Гидрология учебник

Некоторые другие физические свойства воды

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 v, м²/с, и динамическим коэффициентом вязкости ц, кг/(м*с).

Между этими коэффициентами существует связь:

H = pv. (1.15)

Вязкость воды уменьшается с повышением ее температуры. Поэтому в холодное время года вязкость воды несколько больше, чем в теплое. Ниже приводятся значения кинематического коэффициента вязкости химически чистой воды при нормальном атмосферном давлении:

Т,° С 0 5 10 15 20 30 40 50

V, Ю^м²/с 1,78 1,52 1,31 1,14 1,01 0,81 0,66 0,55

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.

Увеличение минерализации несколько повышает вязкость воды: увеличение солености на 10 %о приводит к возрастанию коэффициента вязкости приблизительно на 1,5%. С ростом давления вязкость воды уменьшается, а не повышается, как у других жидкостей.

Лед — твердое тело, обладающее пластичностью, которая позволяет ему в некоторых условиях, например в ледниках, двигаться. Считают, что кинематический коэффициент вязкости льда лежит в пределах 10⁸—10^й м²/с.

Поверхностное натяжение и смачивание. У воды по сравнению с другими жидкостями очень высокое поверхностное натяжение. С ростом температуры поверхностное натяжение воды немного уменьшается. Коэффициент поверхностного натяжения воды изменяется от 75,6 • 10~³ Н/м при 0 °С до 60,8 • 10~³ Н/м при 90 °С. Лишь ртуть в жидком состоянии обладает более высоким поверхностным натяжением.

Необычайно высокое поверхностное натяжение воды способствует размыву почв и грунтов: 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. На величину поверхностного натяжения нередко сильно влияет загрязнение вод, например нефтяная пленка.

Оптические свойства воды. Свет от поверхности воды частично отражается, на границе раздела воздух — вода преломляется, а в толще воды рассеивается и поглощается и в результате этого ослабляется.

Отношение энергии отраженного от поверхности раздела воздух—вода света к энергии падающего света (альбедо) зависит от освещенности (ясно или облачно), состояния водной поверхности (гладкая или с волнами) и составляет 4—11 % от величины падающего света. Альбедо уменьшается с увеличением волнения и облачности.

Коэффициент преломления света (отношение угла падения светового луча к углу преломления) на границе раздела воздух — вода равен в среднем 1,33—1,34. Он несколько уменьшается с повышением температуры и возрастает с увеличением солености воды.

Наиболее важны закономерности распространения света в воде. Вода пропускает видимую часть электромагнитного спектра с длинами волн от 0,38 до 0,77 мкм лучше, чем более коротко- и длинноволновую части спектра.

Свет распространяется в воде на небольшие расстояния. Интенсивность света быстро затухает в воде по экспоненциальному закону:

1= I₀e'⁽^lc⁺^m^)/^h, (1.16)

где / и /₀ — интенсивность света соответственно на глубине h и на поверхности; к — коэффициент рассеяния света; т — коэффициент поглощения света; к + т — коэффициент ослабления света; е — основание системы натуральных логарифмов.

В чистой воде на глубине 1 м интенсивность света составляет лишь 90 % интенсивности света на поверхности, на глубине 2 м — 81 %, на глубине Зм — 73%, а на глубине 100 м сохраняется лишь около 1 % интенсивности света на поверхности.

Главная роль в ослаблении света в воде принадлежит поглощению. Доля рассеяния имеет максимум при длинах волн 0,42— 0,44 мкм (16 % в чистой пресной и 21 % в чистой морской воде) и быстро уменьшается с уменьшением и увеличением длины волны. Наличие растворенных и особенно взвешенных веществ резко увеличивает коэффициенты поглощения и рассеяния света в воде. Наибольшее проникновение света в воду и минимум коэффициента ослабления сдвигаются в сторону больших длин волн. При этом изменяется и цвет воды — от синего к зеленому и желтовато-бурому.

Солнечный свет, таким образом, может проникать в водоемы лишь на небольшую глубину (несколько десятков метров); именно здесь и могут протекать процессы фотосинтеза.

Акустические свойства воды. Вода хорошо проводит звук. В толще воды звук может при некоторых условиях распространяться на огромные расстояния и с большой скоростью.

