авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 10 |

«М и н и с т е р с т в о о б р а зо в а н и я и н а у к и Р о с с и й с к о й Ф ед е р ац и и _Ф е д е р а л ь н о е а г е н т с т в о п о о б р а з о в а н и ю _ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ...»

-- [ Страница 9 ] --

Сложность зависимостей (10.23) и (10.24) ограничивает возможность интегрирования уравнения (10.21) в аналитиче­ ском виде. Поэтому часто ис­ пользуют численные методы решения этого уравнения: ме­ тод конечных разностей и ме­ тод конечных элементов. Од­ нако и в этом случае встреча­ ет ются трудности, обусловлен­ ные большим объемом подго Рис. 10.2. Схема гистерезиса товительных работ и вычисле ш й на ЭВМ;

особенно при пе зависим ости п отен ц и ал а влаги от объем н ой влаж ности.

,,, ременных начальных и гра 1 - обезвоживание, 2 - увлажнение. с г ничных условиях и рассмотре­ нии двух- и трехмерных про­ цессов переноса влаги.

Поэтому поиски приближенных аналитических выражений, отражающих основные закономерности движения почвенной вла­ ги, весьма актуальны. Для ряда характерных случаев движения влаги в почве такие выражения получены [53,56].

При решении уравнения (10.21) чаще всего назначаются следующие начальные и граничные условия:

1) начальные условия:

при т = 0 (10.25) Wz = f x { z ) \ 2) граничные условия первого рода (влажность):

а) на поверхности почвы ( z = 0) прит0 Wa = const (10.26) или (10.27) Wu = f 2{т), Г ) б) на глубине почвы (z = прит0 й ^ /= /з('с). (10.28) Глубина в условии (10.28) определяется точкой, начиная с которой значение влажности с ростом z не меняется;

3) граничные условия второго рода (поток влаги):

а) на поверхности почвы (z = 0) скорость переноса влаги v определяется испарением при т 0 vn = const (10.29) или vn = - D d W / d z - kz, (10.30) б) на глубине почвы (z = I) прит0 v, = const. (10.31) Влагоперенос в почве при установившемся режиме. Рас­ смотрим случай, когда увлажнение почвы происходит с постоян­ ной скоростью, что соответствует граничным условиям (10.29) и (10.31). В этом случае будет наблюдаться перенос влаги по глуби­ не, но при установившемся режиме в каждой ее точке;

количество же влаги в этих точках не меняется ( d W / d x = 0 ). Тогда уравнение (10.15) при нисходящем потоке влаги (вертикальная ордината от­ считывается снизу) примет вид:

dqV ±к -1 = 0. (10.32) v dz dz Проинтегрировав уравнение (10.32), получим:

kz (dqw / d z - l) = v, (10.33) где v - постоянная скорость потока влаги (увлажнения).

Представим уравнение (10.33) в виде d y w / d z = v /k z + 1. (10.34) Решая это уравнение относительно z и интегрируя его от уровня грунтовых вод, где г = 0 и ф ^ = 0, до высоты z, где водный потенциал равен ф^, получаем:

ф(} / Z= (10-35) \{d (-y w)/{ l-4 K )l о Выражая коэффициент влагопроводности аналитической за­ висимостью kz = / ( ф ж), получаем решение интеграла (10.35).

В случае установившегося движения воды от уровня грунто­ вых вод к поверхности, получим следующее решение уравнения (10.15):

4V - JVq v/O + v/ kz)] *= (Ю.36) о Влагоперенос в почве при неустановившемся режиме.

Изучение влагопереноса в почве при неустановившемся режиме удобнее проводить с помощью уравнения (10.22), где в качестве переменной используется влажность W. Примем функ­ цию A (z, х) = 0. При решении этого уравнения почву по глубине принимают бесконечной или полубесконечной. Многие исследо­ ватели его решение осуществляют с применением преобразования Больцмана, заключающегося во введении новой переменной:

t =z ( !/ ^ ), (10.37) где D q - коэффициент диффузии при влажности Wn. Такой прием позволяет превратить дифференциальное уравнение диффузии в частных производных в обыкновенное дифференциальное уравне­ ние.

Если решение уравнения (10.22) осуществляется для относи­ тельно малых значений влажности, то слагаемым dkz / dz можно пренебречь. Тогда уравнение примет вид r\ dW d f^ d W (10.38), D dz I дх dz Решением этого уравнения при начальных и граничных у с­ ловиях (10.25) и (10.26) будет следующее выражение:

V = \ 4 d J z{W, - W j d w j d ^ о, (10.39) где (10.40) Wr = ( W - W n)/{W2 - W n).

Д виж ение грунтовы х вод в зону аэрации по капиллярам.

При наличии грунтовых вод происходит подъем их по капилляр­ ным порам почвогрунта под действием капиллярных сил. Высота подъема в зависимости от почвогрунтов (диаметра пор) может достигать 4 - 5 м. Поскольку поры неодинакового диаметра, то подъем воды в них происходит на разные уровни. Скорость подъ­ ема воды в разных порах различная: в тонких капиллярах она меньше, хотя подъемная сила в них больше, чем в капиллярах большего диаметра.

Следуя работам А.П. Летунова и А.А. Роде, получим зави­ симость высоты и скорости капиллярного подъема воды от времени.

Так как рассматривается только капиллярное движение вла­ ги в почве, то уравнение (10.14) с учетом уравнения (10.6) примет вид ^ = (10.41) дт dz dz Здесь градиент капиллярного (гидравлического) потенциа­ ла может быть выражен следующим образом:

0ф* / & = (йш - К ) / К.

ах (10.42) где /гтах - предельная возможная высота капиллярного подъема в данной почве;

hT - высота подъема в момент времени т.

Переходя к количеству воды, поднимающемуся по капилля­ ру через единицу поперечного сечения, уравнение (10.41) с учетом (10.42) можно переписать в следующем виде:

dh/dx = kz (/zm - hx)/h%.

ax ( 10.43) Интегрируя это выражение, получаем:

* = 7 - t a » '’’f c a.A ' W - *,)]-*,) (10.44) к В начале капиллярного подъема воды, когда /гт мало по сравнению с /гтах, уравнение (10.43) можно записать в виде:

(10.45) d h /d x = k z hmax/ h x.

Выполнив интегрирование уравнения (10.45), получим:

h Т = -5 Г “ Г z (10'46) m ax или, решая относительно высоты подъема, = • (10.47) К Введем обозначение /г0 = yj2kzhm, тогда выражение sK (10.47) примет вид (10.48) hx = h 0x ° \ а в более общем виде (10.49) К=\х\ или т = (йт/ А о Г. ( 10-5°) где (3 - показатель степени, зависит от вида почвогрунтов.

Дифференцирование выражения (10.48) приводит к формуле (10.51) vh = d h / d x = fih0^ - 1.

Решая совместно уравнения (10.50) и (10.51), получаем:

vA = p ^ /p^ ’“1/p). (10.52) Подставив в выражение (10.52) среднее значение показателя Э = 0,3, соответствующее, например, суглинистым почвам, полу­ чим:

v, * 0,3 Л3’33/ / ^ 33 = A / h 2*, (10.53) где А = 0,3/?о'33 - постоянная.

Из уравнения (10.53) следует, что скорость подъема воды по капиллярам в какой-либо момент времени определяется высотой капиллярного поднятия, временем и особенностями строения по рового пространства. По мере подъема воды скорость быстро уменьшается, в пределе стремясь к нулевому значению. В зависи­ мости от типа почвогрунтов подъем грунтовых вод в зону аэрации по капиллярам осуществляется в течение нескольких часов, суток и даже месяцев.

10.4. М ерзлотное пучение некоторы х почвогрунтов Мерзлотное пучение почвогрунтов - широко известное явле­ ние природы. Оно распространено повсюду, где грунт промерзает на некоторую глубину, и особенно характерно для районов много­ летней мерзлоты.

Мерзлотное пучение почвогрунта связано с образованием в нем линз чистого льда, так называемого сегрегационного льда.

Плановые размеры и толщина линз определяются грунтами, сла­ гающим промерзающую толщу, их влажностью и глубиной про­ мерзания.

Такие линзы прослеживаются, например, повсеместно вдоль берегов северных рек, в обнажениях которых они достигают раз­ меров порядка 20 - 30 м. Образование линз льда и связанное с ним пучение грунта необходимо учитывать, поскольку мерзлотное пу­ чение почво-грунта приносит существенный ущерб хозяйственной деятельности человека. Например, образование линзы льда в грун­ товой дороге приводит к ее вспучиванию. Весной же при оттаива­ нии, грунт дороги сползает на стороны, а после расстаивания са­ мой линзы образуется провалина. Таким образом, уменьшается прочность и надежность дороги. Давление при морозном пучении грунта может достигать порядка 20 МПа.

В рассматриваемом частном примере методом борьбы с мерзлотным пучением грунта является пропитывание его хими­ ческими растворами в целях цементации (упрочения) или засыпка под полотно дороги щебенки или песка на глубину промерзания грунта. В этих материалах вода не задерживается.

Чем же объясняется образование и рост с нижней поверхно­ сти линзы чистого льда в промерзающем грунте.

В настоящее время трудами ученых и, в частности Б.Ф. Рельтова, установлено, что причиной перемещения воды из области с малым давлением в область с более высоким давлением (снизу вверх), определяемым по формуле Р = Рм. г + Р А А (10.54) где рмг и рл - плотность мерзлого грунта и льда;

hWT и /гл - тол­ щина слоя мерзлого грунта и льда, яв­ ляется химический и термический ос­ мос.

*Т Химический осм ос - это про никновение молекул растворителя 5 h через полупроницаемую мембрану, разделяющую чистый растворитель и •1 раствор или два раствора различной концентрации.

Развивающееся в. результате осмоса избыточное гидростатическое давление измеряется столбом раство­ ра высотой h (рис. 10.3), при котором устанавливается осмотическое равно­ Рис. 10.3. Схема осмометра.

весие. Это давление получило назва 1 - растворитель,2-раствор, ние о с м о т и ч е с к о г о. 0 Н0 МОЖвТ быть 3 - п олуп рон и ц аем ая м ем бран а.

вычислено для разбавленных раство­ ров неэлектролитов по закону Вант-Гоффа:

(10.55) л = CRT, где п — осмотическое давление;

С = n /V — молярная концентра­ ция раствора;

п - число молей неэлектролита;

V - объем раствора;

R — коэффициент пропорциональности, численно равный универ­ сальной газовой постоянной;

Г - абсолютная температура.

Согласно этому закону, одномолярный раствор неэлектроли­ та при О °С обладает осмотическим давлением 22,6 • 105 Па, а де цимолярный - 2,26 • 105 Па. Таким образом, если рассматривать почвогрунт как полупроницаемую мембрану с большой концен­ трацией солей в растворе у его поверхности по сравнению с ниже­ расположенными слоями (т.е. имеет место градиент концентрации раствора), то можно обнаружить подъем воды к поверхности и об­ разование некоторого давления.

Рассмотрим пример.

Пусть почвогрунт, содержащий раствор концентрацией ст0, промерзает с поверхности, а слой мерзлого грунта равен hMr. Нам уж е известно из п. 2.4, что при замерзании раствора из него в оса­ док выпадает растворенное вещество, а образующийся лед стано­ вится пресным.

