Гидросфера земли

Уникальные свойства воды

Вода — единственное химическое соединение, которое существует в природе в виде и жидкости, и твердого вещества (лед), и газа (пары воды). Всем хорошо известно, что вода при нормальных условиях — бесцветная прозрачная жидкость без запаха. При этом физико-химические свойства воды поистине удивительны:

• высоким поверхностным натяжением (с этим свойством связано значительное капиллярное поднятие воды, что способствует питанию растений по корневым системам);
• высокими температурами кипения и замерзания;
• удельные энтальпии (теплосодержание) плавления и испарения выше, чем у большинства веществ;
• плотность воды в жидкой фазе больше плотности льда, поэтому лед плавает на поверхности воды, и водоемы не замерзают до дна.

Фото: dimitrisvetsikas1969, pixabay.com

Вода является прекрасным растворителем для многих веществ. Благодаря высокой растворяющей способности воды в ней содержатся практически все химические элементы, из которых наиболее важны для живых организмов. Обилие растворенных элементов превращает водную среду в своеобразный «ведьмин студень», в котором возможны самые фантастические преобразования энергии, вещества и информации. Почти все биохимические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организмов, сводятся к реакциям в водных растворах.

Круговорот воды в природе

Он осуществляется под действием двух естественных движущих сил:

• гравитации;
• солнечного тепла.

Подсчитано, что не менее половины солнечной энергии, поступающей на землю, расходуется на испарение воды. Однако солнечный свет заставляет двигаться пары воды не только в вертикальном направлении (в отличие от силы тяжести).

Неравномерное распределение энергии Солнца по поверхности планеты приводит к тепловым изменениям, что создаёт условия для конвекции океанических течений. Также на перемещение воды влияют ветра.

Под действием силы тяжести испарившаяся влага выпадает в виде осадков либо в Мировой океан, либо на сушу, где частично поглощается почвой, а частично, с речными потоками, стекает в океаны. Влага из почвы всасывается растительностью, расходуется в биохимических процессах и снова испаряется с поверхности листьев.

Ещё одним слагаемым, обуславливающим поступление пресной воды в океаны, являются откалывающиеся от ледников айсберги, дрейфующие от кромки материков, особенно от Антарктиды. Из бессточных областей вода в океаны поступает с грунтовыми водами и в виде испарений. В этом наиболее явно прослеживается неразрывная связь между атмосферой и гидросферой.

В круговом обороте воды выделяются два звена:

• океаническое;
• материковое.

Как в любом физическом процессе, в нём выполняются законы сохранения массы и энергии.

Химический состав гидросферы Земли

Вода природных водоемов представляет собой раствор солей различной концентрации. Так как основным составным элементом гидросферы является Мировой океан, то и средний химический состав его близок к морской воде. Но если рассматривать каждый элемент гидросферы отдельно, то выявляется большая разнородность его химического состава.

Больше всего в составе морской воды содержится кислорода – около 85,7%. Далее по убыванию – водород H (10.8%), хлор Cl (1,98%) и натрий Na (1.03%). В количественном выражении верхние слои океана содержат более 140 трлн тонн углекислого газа и 8 трлн тонн кислорода. Вообще, в океане содержатся все известные элементы, но концентрация их очень низкая. Вместе с тем, общее их содержание в воде огромно и исчисляется миллионами-миллиардами тонн. Например, золота содержится 6 млн тонн, а серебра – 5 миллиардов. Уже запатентованы способы извлечения этих металлов из океанической воды.

В среднем в морской воде концентрация солей составляет 35 г/л. Интересной особенностью морской воды является постоянство соотношения между главными компонентами основного солевого состава воды.

Химический состав атмосферных вод не отличаются высоким содержанием солей. Их концентрация в среднем составляет 50 мг/л.

Химический состав подземных вод наиболее разнообразен. Концентрация солей здесь варьируется от 0,05 до 400 г/кг.

