Свойства жидкости: атмосфера и вода
Вещество может находиться в любом из трех состояний: твердом, жидком и газообразном. Состояние, в котором находится вещество, зависит от существующих физических условий. Так, вода обычно встречается на земной поверхности в виде жидкости, но в холодных районах она представлена в виде льда; в атмосфере вода находится в виде водяного пара (то есть вода в газообразной форме) или же в виде взвешенных капель или кристаллов льда. Жидкости и газы имеют общее свойство непрерывно деформироваться (или легко изменять свою форму) под воздействием сдвиговых деформаций. Это происходит потому, что молекулы, из которых они состоят, легко смещаются одна относительно другой и обладают способностью свободно течь; отсюда возникло их название - жидкие, или текучие, среды.
Сжимаемость
Когда жидкость или газ сжимают (например, с помощью поршня в закрытом сосуде), расстояние между молекулами, а также объем жидкости или газа уменьшаются, а плотность увеличивается. Сжимаемую жидкую среду легко отличить от практически несжимаемой по тому, насколько изменяется объем при одинаковом изменении давления. В целом газы, которые имеют низкую плотность, легко сжимаемы, в то время как жидкости, обладающие относительно более высокой плотностью, практически несжимаемы. Если газ поместить в пустой закрытый сосуд, он заполнит его весь равномерно в противоположность жидкости, которая в аналогичных условиях будет иметь свободную горизонтальную поверхность. Эти характеристики указывают на совершенно разную природу верхних границ океана и атмосферы - поверхность океана определяется ясно и отчетливо, а граница атмосферы носит диффузный характер, и определить ее точно невозможно.
Состав атмосферы
В какой-то мере состав атмосферы зависит от высоты. Более легкие молекулы поднимаются вверх, поэтому на высотах между 100 и 1000 км над поверхностью Земли атмосфера состоит преимущественно из атомарного кислорода; между 1000 и 2400 км располагается слой гелия, а выше 2400 км преобладает водород. Другие изменения состава верхних частей атмосферы с высотой обусловлены солнечной радиацией. Однако три четверти массы атмосферы сконцентрированы в пределах нижних 10 км, и в этой части атмосферы не наблюдается колебаний в процентном составе ее основных компонентов, а именно азота (78%), кислорода (21%) и аргона (1%). (Здесь приведены объемные концентрации составных частей атмосферы.) Кроме водяного пара, к которому мы вернемся позднее, существует еще один газ, имеющий очень большое значение. Это двуокись углерода, которая практически равномерно распределена в нижних слоях атмосферы, но ее концентрация в настоящее время составляет всего лишь 0,03%. Мы рассмотрим ее значение для океана в главе 4, а для теплового баланса Земли.
Сгорание топлива, а также другие индустриальные процессы приводят к местным увеличениям концентрации газов, загрязняющих атмосферу, таких, как двуокись серы, аммиак, двуокись углерода и различные взвешенные частицы. Последние могут также образовываться в результате пылевых бурь, извержений вулканов или же рассеяния солей над поверхностью океана. Вода в атмосфере, разумеется, существует как в жидком, так и в твердом состоянии: в виде взвешенных капель и частиц льда, из которых состоят облака и туман.
Адиабатические изменения
Способность жидкости сжиматься приводит к адиабатическим изменениям, то есть к таким изменениям, которые происходят без обмена теплом с окружающей средой. В соответствии с первым законом термодинамики изменение внутренней энергии, происходящее при адиабатических условиях, равно внешней работе, которую производит жидкая среда при ее расширении или которая была затрачена на ее сжатие. Когда воздух поднимается вверх, он расширяется, теряет внутреннюю энергию и его температура понижается. Понижение температуры происходит с постоянной скоростью, равной 9,8°С/км. Этот градиент температуры характерен для воздуха, не насыщенного водяным паром, поэтому он называется сухоадиабатическим градиентом температуры.
Адиабатические температурные изменения значительно меньше в жидкостях, которые практически несжимаемы, В морской воде адиабатический градиент температуры возрастает с увеличением как температуры, так и давления, но, в общем, в океане он остается ниже 0,2°С/км. Как в океане, так и в атмосфере температура, которой достигнет вода или воздух, если их адиабатически переместить с исходного уровня на уровень, где давление составляет 1000 мб (что соответствует давлению на уровне моря), называется потенциальной температурой жидкой среды. Потенциальная температура воздуха может быть на несколько десятков градусов выше, чем температура in situ, а потенциальная температура подповерхностных вод в океане всегда ниже, чем температура in situ, но не больше, чем на 1,5°С.
