Woda Obieg wody w przyrodzie

Woda

Obieg wody w przyrodzie

Pochodzenie wody

• Podczas formowania Ziemi, przed 5 miliardami lat, panowała atmosfera gazowa oraz wysokie

temperatury. Z połączenia dwóch pierwiastków – wodoru i tlenu – utworzyła się para wodna. Niskie temperatury w zewnętrznych warstwach atmosfery powodowały skraplanie pary, a w rezultacie opady

chłodzące powierzchnię stygnącej skorupy ziemskiej.

Padające deszcze wypełniały zagłębienia terenu, aż pokryły ¾ powierzchni Ziemi, tworząc praocean

• Tlen był w naszej atmosferze … skąd zatem wodór ?

• Dotarł do Ziemi razem z wiatrem słonecznym.

• Jest to hipoteza solarna

• Hipoteza geochemiczna

• Opiera się na fakcie obecności wody w magmie.

• Szacuje się, że może jej być do 8% (często podaje się, że jest jej między 1 a 8%).

• Para wodna w gorącej magmie w temperaturze poniżej wartości krytycznej (+374,65°C) ulega

skropleniu, tworzy roztwory hydrotermalne, krążące systemem spękań skalnych.

• W trakcie aktywności wulkanicznej woda zostaje uwolniona do atmosfery lub / oraz hydrosfery.

• Wody, które powstały z krzepnięcia magmy,

nazywamy wodami juwenilnymi.

Znaczenie kulturowe

• Kultura europejska

• Cztery żywioły: powietrze, woda, ogień, ziemia

• Tradycja chińska

• Pięć żywiołów: woda, ogień, metal, drewno, ziemia

• Tradycja japońska:

• Pięć żywiołów: woda, ogień, powietrze, ziemia, piorun

• Tradycja celtycka

• Trzy żywioły: ziemia, ogień, sztorm

• Mitologia grecka

http://www.zywioly.filmy.szczecin.pl/

http://kuferek.blox.pl http://www.rycerze.pun.pl/

http://herbo.pl/tag/lete

Rodzaje wody

WODA

SUROWA UŻYTKOWA

ŚCIEKI opadowa powierzchniowa podskórna

gruntowa adhezyjna

błonkowata głębinowa

źródlana

słona słodka

wodociągowa

pitna

przemysłowa destylowana

Woda kapilarna (włoskowata)

• Jest to woda, która przemieszcza się w próżniach skalnych.

• Jej występowanie w porach i szczelinach jest wywołane napięciem powierzchniowym wody i przyleganiem do powierzchni skalnych

• Przyleganie zachodzi dzięki występowaniu sił międzycząsteczkowych

• Wysokość wzniosu jest uzależniona od średnicy porów i szczelin, w których znajduje się woda

• Im granulometryczność gruntu jest mniejsza tym wysokość podniesienia jest większa

Bajkiewicz-Grabowska E., Mikulski Z., 2005, Hydrologia ogólna, s.28

Skutki działania podsiąkania kapilarnego

• Podnoszenie terenu (np. pagórki mrozowe, palsa)

• Tworzenie się gleb strukturalnych i poligonalnych

http://ougseurope.org

Bilans wodny globu ziemskiego

Bajkiewicz-Grabowska E., Mikulski Z., 2005, Hydrologia ogólna, s.20

Podstawowe zadania

• Zmierzona na mapie w skali 1:25000 długość rzeki

wynosi 50 cm. Ujście znajduje się na wysokości 650 m n.p.m. Wiedząc, że spadek wyrównany rzeki wynosi 10‰ oblicz wysokość n.p.m. źródła.

• 1:25000

• 1 cm : 25 000 cm

• 1 cm : 250 m

• 50 cm x 250 m = 12500 m = 12,5 km

• 100 m – 10‰ (1%)

• 1000 m = 1km – 10 m

• 12500 m = 12,5 km – x

• X = 125 m

• 650 m + 125 m = 775 m (n.p.m.)

• Oblicz średni opad [mm] i objetość opadu [m

]

wiedząc, że między izohietami 500 i 600 mm znajduje się 16 km

, między izohietami 600 i 700 mm – 64 km

, a między izohietami 700 i 800 mm – 40 km

• Część I – średni opad

• Między izohietami 500 i 600 można przyjąć że średni opad wynosi 550 m

śr. opad pow. [km2]

550 16

650 64

750 40

suma

pow. 120

procent pow.

