地球上水的物理性质【谷风课资】

1、第一章 地球上水的性质与分布 姜艳 城市与环境科学学院,1,一类课资,第一节 地球上水的物理性质,一、水分子的结构 二、水的三态及其转化 三、水的热学性质 四、水的温度 五、水的密度 六、透明度与水色,2,一类课资,一、水分子的结构,每个水分子（H2O）都是由一个氧原子和两个氢原子组成。水分子的键角为10431 ，形成等腰三角形。,3,一类课资,由于氧原子对电子的吸引力比氢原子大得多，所以电子就有在氧原子周围相对集中的趋势，形成较浓厚的电子云，掩盖了原子核的正电核。 在氧原子一端显示出较强的负电荷作用，形成负极；在氢原子周围，电子云相对稀薄，显示出原子核的正电核作用，形成正极，使水分子具有极性

2、结构。,水分子具有极性结构,4,一类课资,在自然界，水不完全是单水分子，而更多的情况下是水分子的聚合体。 水分子聚合体包括：单水分子(H2O)，双水分子(H2O)2、三水分子(H2O)3 。,5,一类课资,二、水的三态及其转化,1. 水的三态与水温： 1）固、液、气 2）三态的转化水温 在常温条件下，水的三相是可以实现转化的。 在一个标准大气压下，纯水0为冰点，100为沸点。0以下为固体，0-100为液体，100以上为气体。,6,一类课资,随着水温的变化，三态水分子的聚合体也在不 断地变化。,7,一类课资,2.固态水气体水分子能凝聚成液态和固态水，主要是氢键起着强烈的缔合作用。,8,一类课资,

3、3、液态水结构模型“闪动簇团”,9,一类课资,三、水的热学性质,（一）热学性质 1. 具有较大的热容量 2. 具有较大潜热 3. 传热性小 （二）意义：调节地球上热量的变率,10,一类课资,由于水的比热大、传热率小 在天然水体中，封冻时，冰体缓缓增厚；冬季水体下部的温度往往较气温为高。 水的这种特性对自然界的水下生命具有特别重要的意义。,我国北方，整个冬季冰厚仅能达11 .8米。只要水体有足够的深度，冰层下仍是液态的水。 如果冰上还覆盖有厚雪，则冰层厚度将更小。,11,一类课资,由于水的比热大、传热率很小 在平静的水体中，热能非常缓慢地透入深处，表层的水温略为升高。 同样，水体内部储蓄的热量在

4、外界温度较低时也只能缓慢地传导出来。 水体是一个良好的储热器，它对周围环境是一个良好的气候调节器，使冬季不致过冷，夏季不致过热。,12,一类课资,四、水温,水温是一个很重要的物理特性，它影响到水中生物、水体自净和人类对水的利用。,（一）海水温度 （二）河水温度 （三）湖泊、水库温度 （四）地下水温度,13,一类课资,（一）海水温度,1、海水热量的收支 从整个海水的年平均温度来看，几乎没有变化； 一年中不同季节、不同海区的热量收支并不平衡，从而引起了海水中温度的分布与变化的不同。,14,一类课资,海水热量收入：,1来自太阳和天空的短波辐射 2来自大气的长波辐射 3地壳内热通过海底传给海水的热量

5、4海面水汽凝结时放出的热量 5洋流带来的热量 6海水垂直交换中所得的热量 7化学的、生物的和放射性物质放出的热量 8海水运动产生的热量 以1、2最为重要。 5只对局部海区有较大影响，其它方式所提供热量较少。,15,一类课资,海水热量支出：,1海面辐射放出的热量 2海水蒸发时所消耗的热量 3洋流带走的热量 4海水垂直交换中耗掉的热量 以1、2更为重要，在局部海区3对水温变化也有较大影响，由于海水的垂直紊动混合，可把热量传到深处。,16,一类课资,2、海水温度的分布,（1）海水温度的水平分布 表面平均温度：太平洋印度洋大西洋； 北半球高于南半球； 南北纬0-30度之间印度洋水温最高； 南北纬50-

