Почему вода течет: Почему вода течет | Вокруг Света

Почему вода течет?

В самом деле, почему? Да потому, конечно, что она жидкость. А почему жидкость? Ну, это уже все равно, что спрашивать, почему твердое тело — твердо и газ — газообразен. Но, оказывается, не совсем все равно. Ибо в объяснении твердости твердого и газообразности газа ученые физики пришли к вполне определенным и общим выводам, а что касается жидкостей, то…

Как в автобусе

Как давно известно, в кристаллическом твердом теле молекулы и ионы выстраиваются в ряды, соблюдая строгий порядок. Он один и тот же на всей глубине тела, и в науке его принято изображать в виде пространственной решетки с материальными частицами в переплетениях — узлах. Это так называемый дальний порядок. Стоит его изменить, и вещество изменит свойство: станет мягче или тверже, потеряет форму, сожмется, расширится.

Решетка связывает движение мельчайших частиц тела. Они как бы соединены между собой пружинками, которые позволяют частицам лишь дрожать, колебаться по отношению друг к другу.

Совершенно иначе ведут себя молекулы газа. Они, словно пылинки в солнечном луче, вьются независимо одна от другой. Кажется, никаким законам не подчинено это беспорядочное движение. Но как оно ни хаотично, ученые смогли подсчитать среднюю скорость мельчайших частиц в газах. Первым научился это делать английский физик Д. К. Максвелл. Он рассуждал примерно так.

На улице города можно встретить и очень высоких людей и совсем маленьких. Но и тех и других сравнительно немного. В основном все жители какой-либо местности примерно одного роста.

Так и движение молекул газа. Некоторые развивают огромную скорость, часть молекул движется медленно. Однако у подавляющего большинства скорость примерно одинакова. Ее можно принять за среднюю.

У молекул водорода при обычной температуре она составляет два километра в секунду — больше 7000 километров в час. У молекулы кислорода всего 1800 километров в час. С жидкостью же пока дело обстоит иначе. Согласие между учеными далеко не достигнуто. Кажется, просто: сжатый или сильно охлажденный газ становится жидкостью, как и сильно нагретое твердое тело. Жидкость — среднее состояние. Но в чем ее внутренняя природа, как ведут себя в ней молекулы?

Пришли к выводу, что частицы жидкости, в отличие от газовых, связаны друг с другом. Но единого, общего для всего тела порядка они не образуют, а испытывают влияние только своих ближайших соседок и воздействуют только на них. Тут уже не дальний порядок связи, как в твердых кристаллических телах, а так называемый ближний. В переполненном автобусе нельзя сдвинуться с места, не потревожив ближайших соседей. Направляясь к выходу, поневоле «меняешь группы» окружающих людей. Примерно так же каждая отдельная молекула жидкости движется среди соседок.

Когда соседи все время одни и те же, ученые говорят о колебании молекулы около временного положения равновесия. Почему «временного»? Потому, что частицы не остаются постоянно в одинаковом же окружении, они перепрыгивают из одной группы соседей в другую — совершают, как говорят ученые, активированные скачки. Каждая молекула воды при комнатной температуре делает за секунду примерно 600 миллионов активированных скачков! (и это касается в том числе и воды в бутылях, стоящей в вашей кухне)

В спокойной жидкости они происходят одинаково во всех направлениях. То группа частиц и каждая из них в отдельности переместилась в одну сторону, то в другую. В общей массе направление скачков взаимно уравновешивается. Однако стоит приложить к жидкости какую-либо силу (избыток давления, силу тяжести, разность потенциалов), и равномерность скачков нарушается, частицы устремляются в одну сторону. Устремляются группами и в одиночку. Это и есть текучесть. От этого течет и вода.

Для того чтобы частицы жидкости могли совершать активизированные скачки, в ней должны быть пустоты. Существуют ли они на самом деле? Ведь если их нет, то приведенное выше объяснение текучести ошибочно. Что говорит об этом опыт? Поиски таких пустот были начаты очень давно.

В серебряном шаре

Флоренция. Старинные дворцы прищурились от яркого солнца резными глазницами окон. А внутри дворцовых покоев вот уже несколько часов неторопливо беседуют флорентийские академики. Один из них говорит:

— Можно ли объяснить текучесть жидкости тем, что в ней есть невидимые поры? Правда ли, что стремясь заполнить их, жидкость и расплывается? Это утверждение, на наш взгляд, ошибочно. Доказательства? Вот они. Перед вами серебряный шар. Он наполнен водой. Ей некуда вытечь, так как шар закупорен герметически. Попробуем ударить по шару тяжелым молотком. Если бы в воде были поры, она бы от удара сжалась, а на шаре образовались бы вмятины.

