Гідрофізика

ГІДРОФІ́ЗИКА (від гідро… і фізика) — роз­діл геофізики, що ви­вчає фізичні властивості води і процеси, які від­буваються у водній оболонці Землі (гідросфері); складова океанології (фізика моря) та гідрології суші (фізика вод суші). Г. досліджує процеси, спільні для всіх водних обʼєктів, які утворюють гідро­сферу: молекулярна будова води в рідкому, твердому і газоподібному станах; процеси пере­ходу одного агрегатного стану в ін.; фіз.-мех. властивості води і льоду (густина, пружність, вʼязкість, тепло­провід­ність, електро­провід­ність та ін.); оптичні й електр. властивості, а також процеси, що від­буваються у водо­ймищах (виникне­н­ня й роз­виток течій і хвиль, роз­по­всюдже­н­ня твердих і рідких речовин), термічні процеси (на­гріва­н­ня й охолоджува­н­ня водо­ймищ, випаровува­н­ня, утворе­н­ня льоду, сніготане­н­ня та ін.), оптичні явища (по­глина­н­ня і роз­сіюва­н­ня світла у воді і суспензіях); електр., радіац. й акустичні процеси. Фізика моря як наука засн. В. Шулейкіним. Результати дослідж. фіз. процесів у морях і океанах дають змогу аналізувати стан жит­тєдіяльності біо­сфери Землі, виконувати про­гнозува­н­ня погоди та контроль якості довкі­л­ля. В остан­ні десятиріч­чя роз­горнуто ви­вче­н­ня процесів гідротермодинаміч. взаємодії шару рідини з вільною поверх­нею. Екс­периментально виявлено, що побл. водної поверх­ні формується специф. прикордон­ний шар, товщина якого становить частки міліметра, а градієнти т-р досягають кількох градусів, причому, як правило, меншою є температура поверх­ні шарів рідини, що залягають нижче, — таке явище на­звано холодним скін-шаром. Ви­вче­н­ня виникне­н­ня і роз­витку прикордон. шару, утворе­н­ня у звʼязку з цим на вільній водній поверх­ні температур. аномалій має важливе значе­н­ня при моделюван­ні процесів масо­енергооб­міну між водо­ймищем і атмо­сферою та ви­значен­ні великомас­штабних змін клімату. Поточний гідрофіз. стан водного середовища ви­значають за т-рою, солоністю, густиною, швидкістю і напрямком течії, гідро­статич. тиском, показником послабле­н­ня світла у воді та швидкістю пошире­н­ня звуку. Т-ра води у Світ. океані з глибиною змінюється нерівномірно: приповерх­невий шар з до­статньо по­стійною т-рою (шар пере­мішува­н­ня) змінюється спочатку шаром різкого паді­н­ня температури, що потім пере­ходить до масивної товщі холодних глибин­них вод. Вимірювальна апаратура для ви­значе­н­ня температури води будується з викори­ста­н­ням сучас. досягнень у напів­провід­ник. електроніці і до­зволяє реєструвати температуру на за­даній глибині з похибкою порядку тисячних часток градуса, причому най­ефективніше контроль здійснюється ди­станційно за допомогою радіометрів і тепловізорів, роз­міщених на аерокосміч. носіях.

Ви­вче­н­ня і оцінка екол. стану водних обʼєктів спричинили роз­виток одного з роз­ділів Г. — гідрооптики. Серед пере­ваг дослідж. водних середовищ оптич. засобами — практична без­інерційність, можливість проведе­н­ня неконтакт. екс­прес-діагностики, значний обсяг і різноманітність одержуваної інформації. Спектрал. коефіцієнт пропуска­н­ня водного середовища змінюється залежно від довжини хвилі ви­промінюва­н­ня, причому видима частина спектра соняч. світла пропускається водою краще, ніж ультрафіолет. й інфрачервона. Встановле­н­ня звʼязку між спектрал. яскравістю ви­промінюва­н­ня, що виходить з моря, і оптич. характеристиками води від­криває можливості їх ди­станц. вимірюва­н­ня, а отже, отрима­н­ня інформації про роз­чинені і зважені у воді речовини. Вимірюва­н­ня показника послабле­н­ня світла у воді забезпечується в діапазоні 0,01–1 м^-1 з похибкою 0,012 м^-1. Оптичні засоби поруч із засобами радіодіапазону (див. Гідроакустика) є пер­спективними для дослідж. макро- і мезомас­штабних процесів в океані з косміч. апаратів, оскільки ди­станц. зондува­н­ня Землі дає змогу отримати параметри водних обʼєктів у широкому спектрал. діапазоні з необхідним просторовим роз­різнюва­н­ням і періодичністю поновле­н­ня інформації, ви­вчати динаміку водооб­міну, пере­носу завислих частинок і седиментації, виявляти антропоген­ні за­брудне­н­ня і про­гнозувати роз­виток екол. не­сприятливих процесів.

