Гидросфера Земли: общая характеристика. Урок 19

Гидросфера (от др.-греч. гидро «вода» и сфера «шар») – это одна из условных оболочек Земли — водная. В разных определениях её называют то прерывистой, то сплошной, связанную воду то включают в неё, то нет. Споры идут и по вопросу принадлежности к ней части, находящейся внутри живых организмов (в биосфере). Однако нигде нет разногласий по поводу важности воды для природы Земли.

Вода — одно из самых распространённых химических соединений на Земле. Оно есть и на других планетах, но там его намного меньше. Без него невозможно существование известных нам форм жизни. Может быть, на других планетах есть жизнь, зависящая от других элементов, но не на нашей.

В организме растений, животных и человека в среднем на долю воды приходится более 50 % массы. На земном шаре вода содержится в жидком, твёрдом и газообразном состоянии. В природе она образует океаны, моря, озёра, реки, болота, ледники, в виде пара она находится в атмосфере, проникает в почву и горные породы литосферы.

Благодаря своим свойствам вода является также и активным географическим фактором и геологической силой. Она разрушает горные породы, переносит тепловую и механическую энергию, играя важнейшую роль в обмене энергии и веществ между геосферами и районами Земли.

С давних пор человек изучает воду с разных сторон:

• как химическое соединение;
• как физическую субстанцию;
• как биологический показатель;
• как объект хозяйственного использования и т. д.

Поэтому сформировалось большое количество разделов науки, условно объединённых понятием «гидро». Прежде всего это:

• гидрофизика;
• гидрохимия;
• гидрометрия;
• гидрография;
• гидрогеология;
• гидрология суши;
• гидрология моря (океанология);
• гидрология ледников (гляциология);
• гидробиология и др.

Части гидросферы

В научную литературу термин «гидросфера» был введён в 1875 г австрийским геологом Э. Зюссом. Под гидросферой он понимал единую водную оболочку только в составе Мирового океана. До середины XX века учёные спорили, включать ли в это понятие подземные и другие воды литосферы, атмосферы, биосферы и ледники. Не вызывало сомнений только то, что в неё должны точно входить вода океана и озёр с реками.

Сегодня физически более обоснованным считается определение, данное российским физико-географом И.А. Федосеевым (1909—1998):

гидросфера в широком смысле – это сплошная оболочка земного шара, простирающаяся вниз до верхней мантии, где в условиях высоких температур и давления наряду с разложением молекул воды непрерывно проходит их синтез, а вверх – примерно до высоты тропопаузы, выше которой молекулы воды подвергаются фотодиссоциации (разложению).

Из этого определения следует, что в гидросферу входят воды:

• Мирового океана;
• криосферы;
• литосферы;
• атмосферы.

Не входят в неё только воды биосферы, так как при её учёте водная оболочка перестаёт быть непрерывной. Кроме того содержание воды в живых организмах настолько мало (1120 км³) даже по сравнению с атмосферной, что им можно принебречь.

Есть и более «узкое» определение.

Гидросфера – это сплошная оболочка Земли, содержащая воду во всех агрегатных состояниях в пределах Мирового океана, криосферы, литосферы и атмосферы, принимающую непосредственное участие в планомерном влагообороте (гидрологическом цикле).

Согласно этому определению в состав гидросферы включается и связанная вода литосферы. Заметьте, что оба определения говорят о том, что гидросфера – сплошная оболочка и это по современным научным представлениям верно.

Хотя гидросфера существует уже более 4 млрд. лет, она продолжает изменяться в размерах. В настоящее время объём гидросферы составляет 1,4 млрд. км³, воды которой распределяется следующим образом:

• 96,4% – в Мировом океане;
• 1,86% – в ледниках;
• 1,71% – под землёй, внутри горных пород и почвы (включая гравитационные и капиллярные воды);
• 0,02% – в озёрах, реках и болотах;
• 0,01% – в атмосфере.

Подавляющая часть гидроксида водорода содержится в виде воды (в жидком виде) – 98%. Снег и лёд составляет 2% гидросферы, водяной пар – доли процентов. Пресная вода содержится на планете в небольшом количестве, лишь 2,5%. 68,9% этой пресной воды находится в виде льда и постоянного снежного покрова в арктических, антарктических и горных ледниках.

Это интересно!

