Плотность воды речной: В какой воде и почему легче плавать в морской или речной

5.2 Плотность воды

Плотность —
главнейшая физическая характеристика
любого ве­щества. Она представляет
собой массу однородного вещества,
при­ходящуюся на единицу его объема:

р = m/V,

где m — масса, V —
объем. Плотность р имеет размерность
кг/м³.

Плотность воды,
как и других веществ, зависит прежде
всего от температуры и давления (а для
природных вод — еще и от содержа­ния
растворенных и тонкодисперсных взвешенных
веществ) и скач­кообразно изменяется
при фазовых переходах.. При повышении
температуры плотность воды, как и любого
другого вещества, в большей части
диапазо­на изменения температуры
уменьшается, что связано с увеличением
расстояния между молекулами при росте
температуры. Эта законо­мерность
нарушается лишь при плавлении льда и
при нагревании воды в диапазоне от 0 до
4° (точнее 3,98° С). Здесь отмечаются еще
две очень важные «анатомии» воды: 1)
плотность воды в твердом состоянии
(лед) меньше, чем в жидком (вода), чего
нет у подавляю­щего большинства других
веществ; 2) в диапазоне температуры воды
от 0 до 4° С плотность воды с повышением
температуры не уменьшается, а увеличивается.
Особенности изменения плотности воды
связаны с перестройкой молекулярной
структуры воды. Эти две «аномалии» воды
имеют огромное гидрологическое значение:
лед легче воды и поэтому «плавает» на
ее поверхности; водоемы обычно не
промерзают до дна, так как охлажденная
до температуры ниже 4° пресная вода
становится менее плотной и поэтому
остается в повер­хностном слое.

Плотность льда
зависит от его структуры и температуры.
Порис­тый лед может иметь плотность,
намного меньшую, чем указано в таблице1.1.
Еще меньше плотность снега. Свежевыпавший
снег имеет плотность 80—140 кг/м³
,плотность слежавшегося снега постепенно
увеличивается от 140—300 (до начала таяния)
до 240—350 (в нача­ле таяния) и 300—450 кг/м³
(в конце таяния). Плотный мокрый снег
может иметь плотность до 600—700 кг/м³.
Снежинки во время таяния имеют плотность
400—600, лавинный снег 500—650 кг/м³.
Слой воды, образующийся при таянии льда
и снега, зависит от толщины слоя льда
или снега и их плотности. Запас воды в
льде или в снеге равен:

h_в
= ah_лр_л/р

где h_л
— толщина слоя льда или снега, р_л
— их плотность, р — плотность воды, а —
множитель, определяемый соотношением
раз­мерностей h_в
и h_л:
если слой воды выражается в мм, а толщина
льда (снега) в см, то а=10, при одинаковой
размерности а=1.

Плотность воды
изменяется также в зависимости от
содержания в ней растворенных веществ
и увеличивается с ростом солености
(рис. 1.5). Плотность морской воды при
нормальном давлении может достигать
1025—1033 кг/м³.

Совместное
влияние температуры и солености на
плотность воды при атмосферном давлении
выражают с помощью так называемого
уравне­ния состояния морской воды.
Такое уравнение в самом простом линейном
виде записывают следующим образом:

р = р_о(1
— α₁Т
+ α₂S)

где Т — температура
воды, °С, S — соленость воды, ‰, р_о
— плотность воды при Т = 0 и S = 0, α₁
и α₂
— параметры.

Увеличение
солености приводит также к понижению
температуры наи­большей плотности
(°С) согласно формуле

Т_{наиб.пл}
= 4 — 0,215 S.

Рис. 5.2.1.
Зависимость плотности воды при нормальном
атмосферном давлении от температуры
и солености воды.

Увеличение
солености на каждые 10‰ снижает Т_{наиб.пл}
приблизительно на 2° С. Зависимость
температуры наиболь­шей плотности и
температуры замерзания от солености
воды иллюс­трирует так называемый
график Хелланд-Хансена (см. рис. 3.10.1.).

