ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.09.2020
Просмотров: 5010
Скачиваний: 8
РАЗДЕЛ III ГИДРОСФЕРА
Гл а в а 13 Общие сведения о гидросфере
13.1. Распространение воды на Земле. Происхождение природных вод
Гидросфера
(греч.
hydro
–
вода и
sphaira
–
шар) – водная оболочка земного шара, объединяющая
Мировой океан, подземные воды и поверхностные воды суши. Единство гидросферы определяется
постоянным водообменом между всеми ее частями и переходом воды из одного состояния в другое.
Существует и более широкое толкование понятия «гидросфера», при котором в нее включают
также и водяной пар атмосферы, и биологическую воду, содержащуюся в живых организмах. Однако
в этом случае понятие «гидросфера» теряет свою конкретность, так как его можно распространить и
на атмосферу, и на биосферу (как, впрочем, и их на гидросферу). В то же время при составлении
водных балансов необходимо учитывать и влагу, находящуюся в атмосфере, как равноправную
участницу мировых круговоротов воды.
За верхнюю границу гидросферы условно принимают поверхность земного шара; нижняя ее
граница менее четкая, но основная масса включающихся в гидросферу подземных вод заключена в
осадочной рыхлой толще.
Общий объем поверхностных и приповерхностных подземных вод на Земле составляет около 1,39
млрд км
3
'. Различные виды природных вод и их роль в гидросфере показаны в таблице 4. Безусловно,
основная часть этих вод сосредоточена в Мировом океане, поэтому можно сказать, что гидросфера –
это прежде всего океаносфера.
Соленых вод на Земле 97,4% – это прежде всего океаническая вода и частично минерализованная
озерная и подземная. На долю пресной воды приходится всего 2,6%, из них около 2,0%
сосредоточено во льдах. Лишь около 0,6% жидкой воды находится в реках, озерах и подземных
резервуарах, причем пятая часть – в озере Байкал. Поэтому проблема пресной воды – одна из
глобальных экологических проблем человечества.
Та
блица 4
Мировые запасы воды в различных звеньях гидросферы, а также в атмосфере и биосфере
(по
Атласу океанов с дополнениями)
Части гидросферы
Объем воды в тыс. км
3
В % от общего объема
Мировой океан
1338000
96,4
Воды на поверхности суши:
ледники и постоянный снежный покров;
25800
1,86
озера.
176
0,013
я
том числе пресные:
91
0,007
водохранилища;
6
0,0004
речные воды;
2
0,0002
воды в болотах
11
0,0008
Подземные воды (гравитационные и капиллярные). 23400
1,69
в том числе пресные
10530
0,76
Подземные льды зоны многолетнемерзлых пород 300
0.022
Вся гидросфера.
1387695
100
в том числе запасы пресной воды
36700
2,65
В настоящее время вода покрывает 86% поверхности Земли: 71% – площадь Океана и 15% –
суммарная площадь воды на суше: ледники, озера, водохранилища, реки, болота. Так что нашу
планету впору называть не Землей, а Океаном или Водой.
Науку, изучающую свойства природных вод, происходящие в них процессы и взаимодействие вод
с другими элементами географической оболочки, называют
гидрологией,
в том числе ее часть,
изучающую Мировой океан, –
океанологией.
В курсе землеведения даются лишь наиболее важные
гидрологические понятия, изучаются те свойства и процессы разных видов природных вод, которые
необходимы для познания общих географических закономерностей Земли.
Происхождение природных вод.
Химически связанная вода была в веществе холодного
газопылевого протопланетного облака, из которого возникла Земля. Геохимические исследования
показывают, что на земной поверхности вода появилась на определенном этапе развития Земли около
4,0 –
3,5 млрд лет назад за счет горячих растворов, водяных паров и других летучих веществ в
результате дегазации магмы. Максимум темпов нарастания гидросферы приходится на нижний
рифей 1,5 млрд лет назад. Гидросфера развивалась в тесном взаимодействии с атмосферой,
литосферой, а затем и с живой природой.
Поступление воды из недр происходит до сих пор при извержении вулканов, особенно в рифтах
срединно-океанических хребтов, а ведь раньше вулканическая деятельность была гораздо активнее.