Площадь поверхности Земли составляет 510 млн. км², в том числе 361 млн. км² Мирового океана, т. е. величины площадей водной поверхности и суши соотносятся примерно как 2,5:1. Явное и значительное преобладание водной поверхности не должно, однако, заслонять тот факт, что по сравнению с размером Земли моря и океаны представляют собой ничтожную плёнку, толщина которой (при средней глубине Мирового океана 3 794 м) составляет всего 1/1 600 среднего земного радиуса. На гидросферу приходится лишь 1/4 120 часть массы планеты и 1/800 часть её объёма.

Почему гидросфера непрерывна? Влагооборот (гидрологический цикл)

Мы привыкли к выражению «круговорот воды», но правильнее его называть влагооборотом, так как процесс этот незамкнут. Он связывает между собой воды всех частей гидросферы в единую сплошную оболочку. Сплошной гидросфера является и благодаря тому, что воздух всегда содержит водяной пар, даже над самыми сухими пустынями. Гидрологический цикл создаёт условия для переноса энергии и веществ на Земле, участвует в формировании рельефа, обеспечивает поддержание жизни.

Гидрологический цикл состоит из таких процессов как:

• испарение;
• транспирация;
• конденсация;
• инфильтрация;
• перколяция;
• сток.

Во влагообороте проявляется единство природных вод Земли и их связь с атмосферой, литосферой и биосферой. Физической причиной гидрологического цикла на земном шаре служат солнечная энергия и гравитация.

Под воздействием энергии Солнца происходит нагревание и последующее испарение воды. Водяной пар переносится воздушными течениями, при снижении температуры воздуха он конденсируется или десублимируется.

Сила тяжести (гравитация) вынуждает атмосферную влагу выпадать в виде осадков. На суше пресная вода под действием тех же сил тяжести стекает по склонам, образуя ручьи, реки, озёра, просачивается в грунт, формируя подземные воды. В конечном итоге большая часть выпавших осадков в виде речного и подземного стоков возвращается в океан.

Гидросферу нельзя рассматривать как закрытую систему, так как часть её разрушается на уровне тропопаузы, а другая часть схожая по объёму поступает из мантии.

Влагооборот бывает глобальным и местным.

В глобальном круговороте воды выделяют два взаимосвязанных звена, с многократно повторяющимися циклами:

• океаническое звено: испарение с поверхности океана – перенос водяного пара над океаном – осадки на поверхность океана – океанические течения – испарение и т. д.;
• материковое звено: испарение с поверхности суши – перенос водяного пара потоками воздуха – 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. С океана ежегодно испаряется в среднем 505 тыс. км³ воды, возвращается в виде атмосферных осадков – 458 тыс. км³. Испаряется с океана, таким образом, больше, чем возвращается с осадками. 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 океана (47 тыс. км³). Таким образом, в материковом звене круговорота воды принимает участие 72 тыс. км³. Важно отметить, что из 72 тыс. км³ испаряющейся ежегодно с поверхности суши воды 30 тыс. км³ (42 %) приходится на транспирацию растительным покровом.

Местный влагооборот – это испарение и образование осадков над определённой территорией и выпадение их тут же. Например, на экваторе, в Амазонии, в континентальном умеренном климате летом.

Это интересно!

В природе существует шесть изотопов кислорода. Три из них стабильны: О¹⁶ , О¹⁷ и О¹⁸ . У водорода есть три изотопа: Н – протий, D – дейтерий, Т – тритий. Комбинируя различные сочетания изотопов кислорода и водорода, можно получить 36 разновидностей воды. В природе наиболее распространена вода (её называют «обычной» водой), состоящая из изотопов Н и О¹⁶ , – на её долю приходится 99,73 %.

Далее по распространённости в порядке убывания идут молекулы следующего состава: D₂ О, Н₂ О¹⁸ и Н₂ О¹⁷ . При испарении в водяной пар в основном – как более лёгкая – переходит вода состава Н₂ О¹⁶, неиспарившаяся же вода обогащается тяжёлыми изотопами водорода и кислорода. Поэтому в тропических морях и озёрах такой обогащённой тяжёлыми изотопами воды больше, чем в водоёмах полярных широт, а тем более в реках. Вода с изотопом кислорода О¹⁸, по крайней мере, водными животными усваивается лучше, чем обычная (в раковинах таких животных тяжёлые изотопы кислорода встречаются чаще, чем в воде), а вот тяжёлая вода D₂О живыми организмами не усваивается.

Гидросфера: свойства природной воды

В 1780 г Кавендиш и Лавуазье установили, что вещество, называемое водой, есть простейшее и устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом. Важные свойства воды:

• медленно нагревается и медленно остывает;
• при замерзании расширяется;
• переходит из одного состояния в другое, в результате чего и наблюдается влагооборот в природе;
• вода обладает самым высоким после ртути поверхностным натяжением, а также смачиванием. С этим свойством связаны особенности циркуляции воды в почвах и горных породах, движение соков в растениях, кровообращения у животных;
• растворяет многие вещества.

Обычная вода в условиях нормального атмосферного давления кипит при температуре +100° С, замерзает при температуре 0°С и имеет максимальную плотность при температуре +4°С. При охлаждении воды ниже +4°С плотность ее уменьшается, а объем увеличивается, и при замерзании происходит резкое увеличение объема. В отличие от всех веществ в природе вода при переходе из жидкого состояния в твердое приобретает меньшую плотность, поэтому лед легче воды. Эта аномалия играет важную роль в природе. Лед держится на поверхности водоемов. Будь лед тяжелее воды, образование его начиналось бы со дна, и водоемы были бы многолетнемерзлыми (за лето не все успевали бы оттаять), а жизнь могла бы погибнуть.

Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и температуры. При давлении в 1 атм. (760 мм рт. ст.) вода замерзает при температуре 0°С, а в 600 атм. – при температуре –5°С. При сверхвысоком давлении (больше 20000 атм.) вода переходит в твердое состояние при температуре +76°С (горячий лед). Такой лед может быть в недрах Земли. При очень низких температурах (меньше –170°С) и небольшом давлении образуется сверхплотный лед (как твердый камень), такой лед может быть в ядрах комет.

В чистом виде вода – бесцветная жидкость, не имеющая ни вкуса, ни запаха. В природе «чистая» вода практически не встречается, так как благодаря особенностям молекулярного строения она способна хорошо растворять различные химические соединения и газы. Поэтому природная вода всегда представляет собой слабый раствор.

Гидросфера: кислотность и основность воды

Величина рН характеризует кислотную и щёлочную реакцию воды. В пробе чистой воды концентрации Н + и ОН – равны между собой, и эти величины при температуре 25° С составляют 10 -7 моль/л. Растворы с одинаковыми концентрациями ионов водорода и гидроксид-ионов называются нейтральными: [Н + ] = [ОН — ] = 10 -7 моль/л.

По водородному показателю все природные воды делятся на группы:

• нейтральные (6,5 < рН ≤ 7,5);
• слабощёлочные (7,5 < рН ≤ 8,5);
• щёлочные (8,5 < рН ≤ 9,5);
• сильнощёлочные (рН > 9,5);
• слабокислые (5,5 < рН ≤ 6,5);
• кислые (4,5 < рН ≤ 5,5);
• очень кислые (рН ≤ 4,5).

Питьевая вода имеет нейтральную или слабощёлочную реакцию.

Солёность вод

Полярность молекул воды обусловливает её свойство растворять вещества лучше, чем другие жидкости. Растворение кристаллов неорганических веществ осуществляется благодаря гидратации входящих в их состав ионов. Хорошо растворяются в воде органические вещества с карбоксильными, гидроксильными, карбонильными и другими группами, с которыми вода образует водородные связи. Суммарное содержание в воде растворённых неорганических веществ (концентрация солей) выражают либо в виде минерализации M (мг/л, г/л), либо солености S (г/кг, ‰).

Промиилле (лат. per mille, pro mille — на тысячу) — одна тысячная доля, 1⁄10 процента, обозначается (‰), используется для обозначения количества тысячных долей чего-либо в целом. Знак промилле образован от знака процента (%) добавлением ещё одного «нуля».

По содержанию солей природные воды подразделяют на четыре группы:

• пресные – S 1 ‰,
• солоноватые – 1 < S 25 ‰,
• солѐные – 25 < S 50 ‰,
• высокосолѐные (рассолы) – свыше 50 ‰.

