Введение в физическую лимнологию. Лекция-1

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Свойства воды
O
Полярный характер молекул
Образование водородных связей
Наиболее прочные водородные
связи: три атома лежат
на одной прямой
H
H
O
H
H
Кристаллическая структура льда:
расстояния между молекулами
наибольшие
+
+
+
+

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Свойства воды
При T= + 4°С (точнее 3.98) расстояние между молекулами воды наименьшее
Аномалия плотности воды
(ρ-1000), кг/м3
T, °С
+4°С
0
-1
-4
Лёд

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Свойства воды
Плотность воды зависит от солености
(ρ-1000),
кг/м3
T, °С
+4°С
0
-1
-4
Лёд
С увеличением солености
температура
максимальной
плотности снижается,
у морской воды она
отрицательна
Морская, S=35 г/л
Пресная, S<1 г/л
Озеро Шира,
S = 15 г/л

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Свойства воды
Методы измерения плотности:
1. Ареометр
2. Вибрационный измеритель плотности:
Основан на измерении периода собственных колебаний
U-образной трубки, заполненной измеряемой жидкостью
при постоянной температуре

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Свойства воды
Плотность воды – функция температуры, давления и солености
ρ = ρ(T,P,S)
Уравнение состояния:
Универсального уравнения состояния не существует,
поэтому применяют различные приближенные уравнения,
аппроксимируя данные прямых измерений
В большинстве водоемов давление можно не учитывать,
поскольку оно мало влияет на плотность
(жидкость почти несжимаема):
ρ = ρ(T,S)

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Измерение солености
Электропроводность (conductivity, «кондуктивность») воды
является функцией количества
растворенных солей, поэтому вместо
солености проще
приборами измерять электропроводность
Электропроводность К (Сименс/см) зависит от температуры. Поэтому для расчетов солености необходимо корректировать на постоянную температуру, обычно 25 °С (K25)

Кондуктивность, измеренная в озере при температуре in situ, пересчитывается в кондуктивность при постоянной температуре 25°С (K25) по формуле (ISO,1985):
K25 = K× (1+α× (T-25))-1
где K25 – удельная кондуктивность (электропроводность при 25°С) (миллиСименс см -1),
K –электропроводность при температуре in situ (миллиСименс см-1),
T – температура в градусах Цельсия,
α – эмпирический коэффициент, для каждого водоема свой.
Для воды оз. Шунет α составило 0.0188, для воды оз. Шира 0.0204.
S = 0.8286 K25 + 0.1937
Соленость (г л-1):
Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

Уравнение состояния Шира
Рис. 3 – Уравнение состояние озера Шира при K25= 20.69мСм /см
Рис. 2 – Уравнение состояние озера Шира при K25= 19.38 мСм /см
Уравнение состояния озера Шира
Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Рис. 1 – Уравнение состояние озера Шира при K25 16.74 мСименс/см

Уравнение состояния озера Шира
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Введение в физическую лимнологию

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Годовой термический цикл в глубоких озерах умеренной зоны
Температура
T < + 4°С
Глубина
Плотность, г/л
+ 4°С
лёд
ρ < ρmax
2. Весенняя
циркуляция
Глубина
Плотность, г/л
+ 4°С
T = + 4°С
ρ = ρmax
T = + 4°С
ρ = ρmax

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Годовой термический цикл в глубоких озерах умеренной зоны
Температура
T ~ + 4°С
Глубина
Плотность, г/л
+ 4°С
ρ < ρmax
1. Летняя стратификация
2. Осенняя
циркуляция
Глубина
Плотность, г/л
+ 4°С
T < + 4°С
ρ = ρmax
ρ ~ ρmax
T > + 4°С
Ветер
Эпилимнион
Гиполимнион
zepi = 4.6A0.205 ,
где A – площадь поверхности
(Patalas, 1984)

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Тихомиров.
Озера умеренных широт, 1985
Термобар – вертикальная толща воды наибольшей плотности,
существующий за счет смешения вод.
Вертикальная изотермия

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Термобар – вертикальная толща воды наибольшей плотности,
существующая за счет смешения вод.
Вертикальная
изотермия
Тихомиров.
Озера умеренных широт, 1985

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Годовой термический цикл в глубоких пресных озерах умеренной зоны:
1. Гидрологическая весна
Начало:
Когда среднесуточный тепловой баланс становится
устойчиво положительным (как правило, еще подо льдом!)
1-я фаза весеннего нагревания приводит к установлению
вертикальной изотермии с горизонтальной термической
неоднородностью и длится до возникновения термобара
2-я фаза весеннего нагревания длится до исчезновения термобара,
когда вся вода в озере превысит температуру наибольшей плотности
(= весенняя гомотермия)

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Годовой термический цикл в глубоких пресных озерах умеренной зоны:
1. Гидрологическое лето
Появление горизонтальной изотермии с устойчивой
вертикальной неоднородностью (=летней температурной стратификации)

Введение в физическую лимнологию
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Годовой термический цикл в глубоких пресных озерах умеренной зоны:
1. Гидрологическая осень
Начало:
Когда среднесуточный тепловой баланс становится
устойчиво отрицательным
1-я фаза осеннего остывания приводит к установлению
вертикальной изотермии с горизонтальной термической
неоднородностью и длится до возникновения термобара
2-я фаза осеннего остывания длится до исчезновения термобара,
когда вся вода переходит через температуру наибольшей плотности
( = осенняя гомотермия)