Физические свойства морской воды

Занимаясь океанологией, необходимо знать свойства простой воды. К ним относятся теплоемкость, скрытая теплота парообразования и плавления, вязкость и некоторые другие характеристики. Воду можно считать обычным веществом, но по своим свойствам она, конечно, далеко не обычна.

В океанах вода присутствует и в жидком, и в твердом состоянии, а в атмосфере — еще и в виде пара. Земная экосистема питается энергией Солнца, но именно вода, а не какое-нибудь другое вещество распределяет эту энергию по поверхности Земли и по толще океанов. Изучая, каким образом вода выполняет эту задачу, вы занимаетесь океанологией — наукой о свойствах и изменчивости огромных масс воды на Земле. Чтобы стать квалифицированными океанологами, вы должны хорошо представлять себе все основные свойства воды — свойства, которые определяются ее молекулярной структурой.

Что такое вода?Вода может существовать в жидком, твердом и газообразном состояниях. В каждом из этих состояний она обладает другими свойствами, которые объясняются особенностями строения ее молекулы (рис. 6.1).

Вода — жидкость.Очевидно, что вода — это текучая субстанция. Но то же самое справедливо и по отношению к воздуху в атмосфере. Жидкая вода отличается от воздуха тем, что поведение ее отдельной молекулы во многом определяется влиянием всех соседних с ней молекул. В противоположность этому молекула атмосферного газа находится в случайном движении и влияние соседних молекул проявляется только при ее столкновениях с ними. Молекула воды постоянно «ощущает» присутствие соседних молекул, и этой особенностью определяются два важных свойства воды, находящейся в жидком состоянии.

1. Вода практически несжимаема. В качестве единицы давления при изучении океанов используется бар: 1 бар определяется как вес столба атмосферного воздуха с единичной площадью сечения (для стандартного состава воздуха давление на уровне моря равно 1,013 бар, или 1013 мбар). Ниже поверхности моря давление быстро растет с глубиной вследствие высокой плотности морской воды (в тысячу раз превышающей плотность воздуха). На глубине 10 м оно составляет 2 бар (1 бар дает вышележащая атмосфера, а еще 1 бар — вес столба воды от поверхности до глубины 10 м), на глубине 20 м — 3 бар и т. д. У дна моря на типичной абиссальной равнине, которая располагается на глубине 4000 м, давление равно приблизительно 401 бар. Но, несмотря на очень высокое давление в глубинах океана, океанская вода сжимается незначительно. Иначе говоря, объем, занимаемый данным числом молекул воды, очень мало изменяется при увеличении давления. Это сопротивление воды изменению объема означает ее малую сжимаемость — свойство, обязанное тому, как природа сконструировала молекулу Н2О. При изменении давления на 1 мбар на поверхности моря соответствующее изменение высоты 4000-го столба воды составит всего лишь 0,01 м (0,00025%); если бы Земля лишилась всей своей атмосферы, уровень воды поднялся бы лишь на 10 м. Из всего сказанного мы заключаем, что изменения плотности морской воды, обусловленные давлением, оказывают пренебрежимо малое влияние на вертикальные движения воды в океанах. Предположим, например, что мы опустили батометр для отбора проб воды на глубину 4000 м, закрыли клапаны, чтобы вода не выливалась, и подняли батометр на палубу. Увеличение объема заключенной в него воды будет пренебрежимо малым. (Кому это на руку — так это океанологам! Отбор проб сжимаемой жидкости с больших глубин, т. е. под большим давлением, был бы трудной, дорогостоящей и небезопасной процедурой.) Рассмотрим теперь для сравнения расширение такого газа, как гелий, в воздушном шаре, поднимающемся с поверхности Земли. На высоте 5 км атмосферное давление вдвое меньше, чем на уровне моря, и при прочих равных условиях объем газа внутри шара на этой высоте удвоится. Вывод очевиден: океанологи могут пренебрегать расширением и сжатием морской воды, испытывающей значительные перемещения по вертикали (что характерно, например, для районов апвеллинга).



При сжатии воздуха его температура возрастает. В земной атмосфере температура воздуха на уровне моря примерно на 10 °С выше, чем на высоте 1 км. Почти несжимаемая океанская вода ведет себя совершенно иначе. Хотя давление в столбе воды быстро возрастает с глубиной, связанное с этим повышение температуры воды невелико — примерно 0,1 °С на 1 км глубины. Если бы вода вела себя в этом отношении подобно воздуху, обитающие у дна океана живые организмы просто сварились бы в горячей воде.

Вследствие малой сжимаемости воды звуковые волны могут распространяться в ней с большой скоростью и почти без затухания. Колебания давления в звуковой волне распространяются со скоростью около 1500 м/с, т. е. примерно в пять раз быстрее, чем в воздухе. Кроме того, звук может распространяться в океанах на большие расстояния; не случайно многие обитатели моря используют для коммуникации акустический канал. Мы все наслышаны о недавних открытиях, касающихся «разговора» китов и дельфинов. Другой особенностью поведения морских животных, которая по-видимому, тесно связана со способностью звуковых волн быстро и легко распространяться в морской воде, является объединение многих видов рыб в косяки. Каждая отдельная рыба ощущает изменения давления, возникающие при повороте соседней рыбы, и поворачивает в ту же сторону. Быстрое распространение информации через весь косяк приводит к тому, что он почти как одно целое изменяет направление своего движения.

