Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВОДНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ДАЙВИНГА

Сирота Е.Н. 1 Черунова И.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» филиал
Статья содержит результаты исследований физических характеристик водной среды. Эти характеристики определяют исходные данные для информационной базы процесса проектирования защитного снаряжения для дайвинга. Определены особенности влияния воды на человека на глубине. Обозначены закономерности воздействия гидростатического давления на дайвера. Определены основные типы гидростатического давления, которые формируют различные условия дайвинга. Обоснованы функции воды как теплоизолятора для системы защитного снаряжения человека. Установлено, что, благодаря высокой удельной теплоемкости воды, суточные и сезонные колебания температур небольшие по сравнению с изменениями на суше. Океанические температурные колебания составляют несколько градусов, за исключением мелководья. Представлено, что на глубине менее 100 м для дайвинга колебания температуры в западной части океана в среднем находятся в границах от 5 до 28 °С. Температура и давление воды влияют на изменение теплопроводности. Они являются важными параметрами для проектирования снаряжения для дайвинга и определения граничных тепловых условий его эксплуатации в заданной акватории. Установлено, что по мере увеличения глубины, соленость воды уменьшается. Наибольшее снижение солености наблюдается до глубины 75–80 м. Такие глубины часто характерны для дайвинга. Представлены значения плотности морской воды в мировом океане при возможных диапазонах солености и температуры воды в водоёмах. Проведены аналитические исследования зависимости теплопроводности воды и водяного пара от температуры и давления с учетом критериев подводных погружений. Установлены средние значения температуры воды соленых и пресноводных водоемов во время сезонного дайвинга. Установлена температура поверхности океана, которая меняется в зависимости от широты. Приведена среднегодовая температура в экваториальных водах для планирования дайвинга. Разработана температурная группировка условий для проектирования защитного снаряжения дайвинга. Систематизированы и представлены цифровые данные для информационного обеспечения автоматизированного проектирования защитного подводного снаряжения.
водоём
физические свойства воды
дайвинг
подводное снаряжение
акватория
1. Уразметов И.А. Гидрология рек. Казань: Изд. ТГГПУ, 2007. 95 с.
2. Копылова-Валова В.Д., Веницианов Е.В. Вода в природе, значение и свойства // Сорбционные и хроматографические процессы. 2012. Т. 12. № 5. С. 828–838.
3. Александров Д.В., Зубарев А.Ю., Искакова Л.Ю. Прикладная гидродинамика: учебное пособие для вузов М.: Изд. Юрайт, 2018. 109 с.
4. Доманский И.В., Некрасов В.А. Механика жидкости и газа. М.: Изд. Лань, 2018. 140 с.
5. Talley L.D., Pickard G.L., Emery W.J., Swift J.H. Descriptive Physical Oceanography (Sixth Edition). Chapter 3: Physical Properties of Seawater. 2011. P. 29–65. DOI:10.1016/B978-0-7506-4552-2.10003-4.
6. Energy in the ocean. Chapter 18: Temperature and Pressure. 2017. P.441-465. [Electronic resource]. URL: https://docplayer.net/34393749-Unit-energy-in-the-ocean.html (date of access: 20.12.2019).
7. Ocean Biogeochemistry. Lab. Lecture 3: Temperature, Salinity, Density and Ocean Circulation. 2018. [Electronic resource]. URL: http://ocean.stanford.edu/courses/bomc/chem/lecture_03.pdf (date of access: 20.12.2019).
8. Шведов И.М. Сборник задач и упражнений по гидромеханике для практических занятий и самостоятельной работы. Часть I. Физические свойства жидкостей, гидростатическое давление при относительном равновесии. М.: МГГУ, 2008. 135 с.
9. Коринтели А.М., Лесникова Т.Ю., Сирота Е.Н. Физико-технические характеристики материалов для защитной спецодежды от водной среды // IV Национальная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная весна-2019: Технические науки». Шахты, 2019. С. 78–82.
10. Safarov J., Talibov M., Shahverdiyev A., Sirota E., Cherunova I., Zorer S., Hassel E. Thermophysical properties of thermal water resources. Chemie-Ingenieur-Technik. 2012. Vol. 84. № 8. Р. 1415. DOI: 10.1002/cite.201250516.
11. Талыбов М.А., Сафаров Д.Т, Черунова И.В., Сирота Е.Н., Колесник С.А. Экспериментальные исследования для развития информационной базы минеральных вод // Инженерный вестник Дона. 2014. № 3 (30). [Электронный ресурс]. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2536 (дата обращения: 20.12.2019).
12. 10 лучших мест для дайвинга [Электронный ресурс] URL: http://www.turizm.ru/advice/best/best_diving.htm (дата обращения: 20.12.2019).
13. Степановских А.С. Основные среды жизни. Экология. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. 703 с.

