Файл: n1.doc

В 1780 г Кавендиш и Лавуазье установили, что вода – простейшее и устойчивое в обычных условиях химическое соединение двух атомов водорода и одного атома кислорода. Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость без вкуса и без запаха.

Почти все физико-химические параметры воды не имеют аналогов в природе. Некоторые из этих аномалий имеют определяющее значение для формирования климата и рельефа нашей планеты, жизни человека, животных и растений. Если бы не эти "ненормальные" свойства, живые организмы не могли бы сохранять температуру своего тела, усваивать питательные вещества, то есть жизнь на планете Земля в современной ее форме была бы просто невозможна!

Половина всей крови человека - чистейшая дистиллированная вода. Мышцы человека на 75% состоят из воды. Вода является важнейшим пищевым продуктом. Дегидратация, или потеря организмом воды, нарушает деятельность сердечно-сосудистой системы, клеточный метаболизм и терморегуляцию. Потеря всего 3% воды организмом лишает человека возможности бегать. Потеря 5% воды лишает возможности тренироваться. А потеря организмом 10% воды представляет опасность для жизни.

Физические свойства воды и их значение

Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4 градусов по Цельсию плотность ее увеличивается. При 4 градусах вода имеет максимальную плотность. При дальнейшем нагревании ее плотность снова уменьшается. Замерзание воды сопровождается не сжатием (как у других жидкостей), а наоборот – расширением. Затвердевая, вода становится менее плотной – поэтому лед плавает, а не тонет.
Лед тем самым защищает нижележащие слои воды от дальнейшего охлаждения и замерзания. Таким образом, жизнь в воде продолжается.
Высокая, по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом, температура и удельная теплота плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100 °C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг).
Высокая теплоёмкость жидкой воды. В ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, самым главным регулятором температуры на земном шаре.
Высокая вязкость.
Высокое поверхностное натяжение.
Вода практически несжимаема.
Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.

Особенности физических свойств воды обусловлены водородными связями. Молекула воды несимметрична: три ядра образуют равнобедренный треугольник с ядрами водорода в основании и ядром кислорода в вершине (радиус молекул воды значительно меньше внутримолекулярного расстояния, т.е. молекулы воды “упакованы” не слишком плотно).

Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода, тогда как 2 атома водорода в сумме формируют достаточно большую "площадь» распределения положительного заряда в "углах" молекулы. Несколько таких диполей будут образовывать структуры типа: Н₂О...Н₂О с водородной связью, когда между двумя атомами водорода будет втянут атом кислорода соседней молекулы. При этом общее распределение потенциала будет стремиться к минимизации взаимодействия с внешней средой, следовательно, молекулы воды будут располагаться в пространстве с чёткой ориентацией, в виде пространственных структур разной сложности: от спиралевидных (как у молекул ДНК) до пирамидальных, кубических, сферических разной сложности.

Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода – каждый в одной, а атом кислорода – в двух. Простая, не объединившаяся с другой молекула воды H₂O, называется гидроль, (H₂O)₂ – дигидроль, (H₂O)₃ – тригидроль. В парообразном состоянии вода в основном состоит из молекул гидроля, в жидком состоянии вода – смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, во льду преобладают молекулы тригидроля. При таянии льда часть связей рвётся, при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4 °С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость.

Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные – атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, каждую молекулу растворяемого вещества могут окружить много молекул воды. Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде.^[ Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Чистая (не содержащая примесей) вода – хороший изолятор. Но поскольку вода – хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту. Она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.

Часть Б Гидрология и схема ее научных дисциплин

Предмет гидрологии

Гидрология – наука о воде (от греческого “hydro” – вода и “logos” учение, знание, наука). Гидрология – наука, занимающаяся изучением природных вод, явлений и процессов в них протекающих, закономерностей, по которым эти явления и процессы развиваются, закономерностей, определяющих распространение вод по земной поверхности и в толще почво-грунтов, а также их количественные изменения во времени.