2. Вода — вязкая жидкость, хотя ее коэффициент вязкости очень мал (см. табл. 6.1).

Движение отдельных молекул воды зависит от наличия и влияния соседних молекул, также находящихся в движении. Из-за этого возникает своего рода сопротивление трения, другое название которого — вязкость. Некоторые жидкости, например автотракторное масло, имеют большую вязкость. Однако для движений в масштабах, много больших длины свободного пробега молекулы, вязкость может быть иной. Динамика океанических круговоротов и течений зависит от «вязкого сопротивления», которое очень невелико.

Чтобы понять, при каких размерах тела вязкое сопротивление становится существенным, рассмотрим копеподу, длина которой составляет в среднем 2 мм. В таких масштабах вязкость невелика и копепода может двигаться без особых затруднений. Но фитопланктон, которым питается копепода, настолько мал, что для пищевого поведения копеподы вязкость воды становится существенным фактором (сравнить размеры копеподы и фитопланктона можно с помощью рис. 2.3). Расстояния между щетинками на конечности копеподы, с помощью которых она питается, равны лишь нескольким микронам — всего в несколько тысяч раз больше молекулы воды. Таким образом, копепода «добывает» питание из вязкой жидкости! Иными словами, микроскопический фитопланктон «ощущает» океан как чрезвычайно вязкую жидкость, в которую он очень медленно погружается. В действительности у фитопланктона часто наблюдаются волосяные выросты, с помощью которых он может дольше находиться в «подвешенном» состоянии, противодействуя силе тяжести (см. рис. 9.9).

Вода также — твердое вещество или газ.Вода — необычная жидкость в том смысле, что в существующих на Земле климатических условиях она также достаточно часто встречается в твердом и газообразном состояниях.

Фазовые состояния воды. Фазовые превращения чистой воды можно проиллюстрировать на так называемой фазовой диаграмме (рис. 6.2).

При давлении 1 бар (типичное давление на уровне моря) вода в зависимости от температуры может существовать во всех трех состояниях. Используемая в настоящее время шкала Цельсия определяется по крайним точкам — точке замерзания (0 °С) и точке кипения (100 °С) чистой воды при нормальном атмосферном давлении на уровне моря. Разбиение шкалы Цельсия на 100 интервалов (градусов) — чистая условность; для этого можно было выбрать любое другое число. В то же время выбор жидкой воды как среды, внутренние свойства которой должны быть стандартными при температурных измерениях на всем земном шаре, был сделан мудро: вода имеется повсюду, а уровень моря можно определить в любой точке земного шара.

Вода не переходит из одного состояния в другое просто так. Каждый переход облагается «пошлиной» в виде затрат тепловой энергии; общепринятой единицей для измерения тепловой энергии является калория. Чтобы превратить воду в пар, нужно сообщить ей определенное количество калорий тепла; чтобы превратить пар в жидкость, от него нужно отнять столько же калорий. Точнее, количество калорий зависит от того, при каких давлении и температуре происходит изменение состояния; вот почему для объяснения этого основного свойства воды используется фазовая диаграмма.

Переход из жидкого состояния в пар — теплота парообразования.Например, при нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °С (точка b на рис. 6.2) для испарения 1 г Н2О требуется 585,6 кал. Это довольно ощутимая величина: ее хватило бы на то, чтобы повысить температуру чашечки чая на 6 °С. С поверхности Мирового океана ежегодно испаряется слой воды толщиной примерно 1,2 м. Подробнее мы поговорим об этом в следующих разделах.

Переход из жидкого состояния в твердое — теплота плавления. При температуре замерзания 1 г воды должен потерять около 80 кал, чтобы превратиться в кристаллический твердый лед (точка с на рис. 6.2). Вода в твердом состоянии также играет важную роль в земной экосистеме. Во- первых, ледяной покров изолирует поверхностные воды океана от атмосферы. Вследствие этого океаны получают меньше солнечной радиации, поскольку значительная часть ее отражается ледяной поверхностью; меньше тепла и уходит из океанов, поскольку последний изолирован от атмосферы. Во-вторых, при образовании морского льда большая часть солей, растворенных в морской воде, переходит в лежащую ниже жидкость, плотность которой в результате увеличивается. Этот процесс может продолжаться, пока «струи» очень холодной и очень соленой волы не начинают погружаться в глубину. Такое часто случается в Южном полушарии, где льдом, образующимся вокруг Антарктиды, зимой покрыто 8% поверхности океана (летом лед тает и площадь ледяного покрова уменьшается до 1%). В масштабе всех океанов сезонные изменения ледяного покрова происходят на площади около 18 000 000 км2, причем ежегодно замерзает и тает около 18 000 км3 воды. Тепло, то высвобождаемое, то поглощаемое в процессе образования и таяния льда в Южном океане, дает существенный вклад в глобальный тепловой бюджет океанов.

 






Дата добавления: 2019-05-06; просмотров: 151;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2019 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.009 сек.