Тема 2. Гідросфера Об’єм і структура гідросфери.

ГІДРОСФЕРА – унікальна водна оболонка планети, яка включає всю хімічно не зв’язану воду не залежно від її агрегатного стану: рідку, тверду, газоподібну. Характерною властивістю гідросфери є її єдність і неперервність. Це зумовлено спільністю походження всіх видів природної води, тісним взаємозв’язком між її окремими ланками і постійним переходом одного виду в інший. Верхня і нижня межа гідросфери встановлюються важко, оскільки не відома точна глибина проникнення води в надра планети і в атмосферу. Загальний об’єм гідросфери становить, за різними джерелами, від 1.386.5 млн. км³ до 1.5 млрд. км³ (М.І. Львович, 1986). Світовий океан займає 94% (інколи зустрічаються цифри 95% і, навіть, 96.5%) цього об’єму – 1 млдр. 349.9 млн. км³ (хоча є й дані, що 1.341 млрд. км³).

Води суші охоплюють близько 35.8 млн. км³:

Підземні води (гравітаційні і капілярні, а також глибинні розсоли) - включають 23 млн. км³ води (інколи вказуються інші цифри - 23.4; 23.5; 24 млн. км³), або 1.69% гідросфери. Крім того, підземні води районів поширення багаторічної мерзлоти мають об’єм близько 300 000 км³.

Льодовики та сніжники - охоплюють 24-30 млн. км³ води, або 1.7% (в деяких джерелах можна зустріти 1.74%, 1.6% та ін.) водних ресурсів планети. Льодовики, розташовані навколо полюсів, являють собою найбільші запаси прісної води.

Прісні поверхневі води – 360 000 км³, або 0.25% гідросфери:

ґрунтові – (за різними джерелами від 16 500 до 83 000 км³);

води озер – (176 400 – 278 000 км³) - (91 000 км³ – прісні озера, 85 400 км³ - солоні озера); води річок – (1 200 – 2120 км³); болотні масиви – (11 500 км³); біологічні води – (1 120км³ - ці води знаходяться в рослинах та живих організмах). Атмосферна вода – це головним чином водяна пара (12 900 – 14 000 км³), що не перевищує 0.001% об’єму гідросфери. Понад 90% атмосферної води зосереджено у її нижніх шарах (від 0 до 5 км).

Фізичні властивості води.

Вода на Землі є УНІВЕРСАЛЬНИМ РОЗЧИННИКОМ. Вона взаємодіє з абсолютною більшістю речовин, не вступаючи з ними в хімічні реакції. Ця її особливість забезпечує постійний обмін речовин, наприклад, між організмами і довкіллям, між сушею і океаном і т.д.

Вода, як один з найважливіших природоутворюючих факторів, має певні фізичні властивості. Одна її властивість взагалі дуже СПЕЦИФІЧНА – так, всі тіла при переході з рідкого стану в твердий ущільнюються, а лід (вода у твердому стані) навпаки, стає легшим, тобто має меншу густину (0.9167 г/л, а сніг – 0.080-0.140 г/л). Це пов’язано з тим, що вода при замерзанні збільшує свій об’єм на 10%. Така властивість має винятково важливе значення для живих організмів, що населяють гідросферу: лід, через меншу відносну густину, залишається на поверхні і, маючи погану теплопровідність, перешкоджає промерзанню водної товщі. Таким же чином і сніг захищає ґрунти від промерзання, а посіви озимих від вимерзання.

Слід також відмітити, що ця властивість води має й негативні наслідки: 1) вода замерзаючи здатна розривати металеві труби і ємності в яких знаходиться, 2) вода стає однією з причин інтенсивного вивітрювання гірських порід, що призводить до утворення в них тріщин і поступового подрібнення уламкового матеріалу.

Слід зауважити також, що при дуже низьких температурах (не більше (- 170ºС) і незначному тиску утворюється дуже щільний лід). Він має густину таку, як у гнейса – 2.32 г/см². Для такого льоду не характерна кристалічна структура, а найбільшу роль він відіграє в кометах і „холодних” планетах.

Максимальну густину прісна хімічно чиста вода має при +4ºС. Тому у водоймах на великих глибинах нагромаджується вода саме такої густини. При температурах вище і нижче +4ºС густина води зменшується, що пояснюється збільшенням відстані між молекулами.

При збільшенні солоності уповільнюється замерзання води. Температура замерзання води найбільшої густини зменшується при збільшенні солоності повільніше ніж температура її замерзання і тільки при солоності 24.7‰ вони збігаються. При подальшому збільшенні солоності температура води з найбільшою густиною завжди нижча від температури замерзання води. Це означає, що така вода, охолоджуючись, стає щільнішою і опускається, а з дна на поверхню піднімається вода більш тепла. Наслідком цього є те, що глибокі озера з високою солоністю довго не замерзають навіть при дуже низькій температурі, тоді як прісні швидко покриваються льодом.

