Lithuanian Hidrosphere Knowledge PDF

**SVARBIAUSIOS ŽINIOS APIE HIDROSFERĄ** **Hidrosfera** labiausiai užtikrina medžiagų apykaitą tarp skirtingų žemės sferų (tarp atmosferos ir litosferos) **Biosferos branduolys** yra susiformavęs, kur susidūria litosfera, hidrosfera ir atmosfera **Vandens apytakos ratai:** 1. Didysis (garavimas...

**SVARBIAUSIOS ŽINIOS APIE HIDROSFERĄ** **Hidrosfera** labiausiai užtikrina medžiagų apykaitą tarp skirtingų žemės sferų (tarp atmosferos ir litosferos) **Biosferos branduolys** yra susiformavęs, kur susidūria litosfera, hidrosfera ir atmosfera **Vandens apytakos ratai:** 1. Didysis (garavimas iš vandenyno, kondensacija, debesys pernešami į žemyninę dalį, virsta krituliais, požeminiu/paviršiniu nuotekiu teka į vandenyną) 2. Mažasis (garavimas iš vandenyno, kondensacija, krituliai iškrenta į vandenyną) 3. Žemyninis (vyksta uždaras garavimas/transpiracija ir vanduo niekada negrįžta į vandenyną) **Pagrindiniai vandens apytakos proceso veiksniai:** - Garavimas - Kondensacija - Krituliai **Papildomi vandens apytakos proceso veiksniai:** - Pernaša - Paviršinis nuotėkis - Požeminis nuotėkis - Transpiracija - Infiltracija - Užšalimas - Ištirpimas **Lėčiausiai atsinaujina:** - Ledynai ir įšalo vanduo (atsinaujina kas 10000 metų) - Pasaulinis vandenynas (aktyviai atsinaujina \< 0,05% vandens masės) - Požeminis vanduo (aktyvi apytaka vyksta iki 2 km gylio kas 1400 metų) Didžioji dalis hidrosferos pasižymi **statine būsena**. **Greičiausia apytaka:** - Atmosferos vanduo (atsinaujina kas 9 paras) - Upės (priklausomai nuo ilgio ir nuolydžio atsinaujina kas kelias paras ar mėnesius) **Vandens pasiskirstymas** **Objektas** **Tūris, tūkst. km^3^** **Santykinė dalis (%)** ----------------------------- ------------------------- ------------------------- Vandenynai 1338000 96,54 Ledynai 24064 1,736 Požeminis vanduo (iki 2 km) 23400 1,688 **Vandens balanso lygtys:** **Jūros ir vandenynai** E~v~ = P~v~ + Y **Nuotaki žemynų dalis** E~ž~ = P~ž~ -- Y **Nenuotakios sritys** E~n~ = P~n~ **Bendras balansas** E~v~ + E~ž~ + E~n~ = P~v~ + P~ž~ + P~n~ E -- garavimas; P -- krituliai; Y -- nuotėkis **Tai rodo, kad hidrosfera erdvėje pasižymi diskrečia struktūra** **Didžiajai daliai hidrosferoje esančio vandens (išskyrus ledą) būdinga dinamikos priklausomybė nuo išsidėstymo aukščio** Atmosferos vanduo Kalnų upės Lygumų upės Ežerai Pelkės Vandenynas Požeminis vanduo **Vandens objektų grupavimas pagal apytakos intensyvumą** **Grupė** **Vandens objektai** **Vandens apytakos periodas** --------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------- Tranzitinė Upės Valandos, paros Tranzitinė - akumuliacinė Pratakūs vandens telkiniai (ežerai su dideliais baseinais, savaitinio reguliavimo telkiniai) Nuo kelių parų iki kelių sezonų Akumuliacinė - tranzitinė Nuotakūs vandens telkiniai (ežerai su vidutinio dydžio baseinais, sezoninio ir daugiamečio reguliavimo telkiniai) Nuo kelių sezonų iki kelių dešimtmečių Akumuliacinė Nenuotakūs vandens telkiniai (nenuotakūs ežerai, pasaulinis vandenynas) Nuo kelių metų iki kelių tūkstantmečių **Vandens fazinė būklė lemia taikomų metodų principus** Vanduo ledas garai Kontaktiniai metodai distanciniai metodai **Objekto dydis lemia prietaisų pasirinkimo galimybes ir tyrimų tikslumą** Didelis