ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.09.2020
Просмотров: 697
Скачиваний: 3
ЛЕКЦИЯ 1
ВОДА – УНИКАЛЬНОЕ ВЕЩЕСТВО.
ГИДРОЛОГИЯ.
Часть А Вода – уникальное вещество
Часть Б Гидрология и ее научные дисциплины
Часть А Вода – уникальное вещество
Вода, у тебя нет вкуса, нет цвета, нет запаха, тебя невозможно описать;
люди тобою наслаждаются, при этом не ведая, что ты есть такое…
Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты есть сама жизнь
Антуан де Сент-Экзюпери
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.
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.