Вязкость
Еще одним свойством жидких сред, которое необходимо рассмотреть, является вязкость. Вязкость-это способность двух слоев жидкой среды сопротивляться скольжению относительно друг друга. Ее можно определить как тангенциальную силу, действующую на единицу площади и способную вызвать в жидкой среде единичный градиент скорости по нормали к потоку. Вязкость имеет размерность н * сек/м2. Жидкость с высокой вязкостью может быть названа «липкой», например глицерин. Такая среда не может течь свободно. Однако газы, имеющие значительно более низкую вязкость, обладают высокой текучестью. В табл. 1 приведены значения плотности и вязкости воздуха, воды и глицерина при атмосферном давлении и температуре
Таблица 1
| Плотность (кг/м3) | Вязкость (н * сек/м2) | |
| Воздух | 1,2 | 1,8 * 10-5 |
| Вода | 1,0 * 103 | 1,0 * 10-3 |
| Глицерин | 1,3 * 103 | 8,3 * 10-1 |
Вода
Вода, основная составная часть океана, является также очень важной составной частью атмосферы; было даже высказано предположение, что для метеорологических целей воздух можно рассматривать как разбавленный водяной пар. Концентрация водяных паров в атмосфере подвержена значительным изменениям; она имеет наибольшие значения около поверхности и в низких широтах. В пробе воздуха, взятого над тропической частью океана, может содержаться более 3% водяного пара. В жидкой форме вода является самой распространенной текучей средой на поверхности Земли. Большинство населяющих Землю организмов непосредственно зависят от воды, и ее свойства оказывают решающее влияние на окружающую нас среду. В современном мире потребление воды все время увеличивается, она используется и для домашних нужд, и в промышленности, и в сельском хозяйстве. Но, несмотря на ее огромное значение для жизни и широкое распространение, вода является веществом весьма необычным.
Точки замерзания и кипения веществ связаны с размером их молекул: они тем выше, чем больше молекулы. Поэтому, сравнивая воду с другими соединениями водорода, можно было бы предположить, что вода замерзает при температуре — 100°С и закипает при — 80°С. В этом случае вся вода при существующей в настоящее время на Земле температуре должна была бы находиться в газообразном состоянии. Когда вещество замерзает, его молекулы обычно сближаются, что приводит к увеличению плотности вещества, но плотность льда меньше, чем плотность воды (табл. 2), и поэтому, когда вода замерзает в трещинах горных пород, порода разрушается и раскалывается на части. Образование в высоких широтах льда на поверхности (а не на дне) озер или океана приводит к возникновению слоя низкой термической проводимости, защищающего воду от дальнейшей потери тепла. Когда жидкость нагревается, кинетическая энергия ее молекул увеличивается, и расстояние между ними увеличивается, в результате чего плотность жидкости уменьшается. Плотность пресной воды, однако, возрастает с повышением температуры от 0°С до 4°С, достигая при этой температуре максимальной плотности. В интервале от 4°С до точки кипения плотность воды, как и следовало ожидать, с увеличением температуры уменьшается. Можно предположить, что вязкость жидкости уменьшается с увеличением температуры и увеличивается при сжатии: чем меньше расстояние между молекулами, тем больше их сопротивление течению. Это правило соблюдается для большинства жидкостей. Вязкость воды также резко уменьшается с увеличением температуры, но при низких температурах она уменьшается с увеличением давления.
Табл. 2
| Температура, °С | Состояние | Плотность, кг/м3 |
| -2 | твердое | 917,2 |
| 0 | твердое | 917,0 |
| 0 | жидкое | 999,8 |
| 4 | жидкое | 1000,0 |
| 10 | жидкое | 999,7 |
| 25 | жидкое | 997,1 |
Чтобы найти объяснение этим аномальным свойствам воды, мы должны рассмотреть структуру ее молекулы. Атом водорода в молекуле воды имеет две общие электронные пары с атомом кислорода. Результатом этого является возникновение положительного электронного облака вблизи каждого атома водорода и отрицательного - вблизи атома кислорода. Четыре ковалентные связи атома кислорода имеют трехмерную тетраэдную форму с углами между ними 120°. В молекуле воды отрицательные заряды двух неподеленных электронных пар кислорода взаимно отталкиваются, что приводит к сближению тех ковалентних связей, в которых электронные пары поделены с атомом водорода. Поэтому валентный угол НОН уменьшается до 105°. Электроны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода, в результате чего атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды. Таким образом, там, где сосредоточены атомы водорода, молекула воды имеет небольшой избыток положительного заряда, а другая сторона несет слабый отрицательный заряд. При этом между молекулами возникают силы притяжения, и они объединяются в частично упорядоченные группы или структуры. Этот процесс называется полимеризацией. Связи между молекулами воды называются водородными связями.