6、60度之间大西洋水温相差悬殊。,17,一类课资,形成上述特点的原因：,由于热赤道北移，南半球的热带水一部分流入北半球，北半球暖流势力强大，一直影响到高纬，受大陆和海底地貌影响，北冰洋的冷水不能大量南流； 南半球三大洋相连，并与南极大陆相接，因此冷却效果特别明显； 印度洋热带海区三面受亚、非、澳大利亚大陆包围，并受暖流影响，所以水温最高。,18,一类课资,主要原因：太阳辐射、洋流性质、地形地貌。,世界大洋表面水温分布的总趋势是： 第一，水温从低纬向高纬递减； 第二，南北回归线之间的热带海区水温最高； 第三，寒暖流交汇处水温变化较大； 第四，夏季大洋表面水温高于冬季。,19,一类课资,大洋水温的垂

7、直分布，从海面向海底呈不均匀递减的趋势。,（2）水温的垂直分布,20,一类课资,在南北纬40之间，海水垂直结构可分两层，即： 表层暖水对流层 （一般深度达600-1000米） 深层冷水平流层 （庞大水体）,热带和亚热带海域的上层水体，为大洋的暖水区，这里水温普遍在10以上，面积占世界海洋的一半以上，而体积只占1/16。,21,一类课资,表层扰动层表层暖水对流层的最上一层（约0-100米）受气候影响明显，紊动混合强烈，对流旺盛，水温垂直分布均匀，垂直梯度极小。 表层扰动层下部与冷水层之间形成一个温跃层，水温垂直梯度递减率达最大值。,22,一类课资,（3）海水温度的变化,日变化： 影响因素有：太阳

8、辐射、季节变化、天气状况(风、云)、潮汐和地理位置等。 总体变化幅度很小； 随纬度的增加而减小； 靠近大陆浅海区最大。,23,一类课资,年变化,影响水温年变的因素有：太阳辐射、洋流性质、季风和海陆位置。 从赤道和热带海区向中纬海区增大，再向高纬减小； 相同热量带，大洋西侧较东侧变幅大，近海岸更大； 北半球大于南半球。,24,一类课资,(4) 海冰,25,一类课资,海冰是高纬海区所特有的水文现象。 海冰有两种：一为岸冰，一为浮冰。 岸冰较为固定的海冰，海岸越曲折，岛屿和浅滩越多，岸冰越宽广。 浮冰一种是由海水冻结而成的，一种是来自大陆的冰。,26,一类课资,含有盐分的海水，其冰点和最大密度温度都

9、随盐度的增加而降低，但降低的数值不同。,通常大洋表面盐度均大于24.69510 -3，因此冰点更低； 当海面水温达到冰点时，海水析出盐分，表层海水盐度 增加，密度增大，下沉，形成对流，结冰困难； 温度降到冰点以下，海水过冷，在有结晶核的条件下， 海水才会开始结冰。,27,一类课资,（二）河水温度,河水热状况的综合标志是河水温度。 水温在0度以上的河流：,28,一类课资,出现冰情的河流: 松花江春季流凌（上）清沟（下） 嫩江秋季圆盘形流凌（上）冰坝（下）,29,一类课资,1、河流的水温,1）水温的日变化 与气温的日变化相应，主要受太阳辐射影响； 由于水的比热较大，对热量变化和反应比较迟缓，变化速

10、度稍落后于气温，变幅也较气温小。 早晚较低，午后升高，日变幅常在l3左右，比气温的日变幅小。 此外，河流水量愈大，日变幅愈小。冰川补给的河流其上游日变幅大，下游小。,30,一类课资,2）水温的季节变化，有明显的周期规律： 如冬季各月水温最低，我国北方河流冬季水温经常在0.10.5左右，并且日与日之间变化不大； 自冬至春，由于太阳辐射热量的增加，水温逐渐上升，至夏季水温达最高值； 夏末秋初以后水温逐渐下降。 3）水温的年内变化落后于气温的变化。 通常在春季夏季水温低于气温，秋季冬季水温高于气温。,31,一类课资,我国河流水温的年变幅一般都大，这也是我国气候大陆性较强，各地气温变幅一般较大的反映。