Итак, при замерзании поч вогрунта с раствором соль будет выпадать в осадок, что приведет к увеличению концентрации раство­ ра на границе мерзлого и талого грунта по сравнению с начальной ст0. Ниже этой границы концен­ трация раствора будет изменяться от максимальной сттах до естест­ венной по кривой 3, показанной на Рис. 10.4. Схема распределения рис. 10.4.

концентрации раствора в почво Наличие градиента концен­ трунте при его промерзании.

трации д а / д г приводит к явлению 1 - зона чистого льда в грунте (з = 0), химического осмоса, т. е. вода из 2 - нижняя граница льда (ст = иш ), нижних слоев грунта будет под­ 3 - ход концентрации в талом грунте ниматься к верхним - к поверхно­ О Т СУщах Д О С7о.

сти льда и там замерзать. Поступ­ ление воды вверх осуществляется со скоростью (10.56) vocu=~kOd°/dz, где k0 —коэффициент пропорциональности, зависящий от почвог рунта;

z - ордината, направленная вниз.

При промерзании грунта образование линз льда будет про­ исходить при выполнении следующего условия:

v „ _ 5 V r/ *. (Ю.57) т.е. когда скорость промерзания грунта меньше скорости подтока влаги к границе (к линзе).

От химического осмоса свободны гравийные и песчаные грунты, а также некоторые супеси. Явление осмоса в почвогрунтах возможно и при положительной температуре.

На движение влаги в почве оказывает влияние также терми­ ческий осмос. В силу температурного градиента происходит пере­ движение влаги из областей высокой температуры в области более низкой. Это передвижение может накладываться на движение вла­ ги, обусловленное химическим осмосом.

В заключение приведем пример, непосредственно связанный с образованием внутригрунтового льда и имеющий отношение к гидрологическим наблюдениям.

Весной, после оттаивания грунта, часто обнаруживается, что сваи на гидрологическом посту изменили свои отметки - «подрос­ ли», а телеграфные столбы стоят не вертикально, а с некоторым наклоном. Такие явления наблюдаются тогда, когда при их со­ оружении не была учтена глубина промерзания почвогрунтов. Под сваей или столбом при замерзании грунта в данном случае может образоваться линза льда, которая выдавит их на некоторую высо­ ту. Весной при оттаивании грунта происходит его осыпание в зону оттаивания линзы. Следовательно, свая и столб опуститься на прежнее место не смогут.

10.5. Таяние снежного покрова Влияние снежного покрова на хозяйственную деятельность человека столь велико, что он стал объектом специальных иссле­ дований. В связи с этим задача о формировании снежного покрова, его таянии и интенсивности водоотдачи из снега и инфильтрация воды в почву имеют исключительное значение. Например, накоп­ ление снегозапасов в осенне-зимний период играет положитель­ ную роль в сохранности от вымерзания корневой системы расте­ ний, а интенсивность таяния снежного покрова в весенний период определяет характер весеннего половодья, формирование макси­ мальных расходов воды и заторообразование. А, как известно, эти факторы являются определяющими при заполнении и сработке воды в водохранилищах, проектировании и строительстве гидро­ технических сооружений, мостов авто- и железных дорог, прове­ дении снежных мелиораций и др.

Основоположником учения о снежном покрове: его структу­ ре, физических свойствах и таянии, следует считать нашего сооте­ чественника А.И. Воейкова (1871). В дальнейшем этим важным во­ просом занималось очень большое число ученых. Не будем их здесь перечислять, отметим только, что существенный вклад в изучение снежного покрова и исследования процессов формирования талых вод как экспериментальный, так и теоретический внес сотрудник Государственного гидрологического института (ГГИ) П.П. Кузь­ мин. Результатом его исследований явились три монографии, по­ священные снежному покрову ( Физические свойства снежного по­ крова (1957), Формирование снежного покрова и методы определе­ ния снегозапасов (1960), Процесс таяния снежного покрова (1961)).

Эти исследования явились итогом разработки методов количест­ венной оценки характеристик снеготаяния. В основе этих методов лежат уравнения теплового и водного балансов. П.П. Кузьминым изучалось снеготаяние на открытых полях, на полях, защищенных лесными полосами, и в лесу в зависимости от его загущенности.

Таяние снежного покрова зависит от теплоты, поступающей к нему из атмосферы, и от подстилающей поверхности. Из практи­ ки нам известно, что снежный покров характеризуется значитель­ ной пространственной неоднородностью как в плане, так и по вы­ соте. Структура его меняется и во времени.

Неоднородность толщины, плотности и строения снежного покрова обусловливают изменчивость и таких его физических свойств, как пористость, воздухопроницаемость, которые также определяют таяние снежного покрова. Перечисленные выше фи­ зические свойства снежного покрова нами уж е изучались в п. 2.5.

Поэтому ниже рассмотрим только вопросы теплообмена снежного покрова с окружающими его средами: атмосферой и подстилаю­ щей поверхностью.

Так как снег, слагающий снежный покров, является средой, меняющей свое агрегатное состояние при изменении температуры, то процесс таяния снежного покрова необходимо разделить на два периода:

1) период нагревания снега до О °С;

2) период собственного таяния снега.

10.5.1. Ф изико-м еханические процессы, прот екаю щ ие е снеж ном покрове Снежный покров в течение всего периода своего существо­ вания подвергается воздействию различных физических и механи­ ческих факторов, приводящих к непрерывному изменению его структуры, состава и объема. Чтобы убедиться в этом достаточно внимательно ознакомиться с рис. 2.7. Эти факторы и оказываемые ими воздействия еще далеко не достаточно изучены.

К физическим факторам и процессам можно отнести реже ляцию, рекристаллизацию, возгонку и сублимацию, гелио- и гео тепловые воздействия. К механическим факторам относятся сила тяжести и ветер.

Реж еляция (повторное смерзание) заключается в плавлении и повторном смерзании ледяных кристаллов, образующих сне­ жинки, под влиянием удельного давления. Режеляция снега проте­ кает с заметной интенсивностью лишь при температуре, близкой к О °С, т. е. при температуре, при которой не требуется большого удельного давления, чтобы вызвать плавление льда. Удельное дав­ ление, достаточное для плавления кристалла снежинки, может быть обусловлено высотой снежного покрова, возникновением добавочного давления на острых углах и лучах снежинок при их падении и в других случаях. Образовавшаяся вода при плавлении выдавливается в соседние с ней места и там снова замерзает, так как ее температура оказывается ниже окружающей.

Рекристаллизация представляет собой физический процесс, при котором атомы молекул перескакивают с кристаллической ре­ шетки одного кристалла на решетку другого кристалла и обуслов­ ливают срастание отдельных кристаллов (снежинок). Характер и скорость процесса рекристаллизации зависят от ориентации про­ странственных решеток и тенденции перехода системы из менее устойчивого состояния в более устойчивое, при котором достигает­ ся параллельная ориентация плоскостей кристаллических решеток.

Большое зерно устойчивее малого, так как отношение поверхности к объему у него меньше. Ориентация мелких зерен, окружающих более крупное, переходит в ориентацию последнего, вследствие че­ го происходит слияние мелких зерен с крупными.

По Б.П. Вейнбергу, во льду непрерывно происходит рекри­ сталлизация, как и во всяком поликристаллическом теле. В снеге также неизбежен процесс перекристаллизации, так как снег состо­ ит из беспорядочно расположенных кристаллов льда. Свежевы­ павший снег очень быстро теряет первичную структуру и бесфор­ менные зерна фирна возникают в нем через 2 - 5 суток.

В твердых телах существует некоторое количество атомов и молекул, кинетическая энергия которых достаточна для перехода в газообразное состояние. Процесс перехода вещества из твердой фазы в газообразную, минуя жидкую, называют возгонкой, а про­ цесс кристаллизации вещества из пара - сублимацией (п. 1.1).

С признаком возгонки какого-либо твердого тела мы встречаемся при ощущении его запаха в окружающем нас воздухе.

Возгонка и сублимация являются еще одной причиной фир низации снега. На свободной поверхности ледяного кристалла снежинки одновременно происходят и возгонка и сублимация, обусловленные формами снежинок. Поверхностное натяжение, удерживающее молекулу водяного пара, уменьшается с уменьше­ нием радиуса кривизны поверхности. Вследствие этого давление насыщенного водяного пара над мелкими кристаллами и над ост­ рыми углами и лучами снежинок будет больше, чем над крупными и тупыми. Давление насыщенного водяного пара ег над поверхно­ стью с радиусом г определяется по формуле Томсона (Кельвина):

ст (10.58) ег = е рЙ1г, ве где ет - давление насыщенного водяного пара над плоской по­ верхностью ( г = о о ) ;

сг - коэффициент поверхностного натяжения;

р - плотность жидкости;

R - газовая постоянная для водяного па­ ра;

Т - абсолютная температура.

Приближенно вместо формулы (10.58) для выпуклой и во­ гнутой поверхностей можно принять соответственно:

2ст 1Л ' 2 а 1Л (10.59) е, ~ е „ 1 н----------- А V рR T г V PR T r J Поправка на кривизну поверхности играет роль только при очень малых радиусах. Например, при г = 10~б м поправка составля­ ет только 0,1 %, но при г = 10“8 м поправка составляет уже 12,8 %.

При г = 10-8 м давление насыщенного водяного пара ег составляет 112,8 % от ех над выпуклой поверхностью и 87,2 % от ет над вогнутой.

Так как в снежном покрове имеется большое количество межкристаллических пор с поверхностями кристаллов очень мало­ го радиуса и разных направлений кривизны, то в его толще рас­ пределение парциального давления водяного пара будет неравно­ мерно. Водяной пар, образовавшийся на острых ребрах кристалли­ ков, будет стекать во впадины и, насыщая здесь воздух, перейдет в воду и замерзнет. Вследствие этого возникает процесс округления кристалликов льда и увеличения их объема, т.е. происходит так на­ зываемая фирнизация снега. Процесс этот наблюдается при изотер мии и активизируется при наличии температурной стратификации.

В снежном покрове имеет место значительный температур­ ный перепад, так как его поверхность охлаждается намного ниже нуля по сравнению с приземным слоем. В связи с этим создается дополнительная разность парциального давления водяного пара в снежном покрове с градиентом, направленным снизу вверх, что еще более усиливает миграцию водяного пара и фирнизацию снега.

П овт орное таяние кристаллов л ь да и замерзание воды также способствуют фирнизации снега. Таяние кристаллов начинается с их выступающих частей: углов, лучей, ребер. Поэтому частично оттаявший кристалл приобретает округлую форму в виде зерна. При повторном таянии кристаллические зерна увеличиваются в размерах за счет попадания на них капелек воды с соседних кристалликов и т.

д. При этом в снежном покрове увеличиваются поры и на их стен­ ках осаждается иней, обусловленный сублимацией. Процесс уско­ ряется за счет гравитационной воды, проникающей сверху в резуль­ тате таяния самого верхнего слоя снежного покрова.

10.5.2. Р а с ч е т т е м п е р а т у р ы с н е ж н о го п окр ова Для расчета температуры снежного покрова воспользуемся уравнением теплового баланса (6.29). В применении к толще снежного покрова оно примет вид (10.60) где сс и рс - удельная теплоемкость и плотность снега;

hc - тол­ щина снежного покрова;

tc - температура снега, осредненная по П толщине снежного покрова;

- сумма тепловых потоков через верхнюю и нижнюю поверхности снежного покрова за период А т.

