Norbert Szmolke

Hydrologia

Hydrologia

Zjawiska hydrologiczne

Rozkład temperatury wody w jeziorze

Wiosną, po stopieniu lodu powierzchniowa warstwa wody ogrzewa

się. Gdy osiągnie 4

O

C (największa gęstość 999,7 kg/m

3

) opada

na dno, wypychając lżejszą wodę. Proces ten trwa do
całkowitego wymieszania wody w zbiorniku. Dzięki temu w
całym jeziorze następuję wyrównanie zawartości tlenu,
dwutlenku węgla i substancji odżywczych.

Rozkład temperatury wody w jeziorze

Latem mieszają się tylko górne warstwy nagrzanych słońcem wód,

a dolne, zimniejsze i cięższe pozostają nieruchome. W górnej
warstwie wody występuje więcej tlenu. Głębiej wykorzystuje się
jedynie wiosenne zapasy.

Lato jest trudnym okresem dla organizmów

żywych.

Rozkład temperatury wody w jeziorze

Jesień to czas intensywnego mieszania wody w jeziorze. Jezioro

osiąga w miarę wyrównaną temperaturę i nasycenie w składniki
pokarmowe. Czasem pojawiają się pierwsze formy zlodzenia.

Rozkład temperatury wody w jeziorze

Zima to trudny okres dla organizmów żywych w jeziorze. Tafla

jeziora bywa przykryta lodem. Tworzenie się powierzchniowej
warstwy lodu ogranicza znacząco wychłodzenie wody i
zamarznięcie zbiorników do dna. Niezatapialny lód utrzymuje
się jedynie w górnej warstwie wody, pozostawiając organizmom
ż

ywym możliwość egzystencji w warunkach zimowych.

Rozkład temperatury w rzece

Zarastanie rzek i stawów

Rzeka

Staw

Zarastanie zależy od:

• Kształtu i głębokości koryta,
• Prędkości ruchu wody,
• Częstości i wahań stanów wody
• Dostępu światła słonecznego
• Sposobu zasilania cieku wodnego
• Temperatury wody.
W Polsce wegetacja roślin wodnych trwa średnio

od kwietnia do września.

Znikanie jeziora - etapy

Stadium pocz

ątkowe – woda rzeczna rozpoczyna

nanoszenie rumowiska

Drugi etap

Rzeka usypuje delt

ę

Kolejny etap

Delta powi

ększa się; pojawia się roślinność lądowa

Ostatni etap

Misa jeziora, wypełniona materiałem rzecznym i

zaro

śnięta roślinami lądowymi

Lód - woda w stanie stałym, tworząca kryształy, które

w warstwach o większej miąższości dają kolor
niebieskawy.

Proces zamarzania wody zachodzi w temperaturze 0°C

przy ciśnieniu atmosferycznym wynoszącym 101 325
Pa.

Przy obniżaniu się temperatury gęstość wody nie

wzrasta. Maksimum jej gęstości występuje przy 4°C,
następnie nieco maleje. Przy zamarzaniu gęstość
wody maleje o 10 procent. Dzięki temu lód pływa.

Zbiorniki wodne zamarzają w związku z tym od

powierzchni w dół.

Lód

Tworzenie się lodu

Z atmosfery

lód spada zwykle w formie krystalicznej,

na przykład w postaci igieł lodowych, krupy czy
gradu.

Na powierzchni

ziemi tworzy się przez zamarzanie

wody na gruncie, na przykład w postaci: gołoledzi,
ś

lizgawicy czy podczas przymrozku przygruntowego

czy poprzez zamarzanie zbiorników wodnych.

Tereny leżące w cieniu lasów czy gór to miejsca

szczególnie podatne na powstawanie lodu. Są nimi na
przykład drogi prowadzące przez lasy, również atak
wiatru może spowodować oblodzenie. Zależność tego
zjawiska zależy od pory roku i szerokości
geograficznej.

Tworzenie się lodu

Lód na

morzu

, w miarę obniżania się temperatury

wody, przyjmuje coraz trwalsze formy, aż do
powstania zwartej pokrywy lodowej. W czasie wiatru
i silnych fal obserwuje się pękanie pokrywy lodowej
oraz tworzenie kry i ławic lodu. Podczas topnienia
lodu na zamarzniętych zbiornikach wodnych jego
pękanie wywołuje powstawanie dryfującej kry.

W

okolicach podbiegunowych

zamarznięta woda

tworzy góry lodowe. Niektóre z nich osiągają
olbrzymie rozmiary. Rekordowa pod względem
wielkości góra lodowa została odkryta w 1956 roku
na południowym Pacyfiku. Jej powierzchnia miała
ponad 31,000 km² - co stanowi około 1/10
powierzchni Polski.