Скорость распространения звука в воде равна 1400—1600 м/с, т. е. в 4—5 раз больше скорости распространения звука в воздухе. Скорость звука в воде увеличивается с повышением температуры воды (приблизительно на 3—3,5 м/с на 1 °С), с увеличением солености (приблизительно на 1—1,3 м/с на 1 %о) и с ростом давления. Последнее означает, что с ростом глубины при прочих равных условиях скорость звука возрастает (приблизительно на 1,5—1,8 м/с на 100 м глубины).

Электропроводность воды. Химически чистая вода — плохой проводник электричества. Удельная электропроводность такой воды при 18 °С равна 3,8 • 10⁶ (Ом • м)¹. Электопроводность льда примерно в 10 раз меньше, чем у жидкой воды. Электропроводность воды немного увеличивается с повышением температуры и сильно возрастает с увеличением минерализации. У морской воды электропроводность значительно больше (до 4—6 (Ом • м)¹), чем у речной. Электропроводность воды несколько возрастает с ростом давления, поэтому на больших глубинах в океане (более 10 км) электропроводность воды приблизительно на 12 % больше, чем в поверхностном слое.

№	Физическая	Ее «аномалия»	Значение для
п/п	характеристика воды	Ее «аномалия»	водных объектов на Земле	природы Земли в целом
1	Температура плавления (замерзания), 0 °С	Очень высока	Вода может существовать в твердом виде	Существование ледников и снежного покрова
2	Температура кипения, 100 °С	Очень высока	Вода может существовать в жидком виде	Существование водоемов и водотоков — океанов, морей, рек, озер
3	Температура наибольшей плотности, 4 °С	Наступает не в момент замерзания, а при более высокой температуре	При охлаждении водоема вода прекращает опускаться при достижении температуры наибольшей плотности. Водная толща не замерзает	Сохранение жизни в водоемах зимой
4	Плотность льда, 917 кг/м³	Плотность льда меньше, чем жидкой воды	Лед всплывает, теплоизолирует водоем, замедляет его охлаждение	То же
5	Удельная теплота плавления (замерзания), 333 • 10³ Дж/кг	Очень велика	При плавлении льда требуется большая затрата теплоты; при замерзании это же количество теплоты выделяется	Регулирование тепловых процессов
6	Удельная теплота испарения (конденсации), 2,5 • 10⁶ Дж/кг при 0 °С, 2,26 • 10⁶ Дж/кг при 100 °С	Очень велика	При испарении воды требуется большая затрата теплоты; при конденсации водяного пара это же количество теплоты выделяется	То же
7	Удельная теплоемкость, *4190 Дж./(кг °С) при 15 °С**	Очень велика	Вода медленно нагревается и медленно охлаждается	То же
8	Коэффициент теплопроводности, 0,57 Вт/(м • °С) при 0 °С	Очень мал	То же	То же
9	Коэффициент вязкости, 1,14-10 ⁶ м²/с при 15 °С	Мал	Вода текуча и хорошо смачивает твердые тела	Вода переносит наносы, растворенные вещества, теплоту, совершает механическую и эрозионную работу
10	Коэффициент поверхностного натяжения, 75,6 • 10^-3 *Н/м при 0 °С и 60,8 1 (Г³ Н/м при 90 °С**	Очень велик	В порах грунта и растениях действуют капиллярные силы. Капли воды обладают ударной силой	Питание растений. Дождевая эрозия

Примечание. Численные значения характеристик приводятся для химически чистой воды.

На электропроводность воды влияет не только ее минерализация, но и химический состав. Оказалось, что воздействие на электропроводность разных ионов солей, растворенных в воде, различно, и поэтому изменение солевого состава воды влечет за собой изменение ее электропроводности даже при неизменной общей минерализации (солености). Например, ионы С Г и К⁺ влияют на электропроводность воды значительно сильнее, чем ионы SO4^-, Са²⁺, Mg²⁺ и Na⁺.

Данные об основных физических аномалиях воды. 6 табл. 1.2 приведены сведения о 10 основных аномалиях воды и их влиянии на гидрологические процессы и природные условия на Земле в целом.

Содержание