Решим уравнение (10.60) относительно tc, тогда получим:

сг с с о где тн - время начала снеготаяния.

Следует отметить, что данная задача будет решена с помо­ щью уравнения (10.60), точнее, если всю толщу снежного покрова разобьем на два слоя: верхний слой толщиной порядка 10 см, в котором аккумулируется почти вся теплота солнечной радиации и нижележащий слой, в котором передача теплоты осуществляется в основном теплопроводностью снега. Объясняется это тем, что по­ глощение основной доли солнечной радиации снегом, как и водой, происходит в слое 3 - 5 см (см. главу 2, п.2.5). Рассчитанная при этом средняя температура может быть задана в качестве гранично­ го условия при расчете теплопередачи в более глубокие слои снежного покрова.

Отметим также, что сумма тепловых потоков в скобках (10.61) нами уже рассматривалась в п. 6.2.

10.5.3. Расчет слоя воды, образовавшегося при т аянии снеж ного покрова Как мы уж е отметили выше, процесс снеготаяния начинает­ ся после того, как температура снега достигнет значения О °С, i а верхний слой снежного покрова порядка 5 - 10 см увлажнится водой. Дальнейшее поступление энергии в снежный покров идет на таяние снега по всей его толще. Но при этом не следует путать парниковый эффект с началом снеготаяния.

После начала таяния вся толща снежного покрова прогрева­ ется до 0 °С за время от 1 до 6 часов. Такая большая скорость про­ грева объясняется,тем, что под действием гравитационной силы вода стекает в нижние слои не по всей массе снега, а по отдельным протокам, т.е. имеет место жильное пропитывание снега. Такое пропитывание объясняется тем, что на границе контактов твердого тела, жидкой и газообразной фаз в снежном покрове быстрее тают мелкие кристаллы льда или, иначе, быстрее тают кристаллы, имеющие меньший размер закругления и острые углы.

Установлено, что температура плавления этих кристаллов в зо­ не контакта с водой и воздухом ниже, чем крупных, следовательно, они тают раньше. Крупные кристаллы при плавлении их острых уг­ лов сливаются, образуя бесформенные кристаллы - фирн. При этом при росте кристаллов за счет сублимации на их поверхности и замер­ зании воды, поступившей сверху, происходит выделение теплоты внутри самой толщи снежного покрова, что также приводит к повы­ шению его температуры и выравниванию ее во всей толще.

Образование фирна размером 1 - 2 мм и более приводит к разреживанию снежного покрова и, следовательно, образованию крупных пор. Если такие поры будут заполнены водой, то по ним могут идти микропотоки воды, т.е. снежный покров дренируется.

На основании практических наблюдений установлено, что толща снежного покрова перекристаллизовывается в фирн при ко­ личестве растаявшего снега, равном примерно 1 5 - 2 5 % снегоза­ пасов и длится этот процесс при «благоприятных» условиях 2 - дня. С переходом снега в зернистое состояние (фирн) резко меня­ ются его тепловые, водные и другие физические свойства. Суще­ ственно снижается его водоудерживающая способность - она со­ ставляет порядка 25 %.

Подчеркнем еще раз, что в период снеготаяния снежный по­ кров насыщается водой, а его температура близка к О °С, т.е. снег и вода находятся в «критическом» состоянии: снег переходит в воду, а вода в лед. Поэтому в расчетах при назначении коэффициентов удельной теплоемкости, температуропроводности, плотности, фильтрации и других необходимо быть крайне осторожным.

При количестве растаявшего снега 1 5 - 2 5 % от начального его запаса начинается водоотдача из снежного покрова, т.е. посту- | пление талой воды на поверхность почвы. Для изучения водоотда­ чи используют водонепроницаемые стоковые площадки и приме­ няют методы теплового и водного баланса.

Талая вода расходуется на впитывание почвой и стекание по ь ее поверхности. Впитывание почвой воды зависит от ее структуры и механического состава, трещиноватости, влажности и состояния - мерзлая или талая. При значительной глубине промерзания и высокой льдистости почвы потери на инфильтрацию талой воды | будут незначительными. Такой же эффект дает и наличие ледяной корки на поверхности почвы, образовавшейся при оттепелях в зимний период.

Если в снежном покрове имеются ледяные корки, то при большом поступлении талой воды они за несколько часов распада­ ются на отдельные фракции, между которыми вода опускается в нижележащие слои.

Насыщение талой водой снега и фильтрация ее к подсти­ лающей поверхности резко снижают прочность снежного покрова и являются одной из причин образования в горах так называемых мокрых лавин.

Для расчета слоя воды, образовавшегося при таянии снежно­ го покрова, воспользуемся уравнением теплового баланса в виде:

П (10.62) или (10.63) где 2П - количество теплоты, необходимое для таяния снега (п. 2.5).

Л Запишем уравнение (10.63) относительно слоя воды hB, об­ разовавшейся в результате таяния снега толщиной hc и плотно­ стью рс :

(10.64) где Ьпл - удельная теплота плавления льда;

тн и тк - моменты начала и конца снеготаяния.

Следует отметить, что в уравнении (10.64) не учитываются потери части толщи снежного покрова на испарение. Расчет испа­ рения с поверхности снежного покрова приводится в п. 9.3.

Здесь необходимо отметить, что уравнения (10.61) и (10.64) справедливы только для случая, когда горизонтальный теплообмен в снежном покрове пренебрежимо мал. С их помощью можем оп­ ределить как текущие характеристики снежного покрова tc и ha, так и решить следующие задачи:

1) если подставим в уравнение (10.61) tc = 0 °С, т.е. темпе­ ратуру, соответствующую началу снеготаяния, то определим вре­ мя начала снеготаяния тн ;

2) если по данным снегосъемок, выполненных перед началом снеготаяния, известен запас воды в снежном покрове hB, то по уравнению (10.64) определим время схода снега г к на рассматри­ ваемом участке;

3) если известно из наблюдений время схода снега тк на рассматриваемом участке, то определим запас воды в снежном по­ крове к началу снеготаяния.

Часто в суточном ходе снеготаяния можно выделить две фа­ зы, обусловленные повышением температуры снега в дневное и понижением ее в ночное время. При этом в ночное время может произойти даже промерзание снега. В связи с этим расчеты по уравнению (10.64) необходимо проводить отдельно для дневных и ночных часов.

10.6. Роль термического режима снежного покрова в образовании лавин Вода в жидком виде может содержаться также в снежном по­ крове (п. 2.5). Мокрый снежный покров представляет собой трехфаз­ ную систему, состоящую из ледяных кристаллов, воды и воздуха, j содержащего водяной пар. Соотношение фаз для снега является неус­ тойчивым и все время меняется в связи с изменением его плотности под воздействием физико-механических процессов, протекающих в снежном покрове, и особенно в период снеготаяния. Вместе с тем, как раз в этот период водные свойства снежного покрова имеют осо­ бенно большое значение для прогноза схода лавин, снеготаяния и паводков. Водные свойства снежного покрова слабо изучены, так как теория движения влаги в многофазной пористой среде еще недоста­ точно разработана по причине большой сложности структуры такой среды и при этом меняющей свое агрегатное состояние.

Из общих физических процессов, происходящих в снежном покрове, большое значение имеет фйрнизация снега. П о д фирни зацией понимают процесс превращения свёжевыпавшего или ме телевого снега, состоящего из отдельных снежинок с их своеоб­ разной формой, в бесформенную массу ледяных зерен, сначала мелких, а затем все более и более крупных. Раскрытие этого про­ цесса имеет очень большое значение для понимания поведения снежного покрова в течение зимы и его таяния весной. В горных условиях фирнизация снега обусловливает образование лавин, льда ледников, глетчерного льда.

Хотя в п. 10.5.1 и названы частные причины фирнизации снега, тем не менее этот процесс еще не может считаться оконча­ тельно изученным. В разное время учеными было предложено не­ сколько гипотез для объяснения процесса фирнизации снега: ре желяционная, рекристаллизационная, сублимационно-термодина­ мическая, сублимационно-энергетическая.

Режеляционная гипотеза, поддержанная в свое время Б.П.

Вейнбергом, объясняет фирнизацию снега в основном явлением режеляции и лишь частично рекристаллизацией. Слабой стороной этих воззрений является то обстоятельство, что режеляция воз­ можна лишь при температуре, близкой к 0 °С, тогда как фирниза­ ция снега наблюдается при температуре, значительно более низ кой. Поэтому только режеляцией объяснить все виды фирнизации снега нельзя.

В настоящее время большинство ученых склоняются к мысли, что ведущая роль в физических процессах, происходящих в снеж­ ном покрове, принадлежит возгонке и сублимации совместно с теп­ лообменом снежного покрова с подстилающей поверхностью и ат­ мосферой [10].

Внутри снежной толщи за счет ее высоких теплоизоляцион­ ных свойств возникает температурный градиент, имеющий, на­ пример, по трассе БАМа в Восточной Сибири порядка 0,015 0,020 °С/м. Он соответственно обусловливает градиент парциаль­ ного давления водяного пара, находящегося в порах этой толщи.

Водяной пар мигрирует из теплых нижних слоев толщи в более холодные поверхностные, где происходит его сублимация - рост кристаллов. Верхние слои снежного покрова становятся плотнее нижних;

нижние же слои становятся более рыхлыми за счет испа­ рения с кристаллов льда.

Таким образом, сублимационно-энергетическая гипотеза фирнизации снега, выдвинутая П.П. Кузьминым [27], основана на учете тепловой энергии, поступающей из почвы в снежный по­ кров. По его данным, например, в районе г. Валдая тепловой поток из почвы в снег составляет около 9,7 • 10“* Вт/м2, что достаточно, чтобы возгонкой удалить из нижних слоев 3 10-5 кг снега в сутки.

Тепловой поток q из почвы в снежный покров, конечно, не­ постоянен в течение зимы и даже в течение суток. Тем не менее доминирующее его направление снизу вверх в свободную атмо­ сферу сохраняется неизменным и не может не влиять на структуру снежного покрова. Зная тепловой поток, можно рассчитать коли­ чество вещества, сублимирующегося в верхнем слое снежного по­ крова, и скорость роста грани кристалла льда, перпендикулярной к поверхности охлаждения:

^ dq I dq = * ( 10-65) т= Т~~Г ’ т 4оз dz Р А тл ^ где LB3 и L m - удельная теплота возгонки и плавления льда;

т время;

d q /d x —интенсивность теплоотдачи в атмосферу;

р - плот ностьльда.

Процесс фирнизации снега в целом является совокупностью всех частных физических процессов, происходящих в снежном покрове: режеляции, рекристаллизации, повторного таяния и за­ мерзания, сублимации и возгонки, теплопередачи из почвы через снег и др. По-видимому, в различных условиях погоды каждый из этих частных физических процессов может играть решающую роль в общем процессе фирнизации снега.