0,13 0,53 0,33

wielkość opadu w obrębie

poszczególnych izohiet 73,3

346,67 250

Suma = 670 mm

• Część II – Objętość opadu

Śr. opad [m]

0,55 0,65 0,75 śr. opad pow. [km²]

550 16

650 64

750 40

suma

pow. 120

pow. [m²]

16000000 64000000 40000000

Objętość [m³]

8800000 41600000 30000000

80 400 000 m

http://www.unep.org

Jak przeciwdziałać niedoborowi wody ?

http://www.architekt.bedzin.pl

DIME Hydrophobic Materials z ZEA oraz Helmut Schulze z Niemiec

• Opracowali hydrofobowy piasek

• 10-cio centymetrową warstwę piasku należy umieścić pod warstwą gleby

• Piasek hydrofobowy działa jak folia,

uniemożliwiając przesiąkanie wody w głąb gruntu

• Zdaniem autorów rolnicy muszą podlewać pola 5-6 razy dziennie. Dzięki piaskowi można

ograniczyć podlewanie do 1 razu na dzień

• Skład substancji nie jest znany, jednak uzyskał certyfikat bezpieczeństwa ekologicznego

niemieckiej Federalnej Agencji Ochrony

Środowiska

Zamiana wody słonej na słodką

• Obecnie w Instytucie Technologii w

Massachusetts trwają prace nad ukończeniem budowy takiego urządzenia

• W pewnych określonych warunkach fizycznych i chemicznych, w wyniku działania pola

elektrycznego cząstki (wśród których jest sól i organizmy) ulegają odseparowaniu

• Pod wpływem działania prądu elektrycznego wynaleźli sposób na zamianę wody słonej w słodką

• Urządzenie działa, lecz wymaga jeszcze wielu

poprawek technicznych. Na dzień dzisiejszy

nowa technologia nie może być wykorzystana.

GE Water & Process Technologies

• Obecnie na świecie jest blisko 2000 zakładów otrzymujących wodę pitną z wody morskiej

• Największa ich liczba jest na Bliskim Wschodzie (około 1700 zakładów)

• Wodę pitną uzyskuje się na dwa sposoby

• Wielostopniowa destylacja rzutowa

• Chłodna woda przepływa przez kolumny destylacyjne w których się ogrzewa

• Dopływa do grzejnika, gdzie jest przegrzewana pod dużym ciśnieniem

• Następnie przepływa dalej – do kolumny – w której panuje niższe ciśnienie. Zaczyna wrzeć

• Para w górnej części kolumny (na chłodnicy) skrapla się i trafia do odbieralnika

• Woda przepływa do kolejnej kolumny ciśnienia dalej spada i proces się powtarza, aż woda przejdzie przez wszystkie

kolumny

• Wymaga dostarczenia bardzo dużej ilości energii

• Odwrotna osmoza

• Słona woda pod dużym ciśnieniem jest wtłaczana do rury wyścielonej specjalną błoną

• Błona ta przepuszcza cząsteczki wody, jednak zatrzymuje cząsteczki soli

• Woda bez soli zbiera się przy ścianie rury, skąd jest przetłaczana do innego zbiornika.

• Często błona się zatyka i trzeba ją wymieniać przez co jest bardzo kosztowna

• Dziennie na świecie odsala się najprawdopodobniej ok. 29 mld litrów wody

Fale w przyrodzie - dźwięk

Fala

• Nie poruszają się razem z falą.

Wykonują drganie i pozostają na swoich miejscach

• Ruch falowy nie

powoduje transportu materii

• Powoduje zatem jakiś inny ruch ?

• Np. gdy położymy korek na wodzie. Co się stanie ?

Sławomir Jemielity, http://skarga.edu.pl

• Dopóki fala nie dotrze do korka będzie on w bezruchu.

• Przechodząca fala powoduje drgania korka,

uzyskuje on energię kinetyczną, którą przyniosła

ze sobą fala i zaczyna się przemieszczać razem

z falą

• A – amplituda fali – maksymalne wychylenie od poziomu 0

• T – okres fali – czas na wykonanie jednego pełnego drgania

• ƒ – częstotliwość – liczba drgań fali wykonanych w ciągu jednostki czasu (np. 1 sek)

• Wynika z tego, że częstotliwość to odwrotność okresu.

Mierzymy ją w hercach czyli odwrotnościach sekundy

• ƒ = 1 / T

• Jeśli okres drgań wynosi 0,1 sek. to częstotliwość wynosi 10 Hz (czyli dziesięć drgań przypada na 1 sekundę)

• Każda fala porusza się z jakąś prędkością (V)

• λ – długość fali – odległość między sąsiednimi grzbietami (lub dolinkami)

• Prędkość rozchodzenia się fali to droga / czas

• V = s / t

• Jaką drogę przebędzie fala po upływie jednego okresu ?

