Hydrologia i oceanografia 1

Ziemia nazywana jest Niebieską Planetą, ponieważ morza i oceany z wodą zasoloną zajmują ok. 70% jej powierzchni Z tego względu jest niezwykle istotne poznanie procesów zachodzących w środowisku wodnym Woda występuje również w postaci słodkiej czyli rzeki, jeziora, lodowce natomiast jej część wody znajduje się pod powierzchnią ziemi lub w atmosferze (chmury, para wodna). 

Ile jest wody na Ziemi? Cała woda na ziemi - kula o średnicy 1385 km, objętość = 1,386,000,000 km3 Woda słodka– kula o średnicy 272.8 km, objętość = 10 633 450 km3 Woda rzek i jezior kula o średnicy 56.2 km, objętość = 93,113 km3 Wg USGS (United States Geological Survey)- Amerykańska agencja naukowo-badawcza, zajmująca się problemami z zakresu nauk o Ziemi.

HYDROLOGIA to nauka przyrodnicza zajmująca się badaniem i opisywaniem hydrosfery, a więc wód powierzchniowych, podziemnych i atmosferycznych Przedmiotem badań hydrologii jest HYDROSFERA – przestrzeń na Ziemi, w której występuje: woda (oceany, morza, rzeki, jeziora, lodowce, gleby, grunty – wierzchnia warstwa litosfery, dolna warstwa atmosfery). Nazwa hydrologia pojawiła się w 2-giej połowie XVII w., a dotyczyła początkowo wód mineralnych i ich wykorzystania w lecznictwie.

We współczesnym pojęciu nazwa ta występuje dopiero w 2-giej połowie XIX w. W tym czasie zaczynają powstawać pierwsze służby hydrologiczne; w 1862 roku amerykański inż. Nathaniel Beardmore opublikował pierwszy podręcznik hydrologii. Na ziemiach polskich powstały służby hydrologiczne państw zaborczych (1874 r. rosyjska, 1893 r. austriacka i 1902 r. niemiecka). Polska służba hydrologiczna (hydro-graficzna) powstała w 1919 r. z inicjatywy Gabriela Narutowicza – jej pierwszym kierownikiem był Tadeusz Zubrzycki (1881-1937). Odrębnie powstała i działała służba meteorologiczna.

W 1945 r. powstał Państwowy Instytut Hydrologiczno-Meteorologiczny (PIHM), przekształcony w 1973 r. w Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW). Do najwybitniejszych polskich hydrologów okresu międzywojennego i powojennego należy zaliczyć profesorów Kazimierza Dębskiego (1895-1968) i Juliana Lambora (1901-1973). Julian Lambor Kazimierz Dębski

Podział hydrologii wg kryteriów

8

9

Jezioro – naturalny śródlądowy zbiornik wodny, którego występowanie uwarunkowane jest istnieniem zagłębienia (misy jeziornej), w którym mogą gromadzić się wody powierzchniowe, oraz zasilaniem przewyższającym straty wody wskutek parowania lub odpływu 10

Zbiornik retencyjny - sztuczny zbiornik wodny, który powstał w wyniku zatamowania wód rzecznych przez zaporę wodną. Zbiorniki te mogą pełnić wiele funkcji: rekreacyjna, energetyczna, przeciwpowodziowa, zaopatrzenia w wodę 11

Mokradło - (teren podmokły, bagno, moczary, trzęsawisko) - okresowo lub stale zabagnione, podtopione lub pokryte warstwą wody, teren silnie uwilgotniony, zalany wodą lub okresowo zabagniony 12

Staw - sztucznie stworzony, odizolowany od środowiska hydrogeologicznego nieprzepuszczalnym materiałem, zbiornik wodny budowany w celach rekreacyjnych, hodowli bądź tymczasowego przetrzymywania ryb 13

Kanał wodny – sztuczny ciek wodny, fragment drogi wodnej, którego celem jest połączenie istniejących naturalnych dróg wodnych. Tak powstałe drogi wodne znacznie ułatwiają żeglugę i wydatnie skracają czas podróży statków 14

Rzeka – naturalny, powierzchniowy ciek wodny płynący w wyżłobionym przez erozję rzeczną korycie, okresowo zalewający dolinę rzeczną. 15