Примером могут служить глубинные ювенильные воды и рассолы (с соленостью до 270 ‰ и
температурой до 44-57 °С), поступающие из источников в осевом рифте Красного моря. В некоторых
впадинах этого рифта толщина слоя воды с аномально высокой соленостью и температурой
составляет 200-300 м, что является показателем высокого дебита этих источников. Пресная вода на
суше – результат прохождения «океанической» воды через атмосферу. В верхних слоях атмосферы
вода образуется из атомов водорода, принесенных солнечным светом, который реагирует с
кислородом атмосферы (так называемый солнечный дождь). Гидросфера не только получает, но и
теряет воду за счет фотосинтеза и распада воды Н
2
О на ОН и Н или О и Н
2
в высоких слоях
атмосферы. При этом легкие атомы водорода улетучиваются в межпланетное пространство, образуя
земную корону. Существующие оценки современной диссипации водорода в космическое
пространство показывают, что в среднем Земля теряет около 0,1 км
3
воды в год.
13.2. Физико-химические свойства воды и их значение для природных процессов
Вода
–
простейшее химическое соединение водорода с кислородом. Химически чистая вода
состоит из 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода (по весу). Вода – самое распространенное и самое
необыкновенное вещество на Земле благодаря своим аномальным свойствам. В земных условиях
только вода находится в трех физических агрегатных состояниях: твердом (лед, снег), жидком (вода)
и газообразном (пар). В парообразном состоянии (при температуре 100 °С) вода состоит главным
образом из простых молекул, называемых гидролями (Н
2
О). В жидкой фазе вода представляет собой
смесь гидролей (Н
2
О) двойных молекул – дигидролей (Н
2
О)
2
и тройных молекул – тригидролей
(Н
2
О)
3
. В твердой фазе (лед) в воде преобладают тригидроли (Н
2
О)
3
. Переход воды из одного
состояния в другое происходит быстро и сопровождается или поглощением тепла (при испарении,
таянии льда и снега) или выделением тепла (при конденсации и сублимации водяного пара, при
замерзании воды), но на температуру самой воды (льда) это не влияет. При этом скачкообразно
изменяются физические и химические свойства воды. Химически чистая вода при нормальном
атмосферном давлении 760 мм (1013 гПа) кипит при 100 °С, замерзает при О°С (это и температура
плавления льда), имеет наибольшую плотность при температуре +4 °С.
Теплоемкость.
Вода – одно из самых теплоемких в природе тел. Удельной теплоемкостью
вещества называется количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 °С.
Вследствие высокой теплоемкости воды океанов, морей и озер поглощают огромное количество
тепла летом, являясь его мощными аккумуляторами. Зимой воды, охлаждаясь, отдают тепло в
атмосферу. Этим объясняется большое умеряющее (летом охлаждающее, зимой отепляющее)
влияние океанов и морей на климат прилегающих материков в умеренных и высоких широтах. В
экваториально-тропических теплоэнергетических зонах вода нагревается весь год и тепло морскими
течениями и воздушными потоками передается в умеренные и полярные широты. Это
перераспределение тепла имеет огромное климатическое значение.
Для воды характерны высокие значения
теплоты испарения
(597 кал/г) и
теплоты плавления
(79,4 кал/г). Эти свойства очень важны для живых организмов. Высокая теплота испарения
обеспечивает защиту их от перегрева, а большая теплота плавления – от переохлаждения.
Теплопроводность
воды весьма незначительна. Поэтому нагревание воды в естественных
водоемах происходит не столько путем молекулярной теплопроводности, сколько путем плотностной
конвекции, перемешивания воды
вследствие течений и волнения. При отсутствии перемешивания воды в озерах наблюдается
вертикальная термическая слоистость (стратификация).'Лед и особенно снег обладают еще меньшей
теплопроводностью, чем вода. Поэтому лед, возникнув на поверхности водоема, предохраняет воду
от дальнейшего охлаждения, а снег – почву от промерзания, бесснежие же губит озимые культуры.