Температура замерзання і танення при нормальному тиску (760 мм) – 0ºС. Температура кипіння - 100ºС. Слід відзначити, що на температуру замерзання значний вплив має ТИСК. Так, під тиском 600 ат., вода замерзає при (- 5ºС); 2 200 ат. – (- 22ºС); 3 500 ат. – процес замерзання відбувається вже при (-17ºС), а при 6 380 ат – при (+0.16ºС). При тиску 20 670 ат. утворюється гарячий лід (+76ºС). Такий лід може міститися у надрах Землі.

В 1954 року Х Генеральна конференція по мірах і вагах встановила температурну шкалу з одною реперною точкою – потрійною точкою води, яка дорівнює 0.01ºС. При цій температурі вода може існувати одночасно в трьох станах: рідкому, газоподібному й твердому.

Найнижчу температуру на поверхні Землі мають води Білого моря (-2ºС), а найвищу – Перської затоки (+35.6ºС). Максимальну температуру на глибині зафіксовано у 1985 році за 480 км від західного узбережжя Каліфорнії (+404ºС). Тут, на глибині, завдяки високому тиску відсутня пара.

Питома теплоємність – кількість теплоти, необхідна для нагрівання одиниці маси води на 1ºС. Загалом, вода має найбільшу теплоємність з усіх відомих у природі тіл (за винятком водню і рідкого аміаку). При цьому теплоємність води з підвищенням температури спочатку зменшується і досягає мінімуму при 30ºС, а потім знову зростає. Внаслідок високої теплоємності вода нагрівається і охолоджується повільніше, ніж повітря. Завдяки цьому водні об’єкти можуть акумулювати тепло, а при зниженні температури віддавати його в атмосферу.

Питома теплота пароутворення - кількість теплоти, необхідної для перетворення одиниці маси води в пару.

Питома теплота плавлення льоду – кількість теплоти, необхідної для перетворення одиниці маси льоду при температурі плавлення і нормальному атмосферному тиску в воду – 333 000 Дж/кг. Стільки ж теплоти виділяється при замерзанні (кристалізації) льоду.

Теплопровідність води дуже незначна і в процесі нагрівання водойм головна роль належить перемішуванню.

Поверхневий натяг – вода, серед усіх відомих рідин (за винятком ртуті) має найбільший поверхневий натяг. Ця властивість дає можливість воді і розчиненим у ній поживним речовинам підніматися в рослинах на значну висоту від поверхні ґрунту.

Капілярність – відіграє важливу роль у багатьох процесах, які проходять на Землі. Саме через це вода піднімається по порах і змочує ґрунти, які лежать значно вище рівня ґрунтових вод, забезпечуючи коріння рослин розчиненими у воді поживними речовинами. Капілярність обумовлює рух крові і тканинних рідин у живих організмах.

Здатність змочувати тверді тіла – вода може покривати тонкою плівкою поверхню більшості твердих тіл.

Рухомість – причини руху води: сила земного тяжіння; сила взаємного притягання мас Землі, Сонця і Місяця; вітер; зміни густини води;

В’язкість (внутрішнє тертя) – властивість води чинити опір при переміщенні однієї частини щодо іншої.

Прозорість – здатність води пропускати світло на глибину.

Звукопровідність – здатність води проводити звук.

Електропровідність - здатність води проводити електричний струм.

Колір – залежить від вмісту завислих і розчинених речовин та їх хімічного складу.

Тала вода (перехідний стан води – своєрідний розчин льоду в рідкій воді) – утворюється при таненні снігу й льоду. Вона біологічно активніша за звичайну. Рослини, які поливаються талою водою краще ростуть, а тварини, що її п’ють швидше набирають вагу.

Фізичні властивості води пояснюються будовою її молекул і їх взаємним притяганням. Молекула хімічно чистої води (Н2О) являє собою сполуку водню (11.11%) з киснем (88.89%). Це рівнобедрений трикутник з від’ємно зарядженим атомом кисню і двома позитивно зарядженими атомами водню.

Розташування зарядів (+) і (-) у такій молекулі несиметричне. Це призводить до виникнення полярності, великого дипольного моменту. Звідси здатність молекули води орієнтуватись у спектральному полі, сильніше (у 80 разів в порівнянні з повітрям) послаблення взаємного притягання протилежно заряджених частинок речовини, яка знаходиться у воді (сильна розчинна здатність води).