02-地球上水的物理性质

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章,地球上水的性质与分布,姜艳 城市与环境科学学院,第一节 地球上水的物理性质,一、水分子的结构,二、水的三态及其转化,三、水的热学性质,四、水的温度,五、水的密度,六、透明度与水色,一、水分子的结构,每个水分子（,H,2,O,）都是由一个氧原子和两个氢原子组成。水分子的键角为,10431,，形成等腰三角形。,由于氧原子对电子的吸引力比氢原子大得多，所以电子就有在氧原子周围相对集中的趋势，形成较浓厚的电子云，掩盖了原子核的正电核。,在,氧原子,一端显示出较强的负电荷作用，形成,负极,；在,氢原子,周围，电子云相对稀薄，显示出原子核的正电核作用，形成,正极,，使水分子具有,极性,结构。,水分子具有极性结构,在自然界，水不完全是单水分子，而更多的情况下是水分子的,聚合体,。,水分子聚合体包括：单水分子,(H,2,O),，双水分子,(H,2,O),2,、三水分子,(H,2,O),3,。,二、水的三态及其转化,1.,水的三态与水温：,1,）固、液、气,2,）三态的转化,水温,在常温条件下，水的三相是可以实现转化的。,在一个标准大气压下，纯水,0,为冰点，,100,为沸点。,0,以下为固体，,0-100,为液体，,100,以上为气体。,随着水温的变化，三态水分子的聚合体也在不,断地变化。,2.,固态水,气体水分子能凝聚成液态和固态水，主要是氢键起着强烈的缔合作用。,3,、液态水结构模型,“,闪动簇团”,三、水的热学性质,（一）热学性质,1.,具有较大的热容量,2.,具有较大潜热,3.,传热性小,（二）意义：调节地球上热量的变率,由于水的,比热大、传热率小,在天然水体中，封冻时，冰体缓缓增厚；冬季水体下部的温度往往较气温为高。,水的这种特性对自然界的水下生命具有特别重要的意义。,我国北方，整个冬季冰厚仅能达,11 .8,米。只要水体有足够的深度，冰层下仍是液态的水。 如果冰上还覆盖有厚雪，则冰层厚度将更小。,由于水的,比热大、传热率很小,在平静的水体中，热能非常缓慢地透入深处，表层的水温略为升高。,同样，水体内部储蓄的热量在外界温度较低时也只能缓慢地传导出来。,水体是一个良好的,储热器,，它对周围环境是一个良好的,气候调节器,，使冬季不致过冷，夏季不致过热。,四、水温,水温是一个很重要的物理特性，它影响到水中生物、水体自净和人类对水的利用。,（一）海水温度,（二）河水温度,（三）湖泊、水库温度,（四）地下水温度,（一）海水温度,1、海水热量的收支,从整个海水的年平均温度来看，几乎没有变化；,一年中不同季节、不同海区的热量收支并不平衡，从而引起了海水中温度的分布与变化的不同。,海水热量收入：,1,来自太阳和天空的短波辐射,2,来自大气的长波辐射,3地壳内热通过海底传给海水的热量,4海面水汽凝结时放出的热量,5洋流带来的热量,6海水垂直交换中所得的热量,7化学的、生物的和放射性物质放出的热量,8海水运动产生的热量,以1、2最为重要。,5只对局部海区有较大影响，其它方式所提供热量较少。,海水热量支出：,1海面辐射放出的热量,2海水蒸发时所消耗的热量,3洋流带走的热量,4海水垂直交换中耗掉的热量,以1、2更为重要，在局部海区3对水温变化也有较大影响，由于海水的垂直紊动混合，可把热量传到深处。,2、海水温度的分布,（1）海水温度的水平分布,表面平均温度：太平洋,印度洋,大西洋；,北半球高于南半球；,南北纬,0-30,度之间印度洋水温最高；,南北纬,50-60,度之间大西洋水温相差悬殊。,形成上述特点的,原因,：,由于热赤道北移，南半球的热带水一部分流入北半球，北半球暖流势力强大，一直影响到高纬，受大陆和海底地貌影响，北冰洋的冷水不能大量南流；,南半球三大洋相连，并与南极大陆相接，因此冷却效果特别明显；,印度洋热带海区三面受亚、非、澳大利亚大陆包围，并受暖流影响，所以水温最高。