Фундам. і прикладні дослідж. в галузі Г. в Україні роз­почато від 1960-х рр. у Морському гідрофізичному ін­ституті НАНУ (МГІ; Севастополь). Зокрема ви­вчено заг. закономірності просторового роз­поділу осн. гідрофіз. характеристик у різноманітних акваторіях (А. Колесников, Г. Неуймін, Б. Нелєпо, В. Єремеєв, М. Булгаков, В. Іванов, С. Богуславський). Роз­роблено теор. схему поверхн. і глибин. кругообігу вод океану з урахува­н­ням конфігурації берегів і рельєфу дна (Н. Шапіро, В. Книш); теорію неу­сталених поверхн. і внутр. хвиль, викликаних різними збуре­н­нями, зокрема хвилями типу цунамі (Л. Черкесов); засіб оператив. роз­рахунку радіац. балансу по всій акваторії Світ. океану за даними метеорол. супутників Землі (М. Тимофеєв); теор. основи планува­н­ня й оптимізації мор. екс­периментів (І. Тимченко); ви­вчено енергет. баланс у системі океан–атмо­сфера, проведено дослідж. процесу зародже­н­ня й еволюції тропіч. ураганів, отримано принципово нові дані про механізм турбулент. тепломасопереносу в океані (А. Колесников, В. Єфимов, М. Пантелеєв). Дано оцінку впливу гідрофіз. характеристик на формува­н­ня зон під­вищеної біол. продуктивності (М. Булгаков, Н. Хлистов). Важливу роль у формуван­ні фіз. полів моря ві­ді­грають суспендовані частинки, до яких також належать живі організми. Для ви­значе­н­ня матем. спів­від­ношень, що описують частинки та використовуються в моделях екол. систем, роз­роблено кінетичну теорію систем, складених макро­скопіч. частинками, і за­стосовано для моделюва­н­ня планктону, систем із газовими бульбашками, суспендованих мінерал. частинок та ін. (В. Бєляєв). Роз­роблено теор. та екс­перим. засоби дослідж. ядерно-фіз. полів і засоби про­гнозу радіац. об­становки в різних частинах Світ. океану (В. Єремеєв, В. Маркелов, Г. Батраков). Досліджуються гідрофіз. процеси, що від­буваються в шельфовій зоні Чорного моря (В. Іванов). Роз­вивається новий наук. напрям — супутникова Г. (Г. Коротаєв). Роз­роблено концепцію мор. гео­інформ. системи (О. Суворов); методики вимірювань та спец. гідрофіз. апаратура для забезпече­н­ня натурних дослідж. різноманітних гідрофіз. полів (В. Гайський, В. Дикман). У від­діл. гідро­акустики МГІ ви­вчають гідро­акуст. процеси (М. Скіпа). Багато характеристик мор. середовища не ви­значаються самими лише фіз. процесами. Такі поля, як оптичне, акустичне, концентрації домішок суспендованих і роз­чинених речовин формуються внаслідок складної взаємодії фіз., хім. та біол. процесів у морі. Екол. про­блеми якості води та біо­продуктивності моря вимагають ви­вчати його як складну фіз.-хім.-біол. систему. Для виріше­н­ня такого роду зав­дань роз­роблено 2 методи моделюва­н­ня екосистем (В. Бєляєв): 1-й базується на агрегуван­ні та осереднен­ні компонент екосистеми з на­ступною ієрарх. декомпозицією, компоненти описуються диференц. рівня­н­нями балансу з урахува­н­ням фіз., хім. та біол. взаємодії, а також пере­носу течіями та турбулентністю; 2-й базується на зна­н­нях структури та звʼязків у складній екосистемі у ви­гляді графа з навантаженими ребрами і до­зволяє моделювати зміни структури складних екол. та екол.-екон. систем під дією природних і антропоген. факторів. Рекогносцирувальні дослідж., виконані 1-ю укр. мор. антарктичною екс­педицією 1997 в акваторії архіпелагу Арґентинські о-ви, до­зволили зорієнтуватися у природних особливостях між­острівних басейнів і дослідити гідрофіз. процеси, що від­буваються в Антарктичному секторі пд.-зх. Атлантики (П. Гожик, М. Булгаков та ін.).