Соотношения
между температурами наибольшей плотности
и за­мерзания влияют на характер
процесса охлаждения воды и верти­кальной
конвекции — перемешивания, обусловленного
различиями в плотности. Охлаждение воды
в результате теплообмена с воздухом
приводит к увеличению плотности воды
и, соответственно, к опуска­нию более
плотной воды вниз. На ее место поднимаются
более теплые и менее плотные воды.
Происходит процесс вертикальной
плотностной конвекции. Однако для
пресных и солоноватых вод, имеющих
соленость менее 24,7‰, такой процесс
продолжается лишь до момента достижения
водой температуры наибольшей плотности
(см. рис. 1.4). Дальнейшее охлаждение воды
ведет к уменьшению ее плотности, и
вертикальная конвекция прекращается.
Соленые воды при S>24,7‰ подвержены
вертикальной конвекции вплоть до
мо­мента их замерзания.

Таким образом,
в пресных или солоноватых водах зимой
в при­донных горизонтах температура
воды оказывается выше, чем на поверхности,
и, согласно графику Хелланд-Хансена,
всегда выше температуры замерзания.
Это обстоятельство имеет огромное
значе­ние для сохранения жизни в
водоемах на глубинах. Если бы у воды
температуры наибольшей плотности и
замерзания совпадали бы, как у всех
других жидкостей, то водоемы могли
промерзать до дна, вызывая неизбежную
гибель большинства организмов.

«Аномальное»
изменение плотности воды при изменении
темпера­туры влечет за собой такое
же «аномальное» изменение объема воды:
с возрастанием температуры от 0 до 4° С
объем химически чистой воды уменьшается,
и лишь при дальнейшем повышении
температуры — увеличивается; объем
льда всегда заметно больше объема той
же массы воды (вспомним, как лопаются
трубы при замерзании воды).

Изменение объема
воды при изменении ее температуры может
быть выражено формулой

V_T1
= V_T2(1
+ β T)

где V_T1
— объем воды при температуре Т1, V_T2
— объем воды при T2, β — коэффициент
объемного расширения, принимающий
отрица­тельные значения при температуре
от 0 до 4° С и положительные при температуре
воды больше 4° С и меньше 0° С (лед) (см.
табл. 1.1),

T =T2 -T1.

Некоторое
влияние на плотность воды оказывает
также и давле­ние. Сжимаемость воды
очень мала, но она на больших глубинах
в океане все же сказывается на плотности
воды. На каждые 1000 м глубины плотность
вследствие влияния давления столба
воды возрастает на 4,5—4,9 кг/м³.
Поэтому на максимальных океанских
глубинах (около 11 км) плотность воды
будет приблизительно на 48 кг/м³
больше, чем на поверхности, и при S = 35‰
составит около 1076 кг/м³.
Если бы вода была совершенно несжимаемой,
уровень Мирового океана был бы на 30 м
выше, чем в действительности. Малая
сжимаемость воды позволяет существенно
упростить гидро­динамический анализ
движения природных вод .

Влияние мелких
взвешенных наносов на физические
характери­стики воды и, в частности,
на ее плотность изучено еще недостаточ­но.
Считают, что на плотность воды могут
оказывать влияние лишь очень мелкие
взвеси при их исключительно большой
концентрации, когда воду и наносы уже
нельзя рассматривать изолированно.
Так, некоторые виды селей, содержащие
лишь 20—30% воды, представляют собой по
существу глинистый раствор с повышенной
плотно­стью. Другим примером влияния
мелких наносов на плотность могут
служить воды Хуанхэ, втекающие в залив
Желтого моря. При очень большом содержании
мелких наносов (до 220 кг/м³)
речные мутные воды имеют плотность на
2—2,5 кг/м³
больше, чем морские воды (их плотность
при фактической солености и температуре
около 1018 кг/м³).
Поэтому они «ныряют» на глубину и
опускаются по морскому дну, формируя
«плотный», или «мутьевой», поток.

