地球上水的物理性質(zhì)市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第一章

地球上水性質(zhì)與分布

姜艷

城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院第1頁(yè)第一節(jié)地球上水物理性質(zhì)一、水分子結(jié)構(gòu)二、水三態(tài)及其轉(zhuǎn)化三、水熱學(xué)性質(zhì)四、水溫度五、水密度六、透明度與水色第2頁(yè)一、水分子結(jié)構(gòu)每個(gè)水分子（H2O）都是由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子組成。水分子鍵角為104°31’，形成等腰三角形。第3頁(yè)因?yàn)檠踉訉?duì)電子吸引力比氫原子大得多，所以電子就有在氧原子周?chē)鄬?duì)集中趨勢(shì)，形成較濃厚電子云，掩蓋了原子核正電核。在氧原子一端顯示出較強(qiáng)負(fù)電荷作用，形成負(fù)極；在氫原子周?chē)?，電子云相?duì)稀薄，顯示出原子核正電核作用，形成正極，使水分子含有極性結(jié)構(gòu)。水分子含有極性結(jié)構(gòu)第4頁(yè)在自然界，水不完全是單水分子，而更多情況下是水分子聚合體。水分子聚合體包含：?jiǎn)嗡肿?H2O)，雙水分子(H2O)2、三水分子(H2O)3

。第5頁(yè)二、水三態(tài)及其轉(zhuǎn)化1.水三態(tài)與水溫：1）固、液、氣

2）三態(tài)轉(zhuǎn)化——水溫在常溫條件下，水三相是能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)化。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水0℃為冰點(diǎn)，100℃為沸點(diǎn)。0℃以下為固體，0-100℃為液體，100℃以上為氣體。第6頁(yè)伴隨水溫改變，三態(tài)水分子聚合體也在不斷地改變。第7頁(yè)2.固態(tài)水

氣體水分子能凝聚成液態(tài)和固態(tài)水，主要是氫鍵起著強(qiáng)烈締合作用。第8頁(yè)3、液態(tài)水結(jié)構(gòu)模型——“閃動(dòng)簇團(tuán)”第9頁(yè)三、水熱學(xué)性質(zhì)（一）熱學(xué)性質(zhì)1.含有較大熱容量2.含有較大潛熱3.傳熱性?。ǘ┮饬x：調(diào)整地球上熱量變率第10頁(yè)因?yàn)樗葻岽蟆鳠崧市≡谔烊凰w中，封凍時(shí)，冰體緩緩增厚；冬季水體下部溫度往往較氣溫為高。

水這種特征對(duì)自然界水下生命含有尤其主要意義。我國(guó)北方，整個(gè)冬季冰厚僅能達(dá)1—1.8米。只要水體有足夠深度，冰層下仍是液態(tài)水。假如冰上還覆蓋有厚雪，則冰層厚度將更小。第11頁(yè)因?yàn)樗葻岽?、傳熱率很小在平靜水體中，熱能非常遲緩地透入深處，表層水溫略為升高。一樣，水體內(nèi)部?jī)?chǔ)蓄熱量在外界溫度較低時(shí)也只能遲緩地傳導(dǎo)出來(lái)。水體是一個(gè)良好儲(chǔ)熱器，它對(duì)周?chē)h(huán)境是一個(gè)良好氣候調(diào)整器，使冬季不致過(guò)冷，夏季不致過(guò)熱。第12頁(yè)四、水溫水溫是一個(gè)很主要物理特征，它影響到水中生物、水體自?xún)艉腿祟?lèi)對(duì)水利用。（一）海水溫度（二）河水溫度（三）湖泊、水庫(kù)溫度（四）地下水溫度第13頁(yè)（一）海水溫度