У Гі­дромеханіки ін­ституті НАНУ (Київ) досліджують гідрофіз. процеси, властиві водному середовищу: гідродинамічні (Г. Логвинович, Ю. Савченко), гідро­акустичні (В. Грінченко), фільтраційні (О. Олейник), гідрооптичні (О. Федоровський, В. Філімонов), тепломасопереносу (І. Нікітін, Є. Никифорович), у примежових шарах (Л. Козлов, В. Бабенко, Г. Воропаєв); роз­вʼязують пита­н­ня гідродинаміки гідротех. споруд (М. Пивовар, С. Кріль) і гідрофіз. систем (М. Салтанов).

Гідрофіз. дослідж., повʼязані з викона­н­ням наук.-приклад. проектів і про­грам з викори­ста­н­ня ресурсів Азово-Чорномор. басейну та ін. р-нів Світ. океану, здійснюють науковці Геологічних наук ін­ституту НАНУ (П. Гожик, О. Митропольський), Геофізики ін­ституту НАНУ (В. Старостенко), Від­діл. мор. геології НАНУ (Є. Шнюков), Гід­ро­метеорологічного ін­ституту українського науково-дослідного (О. Войцехович) та ін. Крім того, укр. вчені зробили вагомий внесок у дослідж. гідрофіз. явищ у гідрогеології (В. Шестопалов, В. Лялько), аеро­гідродинаміці (В. Пилипенко, І. Повх), гео­екології (С. Довгий).

