// Вие четете...

Водните маси

Физични свойства на морската вода.

„Да мислиш, значи да спориш със себе си.“

Физични свойства на морската вода.

Основните физически характеристики на морската вода се определят от нейния строеж, наличието на примеси и техните свойства. Водните молекули са образувани от различни изотопи на водорода (водород, деутерий, тритий) и кислорода, и др.
При съприкосновение на атомите на кислорода с водорода, електронът на последния изменя своята орбита и започва движение по траектория, която е обща за двата атома. При свързване с два водородни атома външната електронна обвивка на кислорода се запълва и се образува устойчива молекула вода. Молекулите на водата, благодарение на своя висок диполен момент, имат способност да се асоциират като образуват тетраедрична кристална решетка.При замръзване в структурата на леда молекулите са равномерно разположени като всяка молекула е свързана с по четири съседни чрез водородни връзки. При подобна структура опаковката на молекулите имат малка плътност. При кристализация водата намалява плътността си и природните водоеми замръзват на повърхността, благодарение на което живите организми имат условия за живот и през зимата.

Строеж на молекулата на водата.

Структура на водата. 1 – тетраедрично разположение на молекулите, 2 – структура на леда.

При повишаване на температурата от 0 до 3,98°С част от водородните връзки се разпадат и някои молекули се разполагат в празнините на кристалната решетка, при което опаковката става по-компактна. По тази причина плътността на течната вода е по-висока от тази на леда. С по-нататъшно увеличение на температурата над 4°С топлинното движение става по-интензивно, увеличава се разстоянието между молекулите и плътността отново се понижава.
Водата има голямо повърхностно напрежение, поради което в атмосферата могат да се образуват капки под формата на облаци и валежи и да се осъществява водообмен между хидросферата и атмосферата.
Поради полярността на своите молекули водата е почти универсален разтворител, а нейната голяма специфична топлоемкост и големи специфични топлини на изпарение и кондензация обуславят акумулирането на огромно количество енергия в Световния океан и малките колебания на температурите в него.

Една от основните характеристики на водата е нейното специфично тегло.

където G е тегло на водата, М–маса, V–обем, g–ускорение на силата на тежестта, ρ –плътност.
В качеството на еталон за специфично тегло γd е прието теглото на 1 dm3 дестилирана вода при температура 4°С, чиято маса М=1 kg.
Една от разновидностите на специфичното тегло е специфично тегло при 0°С γ/γd, което за морска вода е безразмерна величина, която винаги е по-голяма от единица, поради наличието на разтворени соли в нея.
Например при средната соленост на водите на Световния океан 35‰ специфичното тегло при 0ºС е 1,02813. За улеснение се използва съкратено записване наречено условно специфично тегло σ =28,13.
Плътността е безразмерна величина, която винаги е по-голяма от единица. Например при соленост 35‰ и температура 20°С=1,02478.
За улеснение също се прави съкратено записване, наречено условна плътност в случая σ=24,78.
Плътността на морската вода зависи по сложен начин от температурата, солеността и налягането. Предложени са редица приближени уравнения за състоянието на морската вода, от които се определя нейната плътност. За груби изчисления е достатъчно да се отчете влиянието на основния фактор – температурата на водата върху плътността по формулата на Бусинеск: ρ=1,028.(1-β.T), където β е коефициент, изразяващ изменението на плътността с изменение на температурата, който се отчита от океанологични таблици. Т – температура на морската вода в °С.
За плътността на повърхностни морски води се прилага уравнението на Мамаев: σ =(ρ-1).103=28,152-0,0735.T-0,00469.T2+(0,802-0,002.T).(s-35), където Т е температура в °С, s–соленост в ‰.
Формула, предложена от Линейкин отчита и влиянието на налягането върху плътността на морската вода. Съществуват и редица други уравнения за състоянието на морската вода.
Най-ниска плътност (σ=23) и най-висока температура имат океанските води в екваториалната област. На север и на юг от екватора плътността се увеличава като при ширина 50° σ=26, а при ширина 65° σ=27 В полярните области σ намалява в резултат на понижената температура и соленост на морската вода.

Разпределение на плътността на морската вода на повърхността на океаните.

Налягането в океана се изменя от атмосферното P =101325 Pa до стотици атмосфери в дълбочина. Налягането в дълбочина на морето h e: P=g.ρ.h, ако се определи средната плътност на водата в слоя ρ и се приеме, че атмосферното налягане Р=0.
С достатъчна точност за практически цели може да се приеме, че в океана на всеки 1 м дълбочина налягането се увеличава с 104 N/m2=1 дб (децибар).
Температурата на морската вода е величина, която определя нейното топлинно състояние. Температурата на повърхностния воден пласт се измерва на дълбочина 1 м, а температурата на повърхностния слой на морето – на дълбочина 1–2 см. Средната температура на повърхностните води на Световния океан е 17,54°С, а на въздуха – 15°С. Тази разлика има важно значение за топлообмена между атмосферата и хидросферата.
За всички океани максималната средногодишна температура на водата на повърхността е в областта на термичния екватор, разположен малко на север от географския. За Атлантическия океан тя е 26,88°С, за Тихия – 27,20°С и за Индийския – 27,88°С. ¾ от обема на водите на Световния океан е с температура между 0 и 4 °C, а само 8% от водите са по-топли от 10°С.
В океана се наблюдава тенденция на намаляване на температурата с нарастване на дълбочината като по-леките топли слоеве се разполагат над по-плътните студени и се достига до устойчиво разслоение (стратификация).
В умерените и ниските географски ширини температурата в горния 50-метров слой е сравнително висока и еднаква след което рязко спада обикновено с повече от 1°С на метър дълбочина. Този слой на рязко понижение на температурата на морската вода се нарича термоклин. Сезонните изменения на температурата проникват до дълбочина 200–300 м във водния слой.

