какая наука изучает испарение воды

Гидрология

Гидроло́гия – наука, изучающая природные воды Земли и процессы, в них происходящие.

Термин «гидрология» образован от греч. Yδρoλoγια (др.-греч. ὕδωρ «вода» иλoγoς «слово», «учение»). Однако гидрология занимается исследованием не особенностей воды как таковой (физического вещества или химического соединения), а изучением распространения природных вод на Земле, их режима и происходящих в них процессов.

Термин «гидрология» впервые появился в 1694 г. в книге, содержащей «начала учения о водах», изданной Эбергардом Мельхиором Эбергард Мельхиор (? – после 1739), немецкий натуралист, живший на рубеже XVII-XVIII вв. Автор серии книг о термальных источниках Германии во Франкфурте-на-Майне. В действительно самостоятельную науку гидрология оформилась лишь в 1920–1930-х гг.

Гидрология как часть физической географии входит в комплекс наук о Земле.

Разделы гидрологии

Гидрологию подразделяют прежде всего на крупные разделы по предмету, направленности и методам исследований. Это – гидрология водных объектов, изучающая закономерности гидрологических процессов и явлений в водных объектах разных типов; гидрография, занимающаяся описанием конкретных водных объектов; прикладная гидрология, разрабатывающая методы расчёта и прогноза различных гидрологических характеристик, а также приёмы и методы практического использования гидрологических знаний в разных областях экономики; гидрометрия, разрабатывающая методы измерений и наблюдений при изучении природных вод; специальные разделы гидрологии, такие, как физика природных вод (или гидрофизика), динамика вод (например, динамика русловых потоков, динамика морских течений), химия природных вод (или гидрохимия).

По объектам исследования в гидрологии выделяют три большие части: гидрологию суши, или точнее гидрологию поверхностных вод суши (часто называемую просто гидрологией), изучающую водные объекты суши – реки, озёра, водохранилища, болота, ледники; гидрологию океанов и морей (синоним – физическая океанология), занимающуюся изучением морских гидрологических процессов; гидрологию подземных вод, изучающую воды, находящиеся в верхней части земной коры.

Гидрология суши, в свою очередь, по объектам исследования подразделяется на гидрологию рек (устаревшее название – потамология от греч. ποταμός «река»), гидрологию озёр (иногда называемую также лимнологией от греч. λίμνη «озеро» или озероведением), гидрологию болот и гидрологию ледников.

Болота как физико-географические объекты (геоморфологические, биологические, а также и гидрологические процессы в болотах) изучает также комплексная наука «болотоведение». Гидрология болот может считаться одновременно частями гидрологии суши и болотоведения. То же касается ледников. Как природные объекты их изучает раздел физической географии, называемый «гляциологией», включающий помимо гидрологических также геологические, геоморфологические, климатические и другие исследования. Поэтому гидрологию ледников можно считать одновременно и частью гидрологии суши, и частью гляциологии. Гидрологию подземных вод иногда отождествляют с самостоятельной наукой «гидрогеологией» – разделом геологии. Однако гидрогеология изучает не только закономерности распространения, залегания и движения подземных вод, но и их роль в геологических процессах, а также условия и возможности хозяйственного использования подземных вод (разведки и добычи). Гидрогеология кроме того решает разнообразные задачи по инженерно-геологическому обеспечению строительства, мелиорации, разработки месторождений полезных ископаемых и др. Поэтому гидрология подземных вод также может считаться как частью гидрологии суши, так и частью гидрогеологии.

В последнее время в качестве самостоятельных разделов гидрологии стали выделять гидрологию водохранилищ, использующую методы гидрологии рек и гидрологии озёр, а также гидрологию устьев рек, пограничную между гидрологией рек и океанологией.

Отдельные разделы, выделяемые в гидрологии по предмету направленности и методам исследований, так же, как и гидрология в целом, допускают подразделение по объектам изучения. Так, в рамках гидрографии можно выделить гидрографию рек, гидрографию озёр, гидрографию океанов и морей, или региональную океанологию и т. д. Прикладная гидрология также может быть подразделена на прикладную океанологию (например, промысловую) и инженерную гидрологию суши. Прикладную (инженерную) гидрологию суши, в свою очередь, иногда подразделяют на самостоятельные разделы применительно и к рекам, и к озёрам – гидрологические расчёты и гидрологические прогнозы. В прикладной гидрологии иногда отдельно выделяют, например, мелиоративную гидрологию, ирригационную гидрологию и др. Гидрометрия также может относиться и к морям, и к рекам, и к озёрам. В специальных разделах гидрологии могут быть выделены подразделы, относящиеся к водным объектам разных типов, например физика океана, химия океана; комплекс дисциплин, имеющих отношение к физике речного потока, – динамика русловых потоков, теория русловых процессов, а также гидрофизика рек, гидрофизика озёр; гидрохимия рек, гидрохимия озёр и т. д. Специальные разделы гидрологии входят одновременно разделами в физику и химию.

