Визначення та характеристика основних фізичних та хімічних властивостей води

 

Властивість	Визначення	Характеристика
1. Тепломісткість	Кількість теплоти, яка поглинається тілом під час нагрівання на 1ºС	1 кал тепла змінює температуру 1 г чистої води на 1ºС; це вище ніж у інших розповсюджених в природі речовин
2. Пароутворення	Перехід речовини з конденсованої фази (рідкої чи твердої) в газову; показник – теплота пароутворення (кількість теплоти, яку необхідно надати речовині у рівноважному ізобарно-ізотермічному процесі, щоб перевести її з рідкого стану у пароподібну)	1 г нагрітій до кипіння чистій воді треба надати 540 кал, щоб перевести її в пар; це більше ніж для інших рідин
3. Льодоутворення	Перехід речовини з рідкої чи газової фази у конденсовану; показник – теплота плавлення (кількість теплоти, яка виділиться під час конденсації пари в рідину у рівноважному ізобарно-ізотермічному процесі)	Щоб перетворитися у лід, 1 г чистої води повинен втратити 80 кал
4. Теплопровідність	Один з видів перенесення тепла від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих, що приводить до вирівнювання температури	Найбільша серед усіх широко розповсюджених в природі рідин
5. Розчинююча здатність	Здатність розчинювати різні речовини, тобто утворювати з ними однорідні системи змінного складу, що містять два чи більше компонентів	Молекула води є диполем, який сприяє дисоціації багатьох сполучень. А її висока електрична міцність дає можливість окремим елементам існувати у вигляді вільних іонів
6. Поверхневий натяг	Сила, яка діє на одиницю довжини контуру поверхні й намагається скоротити поверхню до мінімуму за умови заданих об’ємів фаз	Найвищий серед усіх розповсюджених в природі рідин
7. Прозорість	Відношення потоку випромінювання, який пройшов у середовищі без змін напрямку шлях рівний 1, до потоку, що увійшов в це середовище у вигляді паралельного пучка.	Вікно прозорості води потрапляє на довжини хвиль, що відповідають зелено-блакитному світлу, тобто ті які відповідають піку спектра випромінювання Сонця
8. Заломлення світла	Зміна напрямку розповсюдження оптичного випромінювання (світла) під час його проходженні через межу розділення двох середовищ	Показник переломлення світла є мірою швидкості світла в середовищі. Для морської води становить 1,33 (повітря – 1,00), отже, у воді світло розповсюджується повільніше, ніж у повітрі
9. Поглинання світла	Зменшення інтенсивності оптичного випромінювання (світла), що проходить крізь матеріальне середовище, за рахунок процесів його взаємодії з середовищем	Внаслідок високої електричної міцності вода легко поглинає електромагнітне випромінювання на всіх довжинах хвиль, за винятком видимого діапазону
10. Густина	Ρ, фізична величина, що визначається для однорідної речовини її масою в одиниці об’єму (кг/м^3)	Густина морської води змінюється зворотно пропорційно температурі та прямо пропорційно вмісту солей.
11. Стискальність	Здатність речовини змінювати свій об’єм під дією всебічного тиску	Вода має невелику стискальність; зі зміною атмосферного тиску на рівні моря на 1 мбар стовп океанської води середньої глибини змінює свою висоту на 1 см
		Закінчення табл.. 8
12. В’язкість	Внутрішнє тертя, властивість текучих тіл (рідин і газів) чинити опір переміщенню однієї їх частини відносно іншої	Серед рідин вода має невелику в’язкість
13. Електропровідність	Здатність тіла пропускати електричний струм під дією електричного поля; фізична величина, що кількісно характеризує цю здатність	Океанська вода, що рухається зі швидкістю 1 см/с, генерує електричне поле (різниця потенціалів між електродами розташованими на відстані 100 м один від одного складає в цьому випадку близько 10 мВ)
14. Теплове розширення	Зміни розмірів тіла в процесі нагрівання	Серед рідин вода має невелике теплове розширення
15. Швидкість звуку	Швидкість розповсюдження якої-небудь фіксованої фази звукової хвилі	Швидкість звуку у воді висока – 1490 м/с (повітря – 331 м/с)
16. Осмос	Дифузія речовини, звичайно розчинника, крізь напівпроникну мембрану, що відокремлює розчин і чистий розчинник чи два розчина різної концентрації	Вода являє собою розчин

 

Завдання

Завдання 1.

Як ви вважаєте, на процеси яких оболонок Землі найбільш впливають окремі властивості води. Заповнити таблицю^*:

	літосфера	гідросфера	атмосфера	біосфера
1. Тепломісткість		Через те що вода має властивість поглинати і вивільняти велику кількість теплової енергії температура води в океані змінюється у вузьких межах.	Через те що вода має властивість поглинати і вивільняти велику кількість теплової енергії, пом’якшує різкі коливання клімату на Землі.	Через те що температура води в океані змінюється у вузьких межах більшість морських організмів холоднокровні.
2. Пароутворення
3. Льодоутворення
4. Теплопровідність
5. Розчинююча здатність
6. Поверхневе натягнення
7. Прозорість
8. Переломлення світу
9. Густина
10. Стискуванність
11. В’язкість
12. Електропровідність
13. Теплове розширення
14. Швидкість звуку
15. Осмос

^{*приклад заповнення наведено для такої властивості, як тепломісткість: в таблицю достатньо занести тільки ту думку, яка наведена курсивом; інші строки заповнюються аналогічно}

Питання для повторення:

1. Хімічна будова води.