Разпределение на температурата на водата в дълбочина в Черно море.

Специфичен топлинен капацитет на морската вода е количеството топлина в J (джаули), необходимо за повишаване температурата на 1 kg вода с 1K (1°C). За еталон е приет специфичният топлинен капацитет на дестилираната вода при 0°С, равен на 4,1868 kJ/kgK. С увеличаване на солеността, температурата и налягането специфичният топлинен капацитет се понижава. За морска вода при температура 0°С и соленост 35‰ на дълбочина 1 000 м той е 3,877 kJ/kgK, а на дълбочина 10 000 м – 3,651 kJ/kgK .

Специфичен топлинен капацитет за прясна вода (1) и за морска вода със соленост 35 ‰ (2).

Чистата вода има най-голяма плътност при температура 4°С. С повишаване на солеността се понижава температурата на най-голямата плътност по емпирична формула, предложена от Кнудсен и Крюмел:
Qp°C=3,95–0,2.S–0,0001.S2+0,00002.S3,
както и температурата на замръзване на водата, изразена чрез формулата на Ханзен:
Q°C=-0,003–0,0527.S–0,00004.S2–0,0000004.S3
На на следващата графика са дадени зависимостите на Qp и Q от солеността.
Кривите се пресичат в точка с характеристики s=24,695‰ и Q=1,332°C.

Температура на максимална плътност Tm и на замръзване Tf.

Водата със соленост по-ниска от 24,695‰ има температура на най-голяма плътност, която е по-висока от температурата на замръзване и по това прилича на прясната вода. Обратно, при соленост по-висока от 24,695‰ температурата на най-голяма плътност е по-ниска от температурата на замръзване.
Кривата Тp е температурата, при която плътността на водата с дадена соленост е равна на плътността при температурата на замръзване. Поради нелинейната зависимост между плътността на водата и температурата е възможно води с различна температура да имат еднаква плътност като при тяхното смесване водата се уплътнява. На следващата графика е представено разпределението на средногодишната температура на повърхностните води на океана.

Разпределение на средногодишната температура на повърхностните води на океана.

При температурата на замръзване морската вода се превръща в лед. Общият обем на морските ледове се оценява на 25 500 км3 в Северното полукълбо и на 30 000 км3 – в Южното. Според своята динамика ледът бива плаващ (движещ се под действие на вятъра и теченията) или неподвижен, който включва крайбрежен, брегови и дънен лед.
Континенталният лед се образува от многогодишните снегове на сушата и във вид на ледници се спуска в океана, под формата на айсберги. Речният лед се образува в реките и се внася в океаните и моретата през пролетното ледотопене. Ледовете на р. Дунав са причина за замръзване на морето пред българския бряг, което е сравнително рядко явление –през ХХ век се е случило три пъти – през 1929, 1942 и 1954 г., когато ледени блокове от северозападната част на морето, влачени от течението на юг при слаб вятър и продължително действащи ниски температури се спояват и се задържат в заливите. Температурата на максималната плътност на водата за Черно море е 0,5°С, а температурата на замръзване е – 0,9°С.
През изминали геоложки епохи в резултат на орбитални явления е имало ледникови периоди, когато големи площи от Евразия и Северна Америка са били покрити с ледници.

Айсберги. 1–масивен, 2–пирамидален, 3–куполообразен, 4–разрушаващ се.

Представата, че Земята не е абсолютно твърдо тяло, а е деформируемо започва да се разпространява в края на ХVІІІ и началото на ХІХ в. През втората половина на ХІХ в. се достига до идеята, че твърдата Земя се деформира вследствие на приливни сили подобно на Световния океан, но в по-малка степен. Измененията във формата на Земята, вследствие планетарни причини се нарича геоидална евстазия.

Разпространение на ледовете в Северното и Южното полукълбо.

Силата на тежестта, която действа върху телата на земната повърхност е сума от гравитационната сила F и центробежната сила C, дължаща се на въртенето на Земята.

където k е гравитационната константа, м1 и м2 – масите на привличащите се тела, ro –разстоянието между тях.
C=ω2.r.cosφ, където ω е ъгловата скорост на въртене на Земята, r – радиусът на Земята, φ – географската ширина.
Центробежната сила е насочена перпендикулярно към ротационната ос на Земята, като е най-голяма на екватора и е равна на нула при географските полюси.