Научные и практические задачи гидрологии

Основные научные задачи гидрологии состоят в исследовании закономерностей процессов в водных объектах, выявлении их взаимосвязей с процессами, протекающими в атмосфере, литосфере и биосфере с учётом влияния хозяйственной деятельности. Особое значение при этом имеет установление закономерностей круговорота воды на земном шаре, географического распределения различных гидрологических характеристик в глобальном масштабе и рассмотрение гидрологических процессов как важнейшего фактора в формировании географической оболочки Земли.

Важной научной задачей гидрологии является также изучении режима и гидрологических процессов в отдельных речных бассейнах, океанах, морях, озёрах, водохранилищах.

Одной из наиболее актуальных и сложных задач гидрологии в последнее время стали исследование влияния современного потепления климата на изменения в гидросфере планеты (Мировом океане, ледниках, водах суши) и разработка их прогноза.

Помимо упомянутых научных задач перед гидрологией стоят и важные практические задачи, например, обеспечение гидрологическими данными различных отраслей экономики: промышленности и энергетики, сельского, водного, рыбного, коммунального хозяйства, водного транспорта и др., разработка научных основ рационального использования водных объектов и их охраны, а также мероприятий по предотвращению негативного воздействия вод на территории и социально-экономические объекты.

Связь гидрологии с другими науками

Гидрология, изучающая природные воды, относится к наукам географическими тесно связана с другими физико-географическими науками – метеорологией и климатологией, геоморфологией, гляциологией, картографией и т.д. Эта связь отражает объективно существующее единство природы, проявляющееся во взаимосвязи и взаимодействии всех компонентов природной среды.

Связана гидрология и с другими естественными науками – геологией, биологией, почвоведением, геохимией.

Гидрология не может продуктивно развиваться без опоры на фундаментальные науки – физику, химию, математику.

К гидрологии тесно также примыкают такие разделы физики, как гидрофизика, гидромеханика, гидродинамика, гидравлика, термодинамика. Гидрохимия как раздел гидрологии широко использует законы взаимодействия химических веществ и методы химического анализа их состава. Таким образом, гидрология связана с физикой и химией через специальные разделы гидрологии.

В последнее время проявляется тенденция к «экологизации» многих естественных наук. Но поскольку содержание и задачи экологии как междисциплинарного научного направления ещё до конца не сформулированы, не вполне определилось и место гидрологии в комплексе наук экологического цикла. В настоящее время активно разрабатываются основы геоэкологии – комплексной науки, призванной изучать взаимодействие геосфер (т. е. как живой, так и неживой природы) между собой и с человеческим обществом. В рамках геоэкологии начала развиваться гидроэкология (водная или аквальная экология), изучающая экологию водных объектов (рек, озёр, морей и др.). Эта комплексная наука должна изучать водные экосистемы – совокупность трёх взаимодействующих компонентов – водной среды, водных организмов и человеческого общества. Место гидрологии как науки в гидроэкологии вполне определённо – это изучение абиотических компонентов водной среды и их взаимодействия с водной биотой и деятельностью человека. Имеет право на существование и такая специфическая часть гидрологии как экологическая гидрология (или экогидрология). Под экологической гидрологией можно понимать те разделы гидрологии, которые имеют непосредственную экологическую направленность и ориентированы на изучение взаимодействия водных объектов и водной среды с водной биотой и человеческой деятельностью.

Методы гидрологии

Современная гидрология располагает большим арсеналом взаимодополняющих друг друга методов познания гидрологических процессов. Важнейшее место в гидрологии занимают методы полевых исследований (экспедиционные и стационарные). Исторически это был первый способ познания законов природы, но и в наши дни без использования или учёта результатов полевых работ не обходится ни одно гидрологическое исследование.

В последнее время стали широко применяться так называемые нетрадиционные дистанционные методы наблюдения и измерения с помощью локаторов, аэрокосмические съёмки и наблюдения, автономные регистрирующие системы (автоматические гидрологические посты на реках, буйковые станции в океанах).