objektas mažas objektas Stambūs davikliai smulkūs davikliai Mažesnis tikslumas didesnis tikslumas **Tiriamojo objekto pasiekiamumo galimybės lemia tyrimų dažnumą ir taikomus metodus** Lengvai pasiekiamas objektas sunkiai pasiekiamas objektas Dažni tyrimai reti tyrimai Kontaktiniai metodai distanciniai metodai **Vandens dinamiškumas tiriamame objekte lemia analizuojamų hidrometrinių elementų spektrą** Dinamiškas objektas statiškas objektas Kaitieji elementai stabilieji elementai Hidrologiniams reiškiniams būdingas **cikliškumas** (kritulių formavimasis -- trumpalaikis cikliškumas, daugiametė upės vandeningumo kaita -- ilgalaikis cikliškumas) **VANDENS FIZINĖS - CHEMINĖS SAVYBĖS IR IŠTEKLIAI** **Medžiagos agregatinė būsena labiausiai priklauso nuo aplinkos temperatūros ir slėgio** **Esant stabiliam slėgiui ir kylant temperatūrai**, skystis paprastai virsta dujomis. **Temperatūros kilimas, nesikeičiant slėgiui**, gali sukelti ir kietų kūnų lydymosi procesą. Taip įvyksta kai aplinkos temperatūra priverčia kietų kūnų molekules vibruoti taip greitai, kad jos atitrūksta nuo kūno (išgaruoja). **Greičiau tirpti ir garuoti linkę tie junginiai, kurių molekulės silpniau chemiškai susietos** **Kietoji agregatinė būsena** Išlaiko stabilią formą ir tūrį -------------------------------- --------------------------------- **Skystoji agregatinė būsena** Išlaiko tūrį, bet neturi formos **Dujinė agregatinė būsena** Neišlaiko nei formos, nei tūrio **Vandens molekulės H~2~O struktūra** Trikampio formos H~2~O molekulės suteikia vandeniui specifinių savybių (ledo kristalai yra šešiakampiai, kas lemia vandens plėtimąsi šalant) Vandens molekulės **kovalentiniai ryšiai** yra stiprūs (jungiamos vandenilio ir deguonies molekulės) Keturios vandens molekulės gali sudaryti tarpusavio **vandenilines jungtis** (ši savybė lemia tai, kad vanduo pasižymi aukštesne virimo ir lydymosi temperatūra) **Vandens atmintis** -- idėja, kad po daugybės skiedimų vanduo gali atsiminti medžiagas, kurios kada nors jame buvo ištirpusios, net jei po skiedimų skiedžiamosios medžiagos visiškai nelieka Vanduo yra linkęs tarp savo molekulių sudaryti tokias struktūras, kurios neleidžia pašalinei medžiagai suardyti molekulių struktūrų (jos išlieka ten pat, jeigu būna pažeistos) **Vandens savybės:** - esant standartiniam slėgiui vandens užšalimo temperatūra lygi 0^o^C, o virimo 100^o^C - 0,00603 atm slėgyje ir 0,0098^o^C vanduo pasiekia „trigubą tašką" -- užšalimo ir virimo temperatūra tampa identiška - 218 atm slėgyje prie 374^o^C temperatūros vanduo pasiekia „kritinį tašką" -- skysto vandens ir garų tankis bei kitos savybės sutampa - vandeniui būdingas santykinai mažas klampumas, dėl kurio vandens srovės lengvai ir greitai išlygina slėgio skirtumus (išimtis -- vandens judėjimas siaurais kapiliarais (meniskas)) - vanduo yra unikalus tirpiklis - vandens tankis netolydžiai kinta įvairioje temperatūroje. Maksimalus tankis pasiekiamas 4^o^C temperatūroje (distiliuotame vandenyje) **Takumas** -- kūno gebėjimas negrįžtamai deformuotis veikiant mechaniniam įtempiui (būdinga dujoms, skysčiams ir plastiškumu pasižymintiems kietiems kūnams) **Kuo didesnis kūno takumas, tuo mažesnis jo klampumas** Skysčių takumą sukelia spartesnė molekulių difuzija veikiančio įtempimo