1、海水熱量收支從整個(gè)海水年平均溫度來(lái)看，幾乎沒(méi)有改變；一年中不一樣季節(jié)、不一樣海區(qū)熱量收支并不平衡，從而引發(fā)了海水中溫度分布與改變不一樣。第14頁(yè)海水熱量收入：1．來(lái)自太陽(yáng)和天空短波輻射2．來(lái)自大氣長(zhǎng)波輻射3．地殼內(nèi)熱經(jīng)過(guò)海底傳給海水熱量4．海面水汽凝結(jié)時(shí)放出熱量5．洋流帶來(lái)熱量6．海水垂直交換中所得熱量7．化學(xué)、生物和放射性物質(zhì)放出熱量8．海水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量以1、2最為主要。5只對(duì)局部海區(qū)有較大影響，其它方式所提供熱量較少。第15頁(yè)海水熱量支出：1．海面輻射放出熱量2．海水蒸發(fā)時(shí)所消耗熱量3．洋流帶走熱量4．海水垂直交換中耗掉熱量以1、2更為主要，在局部海區(qū)3對(duì)水溫改變也有較大影響，因?yàn)楹Ｋ怪蔽蓜?dòng)混合，可把熱量傳到深處。第16頁(yè)2、海水溫度分布（1）海水溫度水平分布表面平均溫度：太平洋＞印度洋＞大西洋；北半球高于南半球；南北緯0-30度之間印度洋水溫最高；南北緯50-60度之間大西洋水溫相差懸殊。第17頁(yè)形成上述特點(diǎn)原因：因?yàn)闊岢嗟辣币?，南半球熱帶水一部分流入北半球，北半球暖流?shì)力強(qiáng)大，一直影響到高緯，受大陸和海底地貌影響，北冰洋冷水不能大量南流；南半球三大洋相連，并與南極大陸相接，所以冷卻效果尤其顯著；印度洋熱帶海區(qū)三面受亞、非、澳大利亞大陸包圍，并受暖流影響，所以水溫最高。

第18頁(yè)主要原因：太陽(yáng)輻射、洋流性質(zhì)、地形地貌。世界大洋表面水溫分布總趨勢(shì)是：第一，水溫從低緯向高緯遞減；第二，南北回歸線(xiàn)之間熱帶海區(qū)水溫最高；第三，寒暖流交匯處水溫改變較大；第四，夏季大洋表面水溫高于冬季。第19頁(yè)大洋水溫垂直分布，從海面向海底呈不均勻遞減趨勢(shì)。（2）水溫垂直分布第20頁(yè)在南北緯40°之間，海水垂直結(jié)構(gòu)可分兩層，即：

表層暖水對(duì)流層

（普通深度達(dá)600-1000米）

深層冷水平流層（龐大水體）熱帶和亞熱帶海域上層水體，為大洋暖水區(qū)，這里水溫普遍在10℃以上，面積占世界海洋二分之一以上，而體積只占1/16。第21頁(yè)表層擾動(dòng)層——表層暖水對(duì)流層最上一層（約0-100米）受氣候影響顯著，紊動(dòng)混合強(qiáng)烈，對(duì)流旺盛，水溫垂直分布均勻，垂直梯度極小。表層擾動(dòng)層下部與冷水層之間形成一個(gè)溫躍層，水溫垂直梯度遞減率達(dá)最大值。第22頁(yè)（3）海水溫度改變

日改變：影響原因有：太陽(yáng)輻射、季節(jié)改變、天氣情況(風(fēng)、云)、潮汐和地理位置等?？傮w改變幅度很??；隨緯度增加而減小；靠近大陸淺海區(qū)最大。第23頁(yè)

年改變影響水溫年變?cè)蛴校禾?yáng)輻射、洋流性質(zhì)、季風(fēng)和海陸位置。從赤道和熱帶海區(qū)向中緯海區(qū)增大，再向高緯減??；相同熱量帶，大洋西側(cè)較東側(cè)變幅大，近海岸更大；北半球大于南半球。第24頁(yè)(4)海冰第25頁(yè)海冰是高緯海區(qū)所特有水文現(xiàn)象。海冰有兩種：一為岸冰，一為浮冰。岸冰——較為固定海冰，海岸越波折，島嶼和淺灘越多，岸冰越寬廣。浮冰——一個(gè)是由海水凍結(jié)而成，一個(gè)是來(lái)自大陸冰。第26頁(yè)含有鹽分海水，其冰點(diǎn)和最大密度溫度都隨鹽度增加而降低，但降低數(shù)值不一樣。通常大洋表面鹽度均大于24.695×10-3，所以冰點(diǎn)更低；當(dāng)海面水溫到達(dá)冰點(diǎn)時(shí)，海水析出鹽分，表層海水鹽度增加，密度增大，下沉，形成對(duì)流，結(jié)冰困難；溫度降到冰點(diǎn)以下，海水過(guò)冷，在有結(jié)晶核條件下，海水才會(huì)開(kāi)始結(jié)冰。第27頁(yè)（二）河水溫度河水熱情況綜合標(biāo)志是河水溫度。水溫在0度以上河流：第28頁(yè)出現(xiàn)冰情河流:

松花江春季流凌（上）清溝（下）嫩江秋季圓盤(pán)形流凌（上）冰壩（下）第29頁(yè)1、河流水溫

1）水溫日改變與氣溫日改變對(duì)應(yīng)，主要受太陽(yáng)輻射影響；因?yàn)樗葻彷^大，對(duì)熱量改變和反應(yīng)比較遲緩，改變速度稍落后于氣溫，變幅也較氣溫小。早晚較低，午后升高，日變幅常在l～3℃左右，比氣溫日變幅小。另外，河流水量愈大，日變幅愈小。冰川補(bǔ)給河流其上游日變幅大，下游小。第30頁(yè)2）水溫季節(jié)改變，有顯著周期規(guī)律：如冬季各月水溫最低，我國(guó)北方河流冬季水溫經(jīng)常在0.1～0.5℃左右，而且日與日之間改變不大；自冬至春，因?yàn)樘?yáng)輻射熱量增加，水溫逐步上升，至夏季水溫達(dá)最高值；夏末秋初以后水溫逐步下降。3）水溫年內(nèi)改變落后于氣溫改變。通常在春季夏季水溫低于氣溫，秋季冬季水溫高于氣溫。第31頁(yè)我國(guó)河流水溫年變幅普通都大，這也是我國(guó)氣候大陸性較強(qiáng)，各地氣溫變幅普通較大反應(yīng)。華北地域年水溫變幅最大，如子牙河獻(xiàn)縣站1月和7月月平均溫度差可超出27℃；東南沿海水溫變幅較小，仍在15～16℃左右；年變幅最小是云貴高原，有些河段1月、7月月平均水溫變幅甚至不到2℃。第32頁(yè)2、河流冰情我國(guó)北方河流每年都有時(shí)間長(zhǎng)短不等封凍期，長(zhǎng)可達(dá)1-5個(gè)月。入冬以后，氣溫下降至0℃以下，河水開(kāi)始結(jié)冰，到第二年春季隨氣溫升高，河水開(kāi)始解凍至冰凌全部消失整個(gè)過(guò)程大致可分為三個(gè)時(shí)期：結(jié)冰期、封凍期、解凍期第33頁(yè)封凍期第34頁(yè)假如河流由南向北流過(guò)較長(zhǎng)距離，在河流解凍時(shí)，因?yàn)樯嫌稳诒缬谙掠?，?dāng)上游冰塊向下游移動(dòng)時(shí)，受河灣或冰層阻擋時(shí)，以致大小冰塊堆積起來(lái)，橫跨斷面堵塞河道形成冰壩，使上游水位抬高，此種現(xiàn)象稱(chēng)為凌汛。在黃河寧夏河套段和山東境內(nèi)，每年春季常發(fā)生這種情況。嚴(yán)重凌汛會(huì)使大堤決口，河水漫溢造成河流兩岸重大損失。凌汛第35頁(yè)1986年4月初，黃河上、下游地域溫差大，伴隨季節(jié)轉(zhuǎn)暖，上游漂下冰塊堵塞包頭附近河道，有地段形成了寬約3千米，長(zhǎng)約6千米冰壩，迫使河水漫流兩岸。以后出動(dòng)16架次飛機(jī)，空投炸彈20多噸，才解除凌災(zāi)。第36頁(yè)黃河凌汛第37頁(yè)（三）湖泊、水庫(kù)水溫