Formy zlodzenia rzeki pojawiające się w fazie zamarzania,

trwałej pokrywy lodowej i spływu lodu. Określa się je
wizualnie na podstawie wyglądu zewnętrznego. W fazie
zamarzania występują: śryż, lepa, lód denny, lód brzegowy i
częściowa pokrywa lodowa.

Pierwszą fazę zlodzenia kończy trwała i nieruchoma

pokrywa

lodowa

o gładkiej lub nierównej powierzchni, pokrywająca

zwierciadło wody na całej szerokości rzeki. Pod stałą pokrywą
mogą występować podbitki śryżowe.

Trzecią fazę rozpoczyna kruszenie i spływ lodu a formami

zlodzenia są tu kra i zator.

• Śryż

- lód o strukturze gąbczastej, tworzący się w całej masie

przechłodzonej wody. Łącząc się wypływa na powierzchnię
tworząc krążki śryżowe, a te z kolei mogą tworzyć pola
ś

ryżowe.

Lód na rzekach

Budowa pokrywy lodowej, składającej się z luźnych krążków

Krążek lodowy Połączenia krążków lodowych

tworzą pole śryżowe

Wzajemne kolizje krążków lodowych - w ich wyniku powstają kolisty kształt i białe,

wystające brzegi

Stopień zlodowacenia rzeki – monogram do jego określania na podstawie zagęszczenia krążków śryżowych

• Lepa - śnieg przesiąknięty wodą.

• Lód denny - gąbczasta masa tworząca się na występach

dennych i roślinności wodnej. Po osiągnięciu dużych objętości
wypływa na powierzchnię, gdzie łącząc się ze śryżem i lepą
tworzy lód prądowy (w postaci krążków otoczonych białym
wianuszkiem).

•Lód brzegowy - oblodzenie rzeki w linii zwilżonej,
rozwijające się od brzegów koryta ku środkowi.

•Częściowa pokrywa lodowa - nierównomierna pokrywa
lodowa, będąca następstwem rozwoju lodu brzegowego.
Rozciąga się na całej szerokości rzeki lecz ma liczne miejsca
niezamarznięte.

Fazy zlodzenia rzeki

• zamarzanie

• trwała pokrywa lodowa

• spływ lodu

W każdej z nich może wystąpić śryż, lepa, lód

denny i inne.

Fazy zlodzenia rzeki

Krążki lodowe i śryż, przymarzając do brzegu, zamieniają się w lód brzegowy

Kolizje krążków lodowych z lodem brzegowym - biały wał na brzegu

Częściowa pokrywa lodowa

Pokrywa lodowa na Wiśle

Kra i krążki śryżowe w pokrywie lodowej

Lodospad

Lodowy stalaktyt

Czterotonowa bryła lodu na plaży w Islandii

Bezpieczeństwo na lodzie?

Przykładowa wytrzymałość lodu o różnej grubości

Przedstawiona tabela dotyczy przede wszystkim lodu czarnego - świeżego, krystalicznego,
który występuje właściwie jedynie w równo zamarzniętych zbiornikach z wodą stojącą.
Na rzekach takie zjawisko występuje bardzo rzadko.

• Lód szary

lub śnieżny może mieć mniejszą wytrzymałość,

nawet o 50% w stosunku do lodu czarnego. Lód czarny na
wodach, gdzie występuje prąd wodny może mieć mniejszą
wytrzymałość, nawet o 20%.

• Nowy, świeży lód

[przeważnie czarny] jest bardziej

wytrzymały od starego lodu.

• Śnieg leżący na lodzie może go izolować i wzmacniać

;

jednocześnie może być niebezpieczny, ponieważ zasłania tzw.
pęknięcia ciśnieniowe i inne miejsca z otwartą wodą -
przeręble, płonie.

• Zaspy osłabiają narastanie lodu w miejscach ich

występowania

; wiosną zapoczątkowują powstawanie

niebezpiecznych miejsc, tzw. oparzelisk, płoni.

• Na jeziorach należy szczególnie uważać na pęknięcia

ciśnieniowe

[szczeliny], które powstają z powodu zmian

temperatury. Pęknięcia ciśnieniowe rokrocznie tworzą się
zazwyczaj w tych samych miejscach, szczególnie tam gdzie na
dnie istnieją jakieś przeszkody.

• Szklisty, przezroczysty lód wydaje się być bezpieczny

,

jednak sytuacja może ulec szybko zmianie, szczególnie
wtedy, kiedy przedostaje się pod niego powietrze.
Również silny wiatr może spowodować, że lód pęka,
tworząc niebezpieczną szczelinę.