Границы между группами выделены по следующим соображениям: 1 ‰ – это верхний предел солёности питьевой воды; 25 ‰ (точнее, 24,7 ‰) – солёность, при которой температура наибольшей плотности и температура замерзания воды совпадают. В морях солёность воды выше 50 ‰, как правило, не наблюдается, средняя солёность морской воды составляет 30‰.

Минерализация воды

Минерализация природных вод разного типа может изменяться в широких пределах: от 0,01 г/л (в атмосферных осадках) до 600 г/л (в рассолах). К числу главных ионов солей, находящихся в природных водах, относятся анионы: НСО₃— – гидрокарбонат, Н₂ SO₄— – сульфат, Cl- – хлорид и катионы: Ca2+, Mg2+, Na + и К +.

Все природные воды по преобладающему аниону делятся на три класса:

• гидрокарбонатные;
• сульфатные;
• хлоридные.

По преобладающему катиону – на три группы:

• кальциевые,
• магниевые;
• натриевые.

Природные воды различного происхождения обычно имеют и различный солевой состав и относятся соответственно к разным классам и группам. Так, речные воды, как правило, относятся к гидрокарбонатному классу и кальциевой группе. Подземные воды нередко относятся к сульфатному классу и магниевой группе. Воды океанов и морей принадлежат к хлоридному классу и натриевой группе.

Жёсткость воды

Сумма концентрации наиболее распространенных двухвалентных катионов кальция и магния, выраженная в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л), называется общей жёсткостью воды. Кальций и магний присутствуют в воде в виде растворимых углекислых, двууглекислых, хлоридных и сернокислых солей.

По общей жёсткости природная вода делится на:

• мягкую ( 3,5 мг-экв/л);
• средне жесткую (3,5 – 7 мг-экв/л);
• жёсткую (7 – 14 мг-экв/л);
• очень жёсткую ( 14 мг-экв/л).

Растворение газов в воде

Газы хорошо растворяются в воде если способны вступать с ней в химические связи (аммиак, сероводород, сернистый газ, углекислый газ и др.), прочие газы мало растворимы в воде. При понижении давления, повышении температуры и увеличении солёности растворимость газов в воде уменьшается.

Наиболее распространённые газы, растворённые в природных водах, – это кислород, азот, углекислый газ. Содержание в воде других газов ничтожно мало, однако в некоторых случаях, а именно: при наличии замкнутых глубоководных впадин (Чёрное море, впадины в норвежских фьёрдах и некоторые части Каспия) и отсутствии глубокой вентиляции воды, приносящей кислород, который превращал бы сероводород в кислотные соединения серы, – в воде может накапливаться в очень большом количестве сероводород. Например, в Чёрном море вблизи дна содержание сероводорода сравнимо с содержанием кислорода в поверхностных слоях этого же моря.

Некоторые особенности природных вод обязаны хорошей растворимости в ней углекислого газа. При растворении последнего в воде образуются угольная кислота и её формы.

Углекислый газ, угольная кислота и её ионы находятся в воде в состоянии так называемого карбонатного равновесия. Карбонатное равновесие обеспечивает некоторую буферную способность природных вод, т. е. способность поддерживать постоянную величину рН вблизи нейтральной точки благодаря гидрокарбонат-иону, который может нейтрализовать и кислоты, и основания.

Гидросфера загрязняется биогенными и другими веществами

Природные воды содержат биогенные вещества, к числу которых относятся соединения азота, фосфора, кремния. Эти вещества поступают в воду из атмосферы, грунтов, а также при разложении сложных органических соединений. Их источником служат также различные стоки.

Содержатся в воде и различные растворённые органические вещества: углеводы, белки, продукты их разложения и т. п. Природные воды содержат микроэлементы (микроэлементами называют вещества, содержание которых в воде не превышает 1 мг/л). К числу наиболее распространѐнных микроэлементов относятся бром, йод, фтор, литий, барий, железо, никель, цинк и др.

В число микроэлементов природных вод входят нестабильные элементы и изотопы. Особую категорию содержащихся в воде веществ составляют так называемые загрязнители (загрязнители – вещества, оказывающие вредное воздействие на живую природу). Это нефтепродукты, ядохимикаты, удобрения, моющие средства, некоторые микроэлементы и т. п. Большинство загрязнителей имеют антропогенное происхождение.