Молоток с силой опустился на серебряную поверхность. Раз, второй, третий… На шаре появились светлые пятнышки. Академик торжествующе дотронулся до одного из них. Это были крошечные водяные капельки.

Опыт повторили. И снова после ударов на поверхности шара выступали слезы. Серебро пропускало воду! Но как? Ведь оно не губка и не пористая пемза. Напрашивался единственный вывод: в металле есть мельчайшие пустоты.

А в жидкости? Раз воде было легче пробить металл, чем сжаться, значит в ней не нашлось никаких пустот? Выходит так? И долгое время физики считали воду несжимаемой, лишенной каких бы то ни было внутренних пор. Лишь в середине восемнадцатого столетия французский физик Контон доказал, что и вода сжимается, хотя совсем незначительно.

Надо приложить давление в 1000 атмосфер, чтобы уменьшить объем воды всего на одну двадцать пятую. Значит, «поры» в жидкости все-таки существуют, молекулы в ней «упакованы» не самым плотным из всех возможных способов!

Но какие это пустоты? Как расположены молекулы в группах «ближнего порядка»? И даже (но об этом — чуть дальше) именно ли пустоты играют роль причины текучести? В поисках ответа на эти вопросы были разработаны сложные теории, выдвинуты десятки гипотез. Тут и «теория дырок» (как ее называют на научном просторечии), и «теория ячеек», и кинетически-мультиплетно-контактная теория и многие другие. Независимо от простоты или сложности названия все они довольно сложны по существу. Многие из них предполагают, что в течение очень коротких отрезков времени и в небольших объемах молекулярная структура жидкости представляет собой подобие кристаллической решетки твердого тела. Эти построения из молекул то и дело разрушаются, молекулы собираются в новые правильные группы, и жидкость течет.

Один из сторонников таких взглядов, ученый Г. В. Стьюарт сравнивает жидкость со стадом свиней. Животные то и дело собираются в постоянно меняющиеся группы. Группы внутри стада то растут, то уменьшаются. Расстояния между ними, то сокращаются, то увеличиваются. И все-таки это порядок, имеющий определенное построение. Часть физиков считает, что упорядоченность в жидкости, в известной мере, подобна порядку в соответствующем ей твердом теле. Так, расположение мельчайших частиц раствора поваренной соли сходно со строением кристаллов хлористого натрия. Молекулы воды образуют фигуры, похожие на кристаллы льда.

Таинственные многогранники

Но действительно ли жидкости настолько близки к твердым телам? Против этого решительно возражает известный английский ученый Дж. Д. Бернал, который вообще отрицает все так называемые кристаллические теории жидкостей. Он убежден, что жидкость — это однородное (в отличие от гипотезы Стьюарта) и связанное силами сцепления построение молекул. Никаких кристаллических участков или «дырок» достаточно крупных, чтобы в них могли бы поместиться какие-либо молекулы, в ней нет. Вопреки тому, что жидкость сжимается!

Не создают молекулы жидкости и каких-нибудь одинаковых фигур. Но как же тогда жидкость течет? Бернал рассуждает следующим образом. У каждой молекулы жидкости есть 8—12 непосредственно соприкасающихся с ней соседей. Значит, вместе они должны составить фигуры с таким же количеством граней. Но какие? Ведь существуют 46 многогранников, у которых число граней доходит до 12. И есть сотни полторы разных многогранников с 14 гранями. Да и каждая грань не похожа на свою соседку. Мало того, что это могут быть и треугольники, и квадраты, и другие многоугольники. Дело еще в том, что они могут иметь разные стороны. Тогда все эти многоугольники даже при одинаковом количестве углов будут отличаться друг от друга. Высчитать точно, в какие многогранники, с какими гранями, под какими углами сложатся молекулы в капле жидкости очень трудно. И поэтому Бернал пошел по другому пути — решил воспроизвести в грубой форме молекулярную модель жидкости.

Вы можете, при желании, повторить его опыт. Сделайте из пластилина десятка два-три маленьких комочков, обваляйте их в меле и сожмите в один ком. Теперь давайте посмотрим, в какие фигурки превратились комочки при плотной их упаковке.

Видимо у вас, как и у Бернала, получится что-то схожее с неправильными многогранниками. Причем грани в одной фигуре будут разительно отличаться одна от другой. Такого не может быть в кристалле. В этом, по Берналу, и заключается главное отличие структуры жидкости от структуры твердого тела.