• Fala przemieści się o jedną swoją długość

• V = λ / t

• Częstotliwość to ƒ

• ƒ = 1 / T

• V = λƒ

• Co się dzieje gdy nakładają się dwie fale o jednakowej długości ?

• W miejscach spotkania grzbietu z grzbietem

(lub dolina z doliną) zachodzi

wzmocnienie fal

• Tam gdzie grzbiet

spotyka się z doliną następuje wygaszenie fal

• Zjawisko nakładania się fal to INTERFERENCJA

http://www.fizykakl2.yoyo.pl

http://www.fizykakl2.yoyo.pl

• Aby mogło dojść do maksymalnego

wzmocnienia fal musi wystąpić korelacja ich faz (spójność faz)

• Spójność amplitudy

• Spójność częstotliwości

Rodzaje fal w przyrodzie

• Fale mechaniczne w skorupie ziemskiej, związane z jej ruchami tektonicznymi - fale sejsmiczne. Pozwalają przewidywać trzęsienia ziemi oraz wybuchy

wulkanów.

• Fale morskie i oceaniczne, powodowane przez wiatr i zmiany ciśnienia mające miejsce nad zbiornikami

wodnymi oraz przez ruchy pływowe

• Promieniowanie Słońca, obejmujące głównie światło widzialne, ultrafiolet, podczerwień i fale radiowe

• Promieniowanie kosmiczne, promieniowanie

elektromagnetyczne radioźródeł, gwiazd, pulsarów i inne źródła kosmiczne.

• Fale dźwiękowe powstałe na skutek falowania wód, wodospadów, uderzeń piorunów, trąb powietrznych;

odgłosy zwierząt i ludzka mowa.

Ultradźwięki

• Fale o częstotliwościach wyższych od 20kHz a mniejszych od 10GHz

• Zastosowanie ultradźwięków

• Telekomunikacja podwodna

• Do określenia odległości obiektów pływających od powierzchni, głębokości i struktury dna morskiego, miejsca występowania ławic ryb czy wraków statków

• Do badan mikrostruktury ciał stałych (dla określenia czy zachodzą w nich zmiany pod wpływem np. obciążeń

mechanicznych, obróbki i działania temperatury)

• Wykrywanie wad opiera się na odbiciu fali na pęknięciach, rozdwojeniach, jamach osadowych, rysach i pęcherzykach powietrza, znajdujących się wewnątrz danego materiału

• Odbicie fali ultradźwiękowej następuje na skutek zmiany

współczynnika pochłaniania i akustycznych oporności falowych, które są powodem ugięcia, odbicia i załamania fali. Do badań mikrostruktury materiałów wykorzystuje się urządzenia zwane defektoskopami ultradźwiękowymi

• Piszczałki i gwizdki ultradźwiękowe

• Ultrasonograf w medycynie (odbijanie ultradźwięków od tkanki, kości czy mięśni zdrowych i chorych)

• Znalazły zastosowanie w terapii ultradźwiękowej, które

obejmuje działanie pobudzające krążenie, przeciwzapalne, znieczulające i rozkurczowe. Działanie fali ultradźwiękowej na tkanki ludzkie powoduje zmianę napięcia mechanicznego

tkanek na skutek ruchu drgającego (tzw. mikromasaże) oraz jej ogrzanie wywołane pochłanianiem energii fali.

• Za pomocą ultradźwięków można leczyć: mięśniobóle,

stłuczenia i skręcenia, zapalenie stawów, odmrożenia i wiele innych schorzeń. Za każdym razem bardzo ważne jest

określenie dawki fizycznej (pochłoniętej) dla danego

schorzenia. W związku z trudnościami z tym związanymi

terapeutyczne zastosowanie ultradźwięków jest ograniczone.

• W metalurgii - Wpływ ultradźwięków na właściwości krzepnącego szkła i metali ma na celu odgazowanie

tworzącego się stopu, rozdrabnianie ziaren oraz tworzenie stopów związków, które nie mieszają się w normalnych

warunkach. Ultradźwięki stosowane w procesie magnesowania materiałów ferromagnetycznych powodują jego utrwalanie i

zmniejszanie pozostałości magnetycznej. Przyspieszają

również proces azotowania powierzchni podczas hartowania stali. Za pomocą ultradźwięków można usuwać różnego

rodzaju zanieczyszczenia z małych elementów stosowanych w przemyśle optycznym i precyzyjnym.

