Файл: Давыдов Л.К. Общая гидрология учебник.pdf

лантическом океане проводит научный эксперимент по проблеме взаимодействия в системе океан—атмосфера. При проведении этого эксперимента используются спутниковые метеорологические наблюдения для зондирования атмосферы и глубоководные океа­ нические измерения для зондирования океана. Для изучения вод­ ного баланса отдельных биогеоценозов или экосистем и его преоб­ разования в результате хозяйственной деятельности проводятся экспериментальные исследования в специальных стационарах.

Лабораторный метод позволяет определять физические и хими­ ческие свойства воды, моделировать гидродинамические процессы, для того чтобы изучить их возникновение, развитие и затухание. В искусственных условиях на моделях, задавая внешние условия, можно изучить и сами явления и влияние на них различных сил. Так, например, при помощи моделирования исследовался дрейф льдов в Северном Ледовитом океане, возникновение ветровых и внутренних волн, сейш в морях и озерах; на моделях русел рек в лабораторных условиях изучается влияние течений, расходов воды, состава донных отложений на русловые процессы и т. д.

§Т4. Основные этапы развития гидрологических исследований в СССР. Гидрологические учреждения

Становлению гидрологии как науки предшествовал длительный период накопления знаний о воде, водных объектах суши, об океа­ нах и морях.

Материалы экспедиционных и стационарных исследований вод суши и моря к концу XIX — началу XX столетия были обобщены в капитальных трудах русских (Ю. М. Шокальский, И. Б. Шпиндлер, H. М. Книпович) и зарубежных ученых (О. Крюммель). Эти же материалы явились основой для изучения взаимодействия вод с другими элементами географической среды, в особенности с кли­ матом (А. И. Воейков, Э. Ольдекоп, А. Пенк, X. Келлер), для. типизации водного режима рек (А. И. Воейков), формирования русла (В. М. Лохтин, Н. С. Лелявский), изучения ледового ре­ жима (М. А. Рыкачев, В. Б. Шостакович), картирования стока (Ф. Ньюэлль), разработки основ теорий динамики вод в океанах и морях (Экман, Бьеркнес, Джефрис) и других вопросов.

После Великой Октябрьской социалистической революции, уже в первые годы восстановления и развития народного хозяйства в нашей стране, стало очевидным, что размеры и содержание ра­ бот по гидрологическим исследованиям прежних лет отстают от требования практики. Особенно отчетливо это проявилось в годы осуществления плана ГОЭЛРО и в годы выполнения планов пер­ вых пятилеток.

По инициативе В. И. Ленина решением правительства в 1919 г.

вСССР был открыт Российский (с 1926 г. Государственный) гид­ рологический институт (ГГИ). В 1921 г. был издан декрет об уч­ реждении Плавучего морского научного института (Плавморнин),

взадачу которого входило планомерное комплексное изучение

советских морей и их побережий. Впоследствии, после реорганиза­ ции этого института, часть его функций принял на себя созданный

в1933 г. Всесоюзный научно-исследовательский институт мор­ ского рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО). Таким обра­ зом, гидрологические исследования, связанные с насущными запро­ сами социалистического строительства, получили широкий размах.

Создание Гидрологического института имело большое значение

вразвитии советской гидрологии и оформлении ее как самостоя­ тельной науки. Гидрологический институт объединил усилия круп­ ных ученых, известных своими исследованиями в области геогра­ фии вод суши и моря и сопредельных с ними дисциплин, из кото­ рых и выделилась гидрология как самостоятельная наука. Имена этих ученых широко известны: Л. С. Берг, Ю. М. Шокальский,

Б.Л. Личков, А. А. Каминский, В. Н. Лебедев, С. А. Советов, H. М. Книпович, К. М. Дерюгин, H. Н. Павловский, Г. Ю. Вере­ щагин и многие другие. Первым директором ГГИ был В. Г. Глуш­ ков, заслуги которого в развитии гидрологической науки и ее ком­

плексного направления исключительно велики.

При организации института в основу его работ был положен широкий комплексный подход к изучению гидрологических явлений и процессов, при этом учитывались причинные связи и взаимодей­ ствия в явлениях природы. Были созданы отделы по объектам ис­ следований (морской, речной, озерный, подземных вод) и общий — для изучения и разработки методов исследования процессов, кото­ рые в природных водах протекают (физических, химических, гид­ родинамических, гидробиологических). Позже, в связи с дифферен­ циацией наук и выделением в самостоятельные научные дисцип­ лины океанологии, гидрогеологии, деятельность Гидрологического института сосредоточилась на изучении вод суши.

В настоящее время научные институты (Океанографический, Гидрохимический, Арктический и антарктический, Гидрометеороло­ гический центр, республиканские гидрометеорологические инсти­ туты), экспериментальные лаборатории, гидрометеорологические обсерватории и большое число (более 6000) гидрометеорологи­ ческих станций и постов на морях, реках, озерах и болотах страны объединены в систему Гидрометеорологической службы при Со­ вете Министров СССР.