Проектирование типовых видов одежды в большинстве случаев опирается на приспособленность человека к жизни в воздушной среде. Необходимость пребывания человека в водной среде имеет особенности, вызванные физическими свойствами и эффектами, формируемыми водой на различной глубине. Это важно учесть при проектировании специальных видов одежды для дайвинга.

Цель исследования: установление данных информационной базы о характеристиках условий водной среды для компонентов систем автоматизированного проектирования специальных средств защиты человека под водой.

Материал и методы исследования, использованные в научном исслдовании, опираются на методы систематизации, логического структурирования, критериального анализа, факторного анализа.

Физические свойства воды существенно отличаются от свойств воздушной среды. Вода, которая относится к состоянию химически чистой, содержит весовую долю 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода [1]. Такая вода при наличии нормальных условий давления кипит при +100 °С. Фаза замерзания для такой воды отмечается при температуре 0 °С. Наибольшая плотность относится к температуре +4 °С. Далее при понижении температуры ниже +4 °С объем воды увеличивается, а плотность воды уменьшается. В момент замерзания происходит резкое увеличение объема на 10 % по отношению к объему жидкости [1, 2].

На различной глубине важнейшей характеристикой среды для подводных погружений является гидростатическое давление. При погружении ниже поверхности воды ощущается его давление на тело человека и вокруг него. С увеличением глубины сила подводного давления увеличивается [3]. Гидростатическим давлением называется усилие, приложенное столбом воды к поверхности равной площади [3]. Гидростатическое давление делится на абсолютное, весовое, избыточное, вакуум. Отличие заключается в разнице расположения точки отсчета. Абсолютное давление в жидкости включает в себя внешнее давление на жидкость и давление массы высоты столба жидкости [4].

Результаты исследования и их обсуждение

В целях проектирования защитного снаряжения для дайвинга необходимо учитывать, что сжимающее усилие направлено вниз. Изменение давления на 104 Па происходит при изменении глубины около 1 м. Таким образом, давление в океане варьируется от нуля (на поверхности) до 108 Па (самое глубокое).

При погружении в воду на дайвера давит сумма атмосферного и гидростатического давления. В табл. 1 представлено соотношение между глубиной водоёма и давлением воды, при использовании станции в северо-западной части Тихого океана в 41 °53' с.ш., 146 °18' в.д. [5].

Таблица 1

Соотношение между глубиной водоёма и давлением воды на примере северо-западной части Тихого океана

Давление, Па

Глубина, м

0

0

1000000

99

2000000

198

3000000

297

5000000

495

10000000

990

15000000

1453

20000000

1975

30000000

2956

40000000

3932

50000000

4904

60000000

5872

Однако представленные условия не характерны для большинства дайверов, так как погружения, как правило, выполняются на меньших глубинах и требуют дополнительной характеристики их физических условий.

При погружении в воду на человека (дайвера) давит сумма атмосферного и гидростатического давления. Физические характеристики водной среды на различных глубинах, типичных для распространенного дайвинга, представлены в табл. 2 [5, 6].

Таблица 2

Глубина океана и давление воды для типичных глубин дайвинга

Глубина, м

Атмосфера*

Гидростатическое давление, кПа

Давление окружающей среды, кПа

0

1

0,000

101,325

10

2

101,325

202,650

20

3

202,650

303,975

30

4

303,975

405,300

40

5

405,300

506,625

50

6

506,625

607,950

60

7

607,950

709,275

Примечание. *1 атмосфера = 101,325 кПа.