11、,华北地区年水温变幅最大，如子牙河献县站1月和7月的月平均温度差可超过27； 东南沿海水温变幅较小，仍在1516左右； 年变幅最小的是云贵高原，有些河段1月、7月的月平均水温变幅甚至不到2。,32,一类课资,2、河流的冰情,我国北方河流每年都有时间长短不等的封冻期，长的可达1-5个月。 入冬以后，气温下降至0以下，河水开始结冰，到第二年春季随气温升高，河水开始解冻至冰凌全部消失的整个过程大致可分为三个时期： 结冰期、封冻期、解冻期,33,一类课资,封冻期,34,一类课资,如果河流由南向北流过较长的距离，在河流解冻时，由于上游融冰早于下游，当上游冰块向下游移动时，受河湾或冰层阻挡时，以致大小冰块

12、堆积起来，横跨断面堵塞河道形成冰坝，使上游水位抬高，此种现象称为凌汛。 在黄河的宁夏河套段和山东境内，每年春季常发生这种情况。严重的凌汛会使大堤决口，河水漫溢造成河流两岸重大损失。,凌汛,35,一类课资,1986年4月初，黄河上、下游地区温差大，随着季节转暖，上游漂下冰块堵塞包头附近河道，有的地段形成了宽约3千米，长约6千米的冰坝，迫使河水漫流两岸。后来出动16架次飞机，空投炸弹20多吨，才解除凌灾。,36,一类课资,黄河凌汛,37,一类课资,（三）湖泊、水库水温,1、影响湖温变化的因素： 太阳辐射是湖水热量的主要源泉。 射入湖中的太阳能，一部分被吸收，一部分被散射。 由此可见，大部分太阳辐射

13、能用于提高表层水温，而湖泊深处的热量交换，主要是靠涡动、对流混合将热量传给下层。,据观测，湖水表层1米深吸收了80左右的辐射能，且大部分能量被靠近水面20厘米的水层所吸收，只有1的能量达到10米深处。,38,一类课资,一般水深大于10米的湖泊，常不受上层水温的影响而保持一定低温(48)； 水深小于10米的浅湖，全湖水温都能受到太阳热能的影响而使水温发生变化。 此外，湖盆形态、湖面大小、湖岸曲折程度与岛屿多少、冰雪盖层、风力大小、蒸发强弱等因素也能影响湖温的变化。,39,一类课资,2、湖中水温的分布,当湖水温度随水深的增加而降低时，即水温梯度成负值时，将出现上层水温高，下层水温低，但不低于4，这

14、种水温的垂直分布，称为正温层； 当湖温随水深的增加而升高时，上层水温低，下层水温高，但不高于4。这种水温的垂直分布，称为逆温层； 当湖温上下层一致，上下层水温完全相同（同温层，4）。,40,一类课资,3、湖泊水温的变化,水温的日变 以表层最明显，随温度的增加日变幅逐渐减小 最高水温一般出现在每天的14-18时，最低水温出现在5-8时； 水温日变幅在阴天和晴天之间的差别也较大。,41,一类课资,2)湖面水温的年变 除结冰期外，水温变化与当地气温年变相似，但最高、最低水温出现的时间要迟半个月到一个月左右。 水温月平均最高值多出现在7、8月，月平均最低值多出现在1、2月。,42,一类课资,（四）地下

15、水的水温,地下水的温度： 埋藏深度 地质条件,43,一类课资,根据地热的分布规律，大致可以划分为三个地带： 1、变温带：指地壳表层受太阳辐射影响所能达到的深度范围，各地厚度不等，一般为1520米。 在变温带中，地下水的温度具有日变和年变的特点。 2、常温带：太阳辐射热影响极微弱，地温变幅已趋于零，故称为常温带。 在年常温层中，地下水温度变化很少，一般不超过0.1。,44,一类课资,3、增温带： 在常温带以下数十公里范围内，主要由地球内热控制，随深度增加出现有规律的增温现象： 通常以地热增温率（/100米）表示，其倒数为地热增温级（米/）；地热增温级是指在常温层以下，温度每升高l所需增加的深度。

