Фізичні властивості води

 

Фізичні властивості води

Густина води

Густина води — це її маса в одиниці об’єму (в 1 м³), вимірюється в кг/м³. В океанографії для зручності було введено поняття умовної густини [(Г. м. в. – 1) ´ 1000]. Співвідношення ваги одиниці об’єму морської води за будь-якої температури до ваги одиниці об’єму дистильованої води за тієї самої температури називається питомою вагою морської води, яка визначається так само, як і умовна густина.

 Густина морської води  залежить від температури, солоності,  а на глибинах — ще і від  гідростатичного тиску. З підвищенням  солоності, зниженням температури  і підвищенням тиску густина  морської води збільшується. В  залежності від температури і  солоності маса одиниці об’єму  поверхневої морської води може  значно відрізнятися від маси  такого ж об’єму прісної води.

Морська вода відрізняється  від прісної. Її   густина  збільшується при зниженні температури упритул  до точки замерзання, а температура  замерзання морської води нижча за прісну. 

Густина вод більш холодної південної півкулі на 0,0012 кг/м³ більша за густину поверхневих вод північної півкулі. Найбільшу густину мають поверхневі води Атлантичного океану, а найменшу - Тихого. Серед морів найнижча густина у водах Балтійського моря.

В цілому, густина морської води збільшується від екватора до полюсів (до 50–60° широти), і пов’язано це з розподілом температури води. Умовна густина поблизу екватора 22–23 кг/м³, а до полюсів вона збільшується до 26–27 кг/м³. Густина дещо зменшується в більш високих північних широтах у результаті зменшення солоності.

 Сезонні коливання густини на поверхні океану незначні, причому максимальні амплітуди простежуються у тропічних районах, де спостерігається найбільший річний хід водообміну.

 З глибиною густина морської води в океанах збільшується (пряма стратифікація), чим забезпечується вертикальна рівновага вод. При порушенні прямої стратифікації виникає конвекція і перемішування шарів. Зворотна стратифікація густини — явище дуже короткочасне. Іноді спостерігається повна однорідність шарів — нейтральна рівновага.

Отже, густина морської води з глибиною збільшується. У верхніх  шарах часто спостерігається  стрибок, тобто великий вертикальний градієнт густини.  Розрізняють два шари стрибків: сезонний   і постійний.

Від солоності залежить інтенсивність  замерзання морської води і розвиток льодових явищ в океанах і морях.

Температурний режим  океану

Однією з найважливіших  фізичних характеристик морської води є її температура. Головним джерелом теплової енергії є сонячна радіація.

Інші джерела теплової енергії це:

- енергія припливів і відпливів;

- внутрішнє тепло Землі;

- тепло, яке утворюється при окисленні органічних речовин, інших хімічних реакціях;

- тепло, яке виділяють радіоактивні речовини, що знаходяться в океанах і морях;

- теплообмін поверхневих шарів вод океанів і морів з атмосферою;

- конденсація вологи;

- випадіння теплих опадів;

- теплі течії;

- виділення скритої теплоти  при льодоутворенні.

Охолоджується вода:

- при випаровуванні;

- при випромінюванні теплової  енергії в атмосферу;

- при конвективному теплообміні між морем і атмосферою;

- при випадінні холодних опадів;

- при перемішуванні поверхневих  шарів з глибинними холодними     водами;

- при згоні поверхневих  теплих вод вітрами;

- внаслідок холодних течій. 

Температура поверхневих  вод Світового океану.

Розподіл температури  води на поверхні океанів і морів  має зональний характер: температура  поступово знижується від екватора до полюсів. Вплив материків і  течій порушує цю зональність. В  екваторіально-тропічних широтах  температура води в районі східного узбережжя на 2–3°С нижча від температури  води поблизу західних берегів. Цьому  сприяють пасати, які зносять поверхневий  шар від східних берегів, а  на їхнє місце піднімаються холодні  глибинні води.

Найтепліший Тихий океан, середня його температура +19,37°С, в  Індійському океані +17,27°С, в Атлантичному +16,35°С, у Північному Льодовитому  океані – 0.8˚С.  Найвища температура  океанічних поверхневих вод (+35,6°С) у Перській затоці та Червоному морі, а найнижча (–2°С) — у водах  Арктики і Антарктики.