Наиболее важными характеристиками морской воды, совместно влияющими на ее плотность, являются температура и соленость [5, 7].

Температура морской воды на поверхности моря зависит от обмена теплом, полученным от солнца, и излучения землей. Поскольку нагревание планеты протекает неравномерно, температура поверхностного слоя океана меняется в зависимости от широты.

Теплоемкость воды существенно выше теплоемкости воздуха, но показатель её удельной теплоемкости меняется с изменением температуры и плотности воды. На рисунке представлено изменение плотности при повышении или понижении температуры воды в водоёме [8].

sirot1.tif

Зависимость плотности воды от температуры

Вода отличается теплопроводностью, которая делает ее неплохим теплоизолятором для условий дайвинга. За счет этого передача тепла в водной среде происходит в основном за счет смешивания слоев воды, за счет конвекции [1, 2]. Теплопроводность воды зависит от температуры. Для химически чистой воды коэффициент теплопроводности при температуре 0 °С равен 0,00112 кал/см2·сек·град, при температуре 20 °С равен 0,00143 кал/см2·сек·град [1].

Благодаря высокой удельной теплоемкости воды, суточные и сезонные колебания температур сравнительно невелики по сравнению с изменениями на суше, океанические температурные колебания составляют порядка нескольких градусов, за исключением мелководья.

На основе проведенных исследований вертикальных разрезов, показывающих среднее распределение температуры в океане [7], было установлено, что на глубине до 100 м колебания изменения температуры в западной части океана в среднем находятся в границах от 5 до 28 °С, что является важными параметрами для проектирования снаряжения для дайвинга и определения граничных тепловых условий его эксплуатации в заданной акватории.

Следующим показателем, влияющим на плотность воды, является соленость [7, 9]. Соленость верхнего слоя морской воды главным образом зависит от испарения и осадков, также на нее влияет образование и таяние морского льда, впадающие реки, еще одним фактором, влияющим на соленость, является температура воды (более теплая вода испаряется быстрее). В результате, наибольшие засоления обнаруживаются в субтропических регионах, от 20 до 30 °С широты Севера и Юга, где испарение интенсивное, а количество осадков минимально [7]. По мере увеличения глубины, соленость воды уменьшается, при этом наиболее заметное снижение солености наблюдается до глубины 75–80 м. Такие глубины являются значительными, но достаточными для доступа открытого дайвинга даже в снаряжении (гидрокостюм) «мокрого» типа, которое в наибольшей степени подвержено влиянию гидростатического давления в соленой среде.

Показатель плотности воды важен, поскольку она определяет глубину, равномерное распределение водного участка, когда наименее плотный слой воды будет сверху, а плотнее всегда внизу. Плотность чистой воды при атмосферном давлении, без соли, при температуре 0 °С составляет 1000 кг/м3. В открытом океане плотность воды на поверхности равна около 1021 кг/м3, и около 1070 кг/м3 при давлении 108 Па [5].

В табл. 3 представлены значения плотности морской воды в любой точке мирового океана при всех возможных диапазонах солености и температуры [5].

Таблица 3

Изменение плотности (∆σt) с изменениями температуры (∆T) и солености (∆S) как функции температуры и солесодержания

Соленость

0

20

35

40

0

20

35

40

Температура ( °С)

∆σt для ∆T = +1 °С

∆σt для ∆S = +0,5

30

–0,31

–0,33

–0,34

–0,35

0,38

0,37

0,37

0,38

20

–0,21

–0,24

–0,27

–0,27

0,38

0,38

038

0,38

10

–0,09

–0,14

–0,18

–0,18

0,39

0,39

0,39

0,39

0

+0,06

–0,01

–0,06

–0,07

0,41

0,4

0,4

0,4

Поскольку взаимосвязь температуры и солености морской воды определяется процессами, происходящими на границе воздух – море, можно утверждать, что характеристики плотности участка морской воды зависят от состояния поверхности моря. Температура морской воды варьирует в широких пределах (от –1 до 30 °С), в то время как диапазон солености невелик (35,5 ± 2,0) [6, 7].