Чем отличается морская вода от пресной?

окт 13, 2016

Пресная и морская вода – сестры, но между ними есть вполне определенные различия. Начнем с того, что у каждой из них на нашей планете своя миссия и роль. Пресные запасы составляют 2.5% от общего объема мировых ресурсов – все остальные находятся в недрах Земли. Поскольку потребность в питьевой пресной воде с каждым годом только увеличивается, и было начато массовое опреснение соленых морских источников. При этом обе воды близки и являются, по сути, разными сторонами одного явления, Янь и Инь.

Интересно, что Кусто во время очередного своего морского путешествия обнаружил границу между этими двумя источниками – она проходит очень четко у берегов Гибралтарского пролива на стыке со Средиземным морем. Морская имеет определенную температуру, флору, фауну и состав. Занимательный факт: морская и пресная вода никогда не смешиваются, главным образом за счет разницы в плотности – литр океанской жидкости тяжелее литра пресной примерно на 25 г. Это не странно, поскольку ней содержится целый набор микроэлементов, которые и добавляют соленой жидкости вес по сравнению с не соленой. Используя специальные фильтры, можно выделить эти примеси.

Для получения пресной питьевой воды из соленой морской могут использоваться следующие способы:

1. Химический – в соленую жидкость вводят химреагенты, которые при вступлении в реакцию с солями начинают выпадать в осадок. Главный недостаток способа – высокая стоимость, дистилляция, длительный токсичный процесс. Химический способ предполагает применение дистилляторов, перегонку, испарение и разделение разных по составу жидкостей. При этом выход обессоленной воды получается максимальным.
2. Ионный – опресняемая жидкость пропускается через фильтры, в которых происходит обмен ионов воды с ионитом. Данный способ позволяет не только опреснять жидкость, но и получать из нее ценные минералы. Рентабельность процесса зависит от содержания солей в воде (а оно может быть разным).
3. Обратный осмос – в данном случае осуществляется принудительное продавливание воды через тонкую мембрану (через мембрану проходит только чистая молекула воды, а примеси задерживаются). Преимущества методики – минимальные затраты энергии, простота и компактность конструкции, возможность выполнять процесс полностью автоматически.
4. Замораживание – лед из морской воды получается… пресным. После замораживания соленой жидкости лед сепарируется, промывается и растапливается. Способ отличается высокой сложностью и затратностью, поэтому применяется он достаточно редко. Как правильно выбрать метод очистки? Для этого нужно знать показатель тяжелой воды и отталкиваться от него, поскольку повышенное содержание дейтерия очень вредно для здоровья и способствует изменению основных свойств воды.

Пока что максимально эффективного и при этом малозатратного в эксплуатации опреснителя не существует, но в скором будущем, надеемся, данное решение будет изобретено. Пресные водные ресурсы постоянно истощаются, а потребность в них увеличивается – поэтому задача создания инновационного опреснителя стоит очень остро.

Употребление качественной питьевой воды в достаточных объемах – залог здоровья и отличного самочувствия. Если Вы недостаточно пьете, то со временем можете столкнуться с самыми разными проблемами. Мы советуем Вам приобрести раздатчик для бутилированной воды и заказывать питьевую чистую воду с горных источников.

27.05.2022

Горная вода в подарок

Покупателям кулеров HotFrost дарим один бутыль воды «Кара-Су» в одноразовой таре 19 л.

Подробнее

11.04.2022

Акция — «Кулер на дачу – ручка впридачу»

В связи с открытием дачного сезона мы запускаем акцию «Кулер на дачу – ручка впридачу». Акция завершена.

Подробнее

24.09.2019

Фестиваль «Галафест»

Прошёл шестой инклюзивный семейный благотворительный фестиваль.

Подробнее

10.08.2018

Нам 15 лет!