Широко использует гидрология и методы экспериментальных исследований. Различают эксперименты в лаборатории и эксперименты в природе. В первом случае на специальных лабораторных установках проводят эксперименты в условиях, полностью контролируемых экспериментатором. Во втором – наблюдения проводятся на небольших участках природных объектов, специально выбранных для детальных исследований. Человек не в состоянии регулировать проявление природных процессов, но благодаря специальному выбору ряда внешних условий (например, характера почвы, растительности, крутизны склонов и т. д.), применению специального оборудования и особых методов (включая изотопные) и тщательным наблюдениям может создать условия для исследований, невозможные при обычных полевых работах.

Краткие сведения из истории развития гидрологии

Первые примитивные сведения о гидрологическом режиме водных объектов получили люди, поселившиеся на берегах рек, озёр, морей.

В развитие гидрологических знаний свой вклад внесли путешественники, географы, историки, философы Древней Греции и Древнего Рима такие как Гераклит, Геродот, Платон, Аристотель. Интересные гидрологические наблюдения проводил Леонардо да Винчи, выдающийся представитель эпохи Возрождения. Гидрологическими процессами и явлениями интересовались известные европейские физики и математики Декарт, Галлей, Бернулли и другие.

Начало гидрологических наблюдений в России относится к XV–XVI вв.: в записях русских летописцев сохранились сведения о наводнениях, паводках, замерзании и вскрытии рек. Много данных о реках и озёрах приведено в «Книге Большому Чертежу» – приложении к одной из первых карт России (1552). В 1773 г. эти сведения были переизданы Н.И. Новиковым под заглавием «Древняя Российская Идрография, содержащая описание Московского государства рек, протоков, озёр, кладезей и какие по ним города и урочища и на каком они расстоянии».

В XVII в. начались наблюдения за уровнем воды на р. Москве. При Петре I проводились первые гидрологические изыскания на Дону, Оке, Волге с целью использования этих рек для судоходства. В 1715 г. были организованы постоянные наблюдения за режимом р. Невы у Петропавловской крепости. В изучение рек заметный вклад внесли русские землепроходцы и географы XVIII в.

В XIX в. изыскания, связанные с улучшением судоходных условий на реках России, были расширены. Крупные гидрографические работы на реках провела созданная в 1875 г. при Министерстве путей сообщения навигационно-описная комиссия. В 1881 г. были впервые опубликованы данные наблюдений за уровнем воды на реках.

Ценные материалы по гидрографии дали экспедиции П.П. Семёнова-Тян-Шанского и Н.М. Пржевальского. В конце XIX в. в России были опубликованы крупные многих известных естествоиспытателей, заложившие основы учения о реках.

Широкое развитие гидрологических изысканий и исследований в нашей стране началось в 1920-х гг. Эти исследования были направлены на комплексное использование водных ресурсов страны (не только для судоходства, но и для гидроэнергетики и орошения). В 1919 г. был создан Российский гидрологический институт, который в 1926 г. преобразуется в ныне существующий Государственный гидрологический институт (ГГИ) в Санкт-Петербурге. В 1920 г. был принят план электрификации страны (план ГОЭЛРО), выполнение которого потребовало проведения широких гидрологических исследований.

В предвоенный период усилиями российских учёных были разработаны теоретические основы гидрологии суши. Таким образом, гидрология суши как самостоятельная наука оформилась в Советском Союзе в 1920–1930-е гг.

Во время Великой Отечественной войны гидрологи обеспечивали действующую армию гидрологической информацией о водном и ледовом режиме рек и озёр.

В послевоенные годы восстановление и дальнейшее развитие народного хозяйства страны потребовали существенного расширения гидрологических изысканий и исследований. Ведутся гидрологические работы для крупного гидроэнергетического строительства на Днепре и Волге, мелиоративных мероприятий на юге Европейской территории Союза и в Средней Азии, улучшения судоходных условий на Волге и сибирских реках.

После распада СССР руководство наблюдениями и исследованиями в области гидрологии в Российской Федерации было возложено на Федеральную службу по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). Росгидромету подчинены региональные управления гидрометеослужбы (УГМС), а им – местные центры по гидрометеорологии (ЦГМС) и разветвлённая сеть гидрометобсерваторий, гидрометстанций и гидрологических постов.

Практическое значение гидрологии

Независимо от того, идёт ли речь о разных водопользователях, эксплуатация водных ресурсов, оценка возможности и эффективности их использования невозможны без научного обоснования и соответствующих исследований. Поэтому в рациональном освоении водных ресурсов важная роль принадлежит гидрологии. Гидрологи обеспечивают водопользователей данными о количестве и качестве воды, о пространственно-временных изменениях гидрологических характеристик.