A. Klimat wilgotny, umiarkowany Wpływ klimatu na stan wód A. Klimat wilgotny, umiarkowany B. Klimat suchy

Elementy doliny rzecznej koryto małej wody – woda płynie tędy cały rok koryto – najniższa część dna doliny rzecznej wyżłobiona przez rzekę, którą woda płynie przez większą część w roku terasa zalewowa (TZ)- część dna doliny rzecznej zalewana podczas wysokich stanów wód terasa nadzalewowa (TNZ)- obszar, który nie jest zalewany podczas wysokich stanów wód Łożysko = TZ + koryto rzeki łożysko TNZ TZ 1 koryto

Dorzecze – obszar, z którego wody powierzchniowe spływają do systemu określonej rzeki. Zlewnia – całość obszaru, z którego wody spływają do danej rzeki (jeziora, bagna itp.) lub jej fragmentu. Zlewnia dotyczy zarówno wód powierzchniowych, jak i podziemnych. Zlewnia jest (może być) częścią dorzecza danej rzeki. Przepływ (natężenie przepływu rzeki) – ilość wody przepływającej przez przekrój poprzeczny koryta w określonym czasie. Rozkład prędkości wody w korycie rzeczywistym: - z reguły największa w okolicach środka nieco poniżej lustra wody - w zakolach po stronie zewnętrznej prędkość największa

Nagłe podniesienie się stanu wody w danym miejscu utrzymujące się przez kilka dni nazywamy WEZBRANIEM. Wezbrania wywoływane intensywnymi opadami są częstsze i obejmują większe obszary zlewni. Wezbrania spowodowane piętrzeniem wody maja zasięg lokalny. Następstwem wezbrania jest powódź. Powstaje ona na skutek opadów i zatorów wodnych. Rozróżniamy następujące typy wezbrań: opadowo - nawalne, które spowodowane są gwałtownymi opadami w okresie letnim opadowo - rozlewne, spowodowane ciągłymi opadami roztopowe, spowodowane roztopami pokrywy śnieżnej zatorowo - lodowe, które spowodowane są spiętrzeniem pokrywy lodowej w danym miejscu

Wielkość i przebieg wezbrań zależą od: - intensywności i ilości opadów - zdolności retencyjnej zlewni (duża retencyjność/małe wezbrania) - szaty roślinnej - udziału powierzchni z opadem w całkowitej powierzchni zlewni - formy koryta i jego spadku - kształtu koryta i układu sieci rzecznej

Odwrotnym zjawiskiem wezbrań są NIŻÓWKI Odwrotnym zjawiskiem wezbrań są NIŻÓWKI. Są to okresy stanów wody w korycie rzeki, które są spowodowane ograniczonym zasilaniem wynikającym z wyczerpywania się zasobów wodnych zlewni, małymi opadami lub ich brakiem, wysokimi mrozami w zimie oraz wysoką temperaturą. Niżówka rozwija się w kilku fazach: susza atmosferyczna (brak opadów) susza glebowa (wysychanie wody w przestrzeniach gruntu) susza hydrologiczna (obniżenie się poziomu wód gruntowych, zanikanie wody w źródłach i małych ciekach)

Zmiany temperatury w wodach płynących Temperatura wód powierzchniowych. Wody płynące W wodach płynący temperatura jest zależna od takich czynników jak: nasłonecznienie temperatura powietrza dopływ wód podgrzanych (ścieki) pora roku odległość od źródła b) Wody stojące Temperatura wody zależna jest od: - głębokości - ruchu i mieszania się wody Zmiany temperatury w wodach płynących 15 ̊ 13 ̊ 10 ̊ 8 ̊

W klimacie umiarkowanym w wodach stojących wyróżnia się zmiany temperatury w zależności od pory roku: LATO (ANOTERMIA) – stratyfikacja termiczna prosta. W zbiorniku tworzą się trzy warstwy: Epilimnion - woda najcieplejsza, spada temperatura wraz z głębokością. Metalimnion - warstwa przejściowa, występuje tu nagły spadek temperatury (warstwa skoku termicznego). Hypolimnion – warstwa najzimniejsza. Temperatura 6–4̊ C.