Не менее разнообразен и химический состав поверхностных и грунтовых вод, во многом он определяется климатической зоной

Но немаловажное значение имеют и состав пород, почвы и растительности

Химический состав поверхностных вод классифицируется по нескольким показателям. Приведем пример классификации по гидрохимическому показателю.

• 1. Содержание макрокомпонентов – основных соединений, содержащихся в воде. А именно соединений калия, натрия, магния и кальция.
• 2. Уровень концентрации в воде растворенных газов – кислорода, азота, сероводорода, аммиака и метана.
• 3. Неорганические формы биогенных элементов — продуктов жизнедеятельности организмов. К ним относятся в основном неорганические соединения азота и фосфора. Биогенных элементов в воде может содержаться от нуля до десяти мг/л.
• 4. Органические формы биогенных элементов. Именно они отвечают за цвет и запах воды. В эту группу входят практически все классы органических соединений.
• 5. Микроэлементы, т.е. все известные металлы. Их содержание в природной воде очень незначительно.
• 6. Бактерии и микроорганизмы.

В составе поверхностных вод содержатся и нерастворимые вещества – песок, глина, илистые вещества, карбонаты, гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды, гумус, планктон и др. Их содержание варьируется от нескольких штук до десятков тысяч на один литр воды, а размеры – от грубодисперсных до коллоидных.

В результате деятельности человека в составе природных вод появились также и токсичные загрязняющие вещества. К ним относятся тяжелые металлы, нефтепродукты, хлорорганические соединения, фенолы и др.

Свойства гидросферы

Наиболее важными свойствами гидросферы являются:

1. Единство и глобальность – определяются её термодинамическими свойствами, относительно лёгкими переходами между агрегатными состояниями, единым происхождением (дегазация магмы) и присутствием растворённых веществ;
2. Особенности химического строения – дипольная молекула превращает воду в универсальный, химически активный растворитель, а водородные связи делают её свойства отличными от свойств кислотных оксидов и ковалентных гидридов и дают возможность для существования разнообразных структур;
3. Высокая подвижность.

Последнее свойство обеспечивает один из важнейших процессов на планете – глобальный круговорот воды.

Антропогенное влияние человека на гидросферу

Современной экологии известно три вида влияния человека на состояние водной оболочки Земли:

1. Химическое загрязнение, выражающееся в попадании в водоемы солей тяжелых металлов, фосфатов, нитратов, углеводородов. Источником выступают предприятия различных отраслей промышленности: транспортной, аграрной, тяжелой, нефтедобывающей.
2. Физическое воздействие – сброс подогретых стоков тепловыми и атомными электростанциями, радиационное загрязнение водоемов.
3. Биологическое взаимодействие поверхностных вод с болезнетворными микроорганизмами, попадающими в озера, пруды, реки со стоками пищевых, целлюлозно-бумажных, животноводческих производств.

Классификация видов воздействия считается условной, так как во многих местах загрязнение является комплексным. К примеру, обилие химических соединений соседствует с затопленными радиоактивными отходами, а в искусственно подогретых водоемах активно развиваются патогенные организмы.

Воздействие на гидросферу

Человек оказывает двоякое негативное влияние на гидросферу:

1. Нарушая баланс круговорота (например, меняя потребление или испарение путём создания водохранилищ или использования в сельскохозяйственных нуждах)
2. Загрязняя водные ресурсы (сбрасывая в гидросферу промышленные, бытовые и сельскохозяйственные отходы, в том числе, с дождевыми стоками и осадками).

До определённой степени загрязнения гидросфере присуще самоочищение, обусловленное деятельностью ихтиофауны (начиная с простейших микроорганизмов, перерабатывающих часть загрязняющих веществ, и заканчивая высшими хищниками, которые в итоге поглощают эти вещества, перемещающихся вверх по пищевой цепочке).

В очистке водоёмов большую роль играют растения, поглощая значительную долю избыточных микроэлементов и предотвращая эвтрофикацию (зарастание поверхности). В то же время повышенная кислотность, загрязнение тяжёлыми металлами и органическими соединениями угнетают флору и фауну, снижая способность водоёмов к самоочищению.