Теперь вспомните, что жидкость находится в постоянном движении. Значит, и многогранники и отдельные грани все время меняются. Треугольники превращаются в параллелепипеды, пятиугольники приобретают еще один угол. В других случаях, наоборот, углов становится меньше, грани сдваиваются, страиваются. Этим беспрестанным изменением объемных форм внутри жидкости и объясняет Бернал ее непрерывное течение.

Итак, новый геометрический подход принес новую интересную гипотезу, воскрешающую в какой-то мере старые идеи флорентийских мудрецов. Однако спор далеко не кончен. Общепринятой теории жидкости, согласного ответа на вопрос «почему вода течет?» в науке еще нет. И добыть его далеко не просто.

Кстати, вот что любопытно: большинство теоретиков склонно приближать жидкость скорее к твердому телу, чем к газу. А в практике инженеры и ученые-экспериментаторы применяют к жидкостям формулы, характеризующие тяжелые газы. Странное противоречие! Его тоже должно разрешить будущее. И результаты этого спора будут иметь не только чисто научный, познавательный интерес. В нем кровно заинтересованы и физико-химики, и геологи, и металлурги. Уточнение молекулярно-кинетической модели жидкости может принести пользу в сталеплавлении, гидромеханике, поиске редкоземельных элементов, добыче нефти и во многих других областях науки и техники.

Автор: Г. Вершубский.

Зачем вода течет в воде?

Владимир Жмур,
доктор ф. -м. наук, зав. Лабораторией морских течений Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН
«Популярная механика» №7, 2013

Гольфстрим исчез или поменял направление. Произошло глобальное изменение климата. Человеческая цивилизация на грани исчезновения. Как относиться к этим страшилкам, известным по фильмам-катастрофам и статьям некоторых климатологов-футурологов? Чтобы это отношение выработать, стоит прежде всего разобраться в необычайно интересном феномене морских течений.

Что вообще заставляет воду двигаться в воде? Например, ее неоднородность. Более соленая и более холодная вода тяжелее более пресной и теплой. А поскольку и соленость в разных точках Мирового океана может различаться, и поверхность моря нагревается солнцем неравномерно, в толще воды возникает градиент давлений, и точно так же, как воздух в атмосфере, вода начинает движение от зоны высокого давления к зоне низкого.

Такие течения в науке называют термохалинными. Существуют и течения, вызванные перепадами уровня океана, их можно назвать баротропными. Но все же творцы самых мощных перемещений воды — ветер и сила Кориолиса.

Океан в теснине

Течения, буквально промешивающие пол-океана, — это ветровые течения. Пример — крупномасштабная циркуляция воды в северной части Атлантики. Поток, охватывающий всю верхнюю толщу вод, движется по часовой стрелке с на удивление маленькой скоростью — всего-то 1–2 см/с. Казалось бы, все просто — вдоль восточных берегов Атлантики течение движется с севера на юг, вдоль американских берегов — с юга на север. Но есть одна существенная деталь, имеющая решающее значение для климата в этой части мира.

Сила Кориолиса — сила инерции, возникающая из-за вращения нашей планеты, — прижимает течение к американскому материку. Часть мощного потока океанских вод сжимается в узкой прибрежной зоне, образуя так называемое западное пограничное течение. Дальше все происходит по законам гидравлики: оказавшись в своего рода теснине, вода резко увеличивает скорость примерно до 2 м/с, то есть в сто раз. Эта мощная струя в конце концов отрывается от породившего ее кругового течения и уходит на север, становясь течением Гольфстрим.

Понятно, что даже такое мощное и быстрое океанское течение, как Гольфстрим, все равно испытывает на своем пути воздействие разнообразных сил и факторов. Оно постепенно теряет энергию, начинает петлять, создавая, подобно реке, меандры. Иногда эти меандры отрываются и формируют отдельные вихри — так называемые ринги, имеющие диаметр около 200 км. В каждый момент времени этих вихрей в Северной Атлантике существует более десятка. Если они, отделяясь, уходят на юг, то несут более холодную воду в более теплые зоны океана, если на север, то наоборот — заносят относительно теплую воду в полярные области.

Твердая вода

Вихри — постоянный спутник морских течений. Сама граница течения представляет собой фронт, то есть перепад характеристик водной среды. Он практически никогда не бывает плоскостью, перпендикулярной дну, но имеет уклон. Фронт постоянно меняет положение, и рядом с ним неизменно рождаются вихри — от гигантских, диаметром в сотни километров, до самых маленьких, какие только могут быть. Понятно, что воду закручивает одновременное действие разных сил, и здесь опять-таки не последнюю роль играет сила Кориолиса.

