Фундаментальные законы физики и их использование

При изучении водных объектов

Гидрологические процессы протекают в соответствии с фундаментальными законами физики, поэтому гидрология широко использует эти законы классической физики.

а) Закон сохранения вещества (массы) означает неизменность массы в замкнутой изолированной системе.

Количественным выражением этого закона для водных объектов служат уравнения баланса воды, наносов и растворённых веществ:

m = m⁺ – m^– (1)

где m - изменение за определенное время t массы вещества в пределах водного объекта или контура; m⁺ - масса вещества, поступающего к данному объекту извне и образующегося из других веществ в пределах объекта; m^– - масса вещества, удаляемого за пределы объекта и затрачиваемого при его преобразовании в другие вещества в пределах объекта.

б) Закон сохранения тепловой энергии характеризует неизменность энергии в замкнутой изолированной системе с учётом перехода одного вида энергии в другой. Выражением этого закона применительно к водному объекту служит уравнение теплового баланса для интервала времени t:

Q = Q⁺ - Q^– (2)

где Q – изменение за время t содержания теплоты в водном объекте; Q⁺ - тепло, поступающее к водному объекту извне, а также выделяющееся в пределах объекта при льдообразовании, конденсации пара, разложении веществ и т.д.; Q^– - теплота, удаляемая за пределы объекта и также затрачиваемая в пределах объекта на испарение воды, плавление льда, биохимические процессы.

в) Закон сохранения механической энергии означает, что полная энергия остаётся постоянной с учётом потерь энергии на трение (диссипация энергии Е_дис.). Его записывают в виде:

Е = Е_пот. + Е_кин. + Е_дис (3)

где Е – полная энергия; Е_пот. – потенциальная; Е_кин. - кинетическая.

Применительно к водным объектам этот закон определяет характер перехода потенциальной энергии покоящейся воды в кинетическую энергию движущегося водного потока.

г) Закон изменения количества движения (импульса) означает, что это изменение импульса открытой системы равно сумме всех внешних сил, действующих на эту систему. Выражением закона применительно к любому объёму воды служит уравнение движения:

(4)

где m – масса объёма воды, – изменение средней скорости движения этого объёма, F – сумма, действующих на этот объём внешних объёмных и поверхностных сил.

Этот закон лежит в основе закономерностей динамики вод во всех водных объектах.

Водный баланс

Водный баланс – это количественная характеристика влагооборота. Она представляет собой алгебраическую сумму всех форм прихода и расхода влаги (воды) и является количественным выражением закона сохранения вещества для водных объектов.

Уравнение водного баланса следующее:

x + y₁ +w₁ + z₁ = y₂ + w₂ +z₂ u (5)

где x – атмосферные осадки на поверхность водного объекта или контура;

y₁ - поверхностный приток воды;

w₁ - подземный приток воды извне;

z₁ - конденсация водяного пара.

y₂ - поверхностный отток воды за пределы объекта;

w₂ - подземный отток;

z₂ - испарение;

u - изменение количества воды в пределах водного объекта или контура.

Метод водного баланса широко используется с целью определения средней многолетней величины речного стока, колебаний уровней озёр и морей, режима ледников, оценки водных ресурсов и их рационального использования.

Кроме того, изучается и баланс содержащихся в воде во взвешенном и растворённом состоянии различных веществ (наносы, взвеси, соли, газы) с использованием формулы закона сохранения массы этих веществ (1).

 

Тепловой баланс

 

Уравнение теплового баланса для любого водного объекта или контура включает многочисленные составляющие прихода тепла Q⁺ и его расхода Q^– , с учётом теплообмена с атмосферой и грунтами подземными водами, тепла при фазовых переходах, перехода кинетической энергии в тепловую и т.д. Уравнение имеет сложный вид. Наиболее важный член уравнения теплового баланса – радиационный баланс R, представляющий разность между количеством суммарной коротковолновой солнечной радиации, поглощаемой поверхностью воды или сушей (Q_с) и эффективным длинноволновым излучением этой поверхности (J).

Уравнение теплового баланса следующее:

R= Q_с – J =(Q+q)(1 – r) – J (6)

где Q – прямая солнечная радиация;

q – рассеянная радиация;

r – альбедо поверхности воды или суши.

Метод теплового баланса широко используется в гидрологии для исследования изменений температуры воды в реках, озёрах, морях и океанах, для изучения теплового режима водных объектов, распределения тепла в морях и океанах.

 

 

круговорот воды в природе и водные ресурсы Земли

 

Важнейшей особенностью природных условий Земли является глобальный круговорот воды. Он осуществляет в глобальном, региональном и местном масштабе обмен веществом, энергией и водными ресурсами, служит основой единства природы и играет решающую экологическую роль.

Происхождение воды на Земле

По геологическим данным ясно, что ещё более 2,5 млрд. лет тому назад на Земле имелся океан, а, следовательно, происходили процессы испарения, шли дожди, существовал круговорот влаги. Но как образовался этот первичный океан? Откуда появилась вода на Земле? Здесь мы сталкиваемся с несколькими гипотезами.

1. Вода поступила на первично холодную Землю из космоса с ледяными и каменно-железистыми метеоритами. Сейчас в них содержится в среднем 0,5% воды. Этого достаточно, чтобы за несколько миллиардов лет накопилось количество влаги, даже превышающее по объёму всю гидросферу. Затем вследствие радиоактивного распада произошёл частичный разогрев Земли, начались вулканические извержения и вода с лавой была вынесена на поверхность.

2. На какой-то стадии первичного разогрева в мантии Земли на глубине 50-70 км из ионов Н⁺ и О^– стал возникать водяной пар, который по порам и трещинам поступал на поверхность.

3. Вода поступала на Землю из космоса в виде ливней электрически заряженных частиц – протонов (ядер атомов водорода). Пронизывая верхние слои атмосферы, они захватывают электроны, образуя атомы Н+, которые тут же вступили в реакцию с кислородом. Космический исток может давать до 1,5 км³ воды в год.

4. Водород поступил на Землю из космоса. Соединившись с различными металлами, он образовал металловодородистые соединения, которые обладают интересным свойством присоединения десятки, сотни или даже тысячи объёмов водорода на один объём метала, они уменьшаются в объёме, но увеличиваются в плотности. Так в первичном пылевом облаке оказалось связанным огромное количество водорода. Затем началось сжатие и разогрев этого облака, которые привели к дегазации водорода, расширению Земли и образованию воды. Эта гипотеза хорошо объясняет «плавание» материков и другие геотектонические процессы.

Все четыре предложенных пути образования воды гипотетичны. Мы пока так и не знаем, откуда же взялась вода на Земле. Последние изотопные исследования вещества Земли, Луны и метеоритов свидетельствуют, что вероятно, более справедливы космогенные гипотезы, приводящие к формированию разогретого газообразного облака (Ферронский, 1974). Но и эти исследования не дают прямого ответа на поставленный вопрос…