отсутствуют. В парообразном состоянии при температуре свыше 100°С, вода состоит главным образом из молекул гидроля, так как значительная скорость движения молекул при этой температуре нарушает ассоциацию (объединение) молекул. В жидком состоянии вода представляет собой смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, соотношение между которыми меняется с изменением температуры. Между формами молекул воды в зависимости от температуры установлено следующее соотношение (в процентах):

Форма молекулы	Лед	Вода
0оС	4оС	38оС	98оС
Н2О
(Н2О)2
(Н2О)3

Существует и вторая модель строения воды. Исследование воды при помощи спектрального анализа показывает, что структура расположения кристаллов в молекуле воды при температурах ниже 4°С, включая и фазу льда, сходна со строением кристалла тридимита, а при более высоких температурах - со строением кристалла кварца. При понижении температуры кварцевая структура воды постепенно замещается тридимитовой. Принимая во внимание, что лед по структуре сходен с тридимитом (т. е. подобен графиту), и предполагая, что строение воды подобно строению кварца (т. е. алмаза), можно понять, что замещение одной структуры другой приводит к возникновению аномалий воды, в частности, к уменьшению плотности при замерзании.

Плотность и удельный объем. Под плотностью воды r понимается отношение ее массы m к объему V, занимаемому ею при данной температуре, т.е.

r = m/V где r - в г/см³.

За единицу плотности принята плотность дистиллированной воды при 4°С.

Величина, обратная плотности, т. е. отношение единицы объема к единице массы, называется удельным объемом:

v = V/m где v - в см³/г.

Плотность воды зависит от ее температуры, минерализации, давления, количества взвешенных частиц и растворенных газов. С повышением температуры плотность всех жидкостей, как правило, уменьшается. Вода в этом отношении ведет себя аномально: при температурах выше 4°С плотность ее с повышением температуры уменьшается, а в интервале температур 0-4°С увеличивается. Аномальное изменение плотности воды объясняется особенностями ее строения. При нагревании воды идут два параллельных процесса: первый - нормальное увеличение объема за счет увеличения расстояния между молекулами, второй - уменьшение объема благодаря возникновению более плотных гидролей и дигидролей.

В зоне температур выше 4°С интенсивнее происходит первый процесс, в интервале 0-4°С - второй. В момент выравнивания влияния, оказываемого этими процессами на изменение объема воды, наступающего при 4°С, наблюдается наибольшая плотность, С точки зрения структурной модели строения воды аномальное изменение плотности при изменении температуры объясняется постепенной заменой при повышении температуры от 0 до 4°С тридимитовой рыхлой упаковки более плотной кварцевой.

Изменения плотности воды на при изменении t на один градус в различных интервалах температуры неодинаковы. Они очень малы около температуры наибольшей плотности и быстро возрастают по мере удаления от нее. Так, при температуре, близкой к 4°С, изменение плотности воды при изменении t на один градус составляет 8*10^-6, при температуре около 30°С - до 3*10^-4.

При переходе воды из жидкого состояния в твердое (лед) плотность резко, скачкообразно изменяется приблизительно на 9%; плотность дистиллированной воды при 0°С равна 0,99987, а плотность льда, образовавшегося из той же воды при 0°С, равна 0,9167.

С понижением температуры плотность чистого льда несколько возрастает и при -20°С достигает 0,92.

Своеобразный режим изменения плотности воды в связи с изменениями температуры имеет колоссальное значение в природе. Благодаря этому естественные водоемы (например, озера) при отрицательных температурах воздуха зимой даже в условиях сурового климата не промерзают до дна в случае достаточной глубины водоема. При этом под ледяным покровом остается жидкая вода, потому что при промерзании лед, значительно более легкий, чем вода, остается на поверхности водоема, на дно которого опускаются охладившиеся до 4°С наиболее плотные массы воды.

Изменение плотности воды оказывает существенное влияние на режим водоемов, вызывая конвекционные токи и течения, стремящиеся выровнять возникшую неравномерность в распределении плотности.

Плотность снега в гидрометеорологии выражается в виде отношения веса снега к весу воды, взятых в равных объемах, или отношения веса снега Р в граммах к его объему W в кубических сантиметрах

r_с = P/W

Слой воды h_в, содержащийся в снеге, выражается как произведение высоты снега h_с на его плотность r_с, т. е. h_в = r_с h_с. С плотностью снега непосредственно связаны пористость, теплопроводность, водоудерживающая способность, твердость и другие механические и водно-физические свойства снежного покрова.