В настоящее время считается установленным, что снежные лавины образуются чаще всего на склонах гор крутизной порядка - 40°. При крутизне склона меньше 20° снежный покров устойчив в течение всего зимнего периода, а при крутизне более 40° снег на склоне не задерживается, а если снежный покров образуется, то не­ большой мощности. Лавина образуется при нарушении устойчиво­ сти снежного покрова из-за уменьшения сил сцепления с подсти­ лающей поверхностью и коэффициента внутреннего трения в ниж­ них его горизонтах. В процессе метаморфизма кристаллов льда об­ разуются глубинный иней (изморозь) и рыхлый крупнозернистый фирновый снег. Процесс разрыхления в нижнем горизонте сопро­ вождается оседанием снежного покрова, при котором теряется его связь с подстилающей поверхностью и, следовательно, происходит сползание по склону снежного пласта. Сначала происходит медлен­ ное сползание пласта, затем, по мере увеличения напряжения сдви­ га, скорость его движения возрастает и может достигнуть 300 км/ч.

По данным К.Ф. Войтковского [10], предельная толщина снежного покрова на ослабленной поверхности, превышение кото­ рой приводит к нарушению устойчивости, может быть рассчитана по формуле К Р = C/[pg(sin\|/ - cosytgcp)], (10.66) где С - сцепление снега;

р - плотность снега;

g - ускорение сво­ бодного падения;

\|/ - угол наклона склона;

tg ф - коэффициент трения.

Лавины возникают также при резких суточных колебаниях температуры воздуха. В этом случае причиной нарушения устой­ чивости снежного покрова являются образовавшиеся в нем трещи­ ны при температурном сокращении сплошной снежной доски (плотного снега). Другой вид лавины образуется из свежевыпав­ шего сухого снега после обильного снегопада. Не успев уплот­ ниться, свежевыпавший снег соскальзывает по старому, более плотному и, набрав скорость, вовлекает в движение нижележащие слои. В рассматриваемом случае К.Ф. Войтковский предлагает оп­ ределять критическую высоту снежного покрова по следующей формуле:

К = с /[р COS Y|){sin \|/ - COS \|rtgp)]. (10.67) Формулы (10.66) и (10.67) справедливы для случаев, когда угол наклона склона \|/ больше угла внутреннего трения ф. При \|/ ф устойчивость снежного покрова обеспечена при любой его мощ­ ности.

Другим видом сухой лавины является лавина, образующаяся из метелевого снега при скорости ветра 5 - 1 0 м/с.

С момента перехода температуры воздуха через 0 °С со скло­ нов сходят так называемые мокрые лавины. Они образуются при выпадении мокрого снега либо в период снеготаяния (или дождя), когда талью воды просачиваются до грунта и затем выступают в роли смазочного материала между грунтом склона и снегом.

Снежная лавина - грозное стихийное явление. Снежная лави­ на и сопровождающая ее воздушная волна могут разрушить мосты, дороги, опоры линий высоковольтных электропередач, населенные пункты, завалить их снегом. Вот как описывает сход лавины в своей корреспонденции Гиоргиев JI.: «... Лавина одно из самых опасных и разрушительных явлений в горах. Иногда достаточно падения кам­ ня, чтобы медленное движение снежного покрова внезапно, толч­ ком перешло в стремительное скольжение пластов снега с больших площадей. Его объем до нескольких миллионов кубических метров устремляется по горным склонам в долину. Тут даже не скажешь:

«Берегись!». Уберечься трудно, чаще всего - невозможно....удары, треск, гул, сливающиеся в единый грохот катастрофы. Подхвачен­ ные снежным покровом каменные глыбы летят вниз со скоростью поезда, деревья в обхват ломаются, как спички, металлические опо­ ры электролиний гнутся в д у гу...» (рис. 10.5).

В движущейся лавине выделяют фронт - передняя короткая ее часть, голову, где находится основная масса снега, и хвостовую часть, которая длиннее головной. Во фронтальной части высота лавины может достигать в мокрых порядка 10 м, а в сухих - 20 м и более, что обусловлено, прежде всего, различной плотностью сне­ га в ней. Длина же пути, пройденная ими, имеет обратное соотно­ шение: у мокрых путь более длинный и достигает 1 км и более.

Это зависит как от насыщенности ее водой, так и неоднородности формы склона и путевых сопротивлений движению на участке, по которому она проходит.

Рис. 10.5. Лавина, сошедшая из одной из камер денудациионной воронки.

Опоры № 124, 125 ЛЭП Ангрен - Фергана расположены в конечной зоне транзита лавины. В нижнем левом углу снимка - автодорога.

Сход лавины сопровождается воздушной волной, движу­ щейся перед ней. Она распространяется намного дальше, чем го­ лова лавины, ломая деревья и разрушая строения на своем пути.

Нагрузки на препятствия (сооружения) от воздействия воз­ душной волны и самой лавины могут достигать соответственно и 103 кН на м2 и более.

Лавинная опасность может быть вызвана и антропогенным изменением состояния лесов на склонах гор, самого рельефа гор, а также общим изменением климата.

В результате комплексного исследования снежного покрова, метеоусловий в период его формирования, физико-географических условий, где формируется снежная лавина, и самих лавин к на­ стоящему времени выработаны следующие противолавинные ме­ роприятия [10]:

1. Пассивные профилактические мероприятия, включающие оценку лавинной опасности территории, регулирование хозяйст­ венной деятельности, охрану и воспроизводство лесов и оповеще­ ние о лавинной опасности, прекращение доступа людей в лавино­ опасные зоны.

2. Активные профилактические мероприятия, заключающие­ ся в плановом искусственном обрушении снега с лавиноопасных склонов путем обстрелов, направленных взрывов и других видов воздействий.

3. Регулирование отложений метелевого снега и недопуще­ ния образования снежных карнизов путем строительства снегос­ борных и снеговыдувающих сооружений.

4. Искусственное удержание снега на лавиноопасных скло­ нах путем строительства снегоудерживающих щитов и сеток, тер­ расирование склонов, выращивание леса под защитой временных снегоудерживающих сооружений.

5. Изменение направления пути движения лавин с помощью лавинорезов и направляющих дамб.

6. Уменьшение скорости движения и дальности выброса ла­ вин с помощью лавинотормозящих пирамид, надолбов и бугров, лавиногасителей, лавинных ловушек и оградительных дамб.

7. Пропуск лавин над защищаемым объектом (строительство галерей и навесов).

В настоящее время, чтобы предотвратить огромный ущерб, причиняемый хозяйственной деятельности человека лавинами, прогнозируют их сход, а иногда этот сход искусственно вызывают, осуществляя обстрел из артиллерийских орудий лавиноопасных склонов. Если имеются безопасные подходы к местам заложения зарядов и надежные укрытия для исполнителей принудительного спуска лавин, то более совершенным воздействием на снежный покров в горах является его подрыв. Наиболее эффективно такие мероприятия в РФ проводятся в Хибинском горном массиве спе­ циальным подразделением объединения «Апатит».

С а в а л АКУСТИЧЕСКИЕ, ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМ АГНИТНЫ Е ЯВЛЕНИ Я В ВОДЕ 11.1. Общие сведения о звуке Акустика - это учение о звуке. Звук - колебательное движе­ ние частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в га­ зообразной, жидкой и твердой средах. Звуковые колебания явля­ ются частным случаем механических колебаний. Звуковые коле­ бания в жидкой и газообразной средах являются продольными ко­ лебаниями, т. е. частицы среды колеблются вдоль линии распро­ странения волны. В твердых средах кроме продольных колебаний имеют место также поперечные колебания и волны.

Основным уравнением, описывающим распространение зву­ ка, является так называемое волновое уравнение. Оно выводится из уравнений движения Эйлера и уравнения неразрывности, из­ вестных нам из курса «Механика жидкости и газа». При этом предполагается справедливость закона Гука, согласно которому напряжения прямо пропорциональны деформациям. Это уравне­ ние имеет вид ( я2.

d j? d j?

дР (11.1) Ц =г дх v дх2 ду2 dz2 j где р - звуковое давление;

т -время;

х, у, z - координаты;

с 2 = y p j p ;

с - скорость звука (скорость распространения звуковой волы);

р с - статическое давление в среде;

р - плотность среды;

у = Ср/ су - отношение теплоемкостей при постоянном давлении и при постоянном объеме.

Звуковым давлением в газах и жидкостях называют разность между мгновенным значением давления р а в точке среды при прохождении через нее звуковой волны и статическим давлением р с в той же точке, т.е. р = Р а - р с При этом происходит либо сжатие, либо расширение воды в этой точке.

Уравнением (11.1) описывается фронт сферической волны, представляющий собой сферу, в центре которой находится источ­ ник колебаний, а звуковые волны совпадают с радиусами сферы.

Фронт плоской волны, представляющий собой плоскость, описы­ вается следующим уравнением:

д 2р 2 д 2р (11.2) дх дх Если рассматривать продольные акустические волны с энер­ гетической точки зрения, то без учета потери энергии на трение запишем следующее уравнение:

= к+ п = ^, (11.3) Рос где Е, Е к и Е и - соответственно механическая, кинетическая и потенциальная энергии акустической волны;

р0 - плотность воды при равновесном состоянии.

Поток механической (звуковой) энергии в единицу време­ ни через элементарную площадку, перпендикулярную направле­ нию распространения волны, называется интенсивностью звука (плотность потока акустической энергии):

(11.4) 1= Го где Т - период колебаний звука;

v - мгновенное значение скорости колебания звука в точке.

Интенсивность звука можно выразить и через так называе­ мое эффективное значение звукового давления р э = р т / ^ (давление при осредненной интенсивности звука):

(И-5) I = P 3 / ( PC) = P0CV3 ’ где р т - амплитуда колебаний звукового давления;

v3- эффек­ тивная скорость звука в точке.

Скорость звука (скорость распространения звуковой волны) в различных средах различна (табл. 11.1). В газообразных и жид ких средах она зависит от плотности среды р, статического давле­ ния в среде р с и определяется по формуле - для газа (П.6) сг =, & - ' -, V р сг где cPl c v = 1,402 при 15 °С и давлении 101 325 Па, - для жидкости с* = лМ р Р)» (П-7) где коэффициент сжатия жидкости Ф, Т а б л и ц а 1 1. Физические характеристики некоторых материалов Удельное аку­ Ско­ Темпера­ Плот­ стическое со­ рость Среда, материал тура, ность, противление звука, “С кг/м р с, Па с/м м/с Воздух 0 1,29 42, Воздух 20 1,20 343 41, Водяной пар 100 0,58 405 23, Вода пресная 15 999 1430 1,43 • Вода соленая (35%о) 1027 1500 1,54- Лед 916 2,93 Железо 7800 5850 4,56 • В твердых телах скорость звука определяется плотностью материала тела р и модулем упругости Е (модуль Юнга):

1L ]j р (l + v X l - 2 v j где v - коэффициент Пуассона.

Поскольку скорость звука в жидкости (воде) по формуле (11.7) трудновычисляемая характеристика, то на практике для ее вычисления используют эмпирические формулы. В общем случае скорость звука в воде зависит от ее температуры t, солености S и глубины Н, на которой звук распространяется. Одна из наиболее простых формул имеет следующий вид:

сж = 1410 + 4,21/ - 0,037?2 + 1,105 + 0, 0 0 0 1 8 #. (11.10) Если учесть, что воды суши пресные, а водоемы имеют не­ большую глубину, то эта формула еще более упростится за счет исключения последних двух слагаемых.