,主要原因：太阳辐射、洋流性质、地形地貌。,世界大洋表面水温分布的,总趋势,是：,第一,，水温从低纬向高纬递减；,第二,，南北回归线之间的热带海区水温最高；,第三,，,寒暖流交汇处水温变化较大；,第四,，夏季大洋表面水温高于冬季。,大洋水温的垂直分布，从海面向海底呈不均匀,递减,的趋势。,（2）水温的垂直分布,在南北纬40之间，海水垂直结构可分两层，即：,表层暖水对流层,（一般深度达600,-1000,米）,深层冷水平流层,（庞大水体）,热带和亚热带海域的上层水体，为大洋的,暖水区，,这里水温普遍在10以上，面积占世界海洋的一半以上，而体积只占1/16。,表层扰动层,表层暖水对流层的最上一层（约,0,-100,米,）受气候影响明显，紊动混合强烈，对流旺盛，水温垂直分布均匀，垂直梯度极小。,表层扰动层下部与冷水层之间形成一个,温跃层,，水温垂直梯度递减率达最大值。,（3）海水温度的变化,日变化：,影响,因素,有：,太阳辐射、季节变化、天气状况(风、云)、潮汐和地理位置等。,总体变化幅度很小；,随纬度的增加而减小；,靠近大陆浅海区最大。,年变化,影响水温年变的,因素,有：,太阳辐射、洋流性质、季风和海陆位置。,从赤道和热带海区向中纬海区增大，再向高纬减小；,相同热量带，大洋西侧较东侧变幅大，近海岸更大；,北半球大于南半球。,(4),海冰,海冰是,高纬海区,所特有的水文现象。,海冰有两种：一为岸冰，一为浮冰。,岸冰,较为固定的海冰，海岸越曲折，岛屿和浅滩越多，岸冰越宽广。,浮冰,一种是由海水冻结而成的，一种是来自大陆的冰。,含有盐分的海水，其,冰点和最大密度温度都随盐度的增加而降低,，但降低的数值不同。,通常大洋表面盐度均大于,24.69510,-3,，因此冰点更低；,当海面水温达到冰点时，海水析出盐分，表层海水盐度,增加，密度增大，下沉，形成对流，结冰困难；,温度降到冰点以下，海水过冷，在有结晶核的条件下，,海水才会开始结冰。,（二）河水温度,河水热状况的综合标志是,河水温度,。,水温在,0,度以上的河流：,出现冰情的河流,:,松花江春季流凌（上）清沟（下） 嫩江秋季圆盘形流凌（上）冰坝（下）,1、河流的水温,1,）水温的日变化,与气温的日变化相应，主要受太阳辐射影响,；,由于水的比热较大，对热量变化和反应比较迟缓，变化速度稍落后于气温，变幅也较气温小。,早晚较低，午后升高，日变幅常在,l3,左右，比气温的日变幅小。,此外，河流水量愈大，日变幅愈小。冰川补给的河流其上游日变幅大，下游小。,2,）水温的季节变化，有明显的周期规律：,如冬季各月水温最低，我国北方河流冬季水温经常在0.10.5左右，并且日与日之间变化不大；,自冬至春，由于太阳辐射热量的增加，水温逐渐上升，至夏季水温达最高值；,夏末秋初以后水温逐渐下降。,3,）水温的年内变化落后于气温的变化。,通常在春季夏季水温低于气温，秋季冬季水温高于气温。,我国河流水温的年变幅一般都大，这也是我国气候大陆性较强，各地气温变幅一般较大的反映。,华北地区年水温变幅最大，如子牙河献县站1月和7月的月平均温度差可超过27；,东南沿海水温变幅较小，仍在1516左右；,年变幅最小的是云贵高原，有些河段1月、7月的月平均水温变幅甚至不到2。,2、河流的冰情,我国北方河流每年都有时间长短不等的封冻期，长的可达1,-5,个月。,入冬以后，气温下降至0以下，河水开始结冰，到第二年春季随气温升高，河水开始解冻至冰凌全部消失的整个过程大致可分为三个时期：,结冰期、封冻期、解冻期,封冻期,如果河流,由南向北,流过较长的距离，在河流,解冻时,，由于上游融冰早于下游，当上游冰块向下游移动时，受河湾或冰层阻挡时，以致大小冰块堆积起来，横跨断面堵塞河道形成,冰坝,，使上游水位抬高，此种现象称为,凌汛,。,在,黄河,的宁夏河套段和山东境内，每年春季常发生这种情况。严重的凌汛会使大堤决口，河水漫溢造成河流两岸重大损失。