Плотность снега колеблется в широких пределах как по времени, так и по площади. Наименьшей плотностью, порядка 0,01 г/см³, обладает свежий снег, выпавший при низкой температуре и безветренной погоде. С течением времени под влиянием ветра и оттепелей снег уплотняется. Сильно промокший и затем смерзшийся снег обладает плотностью до 0,70 г/см³.

В районах с устойчивым снежным покровом обнаруживается некоторая закономерность увеличения плотности снега к началу таяния в направлении с севера на юг. Так, на севере Европейской территории России плотность снега в конце зимы находится в пределах 0,22-0,28 г/см³, в средней полосе - в пределах 0,24- 0,32 г/см³. На юге она изменяется в широких пределах - от 0,22- 0,23 г/см³ в районах, не подвергшихся действию оттепелей, до 0,34- 0,36 г/см³ при наличии зимних оттепелей.

Плотность снега в начале таяния изменяется в среднем от 0,18 до 0,35, в период интенсивного таяния от 0,35 до 0,45 и в конце таяния доходит до 0,50. Плотность снега в лесу в среднем на 10-15% меньше, чем на открытых участках. Для северных и северо-западных районов, где влияние оттепелей на плотность снега сравнительно невелико, отмечается прямая связь плотности с высотой снежного покрова. Это позволяет устанавливать эмпирические зависимости непосредственно между запасом воды в снежном покрове и его высотой.

Возможность перехода воды из одного агрегатного состояния в другое (из жидкого в лед или в пар и обратно) определяется температурой и давлением. Диаграмма состояния воды изображена на рис. 2. Линия АВ показывает границу равновесия между парообразной и твердой водой, линия ВС - между парообразной и жидкой водой. При температуре 0,0075°С и давлении 6,1 мбар в устойчивом равновесии могут одновременно существовать лед, пар и жидкая вода (точка В на графике).

Рис.2. Диаграмма состояния воды.

1— твердая, 2 — жидкая, 3 — газообразная

Если очень чистую воду охлаждать, тщательно предохраняя ее от сотрясения, то лед долго не образуется, несмотря на низкую температуру; практически такое охлаждение производилось до -72°С. Однако переохлажденная вода малоустойчива: при внесении в нее кристаллика льда или при встряхивании, она сразу же превращается в лед. Переохлаждение воды в естественных водоемах на 0,005-0,01°С встречается весьма часто. В грунтах вследствие повышенной минерализации переохлаждение воды может быть более значительным.

Теплоемкость и теплопроводность. Количество тепла, необходимое для нагревания 1г воды на 1°С, называется удельной теплоемкостью. В гидрологии теплоемкость обычно выражается в кал/(г*град).

Вода характеризуется наибольшей теплоемкостью по сравнению с другими жидкими и твердыми веществами, за исключением водорода и аммиака.

Благодаря большой теплоемкости воды суточные и сезонные изменения ее температуры оказываются менее значительными, чем изменение температуры воздуха, удельная теплоемкость которого в 4 раза меньше, чем теплоемкость воды. Так же как и плотность, теплоемкость воды изменяется с температурой аномально: при 30°С она наименьшая - 0,9975 кал/(г*град), при 15 и 70°С равна 1,000, при 3,6 и 100°С возрастает до 1,0057; теплоемкость водяного пара при 100°С и давлении 760 мм равна 0,462, теплоемкость льда при 0°С - 0,485, а при 10°С - 0,444 кал/(г*град).

Передача тепла путем молекулярной теплопроводности состоит в том, что повышенные колебания молекул в более нагретых слоях постепенно передаются молекулам смежных слоев и, таким образом, энергия теплового движения постепенно передается от слоя к слою. В результате возникает поток тепла от более нагретых слоев к слоям с более низкой температурой.

Коэффициент теплопроводности воды (l) при 0°С равен 0,001358 кал/(см*с*град). С повышением температуры он увеличивается и при температуре 20°С равен 0,00143 кал/(см*с*град).

Вследствие малых значений коэффициента молекулярной теплопроводности перенос тепла с помощью описанного механизма не играет существенной роли в термическом режиме водных объектов. В природных условиях решающую роль при переносе тепла в воде играют турбулентные процессы.

Коэффициент теплопроводности чистого, лишенного пузырьков воздуха льда равен 0,0054 кал/(см*с*град). С понижением температуры теплопроводность льда несколько уменьшается. Теплопроводность снега зависит в значительной мере от его плотности. Зависимость коэффициента теплопроводности снега К от его плотности может быть выражена в следующей форме:

l_с = 0,0067r_с²,

где r_с - плотность снега; l_с - в кал/(см*с*град).