Температура поверхневих  вод морів залежить від фізико-географічних умов, в яких знаходиться те або  інше море. Так, влітку температура  води у Чукотському морі +1,6°С, а  в Аральському, Каспійському, Чорному  та Азовському морях — +20°С.

Вплив температури  води на процеси, що відбуваються у  морі.

 Температура води є  однією з найважливіших фізичних  характеристик Світового океану, що впливає на природні та  біологічні процеси і явища,  які відбуваються в океані  та атмосфері Землі. Від температури  і солоності води та її розподілу  залежить рух водних мас, існування  теплих і холодних течій в  океанах та морях. Знаючи розподіл  температури і солоності морської  води на поверхні та глибинах, можна скласти спеціальні карти  поширення течій в даному районі. Стан температури поверхневих  вод моря і температури повітря впливає на утворення туману на морі і взагалі на взаємодію океану і атмосфери, а отже, на клімат і погоду.

 З температурою морської  води пов’язано її замерзання, розвиток льодових явищ на  морі і обледеніння суден. Температура  води, поряд із солоністю і  вмістом кисню у воді, визначає  умови існування риб та інших  мешканців моря. Від t і S морської води залежить її густина, яка впливає на осадку морських суден. Моряки враховують це в судноводінні.

Температура і солоність  впливають також на швидкість  поширення в ній звуку. Це необхідно  враховувати під час роботи з  ехолотами та іншими гідроакустичними приладами на морі.

Солоність – це кількість солей у грамах в 1 кг води, отриманої при розтоплені льоду.

У Світовому океані утворюються  криги, що відрізняються за походженням, формою, віком, розміром, станом поверхні та рухомістю.

1. У генетичному відношенні, тобто за походженням, лід підрозділяють на три  класи:

* морський;

* материковий (глетчерний);

* річковий.

2. За характером рухомості поділяється на   нерухомий і рухомий (дрейфуючий).

а) До нерухомого льоду відносять :

Припай - морський лід, прикріплений до берега або мілини, для якого характерні лише вертикальні коливання при змінах рівня.

Крижаний заберег – початкова стадія формування припаю; утворюється   біля берега, складається із ніласу або склянки, може бути завширшки 100-200 м

Стамухи - це окремі торосисті льодові утворення на дні, які мають великі вертикальні розміри.

Лід на березі  - накопичення льоду на пологому схилі.

Шельфовий льодовик – це велика плитоподібна маса льоду, завтовшки до 1000 м, зовнішній край якого знаходиться на плаву в зону шельфу, має рівну або слабко хвилясту поверхню, утворюється в результаті тривалого накопичення материкових льодовиків, що виступають у напрямку до моря.

б) Дрейфуючий лід – не зв’язаний з берегами лід, який рухається під дією вітру й течій. В залежності від розміру льоду виділяють наступні форми дрейфуючого льоду:

Айсберг – сповзання частини  льодовика або шельфового льодовика, що дрейфує у морі, мають висоту більше 5 м над рівнем моря.

Льодові острови утворюються при відколюванні великих масивів від шельфового льоду узбережжя полярних країн.

 Льодові поля – це найбільш великі за площею утворення дрейфуючого льоду.

Несяк – великий торос або група торосів, які змерзаються разом і являють собою окрему крижину з порівняно малими горизонтами і великими вертикальними розмірами; осадка до 20-25 м і висота над рівнем моря до 5 м.

3. За віком морський лід поділяється на:

Початкові стадії утворення льоду:

льодові голки - кристали чистого льоду завтовшки від 0.5-2 см до

10 см, утворюються на поверхні  води або в її товщі;

льодове сало — суцільний шар або плями сірувато-свинцевого кольору, що складаються зі слабко з'єднаних кристалів льоду;

 сніжура – сніг, що випадає на поверхню моря ущільнюється і перетворюється в кашоподібну масу.

шуга – накопичення рихлих білявих грудок льоду діаметром в декілька сантиметрів, які утворюються із льодового сала, сніжури, донного льоду.

 Наступні вікові стадії  льоду:

 Якщо море спокійне  з сала утворюється  суцільний тонкий, еластичний лід товщиною до 10 см, має матову поверхню - ніласовий лід.