Плотность
воды зависит от температуры и солености. Наибольшая плотность химически чистой
воды достигается при температуре +4°С, а выше и ниже +4°С плотность воды уменьшается – вода
становится легче. Это удивительное аномальное свойство воды по сравнению с другими жидкостями,
плотность которых при понижении температуры и затвердевании увеличивается, объясняется тем,
что одиночные молекулы воды Н
2
О (моногид-роли) могут объединяться и образовывать сложные
молекулы: дигидроли и тригидроли. Они более крупные по объему, но относительно рыхлые,
ажурные по структуре и поэтому более легкие. При понижении температуры воды происходит, с
одной стороны, нормальное уменьшение объема и уплотнение воды, вызванное охлаждением, как у
всех жидкостей, а с другой – увеличение объема и соответственно уменьшение плотности воды из-за
объединения молекул воды в более сложные, но более легкие. При охлаждении воды до +4°С
преобладает первый процесс, при температуре +4°С оба процесса уравновешиваются, поэтому
плотность наибольшая, при дальнейшем охлаждении воды ниже +4°С преобладает второй процесс.
Плотностная аномалия воды имеет громадное значение для природных вод. Во-первых, при осеннем
охлаждении пресных водоемов до +4°С более холодная и плотная вода с поверхности опускается и
обогащает глубинные слои кислородом, как бы подготавливая водоем к зиме. Во-вторых, вследствие
этой аномалии водоемы даже в условиях сурового климата не промерзают до дна, за исключением
совсем мелких, поскольку при охлаждении воды ниже +4°С вплоть до О °С верхние слои воды
становятся менее плотными, более легкими и удерживаются на поверхности. Так как молекулярная
теплопроводность воды и льда невелика, верхние слои предохраняют от охлаждения ниже
расположенные толщи воды; живые организмы тем самым уберегаются от гибели. Весной после
таяния льда и нагревания воды в верхнем ее слое до +4°С она становится тяжелее, плотнее и
опускается вниз, обогащая глубинные слои кислородом, что очень важно для жизни, так как после
зимы запасы кислорода в водоемах истощаются. Но это опускание прекращается после достижения
температуры +4°С, ибо при
последующем прогревании поверхностная вода становится легче. Таким образом, благодаря
плотностной аномалии воды сохраняется жизнь в водоемах в условиях холодных и умеренных
климатических поясов.
Своеобразным свойством воды является
резкое увеличение ее объема при замерзании.
Объем
льда примерно на 10% больше по сравнению с первоначальным объемом воды. И наоборот,
плавление льда сопровождается не расширением, а сжатием и уменьшением объема воды. Это
аномальное свойство воды объясняется тем, что при понижении температуры воды и переходе ее
через 0°С происходит быстрое превращение почти всех ее молекул в тригидроли, что сопровождается
скачкообразным увеличением объема льда. Увеличиваясь в объеме, лед становится менее плотным
(плотность льда при замерзании воды составляет 0,91 г/см
3
),
а значит, более легким, чем вода, и
всплывает. Будучи плохим проводником тепла, лед предохраняет глубокие слои воды от замерзания.
Свойство воды увеличиваться в объеме при замерзании играет огромную роль при разрушении
горных пород путем физического («морозного») выветривания, поскольку, замерзая в трещинах
пород, лед давит на их стенки и разрывает породу на мелкие части. Изменение объема воды при
замерзании и таянии льда создает в области многолетней мерзлоты особый рельеф: бугры пучения
при замерзании воды и впадины при таянии льдистых грунтов и линз льда.
Подвижность
–
характерное свойство жидкой воды. Движение воды происходит под действием
силы тяжести, различия плотностей, под влиянием ветра, вследствие притяжения Луной и Солнцем и
др. Перемешивание воды способствует выравниванию ее температуры, солености, химического
состава и т. д. Велика роль движущейся воды в перераспределении тепла в океанах путем морских
течений. Благодаря поверхностным текучим водам размываются, перемещаются и отлагаются
огромные массы горных пород.
Термическая устойчивость
воды весьма высока. Водяной пар разлагается на водород и кислород
только при температуре выше 1000°С в высоких слоях атмосферы.
Поверхностное натяжение.