Молекулярная вязкость. Поверхностное натяжение. Вязкостью жидкости называется ее свойство оказывать сопротивление взаимному передвижению смежных слоев. Вязкость играет двойную роль при движении жидкости. С одной стороны, она выступает как фактор, формирующий скоростное поле потока, передающий скорости от одного слоя к другому, сглаживающий различие скоростей в соседних точках, а с другой - как фактор, оказывающий сопротивление движению, т. е. способствующий превращению механической энергии в тепловую. Влияние молекулярной вязкости на сопротивление движению воды в естественных условиях в большинстве случаев является малым и им можно пренебречь. В этих условиях основные потери энергии возникают вследствие преодоления сопротивлений, возникающих в результате неупорядоченного, вихревого характера течения воды.

Коэффициент вязкости воды (m) зависит от температуры: с повышением температуры он значительно уменьшается.

Силы притяжения, действующие между молекулами воды, вызывают на поверхностях раздела вода – воздух - твердое тело явление, называемое поверхностным натяжением. Оно проявляется на границе раздела вследствие разности сил молекулярного притяжения, так как поверхностные молекулы испытывают притяжение, направленное к массе воды, большее, чем в направлении парообразных частиц воды, находящихся в воздухе.

Каждая молекула, расположенная под поверхностью на глубине, большей, чем радиус сил молекулярного притяжения (при мерно 5-10^{-6 см), окружена со всех сторон молекулами воды, действующими на нее с некоторыми силами. Благодаря симметричному расположению эти силы будут компенсироваться. Когда молекула попадает в поверхностный слой воды толщиной, равной радиусу сил молекулярного притяжения, возникает равнодействующая молекулярных сил, направленная внутрь жидкости. Этот радиус превышает радиус самих молекул, но ненамного, так как силы молекулярного притяжения с увеличением расстояния быстро затухают (рис.3).}

Рис.3. Действие молекулярных сил на молекулу, находящуюся внутри жидкости (а) и на ее поверхности (б).

Вода характеризуется очень большим поверхностным натяжением: при 0°С - 75,5 дн/см, при 100°С - 57,15 дн/см. Все жидкости при обычной температуре, за исключением ртути, обладают во много раз меньшим поверхностным натяжением.

На границе соприкосновения с твердым телом вода смачивает его поверхность, а действие силы поверхностного натяжения приводит к тому, что поверхность воды в непосредственной близости к твердому телу искривляется, несколько приподнимаясь. Если соприкосновение воды с твердыми стенками происходит в порах или пустотах достаточно большого диаметра, то основная, центральная часть поверхности заключенной в них воды остается плоской. Если же диаметр пор и пустот настолько мал, что он делается соизмеримым с радиусом кривизны пристенного искривления поверхности воды, то искривленные края с обеих сторон сливаются и образуют вогнутый мениск. Практически верхняя граница диаметра пор и пустот, в которых наблюдается образование менисков, измеряется несколькими миллиметрами. Чем меньше диаметр пор, тем больше кривизна мениска, т. е., тем меньше радиус кривизны.

При образовании вогнутого мениска давление на его поверхности за счет сил поверхностного натяжения оказывается меньше, чем давление на плоской поверхности воды. Связь между поверхностным давлением при плоской поверхности Р₀ и давлением на вогнутом мениске P₁ выражается соотношение

Р₀ = P₁ + 2a/R,

где а - поверхностное натяжение; R - радиус кривизны поверхности мениска для воды. Величина

Р₀ - P₁ = 2a/R

может быть названа менисковой силой. В результате возникновения менисковой силы на границе сплошного слоя воды образуется превышение поверхностного давления над давлением в порах или капиллярах, которое и является причиной подъема воды в капиллярах. Подъем будет происходить до тех пор, пока гидростатическое давление образовавшегося в капилляре столбика воды не уравновесит менисковую силу. Высота подъема обратно пропорциональна радиусу капилляра, так как радиус кривизны поверхности мениска R тем меньше, чем меньше радиус капилляра, а с уменьшением радиуса кривизны поверхности мениска возрастает менисковая сила.

Поглощение и рассеяние водой (снегом, льдом) солнечной энергии. Солнечная энергия, поступающая к поверхности воды (снега, льда), частично проникает в воду и поглощается ею, частично отражается. Поглощенная лучистая энергия превращается в тепловую.

