Гідрофізика - Енциклопедія Сучасної України
Beta-версія
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 об’єктів, 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, в’язкість, 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 т-ра поверхні шарів рідини, що залягають нижче, – таке явище названо холодним скін-шаром. Вивчення виникнення і розвитку прикордон. шару, утворення у зв’язку 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 т-ри, що потім переходить до масивної товщі холодних глибинних вод. Вимірювальна апаратура для визначення т-ри води будується з використанням сучас. досягнень у напівпровідник. електроніці і дозволяє реєструвати т-ру 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 об’єктів 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 зв’язку 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 об’єктів 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 зв’язків 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); розв’язують питання гідродинаміки гідротех. споруд (М. Пивовар, С. Кріль) і гідрофіз. систем (М. Салтанов).

Гідрофіз. дослідж., пов’язані 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 об’ємами 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 об’єктах 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 т-ра води та її оптичні властивості. Терміч. режим водних об’єктів 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 т-ри водного середовища понад нормативні показники істотно погіршує екол. стан водних об’єктів 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 пов’язані 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 об’єктів, 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. ун-ті. Вагомий внесок у формування Г. вод суші зробив А. Огієвський; у з’ясування 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 об’єктах 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 об’єктах суші, особливо в екотонах типу «річка–водосховище», в Ін-ті гідробіології НАНУ і Центрі аерокосміч. досліджень Землі Ін-ту 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. орг-ції України в рамках міжнар. співроб-ва. 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.

Літ.: Шулейкин В. В. Физика моря. Москва, 1968; Одрова Т. В. Гидрофизика водоемов суши. Ленинград, 1979; Нелепо Б. А., Каратаев Г. К. и др. Исследование океана из космоса. К., 1985; Беляев В. И. Моделирование морских систем. К., 1987; Федоровский А. Д., Никифорович Е. И., Приходько Н. А. Процессы переноса в системе газ–жидкость. К., 1988; Гидрология и гидрохимия Днепра и его водохранилищ. К., 1989; Тимченко В. М. Эколого-гидрологические исследования водоемов северо-западного Причерноморья. К., 1990.

О. Д. Федоровський

Стаття оновлена: 2006