Таким образом, природные воды могут выступать как в качестве индикаторов, так и в качестве интеграторов процессов, происходящих в речных бассейнах.

При этом в связи с ростом населения планеты параллельно растёт уровень загрязнения водоёмов и спрос на чистую пресную воду, поскольку 80% заболеваний в мире обусловлено низким качеством воды (по данным ВОЗ).

Вода и ее особенности

Вода — это уникальный химический элемент, который присутствует на нашей планете в трех агрегатных состояниях. Но наиболее полезное — жидкое, именно в таком виде вода является необходимым источником для существования всего живого. Для многих организмов это не просто источник питания, а среда обитания. Доказано, что первые организмы обитали в воде, а уже потом, в процессе эволюции, вышли на сушу. Таким образом, главной характеристикой гидросферы является наличие огромного количества живых организмов.

Что такое гидросфера? Можно сказать, что это совокупность воды нашей планеты.

Мировой океан как составная часть гидросферы

Как уже упоминалось, около 96% объема гидросферы приходится на долю Мирового океана. Его главной особенностью является консервативность и устойчивость во времени. Особенно удивительно сохранение постоянства солевого состава океанской воды: процентное соотношение в ней основных солей остается неизменным в любом районе океана и на всех глубинах, независимо от степени распреснения.

Большая теплоемкость воды сглаживает крайние температуры, ведет к накоплению большого количества тепла, что создает благоприятные условия для развития и распространения организмов по всей водной толще.

Фото: 12019, pixabay.com

Малая изменчивость физических условий в Мировом океане способствовала в свое время зарождению жизни, в настоящее время благоприятствует поддержанию ее наибольшего разнообразия.

Из 33 классов растений, известных биологам, в гидросфере встречаются представители 18, а из 63 классов животных — 60. Можно считать, что гидросфера, и в особенности Мировой океан, являются хранилищами видового разнообразия жизни.

Следует отметить, что химический состав крови всех животных (включая и человека) близок по составу к морской воде. Выйдя из «морской стихии» на сушу, живые существа продолжают поддерживать в своих кровеносных сосудах привычную морскую среду. Функции крови и морской воды в принципе одинаковы. Это — транспорт живых клеток, белково-углеводных комплексов и растворенных газов.

Важными свойствами океанической среды, помимо устойчивости в геологическом масштабе времени, являются также:

• непрерывность (в отличие от континентальных водоемов);
• сплошная заселенность и почти полное отсутствие безжизненных зон;
• интенсивная циркуляция;
• наличие приливов и отливов.

В океане могут быть выделены две основные группы местообитаний (биотопов) растений и животных: это прибрежные биотопы (зона шельфа) и биотопы открытых вод (пелагиаль).

Фото: Pexels, pixabay.com

Прибрежные биотопы имеют достаточно выраженные, очерченные границы. Обычно они размещаются по шельфу поясами (полосами), параллельными береговой линии, которые сменяют друг друга по мере возрастания глубины.

В пелагической части океана структура биотопов зависит от режима течений и особенностей циркуляции водных масс в каждом конкретном районе. При наличии устойчивых связей всей водной массы с дном (вследствие интенсивного гидродинамического переноса) образуется единый биотоп.

Гораздо чаще, однако, в океане возникает ситуация, когда контрастные водные массы, отличающиеся физико-химическим режимом, располагаются друг над другом по типу слоеного пирога. В этом случае целесообразно рассматривать их как отдельные биотопы. Общими особенностями пелагических биотопов являются большие размеры и размытость границ.

Нерациональное использование вод и пути решения проблем

Самая большая проблема — это перерасход поверхностных вод. В результате возникают такие региональные катаклизмы, как гибель животных и растений, осушение болот, падение уровня воды в реках.

Чтобы не было перерасхода ценного ресурса, необходимо рационально его использовать, создавать замкнутые циклы использования воды в промышленности, экономить на бытовом уровне.