• Metoda erozji ultradźwiękowej opiera się na oddziaływaniu

drgań ultradźwiękowych z ośrodkiem erozyjnym, który działając na obrabiany materiał powoduje odrywanie się od niego

maleńkich cząsteczek. Dzięki temu erozja ultradźwiękowa umożliwia żłobienie zagłębień i wykonywanie otworów oraz wycinanie dowolnych kształtów i profilów w takich materiałach jak szkło, węglik wolframu i węglik tytanu

• W przemyśle spożywczym – ich zastosowanie sprowadza się do uszlachetnienia artykułów spożywczych oraz upraszczania i skracania procesów produkcyjnych. Należą do nich m.in.

ekstrakcja chmielu (do produkcji piwa) i kawy, sztuczne

starzenie win i likierów. Ultradźwięki umożliwiają skrócenie

czasu obróbki masy czekoladowej i kakaowej przy zachowaniu aromatu, dzięki przyspieszeniu procesów utleniania i

depolimeryzacji. Oddziaływanie ultradźwięków na mleko umożliwia jego sterylizację na zimno przy równoczesnej homogenizacji.

• W przemyśle tekstylnym i papierniczym, wykorzystując fakt, że za pomocą ultradźwięków można rozpylać ciecze, stosuje się przetworniki ultradźwiękowe do suszenia taśmy papierowej i farby drukarskiej. Fale ultradźwiękowe wykorzystujemy również przy produkcji farb i lakierów, farbowaniu włókien tekstylnych oraz praniu silnie zabrudzonych wysokogatunkowych tkanin

• W przemyśle chemicznych – do przyśpieszenia reakcji chemicznych. Na skutek podwyższenia energii ruchu

cząsteczek, pod wpływem fal ultradźwiękowych występuje zmiana międzycząsteczkowych sił wiążących oraz

podwyższona wymiana elektronów dla wielu reakcji

chemicznych. W związku z tym zaobserwowano przyspieszenie reakcji utleniania, redukcji i kondensacji oraz polimeryzacji i

depolimeryzacji.

• W biologii i farmacji

Bakterie i wirusy poddane działaniu ultradźwięków o małym natężeniu są pobudzane do rozmnażania. Przy dużych

natężeniach fali ultradźwiękowej następuje niszczenie organizmów. W ten sposób, dobierając doświadczalnie

natężenie fali ultradźwiękowej udało się zniszczyć pałeczki duru brzusznego, stofilokoki, streptokoki itp. oraz wirusy wścieklizny.

Przyczyną zniszczenia jest nie tylko fizyczne działanie

ultradźwięków (kawitacja), lecz również działanie chemiczne, tj.

depolimeryzacja łańcuchów białkowych.

• Przy nadźwiękowieniu nasion i roślin kiełkujących,

ultradźwiękami o małym i średnim natężeniu, w większości przypadków zaobserwowano przyśpieszenie kiełkowania i wzrostu. Oprócz tych zastosowań istnieje również możliwość zabijania szkodliwych dla nasion grzybków pleśni i drożdży. W przemyśle farmaceutycznym bakteriobójcze działanie

ultradźwięków znalazło zastosowanie do sterylizacji środków farmaceutycznych. Dyspergujące działanie ultradźwięków umożliwia tworzenie trwałych emulsji i kruszenia kryształów różnych związków (np. penicyliny).

• W energetyce ultradźwięki stosujemy do nadźwiękowienia wody w kotle energetycznym, co zapobiega tworzeniu się kamienia kotłowego. Istniejące warstwy kamienia zostają rozluźnione i rozbite, a strącone wapno może być usunięte przez płukanie. Szeroko prowadzone badania wykazały, że

okresowo stosowane impulsy fal ultradźwiękowych o dobranych odpowiednio częstościach skutecznie chronią kocioł przed

powstawaniem kamienia kotłowego.

Zadania

• Na jeziorze rozchodzi się fala z szybkością 3 m/s. Korek pływający po powierzchni jeziora wykonuje jedno pełne drganie w czasie 2

sekund. Oblicz długość tej fali

• V = 3 m/s

• T = 2 s

• λ = ?

• V = λ / T

• λ = V x T

• λ = 3 m/s x 2 s = 6 m

• Stojąca w wodzie łódka wykonuje drgania o

okresie T = 4s. Jaka jest szybkość rozchodzenia się fal na wodzie, jeżeli odległość między

sąsiednimi grzbietami fal wynosi 8 m

• V = λ / T

• V = 8 m / 4 s

• V = 2 m/s

Obliczanie nakładania się fal

• W ośrodku liniowym, rozchodzące się z kilku źródeł zaburzenia spotykają się w punkcie P

• Przy założeniu, że fale są spójne, mają zgodne fazy,

zaburzenie P opisywane jest przez wzór: