ЛЕКЦИЯ № 7

ГИДРОСФЕРА – ВОДНАЯ ОБОЛОЧКА ЗЕМЛИ.

Общие особенности и геохимический состав гидросферы

Происхождение и свойства гидросферы

Круговорот воды и тепла на земном шаре как взаимодействие геосфер

Общие особенности и геохимический состав гидросферы

Вода – самый распространенный на Земле минерал – это природный растворитель, обладающий уникальными свойствами и все процессы географической оболочки происходят с участием воды. Вода находится в постоянном движении и составляет гидросферу Земли, т. е. жидкую оболочку. Она состоит из мирового океана, вод суши (реки, озера, болота) подземные гидр. пары воды в атмосфера.

Исходя из этого вся гидросфера делится на:

1. наземную – мировой океан, воды суши;

2. подземная – подземные воды;

3. рассеяная гидросфера – пары воды в атмосфере

Гидросфера включает следующие виды вод: (в скобках, доля от общего объема вод в гидросфере, % ; по М.И. Львовичу, 1974):

Мировой океан [94,0];

Подземные воды [4,3];

Ледники [1,7]%

Воды суши (озера, речные воды, почвенная влага) [0.03];

Пары атмосферы [0.001].

Как видим, что подавляющая часть гидросферы приходиться на мировой океан, затем идут подземные воды и ледники. На долю поверхностных вод приходится малый объем, но исключительная их активность (меняется в среднем каждые 11 – 17 дней) служит началом формирования всех источников пресных вод на суше.

Пресные воды на земном шаре распределены следующим образом по водным объектам (тыс. км ³):

Ледники, подземные льды, постоянный снежный покров (в пересчете на воду) 24364,0

Подземные воды 10530,0

Влага в почве 16,5

Пресные озера 91,0

Болота 11,5

Вода в руслах рек 2,1

Вода в атмосфере 12,9

Биологические воды 1,1

Всего 35029,1

Гидросфера - самая тонкая оболочка нашей планеты Земля, она составляет лишь 10^-3 % общей массы планеты. На Земле содержится 1,5 млрд. км³ воды, т.е. на каждого человека приходится примерно 250 млн. т., но 94 % этого объема составляют соленые воды Мирового океана. Лишь 2% от всего объѐма гидросферы воды пресные, основная масса которых сосредоточена в ледниках. Так что воды, которую может потреблять человек и другие живые организмы не нашей планете не так уж много. Вода входит в состав живого вещества, как обязательный компонент (70 – 99%), по сути, живое вещество – это водный раствор «живых» молекул. Именно вода обеспечивает их жизнедеятельность.

Химический состав гидросферы имеет различный характер. В пред-й пресные и солоноватые воды.

1. Пресные воды сухой остаток состав до 1 г/л.;

2. Солоноватость сухой остаток 1 – 10 г/л;

3. Соленые 10 – 50 г/л;

4. Рассолы - 50 – 200 г/л.

Среди пресных вод различают жесткие и мягкие воды. В жесткой воде сухой остаток составляет от 0,25 до 1 г/л. Жесткость воде придают наличие солей Ca и Mg. В мягкой воде сухой остаток меньше 0,25 г/л

Соленость вод Мирового океана измеряется в промиллях, при всей однородности химического состава Мирового океана, где преобладают NaCl, Br, K, I, средняя соленость составляет 35‰, однако она колеблется от 34‰ в полярных широтах до 35,5‰ в тропиках (Красное море).

Подземные воды гидросферы характеризуют по температуре:

1) Н₂О с tº до + 20ºС – холодная;

2) + 20 + 27ºС – теплая

3) + 27 > - горячая, термальная.

Если вода содержит редкие растворенные соли или целебное сочетание растворенных солей, имеет высокую температуру или газирована, то она называется термо-минеральной, или просто минеральной.

Мы знаем, что земная жизнь зародилась в водной среде и поэтому ее можно считать производной воды. Гидросфера уже 4 млрд. лет назад была представлена следующими тремя составляющими: наземной (мировой океан, речные, почвенные, озерные воды, ледники), подземной (воды литосферы), воздушной (парообразная вода атмосферы). С общеэкологических позиций важно понять, что именно эволюцией гидросферы планеты определились в прошлом условия развития органического мира на Земле, состоянием гидросферы они определяются в настоящем и будут определяться в будущем. Поэтому на Земле зародилась и сохранилась жизнь – живая материя. Развитие всего органического мира связано с эволюцией водной оболочки Земли.

Гидросфера простирается от верхней границы распространения воды в атмосфере до нижней границы залегания подземных вод в литосфере. Гидросфера вообще и Мировой океан в особенности играют важнейшую роль в перераспределении тепла на земной поверхности.

Океан, имея температуру поверхности слоя в среднем более высокую, чем атмосфера (приблизительно на 3 ⁰С), играет важную роль в теплообмене и обогревает атмосферу. По некоторым расчетам, в океане содержится тепла в 21 раз больше, чем в атмосфере.