Дорогие друзья, 13 августа 2018-го года компании HotFrost исполняется 15 лет.
Мы хотели бы отметить эту дату спецакцией для наших дорогих партнеров — «Скидка 15% на все кулеры HotFrost»*.

Подробнее

31.03.2017

5 лет гарантии на компрессор

Внимание, специальная гарантия на компрессор!
Теперь предоставляется 5 лет гарантии на компрессор в кулерах для воды HotFrost.

Подробнее

6.3 Плотность – Введение в океанографию

Плотность относится к количеству массы на единицу объема, например, в граммах на кубический сантиметр (г/см ³ ). Плотность пресной воды составляет 1 г/см ³ при 4 ^o C (см. раздел 5.1), но добавление солей и других растворенных веществ увеличивает плотность поверхностной морской воды до 1,02–1,03 г/см ³ . Плотность морской воды можно увеличить, понизив ее температуру, увеличив ее или увеличив давление. Давление оказывает наименьшее влияние на плотность, поскольку вода довольно несжимаема, поэтому влияние давления не очень существенно, за исключением экстремальных глубин. Однако, если бы не небольшое сжатие воды из-за давления, уровень моря был бы примерно на 50 м выше, чем сегодня! Таким образом, температура и соленость остаются основными факторами, определяющими плотность, и из них температура оказывает наибольшее влияние (рис. 6.3.1).

Рисунок 6.3.1 Глобальная плотность поверхности моря. В более холодных полярных регионах плотность выше, чем в более теплых тропических зонах (от Plumbago (собственная работа) [CC BY-SA 3.0 или GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], через Wikimedia Commons).

Поскольку наибольшее влияние на плотность оказывает температура, профили плотности обычно являются зеркальным отображением профилей температуры (рис. 6.3.2). Плотность самая низкая на поверхности, где вода самая теплая. По мере увеличения глубины появляется область быстро увеличивающейся плотности с увеличением глубины, которая называется 9-й.0017 . Пикноклин совпадает с , так как именно резкое снижение температуры приводит к увеличению плотности. Ниже пикноклина плотность может быть довольно постоянной (как и температура) или она может продолжать немного увеличиваться к низу.

Рисунок 6.3.2 Репрезентативный профиль плотности для открытого океана в средних широтах. Теплая поверхностная вода вызывает уменьшение поверхностной плотности (PW).

Приведенный выше профиль представляет стабильное состояние или высокую степень стратификации, когда теплый слой с низкой плотностью расположен поверх более холодного и плотного слоя. Если бы на поверхности образовалась более плотная вода, водные массы были бы неустойчивыми, и более плотная вода опустилась бы на дно, уступая место менее плотной воде на поверхности. Это вертикальное движение водных масс, основанное на плотности (определяемой температурой и соленостью), называется , что является темой раздела 9..8. Создавая стратифицированный водяной столб, и вместе создают барьер, который предотвращает смешивание более теплой и менее плотной поверхностной воды с более холодной и плотной придонной водой. Таким образом можно предотвратить выход богатой питательными веществами глубинной воды на поверхность для поддержки .

Как и в случае с температурой, существуют широтные различия в плотности. В тропиках поверхностные воды теплые и малоплотные, а от более холодных и плотных глубинных вод их отделяет ярко выраженный термоклин. Как указывалось выше, эта стратификация не позволяет воде, богатой питательными веществами, достигать поверхности, и в результате тропические регионы часто имеют низкую продуктивность. В высоких широтах вода равномерно холодная на всех глубинах, поэтому плотностная стратификация незначительна. Отсутствие пикноклина (или термоклина) позволяет холодным, богатым питательными веществами глубинным водам легче смешиваться с поверхностными водами, что приводит к более высокой первичной продукции в полярных регионах.

Гидросфера | Определение, слои, примеры и факты

Экологические сферы Земли

Смотреть все СМИ

Похожие темы:

озеро
морская вода
океаническое течение
волна
океан

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

гидросфера , прерывистый слой воды на поверхности Земли или вблизи нее. Он включает все жидкие и замерзшие поверхностные воды, подземные воды, содержащиеся в почве и горных породах, и атмосферный водяной пар.

Вода — самое распространенное вещество на поверхности Земли. Около 1,4 миллиарда кубических километров (326 миллионов кубических миль) воды в жидком и замороженном виде составляют океаны, озера, ручьи, ледники и подземные воды. Именно этот огромный объем воды в различных ее проявлениях образует прерывистый слой, покрывающий большую часть земной поверхности, известный как гидросфера.

Следуйте за водой, когда она движется по воздуху, земле, озерам, рекам и океанам

Просмотреть все видео к этой статье

Центральное место в любом обсуждении гидросферы занимает концепция круговорота воды (или гидрологического цикла). Этот цикл состоит из группы резервуаров, содержащих воду, процессов, посредством которых вода перемещается из одного резервуара в другой (или переходит из одного состояния в другое), и связанных с такими процессами скоростей переноса. Эти пути переноса пронизывают всю гидросферу, простираясь вверх примерно до 15 км (9 миль) в атмосфере Земли и вниз на глубину порядка 5 км (3 мили) в ее земной коре.

В этой статье рассматриваются процессы круговорота воды и обсуждается, каким образом различные резервуары гидросферы связаны круговоротом воды. Он также подробно описывает биогеохимические свойства вод Земли и рассматривает распределение глобальных водных ресурсов, их использование и загрязнение человеческим обществом. Подробная информация об основных водных средах, составляющих гидросферу, представлена ​​в статьях океан, озеро, река и лед. См. также климат для получения конкретной информации о влиянии климатических факторов на круговорот воды. Основные проблемы и методы гидрологии и ее различных смежных дисциплин обобщены в науках о Земле.

Воды океана и воды, захваченные поровыми пространствами отложений, составляют большую часть современной гидросферы. Общая масса воды в океанах составляет около 50% массы существующих ныне осадочных пород и около 5% массы земной коры в целом. Глубокие и неглубокие подземные воды составляют небольшой процент от общего количества вод, запертых в порах осадочных пород — порядка 3—15%. Количество воды в атмосфере в любой момент времени ничтожно, оно эквивалентно примерно 13 000 кубических километров (около 3100 кубических миль) жидкой воды, или примерно 0,001 процента от общего количества воды на поверхности Земли. Однако эта вода играет важную роль в круговороте воды.

Водные массы на поверхности Земли

резервуар	объем (в кубических километрах)	процент от общего
* В качестве жидкого эквивалента водяного пара.
** Сумма превышает 100 процентов из-за округления объемов отдельных резервуаров в большую сторону.
Источник: адаптировано из главы Игоря Шикломанова «Мировые ресурсы пресной воды» в книге Питера Х. Глейка (ред.), «Вода в условиях кризиса: Путеводитель по мировым ресурсам пресной воды», авторское право 1993 г., издательство Oxford University Press, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. Таблица доступна. Геологической службой США.
океаны	1 338 000 000	96,5
ледяные шапки, ледники и вечный снег	24 064 000	1,74
подземный лед и вечная мерзлота	300 000	0,22
подземные воды (всего)	23 400 000	1,69
подземные воды (пресные)	10 530 000	0,76
подземные воды (соленые)	12 870 000	0,93
озера (всего)	176 400	0,013
озера (пресные)	91000	0,007
озера (соленые)	85 400	0,006
влажность почвы	16 500	0,001
атмосфера*	12 900	0,001
болотная вода	11 470	0,0008
реки	2120	0,0002
биота	1120	0,0001
общий**	1 409 560 910	101,67

В настоящее время лед задерживает немногим более 2 процентов воды на Земле и, возможно, составлял до 3 процентов или более в разгар оледенения эпохи плейстоцена (от 2,6 миллиона до 11 700 лет назад).