kryptymi **Esant mažam srovės greičiui vanduo teka laminariškai** ir įvairūs srauto sluoksniai nesimaišo net judėdami skirtingu greičiu **Pasiekus kritinį greitį laminarinis tekėjimas pereina į turbulentinį**, kuomet visi sluoksniai sraute nuolat maišosi **Vanduo -- itin turbulentiškas skystis, tad laminarinis tekėjimas natūralioje aplinkoje sutinkamas retai** (požeminiai vandenys) **Pati kritinio greičio reikšmė ir realios sąlygos, kuriose tekančio vandens srautas pasiekia kritinį greitį, priklauso nuo Reinoldso skaičiaus (Re)** **Re = v~s~H/v** **v~s~H = Rev** v~s~ -- vandens srauto greitis (cm/s); H -- srauto gylis (cm); v -- kinematinio klampumo koeficientas (cm^2^/s) Kanaluose su glotniomis sienelėmis kritinis Reinoldso skaičius, kurį viršijus srautas tampa turbulenciniu ≈ 360. Esant 16^o^C temperatūrai vandens kinematinio klampumo koeficientas v ≈ 0,01 **vsH ≈ 3,6** **vs ≈ 3,6/H** **Vandens tekėjimo dėsningumai** lemia upių vagų formą ir upių tinklo susidarymo ypatumus **Paviršinis vanduo Žemėje dažniausiai teka turbulentiškai** Esant 24,69%~0~ druskingumui susilygina užšalimo ir didžiausio tankio vandens temperatūra, todėl druskingi telkiniai užšąla ne tik vėliau, bet ir pats užšalimo procesas juose trunka ilgiau **Gėlas vanduo** vėsdamas pradžioje pasiekia didžiausio tankio temperatūrą ir įvairiame gylyje esantys sluoksniai išsimaišo, o tik vėliau užšąla **Druskingų telkinių vanduo** toliau maišosi ir pasiekęs užšalimo temperatūrą, todėl užšalimo procesas užtrunka Vandens tankio skirtumus sukelia nevienoda vandens temperatūra arba cheminė sudėtis **Dėl tankio skirtumų stovinčio vandens telkiniuose vanduo susisluoksniuoja** (skystas vanduo -\> ledas -\> garai) Vandens temperatūros skirtumų sukelta vandens stratifikacija vadinama **termine stratifikacija** Cheminės sudėties skirtumai stovinčio vandens telkiniuose sukelia **cheminę stratifikaciją** **Šios priežastys lemia ir pasaulinio vandenyno srovių išsidėstymą pagal gylį bei jų kryptis** Vandenynų vandens masės stratifikacijos pokyčiai sukelia ir daugelį **atmosferos cirkuliacijos procesų** **Vandeniui būdinga ypač didelė, lyginant su kitais skysčiais, savitoji šiluma** -- šilumos kiekis (J), kurio reikia 1 kg kūno masės temperatūrai pakelti 1^o^C. Vandens savitoji šiluma -4200 J/kg x ^o^C. Dėl to hidrosferos objektų vandens paviršiaus temperatūra svyruoja žymiai lėčiau nei greta esančio oro **Vandens savybės, esant skirtingos agregatinėms būsenoms:** - **Skysčio agregatinėje būsenoje** vanduo yra bekvapis ir beskonis, gėlas, turi spalvas ar kvapus dėl priemaišų - **Ledo agregatinėje būsenoje** vanduo gali būti itin įvairus (egzistuoja trys amorfinio ledo tipai ir keliolika kristalinių jo modifikacijų). Beveik visas hidrosferoje sukauptas ledas yra **pirmos kristalinės modifikacijos** (molekulės išsidėliojusios tvarkingai). **Amorfinio ledo** (molekulės išsidėliojusios padrikai) beveik neįmanoma aptikti esant natūralioms Žemės sąlygoms. Sniego sluoksniui kelis kartus ištirpus ir pakartotinai užšalus susidaro ledas, o ledo kristalai vadinami **snaigėmis** (snaigių atmainos -- dendritai) - **Garų agregatinės būsenos vanduo (vandens garai)** susidaro **skysto vandens garavimo** arba **ledo sublimacijos** metu. Normaliomis sąlygomis **garai yra nematomi**, garai kondensuojasi į debesis ir iškrenta krituliais. Garų virtimas kita būsena priklauso nuo **aplinkos temperatūros ir santykinio vandens garų slėgio**. Garai **lengvesni už orą**, todėl jie svarbūs konvekcinių srovių susidarymui atmosferoje. Garai atmosferoje yra vienos pagrindinių **šiltnamio efektą sukeliančių dujų**. 