Происхождение и свойства гидросферы

Если посмотреть на глобус, то наша Земля представляет своеобразную каплю воды, из которого выступают небольшие участки «тверди земной». Это потому, что 2/3 поверхности Земли занимают океаны. Но и в твердой оболочке Земли – литосфере - имеются целые подземные «моря», пропитывающие горные породы. Это подземные воды. «Всюдность» (по выражению В. И. Вернадского) является одним из самых удивительных свойств воды. Вода присутствует во всей биосфере. В

«История природных вод», Вернадский В.И. пишет: «Вода охватывает, проникает насквозь – как пар, как пленчатая губка всю земную кору. Где бы мы ни стали бурить, мы встретим воду в капиллярно-жидких массах». Таким образом, нет на Земле уголка, где бы вода не находилась в той или иной форме; до глубины 30 км – в жидкой, а далее в плазменной форме (ионизированного газа, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов равны).

И так, первое свойство гидросферы – единство и «всюдность» природных вод. Все воды связаны между собой и представляют единое целое. Та- кое единство природных вод определяется следующим:

а) легким переходом воды из одного фазового состояния в другое. В пре- делах земных температур известно три состояния: жидкое, твердое, парообразное. Плазменное состояние воды существует при высоких температурах и давлениях в глубоких частях недр;

б) единым генезисом воды на Земле (мантийным – результат дегазации магмы);

в) постоянным присутствием в воде газовых компонентов. Природная вода – это есть водный раствор (газ, взвешенные твердые частицы, минеральные вещества).

Второе фундаментальное свойство гидросферы определяется особым строением молекулы воды. Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Но распределение электронов и протонов в молекуле таково, что она представляет собой электрический диполь с четырьмя водородными связями. Водородные связи определяют бесконечное множество структур молекулярных агрегатов и необычные свойства воды.

На молекулярном уровне изучение воды только началось. Но сегодня очевидно, что строение и свойства воды обеспечивают наиболее благоприятные условия для развития жизни на Земле. Из физики мы знаем, что все те- ла при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вода ведет себя иначе. Если бы при превращении в лед (охлаждении) она сжималась, лед бы был тяжелее воды и тонул на дно рек и озер. Реки были бы проморожены до дна, и жизнь в этих водоемах была бы невозможна. Лед – изолятор, который предохраняет от замерзания воду подо льдом, что защищает всю подводную жизнь. Если бы не было этого свойства, то Земля превратилась бы в закованную льдом планету.

Особое строение молекулы воды обеспечивает многообразие структуры ее при изменении внешних факторов (температуры, давления, химического состава). Нам зимой приходилось наблюдать многообразие и красоту ледяных узоров на окнах, снежинку, иней на деревьях. Как нет абсолютно одинаковых двух капель воды, так нет двух типов воды одинаковой по структуре.

Третье фундаментальное свойство гидросферы выражается в геологи- чески вечной подвижности ее. Движение воды весьма многообразно и про- является в многочисленных круговоротах. Главное движение воды – геологический круговорот вещества.

Почему происходит движение? Движение может происходить: а) под действием силы тяжести; б) солнечной (тепловой) энергии; в) молекулярного движения при смене фазового состояния.

Четвертое фундаментальное свойство гидросферы определяется высокой химической активностью воды. В условиях земной коры нет природных тел, которые в той или иной мере не растворялись бы в природных водах. Но вода в биосфере выступает в роли универсального растворителя, ибо взаимодействуя со всеми веществами, как правило, не вступает с ними в химические реакции. Это обеспечивает обмен веществ между сушей и океаном, организмами и окружающей средой.

Круговорот воды и тепла на земном шаре как взаимодействие геосфер

Основная особенность гидросферы – круговорот воды на земном шаре. Он создает основной механизм перераспределения на Земле вещества и энергии. В круговороте воды на земном шаре проявляются единство природных вод Земли и их связь с атмосферой, литосферой, биосферой.

Благодаря наличию влагооборотов вода постоянно находится в движении и связывает гидросферу в единое целое. Движущей силой глобального влагообразования служит солнечная энергия, вызывающая испарения с поверхности океана и суши (с океанов в 6,6 р > чем с суши). Поступая в атмосферу, влага переносится в горизонтальном направлении (адвекция) воздушными течениями на сушу, конденсируется и под влиянием гравитации падает на землю в виде атмосферных осадков. Если осадки выпадают на поверхность материков, то их значительная часть поступает в озера и океаны через реки, другая часть увлажняет почву, где может использоваться растениями и животными, а также часть просачивается и переходит в подземные воды.

Вода в реках полностью обновляется за 11 дней, воды океана, подземных вод и ледников за 7000 лет. В среднем вся гидросфера – 2800 лет.