О тражение и преломление звуковой волны. Если звуковая волна, распространяющаяся в данной среде, достигает поверхности раздела со второй средой, имеющей иные физические параметры, то часть звуковой волны отразится от этой поверхности, а другая часть, преломившись, пройдет во вторую среду. Законы отражения и преломления звуковой волны аналогичны законам отражения и преломления световых волн. При этом эффективность отражения зависит от степени различия удельных акустических сопротивлений обеих сред и от угла падения звуковой волны и определяется коэф­ фициентом отражения а отр.

Рассмотрим частный случай, когда волна из первой среды подходит нормально к границе раздела со второй средой. В этом случае поток звуковой энергии, отраженный от границы Гх, опре­ деляется по формуле J \ = a *tpI \ = / i[(pici - p 2 c 2)/(piCi+p2C2)]2. (П. 11 ) где /[ - поток энергии в падающей волне;

р,, с, и р2, с2 - плот­ ность и скорость распространения звука соответственно в первой и второй средах;

p ici - удельное акустическое сопротивление среды.

Поток звуковой энергии, прошедшей во вторую среду, оп­ ределяется по формуле h = a npIi = 4/, (p^X pzcJApjC, + р2с2)2, (11.12) где а пр - коэффициент проникновения звуковой энергии.

Используя формулу (11.11) или (11.12), можно установить ту часть звуковой энергии, падающей из воздуха на границу раздела воздух - вода, которая проходит в воду. Для этого подставим зна­ чения удельных акустических сопротивленйй из табл. 11.1 в ука­ занные выражения. Тогда, например, из уравнения (11.11) полу­ чим, что а отр = 0,9994, т. е. поверхностью воды отражается 99,94% энергии, а поглощается только лишь 0,06 %.

Затухание звука. Энергия звуковых волн при прохождении через среду затухает вследствие рассеяния звука, вязкости среды, молекулярного затухания и других причин. Поглощение энергии этих волн определяется по формуле I - 10 ех р (- 2 а х ), (11.13) где I - поток звуковой энергии, прошедшей расстояние х ;

/ 0 - ис­ ходный поток звуковой энергии;

коэффициент поглощения звука (11.14) / — частота колебаний звука, ц и у - коэффициенты сдвиговой и объемной вязкости;

А - коэффициент теплопроводности;

осталь­, ные обозначения известны из предыдущего текста.

Анализируя формулу (11.14), приходим к выводу, что в чис­ той воде звук распространяется почти без поглощения его молеку­ лами воды. Воды суши в большинстве своем насыщены газами и взвесями, поэтому на значения коэффициента а в большей степени сказывается поглощение звука, а не его рассеяние. При этом с уве­ личением частоты колебаний звука, степень его затухания возрас­ тает.

Звуковая энергия поглощается в воде примерно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Из формулы (11.14) видно, что причиной меньшего поглощения является то обстоятельство, что отношение вязкости к плотности для воды меньше, чем для воздуха.

Рассмотренные выше основные законы звука распространя­ ются как на слышимые человеком звуки с частотой колебания от 16 до 20 000 Гц, так и на неслышимые: инфразвуки - частота зву­ ковых колебаний меньше 16 Гц, ультразвуки - частота колебаний в диапазоне от 2 • 104 до 109 Гц, гиперзвуки - частота колебаний в диапазоне от 109 до 1013 Гц. Область инфразвуковых частот сни­ зу практически не ограничена: в природе встречаются инфразву ковые колебания с частотой в десятые и сотые доли герца. Частот­ ный диапазон гиперзвуковых волн сверху ограничивается физиче­ скими факторами, характеризующими атомное и молекулярное строение среды. Например, в воздухе не может распространяться гиперзвук с частотой 109 Гц и выше, а в твердых телах - с частотой более 101 Гц. Соответственно различным частотам звуковых ко­ лебаний звуковые волны подразделяются и по длине: инфразвуко вые 70 м, звуковые (~ 70) - (~ 10~2) м, ультразвуковые (~ 10“2) - (~ 10_6) м, геперзвуковые 10-6 м.

В заключение следует отметить, что приведенные выше формулы (11.11) - (11.13) справедливы только для ровной водной поверхности. При взволнованной водной поверхности отражение акустической волны происходит в разных направлениях. Поэтому коэффициенты а отр, а пр и а должны быть откорректированы в зависимости от характера взволнованности водной поверхности.

В настоящее время наибольшее применение нашел ультра­ звук. С ним связаны целые области современной физики, про­ мышленной технологии, информационной и измерительной тех­ ники, медицины и биологии. Применение его в гидрологии рас­ сматривается ниже.

11.2. У льтразвук и его применение в гидрологии Наука об ультразвуке сравнительно молодая, хотя первые ультразвуковые исследования были выполнены русским ученым П.Н. Лебедевым сравнительно давно, в конце XIX в. Как область науки и техники ультразвук получил особенно бурное развитие в последние три-четыре десятилетия. Это связано с общим прогрес­ сом акустики и, в частности, с открытием пьезоэлектрического эффекта и с расцветом радиотехники.

Ультразвук имеет ряд особенностей по сравнению со звука­ ми слышимого диапазона (высокая частота колебаний, малая дли­ на волны, возможность легко получить направленное излучение, хорошо поддается фокусировке), что позволяет повысить интен сивность ультразвуковых колебаний, при распространении его в средах порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки, техники и хозяйственной деятельности человека: машиностроении, метал­ лургии, химии, радиоэлектронике, строительстве, геологии, пище- | вой промышленности, рыбном промысле и подводной связи, ме­ дицине, военном деле и т. д. (табл. 11.2).


В гидрологии ультразвук применяется для решения следую­ щих задач.

1. Измерение скорости течения (расхода) жидкости основы вается на измерении скорости распространения ультразвуковой волны в движущейся жидкости между двумя преобразователями, установленными по потоку на расстоянии L (база) друг от друга.

Время прохождения этого расстояния в прямом и обратном на­ правлениях Х1 = М сж + ^) ;

^ 2 = ^ / ( сж - ^ ) ;

(11.15) где сж- скорость распространения ультразвуковой волны в непод­ вижной жидкости;

v - средняя скорость потока;

сж+ v и сж - v скорость распространения ультразвуковой волны в движущейся жидкости относительно неподвижных излучателя и приемника соответственно в прямом и обратном направлениях (по потоку и против потока).

Решая совместно уравнения (11.15) относительно средней скорости потока, получаем:

= 0,5L(t2 - t (11.16) ) / ( x !T 2 ).

v i Из выражения (11.16) следует, что изменение химического состава жидкости и ее температуры на измерение скорости тече­ ния с помощью ультразвука не сказывается.

При использовании частотных гидроакустических измери­ тельных устройств скорость потока определяется по формуле = 0, 5 L ( F, - F 2), (11.17) v где Fj и F2 - частота прохождения импульсов от излучателя к приемнику в прямом и обратном направлениях.

Т а б л и ц а 1 1. Частотные диапазоны различных применений ультразвука цв.... •пл.»! ии1»Я itiilim unUm Hiildi* tilth».

в газах, Ш ^т жидкостях Научные исследо­ _ в твердых ^^т вания тепах ш и т ЯШ О свойствах в газах и составе евтеств;

в жидкостях н а тяж.

о техноло­ _ _ гических в твердых процессах телах 1...- —.....

----- -------........

Ультразвуковая дефектоскопия Контроль уровней, — — размеров шш ш Медицинская диагностика Коагуляция аэрозолей ш Воздействие, на горение яя Очистка ят Воздействие на хишч, и - элехтрохимич, процессы Эмульгирование тт ят Диспергирование ж Распыление тт ЯШ Кристаллизация Металлизация, лайка т Механическая обработка т Сварка м Ппастич. деформирование Терапия аH i Хирургия 1 шш Линия задержки ят т т ш ш 1 1 Фильтры — —i Преобразователи сигналов '$ S 1§ в акустозлектронцке _ ” 1 Акустооптические устройства я Si, о»

2. Измерение глубин (эхолотирование) основано на исполь­ зовании свойства ультразвуковых волн отражаться от границы раздела двух сред. Дно водоема в этом отношении представляет со б о й д о во л ьн о х о р о ш у ю о тр а ж а те л ьн ую п о в е р хн о сть. П р и и зм е ­ р е н и и гл у б и н у л ь тр а зв у к о в ы е в о л н ы и зл у ч а ю тся в во д у, о тр ази в­ ш и сь о т д н а и ли п р е п ятств и я, в о звр ащ а ю тся к п р и е м н и ку. Г л у б и н а м о ж е т и зм ер я ться та к ж е с д в и ж у щ е го ся су д н а. П р и это м ск о р о ­ с т ь ю е го д в и ж е н и я и с к о р о с т ь ю т е ч е н и я в в о д о е м е м о ж н о п р е н е б ­ речь. Д о пущ енная о ш и б ка п ри б о л ьш и х гл уб и н а х буд ет н есущ ест­ в е н н о й. В э то м сл у ч а е гл у б и н а в о д о е м а о п р ед е л я е тся п о ф о р м ул е Я = с жт / 2, (1 1.18 ) гд е х - в р е м я п р о х о ж д е н и я у л ь т р а з в у к о в о й в о л н ы о т и з л у ч а т е л я д о дна и от дна до при ем ни ка.

П р и б о р, с п о м о щ ь ю к о т о р о го в ы п о л н я е тся и зм е р е н и е г л у ­ б и н, н о с и т н азван и е эхо л о т.

3. С п о м о щ ь ю у л ь т р а з в у к а м о ж н о та к ж е и зм е р я ть у р о в н и в о д ы, о п р е д е л я т ь т о л щ и н у л е д я н о го п о к р о в а и д о н н ы х о т л о ж е н и й.

П р и н ц и п д е й стви я со о тв е т ств у ю щ и х п р и б о р о в ан а л о ги ч е н п р и н ­ ц и п у д е й стви я эхо л о та.

4. У л ь т р а з в у к о в о й м ето д п о зв о л я е т и зм е р я ть те м п е р а ту р у в о д ы и т в е р д о го т е л а (п р и т о м в н у т р и э т о г о т е л а ), в я з к о с т ь ж и д к о ­ сти, ко н ц е н тр а ц и ю р аств о р ен н о го в ещ е ств а в ж и д к о сти, оп ред е­ л я ть о б л асть ка ви тац и и п у зы р ь к о в в о зд ух а в п о то ке и р е ш а ть м н о ­ ги е д р у г и е за д а ч и.

Выше бы ло р ассм о тр ен о прим енение в ги д р о л о ги ч е ск о й п р а к ти к е в ы с о к о ч а с т о т н ы х а к у с т и ч е с к и х в о л н. Н о м н о ги е п р и р о д ­ н ы е п р о ц е ссы са м и в ы з ы в а ю т о б р а зо в а н и е п р о д о л ь н ы х з в у к о в ы х во л н р азн о й ч а сто ты. П о э то м у п р е д став л яет и н те р е с р е ги стр а ц и я э ти х во лн с ц елью п о л уче н и я и н ф о р м ац и и об е сте ствен н о м и зл у ­ чател е зв у к а. Н ап р и м е р, у л а в л и в а я н и зк о ч а сто тн ы е зв у к о в ы е к о ­ лебан и я, в ы зв ан н ы е тр е н и ем сн е га о п о д сти л аю щ ую п о в е р хн о сть в го р а х, м о ж н о п р е д ска за ть сх о д л ав и н, а ул а в л и в а я з в у к и о т л ьд и н т р у щ и х с я о б е р е га и д р у г о д р у г а п р и и х п о д в и ж к а х - п р е д с к а з а т ь п р о р ы в з а т о р н о й (з а ж о р н о й ) м а с с ы л ь д а н а р е к е. Р е г и с т р а ц и я д и ­ н а м и че ски х ш у м о в о т д ви ж ущ ей ся под лед яны м п о кр о во м р ек ш у ­ г и, п о з в о л я е т о п р е д е л и т ь ее н а л и ч и е и р а с п р е д е л е н и е в д о л ь и п о ­ п ер ек реки.