С первых лет организационного оформления гидрологических исследований в стране основными практическими задачами гидро­ логии стали следующие: оценка современного состояния водных ресурсов страны и гидрологическое обоснование их использования. Эти задачи тесно связаны с мероприятиями, проводимыми партией и правительством СССР по электрификации и индустриализации страны, осуществлением пятилетних планов развития народного хозяйства страны и развитием водного хозяйства.

Эти задачи актуальны и в настоящее время; они выполняются как коллективами учреждений системы ГМС, так и академиче­ скими учреждениями: институтами географии АН СССР и акаде­ мий союзных республик, Институтом океанологии, Институтом вод­

ных проблем, Институтом озероведения и многими проектными ор­ ганизациями.

Советскими гидрологами создан Водный кадастр страны, оце­ нены водные ресурсы и водный баланс СССР и материков земного шара, разрабатываются многие теоретические разделы гидрологии и методы инженерных гидрологических расчетов, произведены обобщения по гидрографическим исследованиям и эксперименталь­ ным наблюдениям.

Широкий размах получили исследования арктических морей в связи с освоением Северного морского пути.

Итоги произведенных работ и пути дальнейших исследований в гидрологии обсуждались на трех гидрологических съездах, со­ зывавшихся Гидрометслужбой СССР, и съездах географов, со­ званных Географическим обществом СССР.

Для современного этапа развития гидрологических исследова­ ний характерно объединение усилий гидрологов всего мира для решения глобальных проблем гидрологии, основными из которых являются исследования круговорота воды в природе и влияния на него деятельности человека, взаимосвязи природных основ управ­ ления водным режимом обширных территорий суши и морей и прогноз будущего состояния водных ресурсов Земли, конструктив­ ные решения проблемы водной компоненты среды, окружающей человека.

Г Л А В А 2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

§ 5. Строение воды, ее аномалии и важнейшие физические свойства

Химически чистая вода состоит по весу из 11,19% водорода и 88,81% кислорода. Изучение структуры воды тесно связано с изу­ чением трех агрегатных состояний, в которых она встречается на Земле. Строение воды определяется расположением ядер водорода относительно ядра кислорода. Исследования молекулы воды пока­ зали, что атомы кислорода и водорода располагаются по углам равнобедренного треугольника, на вершине которого находится атом кислорода (рис. 1 а). Угол при вершине равен примерно

Треугольник НОН находится внутри сферы, по которой движутся электроны. Центр инерции сферы С не совпадает с центром атома кислорода О и находится от него на расстоянии 0,13 А.

При образовании воды кислород отнимает от атомов водорода их электроны и становится отрицательно заряженным ионом, а атомы водорода — положительно заряженными ионами. Так как атомы водорода расположены не на одной прямой с атомом кис­ лорода, а под углом, т. е. несимметрично, то внутримолекулярные

силы компенсируются неполностью. Появляются остаточные силы. Молекула воды образует электрический диполь, т. е. совокупность равных по величине и противоположных по знаку электрических зарядов, находящихся на малом расстоянии. Диполь молекулы воды характеризуется дипольным моментом, т. е. вектором, на­ правленным от отрицательного к положительному заряду. Он ра­ вен произведению зарядов на расстояние между ними. Значитель­ ный дипольный момент определяет способность молекулы воды ассоциироваться в различные комплексы, представляющие собой сочетание двух—восьми отдельных молекул.

В парообразном состоянии (при температуре 100° С) вода со­ стоит главным образом из простых молекул, называемых гидролями и соответствующих формуле Н2О. В жидкой фазе вода пред-

■Я

г

Рис. 1. Строение молекул воды (а) и тетраэдральное расположе­ ние молекул (б).

изменении температуры и давления соотношение между количест­ вом гидролей, дигидролей и тригидролей изменяется. Вода в различ­ ных фазах имеет и различную структуру, т. е. характер расположения и упаковки молекул относительно друг друга. Рентгенографический анализ указывает на сходство структуры воды с кристаллической моделью. Наиболее вероятным оказалось тетраэдральное распо­ ложение молекул, при котором четыре молекулы, занимающие вершины тетраэдра, окружают пятую (рис. 1 б). Положительные ионы водорода при этом направлены в сторону отрицательных ионов кислорода соседних молекул. Возникающие водородные связи, т. е. стяжения водорода одно* молекулы воды с кис­ лородом других, приводят к ассоциации молекул Н20 в многочис­ ленные комплексы. В жидкой фазе структура молекул воды отож­ дествляется с кристаллической решеткой кварца; в твердой фазе (лед) ока идентична решетке тридимита, который является алло­ тропным изменением кремнезема. Тридимит имеет менее плотную