Исторические основы и структура гидрофизики как науки

Введение. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРОФИЗИКИ

Одной из важнейших особенностей развития современной науки является возникновение очень сложной иерархии специализированных дисциплин. Основной причиной, породившей тенденцию к раздроблению науки на узкие специальности, по мнению Дж.Клира, является «ограниченность возможностей человеческого разума. Поскольку объем знаний стал больше того, который человек в состоянии воспринять, всякое увеличение знания необходимо приводит к тому, что человек может охватить все меньшую его часть. Чем глубже это знание, тем более специализированным оно должно быть». Расширение и многообразие человеческих знаний о гидросфере привело к созданию сложной иерархии специализированных научных дисциплин о воде, учитывая ее первичный характер в физике многих природных процессов.

За последнее столетие накоплено и обобщено много сведений, которые существенно изменили подходы ученых и специалистов к пониманию процессов, происходящих в водных системах. Имея в виду практическую направленность исследований различных форм воды, заключающуюся в изучении взаимодействия природной воды с деятельностью человека, в ХХI веке актуальным становится вопрос о необходимости детального физического и математического описания свойств и процессов, обеспечивающих понимание поведения водных, ледяных и снежных масс, с последующим выходом на решение конкретных практических задач, стоящих как перед специалистами-гидрологами (в исследовании проблем, связанных с водными объектами на поверхности суши), гидротехниками (в части освоения водных ресурсов и безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений), гляциологами, климатологами и метеорологами (в части динамики водных масс, ледниковых и снежных покровов и прогнозов погоды), океанографами (в описании морских вод и льдов), строителями (в вопросах использования льда как строительного материала).

Сложность, многообразие и широкий круг таких задач потребовали при их рассмотрении применения детального геофизического подхода. Поэтому вода в различных ее состояниях, как основная часть гидросферы Земли, стала объектом исследований гидрофизики - геофизической науки, изучающей физические процессы, протекающие в водной оболочке Земли - гидросфере.

Гидрофизика разделяется на физику моря и физику вод суши(состоящую из физики поверхностных вод и физики подземных вод). Последняя исследует процессы, протекающие в водных объектах на материках (реках, озерах, водохранилищах, подземных водах и т.п.), а также термические и динамические процессы, обусловливающие изменения запасов влаги в речных бассейнах.

Научные проблемы гидрофизики неразрывно связаны с одной из физико-географических наук - гидрологией, изучающей природные воды, явления и процессы в них протекающие.

Физика подземных вод в настоящем курсе не рассматривается, так как в учебном плане направления подготовки дипломированного специалиста «Водные ресурсы и водопользование», включающего в себя специальности 320600 – «Комплексное использование водных ресурсов» и 311600 – «Инженерные системы сельскохозяйственного водоснабжения и водоотведения», предусмотрен курс «Геологии и гидрогеологии», в котором она изучается.

Гидрофизические основы передвижения влаги в почве, в том числе уравнения влагопереноса в почвогрунтах, также не рассматриваются в данном курсе, так как эти вопросы подробным образом изучаются в курсах «Почвоведение» и «Мелиорация земель».

Примерно с середины 30-х годов ХХ в., когда в Америке, Северной Европе и бывшем СССР начинают интенсивно осваивать водные и энергетические ресурсы, в связи с чем возникает целый ряд задач по количественной оценке термических и ледовых явлений на реках и водохранилищах, важным самостоятельным разделом внутри гидрофизикистановится гидротермика, в которой рассматриваются тепловые процессы, протекающие в водоемах, водотоках, почвах и грунтах, ледовом и снежном покровах, а также других объектах. Одной из задач гидротермики является установление общих закономерностей, которым подчиняются температурные поля, а также изучение распространения теплоты в водных ламинарных и турбулентных потоках. Гидротермика своим возникновением и развитием обязана в первую очередь трудам норвежского исследователя О.Девика, первым предложившим производить расчет температуры воды в реке по тепловому балансу путем определения составляющих теплообмена, и русских ученых - Л.Ф.Рудовица, Н.М.Бернадского, В.Я.Альтберга, К.И.Россинского, В.В.Пиотровича, Б.В.Проскурякова и других.

В 1970-1990-ые годы наибольшее внимание вопросам термического и ледового режимов рек, озер и окраинных морей уделялось в работах ученых Института водных проблем РАН (В.К.Дебольского, Е.И.Дебольской и др.), Института гидродинамики и Института водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН (О.Ф.Васильева, А.В.Зиновьева, В.И.Квона и др.), МГУ им. М.В.Ломоносова (В.В.Пуклаков и др.).

Современные тенденции развития гидротермики водных объектов состоят, прежде всего, в поисках аналитического представления гидрофизических процессов в водоемах и водотоках, а при невозможности такого представления - в описании этих процессов с помощью статистических характеристик. В настоящее время активно формируются пути дальнейших исследований и поисков решения многих гидротермических проблем, в том числе с учетом нелинейных эффектов, нестационарности процессов, их многофакторности, а также современных экологических требований к хозяйственному освоению водных объектов.

Широкое развитие в 1960-1980-ые годы проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений в зимних условиях, особенно в районах Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера, потребовало от специалистов-гидрофизиков, гидрологов и гидротехников из института «Гидропроект»(Я.Л.Готлиб), ГГИ (Р.В.Донченко, А.Н.Чижов), ВНИИГ им. Б.Е.Веденееева (А.И.Пехович, В.Н.Карнович, И.Н.Шаталина, Г.А.Трегуб) разработки надежных методов расчета и прогноза зимнего термического и ледового режимов водохранилищ, каналов и рек. Это привело к закономерному появлению в составе гидротермики, а, следовательно, и гидрофизики, нового самостоятельного раздела - гидроледотермики, базирующейся на достижениях гидротермики, мерзлотоведения, хладотехники и охватывающей термические вопросы воздействия и использования тепла, холода и льда в строительстве и технике.

Таким образом, работами ведущих ученых и специалистов ХХ столетия гидрофизика из преимущественно описательной науки, располагавшей в начале прошлого века лишь некоторым запасом эмпирических формул, была переведена в разряд дисциплин физики и инженерного дела, рассматривающих природные явления и техногенные гидрофизические процессы в водных объектах и средах с позиций глубокого системного анализа, правильной постановки задач и комплексного их решения.