16、 各地增温并不相同，对整个地壳而言，大致平均为33米/。,45,一类课资,地下水的温度差分类：,新火山地区，地下水温可达100以上； 寒带、极地及高山、高原地区，地下水的温度很低， 有的可低至-5 .,46,一类课资,五、水的密度,（一）纯水的密度 无杂质的纯水，在4（3.98）时密度最大，为1克/立方厘米，在0时密度为0.9999克/立方厘米； 水自液体状态变为固体状态，其密度要发生突变，大约要变小10%，即体积将增加；0时冰的密度为0.9167克/立方厘米。 因此，在天然河流或湖泊中，冬季冻结的冰，因密度比水小而浮于水面。,47,一类课资,同其他物质一样，受热时体积增大，密度减小（0-4范

17、围内，不服从热胀冷缩的规律）。,48,一类课资,（二）海水密度,海水密度是指单位体积内所含海水的质量，单位为g/cm3。 习惯上使用的密度是指海水比重，即指在一个大气压力条件下，海水的密度与水温在4时蒸馏水密度之比，因此在数值上密度和比重是相等的。 海水的密度状况，是决定洋流运动的最重要因子之一，影响水团的运动、水层的稳定程度。,49,一类课资,海水的密度，是实用盐度（s）、水温（t）和压力（p）的函数。因此，海水密度可用s,t,p来表示。 海水的密度一般都大干1，如：1.01600，1.03222； 表示方法： 为了由密度的空间变化计算海流速度，要求海水密度精确到小数5位，为书写简便，常用s

18、,t,p来表示，即海水密度减1再乘以1000： s,t,p= （s,t,p1）1000 因此，如s,t,p 为1.02545时，s,t,p即为25.45。,50,一类课资,世界大洋表面密度的地理分布规律为：从热赤道向高纬递增，在南半球三大洋中密度分布呈地带性； 赤道地区由于温度很高，盐度较低，因而表面海水的密度很小，约1.02300； 亚热带海区盐度虽然很高，但温度也很高，所以密度仍然不大，一般在1.02400左右； 极地海区由于温度很低，所以密度最大； 在三大洋的南极海区，密度均很大，可达1.02700以上。,51,一类课资,海水密度的垂直分布规律一般是： 从表层向深处增加； 南北纬20之间

19、在100米以内密度最小，并且在50米以内垂直梯度极小，几乎没有变化； 50150米深度上密度垂直梯度最大，出现密度的突变层（跃层），它对声波有折射作用，潜艇在其下面航行或停留在其上均不易发现，故有“液体海底”之称； 约从1500米开始，密度垂直梯度很小，在深层，密度几乎不随深度而变化。,52,一类课资,六、透明度与水色,（一）湖水的透明度与水色 1、湖水的透明度： 定义：是指湖水能使光线透过的程度。 测定方法：通常用透明度盘测定透明度。,透明度盘是一个白色圆盘（直径为30厘米），把 圆盘缓缓沉入水中，直到肉眼看不见为止（从水 面上方垂直向下看），这时圆盘在水中的深度就 是透明度，单位：米。,5

20、3,一类课资,十分浑浊湖泊的透明度不足0.1米，而十分清澈的湖泊透明度可达40米以上，一般湖泊在0.210米内。,据实测资料，世界上湖泊最大透明度记录为41.6米，出现在日本的麾周湖。贝加尔湖为40.5米。,54,一类课资,西藏玛法木错实测透明度为14米，是已调查湖泊中最大记录。,青海湖可达10米,55,一类课资,我国东部地区的淡水湖群，由于湖底平浅，入湖来水、含沙量大，浮游生物繁茂，所以透明度均在23米以下，低的只有几十厘米，江苏洪泽湖为1040厘米。,56,一类课资,太湖为1520厘米,57,一类课资,2、湖水的水色,水色指垂直方向上位于透明度一半深处，白色圆盘上所显现的湖水颜色。 水色取决于水对光线的选择吸收和选择散射的情况。,58,一类课资,由于光线散射强度与光波波长的四次方成反比，即波长愈短，光愈容易被散射。可见光中以蓝色波长较短，因此深度较大、清澈的湖水，常呈浅蓝色。 由于光线被湖水吸