Природные воды обладают сложным набором физических характеристик,
определяющих их взаимодействие с излучением. Чистая вода имеет
относительно низкий коэффициент поглощения в видимой области спектра,
что обеспечивает её прозрачность. Однако наличие растворённых веществ и
взвешенных частиц резко изменяет картину.
- Прозрачность воды зависит от концентрации
органических и неорганических включений. В морской воде прозрачность
определяется в основном фитопланктоном и коллоидными соединениями. В
пресных водоёмах сильное влияние оказывают гумусовые вещества.
- Рассеяние света в воде ведёт к изменению её
видимого цвета. Голубой оттенок океанов обусловлен слабым поглощением
коротковолновой части спектра и рассеянием. При увеличении количества
взвесей цвет изменяется на зелёный, бурый или серый.
- Явления биолюминесценции и флуоресценции также
относятся к оптическим свойствам, так как многие микроорганизмы и
растворённые органические соединения способны излучать свет.
Эти особенности определяют не только визуальное восприятие водоёмов,
но и глубину проникновения солнечной радиации, а значит, интенсивность
фотосинтеза и тепловой баланс водной среды.
Тепловые свойства
Вода отличается высоким значением удельной теплоёмкости (около 4200
Дж/кг·К), что делает её важнейшим регулятором климатических
процессов.
- Теплоёмкость позволяет воде накапливать
значительные количества тепла без существенного изменения температуры.
Это свойство сглаживает суточные и сезонные колебания температур в
водоёмах.
- Теплопроводность воды сравнительно низкая, поэтому
вертикальный перенос тепла осуществляется главным образом за счёт
конвективных процессов и перемешивания.
- Аномалия плотности при 4 °C имеет исключительное
экологическое значение: именно она обеспечивает выживание живых
организмов в водоёмах в зимний период, так как лёд формируется на
поверхности, изолируя жидкую фазу.
Тепловые свойства природных вод определяют характер стратификации,
образование термоклинов и процессы циркуляции.
Механические свойства
Механические характеристики воды связаны с её вязкостью, плотностью и
поверхностным натяжением.
- Плотность воды изменяется с температурой,
солёностью и давлением. Морская вода плотнее пресной, что влияет на
процессы стратификации и циркуляции в океанах.
- Вязкость определяет сопротивление движению и играет
ключевую роль в формировании течений, турбулентности и переноса
веществ.
- Поверхностное натяжение обеспечивает устойчивость
капель, образование менисков и существование поверхностной плёнки,
которая служит особой микросредой для микроорганизмов.
Эти свойства определяют динамику водных масс, гидродинамические
процессы и распространение волн на поверхности.
Акустические свойства
Звук в воде распространяется с гораздо большей скоростью (около 1500
м/с), чем в воздухе. Это делает акустические методы основным средством
исследования морской среды.
- Скорость звука зависит от температуры, солёности и
давления.
- Затухание звука происходит вследствие рассеяния и
поглощения, интенсивность которых определяется концентрацией взвешенных
частиц и растворённых газов.
- Эффект подводных каналов позволяет звуку
распространяться на большие расстояния без значительных потерь энергии,
что имеет значение для гидроакустических наблюдений.
Акустические свойства определяют возможности эхолокации, подводной
связи и мониторинга экологического состояния вод.
Электрические свойства
Природные воды в большинстве случаев являются электролитами.
- Электропроводность воды зависит от концентрации
растворённых ионов. Морская вода обладает высокой проводимостью из-за
солей, тогда как пресная вода значительно менее проводящая.
- Диэлектрическая проницаемость воды чрезвычайно
велика, что обуславливает её способность эффективно экранировать
электрические поля.
- Электрохимические процессы в водных системах лежат
в основе коррозии металлов, переноса зарядов и формирования
электрических двойных слоёв на границах фаз.
Эти особенности делают воду ключевой средой в геофизических и
биофизических процессах.
Газообмен и растворимость
газов
Растворимость газов в воде определяется температурой, давлением и
химическим составом.
- Кислород — один из важнейших газов, поддерживающий
дыхание водных организмов. Его концентрация определяется фотосинтезом и
интенсивностью перемешивания.
- Углекислый газ играет главную роль в формировании
кислотно-щелочного равновесия и участвует в карбонатном буфере.
- Азот и другие инертные газы растворяются пассивно и
влияют на биогеохимические процессы.
Газообмен между атмосферой и водоёмом осуществляется через
поверхность и зависит от турбулентности, волнения и температуры.
Аномальные свойства воды
Среди уникальных характеристик воды выделяются:
- высокая теплоёмкость и теплотворность при фазовых переходах;
- максимальная плотность при 4 °C;
- необычно высокое поверхностное натяжение;
- сильная полярность молекул и способность к образованию водородных
связей.
Эти аномалии обеспечивают стабильность водной среды и её
универсальность как основы биосферы.