• Ujścia ścieków, jako źródła cieplejszej wody, zamarzają

tylko w bardzo niskiej temperaturze i tam wejście na lód
jest niebezpieczne.

• W pobliżu mostów

, budowanych zwykle w

przewężeniach,

występują prądy wodne, a wskutek

sporych ilości ciepła wydzielonego przez pojazdy woda
zamarza słabiej i wolniej

. Lód kryje tam z reguły

niebezpieczne niespodzianki.

• Wiosną pod wpływem słońca, wiatru i opadu deszczu

zwarta dotychczas krystaliczna struktura tafli lodu
zaczyna dzielić się na pionowe, wąskie, długie kryształy,
tworząc luźno ułożone tzw. szpilki - taki lód mimo swej
znacznej grubości jest bardzo słaby i niebezpieczny.

• Kra

- części popękanej pokrywy lodowej

unoszone z prądem rzeki.

• Zator

- specyficzna forma zlodzenia rzeki.

Tworzy się w przewężeniach koryta, na
mieliznach i przy utrudnionym spływie (np.
kra w górze rzeki i stała pokryw w dole), z
nagromadzonego lodu prądowego (zator
ś

ryżowy) lub kry (zator lodowy).

Zator z kry lodowej – rzeka występuje z brzegów

Zator lodowy

Zabezpieczenie budowli hydrotechnicznej przed krą – most Karola w Pradze

Sie

ć posterunków wodowskazowych –

obserwacja zjawisk lodowych

Stany pokrywy lodowej

w

w

w

.p

ogod

yn

k

a.

p

l

/pr

odukt

y/

zl

odz

eni

e.

g

if

Kanał boczny TRYNKA – Wisła w Grudziądzu

Zjawiska morskie

Pływy morskie

Przypływy i odpływy

– regularnie powtarzające się podnoszenie i opadanie

poziomu wody w oceanie i morzu.

Wywołuje je zjawisko pływowe, a konkretnie siły grawitacyjne Księżyca
oraz, w mniejszym stopniu, Słońca oraz siła odśrodkowa wywołana obrotem
Ziemi wokół środka ciężkości układu Ziemia - ciało niebieskie działające na
naszą planetę.

Przeciętny czas między przypływami wynosi 12 godzin i 24 minuty

.

Zjawisko pływów zostało po raz pierwszy matematycznie opisane w 1687 r.
przez Isaaca Newtona.

Zjawisko pływowe – zmiana kształtu ciała niebieskiego w wyniku zmiennego

wpływu grawitacji innego ciała niebieskiego (dzięki tzw. sile pływowej).

Najczęściej jest to zjawisko cykliczne, gdyż dotyczy ciał powiązanych swoimi

orbitami.

Może występować, gdy jedno ciało obraca się względem drugiego z inną

prędkością niż prędkość obrotowa drugiego ciała wokół własnej osi lub
gdy orbita jednego ciała względem drugiego jest inna niż kolista.

Na Ziemię najwyraźniejszy wpływ ma Księżyc, a najbardziej odczuwalne jest

to w zachowaniu hydrosfery pod postacią pływów morskich.

Zależnie od wzajemnego położenia Słońca, Księżyca i Ziemi powstają pływy:
•

syzygijny (największy)

•

kwadraturowy (najmniejszy)

Pływ syzygijny (pływ maksymalny)

powstaje, gdy Ziemia,

Księżyc i Słońce znajdują się w linii prostej

. Siły

grawitacyjne Księżyca i Słońca działają wówczas na
Ziemię w tym samym kierunku (choć ich zwrot może być
ten sam lub przeciwny), skutkiem czego występujące na
Ziemi pływy morskie są maksymalne.
Zjawisko

to

występuje

dwa

razy

w

miesiącu

synodycznym:

w momencie górowania Księżyca czyli

jego pełni (Ziemia jest wtedy pomiędzy Księżycem i
Słońcem), oraz w momencie dołowania Księżyca czyli
jego nowiu (Księżyc jest wtedy pomiędzy Ziemią i
Słońcem).

Pływ kwadraturowy - kwadrowy (minimalny) ma miejsce
również dwa razy w miesiącu synodycznym, a

występuje

on,

gdy Księżyc, Ziemia i Słońce tworzą kąt prosty.