Промышленность и коммунальное хозяйство заинтересованы в оценке как количества, так и качества потребляемой воды, орошаемое земледелие – в данных о режиме водного объекта, из которого осуществляется водозабор.

Любое строительство на берегах рек (набережных, причалов и др.), а также сооружение мостов, переходов трубопроводов и линий высоковольтных электропередач (ЛЭП) через реки требует знания об уровнях воды, ледовых явлениях, скоростях течения, русловых процессах (размыве или намыве дна и берегов). Любое строительство на берегах озёр и морей или в прибрежной зоне, например, сооружение свайных платформ для добычи нефти на шельфе, невозможно без учёта данных о волнении, ледовых явлениях и других характеристиках режима. Предоставить такие данные проектировщикам и строителям могут только гидрологи.

Речной водный транспорт нуждается в сведениях об уровнях воды, скоростях течения, ледовых явлениях, русловых процессах. Заметим, что изучение режима многих рек России началось именно в связи с их использованием для судоходства. Морскому транспорту требуются данные о морских течениях и волнении. Океанологи нередко снабжают моряков сведениями о так называемых «рекомендуемых курсах», позволяющих пересечь океан наиболее быстро и безопасно.

Гидроэнергетика нуждается в данных о современных и ожидаемых колебаниях стока воды, рыбное хозяйство – в сведениях о физико-химических характеристиках воды (температуре, солёности, содержании растворённого кислорода и т. д.).

Гидрологические исследования необходимы не только для удовлетворения запросов водопользователей. Велика их роль и в решении такой проблемы, как защита населённых пунктов и земель от наводнений (причем не только на реках, но и в приморских районах). Особую актуальность приобретают исследования и прогнозы наводнений на реках, вызванных дождевыми паводками или ледяными заторами, а в устьях рек и в прибрежных морских районах – штормовыми нагонами и волнами цунами.

Велика роль гидрологов в разработке кратко-, средне- и долгосрочных прогнозов состояния водных объектов (рек, озёр, морей).

Важна роль гидрологии и в решении проблем охраны природы, при разработке мероприятий по защите водных объектов от истощения и загрязнения. Гидрологи ведут контроль за состоянием качества воды, разрабатывают приёмы прогноза распространения загрязняющих веществ, например, «нефтяных пятен» после аварий танкеров на реках и в морях.

Источник

Испарение

Испарение: что это за процесс

Процесс перехода из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. У этого процесса есть две разновидности: испарение и кипение.

Например, мы заварили себе горячий чай. Над чашкой мы точно увидим пар, так как вода только что поучаствовала в процессе кипения.

Подождите-ка, мы ведь только что сказали, что кипение и испарение — разные вещи. Это действительно так, при этом эти два процесса могут происходить параллельно.

Испарение может происходить и без кипения, просто тогда оно не будет для нас заметно. Например, вода в озере испаряется, хотя мы этого и не замечаем. Кипение по сути своей — это интенсивное испарение, которое вызвали внешними условиями — доведя вещество до температуры кипения.

Если нет каких-то внешних воздействий, испарение жидкостей происходит крайне медленно. Молекулы покидают жидкость из-за явления диффузии.

Интересно то, что направление тепловых потоков при испарении может идти в разной последовательности и комбинациях:

Подытожим, чтобы не запутаться: в чем главная разница между испарением и кипением:

Испарение на уровне молекул

Давайте вспомним об особенностях разных агрегатных состояний вещества.

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около своего положения в кристаллической решетке

близко друг к другу

малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается

занимают предоставленный объем

больше размеров молекул

хаотичное и непрерывное

Из этой таблицы видно, что молекулы в жидкостях находятся близко друг другу, но хаотично, то есть не имеют кристаллической решетки, как в твердых телах. Эти молекулы движутся (причем, чем выше температура, тем быстрее движутся) и в ходе движения сталкиваются. Столкновения меняют направление и скорость движения — из-за этого молекулы иногда быстро устремляются к поверхности жидкости и вылетают из нее. Это и есть испарение.

В предыдущем абзаце мы не случайно заметили, что молекулы движутся быстрее при увеличении температуры — ведь из-за этого испарение идет интенсивнее. В этом случае происходит охлаждение: нагретую жидкость уже покинули все самые быстрые молекулы и температура самой жидкости понижается.