11.3. Оптические свойства воды В гл а в е 3, п. 3.5 р а с с м о т р е н ы р а д и а ц и о н н ы е с в о й с т в а в о д ы д л я в с е г о д и а п а з о н а ш к а л ы э л е к т р о м а г н и т н ы х в о л н (т а б л. 3.2 ), п о сту п а ю щ и х и з атм о сф ер ы в во д у. В э то т д и ап азо н в хо д и т и в и ­ д и м о е и з л у ч е н и е (с в е т о в ы е л у ч и ), д л и н а в о л н к о т о р о г о н а х о д и т с я в и н т е р в а л е (0,7 6 - 0, 3 8 ) м к м. Д л я в и д и м ы х л у ч е й т а к ж е с п р а в е д ­ л и в ы р а ссм о тр е н н ы е р ан ее за ко н о м е р н о сти : и зл у ч е н и е, о тр аж е ­ н и е, п р о п у ск а н и е [41].

В о д а р е к, о зе р и в о д о х р а н и л и щ п р е д с т а в л я е т с о б о й с л о ж н у ю с и с т е м у (с л о ж н о е ф и з и ч е с к о е т е л о ), с о с т о я щ у ю и з ч и с т о й в о д ы, р а ст в о р е н н ы х в е щ е ств и в зв есе й. Е е о п ти ч е ск и е св о й ств а си л ь н о зав и ся т о т э ти х со став л я ю щ и х. С о ста в р а ств о р е н н ы х и в зв е ш ен ­ н ы х в е щ е ств в вод е о ч е н ь р а зн о о б р а зе н. В н е го в хо д я т: н е о р га н и ­ ческие со л и, о р га н и ч е ск и е со е д и н ен и я, п л а н к т о н, м и н е р ал ь н ы е ч а сти ц ы и др.

В о д ы с у ш и о тл и ч а ю тся о че н ь б о л ь ш и м р азн о о б р ази ем и по с в о е м у х и м и ч е с к о м у с о с т а в у : к а р б о н а т н ы е, с у л ь ф а т н ы е (с у л ь ф а т ­ н о -н а т р и е в ы е и с у л ь ф а т н о -м а г н и е в ы е ), х л о р и д н ы е, а т а к ж е по с т е п е н и м и н е р а л и з а ц и и : о т п р е с н ы х (р е к и ) д о в о д с о л е н о с т ь ю п о ­ % ряд ка 20 и в ы ш е (о з е р а ). В э т и х в о д а х н е о р г а н и ч е с к и е с о л и п ред ставл ен ы таки м и ионам и: N a +, К +, С а 2+, M g 2+, СГ, S0 2“, H C C 3, С О 2- и др.

О д н а к о н е о р га н и ч е с к и е со л и в м е н ь ш е й ст е п е н и в л и я ю т н а о п ­ т и ч е с к и е с в о й с т в а в о д ы, ч е м о р га н и ч е ск и е со е д и н е н и я (о р га н и ч е ск о е в е щ е ств о ).

О р га н и ч е ск о е в ещ е ств о со с то и т и з р а ств о р е н н о й о р га н и к и и м е л к и х п л а н к т о н о в ы х о р га н и зм о в и б а кте р и й. Р а ств о р е н н а я о р га ­ н и ка и м еет ж ел то ватую и л и ко р и чн еватую о к р а с к у, п о э т о м у ее желтым веществом.

н азы ваю т Ж ел то е в е щ е ств о о б р а зу е тся д в у ­ м я п у т я м и : п р и р асп ад е о тм е р ш е го п л а н к т о н а, о р га н и зм о в и п р о ­ д у кто в и х ж и зн ед е я те л ьн о сти и п у т е м см ы в а с во д о сб о р а гу м у с о ­ в ы х вещ е ств.

В в о д ах с у ш и со д ер ж а тся р а зл и ч н ы е в зв е си о р га н и ч е ск о го и н е о р ган и ч еско го п ро и схо ж д ен и я, получивш ие н азван и е «м ут­ н о сть ». О р га н и ч е ск а я ч а ст ь м у т н о ст и со с то и т и з п л а н к то н а, б а кте ­ р и й, ч а сти ц то р ф а, б о л о тн ы х р астен и й, п ы л ьц ы и д р у ги х части ц.

Н е о р га н и ч е ск и е в зв е си со с то я т и з п е с ч а н ы х и и л и с т ы х ч а сти ц, в зм у ч и в а е м ы х те ч е н и е м во д ы и п р и в етр о во м в о л н е н и и со д н а р е ­ к и и вод оем а, см ы в а е м ы х с п о в е р х н о сти в о д о сб о р а, п р и н о си м ы х ветро м с о кр уж аю щ ей су ш и и из ко л л о и д н ы х ч асти ц р а зн ы х х и ­ м и ч е с к и х со ед и н ен и й.

У к а з а н н ы е п р и м е с и в о д ы о б у с л о в л и в а ю т и з м е н е н и е ее о п ­ ти ч е ск и х св о й ств. В ч а стн о сти, альбед о м у тн о й вод ы п о ср а в н е ­ н и ю с п р о з р а ч н о й у в е л и ч и в а е т с я в 2 - 3 р а з а (п. 3. 5 ), у в е л и ч и в а е т ­ ся п о гл о щ е н и е в и д и м ы х л у ч е й и к о э ф ф и ц и е н т и х п р е л о м л е н и я, у м е н ь ш а е тся п р о зр а ч н о сть во д ы, и зм е н я ю тся и н е к о то р ы е д р у ги е св о й ств а.

П р е л о м л е н и е в и д и м ы х л у ч е й в о д н о й с р е д о й. И з п. 3.5 н а м и зв е стн о, ч то ч а сть в и д и м ы х л у ч е й со л н е ч н о й р ад и ац и и о тр аж ает­ с я о т в о д н о й п о в е р х н о с т и в о к р у ж а ю щ у ю е е с р е д у (в о з д у х ), а д р у ­ га я ч а с т ь, п р е л о м л я я с ь, у х о д и т в в о д у. П о к а з а т е л ь п р е л о м л е н и я з а в и с и т о т п л о т н о с т и с р е д ы : с ее у в е л и ч е н и е м о н р а с т е т. С л е д о в а ­ те л ьн о, п о казател ь прелом ления вод ы, со д ер ж а щ ей р азл и чн ы е п р и м е си, н е ско л ь ко в ы ш е, ч е м ч и сто й. Е го зн ач ен и е д ля ч и сто й во д ы м о ж н о п р и н и м а ть р а в н ы м 1,3 4 н е за ви си м о о т те м п е р а ту р ы и д л и н ы в о л н ы и зл уч ен и я.


З а п и ш е м з а к о н п р е л о м л е н и я с в е т а п р и е го п е р е х о д е и з в о з ­ д у х а в во д у в виде s in z '/s in j = и 2/ Ч, (И -19 ) гд е г и у ~ с о о т в е т с т в е н н о у г л ы п а д е н и я и п р е л о м л е н и я л у ч а с в е т а ;

и, и и2 - п о к а з а т е л и п р е л о м л е н и я с о о т в е т с т в е н н о в о з д у х а и в о д ы.

С о гл асн о со вр е м е н н ы м п ред ставл ен и ям пг = ф 2, « i= c /v,;

(1 1.2 0 ) гд е с - с к о р о с т ь с в е т а в в а к у у м е (2,9 9 7 9 • 1 0 8 м /с );

V и v 2 - с к о, р о с т ь с в е т а с о о т в е т с т в е н н о в в о з д у х е и в в о д е.

с (п р и П р и н и м а я с к о р о с т ь с в е т а в в о з д у х е v, р а в н о й п ерехо­ де л у ч а св е та и з м ен ее п л о тн о й ср ед ы в более п л о тн у ю это в п о л н е д о п у с т и м о ), т. е. п о л а г а я, ч т о п о к а з а т е л ь п р е л о м л е н и я в о з д у х а р а ­ вен ед иниц е, п о л учаем :

sinz/siny = п 2. (11.21) П о гл о щ е н и е и р ассея н и е в и д и м ы х л у ч е й вод ой. Э ксп е р и ­ м е н т а л ь н о у с т а н о в л е н о, ч т о е с т е с т в е н н ы й (н е м о н о х р о м а т и ч е с к и й ) св ет р асп р о стр ан я ю щ и й ся в вод е, о сл аб л яется п о эксп о н е н ц и ал ь ­ н о м у з а к о н у Б у г е р а -Л а м б е р т а ( 3. 3 0 ), з а п и с а н н о м у в в и д е ( 11.22).’z.=.'0e x p ( - a z ), Ez —о б л у ч е н н о с т ь (о с в е щ е н н о с т ь ) н а г л у б и н е z о т п о в е р х н о ­ гд е Е0 - о б л у ч е н н о с т ь н е п о с р е д с т в е н н о п о д п о в е р х н о с т ь ю сти вод ы ;

в о д ы ;

a = х + ро - п о к а з а т е л ь в е р т и к а л ь н о г о о с л а б л е н и я о б л у ­ ч е н н о с т и (о с л а б л е н и е с в е т а ), п о л у ч е н н ы й к а к ср е д н е е в з в е ш е н н о е %~ и з п о казател е й о сл аб л ен и я д ля р а зл и ч н ы х д л и н во л н ;

п о каза­ те л ь п о гл о щ е н и я и зл у ч е н и я, за в и ся щ и й о т ко н ц е н тр а ц и и р а ст в о ­ р е н н о го в е щ е ств а и н а л и ч и я в зв е си ;

a - п о казател ь р а ссе я н и я и з­ р лучения;

ко эф ф и ц и ен т, зав и ся щ и й о т со став а вод ы и хар актер а о с в е щ е н и я ее п о в е р х н о с т и.

П о гл о щ ен и е в и д и м ы х л у ч е й - п р о ц е сс к р а й н е и зб и р а те л ь ­ н ы й. О но о сущ ествл яется к а к м о л екул ам и вод ы, та к и р аство р ен ­ ны м и в воде н е о р ган и ч е ски м и и о р га н и ч е ски м и в ещ е ств ам и, а та к ж е в зв е ся м и. И зв е ст н о, ч то н а и б о л ь ш е е п о гл о щ е н и е во д о й п р и хо д и тся н а и н ф р акр асн ую и ул ьтр аф и о л ето вую ч асти сп ектр а и з л у ч е н и я, а н а и м е н ь ш е е - н а в и д и м о е и з л у ч е н и е (с в е т о в у ю ч а с т ь с п е к т р а ). П р и ч е м наиболее си л ьн о в это й части п о гл о щ а ю тся д л и н н ы е л у ч и. С л е д о в ател ьн о, вод а я вл яе тся « н е п р о зр ач н о й » для и н ф р а кр а сн ы х и ул ьтр аф и о л е то в ы х и « п р о зр а чн о й » для св ето в ы х л у ч е й. П о с л е д н и е, п р о н и к а я в г л у б ь в о д ы, о б у с л о в л и в а ю т ее о с ­ вещ е н н о сть н а гл у б и н а х.