,凌汛,1986年4月初，黄河上、下游地区温差大，随着季节转暖，上游漂下冰块堵塞包头附近河道，有的地段形成了宽约3千米，长约6千米的冰坝，迫使河水漫流两岸。后来出动16架次飞机，空投炸弹20多吨，才解除凌灾。,黄河凌汛,（三）湖泊、水库水温,1、影响湖温变化的因素：,太阳辐射是湖水热量的主要源泉。,射入湖中的太阳能，一部分被吸收，一部分被散射。,由此可见，大部分太阳辐射能用于提高,表层,水温，而湖泊深处的热量交换，主要是靠涡动、对流混合将热量传给下层。,据观测，湖水表层1米深吸收了80左右的辐射能，且大部分能量被靠近水面20厘米的水层所吸收，只有1的能量达到10米深处。,一般水深,大于10米,的湖泊，常不受上层水温的影响而保持一定低温(48)；,水深,小于10米,的浅湖，全湖水温都能受到太阳热能的影响而使水温发生变化。,此外，,湖盆形态、湖面大小、湖岸曲折程度与岛屿多少、冰雪盖层、风力大小、蒸发强弱,等因素也能影响湖温的变化。,2、湖中水温的分布,当湖水温度随水深的增加而降低时，即水温梯度成负值时，将出现上层水温高，下层水温低，但,不低于4,，这种水温的垂直分布，称为,正温层,；,当湖温随水深的增加而升高时，上层水温低，下层水温高，但,不高于4,。这种水温的垂直分布，称为,逆温层,；,当湖温上下层一致，上下层水温完全相同（,同温层,，,4,）。,3、湖泊水温的变化,水温的,日变,以,表层,最明显，随温度的增加日变幅逐渐减小,最高水温一般出现在每天的14,-18,时，最低水温出现在5,-8,时；,水温日变幅在阴天和晴天之间的差别也较大。,2),湖面水温的,年变,除结冰期外，水温变化与当地气温年变相似，但最高、最低水温出现的时间要迟半个月到一个月左右。,水温月平均最高值多出现在7、8月，月平均最低值多出现在1、2月。,（四）地下水的水温,地下水的温度：,埋藏深度,地质条件,根据地热的分布规律，大致可以划分为,三个地带,：,1、,变温带,：,指地壳表层受太阳辐射影响所能达到的深度范围，各地厚度不等，一般为1520米。,在变温带中，地下水的温度具有日变和年变的特点。,2、,常温带,：,太阳辐射热影响极微弱，地温变幅已趋于零，故称为常温带。,在年常温层中，地下水温度变化很少，一般不超过0.1。,3、,增温带,：,在常温带以下数十公里范围内，主要由地球内热控制，随深度增加出现有规律的增温现象：,通常以地热增温率（/100米）表示，其倒数为,地热增温级,（,米/,）；,地热增温级,是指在常温层以下，温度每升高,l,所需增加的深度。,各地增温并不相同，对整个地壳而言，大致平均为,33米/,。,地下水的温度差分类：,新火山地区，地下水温可达,100,以上；,寒带、极地及高山、高原地区，地下水的温度很低，,有的可低至,-5 .,五、水的密度,（一）纯水的密度,无杂质的纯水，在,4,（,3.98,）时密度最大，为1克/立方厘米，在,0,时密度为,0.9999克/立方厘米,；,水自液体状态变为固体状态，其密度要发生突变，大约要变小10%，即体积将增加；,0,时,冰,的密度为,0.9167克/立方厘米,。,因此，在天然河流或湖泊中，冬季冻结的冰，因密度比水小而浮于水面。,同其他物质一样，受热时体积增大，密度减小（,0,-4,范围内，不服从热胀冷缩的规律,）。,（二）海水密度,海水密度,是指单位体积内所含海水的质量，单位为,g/cm,3,。,习惯上使用的密度是指,海水比重,，即指在一个大气压力条件下，海水的密度与水温在4时蒸馏水密度之比，因此在数值上密度和比重是相等的。,海水的密度状况,，,是决定洋流运动的最重要因子之一,，影响水团的运动、水层的稳定程度。,海水的密度，,是实用盐度（,s）、,水温（,t）,和压力（,p）,的函数。因此，海水密度可用,s,t,p,来表示。