2. Аномалії води.

3. Ізотопи кисню і водоводу. Важка вода.

4. Гази у морській воді.

5. Активна реакція морської води і лучний резерв.

6. Фізичні властивості морської води.

 

Заняття 4. Водні маси

Мета: ознайомитись з поняттям та класифікацією водних мас Світового океану; опанувати метод термохалінного аналізу, як один із методів виділення й аналізу водних мас.

 

Загальні відомості

У ході дослідження фізичного стану та динаміки вод Світового океану виявилося доцільним розглядати не окремі їх фізико-хімічні характеристики (температура, солоність, вміст кисню і т. ін.), а комплексні, що відображали б до певної міри ті процеси, які відбуваються в океані.

У океанографії знайшло широке застосування поняття “ водні маси” великі, сумірні з розмірами океану (моря) об'єми води, що тривалий час зберігають відносну однорідність основних фізичних, хімічних і біологічних характеристик, сформованих у певних географічних районах океану. Як основні фізико-хімічні характеристики під час визначення водних мас найчастіше використовуються їх солоність і температура. Додатково застосовуються такі характеристики, як вміст газів, лужність, оптичні властивості, гідробіологічні показники і т. ін. Проте обмеженість даних про додаткові характеристики примушує використувати в основному характеристики температури і солоності.

Отже, кожна водна маса сформувалася в певних кліматичних умовах, і має специфічні властивості. На межі різних мас утворюються фронтальні зони, в межах яких чітко виражені градієнти тих або інших океанологічних характеристик.

Найбільшими системами водних мас є океанічні течії. З різних причин течії можуть сходитися і розходитися. Сходження називається конвергенцією, розходження – дивергенцією. Під час конвергенції відбувається накопичення вод, що призводить до підвищення рівня океану. У результаті збільшується показник тиску, частково зростає густина води і вона опускається. Під час дивергенції течії відбувається пониження рівня океану, що викликає підйом глибинних (холодних) вод до поверхні – апвелінг.

Товща океанічної води розшаровується по вертикалі, подібно до того, як це відбувається в атмосфері – вертикальна структура вод Світового океану. Будь-яке переміщення океанічних вод, що виникае під впливом різних факторів, є причиною збудження цілої системи взаємозв'язаних рухів вод. За вертикальною структурою прийнято виділяти тропосферні (поверхневі (А), підповерхневі (А’)), проміжні (В), стратосферні (глибинні (С) і придонні (D)) водні маси. Крім того, окремий тип складають водні маси поверхні океану з несталими характеристиками, що зазнають добових змін. Тропосферні води займають горизонт приблизно від 100 до 500 – 900 м, проміжні водні маси – приблизно від 600 – 800 до 1200 м, далі до дна розташовані стратосферні води (придонні, як правило, з глибин 4000 м). Усі ці межі є умовними, залежать від географічного розташування району, глибини басейну.

У Світовому океані наявна й горизонтальна структура водних мас. Найбільш різноманітна вона для поверхневих водних мас. В загалом тут виділяють такі типи: 1) екваторіальні; 2) субтропічні (північні та південні); 3) тропічні (північнотропічні та південнотропічні, своєрідною їх модифікацією є води Аравійського моря і Бенгальської затоки); 4) субполярні (субарктичні та субантарктичні); 5) полярні (антарктичні та арктичні). Більшість проміжних, глибинних і природних водних мас формується з поверхневих, які часто є достатньо трансформованими і складають горизонтальну структуру в цих шарах вод. Основні типи водних мас Світового океану наведені у табл. 9.

На сьогодні можна вказати на такі основні методи виділення водних мас: метод T,S -кривих, загального аналізу, виділення за градієнтами гідрологічних характеристик, ізопікнічного аналізу.

Проте завдяки місткості, наочності й інформативності метод T,S -аналізу ліпший за інших.

Основним завданням аналітичної теорії T,S -кривих є сумісне рішення рівнянь, що визначають просторовий розподіл температури та солоності, подання одержаних результатів на T,S -діаграмі та геометричне й аналітичне дослідження одержаних таким чином функціональних зв'язків між температурою і солоністю.

Оскільки температура і солоність суть функції глибини

; (1.1)

, (1.2)

а сама T,S -крива в T,S -координатах може розглядатися як крива деякої функції

, (1.3)

то вирази (1.1, 1.2) являють параметричне завдання T,S -кривої.

Функція (1.3) є, таким чином, функція явна T,S -крива по параметру z може бути названа T,S,z -кривою; правомірно ввести замість z параметр P (тиск) для отримання T,S,Р -кривої. Окрім параметрів z або Р, T,S -криві можуть бути побудовані й за іншими параметрами (часу, відстані по горизонталі і т. ін.) [6].

 

 

Таблиця 9

Основні водні маси Світового океану та їх T,S -індекси (за М. І. Єгоровим)*

 

Атлантичний океан	Індійський океан	Тихий океан
Тропосферні (поверхневі) водні маси
Субтропічна Північної Атлантики (20ºС; 36,5‰)	Бенгальської затоки (25,0ºС; 33,8‰)	Субтропічна західної частини північної половини океану (20,0ºС; 34,8‰)
Субтропічна Південної Атлантики (18,0ºС; 35,9‰)	Екваторіальна (20,0ºС; 35,3‰)	Субтропічна східної частини північної половини океану (20,0ºС; 35,2‰)
	Моря Тимор (20,0ºС; 34,5‰)	Екваторіальна та субтропічна південної половини океану (25,0ºС; 36,2‰) – (20,0ºС; 35,7‰)
	Субтропічна південної частини океану (16,0ºС; 35,6‰)
Проміжні водні маси
Субарктична (2,0ºС; 34,9‰)	Червономорська (23,0ºС; 40,0‰)	Субарктична (5,0ºС; 33,8‰) – (9,0ºС; 33,5‰)
Середземноморська (11,9ºС; 36,5‰)	Моря Тимор (12,0ºС; 34,6‰)	Субтропічна східної частини південної половини океану (11,5ºС; 33,9‰)
Антарктична (2,2ºС; 33,8‰)	Антарктична (5,2ºС; 34,3‰)	Антарктична (5,0ºС; 34,1‰)
Стратосферні (глибинні таі придонні) водні маси
Глибинна та придонна Північної Атлантики (2,5ºС; 34,9‰)	Глибинна та придонна Антарктична (0,6ºС; 34,7‰)	Глибинна та придонна (1,3ºС; 34,7‰)
Глибинна Південної Атлантики (4,0ºС; 35,0‰)
Придонна Антарктична (-0,4ºС; 34,66‰)

 

* Полярні океани в таблиці не розглядаються тому, що поверхневі арктичні, субарктичні, антарктичні та субантарктичні води не мають стабільного T,S-індексу, проміжні й стратосферні води представлені арктичними та антарктичними водами (останні, внаслідок відкритості Південного океану, неоднорідні в різних секторах)

 

Найзагальнішим випадком змішання водних мас у реальних умовах Світового океану є вертикальне перемішування двох, трьох і чотирьох накладених одна на одну водних мас. Основою для вивчення вертикального перемішування вод на T,S -діаграмі є аналітична теорія T,S -кривих для необмеженого по вертикалі океану.

Практичним висновком з аналітичної теорії T,S-кривих є правила, що витікають з „геометрії T,S -кривих”. У полі T,S -координат (вісь абсцис – S ‰, вісь ординат – Т ºС) будується T,S -крива станції дослідження. За даними наносяться поступово точки, поряд підписують значення глибини (м), точки з’єднуються плавною кривою. Отримана T,S -крива аналізується за такими правилами „геометрії T,S -кривих” В. Б. Штокмана:

1. Межею між двома водними масами слід вважати глибину, на якій процентний вміст, визначуваний за прямою або трикутником змішання, складає 50% для кожної з водних мас.

2. Якщо T,S-крива близька до прямої лінії, то для її аналізу слід користуватися прямою змішання. У цьому випадку індекси двох водних мас, що змішуються, лежать на кінцях прямої та відповідають поверхневим і глибинним водним масам.

3. Якщо T,S-крива складається з двох і більше прямих (або майже прямих) ділянок, то є три і більше водних мас. Взагалі, кількість водних мас дорівнює кількості екстремумів (або суміщень) плюс два.

4. Визначення T,S-індексів здійснюється проведенням дотичних до випрямлених ділянок T,S-кривої. В цьому випадку перетин дотичних у області екстремуму (сполучення) вказує на T,S-індекс проміжної водної маси, кінці гілок T,S-кривої відповідають приповерхневій і придонній водним масам.

5. Для визначення меж і процентного вмісту водних мас на різних глибинах на T,S-індексах як на вершинах будуються трикутники змішання.

6. Головна медіана трикутника змішання, проведена з тієї його вершини, яка відповідає проміжній водній масі, до середини протилежної сторони (основа трикутника змішання), перетинає T,S-криву в тій точці, де параметр z характеризує положення ядра проміжної водної маси.

Побічні медіани трикутника змішання, проведені з середини основи трикутника змішання до двох інших сторін, перетинають T,S-криву в тих її точках, де параметр z відповідає межам проміжної водної маси. Частина T,S-кривої, що знаходиться між побічними медіанами трикутника змішання, відповідає проміжній водній масі.

Завдання

За даними безпосереднього спостереження за температурою і солоністю в Південній Атлантиці [30] за варіантом (табл. 10) побудувати T,S-криву, провести її аналіз згідно „геометрії T,S-кривих” Штокмана. Використовуючи дані табл. 9 та „Атлас Атлантичного і Індійського океанів” [8] назвати виділені типи водних мас.

 

Таблиця 10