Основные физические свойства воды, снега и льда

 

Общие сведения. Вода имеет большое значение в жизни Земли. Являясь одним из распространенных и наиболее подвиж­ных природных тел, она участвует почти во всех физических, кли­матических и биологических процессах, совершающихся на Земле.

При анализе гидрологических явлений принимается, что коли­чество свободной воды на Земле сохраняется постоянным. Вода в результате некоторых процессов вступает в прочные соединения с другими веществами и перестает существовать как свободное образование, однако в глубоких слоях земной коры имеют место и обратные процессы: при высоких давлениях и температурах вновь образуется некоторое количество воды.

Жидкая вода в тонких слоях бесцветна, в толстых имеет голу­бовато-зеленый оттенок. Чистая вода, без примесей, почти не про­водит электрический ток. Температура замерзания дистиллирован­ной воды принята за 0° С, а температура кипения при нормальном давлении - за 100°.

Природная вода никогда не бывает совершенно чистой. Наи­более химически чистой является дождевая вода, но и она содер­жит различные примеси, которые захватывает из воздуха. Попадая на землю, дождевая вода отчасти стекает по поверхности, отчасти просачивается в почво-грунты, образуя подземные воды. Стекая по поверхности земли и в толще почво-грунтов, вода растворяет различные вещества и превращается в раствор. Качественный и количественный характер изменений химического состава раство­ренных веществ и физических свойств воды весьма различен и за­висит от всего комплекса физико-географических условий, в кото­рых совершается процесс круговорота воды на Земле.

Строение воды. Вода состоит из 11,11 % водорода и 88,89 % кислорода (по весу). При образовании воды с одним ато­мом кислорода соединяются два атома водорода. В молекуле воды атомы водорода и кислорода расположены по углам равнобедрен­ного треугольника: при вершине находится атом кислорода, а в уг­лах при основании-по атому водорода; угол при вершине тре­угольника около 105°, а расстояние между ядрами водорода и кис­лорода около 0,97∙10-8 см и между ядрами водорода 1,53∙10-8 см (рис.1).



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)3. 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)3 - 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 (табл. 5)

Таблица 5

Формы молекулы воды в зависимости от температуры (в процентах)

Форма молекулы Лед Вода
0оС 4оС 38оС 98оС
Н2О
2О)2
2О)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 (в см3/г):

 

v = V/m

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 изменениии температуры объясняется по­степенной заменой при повышении температуры от 0 до 4° С три­димитовой рыхлой упаковки более плотной кварцевой.

Изменения плотности воды на один градус температуры 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 на один градус температуры 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

 

rс = P/W

Слой воды hв, содержащийся в снеге, выражается как произве­дение высоты снега hс на его плотность rс , т. е. hв = rс hс. 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 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 северо­западных 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 мб в устойчивом рав­новесии могут одновременно суще­ствовать лед, пар и жидкая вода (точка В на графике).

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 нес 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.

Рис. 2. Диаграмма состояния воды

1 - твердая, 2 - жидкая, 3 - газообразная фазы

 

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 1-5 мм 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 Y, определяемую отноше­нием количества жидкой воды hж к общему количеству воды hх, содержащейся в данном объеме снега в жидкой и твердой фазах. Водоудерживающая способность снега может быть выражена в процентах или в долях единицы

Y = hж/hх100%.

 

где hж - количество жидкой воды в данном объеме снега в мил­лиметрах; hх - 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 1 см.

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.






Дата добавления: 2017-12-05; просмотров: 646;


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 - 2017-2020 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.012 сек.