ZIMA (KATOTERMIA) – stratyfikacja termiczna odwrócona ZIMA (KATOTERMIA) – stratyfikacja termiczna odwrócona. Woda cieplejsza znajduje się pod warstwą wody zimniejszej. 0,5 ̊C POKRYWA LODOWA 4 ̊ C WIOSNA, JESIEŃ (HOMOTERMIA) – wyrównanie termiczne wody. Temperatura w całym zbiorniku wynosi ok 4 ̊ C. WIATR 4 ̊ C

Cykl krążenia wody w przyrodzie spływ wody po powierzchni terenu (spływ powierzchniowy) wsiąkanie wody w grunt (infiltracja) powstawanie wód powierzchniowych i podziemnych oraz ich ruch zgodnie ze spadkiem zwierciadła wody magazynowanie wody w postaci śniegu, lodowców itp. (retencja) 26

Wody podziemne Wody podziemne dzielą się na dwie strefy: - aeracji (napowietrzania) - występuje od powierzchni Ziemi do zwierciadła wód podziemnych. Pory i szczeliny są wypełnione powietrzem, woda w tej strefie występująca jest związana siłami międzycząsteczkowymi z ziarnami skały. Głębokość tej strefy wynosi od 0m (na bagnach) do kilkudziesięciu metrów. - saturacji (nasycenia) – występuje od zwierciadła wód gruntowych w głąb Ziemi na różnych głębokościach.

Obieg wody 29

Bilans wodny: Zestawienie obiegu wody w przyrodzie na poszczególnych obszarach (dorzecze, zlewisko itd.), z rozróżnieniem na przychody i rozchody (odpływy). Bilans mierzy się, biorąc pod uwagę ilość opadów na danym terenie, odpływ powierzchniowy i podziemny z danego terenu, parowanie.

Wskaźniki jakości wód Wskaźniki jakości wód – wskaźniki określające stan jakościowy wód, tj. ilość i rodzaje zawartych w wodzie zanieczyszczeń oraz kondycję biocenoz wodnych. Wyróżnia się wskaźniki fizyczne, chemiczne biologiczne. 31

Wskaźniki fizyko-chemiczne Wskaźniki jakości wód Wskaźniki fizyko-chemiczne Wskaźniki chemiczne: odczyn wody, utlenialność, twardość wody, zasadowość, kwasowość, poziom substancji biogennych (zwłaszcza związków azotu i fosforu), zawartość chlorków, siarczanów, żelaza, rozpuszczonego tlenu, Wskaźniki fizyczne: temperatura, zapach, smak, mętność, przezroczystość, barwa wody. 32

Wskaźniki biologiczne Wskaźniki jakości wód Wskaźniki biologiczne - ilość chlorofilu a (jako miara obfitości fitoplanktonu) - wskaźniki okrzemkowe IO oraz OIJ (jako miara kondycji fitobentosu) - Makrofitowy Indeks Rzeczny (MIR) oraz Makrofitowy Indeks Stanu Ekologicznego Jezior (ESMI) (jako miara kondycji makrofitów) Wskaźniki biologiczne stosowane w Polsce przy ocenie wód pitnych to miano mikroorganizmów różnego typu: - bakterii z grupy coli, - bakterii z grupy coli typu kałowego, - paciorkowców kałowych - bakterii z rodzaju Salmonella 33

KLASY CZYSTOŚCI WÓD Parametr I klasa Woda b.dobrej jakości II klasa Woda dobrej jakości III klasa Woda zadowalającej jakości IV klasa Woda niezadowalają-cej jakości V klasa Woda złej jakości, nie spełnia wymagań do zaopatrzenia ludności zaopatrzenie ludności w wodę do spożycia brak zan. antropogen. umiark. zan. antropogen dużo zan. antropog. Zawiesiny, mg/l 15 25 50 100 > 100 Tlen rozp. mg/l 7 6 5 4 <4 BZT5, mgO2/l 2 3 12 >12 Substancje rozp. mg/l 300 500 800 1200 >1200 Azot amonowy, mgNH4/l 0,5 1 >4 34

KLASY CZYSTOŚCI WÓD – pojęcia BZT5 – biochemiczne zużycie tlenu Pojęcie umowne oznaczające ilość tlenu zużywanego na utlenienie substancji organicznych zawartych w wodzie lub ściekach, przy udziale żywych bakterii. Wskaźnik stosowany do kontroli jakości wód, określania podatności ścieków na biologiczne oczyszczanie, wpływu ścieków na odbiornik i kontroli pracy oczyszczalni Ładunek zanieczyszczeń Ł Ilość (masa) zanieczyszczeń dopływających do odbiornika (oczyszczalni) w jednostce czasu Ł = Q x C [m3/s x g/m3 = g/s] Q – natężenie przepływu, m3/s C – stężenie zanieczyszczenia, g/m3 35

OGÓLNA KLASYFIKACJA JAKOŚCI WÓD W 2003 ROKU (NA PODSTAWIE KRYTERIUM FIZYKOCHEMICZNEGO I BAKTERIOLOGICZNEGO) wg. raportu Greenpeace 2008

wg. Raportu IMGW

Klasyfikacja stanu ekologicznego rzek wg. Raportu GIOŚ

Ilość wprowadzanych ścieków do rzek Polski w 2006r, wg. raportu Greenpeace 2008.