Гидрология относится к комплексу наук, изучающих физические свойства Земли, в частности такой их элемент как гидросфера, то есть гидрология – часть физической географии – науки, занимающейся изучением явлений, происходящих на поверхности земного шара, формированием и динамикой их развития, взаимосвязями и закономерностями (physis – от греческого природа). Важным рубежом в истории развития гидрологии можно считать конец XVII в., когда французские ученые Пьер Перро, Эдм Мариотт и англичанин Эдмунд Галлей на основании измерений и расчетов осадков, стока и испарения впервые установили количественные соотношения главных фаз круговорота воды. В России более или менее систематические исследования водных объектов были начаты при Петре I.

Можно выделить объекты изучения гидрологии и в зависимости от объекта (в связи со специфическими особенностями процессов в них происходящих) – подразделы гидрологии:

- океаны и моря – гидрология моря – океанология;

- реки – гидрология рек – потамология; ГИДРОЛОГИЯ СУШИ

- озера и водохранилища – лимнология;

- ледники – гидрология ледников – гляциология – изучается в рамках физической географии;

- гидрогеология – входит в состав гидрологии поверхностных вод суши как вспомогательная дисциплина, в объеме, необходимом для установления взаимодействия поверхностных и подземных вод и влияния подземных вод на режим поверхностных вод.

Схема научных дисциплин гидрологии

Помимо деления по видам изучаемых объектов в гидрологии выделяют самостоятельные разделы (научные дисциплины):

1 Гидрометрия – рассматривает методы наблюдений за режимом водных объектов и измерений гидрологических величин; применяемые для этого приборы и способы обработки результатов.

2 Гидрография – изучает и выявляет закономерности распространения поверхностных вод; дает описание водных объектов или территорий с общей характеристикой режима и хозяйственного значения, географических условий территории.

3 Общая гидрология – изучает и описывает водные объекты и их характерные свойства, устанавливает общие закономерности управляющие процессом формирования и деятельности вод суши. Изучает связь гидрологических явлений с метеорологическими факторами и условиями подстилающей поверхности. Освещает особенности проявления гидрологических закономерностей в различных водных объектах.

4-5 Инженерная гидрология – занимается разработкой методов расчета (гидрорасчеты 4) и прогноза (гидропрогнозы 5) гидрологических характеристик, необходимых в хозяйственной деятельности, строительстве гидротехнических сооружений, планировании изменений естественного режима водных объектов.

6-7 Водохозяйственные расчеты и регулирование речного стока – совокупность методов оценки соответствия водных ресурсов объектов или территории требованиям их хозяйственного использования, способов определения режима регулирования стока, параметров гидротехнических сооружений и правил их работы.

8 Гидрофизика – изучает физические и механические свойства вод (испарение, образование и таяние льда и снега, влагосодержание почв).

9-10 Динамика вод суши и русловые процессы – изучает закономерности перемещения водных масс и наносов, течения, волнение, сгонно-нагонные явления; закономерности формирования берегов и русел рек, явления размыва, перемещения и отложения (аккумуляции) частиц грунтов, слагающих русло и берега.

11 Гидрохимия – изучает химические свойства и состав вод суши. В настоящее время ее важной задачей является разработка некоторых сторон проблемы качества воды.

12 Охрана водных ресурсов – в последнее время развивается направление, занимающееся разработкой научных основ рационального использования и охраны водных ресурсов с целью предотвращения их истощения, загрязнения и неблагоприятного изменения водного режима. В рамках этого направления развивается гидроэкология, изучающая не просто изменения водных ресурсов, гидрологического режима и качества вод, а влияние этих изменений на экологическое состояние водных объектов и окружающей природной среды.

Гидрология опирается на обшеобразовательные дисциплины и специальные дисциплины из смежных отраслей знаний:

- метеорология

- климатология

- гидравлика

- гидродинамика

- гидрогеология

- геоморфология

- почвоведение

Методы гидрологических исследований

1 Стационарный – наблюдение и измерения характеристик гидрологического режима по определенной программе в постоянном пункте в течение длительного времени.