Физической причиной круговорота воды служат солнечная энергия и сила тяжести. Солнечная энергия является причиной нагревания и последующего испарения воды: на поверхности суши на испарение затрачивается около 54% поступившей энергии, а на поверхности океана – 90%. Неравномерное распределение по земному шару солнечной энергии не только вызывает воздушные потоки - ветры, переносящие испарившуюся влагу и создающие ветровые течения в океане, но и приводит к возникновению плотностных течений воды. Сила тяжести вынуждает сконденсировавшуюся в атмосфере при благоприятных условиях влагу выпадать в виде атмосферных осадков, а на- копившуюся в почве воду стекать сначала к дренирующим местность рекам, а но ним - в океаны. Несмотря на колоссальные различия размеров «деталей» и «скоростей движения» этой гигантской машины, все звенья ее настолько хорошо подогнаны друг к другу, что количество воды в каждой из частей от года к году остается примерно постоянным. В круговороте воды на земном шаре проявляются закономерности сохранения вещества и энергии, водного и теплового балансов.

В глобальном круговороте воды (рис.18) выделяют два звена:

1) океаническое звено (А), представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности океана - перенос водяного пара над океаном - осадки на поверхность океана - океанические течения - испарение и т.д.;

1) материковое звено (Б), также представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности суши – перенос водяного пара- осадки на поверхность суши – поверхностный и подземный сток – испарение и т.д.

Оба звена связаны между собой переносом водяного пара с океана на сушу и, наоборот, поверхностным и подземным стоком с суши в океан.

Рис. 18. Схема глобального круговорота воды

А – океаническое звено; Б, Б'— материковое звено с поверхностной (Б) и подземной (Б') частями: /- океан (z_ок - испарение, х_ок - осадки); //— область внешнего стока суши (_-z_с¹ - испарение, х_с¹ - осадки, у - поверхностный, подземный сток); ///— область внутреннего стока суши z_с¹¹ - испарение, х_с'' - осадки, у' - поверхностный. ¹ - подземный сток); г- перенос влаги в атмосфере; р - океанические течения; и и и' — инфильтрация, подъем и испарение вод в грунтах (по: В. Н. Михайлову,1991).

С поверхности Мирового океана ежегодно испаряется в среднем 505 тыс. км³ воды. В океан в виде атмосферных осадков возвращается 458 тыс. км³. Это так называемый малый круговорот воды. Разность в 47 тыс. км³ составляют воды, которые переносятся с океана на сушу в виде водяного пара.

На поверхность суши ежегодно выпадает в среднем 119 тыс. км³ атмосферных осадков. Они слагаются из воды, испарившейся с поверхности суши (72 тыс. км³), и влаги, принесенной с океанов. Уносимая с океана влага возвращается в него с равным ей по количеству воды материковым стоком (47 тыс. км³), который слагается из поверхностного (44.7 тыс. км³ в год) и подземного, не дренируемого реками (2,2 тыс. км³ в год).

Поверхностный сток, в свою очередь, включает водный сток рек, впадающих в океан (41,7 тыс. км³ в год), и ледниковый сток (3,0 тыс. км³ в год). Последний представляет собой разгрузку покровных ледников в виде откалывающихся от него айсбергов и поступление непосредственно в океан талой воды из покровных ледников. Наибольшую часть ледникового стока дает Антарктида. Небольшая часть воды из объема, участвующего в круговороте (около 9 тыс. км³ в год), совершает круговорот в пределах бессточных областей.

Особенностью влагообмена бессточных областей с Мировым океаном является то, что вода из них попадает в океан не путем непосредственного стока, а вследствие переноса ее в парообразном виде воздушными потоками.

Осадки на любом участке суши складываются из «внешних», сконденсировавшихся из водяного пара, принесенного извне, и «внутренних» (или местных) осадков, сконденсировавшихся из влаги, испарившейся с поверхности конкретного участка суши. Этот сложный, многократно повторяющийся процесс называется внутриматериковым влагооборотом. Для относительно больших территорий «внутренние» осадки, сток и испарение невелики по сравнению со всем количеством воды, которое переносится воздухом над данной территорией в течение года в результате глобального круговорота.

Таким образом, каждую секунду под влиянием солнечного тепла миллионы кубических метров воды поднимаются вверх и образуют облака. Ветер приводит облака в движение. При подходящих условиях влага выпадает в виде дождя или снега. Дождевые капли имеют благоприятную величину и падают тихо, мягко. Случайны ли все благоприятные для жизни совпадения? Так вода участвует в своеобразных круговоротах вещества и энергии. Эта система установилась на Земле с появлением свободной воды и продолжается по сей день.

Таким образом, атмосфера и гидросфера – взаимосвязанные оболочки Земли, которые играют важнейшую роль в природных процессах на ее поверхности и в верхних слоях литосферы. Они служат регулятором поступления и распределения солнечной радиации, воды и воздуха, необходимых для нормального жизнеобеспечения человека и существования биосферы в целом.