В к а ч е ств е п р и м е р а н а р и с. 11.1 п ри вед ен о р асп р ед ел ен и е сп ектр а л ь н о го со ста в а в и д и м ы х л у ч е й п о Н. Е р л о в у для Б ал ти й ­ ско го м оря.

Р а ств о р е н н ы е в вод е н е о р га н и ч ески е со л и п о гл о щ а ю т л у ч и ул ьтр аф и о л ето во й ч а сти сп е к тр а и п р а кти ч е ск и не в л и я ю т н а п о ­ гл о щ е н и е е го в и д и м о й о б л а с т и ;

р а с т в о р е н н о е о р г а н и ч е с к о е в е щ е ­ с т в о (ж е л т о е в е щ е с т в о ) с и л ь н о п о г л о щ а е т л у ч и к а к в у л ь т р а ф и о л е ­ то в о й, т а к и в в и д и м о й ч а ст и сп е к тр а и те м си л ьн е е, ч е м гу щ е о к ­ р аска вод ы.

У с та н о в л е н о, ч то п о ка за те л ь п о гл о щ е н и я р а ств о р е н н о го о р ­ га н и ч е ск о го вещ е ства а п п р о кси м и р уе тся ф о р м ул о й X = Х 0е "М Х " Ч (11.2 3) Хо ~ гд е п о к а з а т е л ь п о гл о щ е н и я п р и ф и к с и р о в а н н о й д л и н е в о л н ы Х0 ;

ц 0 - к о э ф ф и ц и е н т, з а в и с я щ и й о т к о н ц е н т р а ц и и р а с т в о р е н н о го % зави си т в ещ е ства. И з ( 1 1.2 3 ) сл е д ует, ч то о т ко н ц е н тр а ц и и р а с­ т в о р е н н о го в е щ е с т в а и о т д л и н ы в о л н ы. С р о с т о м к о н ц е н т р а ц и и в е щ е ств а п о казател ь п о гл о щ е н и я ув е л и ч и в а е тся, а с р о сто м д л и н ы в о л н ы - у м ен ьш а ется.

П о гл о щ е н и е св ета в зв е ш е н н ы м и ч а сти ц а м и за в и си т о т и х п р о и схо ж д е н и я и ко н ц е н тр а ц и и. Ч е м в ы ш е ко н ц ен тр а ц и я в зв еш ен н ы х ч а сти ц, те м си л ьн ее п о ­ гл о щ е н и е ул ьтр аф и о л е то в ы х и вид и м ы х лучей.

Р ассе ян и е в и д и м ы х л у ­ чей - м н о го к р а тн о п о вто­ р яю щ и й ся затухаю щ и й про­ ц есс. В к о н е ч н о м и то ге в ся э н е р ги я в и д и м ы х л у ч е й, в о ­ ш е д ш и х в в о д у (з а и с к л ю ч е ­ н и е м в о с х о д я щ е го в а т м о с ф е ­ р у и з л у ч е н и я ), п р е в р а щ а е т с я в те п л о ту. С увеличением Рис. 11.1. Спектральное распределе­ ко н ц е н тр ац и и ч а сти ц эф ф е кт ние облученности сверху для глубин м н о го к р а тн о го р ассеян и я О, 2, 5, 10 и 20 м Балтийского моря у си л и в ае тся.

при высоком положении солнца.

Р а ссе я н и е св е та в вод е сл а га е тся и з м о л е к у л я р н о го р а ссе я н и я ср ед ы и р а ссе я н и я в зв е ­ ш е н н ы м и ч асти ц ам и. М о л ек ул я р н о е р ассеян и е вы зы в ается о п ти ­ ч е с к о й н е о д н о р о д н о стью ср е д ы, ко то р а я о б у сл о в л е н а и зм е н е н и е м п л о тн о сти п р и те м п е р а ту р н о м р асш и р е н и и и л и сж а ти и, ко н ц е н ­ тр а ц и е й р а ств о р е н н о го в е щ е ств а и о р и е н тац и е й а н и зо тр о п н ы х м о ­ л е ку л вод ы. П р и м о л е кул я р н о м р а ссе я н и и си л ьн ее в се го р а ссе и в а ­ е т с я к о р о т к о в о л н о в а я с и н е -ф и о л е т о в а я ч а с т ь с п е к т р а и м е н ь ш е в с е ­ г о - к р а с н ы е л у ч и. К а к м о л е к у л я р н о е р а с с е я н и е 1, т а к и р а с с е я н и е св е та в зв е ш е н н ы м и ч а сти ц а м и п р о и сх о д и т со гл а сн о за к о н у Р елея:

ст = З 2 л 3 (п - 1)2/(з А, Л а), 4 (11.24 ) п- N гд е п о казател ь п рел о м л ен и я ср ед ы ;

ч и с л о ч а с т и ц в 1 с м 3;

А, - д л и н а в о л н ы с в е т а.

П р и р ассм о тр ен и и зако н а (1 1.2 4 ) устан авл и вае м, ч то о сн о в­ н о е в л и я н и е н а р а ссе я н и е св е т а в вод е о к а зы в а е т в зв есь. С л е д о в а ­ т е л ь н о, п о к а з а т е л ь р а с с е и в а н и я ст у б ы в а е т с г л у б и н о й.

Р а ссе ян и е о п и сы в а е тся зако н о м Р елея в то м сл у ч а е, ко гд а р азм ер ы р а ссе и в а ю щ и х св е т ч а сти ц м ен ьш е д л и н ы в о л н ы ви д и ­ м ы х лучей.

И з вы раж ения (11.2 4 ) сл ед ует, ч то д ля ч а сти ц р азм ер о м м еньш е длины волны п о казател ь р ассе я н и я и зл у ч е н и я о б р атн о п ро п о р ц и о н ал ен четве р то й степ ен и д л и н ы вол н ы. П р и н ал и чи и в вод е ч а сти ц б о л ь ш и х р азм ер о в л у ч св е та о тр аж ается о т и х п о ­ в е р х н о сти и п о гл о щ а е тся и м и. В д ан н о м сл у ч а е р а ссе я н и е н е за в и ­ си т о т д л и н ы во л н ы. С тр о го й тео р и и р ассеян и я света н а та к и х ч а с­ ти ц ах н е сущ ествуе т.

а В за кл ю ч е н и е о тм е ти м, ч то п о казател ь о сл аб л ен и я света, к о т о р ы й о п р ед е л я е тся су м м о й п о к а за те л е й п о гл о щ е н и я и р а сс е я ­ р су) ния (х +, за в и си т о т д л и н ы св ето в о й в о л н ы, р азм ер а и п р и р о ­ д ы п р и м е си, со д е р ж а щ е й ся в во д е, и ее р а сп р е д е л е н и я п о гл у б и н е.

Т а к а я м н о г о ф а к т о р н а я е го з а в и с и м о с т ь п р и в о д и т к т о м у, ч т о м о ­ ж е т н а б л ю д ать ся сл о ж н о е р асп р ед ел е н и е это го п о казате л я п о г л у ­ б и н е : р а в н о м е р н о е у б ы в а н и е с гл у б и н о й, у б ы в а н и е с п е р е ги б о м и л и в сп л е ск о м в ст о р о н у у в е л и ч е н и я н а гл у б и н е те м п е р а ту р н о го и п л о тн о стн о го ск а ч к а. П р и это м п о сл е д н ее св я за н о н е с н ео д н о р о д ­ н о сть ю п л о тн о сти в о д ы, а с в зв е ся м и и р а ств о р е н н ы м о р га н и ч е ­ с к и м в е щ е с т й о м в э т о м сл о е.

Прозрачность воды — э т о ее с в о й с т в о п р о п у с к а т ь в г л у б ь вод оем а в и д и м ы е л у ч и. Х а р а к те р и сти к о й п р о зр а ч н о сти явл яется глубина видимости коэффициент (о т н о с и т е л ь н а я п р о з р а ч н о с т ь ) и прозрачности.

1 Существует также флуктуационные теории рассеяния света чистой водой М.Ф. Смолуховского и Л.И. М андельштама, разработанные в начале XX века.

Г л у б и н а в и д и м о с т и - э т о г л у б и н а и с ч е з н о в е н и я б е л о го д и с ­ к а, п о л у ч и в ш е г о н а з в а н и е « Д и с к С е к к и », д и а м е т р о м 0,3 м, о п у ­ щ е н н о го в во д у. С п о м о щ ь ю д и ск а н е у д а е тся п о л у ч и т ь п о сл о й н у ю п р о зр а чн о сть, та к к а к о н а за в и си т н е то л ь ко о т о п ти ч е ск и х св о й ств во д ы, н о и о т п о казател я о сл аб л ен и я о б л у ч е н н о сти а. Н аб л ю д е ­ н и я за гл у б и н о й в и д и м о сти р е ко м ен д у е тся о су щ е ств л я ть с те н ево й сто р о н ы п л австр е д ств и в ш т и л е в у ю п о го д у, ч то б ы и ск л ю ч и ть вл и я н и е н а р е зу л ь та ты н аб л ю д ен и й о тр аж ен и я и схо д я щ е й и в о с­ хо д ящ ей о св е щ е н н о сти д и ск а и в о л н е н и я во д н о й п о в е р хн о сти.

К о э ф ф и ц и е н т п р о зр а ч н о сти о п р ед е л я е тся и з за к о н а Б у г е р а Iz, п р о ш е д ш е г о Л ам б ер та. О н р авен о тн о ш е н и ю п о то к а и зл у ч е н и я Az = сл о й во д ы то л щ и н о й 1 м, к п о т о к у и зл у ч е н и я / 0, в о ш е д ш е го в э то т сл о й :

P = IA I 0 =e~i.

zJ (11.25) пока­ Х а р а к те р и сти к о й п р о зр а ч н о сти во д ы явл яе тся та кж е затель ослабления:

г = -Ы {l0/I z). (1 1.2 6 ) z р О пред елени е ко эф ф и ц и ен та п р о зр а чн о сти и п о казател я о с­ л аб л е н и я е в ы п о л н я е тся с п о м о щ ью п р и б о р о в п р о зр а чн о м е р о в к а к в н атуре, та к и в л аб о р ато р н ы х у сл о в и я х н а п р о б ах вод ы. Э т и п р и ­ б о р ы н о ся т общ ее н азв ан и е ф о то м е тр о в.

Н ео бход и м о п о д чер кн уть, что в н и х и сп о л ьзуется п о то к н а ­ п р а вл е н н о го м о н о х р о м а ти ч е ско го и зл у ч е н и я. П о э то м у п о казател ь о сл аб л е н и я е н е о б хо д и м о о тл и ч а ть о т п о ка за те л я в е р ти ка л ь н о го о с л а б л е н и я а в ф о р м у л е ( 11.22), к о т о р ы й я в л я е т с я и н т е г р а л ь н о й в е л и ч и н о й, з а в и с я щ е й о т н е м о н о х р о м а т и ч е с к о г о (е с т е с т в е н н о г о ) и зл учен и я.