Свойства воды, такие как температура и давление, влияют на характер изменений теплопроводности. Эти параметры являются одними из определяющих условий для решения задач теплообмена человека (дайвера) с водной средой на глубине и применения для этого специальных материалов [9].

В рамках настоящей работы были проведены исследования зависимости теплопроводности воды и водяного пара от температуры и давления [10] с учетом критериев подводных погружений, для которых значение имеют водоёмы всех типов, включая не только моря, но и озера и реки. В результате систематизации полученных данных параметров и свойств водной среды в мировых водоёмах различного типа [11], установлены сводные температурные характеристики ориентированных на подводные погружения водоёмов в России и за рубежом, включая сведения, характерные для сезонных (наиболее востребованных) погружений в части туристического потока [12]. Установлены средние значения температуры воды соленых и пресноводных водоемов во время сезонного дайвинга (табл. 4).

Таблица 4

Средняя температура воды соленых и пресноводных водоемов во время сезонного дайвинга

Соленые водоемы

Средняя температура воды в сезон погружений, °С

Юг Красного моря

27,0

Галапагосские острова (Тихий океан)

23,0

Тенериф (Атлантический океан)

22,0

остров Каталина

19,0

Большой барьерный риф

27,5

Мальдивы

29,0

Палау (Тихий океан)

20,0

Сипадан

29,0

Тао

28,0

Юкатан

26,0

Баренцево море

8,0

Мальта (Средиземное море)

22,5

Пресноводные водоемы

поздняя весна, лето, ранняя осень, °С

поздняя осень, зима, ранняя весна, °С

р. Верховье Волги

18,0

10,0

р. Волга (р-н Астрахани)

25,0

7,0

р. Дон

21,0

10,0

р. Ока

17,0

1,0

о. Ладожское

17,0

1,0

Мраморный карьер (Карелия)

9,0

9,0

Финский залив

10,0

4,0

Таким образом, средние значения температуры воды для соленых водоемов в сезон погружений колеблются в интервале от 8 до 29 °С, пресных водоемов в зависимости от сезона погружений колеблются, в интервале от 9 до 25 °С в период весна-осень, в зимний – с 1 по 10 °С.

Водная среда отличается подвижностью. В зависимости от типа водного ресурса, перемещение воды в них происходят проточностью в реках, за счет воздействия температуры и ветра в озерах, а в морях и океанах на перемещение воды влияют приливы и отливы, также сильные течения и штормы [1, 13]. В целом можно отметить, что температура поверхности океана меняется в зависимости от широты в диапазоне от –2 до 29 °С, при этом среднегодовая температура 26–28 °С в экваториальных водах, около 0 °С [1, 13]. Исходя из этих данных, температурные условия погружений с учетом сезонов можно разделить на несколько температурных групп: 1 – группа – от 0 до 10 °С, 2 – группа – от 10 до 20 °С, 3 – группа – от 20 до 30 °С.

В результате проведенных исследований для проектирования специального снаряжения для дайвинга установлены основные параметры и свойства акваторий с учетом их географического, сезонного, глубинного факторов.

Установлены средние значения характеристик водной среды для дайвинга: средние значения гидростатического давления в зависимости от глубины погружения составляют от 0 до 1000000 Па. Температура воды в зависимости от глубины погружений составляет от 0 °С до 29 °С. Плотность воды зависит от температуры, давления и от солености. При этом параметры плотности водяного слоя могут колебаться от 1000 кг/м3 до 1070 кг/м3.

Заключение

Анализируя полученную информацию, можно сделать вывод, что условия подводных погружений относятся к категории высокой сложности, что требует особого внимания к способам и средствам обеспечения безопасности человека при выполнении различных задач под водой.

Установленные в результате проведенных исследований данные формируют информационную базу для компонентов систем автоматизированного проектирования специальнвых средств защиты человека под водой.


Библиографическая ссылка

Сирота Е.Н., Черунова И.В. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВОДНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ДАЙВИНГА // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 2. – С. 79-83;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37335 (дата обращения: 16.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074