1、影響湖溫改變?cè)颍禾?yáng)輻射是湖水熱量主要源泉。射入湖中太陽(yáng)能，一部分被吸收，一部分被散射。由此可見(jiàn)，大部分太陽(yáng)輻射能用于提升表層水溫，而湖泊深處熱量交換，主要是靠渦動(dòng)、對(duì)流混合將熱量傳給下層。據(jù)觀察，湖水表層1米深吸收了80％左右輻射能，且大部分能量被靠近水面20厘米水層所吸收，只有1％能量到達(dá)10米深處。第38頁(yè)普通水深大于10米湖泊，常不受上層水溫影響而保持一定低溫(4～8℃)；水深小于10米淺湖，全湖水溫都能受到太陽(yáng)熱能影響而使水溫發(fā)生改變。另外，湖盆形態(tài)、湖面大小、湖岸波折程度與島嶼多少、冰雪蓋層、風(fēng)力大小、蒸發(fā)強(qiáng)弱等原因也能影響湖溫改變。

第39頁(yè)2、湖中水溫分布當(dāng)湖水溫度隨水深增加而降低時(shí)，即水溫梯度成負(fù)值時(shí)，將出現(xiàn)上層水溫高，下層水溫低，但不低于4℃，這種水溫垂直分布，稱(chēng)為正溫層；當(dāng)湖溫隨水深增加而升高時(shí)，上層水溫低，下層水溫高，但不高于4℃。這種水溫垂直分布，稱(chēng)為逆溫層；當(dāng)湖溫上下層一致，上下層水溫完全相同（同溫層，4℃）。第40頁(yè)3、湖泊水溫改變水溫日變以表層最顯著，隨溫度增加日變幅逐步減小最高水溫普通出現(xiàn)在天天14-18時(shí)，最低水溫出現(xiàn)在5-8時(shí)；水溫日變幅在陰天和晴天之間差異也較大。第41頁(yè)2)湖面水溫年變

除結(jié)冰期外，水溫改變與當(dāng)?shù)貧鉁啬曜兿嗤?，但最高、最低水溫出現(xiàn)時(shí)間要遲半個(gè)月到一個(gè)月左右。水溫月平均最高值多出現(xiàn)在7、8月，月平均最低值多出現(xiàn)在1、2月。第42頁(yè)（四）地下水水溫地下水溫度：埋藏深度地質(zhì)條件第43頁(yè)依據(jù)地?zé)岱植家?guī)律，大致能夠劃分為三個(gè)地帶：1、變溫帶：指地殼表層受太陽(yáng)輻射影響所能到達(dá)深度范圍，各地厚度不等，普通為15～20米。在變溫帶中，地下水溫度含有日變和年變特點(diǎn)。2、常溫帶：太陽(yáng)輻射熱影響極微弱，地溫變幅已趨于零，故稱(chēng)為常溫帶。在年常溫層中，地下水溫度改變極少，普通不超出0.1℃。第44頁(yè)3、增溫帶：在常溫帶以下數(shù)十公里范圍內(nèi)，主要由地球內(nèi)熱控制，隨深度增加出現(xiàn)有規(guī)律增溫現(xiàn)象：通常以地?zé)嵩鰷芈剩ā?100米）表示，其倒數(shù)為地?zé)嵩鰷丶?jí)（米/℃）；地?zé)嵩鰷丶?jí)是指在常溫層以下，溫度每升高l℃所需增加深度。各地增溫并不相同，對(duì)整個(gè)地殼而言，大致平均為33米/℃。第45頁(yè)地下水溫度差分類(lèi)：新火山地域，地下水溫可達(dá)100℃以上；寒帶、極地及高山、高原地域，地下水溫度很低，有可低至-5℃.第46頁(yè)五、水密度（一）純水密度無(wú)雜質(zhì)純水，在4℃（3.98℃）時(shí)密度最大，為1克/立方厘米，在0℃時(shí)密度為0.9999克/立方厘米；水自液體狀態(tài)變?yōu)楣腆w狀態(tài)，其密度要發(fā)生突變，大約要變小10%，即體積將增加；0℃時(shí)冰密度為0.9167克/立方厘米。所以，在天然河流或湖泊中，冬季凍結(jié)冰，因密度比水小而浮于水面。第47頁(yè)