Перерасход грунтовых вод происходит из-за повышенного забора и пониженного количества осадков, когда подземные хранилища не успевают пополнить истраченные запасы. Чтобы решить эту проблему, необходимо учитывать особенности территории, с которой происходит забор воды.

Если вовремя не реагировать на вышеописанную проблему, может возникнуть следующая — просадка грунта. Когда подземные источники истощены, в недрах земли возникают полости, почва уже ничем не поддерживается и оседает. Это опасно тем, что просадка может быть неожиданной в местах, где находятся люди.

Чтобы эта проблема не застала врасплох, необходимо уменьшать потребление грунтовых вод, ставить высококачественные фильтры для повторного использования отработанной жидкости.

Еще одна проблема, возникающая из-за чрезмерного употребления подземных вод, — подток соленой воды. Это происходит из-за понижения давления внутри полостей в результате уменьшения уровня грунтовой воды.

Границы гидросферы

В широком смысле границы гидросферы определяются границами распространения воды как химического соединения.

Верхняя граница обнаружения воды находится на высоте 8−18 км, где молекулы воды разлагаются под действием УФ-излучения.

Нижняя граница водной оболочки располагается на глубине около 10 км ниже дна океана и на 6−14 км ниже уровня земной поверхности.

С точки зрения экологии, границы гидросферы определяются более четко и совпадают с границами водных объектов: морских и пресноводных водоемов и водотоков суши.

Фото: PublicCo, pixabay.com

Гидросфера — динамически активная оболочка. Горизонтальный перенос и перемешивание масс воды определяет постоянное перераспределение их свойств, передачу на огромные расстояния и глубины.

Части гидросферы Земли

Гидросфера включает в себя атмосферную, поверхностную и подземную воды. Каждая из этих групп делится на подгруппы. Количественное соотношение видов вод гидросферы приведено в таблице 1.

Примечание : Уважаемые посетители, дефисы в длинных словах в таблице поставлены для удобства мобильных пользователей — иначе слова не переносятся и таблица не помещается в экран. Спасибо за понимание!

Таблица 1. Части гидросферы Земли

Части гидросферы. Схема.

Пресная вода, занимая лишь небольшой процент в общем составе гидросферы планеты, играет важнейшую роль в жизнедеятельности человека.

Около 75% всей пресной воды на Земле содержится в ледниках полярных зон, в снеге и вечной мерзлоте. Эта вода объединяется под названием криосферы. Если бы все льды криосферы растаяли, то уровень океана повысился бы на 64 метра. В последнее время ученые с тревогой следят за шельфовыми ледниками Арктики и Антарктики. Только за последние несколько лет разрушились два ледника, остававшиеся неподвижными в течение последних десяти тысяч лет. Подробнее об этом здесь…

20% всех запасов пресной воды приходится на подземные воды и составляет 85 тыс. км³.

На долю рек, озер, болот и других пресноводных водоемов приходится всего 1% пресной воды. Но вследствие возобновляемости водных ресурсов, этого достаточно для снабжения водой всей планеты.

Реки в определенный момент времени содержат всего 1,2 тыс. км3 , однако годовой сток воды всей планеты составляет 41,8 тыс. км3. Озера содержат 280 тыс. км3 воды.

В парах атмосферы находится до 14 тыс. км³ воды, но за год влага в атмосфере сменяется до 40 раз и на земную поверхность в виде осадков выпадает до 520 тыс. км3 воды. Осадки и являются главным источником возобновления поверхностных вод.

Круговорот воды в природе

Все воды гидросферы находятся в постоянном движении, образуя так называемый круговорот воды в природе или гидрологический цикл. Круговорот воды происходит за счет испарения, конденсации и выпадения осадков.

Процесс испарения воды в море идет гораздо интенсивнее, чем выпадение осадков, потому что водяные пары переносятся ветром на территорию суши. На суше же наблюдается обратная картина – влаги испаряется гораздо меньше, чем выпадает и лишняя влага по речным руслам спадает обратно в море. Таким образом, вода циркулирует между сушей и мировым океаном, не меняя своего общего объема.