Urządzenia służące do pomiaru stanu wód łata wodowskazowa Pomiar raz na dobę, przy wyjątkowo silnych zmianach stanów wody 3 razy na dobę.

Urządzenia służące do pomiaru stanu wód wodowskaz skośny (schodkowy) – ułatwia pomiar przy przesuwającej się linii brzegowej wraz ze zmianą stanu wody, nie utrudnia spływu wody i kry lodowej

Urządzenia służące do pomiaru stanu wód wodowskaz samopiszący (limnigraf) urządzenie mierzące stan rzek, jezior, mórz (mareograf) składa się z rury w której założony jest pływak, który rejestruje stan wody analogowo lub cyfrowo 42

pionowe: deszcz, mżawka, śnieg, grad Opad atmosferyczny – ogół ciekłych lub stałych produktów kondensacji pary wodnej spadających z chmur na powierzchnię Ziemi. Dzieli się je na opady pionowe i poziome (osady atmosferyczne). pionowe: deszcz, mżawka, śnieg, grad - poziome - ciekłe (rosa) - stałe (gołoledź, szadź, szron) Rosa Mgła Deszcz Grad Śnieg

Rozkład opadów atmosferycznych na kuli ziemskiej Na wielkość opadów wpływa: szerokość geograficzna, oddalenie od oceanów, wysokość nad poziomem morza, rzeźba terenu, prądy morskie

Urządzenia służące do pomiaru opadów Deszczomierz Hellmana: - powierzchnia wlotowa 200 cm2 1 metr nad gruntem - opad mierzony w mm (lub l/m2) - odpowiednio wyskalowany cylinder pozwala szybko uzyskać wynik (l/m2) Opady zbierające się w naczyniu dostają się do zbiornika przez lejek. W określonych terminach (raz dziennie 7 rano) zbiornik zostaje wyjęty, a nagromadzona woda zostaje przelana do menzurki (wykalibrowanej odpowiednio do wielkości powierzchni chwytnej pluwiometru); odczyty są dokonywane z dokładnością do 0,01 mm. Standardowo deszczomierz umieszcza się na wysokości 1 m nad ziemią; odległość od otaczających zabudowań i drzew powinna być dwukrotnie większa od ich wysokości.

Urządzenia służące do pomiaru opadów Totalizator (deszczomierz sumujący) Stosowany w terenach trudnodostępnych, głównie w górach. Służy do pomiaru sum opadów przez okres miesiąca czy roku.

Urządzenia służące do pomiaru opadów Pluwiograf: umożliwia ciągły zapis opadów (rejestruje ich ilość, czas trwania i natężenie) zbiorniczek z pływakiem bęben dobowy/tygodniowy Stosuje się również pluwiografy elektroniczne zliczające impulsy elektryczne generowane przez wpadającą do pluwiografu wodę

Zanieczyszczenia powietrza - Kwaśne deszcze

Zanieczyszczenia powietrza - Efekt cieplarniany

Arktyka – topnienie lodu Każdego dnia ubywa drastycznie ilość lodu w Arktyce. 1980 2012 PIOMAS Polar Science Center Applied Physics Laboratory University of Washington

Arktyka – bogactwa naturalne Kwestia topniejącej Arktyki i jej ogromnych złóż naturalnych jest obecnie przedmiotem działań dyplomatycznych. Wkrótce te tereny mogą stać się ważnym obszarem strategicznym, co może doprowadzić nawet do konfliktów militarnych.

National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) National Oceanic and Atmospheric Administration 1401 Constitution Avenue, NW Room 5128 Washington, DC 20230

Ile jest wody na Ziemi ? Cała woda na ziemi - kula o średnicy 1385 km, objętość = 1,386,000,000 km3 Woda słodka– kula o średnicy 272.8 km, objętość = 10 633 450 km3 Woda rzek i jezior kula o średnicy 56.2 km, objętość = 93,113 km3 Wg USGS (United States Geological Survey)- Amerykańska agencja naukowo-badawcza, zajmująca się problemami z zakresu nauk o Ziemi.