Количество отражаемой от поверхности воды прямой солнечной радиации зависит от угла падения лучей или высоты солнца; отражение рассеянной радиации от высоты солнца не зависит и происходит по другим законам. Отношение отраженной солнечной энергии к поступающей носит название коэффициента отражения, или альбедо. При больших высотах солнца, порядка30-80°, от гладкой поверхности воды отражается только 6-2% энергии; при уменьшении высоты солнца количество отраженной энергии быстро возрастает и при угле 15° составляет 21,5%, при 10° - 35%, а при 1° от поверхности воды отражается 90% падающей на нее прямой солнечной радиации. Коэффициент отражения рассеянной радиации для водной поверхности составляет 5-10%, увеличиваясь с убыванием потока рассеянной радиации.

Отражательная способность снега и льда, помимо высоты солнца, зависит от их структуры, степени загрязненности и пр.

В среднем для условий Европейской территории бывшего СССР альбедо снежного покрова для свежевыпавшего сухого снега составляет 0,82, а для мокрого 0,50. Коэффициент отражения в период снеготаяния быстро изменяется от 0,70-0,82 в начале до 0,30 в конце снеготаяния; он закономерно убывает вместе с уменьшением высоты снега и скачкообразно возрастает при каждом новом снегопаде. Наиболее быстро коэффициент отражения уменьшается с уменьшением высоты при небольшой толщине снежного покрова (до 10см), медленнее - при высоте от 10 до 30см и остается почти неизменным при высоте 40-50см.

Поглощение солнечной энергии изменяется в зависимости от длины световой волны и наличия в воде взвешенных и растворенных веществ. Наибольшего значения он достигает в инфракрасной части спектра (длина волны более 0,76 мкм); наименьшие его значения приходятся на видимую световую часть спектра (длина волны от 0,40 до 0,76 мкм). В ультрафиолетовой части спектра (длина волны менее 0,40 мкм) коэффициент поглощения снова возрастает. Таким образом, вода хуже пропускает инфракрасные лучи и лучше световые (видимые) лучи, которые, проникая вглубь, обусловливают освещенность воды. В видимой части спектра (длина волны от 0,40 до 0,76 мкм) более интенсивно поглощается длинноволновое излучение.

В зависимости от коэффициента поглощения, изменяющегося с изменением длин световых волн, на различные глубины проникает разное количество солнечной энергии. После прохождения слоя воды 1,0см все лучи в спектре с длиной волны более 1,5 мкм полностью поглощаются; на глубину 1,0см проникает 74% поступающей солнечной энергии, на глубину 100см - 36%, а до глубины 10м доходит 18%; остальная часть солнечной энергии поглощается вышележащим слоем воды и расходуется на нагревание.

Рассеяние света происходит как в самой водной массе, так и под влиянием взвешенных в ней частиц. Чем длиннее волна, тем она меньше рассеивается; поглощаются же, наоборот, сильнее длинные волны и слабее короткие. Иначе говоря, сильнее рассеивается и менее поглощается коротковолновая сине-фиолетовая часть спектра и, наоборот, меньше рассеиваются и больше поглощаются красные лучи.

Совокупным действием поглощения и рассеяния объясняется цвет воды природных водоемов. Вследствие того, что фиолетовые и синие лучи поглощаются в меньшей степени, чем красные, и в большей степени рассеиваются, цвет воды отличается синеватым и сине-зеленоватым оттенками.

Некоторые характеристики физических свойств снега.Структура снега бывает относительно простой непосредственно после его выпадения: в последующем под влиянием ветрового переноса, оттепелей и собственного веса снега она подвергается весьма значительным изменениям. Вместе с ней изменяются и другие физические характеристики снега.

В снежном покрове, залегающем на земной поверхности, помимо ледяных кристаллов снега, содержится также воздух, а иногда и жидкая вода.

Весовое содержание заключенного в снежном покрове воздуха мало, и лишь при плотностях снега менее 0,10 г/см³ оно составляет несколько процентов от веса снега. Напротив, объем воздуха в снежном покрове весьма велик. Принимая плотность льда равной 0,916 г/см³, получим, что при плотности снежного покрова 0,46 г/см³ занимаемые в нем воздухом и льдом объемы равны. При плотности менее 0,46 г/см³ объем содержащегося в снежном покрове воздуха превышает объем льда в несколько раз и становится меньше последнего лишь при плотностях более 0,46 г/см³.

Изменение структуры снежного покрова связано с изменением с течением времени состояния и структуры ледяных (снежных) кристаллов. Снег, выпадающий в безветренную погоду, состоит из разнообразных по форме ледяных звездочек, хлопьев или тончайших игл. Эти первичные ледяные образования, хаотически и непрочно соединяясь между собой, создают рыхлый с малой плотностью свежевыпавший снег. Под влиянием ветров, собственного веса и оттепелей снежный покров уплотняется, снежинки хотя и сохраняют кристаллическую структуру, но форма их подвергается значительным изменениям. Такой уплотненный (лежалый) снег имеет плотность 0,20- 0,60 г/см³ в зависимости от степени его увлажненности и условий уплотнения.

Лежалый снег в дальнейшем переходит в стадию старого (фирнизированного) снега, полностью утрачивающего свою первичную структуру и формы кристаллов снежинок. Плотность такого снега 0,30-0,70 г/см³. Он состоит из ледяных зерен диаметром 1-5мм и более. Зернистая структура характерна для снега, подвергавшегося действию оттепелей. Возникновение зернистой структуры происходит под действием частичного таяния и повторного замерзания ледяных кристаллов, которые в ходе этого процесса обволакиваются пленкой талой воды и смерзаются. Этому, в частности, способствуют суточные колебания температуры в период весеннего снеготаяния.

Водоудерживающая способность (влагоемкость) снега. Образовавшаяся при таянии снега вода первоначально содержится в виде пленочной и подвешенной капиллярной влаги, удерживаемой прочно на поверхности частиц снега и в промежутках между ними молекулярными и капиллярными силами.

Относительное количество воды, которое снег способен удерживать в своих порах и капиллярных промежутках вне зоны капиллярного поднятия в виде гигроскопической, пленочной и, частично, гравитационной воды, представляет собой водоудерживающую способность (влагоемкость) снега у, определяемую отношением количества жидкой воды h_ж к общему количеству воды h, содержащейся в данном объеме снега в жидкой и твердой фазах. Водоудерживающая способность снега может быть выражена в процентах или в долях единицы

¡= h_ж/h*100%,

где h_ж - количество жидкой воды в данном объеме снега в миллиметрах; h - общее количество воды, содержащейся в данном объеме снега в жидкой и твердой фазах, в миллиметрах.

Водоудерживающая способность (влагоемкость) снега зависит от степени его перекристаллизации и плотности. Мелкозернистый метелевый снег обладает большей водоудерживающей способностью, чем крупнозернистый при одной и той же плотности. В процессе таяния мелкозернистый снег быстро перекристаллизовывается, и его водоудерживающая способность убывает.

Под влиянием различных явлений погоды в зависимости от степени перекристаллизации и плотности водоудерживающая способность снега по мере его таяния непрерывно меняется.

Влажность снега наряду с максимальной влагоемкостью характеризует его водные свойства. Влажностью снега называется количество воды, содержащейся в нем в рассматриваемый момент времени, выраженное в процентах к общему весу пробы влажного снега.

Водоотдача. С развитием процесса таяния промежутки между частицами снега заполняются водой, сила тяжести которой превосходит капиллярные силы. Появляется так называемая гравитационная вода, которая под действием силы тяжести передвигается вниз, пока не достигает почвы, и пока, таким образом, не наступит момент водоотдачи.

Водоотдачей называется процесс поступления воды из снега на почву; интенсивность водоотдачи определяется количеством воды (обычно в миллиметрах слоя), поступающей из снега на поверхность почвы за единицу времени.

Когда на поверхности почвы появляется вода, в слое снега, прилегающем к почве, образуется зона капиллярного поднятия. Предельная высота ее зависит от размеров пор снега в этом слое и составляет для мелкозернистого снега 5-6 см, среднезернистого - 2-3 см и для крупнозернистого - около 1см.

Между началом таяния и водоотдачи имеет место процесс удержания талой воды снежным покровом, обусловливающий разрыв между таянием и водоотдачей по времени наступления и величине. Разрыв этот особенно значителен в начальный период снеготаяния, когда вся талая вода уходит на образование пленок, заполнение капиллярных промежутков и, вообще, на увлажнение всей массы снега, без чего процесс водоотдачи из снега невозможен. Когда же процесс таяния достигает известного развития, водоотдача в отдельные промежутки времени может превысить слой воды, образовавшийся за счет стаявшего в этот период снега.

Кроме задержания талых вод снежным покровом вследствие его влагоемкости, имеет место также временное задержание воды, текущей по поверхности склонов, в результате запруживания понижений, в которых течет вода под снегом.

Рис.4. Классификация природных вод по их химическому составу

Наши рекомендации