Круговорот воды в природе по масштабности процессов делится на три вида:

• 1. Большой (мировой) круговорот – вода, испарившаяся с поверхности морей, образует облака, перемещается в атмосфере и выпадает над сушей. Затем снова возвращается в Мировой океан.
• 2. Малый (океанический) круговорот – вода, испарившись с поверхности океана, выпадает снова в океан.
• 3. Внутриконтинентальный круговорот – вода, испарившись с поверхности суши, выпадает опять на сушу.

Круговорот воды в природе выполняет очень важную функцию – она препятствует застаиванию воды в природных резервуарах, обновляя ее. Правда, в различных средах обновление происходит с различной скоростью. Вода, содержащаяся в живых организмах, обновляется каждые несколько часов. Обновление же арктических ледников и углубленных грунтовых вод происходит не чаще одного раза в 10 000 лет. Более подробная информация по обновлению различных составных элементов гидросферы представлена в таблице 2.

Таблица 2. Скорость обновления воды в различных средах гидросферы.

Техническая вода

Подразделяется на несколько видов:

1. Вода для полива. Используется в сельском хозяйстве, не требует сложной очистки от примесей.
2. Энергетическая вода. Применяется для отопления помещений. Воду нагревают до газообразного состояния.
3. Хозяйственно-бытовая вода. Используется для разных нужд в больницах, столовых, прачечных и банях.

В промышленности почти половина воды используется для охлаждения оборудования. В таком случае она не загрязняется.

У технологической воды тоже есть несколько классификаций. Выделяют:

• Промывочную – используют для промыва различных материалов (твердых, газообразных и жидких).
• Средообразующую – применяют для обогащения руд, растворения пород во время добычи полезных ископаемых.
• Реакционную – используют для ускорения или замедления различных реакций.

Загрязнение вод

Что такое загрязнение гидросферы? Это загрязнение вод — одна из глобальных проблем человечества. Происходит перенасыщение нефтепродуктами. Для очищения необходимо вылавливать не только плавающие на поверхности масла, но и осадок, опускающийся на дно. Химическая промышленность является одним из главных источников загрязнения не только гидросферы, но и атмосферы.

Целлюлозно-бумажная промышленность засоряет близлежащие территории нерастворимыми волокнами и другими веществами. Из-за этого у воды появляется неприятный запах и вкус, меняется цвет, усиливается рост бактерий и грибов.

ТЭЦ сбрасывают отработанную воду обратно в водоемы. Если учитывать, что она обычно намного теплее, можно понять: происходит нагревание всего водохранилища. Это неблагоприятно сказывается на местных флоре и фауне. Воды начинают цвести, т.к. усиливается рост цианобактерий, водорослей и другой растительности. Жидкость приобретает неприятный запах и вкус.

Сплав леса также неблагоприятно сказывается на состоянии воды. Реки засоряются, загрязняются. К тому же данная хозяйственная деятельность наносит вред рыбе и животным, обитающим в реке, по которой происходит сплав. От недостатка кислорода гибнет молодняк рыбы, икра. Видовой состав уменьшается.

Человеческая жизнедеятельность наносит вред окружающей среде, особенно гидросфере и биосфере. Сточные воды из канализаций оказываются в грунте, вредные вещества попадают не только в почву, но и в подземные воды, реки и озера. Кроме вредных органических веществ в сточных водах находятся различные примеси: радиоактивные элементы, тяжелые металлы, продукты органического синтеза.

Вода имеет уникальное свойство — она может самовозобновляться и самоочищаться благодаря солнечной энергии.

Гидросфера земли — хрупкая структура. Чтобы решить проблему ее загрязнения, необходимо принять ряд мер:

• обеспечение каждого предприятия современной водоочистительной установкой;
• установка качественных фильтров для бытовой воды;
• совершенствование замкнутых циклов потребления воды.