Склянка – тонкий прозорий лід у вигляді прозорої блискучої кірки товщиною до 5 см, утворюється при спокійному стані моря з льодових голок і сала;

Млинчастий лід – невеликі крижини у вигляді дисків    (діаметром до 30-50 см), утворюється при слабкому хвилюванні одночасно в різних точках.

З наростанням склянки  і ніласу, при замерзанні сніжури і млинчастого льоду утворюється молодий лід. Молодий лід —  порівняно рівний лід сірого кольору, товщиною від 15 до 30 см. Цей лід менш еластичний, ніж ніласовий, і під дією вітру часто ламається, створюючи накопичення — тороси. Під час утворення молодого морського льоду на його поверхню піднімається частина розсолу разом з льодовими кристалами, що спливають.

 Морський лід товщиною від 30 см до 2 м, що проіснував не більше однієї зими, називається однорічним.

Дворічний лід – лід, що знаходиться в другому річному циклі наростання і який досягає до кінця зими товщини 2 м і більше.

 Багаторічний лід або паковий лід – лід завтовшки до 3 м, опріснений, має блакитний відтінок, якому за віком більше двох років.

Дрейф льоду

Морський лід на більшій частині акваторії є дрейфуючим, тобто під дією різних зовнішніх сил міняє своє положення в просторі.

 Переміщення льоду по акваторії під сукупною дією різних сил називається дрейфом. Знання переміщення льоду в просторі й у часі надзвичайно важливе при рішенні великої кількості прикладних завдань. У першу чергу знання руху льоду, а отже, і його положення необхідне для потреб мореплавання. Кораблі без додаткових кріплень корпуса не можуть витримати ударів об лід. Тому в морях з льодом їхній шлях прокладають з урахуванням переміщень льоду.

Оптичні властивості  морської води

Прозорість морської води, тобто здатність пропускати світлові промені, залежить від розмірів і кількості у воді завислих частинок різного походження, які значно змінюють глибину проникнення світлових променів. Розрізняють абсолютну і відносну прозорість морської води.

Абсолютною прозорістю називається глибина (в метрах), на яку може проникнути хоч якийсь промінь світла сонячного спектру. Вважається, що в чистих морських водах ця глибина приблизно змінюється від 1000 до 1700 м.

Відносна прозорість — це глибина (в метрах), на якій білий диск (діаметром 30 см) перестає бути видимим (табл. 4.7).

Отже, в усіх океанах і  морях прозорість зменшується в  прибережній зоні і збільшується у відкритому океані. Найбільшу прозорість має Саргасове море — 66,5 м, у Тихому океані вона досягає 59 м, в Індійському — 45 м.

Колір моря

 На географічних картах  моря та океани синього кольору.  У дійсності їх колір має  багато відтінків: зеленуватий, сіруватий, жовто-бурий, червонуватий, білий та ін. Деякі моря отримали назву завдяки кольору води, наприклад, Червоне море — завдяки червонувато-коричневому відтінку води внаслідок значної кількості зоо- і фітопланктону. Води Жовтого моря забарвлюють значні маси лесу, що приносяться річкою Хуанхе.

Колір морської води та зміни  її забарвлення залежать від багатьох причин. Колір води визначається вибірковим розсіюванням і поглинанням природного світла молекулами води та завислими  у ній частинками неорганічного  і органічного походження.

Моря й океани мають  переважно синій колір з тієї ж причини, що й небо: внаслідок  властивостей самої води та атмосфери. Море освітлюється сонячним світлом, а  воно, як відомо, являє собою поєднання  променів усіх кольорів з різною довжиною хвилі.

Колір моря постійно змінюється і залежить не тільки від оптичних властивостей води, але й від погодних умов, від освітленості та стану  моря. У тиху ясну погоду, коли море спокійне, воно здається блакитним, як небо. Невеликий вітерець — поверхня моря засяяла міріадами золотих  бліків. Коли вітер посилюється, піднімаються невеликі хвилі, небо затягують сірі хмари, море швидко сіріє.

Океани та моря мають свої відтінки кольорів: темно-синій — Індійський, Атлантичний і Тихий океани, темно-блакитний — Середземне море, зеленуватий — Карибське, жовтуватий — Балтійське моря.

Поширення звуку  в океані. Вчення про поширення звукових хвиль в океані називається акустикою моря. Швидкість звуку в океані може коливатися від 1400 до 1550 м/с.