Вода среди жидкостей, кроме ртути, обладает самым большим
поверхностным натяжением. Благодаря этому свойству вода поднимается по капиллярам в грунтах,
движется вверх в растениях, обеспечивая соответственно почвообразование и питание растений. Без
воды земледелие было бы невозможно.
Вода – прекрасный
растворитель,
поэтому все воды представляют собой газосолевые растворы
различного химического состава и различной концентрации. Концентрация растворенных в воде
веществ характеризуется
соленостью,
обозначается символом S и выражается в промилле (%о), т. е. в
тысячных долях (граммах вещества на килограмм воды). Соленость пресной воды менее 1%о,
остальные воды в той или иной степени соленые. Большая часть химических элементов находится в
воде в виде гидратированных ионов, газы – в виде растворенных молекул. Растворимость газов в
воде больше при низких температурах и повышенном давлении. Обнаружилось, что вода изменяет
свою растворяющую способность под воздействием искусственно создаваемого магнитного поля.
Растворяющая способность воды обусловливает химическое выщелачивание (выветривание) горных
пород, обмен веществами между компонентами природы внутри географической оболочки, между
сушей и океаном, между организмами и средой. Вообще минерализация воды до определенного
предела – основа жизни. Химически чистая вода для жизни непригодна.
Многообразен не только химический и молекулярный, но и
изотопный состав природных вод,
так как кислород и водород имеют несколько изотопов. В природных условиях известны атомы
водорода с атомным весом 1 (Н
1
–
протий), 2 (Н
2
=Д – дейтерий) и 3 (Н
3
=Т – тритий) и атомы
кислорода с атомным весом 16(О
16
), 17(О
17
) и 18(О
18
). Из сочетания изотопов водорода Н, Д и Т и
кислорода О
16
, О
17
и О
18
образуется девять видов воды. Природная вода – смесь всех этих
видов. Причем на долю обыкновенной воды Н
2
'О
16
приходится 99.7% на Земле. Все остальные виды
воды, кроме обыкновенной, называются
тяжелой водой.
Наиболее существенно отличается от
обыкновенной тяжелая вода Н
2
2
О
16
(Д
9
О). Она имеет молекулярный вес 20, кипит при температуре
101,42°С, замерзает при температуре 0,8 °С, имеет максимальную плотность при 11,6 °С. Тяжелая
вода нашла применение в атомной энергетике.
Способность к самоочищению –
важное свойство воды. Оно осуществляется в процессе течения
в реках, волнения в озерах и морях, фильтрации воды через грунт, в процессе испарения. Но при
загрязнении выше определенных пределов эта способность нарушается.
Цвет воды.
Вода имеет голубоватый оттенок, но в тонких слоях бесцветна. Оттенки цвета зависят
от угла падения солнечных лучей, глубины проникновения света и от примесей.
Прозрачность воды
определяется глубиной погружения белого диска диаметром 30 см.
Прозрачность зависит от примесей. При большой прозрачности свет проникает на большую глубину,
поддерживая необходимые условия для существования организмов.
Физические и химические свойства воды тесно взаимосвязаны. Особенно сильно изменяются
свойства воды под влиянием температуры и давления. Удивительные свойства воды способствовали
появлению и развитию жизни на Земле. Благодаря воде совершаются все процессы в географической
оболочке.
13.3. Круговорот воды и водный баланс Земли
Круговорот воды, или влагооборот, на
Земле – один из важнейших процессов в географической
оболочке. Под ним понимают
непрерывный замкнутый процесс перемещения воды, охватывающий
гидросферу, атмосферу, литосферу и биосферу.
Наиболее быстрый круговорот воды происходит на
поверхности Земли. Он совершается под действием солнечной энергии и силы тяжести. Влагооборот
складывается из процессов испарения, переноса водяного пара воздушными потоками, конденсации
и сублимации его в атмосфере, выпадения осадков над Океаном или сушей и последующего стока их
в Океан (рис. 76). Основной источник поступления влаги в атмосферу – Мировой океан, меньшее
значение имеет суша. Особую роль в круговороте занимают биологические процессы – транспирация
и фотосинтез. В живых организмах содержится более 1000 км
3
воды. Хотя объем биологических вод
небольшой, они играют важную роль в развитии жизни на Земле и усилении влагооборота: почти
12% испаряющейся влаги в атмосферу поступает с поверхности суши за счет транспирации ее
растениями. В процессе фотосинтеза, осуществляемого растениями, ежегодно разлагается 120 км
3
воды на водород и кислород.