Rejon Arktyki – ok. 7m Antarktyda - 73,44 Wsch. część – 64,80 Zach.część – 8,06 Ogółem = 80,44 m

Wschodnie wybrzeże USA 18,000 lat temu Wschodnie wybrzeże USA Washington New York Philadelphia Images from William Haxby at the Lamont-Doherty Earth Observatory

Topnienie zachodniego lodowca Antarktydy Washington New York Philadelphia

Topnienie zachodniego i wschodniego lodowca Antarktydy Washington New York Philadelphia

18,000 lat temu Wybrzeże Florydy USA New Orleans Jacksonville Miami

Topnienie zachodniego lodowca Antarktydy New Orleans Jacksonville Miami

Topnienie zachodniego i wschodniego lodowca Antarktydy New Orleans Jacksonville Miami

18,000 lat temu, Północna Europa Copenhagen Rotterdam London Paris

Topnienie zachodniego lodowca Antarktydy Copenhagen Rotterdam London Paris

Topnienie zachodniego i wschodniego lodowca Antarktydy Copenhagen Rotterdam London Paris

Azja, Półwysep Indochiński 18,000 lat temu, Azja, Półwysep Indochiński Bangkok Ho Chi Minh City

Topnienie zachodniego lodowca Antarktydy Bangkok Ho Chi Minh City

Topnienie zachodniego i wschodniego lodowca Antarktydy Bangkok Ho Chi Minh City

Hydraty metanu Hydraty metanu to krystaliczna forma wody i metanu - cząsteczki metanu są uwięzione w "klatkach" z cząsteczek wody. Hydraty wyglądają jak lód, a w dotyku mają konsystencję styropianu. Są też łatwopalne, a ze względu na ich olbrzymie zasoby zastanawiano się nawet nad wykorzystaniem ich jako źródła energii.

Metan, wchodzący w skład hydratów, produkowany jest przez bakterie w procesie fermentacji beztlenowej, a ich pokłady gromadziły się przez dziesiątki milionów lat. Wielkość zasobów jest bardzo różnie szacowana, ale nie ulega wątpliwości, że znacząco przewyższają złoża gazu ziemnego.

Hydraty metanu są stabilne w temperaturze do ok Hydraty metanu są stabilne w temperaturze do ok. 20°C pod wysokim ciśnieniem, panującym na głębokości 1500 metrów. Ich pokłady są zgromadzone w stokach oceanicznych w większości przypadków przykryte warstwą osadów. Rys. Stabilność pokładów hydratów metanu. Cztery biegnące od górnej do dolnej krawędzi krzywe pokazują zależność temperatury od głębokości dla różnych szerokości geograficznych. Uwagę zwracają niskie temperatury na małych głębokościach w rejonach polarnych. Gruby czarny łuk biegnący od lewego górnego rogu w dół, to granica stabilności hydratów metanu - są one stabilne z lewej strony krzywej. Przykładowe obszary stabilności hydratów metanu pokazują czarne trójkąty. Począwszy od dna oceanicznego w głąb ziemi, temperatura wzrasta, aż osiąga poziom, za którym metan nie może już istnieć w postaci hydratów (choć może istnieć w formie gazowej). Niskie temperatury w rejonach biegunowych zapewniają możliwość istnienia złóż hydratów nawet na niewielkich głębokościach Pod wpływem rosnącej temperatury będące w stanie stabilności (nasycenia) pokłady hydratów metanu mogą stać się niestabilne. Szczególnie dotyczy to płytko położonych złóż Arktycznych.

Złoża hydratów metanu na świecie Znalezione Wydedukowane

Zanieczyszczenia powietrza - Dziura ozonowa

Warstwa ozonowa Rozpad O3 Freony Przy długości fali 0,24-0,29 μm rozpad ozonu

Warstwa ozonowa w latach 1979-2011

Zmiany warstwy ozonowej w 2012 r. lipiec-październik

Belemnity (z gr. belemnon - pocisk, strzała) – rząd wymarłych morskich głowonogów żyjących w jurze i kredzie, wymarły w czasie masowego wymierania kredowego.

Wielkość od kilkunastu cm do nawet 3m (Megateuthis gigantea).