Зависимост на центробежната сила от географската ширина.

Тъй като центробежната сила е много по-малка от гравитационната в Океанологията се приема, че силата на тежестта е насочена към центъра на Земята и земното ускорение е a=9,81 м/s2.
Движенията в океана се разглеждат в локална координатна система, чието начало О се намира в точка на земната повърхност, а осите са ориентирани съответно: Ox – по паралела към изток, Oy – по меридиана към север, Oz – по вертикала нагоре.

Локална координатна система на Земята.

Тъй като Земята се върти, свързаните с нея локални координатни системи са неинерциални и следва да се отчита Кориолисовата сила K, която действа върху частица, движеща се със скорост v. (K=2ω×v).
Кориолисовата сила причинява отклонение на дясно от посоката на хоризонтално движение за телата в Северното полукълбо и отклонение на ляво – за телата в Южното полукълбо.
Поради наличието на вискозитет на водата в океана възникват сили на триене τ, които причиняват в морските води постепенно преминаване на кинетичната енергия в топлинна и затихване на движенията.
Разпределението на гравитационното поле и ускорението на силата на тежестта под моретата и океаните се изучава от морската гравиметрия. Целта е определяне на формата на Земята, изследване на земната кора и локалните аномалии на силата на тежестта, които се използват за търсене на полезни изкопаеми.
Морската вода представлява разтвор на различни соли и е добър проводник на електрическия ток. Електропроводността нараства с повишаване на температурата и солеността. С увеличаване на солеността от 6 до 40‰ и на температурата от 0 до 24°С електропроводността се увеличава повече от 10 пъти. Електропроводимостта на морската вода се определя по формулата:

където R е специфично електрично съпротивление на стълб морска вода с дължина l и напречно сечение s. Измерва се в сименс на метър S/m или в 1/Ω.cm.

Зависимост на специфичната електропроводимост на морската вода от температурата и солеността.

При движението на електропроводящата океанска вода в магнитното поле на Земята свободните заряди в нея създават много слаби конвективни токове. Същевременно в резултат на движението възникват индукционни електрични токове, чието съществуване е предсказано още от Фарадей през 1832 г. Във връзка с промените в слънчевата активност се изменя магнитното поле на Земята и в океаните възникват телурични вихрови токове с интензитет до 10 мV/km, който е максимален в полярните области и се понижава към екватора. В периоди на магнитни бури интензитетът на телуричните токове може да достигне до 400 мV/km.
Земята представлява гигантски магнит като се предполага, че земното магнитно поле произтича от съществуването на вихрови токове в земното ядро. Геомагнитното поле представлява огромен дипол, разположен под ъгъл 11,5° спрямо географската ос на въртене на Земята, при което географските и магнитните полюси не съвпадат. Около северния географски полюс е разположен южният магнитен полюс и обратно. Силовите магнитни линии излизат от южния магнитен полюс и се устремяват към северния, като обхващат цялото земно кълбо и големи пространства около него.

Движение на магнитния полюс в Канадска Арктика (1831–2001 г.).

Магмените, седиментните и метаморфните скали чрез магнитните минерали, които съдържат „запечатват” посоката на земното магнитно поле по време на своето образуване. В резултат може да се проследи движението на магнитните полюси, смяната на полярността на магнитното поле, както и движението на континентите през различните геоложки епохи. Тези палеомагнитни изследвания дават възможност да се определи възрастта на базалтите на дъното на океаните, която не надхвърля 160 млн. г.
Морската магнитометрия се прилага за съставяне на карти на елементите на геомагнитното поле или за регистриране на локалните им аномалии. Данните служат за изучаване скоростта на нарастването на земната кора в рифтовите зони и зоните на спрединг, за тектонското райониране на морското дъно и за търсене на рудоносни участъци.

Хронология на смяната на полярността на Земното магнитно поле за последните 4 млн. г.

Магнитни аномалии по профил, пресичащ средно океански хребет (СОХ), по Аллисон, Палмер, 1984.

Радиоактивността на морската вода се изразява чрез сумарното лъчение, което се дължи на радиоактивните изотопи на химичните елементи в морската вода. Тя бива естествена и изкуствена.
Естествената радиоактивност се дължи основно на радиоактивния изотоп на калия 40K, чието количество е 0,012% от общото количество на калиевия катион или около 4,5.10-5 g/l. 98,78% от естествената радиоактивност на морската вода се дължи на лъчението на 40K, 0,89% – на изотопа на рубидия 87Rb и 0,33% – на урана U и всички останали радиоактивни елементи. В Черно море естествената радиоактивност е по-слаба, поради по-ниската соленост и намаляване концентрацията на 40K.
Изкуствената радиоактивност се дължи на извършени ядрени опити (под водата, на земята и в атмосферата), както и от замърсяване от атомни кораби и подводници и при промишлени аварии, при които се образуват радиоактивни изотопи: церий 144Ce, стронций 90Sr, цезий 137Cs, натрий 24Na, манган 56Mn. и др.

Коментари

Все още няма коментари

Публикувай коментар