Рис. 76. Схема влагооборота воды в природе (по Л. К. Давыдову):
1 –
испарение с поверхности океана; 2 – выпадение осадков на поверхность океана: 3 – выпадение
осадков на поверхность супш; 4 – испарение с поверхности суши: 5 – поверхностный, нерусловой
сток в океан; 6 – речной сток в океан; 7 – подъемный сток в океан или в бессточную область
В поверхностном круговороте воды на Земле условно выделяют малый, большой и вну-
триматериковый круговороты. В малом круговороте участвуют только Океан и атмосфера.
Испаряющаяся с поверхности Океана влага в большей своей части выпадает обратно на морскую
поверхность, совершая
малый круговорот.
Меньшая часть влаги участвует в большом поверхностном круговороте, переносясь воздушными
потоками с Океана на территорию суши, где возникает ряд местных влагооборотов. С периферийных
частей континентов (их площадь около 117 млн км
2
) вода вновь поступает в Океан путем
поверхностного (речного и ледникового) и подземного стока, завершая
большой круговорот.
Территории, не имеющие стока в Мировой океан, называют областями внутреннего стока
(бессточными по отношению к Океану). Их площадь более 32 млн км
2
. Вода, испарившаяся с
замкнутых территорий суши и вновь выпадающая на нее же, образует
внутриматериковый
круговорот.
Крупнейшие области внутреннего стока – Арало-Каспийская, Сахара, Аравия,
Центрально-Австралийская. Воды этих областей обмениваются влагой с периферийными областями
и океаном в основном путем переноса ее воздушными течениями.
Механизм влагообмена океан – атмосфера – суша – океан в действительности гораздо сложнее.
Он связан с общим глобальным обменом вещества и энергии как между всеми геосферами Земли, так
и между всей планетой и Космосом. Глобальный влагооборот Земли – незамкнутый процесс, так как
в том объеме, в котором вода выделяется из земных недр, она уже не возвращается обратно: при
обмене веществом с космическим пространством преобладает процесс безвозвратной потери
водорода при диссипации молекул воды над его приходом. Однако количество воды в гидросфере не
уменьшается за счет поступления воды из недр.
Количественно круговорот воды на Земле характеризуется водным балансом.
Водный баланс
Земли
–
равенство между количеством воды, поступающей на поверхность земного шара в виде
осадков, и количеством воды, испаряющейся с поверхности Мирового океана и суши за одинаковый
период времени. В среднем годовое количество осадков, так же как и испарение, равно 1132 мм, что в
объемных единицах составляет 577060 км воды (табл. 5).
В истории Земли неоднократно отмечались крупные изменения воднобалансовых характеристик,
что связано с колебаниями климата. В периоды похолоданий происходит изменение мирового
водного баланса в сторону большей увлажненности континентов за счет консервации воды в
ледниках. Водный баланс Океана становится отрицательным, и уровень его понижается. В периоды
потеплений, наоборот, отрицательный водный баланс устанавливается на континентах: растет
испарение, увеличивается транспирация, тают ледники, сокращается объем озер, увеличивается сток
в Океан, водный баланс которого становится положительным.
Та
блица 5
Средний годовой водный баланс Земли
(по Р. К. Клиге и др.)
Элементы
баланса
Объем
воды,
км
3
/год
Слой
воды,
мм
% от
расход
а
Земной шар в целом
Испарение
-577060 -1132 100
Атмосферные
+577060 + 1132 100
Мировой океан
Испарение
-507150 -1402 100
Атмосферные
+457230 + 1264 90,2
Речной сток
+44 180 + 122 8,7
Ледниковый
+3850
+ 11 0,8
Подземный сток
+2500
+7 0,5
Невязка баланса
+610
+2 0,1
Территория суши
Атмосферные
+119830 +804 100