,海水的密度一般都大干1，如：1.01600，1.03222；,表示方法：,为了由密度的空间变化计算海流速度，要求海水密度精确到小数5位，为书写简便，常用,s,t,p,来表示，即海水密度减1再乘以1000：,s,t,p,= （,s,t,p,1）1000,因此，如,s,t,p,为1.02545时，,s,t,p,即为25.45。,世界大洋,表面,密度的,地理分布规律,为：,从热赤道向高纬递增，在南半球三大洋中密度分布呈地带性；,赤道地区,由于温度很高，盐度较低，因而表面海水的密度很小，约1.02300；,亚热带海区,盐度虽然很高，但温度也很高，所以密度仍然不大，一般在1.02400左右；,极地海区,由于温度很低，所以密度最大；,在,三大洋的,南极海区,，密度均很大，可达1.02700以上。,海水密度的,垂直分布,规律一般是：,从表层向深处增加,；,南北纬20之间在,100米,以内密度最小，并且在,50米,以内垂直梯度极小，几乎没有变化；,50150米,深度上密度垂直梯度最大，出现密度的突变层（跃层），它对声波有折射作用，潜艇在其下面航行或停留在其上均不易发现，故有“,液体海底,”之称；,约从,1500米,开始，密度垂直梯度很小，在深层，密度几乎不随深度而变化。,六、透明度与水色,（一）湖水的透明度与水色,1、湖水的透明度：,定义：是指湖水能使光线透过的程度。,测定方法：通常用,透明度盘,测定透明度。,透明度盘是一个白色圆盘（直径为30厘米），把,圆盘缓缓沉入水中，直到肉眼看不见为止（从水,面上方垂直向下看），这时圆盘在水中的深度就,是透明度，单位：米。,十分浑浊湖泊的透明度不足0.1米，而十分清澈的湖泊透明度可达40米以上，一般湖泊在0.210米内。,据实测资料，世界上湖泊最大透明度记录为41.6米，出现在日本的麾周湖。贝加尔湖为40.5米。,西藏,玛法木错,实测透明度为14米，是已调查湖泊中最大记录。,青海湖可达,10,米,我国东部地区的淡水湖群，由于湖底平浅，入湖来水、含沙量大，浮游生物繁茂，所以透明度均在23米以下，低的只有几十厘米，江苏洪泽湖为1040厘米。,太湖为1520厘米,2、湖水的水色,水色,指垂直方向上位于透明度,一半,深处，白色圆盘上所显现的湖水颜色。,水色取决于水对光线的选择吸收和选择散射的情况。,由于光线散射强度与光波波长的四次方成反比，即波长愈短，光愈容易被散射。可见光中以蓝色波长较短，因此深度较大、清澈的湖水，常呈,浅蓝色,。,由于光线被湖水吸收和散射，又和湖水中悬浮质、浮游生物、离子含量、腐殖质等有关，所以实际湖水呈现,多种多样,的水色。,为了统一标准，通常用,水色计,中事先配制好的标准色泽与湖水比较，以确定湖水的水色。,水色计中标准色泽共分21个等级，由深蓝到黄绿直到褐色，并以号码,1-21,代表水色。号码越小，水色越高。,（二）海水的透明度与水色,1、海水的透明度：,透明度盘测定,透明度影响因素：,海水颜色、悬浮物质、浮游生物、入海径流、天空云量,等。,海洋透明度分布的一般规律：,（,1,）低纬海区的透明度大，高纬海区透明度小；暖流的透明度大，寒流透明度小。此外是愈近大陆透明度愈低。,如我国渤海黄河口处的透明度仅12米，黄海中部海区的透明度为,l015,米，到南海就增加到2030米。,渤海与黄海的分界线,（,2,）大洋的透明度可达4050米以上；,其中位于大西洋中部的,马尾藻海,，受大陆影响小，表层缺乏上涌海水带来的营养物质，浮游生物极少，盐度高，离子浓度大，海水运动不强烈，悬浮物质下沉得快，因而颜色最蓝，透明度达,66.5米,，是世界上海水透明度的,最高,记录。,2、海水的水色,海水水色,是指阳光经过海水折射、散射以后的光谱色。,测量仪器：,通常用,水色计,来测定。,水色的影响因素：,水的光学性质、水中浮游生物各种悬浮物的大小、数量和颜色有关。,沿岸海水多呈绿、黄和棕色，部分原因便是由于生物丰富和河流带来泥沙所致。,作业题：,1,、海水表面温度的水平分布有何特点？总趋势如何？ 海水温度的垂直分布有何特点？,