Вот интересный пример. Через Гибралтарский пролив, как и через любой узкий пролив, соединяющий два бассейна, в которых вода имеет разные характеристики, идут два быстрых встречных потока. Более легкая океанская вода вливается в Средиземное море поверху, а более тяжелая, более соленая морская, идет понизу и скапливается уже в океане на глубине порядка 1000–1200 м (именно на такой глубине средиземноморский «рассол» имеет нулевую плавучесть). Вырастает своего рода огромный «мешок», а с ним возникает разница гидростатического давления на одинаковой глубине.

Теперь, казалось бы, есть все условия, чтобы возникло течение по направлению градиента давлений. Но тут и вступает в действие сила Кориолиса — она компенсирует перепад давлений, и вода, вместо того чтобы двигаться по изолинии давления, выталкивается в перпендикулярном направлении. Так в Атлантике закручивается гигантский вихрь диаметром около 100 км и толщиной метров 300.

Кстати, обнаружение этого вихря и изучение его природы стало одним из последних крупных открытий в области гидрологии океана и физической географии вообще.

Еще одно необычное явление, связанное с океанскими течениями и рождаемыми ими вихрями, наблюдается между Индийским океаном и Атлантикой.

Агульясское течение, идущее вдоль восточноафриканского берега на юг, у побережья ЮАР (то есть там, где кончается африканский континент) делает левый поворот и вновь направляется на восток, в Индийский океан. В этом месте от него отрываются вихри, уходящие в сторону Атлантики. Эти водовороты существуют долго, до трех лет, пока их не выносит к берегам Южной Америки, где вихри постепенно перемалываются прибрежными течениями.

Эти образования играют большую роль в процессе обмена водой и разнообразным биоматериалом между двумя океанами. Удивительный момент заключается, однако, в том, что сами эти вихри имеют ничтожную толщину по сравнению с диаметром. Фактически это тонкие водяные диски, крутящиеся по поверхности океана. Что же им придает такую невероятную живучесть? Ведь вращение одной вязкой жидкости в другой неизбежно должно было бы привести к торможению и распаду вихря.

Исследователям удалось выяснить, что в момент образования — еще внутри Агульясского течения — эти вихри приобретают свойства, характерные для вращения… твердого тела. Именно благодаря таким уникальным физическим характеристикам диск из воды Индийского океана достигает американских берегов.

Хранители цивилизации

Истории с вихрями наглядно демонстрируют, что Мировой океан наполнен разнообразными и иногда причудливыми движениями. Свои особенности имеют течения экваториальной области, где практически не действует сила Кориолиса. Исключительное значение для формирования климата на Земле имеет Антарктическое циркумполярное течение — единственное по-настоящему замкнутое океанское течение на планете. У него есть некий северный аналог, однако в него временами заходит и точно так же выходит атлантическая вода, тогда как в Антарктике ветер гонит воду бесконечным кругом.

Но все же самые мощные течения на Земле — это западные пограничные, порождаемые, как уже говорилось, ветром и действием силы Кориолиса. В Южном полушарии их мощь не так впечатляет (возможно, из-за влияния Антарктиды), но в Северном Гольфстрим в Атлантике и Куросио в Тихом океане оказывают решающее влияние на климат, хозяйство, а значит, и всю человеческую цивилизацию. Очень трудно себе представить, по крайней мере при нынешней конфигурации океанов и континентов, что механизм, порождающий Гольфстрим, вдруг даст сбой. Другое дело — распределение его энергии.

В Северной Атлантике Гольфстрим ветвится: один поток поворачивает на юг и греет Европу, другой уходит в Северный Ледовитый океан, превращая Мурманск в круглогодичный незамерзающий порт. Еще одна ветвь идет к Исландии, а затем поворачивает в сторону Североамериканского континента. Характер ветвления зависит от распределения градиентов давления в этой части Мирового океана. Если предположить, что течение усилит свою ветвь, направленную к Европе, а поток, идущий в Баренцево море, иссякнет, в Европе станет жарче, а вот в России может существенно расшириться зона вечной мерзлоты.

Если же случится наоборот, по Темзе зимой снова будут ездить на санях, зато растают льды Северного Ледовитого океана. Этот океан подключится к общей системе обмена энергией между атмосферой и Мировым океаном, создаст новые ветры, которые, в свою очередь, наверняка изменят картину морских течений. Сдвиги климата в этом случае могли бы оказаться труднопредсказуемыми. Остается лишь главный вопрос: насколько это реально?

Главная опасность, о которой можно было бы говорить, — это таяние ледяного панциря Гренландии, что привело бы не только к повышению уровня Мирового океана, но и наверняка к изменению направления течений. Тут с Гольфстримом и могла бы случиться беда. Что ж, ледники Гренландии действительно потихоньку тают, однако ничего такого, что бы сулило глобальные катастрофические последствия в ближайшем будущем, пока не происходит. А дальше?