同其它物質(zhì)一樣，受熱時(shí)體積增大，密度減?。?-4℃范圍內(nèi)，不服從熱脹冷縮規(guī)律）。第48頁(yè)（二）海水密度海水密度是指單位體積內(nèi)所含海水質(zhì)量，單位為g/cm3。習(xí)慣上使用密度是指海水比重，即指在一個(gè)大氣壓力條件下，海水密度與水溫在4℃時(shí)蒸餾水密度之比，所以在數(shù)值上密度和比重是相等。海水密度情況，是決定洋流運(yùn)動(dòng)最主要因子之一，影響水團(tuán)運(yùn)動(dòng)、水層穩(wěn)定程度。第49頁(yè)海水密度，是實(shí)用鹽度（s）、水溫（t）和壓力（p）函數(shù)。所以，海水密度可用ρs,t,p來(lái)表示。海水密度普通都大干1，如：1.01600，1.03222…；表示方法：為了由密度空間改變計(jì)算海流速度，要求海水密度準(zhǔn)確到小數(shù)5位，為書(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)便，慣用σs,t,p來(lái)表示，即海水密度減1再乘以1000：

σs,t,p=（ρs,t,p－1）×1000

所以，如ρs,t,p為1.02545時(shí)，σs,t,p即為25.45。第50頁(yè)世界大洋表面密度地理分布規(guī)律為：從熱赤道向高緯遞增，在南半球三大洋中密度分布呈地帶性；赤道地域因?yàn)闇囟群芨?，鹽度較低，因而表面海水密度很小，約1.02300；亞熱帶海區(qū)鹽度即使很高，但溫度也很高，所以密度依然不大，普通在1.02400左右；極地海區(qū)因?yàn)闇囟群艿?，所以密度最大；在三大洋南極海區(qū)，密度均很大，可達(dá)1.02700以上。第51頁(yè)海水密度垂直分布規(guī)律普通是：從表層向深處增加；南北緯20°之間在100米以?xún)?nèi)密度最小，而且在50米以?xún)?nèi)垂直梯度極小，幾乎沒(méi)有改變；50—150米深度上密度垂直梯度最大，出現(xiàn)密度突變層（躍層），它對(duì)聲波有折射作用，潛艇在其下面航行或停留在其上均不易發(fā)覺(jué)，故有“液體海底”之稱(chēng)；約從1500米開(kāi)始，密度垂直梯度很小，在深層，密度幾乎不隨深度而改變。第52頁(yè)六、透明度與水色（一）湖水透明度與水色1、湖水透明度：定義：是指湖水能使光線(xiàn)透過(guò)程度。測(cè)定方法：通慣用透明度盤(pán)測(cè)定透明度。透明度盤(pán)是一個(gè)白色圓盤(pán)（直徑為30厘米），把圓盤(pán)緩緩沉入水中，直到肉眼看不見(jiàn)為止（從水面上方垂直向下看），這時(shí)圓盤(pán)在水中深度就是透明度，單位：米。第53頁(yè)十分渾濁湖泊透明度不足0.1米，而十分清澈湖泊透明度可達(dá)40米以上，普通湖泊在0.2～10米內(nèi)。據(jù)實(shí)測(cè)資料，世界上湖泊最大透明度統(tǒng)計(jì)為41.6米，出現(xiàn)在日本麾周湖。貝加爾湖為40.5米。

第54頁(yè)西藏瑪法木錯(cuò)實(shí)測(cè)透明度為14米，是已調(diào)查湖泊中最大統(tǒng)計(jì)。青海湖可達(dá)10米第55頁(yè)我國(guó)東部地域淡水湖群，因?yàn)楹灼綔\，入湖來(lái)水、含沙量大，浮游生物繁茂，所以透明度均在2～3米以下，低只有幾十厘米，江蘇洪澤湖為10～40厘米。第56頁(yè)太湖為15～20厘米第57頁(yè)2、湖水水色水色——指垂直方向上位于透明度二分之一深處，白色圓盤(pán)上所顯現(xiàn)湖水顏色。水色取決于水對(duì)光線(xiàn)選擇吸收和選擇散射情況。第58頁(yè)因?yàn)楣饩€(xiàn)散射強(qiáng)度與光波波長(zhǎng)四次方成反比，即波長(zhǎng)愈短，光愈輕易被散射?？梢?jiàn)光中以藍(lán)色波長(zhǎng)較短，所以深度較大、清澈湖水，常