В р е зу л ь та те в ы п о л н е н н ы х и зм ер е н и й п р о зр а ч н о сти п о бе­ л о м у д и ск у у ста н о в л е н о, ч то н аи б о л ь ш ая п р о зр а чн о сть н аб л ю д а­ е т с я в о з. Б а й к а л, б о л е е 4 0 м. П р о з р а ч н о с т ь в о д ы К а с п и й с к о г о и А р а л ь с к о г о м о р е й, о зе р С е в а н и И с с ы к -К у л ь т а к ж е в ы с о к а я - б о ­ лее 20 м. В о зер ах Л ад о ж ско м и О н е ж ск о м о н а н а хо д и тся в пред е­ лах 7 - 8 м. Н аи м е н ьш а я п р о зр а чн о сть, и счи сл я е м а я са н ти м е тр а­ м и, х а р а к т е р н а д л я о зе р и р е к с в о д а м и, б о г а т ы м и б и о г е н н ы м и в е ­ щ е ств ам и и и м е ю щ и м и в ы со к у ю м у тн о сть. :

Цвет воды о п р е д е л я е т с я ц вето м т е х Л учей, ко то р ы е о н а р а с­ се и вае т. П р и э то м ж е л ател ь н о п р о во д и ть н аб л ю д ен и я п р и в ы со к о м с т о я н и и с о л н ц а и ш т и л е в ы х у с л о в и я х, т.е. у с л о в и я х, к о г д а и м е е т м есто м ал ы й у го л о тр аж ен и я св ета п о в е р хн о сть ю. Н а р е зул ьта тах н аб л ю д ен и й та кж е ска зы в а е тся я р к о сть о б ъ екта, ко то р ая за в и си т о т е го о с в е щ е н н о с т и. Н а п р и м е р, п р и л у н н о м о с в е щ е н и и в о д н о й п о в е р хн о сти и л и в вечер н ее врем я м ы опред еляем сер ы й ц вет, не я вл яю щ и й ся и сти н н ы м ц ве то м во д ы. А н а л о ги ч н у ю о ш и б к у д о п у с­ ти м и п р и чр езм ер н о в ы со к о й о св е щ ен н о сти во д н о й п о ве р хн о сти, п р и ко то р о й б у д у т и м е ть м е сто б л и ки н а п о в е р хн о сти вод ы. С л е ­ д овательно, су щ е ств уе т о п ти м а л ьн ы й и н тер вал я р ко сти водной п о в е р х н о сти д ля п р а в и л ь н о й о ц е н к и ц в е тн о сти во д ы гл а зо м, и н а ч е ц в е т о д н о го и т о ж е в о д о е м а б у д е т р а з н ы м в за в и с и м о сти о т в р е ­ м ен и су то к и м етео усл о ви й.

Ц в е т в о д с у ш и о ч е н ь м н о го о б р а з е н. Э т о с в и д е т е л ь с т в у е т о т о м, ч т о в п р и р о,д н ы х в о д а х с у ш и с о д е р ж а т с я р а з л и ч н ы е н е о р га н и ­ ч е с к и е и о р г а н и ч е с к и е в е щ е ств а, о б у с л о в л и в а ю щ и е р а сс е я н и е св е та.

П р и о т су тст в и и в вод е в зв е си р а ссе и в а ю тся в о сн о вн о м к о ­ р о тк и е л у ч и, п о э то м у та к а я во д а и м е е т с и н и й ц вет. С ув е л и ч е н и е м к о л и ч е с т в а в з в е с и и р а з м е р о в ее ч а с т и ц в о д а з е л е н е е т и п р и о б р е ­ т а е т ж е л т о в а т ы й о т т е н о к. В з в е с и г у м у с о в ы х в е щ е с т в (в о д ы б о л о т ) п р и б о л ь ш о й к о н ц е н т р а ц и и д а ю т ж е л т о -к о р и ч н е в ы й и к о р и ч н е в ы й ц вет. Е с л и к о н ц е н тр а ц и я в зв е се й в вод е о ч е н ь в ы со к а я, то вод а п р и о б р е та е т ц в е т э т и х в зв есе й. С л е д о в ател ь н о, п о ц в е ту во д ы м ож но о п р ед ел и ть п р и су тст в и е в н е й т е х и л и и н ы х п р и м есе й (в з в е с е й ), а т а к ж е п р о и с х о ж д е н и е с а м и х в о д. Т а к, н а п р и м е р, с и н и й ц в е т г о р н ы х о зе р у к а з ы в а е т н а о т с у т с т в и е в и х в о д а х р а з л и ч н ы х в з в е с е й, а ж е л т о -к о р и ч н е в ы й ц в е т в о д т а е ж н о й з о н ы - н а н а л и ч и е гу м у с а. О д н ако н е о б хо д и м о о тл и ч а ть ц в е т во д ы вод оем о в о т ц ве та и х во д н о й п о в е р хн о сти. П о сл ед н и й ч а сто м о ж е т б ы ть о б усл о вл ен р а сс е я н н ы м св е то м н е б е сн о го сво д а, к о т о р ы й, о тр а ж а я сь о т во д ­ н о й п о в е р х н о с ти, п о п а д а е т в гл а з н аб л ю д ате л я.

Д л я о б ъ ек ти вн о го опр ед елен и я ц вета во д ы Ф о р ел ем и У л е р азр аб о тан а сп ец и ал ьн ая ш к а л а ц ве тн о сти, со сто ящ ая и з н аб о р а п р о б и р о к с р а зл и ч н ы м и р аство р ам и м и н е р а л ь н ы х со л ей, и м и ти ­ р у ю щ и м и о к р а с к у во д. П у т е м с р а в н е н и я п р о б в о д ы с э т о й ш к а л о й у с т а н а в л и в а е т с я ее ц в е т.

11.4. Оптические методы исследования П р и эксп ер и м е н тал ьн о м и зу че н и и ж и д ки х п о то ко в в н и х вв о д я тся п р е о б р а зо в а те л и и зм е р и те л ь н ы х п р и б о р о в. Э т и п р е о б р а ­ зо в ате л и во м н о ги х с л у ч а я х су щ е ств е н н о в л и я ю т н а са м п о то к и, с л е д о в а т е л ь н о, и с к а ж а ю т е го х а р а к т е р и с т и к и. О с о б ы е з а т р у д н е н и я в о зн и к а ю т п р и и ссл е д о ва н и и п о то ко в н а м о д е л ях. Е щ е сл о ж н ее о б сто и т дело п р и и ссл ед о ва н и и н е у ста н о в и в ш и х ся п о то ко в, та к к а к тр е б у е тся у ста н а в л и в а ть б о л ь ш о е ч и с л о п р е о б р а зо в а те л е й и в е ст и н е п р е р ы в н у ю за п и сь п о к а за н и й, ч то св я за н о с п р и м е н е н и е м гр о м о з д к о й и д о р о г о с т о я щ е й а п п а р а т у р ы. П о э т о м у э к с п е р и м е н т а ­ то р ы в се х стр а н и щ у т н о вы е п р о сты е и д еш евы е м ето д ы и ссл ед о ­ ван и я ж и д к и х п о то ко в. О чеви д н о, в ид еале н е о б хо д и м та к о й м е ­ то д, с п о м о щ ь ю к о т о р о г о п о я в и л а с ь б ы в о з м о ж н о с т ь, н е н а р у ш а я с т р у к т у р ы ж и д ко го п о то ка, п о л у ч и ть в се н е о б хо д и м ы е д ан н ы е к а к п р и уста н о в и в ш е м ся, та к и п р и н е устан о ви вш ем ся д ви ж ен и и п о ­ т о к а. С э т о й т о ч к и з р е н и я о п т и ч е с к и й м е т о д и с с л е д о в а н и я (О М И ), и зл а га е м ы й н и ж е, я в л я е тся н аи б о л е е п р и е м л е м ы м. О н и м е е т сл е ­ д ую щ и е д о сто и н ства:

1) не н а р у ш ае т ст р у к т у р у п о то ка, п о ск о л ь к у са м и ч асти ц ы ж и д к о сти я в л я ю тся п р е о б р а зо вател я м и ;

2) п о зво л я е т к о л и ч е ств е н н о и к а че ств е н н о о п и са ть л ам и н ар ­ н о е д в и ж е н и е и п о к а т о л ь к о к а ч е с т в е н н о -т у р б у л е н т н о е ;

3 ) н а гл я д е н, т. е. п о з в о л я е т в и з у а л ь н о н а б л ю д а ть с т р у к т у р у п о ­ то ка;

4 ) д о ступ е н - у ста н о в к а д ля п р о и зво д ства о п ы то в о тн о си ­ те л ь н о п р о с та и н ад е ж н а в р аб о те.

С у щ н о сть м етод а О М И за кл ю ч ае тся в то м, ч то н е ко то р ы е п р о зр а чн ы е ж и д ки е и зо тр о п н ы е те л а в н ап р я ж е н н о м со сто я н и и п р и н и м а ю т в р е м е н н ы е с в о й с т в а о п т и ч е с к о й а н и з о т р о п и и, т. е. д а ­ ю т э ф ф е к т д в о й н о го л у ч е п р е л о м л е н и я.

Оптически анизотропными н а зы в а ю тся та к и е те л а, о п ти ч е ­ ски е с в о й ств а к о т о р ы х за в и ся т о т н а п р а в л е н и я св е та, п р о хо д я щ е го чер ез н и х. К та к и м те л ам о тн о ся тся кр и ста л л и сл а н д ск о го ш п а та, ц е л л у л о и д, э п о к с и д н ы е с м о л ы, б а к е л и т, а г а р -а г а р, б е н т о н и т о в а я 2O 5 и гл и н а, ко л л о и д н ы й р аство р V др.

Т ел а, д аю щ ие д войное л учеп р ело м лен и е, н азы ваю т такж е оптически активными.

Поляризованный свет и двойное лучепреломление. Со­ г л а с н о в о л н о в о й т е о р и и с в е т а, о б ы ч н ы й б е л ы й с в е т (е с л и р а с с м о т ­ р еть п р о екц и ю л у ч а н а п л о ск о сть, п е р п е н д и ку л я р н ую н ап р авл е ­ н и ю е го р а с п р о с т р а н е н и я ) п р е д с т а в л я е т с о б о й с о в о к у п н о с т ь б е с ­ п о р яд о чн о о р и ен ти р о ва н н ы х в п р о стр а н ств е векто р о в эл ектр и че ­ ско й и м агн и тн о й н ап р я ж е н н о сти. П о л я р и зо ва н н ы й ж е св е т - св ет с п р е и м у щ е с т в е н н ы м н а п р а в л е н и е м к о л е б а н и й : д л я о п р е д е л е н н о го н а п р а в л е н и я в р а щ е н и я и л и о д н о го и з п о п е р е ч н ы х н а п р а в л е н и й.

С у щ е ств у ю т сл ед ую щ и е т и п ы п о л яр и зац и и : вер ти кал ьн ая, ц и р к у л я р н а я (к р у г о в а я ), э л л и п т и ч е с к а я, г о р и з о н т а л ь н а я.



Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 10 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.