Предметом дослідж. Г. вод суші є ріки, озера, болота, а також під­земні води. Найбільший роз­виток отримали пита­н­ня турбулент. руху вод (зокрема транс­портува­н­ня ними наносів) і взаємодії потоку і русла. Ці процеси без­посередньо впливають на формува­н­ня якості води й біол. продуктивності водойм, ви­значають пере­несе­н­ня речовин до місць подальшої їх транс­формації та інтенсивність кругообігу в екосистемі, зумовлюють інтенсивність за­брудне­н­ня й само­очище­н­ня водойм, забезпечуючи функціонува­н­ня гідробіо­нтів. Умовно роз­різняють 2 класи гідрофіз. процесів вод суші: пере­несе­н­ня водних мас (різні види течій та циркуляцій), що забезпечує водооб­мін між окремими ділянками водойм, пере­розподіл в акваторії тепла, роз­чинених і зважених речовин, живих організмів, та їх пере­мішува­н­ня, що забезпечує масооб­мін між окремими шарами чи обʼємами води, вирівнюючи фіз.-хім. й біол. характеристики водних мас (напр., якісні й кількісні показники планктон. мікроорганізмів, водоростей, бактерій, без­хребетних). По­стійно діючим видом течії у річках і водо­сховищах (а також деяких озерах) є стокові течії, швидкості яких значно від­різняються в різних водних обʼєктах залежно від їх морфометрії, пори року та водності, роботи ГЕС, наявності атмо­сфер. опадів тощо. Напр., для водо­сховищ Дні­пра в багатоводні роки швидкість стокових течій коливається від 2,7 до 11,7 см/с, а в маловодні роки — від 1,0 до 4,7 см/с. На широких річкових плесах, в озерах та озероподіб. ділянках водо­сховищ у без­льодовий період дуже поширені вітрові течії, що захоплюють не лише поверх­неві, але й глибин­ні шари води. Швидкість таких течій у поверх­невих шарах складає 0,4–7,0 % швидкості вітру над водною поверх­нею. Для роз­рахунку особливостей циркуляції вод у водо­ймах залежно від гід­ро­метеорол. умов найчастіше за­стосовують матем. модель О. Фельзенбаума. Згідно з даними верифікації моделі для дні­пров. водо­сховищ, проведеної В. Тимченком, за­значена модель може бути за­стосована для оцінки режиму течії при стаціонарних гід­ро­метеорол. умовах. Роз­ходже­н­ня між емпіричними й роз­рахунк. величинами складає 10–20 %. Велике екол. значе­н­ня мають такі фіз. показники водних мас суші, як температура води та її оптичні властивості. Терміч. режим водних обʼєктів ви­значає інтенсивність жит­тєдіяльності гідробіо­нтів і процеси де­струкції орган. сполук; утворе­н­ня анаероб. зон і на­громадже­н­ня вільної вуглекислоти, сірководню, аміаку; при­скоре­н­ня циклу кругообігу фосфатів; форми знаходже­н­ня у воді заліза та ін. металів. Під­вище­н­ня температури водного середовища понад нормативні показники істотно погіршує екол. стан водних обʼєктів і якість води. Напр., водо­сховища Дні­пров. каскаду мають значну площу мілковод. ділянок (до 40 % їх заг. площі), де вода добре про­грівається сонцем і, роз­по­всюджуючись у поверхн. шарах, утворює стійкий термоклин, що гальмує водооб­мін між аерованим верх­нім шаром і глибин. горизонтами, які споживають кисень на окисле­н­ня орган. сполук. Таким чином, у зоні термального за­брудне­н­ня виникає гострий дефіцит кисню й повʼязані з цим екол. наслідки (літні дефіцити кисню зареєстровано на більшості великих водойм України). Друга про­блема, що виникає при термальному за­бруднен­ні, це втрати прісної води через випаровува­н­ня. З оптичних характеристик водойм суші найбільше значе­н­ня має коефіцієнт ослабле­н­ня світла у фотосинтетич. діапазоні хвиль. Цей показник значно змінюється залежно від особливостей водних обʼєктів, їх фіз.-хім. і біол. характеристик (насамперед за наявності зважених частинок орган. чи мінерал. природи, про­зорості та кольоровості води, заро­ста­н­ня водойм рослинами), місця роз­ташува­н­ня водо­йми, пори року та ін. Про­блеми фізики вод суходолу в Україні досліджують у Гідробіо­логії ін­ституті НАНУ, Київ. університеті. Вагомий внесок у формува­н­ня Г. вод суші зробив А. Огієвський; у зʼясува­н­ня закономірності руху паводкових хвиль у річках і водо­сховищах, ролі асинхрон­ності опадів і витрат води при ви­значен­ні водних ресурсів України — Й. Желєзняк. В остан­нє десятиріч­чя сут­тєві роз­робки з Г. вод суші України виконано на каскаді водо­сховищ Дні­пра, на Дунаї, Дністрі, Шацьких озерах та ін. водних обʼєктах України. Ви­вчено особливості формува­н­ня швидкості течій у водо­ймах різного типу (М. Пікуш), роз­роблено гідрофіз. методи в гідро­екології (В. Тимченко), досліджено фізику седиментів (Б. Новиков) і термічний та оптич. режими водойм різного типу (В. Шмаков). Для дослідж. гідрофіз. явищ, що від­буваються у водних обʼєктах суші, особливо в екотонах типу «річка–водо­сховище», в Ін­ституті гідробіо­логії НАНУ і Центрі аерокосміч. досліджень Землі Ін­ституту геол. наук НАНУ роз­роблено методи дешифрува­н­ня косміч. знімків водо­ймищ. При цьому водна поверх­ня роз­глядається як природне джерело інформації не тільки для ви­значе­н­ня її гідрофіз. характеристик, але й для виявле­н­ня ряду процесів, що від­буваються у товщі води (О. Федоровський, Л. Сіренко, В. Якимчук). Мас­штабність і складність гідрофіз. процесів вимагають проведе­н­ня досліджень у натурних умовах на природ. полігонах. В Україні гідрофіз. дослідж. у мор. і річк. екс­педиціях проводять з викори­ста­н­ням н.-д. суден «Академік Вернадський», «Ернест Кренкель», «Горизонт». Значний обсяг гідрофіз. досліджень виконують наук. організації України в рамках між­нар. спів­робітництва. Результати досліджень науковців України в галузі Г. до­зволяють вирішувати різні водогосподар. та водо­охорон­ні зав­да­н­ня: викори­ста­н­ня енергет., біол. і мінерал. ресурсів Чорного моря, роз­робле­н­ня моделі «море–антропоген­ні фактори суші», моніторинг Чорномор. регіону, забезпече­н­ня потреб мор. транс­порту, створе­н­ня гідротех. споруд і систем водокористува­н­ня й ін.

Завантажити статтю