10. Основные характеристики гидросферы

Гидросфера – это прерывистая оболочка Земли, включающая воды океанов, морей, озер и рек, подземные воды, воды, собранные в виде вечных снегов и льда. Химически связанная вода горных пород в состав гидросферы не входит.

Все минералы, известные на Земле, и все живые организмы включают в себя воду. Сложнейшие реакции в животных и растительных организмах могут протекать только при наличии воды. Климат и погода на Земле во многом зависят и определя­ются наличием водных пространств и содержанием водяного пара в атмосфере. Пары воды в атмосфере перехватывают и поглощают тепловое излучение Земли, создавая «парниковый эффект». Следовательно, на всем протяжении истории развития Земли жизнь была связана с водой, с ее гидросферой.

10.1. Происхождение гидросферы

Химически связанная вода была уже в веществе холодного газово-пылевого протопланетного облака. Под влиянием глубинного тепла Земли она выделялась и в виде водяного пара поднималась на поверхность. По мере охлаждения земной поверхности из водяного пара фор­мировалась водная оболочка – гидросфера. Первичный Океан, возможно, по­крывал почти всю Землю, но не был глубоким. Первые скопления воды на поверхности Земли были кислыми, обогащенными, в соответствии с составом выделявшихся газов, в основном HCl, HF, H₃BO₃ и H₂S. В ходе круговорота воды кислые дожди интенсивно разрушали горные породы континентов, а извлекаемые при этом легко растворимые катионы Na, K, Ca, Mg накапливались в океане. Катионы активно участвовали в нейтрализации сильных кислот, и постепенно воды древней гидросферы приобрели современный хлор-кальциевый состав.

С поверхности Океана испарялась влага, выпадали обильные дожди. Появились реки, озера, подземные воды и ледники. Пресная вода па суше – результат «прохождения» океанской воды через атмо­сферу. Выделение воды из магмы продолжается и теперь. При извержениях вулканов выделяется в среднем за год 1,3 • 10⁸ т воды. Термальные источники ежегодно выносят 10⁸ т воды.

10.2. Важнейшие свойства природной воды

Все тела при переходе из жидкой фазы в твердую уплотня­ются, и только лед легче воды, так как при охлаждении ниже + 4°С плотность воды уменьшается, а объем увеличивается. Эта аномалия воды играет в природе очень большую роль. При замерзании водоемов лед остается на поверхности, предо­храняя толщу воды от промерзания, а жизнь в ней от – гибели. Будь лед тяжелее воды, образование его начиналось бы со дна и все озера и полярные моря были бы многолетнемерзлыми. Весенняя солнечная радиация не могла бы их растопить, влияние водоемов на климат умеренных и полярных поясов ока­залось бы не согревающим, а охлаждающим.

Вода – сильнейший растворитель. Природные воды не бывают химически чистыми, содержат почти все известные химические элементы и их изотопы и характеризуются определенным химическим составом и соленостью. Среди разнообразных химических элементов в гидросфере наиболее типичными являются следующие:

1. главные ионы – Clˉ, SO₄²ˉ, HCO₃ˉ, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺

2. биогенные элементы – соединения азота, фосфора, кремния и др.

3. микроэлементы

4. органические вещества

5. растворенные газы – O₂, CO₂, H₂S и др.

Химический состав океанических и континентальных вод различается принципиально (Таблица 10.3.1). Средняя соленость вод Мирового океана при Т=20^оС составляет 35‰ (35 г/л). В зависимости от ряда условий (сильная испаряемость воды, ее опреснение, большой привнос солей речными водами, изолированность от океана) соленость воды может быть выше или ниже нормальной. Средняя минерализация (содержание веществ в растворенном состоянии) вод рек равна примерно 120 мг/л. Наименьшая минерализация наблюдается зимой во время питания рек грунтовыми водами, наибольшая – во время половодья, сезона дождей и таяния ледников.

Таблица 10.3.1 – Солевой состав океанических и речных вод (Неклюкова, 1976)

Химические вещества	Содержание солей, %
	воды океанов	речные воды
Хлориды - NaCl, MgCl2	88,7	5,2
Сульфаты - Mg(SO4), Ca(SO4), K2(SO4)	10,8	9,9
Карбонаты - Ca(CO3)	0,3	60,1
Прочие вещества	0,2	24,8

Соединения химических элементов в природной воде находятся в форме истинного раствора или в виде дисперсных взвесей. В океане преобладающая часть рассеянных элементов находится в виде растворенных форм. Даже такие элементы, как иттрий, свинец, скандий, титан, хром, цирконий, не склонные к образованию растворенных форм, находятся в океанической воде преимущественно в растворенном состоянии. В речных водах основная часть рассеянных элементов сосредоточена в материале взвесей. В речных взвесях преобладают высокодисперсные глинистые частицы, мелкие обломки кварца и сгустки гидрооксидов железа.. Мутность речных вод (содержание взвешенных дисперсных частиц) составляет 500 мг/л.

У воды высокая удельная теплоемкость – 4186,8 Дж/кг·град (1 кал/г·град.). Она обеспечивает поглощение большого количества тепла водоемами и их утепляющее действие на климат. При охлаждении 1 м³ воды на 1°С нагревается свыше 3000 м³ воздуха. Стометровая толща воды при остывании на 1°С способна повысить температуру всей тропосферы на 6°С.

Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое большое поверхностное натяжение. Именно поэтому вода движется вверх в растениях и может подни­маться по капиллярам, пронизывающим почву и многие породы. Этим обеспечивается сильное смачивающее действие воды, в том числе на грунты и почву.

Вода самоочищается при фильтрации при прохождении через грунт, при испарении (испаряется только чистая вода, все примеси оста­ются на месте). Вода очищается в процессе течения в реках, динамики в озерах и морях. Но самоочищение возможно только до известного предела. Загрязнение воды, особенно промышленными отходами, нередко переходит предел самоочищения.

Пребывание одновременно в газообразном, жидком и твердом состояниях и абсолютная подвижность определили вездесущность воды, она пронизывает всю географическую оболочку, производит в ней разнообразную работу. На Земле нет таких мест, где бы не было воды в той или иной форме.

Вода – уникальное вещество на нашей планете, она является основной движущей силой глобальных процессов, происходящих на Земле.