99,13% atmosferoje esančių vandens garų aptinkami **troposferoje** (kuo aukščiau nuo Žemės paviršiaus kyla garai, tuo aktyviau jie kondensuojasi) **Vanduo visatoje:** - duomenys apie vandenį kitose Saulės sistemos planetose ir už jos ribų kol kas nėra tikslūs'' - anksčiau buvusio vandens pėdsakų ir smulkių ledo telkinių požymių rasta Mėnulyje ir Marse - Vandens gali būti Saturno, Jupiterio, Urano palydovuose **Vanduo Žemėje:** [\[CHART\]\[CHART\]\[CHART\]\[CHART\]]{.chart} **Vandens druskingumas įvairiose hidrosferos dalyse smarkiai skiriasi**. Todėl dažnai vanduo pagal druskingumą skirstomas į kelias sūrumo kategorijas: **Vandens druskingumas, %~0~** \< 0,5 0,5 - 30 30 -- 50 \> 50 -------------------------------- -------- ---------- ---------- ------------ **Sūrumo kategorija** gėlas sūrokas sūrus druskingas **Vidutinis vandens druskingumas vandenyne 35 %~0~** **Mažiausiai priemaišų** turi ką tik susiformavęs kritulių vanduo (labiausiai gėlas) **Vanduo kaip tirpiklis:** **H~2~O yra ženkliai polinis tirpalas**, aktyviai tirpdinantis įvairias chemines druskas Didžioji dalis vandens druskingumo gamtoje susidaro dėl ištirpusios **valgomosios druskos** (NaCl) **Aktyviausiai pasaulyje eksploatuojami paviršiniai vandens telkiniai** Juose sukauptą gėlo vandens kiekį ir atsinaujinimo galimybes įvairiuose regionuose galima įvertinti pagal **upių nuotėkio rodiklius** **Momentinis debitas (Q)** -- apibūdina upės nuotėkį konkrečiu momentu (m^3^/s arba l/s) **Nuotėkio tūris (W)** -- apibūdina ilgalaikį nuotėkį (km^3^ arba m^3^) **Nuotėkio modulis (q)** -- rodo vandens kiekį, nutekantį per tam tikrą laiką iš tam tikro ploto (l/(s x km^3^)) **Nuotėkio sluoksnis (h)** -- rodo kokių vandens sluoksnių būtų padengtas baseino paviršius per tam tikrą laiką, jei sukauptas nuotėkio tūris negalėtų nutekėti (mm) **BASEINAS IR JO VANDENS BALANSAS** **Baseinas** -- žemės paviršiaus plotas iš kurio vanduo atiteka į nagrinėjamą upės skersinį pjūvį (didelės upės, vandenyno, jūros, ežero, gręžinio, daubos) -- paprastesnis apibrėžimas **Mažesnėse upėse** dažnai labai smarkiai skiriasi paviršinio ir požeminio baseinų ribos bei plotai **Baseinas** -- tūris (žemės paviršiaus plotas ir po juo esančio grunto storymė), į kurį patekęs vanduo vėliau teka tos pačios vietos link Skirtingo rango ir įvairios struktūros baseinų ypatumus geriausiai apibūdina jų **vandens balanso elementų tarpusavio santykis**: - horizontalieji (nuotėkis, prietaka) - vertikalieji (garavimas, krituliai) **Didesnio (aukštesnio rango) baseinų** vandens balansą formuoja tiek vertikalieji, tiek horizontalieji balanso elementai **Mažesnių baseinų** vandens balanso struktūroje didėja kurios nors kategorijos vandens balanso elementų įsisvyravimo tikimybė **Kuo ilgesnio laikotarpio vandens balansas nagrinėjamas, tuo daugiau elementų jį sudaro** Mažuose baseinuose bėgant laikui, dažnai keičiasi ir paties baseino **parametrai ir struktūra** (upių deltų regionai) Dažna baseinų parametrų kaita ypač būdinga ardiniams regionams, kur vyrauja **nenuotakios ir periodiškai nuotakios sritys** **Stambius baseinus lengviau apibūdinti ir analizuoti juose vykstančius hidrologinius procesus nei smulkesnius baseinus.