Согласно закону Генри, количество газа, растворенного в жидкости, определяется выражением

m = pk (2)

где - коэффициент растворимости газа.

Изменение содержания свободного газа в воде, его вариации по составу и фазе обусловливают изменения в гидрохимических свойствах природных вод. Так, вследствие очень высокой растворимости углекислого газа такие факторы, как изменение минерализации, и даже относительно невысокий температурный перепад, по-видимому, повлияют на его переход в свободную фазу. Причем вследствие малых значений коэффициента диффузии всех газов в воде их обмен с атмосферой путем молекулярной диффузии, даже при наличии турбулентной конвекции на один-два порядка ниже, чем обмен через свободный газ, из-за большой скорости движения газовых пузырьков. По-видимому, при наличии микро- и макропузырьков газа их свободные границы служат источником концентрации и инициирования перехода углекислого газа в газовую фазу. По крайней мере вследствие большого числа газовых пузырьков активная поверхность межфазных границ в водных средах увеличивается на несколько порядков. Вариации углекислого газа в водной среде обусловливают и изменение таких важнейших характеристик, как рН, выделение и растворение твердой фазы.

Вместе с тем увеличение поверхности межфазных границ приводит к большему осаждению на них продуктов адсорбции, особенно органических веществ. При схлопывании микропузырьков при кавитации, а также, что не менее существенно, при их разрыве при поднятии на поверхность жидкости идут локально физические процессы, характеризующиеся необычайно высокими энергетическими характеристиками, для создания которых в лабораторных условиях нужны большие энергии. Так, имеют место огромные импульсные давления, электрические разряды, ионизация, деструкция органических молекул [83]. Тонкие органические пленки превращаются в микрочастицы вещества, происходит иони-зация пограничных слоев и т. п.

Природные воды - многофазные системы. При вихреобразова-нии жидкости в кавитационном режиме, нагреве, замерзании, изменении минерализации и в зависимости от типа газа, растворенного в воде, количество спонтанного газа может резко увеличиваться и Ог становится порядка 10~2-ю-* и более. Размеры пузырьков доходят до нескольких миллиметров. Подобную систему следует рассматривать как систему, обладающую физико-химическими свойствами, резко отличными от свойств чистой воды, и приближающуюся к двухфазной среде, т. е. газовым суспензиям. Наличие низкомолекулярных ионов в природных водах низких концентраций приводит к возникновению вокруг заряженных микрочастиц, бактерий, газовых пузырьков двойных электрических слоев и макроскопических объемных зарядов, обусловленных процессами обмена со средой.

Оценим область свободной воды в одном кубическом сантиметре шриродной воды, содержащей в единице объема =10 частиц/см*. Как отмечено выше, в природных водах По 10* частиц/см. Обозначим радиус сферической области, в центре которой находится частица или газовый пузырек:

/о = /-ч + Дг9п-Ь ДГс

св1

где Гч -радиус частицы или газового пузырька; примем - 10 мкм; Агэп -расстояние, на которое действуют поверхностные электрические силы частиц, несущих обычно электрический заряд. Протяженность действия таких сил в воде вследствие деформации диффузных двойных слоев в реальных природных условиях, где имеет место естественная тепловая конвекция, может достигать порядка 10-2-IQ-3 см [71]; Дгсв - расстояние, на котором уже не действуют силовые поля частицы, т. е. зона свободной воды.

Следовательно, на одну частицу приходится объем жидкости w~lO~ см. Считая частицу сферической, получаем

г = 10-п/*/з 10- см.

Так как гч 10 mkmsIO см, Агди1(У~ см, то Дгсв->-0, т. е. область свободной воды практически отсутствует.

Учет многофазной структуры природных вод во всей их сложности позволяет объяснить наблюдаемые макроскопические гидрофизические и гидрохимические эффекты при воздействии на водные среды малых энергетических воздействий.

2. Электромагнитная гидрофизика как раздел общей гидрофизики

Электромагнитная гидрофизика природных вод является областью физики вод суши (рис. 3), исследующей: 1) закономерности физических процессов, происходящих в природных водных объектах под воздействием ЭМП как естественной, так и антропогенной природы; 2) электромагнитные явления, происходящие в них при движении водных масс в областях различных масштабов (от микрон и выше). Поэтому к вопросам, представляющим интерес для данной проблемы, по-видимому, можно отнести физические процессы, протекающие при движении грунтовых и подземных вод, течении воды в водоемах, реках, озерах, а также процессы, связанные с осадками в различном агрегатном состоянии.

Некоторые закономерности и проблемы электромагнитной гидрофизики являются общими проблемами не только физики вод суши, но и физики вод моря. Так, например, в [148] затронуты вопросы электромагнитных явлений в океане, электрических и магнитных свойств воды, приведена классификация ЭМП в океане, рассмотрены причины возникновения теллурических токов в нем.

Прикладные аспекты электромагнитной гидрофизики определяются возможностью изучения гидрологических процессов при

помощи методов электромагнитной регистрации этих явлений, а также развития методов и средств, основанных на применении электрических и магнитны:х полей для направленного воздействия на природные воды, используемые в народном хозяйстве.

Одна из основных проблем современности-сохранение природных вод от необратимого загрязнения, поиск методов без-реагентной обработки таких вод и методов их очистки от вредных примесей [133]. С этой точки зрения представляется перспектив-

прцродшЕ вот ш

ОТКРЫТАЯ ТРШ АЗНДЯ ШОГОКОШОНШШАЯ ОИСТША

гицротиажА

ПРИРОДНЫЕ ВОДНЫЕ

оБьасги

СЛаТР1ЯЕ(жие и ГАГНИТШЕ свойства

ПРИРОДНЫХ вод

ПРИ РАЗЛИЧНЫХ

SA3fflia состояниях зоды

;аЕКтра.!Агн1гнА.ч

ПИРМИЗИКА

ФИЗИКА тшт., шшшш в МКРО-ОБЬВЙХ и в ОЕ.ЧАСТ;! Ш4ЛЭНЫХ ГРАНИЦ

в ттшш ВОДАХ

под ДЕВСТВИШ

алшричшои и НАГнигнш поли

Рис. 3. Структура электромагнитной гидрофизики природных вод.

ным поиск любых методов, позволяющих снизить затраты природных пресных вод, шире использовать сбросные, оборотные и минерализованные воды. Не менее важной становится и задача своевременной идентификации распространения примесей в водоемах.

К прикладным аспектам электромагнитной гидрофизики также можно отнести проблемы физического моделирования различных геофизических явлений в атмосфере, ионосфере и на акваториях. Трудности изучения этих явлений в реальных масштабах обусловили поиск методов моделирования в лабораторных условиях с минимальным воздействием на моделируемые системы и процессы. Магнитогидродинамический метод создания в воде поля объемных массовых сил любой заданной конфигурации и интенсивности, разработанный авторами совместно с сотрудниками Института физики атмосферы АН СССР, позволяет решать задачи моделирования линейных и нелинейных гидродинамических явлений.

При рассмотрении воздействия на свойства природных вод таких физических факторов, как гидродинамический режим течения, температурные и электромагнитные поля, обычно не учитываются