А дальше все упирается в надежность предлагаемых разными группами исследователей моделей прогнозирования. Одни абсолютизируют сегодняшнюю тенденцию к потеплению и экстраполируют ее на тысячу лет вперед: у них выходит, что, в конечном счете, океан закипит, а жизнь на Земле станет невозможной. Другие, напротив, говорят, что жара скоро сменится похолоданием.

И пусть сторонники того или иного сценария предлагают свои расчеты, по мере увеличения срока прогноза растет и величина погрешности. Поэтому, если к прогнозам на десять лет вперед можно относиться серьезно, то вероятность реализации сценария, рассчитанного на сто лет, равняется анекдотическим 50 на 50, то есть или будет, или нет.

Если же говорить о серьезных публикациях, выходящих в наши дни, то по их совокупности можно прийти к выводу о том, что современная наука не видит реальных оснований для катастрофических сценариев, связанных с Гольфстримом. Чтобы в этой мощной и достаточно устойчивой системе что-то радикально поменялось, нужны колоссальные изменения на планете, но таких процессов мы не наблюдаем, а современные нам изменения климата могут быть всего лишь проявлениями краткосрочных циклов в пять-шесть десятков лет.

Streamflow и водный цикл

• Дом школы водной науки • Тематы поверхностных вод • Цикл воды •

Компоненты цикла водного цикла »Атмосфера · Конденсация · Gresporation · Evapotranspiration · Gresporate · Evapotranspiration · Gresporation · . и реки ·  Поток подземных вод ·   Запасы подземных вод ·   Лед и снег ·   Инфильтрация ·   Океаны · Осадка · Снежный полет · пружины · Streathflow · Сублимация · Столовый сток

и водяной цикл

Источники/Использование: Некоторое содержимое может иметь ограничения. Посетите СМИ, чтобы узнать подробности.

West Branch Susquehanna River, Pennsylvania

Фото: Википедия

Если вы читали наше обсуждение роли океанов  играть в круговороте воды, вы знаете, что испарение  из океанов является основным способом возврата воды в атмосферу  с поверхности Земли. Вода возвращается на Землю из осадков , падающих на землю, где гравитация либо уносит ее в землю как инфильтрация , либо начинает течь вниз по склону как поверхностный сток . Но как большая часть воды возвращается в океаны, чтобы поддерживать круговорот воды? Большая часть стока попадает в ручьи, ручьи и реки, текущие вниз по склону к океанам. Если река не впадает в закрытое озеро, что бывает редко, или не отводится для нужд людей, что обычно, они впадают в океаны.

Мы используем термин «речной сток» для обозначения количества воды, текущей в реке. Иногда вы также увидите, что слово «разряд» означает то же самое. Хотя Геологическая служба США обычно использует термин «ручей» при обсуждении проточных водоемов, на этих страницах мы будем чаще использовать слово «реки», так как это, вероятно, то, с чем вы более знакомы.

Значение рек

Реки бесценны для жизни повсюду. Реки не только являются прекрасным местом для игр людей (и их собак), но люди используют речную воду для снабжения питьевой водой, орошения сельскохозяйственных культур, производства электроэнергии, смывания отходов (надеюсь, но не всегда, обработанных отходов), перевозки товаров. , и получить пищу. Реки являются основными водными ландшафтами для всех видов растений и животных. Реки даже помогают поддерживать подземные водоносные горизонты полными воды, сбрасывая воду вниз через свои русла. И мы уже упоминали, что океаны остаются полными воды, потому что реки и стоки постоянно обновляют их.

Водоразделы и реки

Источники/использование: общественное достояние.

Одно слово может объяснить, почему на Земле существует любая река — гравитация. Вы слышали, что «вода ищет свой уровень», но на самом деле вода ищет центр Земли, как и все остальное. С практической точки зрения вода обычно стремится течь в океаны, которые находятся на уровне моря. Итак, где бы на Земле ни находилась вода, она стремится течь вниз. Поскольку Земля не очень ровное место, вода в конечном итоге занимает долины и впадины в ландшафте в виде рек и озер.

При рассмотрении расположения рек и величины речного стока ключевым понятием является «водораздел» реки. Что такое водораздел? Легко, если вы сейчас стоите на земле, просто посмотрите вниз. Вы стоите, и все стоят, в водоразделе. Водораздел — это участок земли, где вся вода, попадающая в него и стекающая с него, уходит в одно и то же место. Водосборные бассейны могут быть как небольшими, как след, так и достаточно большими, чтобы охватить всю землю, с которой вода стекает в реки, впадающие в Чесапикский залив, где она впадает в Атлантический океан. Большие водоразделы содержат множество меньших водоразделов. Все зависит от точки истечения; вся земля, с которой вода стекает в точку оттока, является водоразделом для этого места оттока. Водоразделы важны, потому что на речной сток и качество воды в реке влияют события, вызванные деятельностью человека или нет, происходящие на участке земли «выше» точки стока реки

Речной поток постоянно меняется

Речной поток постоянно меняется изо дня в день и даже из минуты в минуту. Конечно, основное влияние на речной сток оказывает сток осадков в водосборе. Дожди вызывают подъем рек, и река может даже подняться, если дождь идет только очень далеко в водоразделе — помните, что вода, попадающая в водораздел, в конечном итоге стекает в точку стока.

Источники/использование: общественное достояние. Посетите СМИ, чтобы узнать подробности.

Это типичное наводнение на Пичтри-Крик, показанное на фотографиях «до и после» из холла домовладельца высотой 10 футов. Базовый сток в Пичтри-Крик (рисунок слева) составляет около 2,5 футов, а речной сток составляет около 25 кубических футов в секунду (cfs). Фотография паводка (справа) была сделана 6 мая 2003 г. ближе к вечеру, когда уровень воды был около 17 футов. Наводнение достигло пика в тот день в 19:30 по восточному времени вечером, когда уровень потока достиг 17,77 футов с соответствующим мгновенным расходом воды 6,9.60 см.
​​​​
Авторы и права: Говард Перлман, Геологическая служба США

Размер реки сильно зависит от размера ее водораздела. Большие реки имеют водоразделы с большой площадью зеркала; малые реки имеют меньшие водоразделы. Точно так же реки разного размера по-разному реагируют на штормы и дожди. Большие реки поднимаются и опускаются медленнее, чем малые реки. В небольшом водоразделе шторм может привести к тому, что каждую минуту будет течь в 100 раз больше воды, чем в базовые периоды, но река будет подниматься и опускаться, возможно, за считанные минуты и часы. Большие реки могут подниматься и опускаться в течение нескольких дней, а наводнение может длиться несколько дней. В конце концов, может пройти несколько дней, прежде чем вся вода, упавшая за сотни миль вверх по течению, стечет через точку стока.

Если вы когда-нибудь задавались вопросом, сколько галлонов воды выпадает во время шторма, воспользуйтесь нашим интерактивным калькулятором осадков , чтобы узнать это.

Гидрологи изучают речной сток с помощью гидрографов

Геологическая служба США использует гидрограф для изучения речного стока. Гидрограф — это диаграмма, показывающая, чаще всего, уровень реки (высота воды над произвольной высотой) и речной сток (количество воды, обычно в кубических футах в секунду). Другие свойства, такие как количество осадков и параметры качества воды, также могут быть нанесены на график. На приведенном ниже гидрографе показаны количество осадков и речной сток за один день в Пичтри-Крик в Атланте, штат Джорджия (номер станции Геологической службы США 02336300).

Осадки влияют на речной сток

24 декабря 2002 г. в водоразделе Пичтри-Крик выпало около двух дюймов осадков. Это хороший пример для описания характеристик речного стока во время шторма, поскольку в тот день дождь шел всего несколько часов, а Пичтри-Крик до начала дождя находился в условиях базового стока. На приведенной ниже диаграмме показано количество осадков в дюймах в течение каждого 15-минутного приращения 24 декабря ^-го года, а также непрерывная мера речного стока в кубических футах в секунду (фут 9).0109 3 /с).

Источники/использование: общественное достояние.

Коричневая линия на графике показывает, что речной сток в период паводка намного выше, чем непосредственно перед ним. Линия показывает, что базовый сток составлял около 50 футов ³ /с до того, как река начала подниматься, но всего несколько часов спустя, в 9:00, сток превысил 6 000 футов ³ /с, т.е. примерно в 150 раз больше протекающей воды, чем в условиях базового потока. Это характерно для небольших ручьев, особенно городских, где сток очень быстро поступает в реку.

Можно оценить общее количество воды, вытекшей 24 декабря 2002 г., и сравнить его с днем, когда речной сток находится в условиях базового стока (уровень течения около 2,81 фута). При базовом расходе около 27 800 000 галлонов воды будет проходить через измерительную станцию ​​Пичтри-Крик за один день. Используя средние значения речного стока за каждый 15-минутный период во время шторма 24 декабря, примерно 4 290 000 000 галлонов утекло. Это будет примерно в 154 раза больше воды, чем в день базового стока.

Предварительные осадки:
Стадия потока: 2,81 фута
Streamflow: 43 кубических фута в секунду

после осадков :
Стадия потока: 17,33 фута
. in streamflow

Реки всегда движутся, и это хорошо для всего, так как стоячая вода не остается свежей и привлекательной очень долго. Существует множество факторов, как естественных, так и антропогенных, которые заставляют реки постоянно меняться:

Природные механизмы

• Сток от осадков и таяния снега
• Испарение с почвы и поверхностных водоемов
• Транспирация растительностью
• Сброс подземных вод из водоносных горизонтов
• Пополнение запасов подземных вод из поверхностных водоемов
• Осаждение озер и водно-болотных угодий
• Формирование или таяние ледников, снежников и вечной мерзлоты

Механизмы, созданные человеком

• Забор поверхностных и трансбассейновых вод
• Регулирование стока рек для гидроэнергетики и судоходства
• Строительство, демонтаж и осаждение резервуаров и прудов для сбора ливневых стоков
• Устройство русла ручья и строительство дамб
• Осушение или восстановление водно-болотных угодий
• Изменения в землепользовании, такие как урбанизация, которые изменяют скорость эрозии, инфильтрации, поверхностного стока или эвапотранспирации
• Выходы сточных вод
• Орошение
• Обратный поток сточных вод

Речной сток и глобальное распределение воды

Несмотря на то, что вода, текущая в реках, чрезвычайно ценна не только для людей, но и для большей части жизни на Земле, она составляет лишь   мизерное количество воды на Земле . Учитывая только пресную воду на Земле, речной сток составляет всего около шести тысяч одного процента (0,006%)! В приведенной ниже таблице показано, что около 0,002 процента всей воды Земли содержится в реках, и только 0,006 процента пресной воды в мире находится в реках.

Источник: Gleick, P. H., 1996: Водные ресурсы. В Энциклопедии климата и погоды, изд. С. Х. Шнайдер, издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк, том. 2, стр. 817-823.

Источники/использование: общественное достояние.

Хотите узнать больше о речных стоках и круговороте воды? Следуйте за мной на веб-сайт Streamgaging Basics!

Движение грунтовых вод и круговорот воды

Да, вода под вашими ногами все время движется, но не так, как реки, текущие под землей. Это больше похоже на воду в губке. Гравитация и давление перемещают воду вниз и в стороны под землей через промежутки между камнями. В конце концов он возвращается на поверхность земли, в реки и океаны, чтобы поддерживать круговорот воды.

•  Water Science School HOME  •  Groundwater topics  •  The Water Cycle  •

Water cycle components   »  Atmosphere  ·   Condensation  ·   Evaporation  ·   Evapotranspiration  ·   Freshwater lakes and rivers   ·   Groundwater сток   ·  запас подземных вод ·   лед и снег ·   инфильтрация ·   океаны ·   осадки ·  Таяние снега ·  Родники ·  Сток ·  Сублимация ·  Поверхностный сток

Воды больше, чем просто видно.

Источники/использование: общественное достояние.

Сброс подземных вод выходит из источников в известняковой стене Редволл Гранд-Каньона в реку Колорадо в Васи-Рай.

Каждый день вы видите вокруг себя воду в виде озер , реки , лед, снег и дождь . Есть также огромное количество невидимой воды — вода, существующая в земле . И хотя грунтовые воды невидимы, прямо сейчас они движутся у вас под ногами. Как часть водного цикла , подземные воды вносят основной вклад в сток многих ручьев и рек и оказывают сильное влияние на среду обитания растений и животных в реках и водно-болотных угодьях. Люди использовали подземные воды тысячи лет и продолжают использовать их сегодня, в основном в течение 9 лет.0003 питьевая вода и орошение . Жизнь на Земле зависит от подземных вод так же, как и от поверхностных вод .

Под нашими ногами текут реки… миф?

Вы когда-нибудь слышали, что под землей текут реки? Давайте развенчаем это — это в значительной степени миф. Несмотря на наличие некоторых пещер, лавовых и ледяных труб и горизонтальных источников, которые могут нести воду, подавляющее большинство подземных вод занимает пространство между скалами и подповерхностным материалом. Как правило, подземная вода больше похожа на воду в губке. Он занимает пространство между частицами почвы и горных пород. На определенной глубине ниже поверхности земли пространства между почвой и частицами горных пород могут быть полностью заполнены водой, что приводит к водоносный горизонт , из которого подземные воды могут откачиваться и использоваться людьми.

Подземные воды подземные

Источники/использование: общественное достояние.

Подземные воды текут под землю… с разной скоростью

Подземные воды текут под землю с разной скоростью. Обратите внимание на синие линии, обозначающие приблизительный уровень, при котором грунтовые воды будут пополняться. Например, взгляните на строку «Столетия» в правой части графика. Подземным водам на такой глубине могут потребоваться столетия, чтобы восстановиться. Примечание: это изображение является моделью. Линии на диаграмме не являются точным или точным изображением питания подземных вод во всех областях; питание подземных вод различно.

Часть осадков , выпадающих на землю , проникает в землю, превращаясь в грунтовые воды. Если вода встречается с уровнем грунтовых вод (ниже которого почва насыщена водой), она может двигаться как вертикально, так и горизонтально. Вода, движущаяся вниз, также может встречаться с более плотными и водостойкими непористыми породами и почвой, что заставляет ее течь более горизонтально, как правило, к ручьям, океану или глубже в землю.

Подземные воды, как и любая другая часть круговорота воды, никогда не бывают полностью статичными, они остаются на месте. Как видно из диаграммы, направление и скорость Движение подземных вод определяется различными характеристиками водоносных горизонтов и вмещающих слоев подповерхностных пород (в которые вода с трудом проникает) в земле. Движение воды под землей зависит от проницаемости (насколько легко или трудно воде двигаться) и от пористости (количество открытого пространства в материале) подповерхностной породы. Если горная порода имеет характеристики, позволяющие воде относительно свободно перемещаться по ней, то грунтовые воды могут перемещаться на значительные расстояния за несколько дней. Но подземные воды также могут погружаться в глубокие водоносные горизонты, где для возвращения в окружающую среду требуются тысячи лет, или даже уходить в глубокие водоносные горизонты.0003 хранилище подземных вод , где они могут оставаться в течение гораздо более длительного времени.

Иногда, когда копаешь яму… берегись!

Если водоносный горизонт находится под достаточным давлением, артезианская скважина , открывающая водоносный горизонт, может привести к выбросу воды под давлением над поверхностью земли.

Бутилированная вода в настоящее время является очень популярным напитком во всем мире. Иногда это связано с тем, что местная питьевая вода более низкого качества, а иногда просто для удобства. Некоторая вода в бутылках рекламируется как «вода из артезианских скважин». Действительно ли вода отличается от других подземных вод?

Источники/Использование: Некоторое содержимое может иметь ограничения. Посетите СМИ, чтобы узнать подробности.

Артезианская скважина, Сикамор-Вэлли, Миссури

Авторы и права: Джеймс Бон

Вода из артезианских скважин на самом деле не отличается от воды из неартезианской скважины, но она выходит на поверхность другим способом. На схеме выше видно, что в земле есть безнапорные и напорные водоносные горизонты. Удержание воды в водоносном горизонте, что может привести к давлению, определяет, является ли поступающая из него вода артезианской или нет. Скважины, пробуренные в закрытые водоносные горизонты, могут давать артезианскую воду.

• Безнапорные водоносные горизонты: В безнапорных водоносных горизонтах вода просто просачивается с поверхности и насыщает подповерхностный материал. Если люди бурят скважину в безнапорном водоносном горизонте, им приходится устанавливать насос, чтобы выталкивать воду на поверхность.
• Напорные водоносные горизонты: Напорные водоносные горизонты имеют слои горных пород над и под ним, которые не очень проницаемы для воды. Может существовать естественное давление в водоносном горизонте; давление, которого иногда может быть достаточно, чтобы вытолкнуть воду в колодце над поверхностью земли. Нет, не все напорные водоносные горизонты производят артезианскую воду, но, как показывает эта фотография артезианской скважины в штате Миссури, США, артезианское давление может выталкивать воду на поверхность с большим давлением.

Итак, чем бутилированная артезианская вода отличается от другой колодезной воды? В основном, компании, которая разливает его по бутылкам, не нужно тратиться на установку насоса в своей скважине.

Подземные воды и глобальное водораспределение

Источники/использование: общественное достояние. Посетите СМИ, чтобы узнать подробности.

Как показывают эти диаграммы, хотя количество воды, заключенной в грунтовых водах, составляет небольшой процент от всей воды Земли , это составляет большой процент от общего количества пресной воды на Земле. Круговая диаграмма показывает, что около 1,7 процента всей воды на Земле составляют подземные воды, а около 30,1 процента пресной воды на Земле составляют подземные воды. Как показывает гистограмма, на Земле существует около 5 614 000 кубических миль (ми ³ ), или 23 400 000 кубических километров ( ³ км ) подземных вод. Около 54 процентов составляют солевые растворы, а остальные 2 526 000 миль ³ (10 530 000 км ³ ), около 46 процентов, составляют пресноводный . Можете ли вы поверить, что только 0,8% всей воды на Земле составляют пресные подземные воды?

Источник: Gleick, P.