Miesi

ąc synodyczny (lunacja) to średni czas pomiędzy kolejnymi nowiami Księżyca. Przyjmuje się, że

miesiąc synodyczny trwa 29 dni 12 godzin 44 minuty i 25,9 sekundy. W rzeczywistości jego długość
wynosi od 29,25 do 29,83 doby (na skutek spłaszczenia orbity Księżyca). W czasie miesiąca
synodycznego zachodzi cały cykl astronomicznych zjawisk – np. rozpoczyna się w nowiu, następnie
pierwsza kwadra (1/4 lunacji), pełnia i wreszcie ostatnia kwadra.

Inne zobrazowanie pływów

Miejsca występowania pływów o największych skokach

Energetyczne wykorzystanie pływów morskich

Sztorm

Sztorm - zjawisko meteorologiczne, występujące nad obszarami
mórz i oceanów w postaci bardzo silnego, porywistego, a przede
wszystkim długotrwałego wiatru o sile nie mniejszej niż 8° w
skali Beauforta.

Towarzyszy mu bardzo silne falowanie powierzchni wody, a
często występują również rzęsiste deszcze.

Zjawiskiem jeszcze silniejszym od sztormu jest

huragan.

Skala Beauforta

Stopie

ń skali

Beauforta

Szybko

ść

wiatru

Opis

Stan morza

Zjawiska na l

ądzie

km/h

0

0

Cisza

Gładkie.

Spokój, dym unosi się pionowo.

1

1-6

Powiew

Zmarszczki na wodzie.

Ruch powietrza lekko oddziaływuje na dym.

2

7-11

Słaby wiatr

Małe falki.

Wiatr wyczuwany na skórze. Liście szeleszczą.

3

12-19

Łagodny

wiatr

Duże falki, ich grzbiety mają wygląd szklisty.

Liście i małe gałązki w stałym ruchu.

4

20-29

Umiarkowa

ny wiatr

Małe fale, na których grzbietach tworzy się piana. Słychać

plusk..

Kurz i papier podnoszą się. Gałęzie zaczynają się

poruszać.

5

30-39

Dość silny

wiatr

Szum morza przypomina pomruk, wiatr gwiżdże, fale dłuższe

(1.2 m), gęste białe grzebienie.

Małe gałęzie kołyszą się.

6

40-50

Silny wiatr

Tworzą się grzywacze, długa wysoka fala, szum morza. Fale z

pianą na grzbietach i bryzgi.

Duże gałęzie w ruchu. Słychać świst wiatru nad

głową. Kapelusze zrywane z głowy.

7

51-62

Bardzo silny

wiatr

Morze burzy się i piana zaczyna układać się w pasma.

Całe drzewa w ruchu. Pod wiatr idzie się z

wysiłkiem.

Stopie

ń

skali

Beauforta

Szybkość

wiatru

Opis

Stan morza

Zjawiska na lądzie

km/h

8

63-75

Sztorm

Umiarkowanie duże fale z

poprzerywanymi obracającymi się

grzbietami. Pasma piany.

Gałązki są odłamywane od drzew. Samochody skręcają pod

wpływem wiatru.

9

76-87

Silny sztorm

Wielkie fale (2,75 m) z gęstą pianą.

Grzbiety fal zaczynają się zawijać.

Znaczne bryzgi.

Lekkie konstrukcje ulegają zniszczeniu.

10

88-102

Bardzo silny

sztorm

Bardzo duże fale. Powierzchnia morza

jest biała, fale przełamują się.

Widoczność jest ograniczona.

Drzewa wyrywane z korzeniami. Poważne zniszczenia

konstrukcji.

11

103-117

Gwałtowny

sztorm

Nadzwyczaj wielkie fale.

Znaczna część konstrukcji zniszczona.

12

>117

> 32,7 m/s

Huragan

Olbrzymie fale. Powietrze pełne piany i

bryzgów. Morze całkowicie białe

pokryte bryzgami. Widzialność bardzo

ograniczona.

Masywne i powszechne zniszczenia konstrukcji.

W szczególnych przypadkach, takich jak tropikalne cyklony, można spotkać się z wyższymi stopniami skali
Beauforta:
• 13. stopień: prędkość wiatru 37,0 – 41,4 m/s;
• 14. stopień: 41,5 – 46,1 m/s;
• 15. stopień: 46,2 – 50,9 m/s;
• 16. stopień: 51,0 – 56,0 m/s;
• 17. stopień: 56,1 – 61,2 m/s;
• 18. stopień: >61,2 m/s.

fale.wmv

Fale2.wmv

sztorm.flv

Ź

ródła

•

Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej

•

własne

•

Internet

•

Czudek H., Wysokowski A.: Trwałość mostów drogowych

•

Wielojęzyczny Słownik Wizualny. Leksykon Techniczny J.C. Corbeila i A.
Archambault

•

Bajkiewicz-Grabowska E., Mikulski Z.: Hydrologia ogólna