Интенсивность испарения

Интенсивностью испарения называют количество воды, которое испаряется с поверхности площадью 1 см2 за одну секунду.

Интенсивность испарения зависит от следующих факторов:

Скорость испарения — количество жидкости, которая испаряется со свободной поверхности в единицу времени.

Интенсивность испарения — количество жидкости, которая испаряется с единицы площади поверхности в единицу времени.

По сути, это два очень близких друг к другу понятия, поэтому разница будет лишь в величинах и единицах измерения, а суть процесса отражают обе формулировки.

Насыщенный пар

Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Вода, испаряясь, превращается в водяной пар и поднимается вверх, где происходит конденсация пара, образуются облака, и вода возвращается на землю в виде осадков.

Вследствие конденсации водяного пара, который живет в воздухе, образуются облака и туман. По этой же причине холодное стекло запотевает, соприкасаясь с теплым воздухом.

На рисунке — процессы испарения и конденсации в плотно закрытом сосуде, когда жидкость и пар находятся в динамическом равновесии. Это значит, что одновременно конденсируется и испаряется одинаковое количество вещества.

Влажность воздуха говорит нам о том, сколько в воздухе содержится водяного пара. Но бесконечное количество пара в воздух не запихнешь. Поэтому, во-первых, его там очень мало, а во-вторых, при избыточном количестве водяного пара происходит конденсация — это когда образуется роса.

Но если мы тот же воздух поместим в помещение с температурой +20 градусов, то в него может испариться уже до 17 миллиграмм пара. Значит его влажность будет равна 1/17 = 6%. Человеку комфортнее всего находиться при значении влажности 40-50%.

Испарение в жизни

И действительно: чего в этой жизни только не испаряется — мы встречаемся с этим каждый день. Давайте узнаем, зачем этот процесс вообще нужен, и как люди научились извлекать из него пользу.

Испарение в организме человека и животных

Выше мы разбирали вопрос, почему если облиться теплой водой, нам все равно станет холодно. По этому же принципу работает ощущение холода после того, как мы вспотели — в какой-то момент нам становится холодно.

Само потоотделение — важный процесс терморегуляции организма. Если мы достигаем высокой температуры (из-за внешних воздействий или же из-за болезни), то организм стремится себя охладить, чтобы не умереть из-за превращения белков в нашем организме в яичницу.

Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется — все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализовать температуру.

При высокой влажности холод и тепло воспринимаются более чувствительно. Это связано с потливостью человека при высокой температуре. Такой механизм помогает нам бороться с жарой и «скинуть» избыточное тепло, но при высокой влажности пот не может испариться.

При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно. А при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.

У животных этот механизм работает схожим образом. Но, например, собакам испарения с кожи недостаточно, поэтому они часто открывают пасть, высовывают язык и дышат порой ну очень смешно 🐶

Именно гортань и язык собаки идеально подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.

Испарение у растений

Удивительно, но у растений механизм испарения тоже работает схожим образом. Растения очень любят воду, поэтому домашние растения мы поливаем, а в пустынях их просто нет.

Ту воду, которую цветы поглотили, они могут испарять, чтобы не перегреться под жарким солнцем. Да, вода нужна, чтобы растения питались, но в жаркие дни еще и для температурной саморегуляции. Поэтому не забывайте поливать цветы, а в очень жаркие дни делайте это еще интенсивнее.

Испарение в природе и окружающей среде

Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Именно круговоротом воды в природе обеспечивается жизнь на Земле — так как влага разносится по всему миру, растения в дикой природе способны жить без наших попыток полить большую пальму из леечки.

Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, поливают растения и деревья. Многие дождь не любят, мол, он мокрый, мерзкий и затекает в ботинки, но он очень нужен засушливым регионам — Северной Африке или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.

Испарение в промышленности и быту

С бытом совсем все просто: мы сушим вещи, готовим еду, покупаем увлажнители воздуха или размазываем разлитую лужу по полу.

В случае с промышленностью для нас все не так очевидно. Промышленная техника, работающая на основе испарения, разрабатывается по схожей схеме: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чтобы испарение шло интенсивно.

Например, испаритель, изображенный на схеме, состоит из совокупности соединенных между собой испарителей. В основе его действия — пар, полученный в одной ступени, который используют в качестве источника тепла для следующей ступени. По мере того, как температура уменьшается от одной ступени к другой, вакуум увеличивается, так что температура кипения становится ниже и испарение поддерживается. Он предназначен для того, чтобы очистить воду от отходов.

Источник