** **Vandenskyra** Baseiną riboja **vandenskyra** (takoskyra) -- linija, skirianti du gretimus baseinus vieną nuo kito **Paviršinio baseino** vandenskyros linija paprastai eina aukščiausiais baseino reljefo taškais **Požeminio baseino** vandenskyros linija turėtų sutapti su aukščiausiais po baseinu esančio vandeniui nelaidaus grunto sluoksnio (vandensparos) taškais. **Pasaulio vandenskyra** skiria nuotėkį į Atlanto šlaitą ir Ramiojo vandenyno šlaitą **Baseino charakteristikos** **Morfometrinės:** - baseino plotas A -- paviršinės vandenskyros ribojamas plotas (km^2^) - vandenskyros linijos išsivystymo koeficientas K -- baseino vandenskyros linijos ilgio S ir tą patį plotą ribojančio apskritimo ilgio santykis **Fizinės geografinės:** - geografinė padėtis -- nurodomos koordinatės, tarp kurių patenka baseinas, reljefo formos, valstybės, gretimi baseinai - klimato sąlygos -- pateikiami duomenys apie oro temperatūrą, kritulių kiekį ir garavimą, parodomi jų kaitos grafikai - geologinė sandara, gruntai ir dirvožemiai -- dėmesys kreipiamas į rodiklius, turinčius poveikį baseino infiltracijos sąlygoms (pavyzdžiui, smėlingumas) - reljefas -- nurodomos aukščiausios ir žemiausios paviršiaus taškų altitudės, vidutinis aukštis, atskirų baseino dalių žemės paviršiaus nuolydis, erozijos ir akumuliacijos poveikis - augalija -- nurodomas bendras baseino miškingumas, labiausiai paplitusios augalų rūšys ir miško masyvų išsidėstymas - hidrografinė struktūra -- pateikiami duomenys apie ežeringumą, pelkėtumą ir vagų tinklo tankį - kraštovaizdis (baseino sukultūrinimo lygis) -- nurodomas bendras baseino urbanizacijos lygmuo, žemės ūkiui naudojamo baseino ploto procentas **Teoriškai baseinu vadintinas tam tikras tūris (žemės paviršiaus plotas ir po juo esančio grunto storymė), kurio vanduo surenkamas vienos drenavimo bazės** (žemiausiai esančios baseino paviršiaus vietos) **Baseinas yra atvira sistema** **Baseino plotas** traktuotinas kaip bendras teritorijos ir akvatorijos, kuriose vyksta aktyvi vandens apytaka, plotas **Baseino ploto ir drenavimo bazės ploto santykis** (dažnai vadinamas santykiniu baseinu) -- rodiklis, kuris suteikia informacijos apie baseine esančio telkinio vandens apytakos pobūdį. **Labiau dinamiški vandens telkiniai pasižymi didesniais santykiniais baseinais.** **DIDŽIOJO VANDENS CIKLO DALIS ATMOSFEROJE** **Garingumas** -- maksimalus drėgmės kiekis, galintis išgaruoti nuo tam tikro paklotinio paviršiaus ploto per tam tikrą laiką Svarbiausias dinaminis veiksnys, lemiantis garavimo intensyvumo pasiskirstymą -- **vėjo greitis** **Garavimas** -- klimatą formuojantis veiksnys, lemiantis atmosferos oro masių konvekciją Nuo garavimo intensyvumo labai priklauso mūsų planetos **temperatūra** (vandenynuose lemia druskingumą) **Garai** -- šiltnamio efektą sukeliančios dujos Išgaravusios vandens kiekį galima įvertinti su matavimo įranga ir naudojant vandens balanso lygtis **Krituliai** **Krituliai** -- svarbiausia vandens apytakos ciklo dalis ir pagrindinis sausumos vandens išteklių šaltinis