2 Экспедиционный – в течение короткого времени исследуется по определенной программе некоторая территория.

3 Экспериментальный – детальное исследование какого-либо гидрологического процесса в лабораторных или природных условиях (физическое меделирование процессов).

4 Теоретический – использование общих физических законов и математических методов для решения гидрологических задач. Результаты проверяются на фактическом материале.

В соответствии с разделами гидрологии и методами исследований строится процесс обучения студентов на четырех кафедрах факультета:

1 Гидрологии и геодезии – геодезия, геофизика, гидрогеология.

2 Гидрологии суши – общая гидрология, гидрорасчеты, водное хозяйство, охрана вод суши.

3 Гидрофизики и гидропрогнозов – гидропрогнозы, гидротехника и мелиорация, математическое моделирование гидрологических процессов.

4 Гидрометрия – гидрометрия, гидравлика, динамика русловых потоков и русловых процессов.

За время очного обучения – 8 месяцев практики по различным дисциплинам в различных местах, а перед защитой Диплома – преддипломная практика.

Вопросы для зачета

Вода как химическое вещество.
Основные физико-химические свойства воды, их значение для живой и неживой природы и их аномальность.
Гидрология как наука, объекты изучения гидрологии.
Схема научных дисциплин гидрологии.

Использованные источники

Чеботарев А.И. Общая гидрология. – Л., Гидрометеоиздат, 1975.
Богословский Б.Б., Самохин А.А., Иванов К.Е., Соколов Д.П. Общая

гидрология. – Л., Гидрометеоиздат, 1984.

3. Догановский А.М., Малинин В.Н. Гидросфера Земли. – СПб., Гидрометеоиздат, 2004.

www.rshu.ru
www.aquabionicavip.ru
www.vodavdome.uaprom.net
www.sadincentr.ru

ЛЕКЦИЯ 2

ГИДРОСФЕРА, ЕЕ ВОДЫ И РЕЗЕРВУАРНАЯ МОДЕЛЬ

Часть А Понятие о гидросфере и ее резервуарной модели

Часть Б Общие сведения о водах гидросферы (воды Мирового океана, криосферы, влага атмосферы)

Часть А Понятие о гидросфере и ее резервуарной модели

Понятие о гидросфере

Гидросфера – с латинского – водная оболочка. Впервые понятие гидросферы было введено в научную литературу Э. Зюссом в 1875 году, который понимал под ней единую водную оболочку планеты, в основном состоящую из вод Мирового океана. В 1910 г более широкая трактовка представлена Дж. Мерреем, он включил в гидросферу воды рек и озер, атмосферы, криосферы и биосферы. Столь широкое толкование гидросферы не было безусловно принято исследователями. Различия между последующими определениями гидросферы касались, в основном, ее непрерывности, нижней и верхней границ ее распространения, возможности отнесения к ней химически и биологически связанных вод.

Наиболее физически обоснованным является определение И.А. Федосеева: в широком смысле гидросфера – сплошная оболочка земного шара, простирающаяся вниз до верхней мантии, где в условиях высоких температур и давления наряду с разложением молекул воды непрерывно проходит их синтез, а вверх – примерно до высоты тропопаузы, выше которой молекулы воды подвергаются фотодиссипации (разложению). Можно привести более узкое определение: гидросфера – сплошная оболочка Земли, содержащая воду во всех трех агрегатных состояниях в пределах Мирового океана, криосферы, литосферы и атмосферы, принимающую непосредственное участие в планетарном круговороте влаги (гидрологическом цикле (ГЦ)).

В общем смысле ГЦ представляет собой непрерывный процесс циркуляции и перераспределения всех видов природных вод между отдельными частями гидросферы, устанавливающий определенные соотношения между ними при различных масштабах осреднения. ГЦ обеспечивает взаимосвязь и единство гидросферы.