Строение и динамика гидросферы Земли

Наблюдения со спутников, расширение сети приземных и наземных наблюдений на суше, многочисленные экспедиции на на­учно-исследовательских судах (более 1100 рейсов) в разные районы Мирового океана существенно расширили сведения о гидросфере Земли. Земля является единственной планетой солнечной системы, обладающей водной оболочкой.

Гидросфера (от греч. hydor – вода и sphaira – шар) – это непрерывная водная оболочка или все природные воды Земли в жидком, твёрдом, газообразном, химически и биологически связанном состояниях, объединенные глобальным круговоротом вещества и энергии. Гидросфера включает следующие виды вод: (в скобках, доля от общего объема вод в гидросфере, %, М.И. Львович, 1974):

· Мировой океан [94, 0];

· Подземные воды [4, 3];

· Ледники [1, 7];

· Воды суши (озера, речные воды, почвенная влага) [0.03];

· Пары атмосферы [0.001].

Как видим, что подавляющая часть гидросферы приходиться на мировой океан, затем идут подземные воды и ледники. На долю поверхностных вод приходится малый объем, но исключительная их активность (меняется в среднем каждые 11–17 дней) служит началом формирования всех источников пресных вод на суше.

Гидросфера – самая тонкая оболочка нашей планеты Земля, она составляет лишь 10^-3 % общей массы планеты. На Земле содержится

1, 5 млрд. км³ воды, т.е. на каждого человека приходится около 250 млн. т., но 94 % этого объема составляют соленые воды Мирового океана. Лишь

2 % от всего объёма гидросферы воды пресные, основная масса которых сосредоточена в ледниках. Так что воду, которую может потреблять человек и другие живые организмы на нашей планете не так уж много. Вода входит в состав живого вещества, как обязательный компонент (70–99 %), по сути, живое вещество – это водный раствор «живых» молекул. Именно вода обеспечивает их жизнедеятельность.

Мы знаем, что земная жизнь зародилась в водной среде и поэтому ее можно считать производной воды. Гидросфера уже 4 млрд. лет назад была представлена следующими тремя составляющими: наземной (мировой океан, речные, почвенные, озерные воды, ледники), подземной (воды литосферы), воздушной (парообразная вода атмосферы). С общеэкологических позиций важно понять, что именно эволюцией гидросферы планеты определились в прошлом условия развития органического мира на Земле, состоянием гидросферы они определяются в настоящем и будут определяться в будущем. Поэтому на Земле зародилась и сохранилась жизнь – живая материя. Развитие всего органического мира связано с эволюцией водной оболочки Земли.

Гидросфера простирается от верхней границы распрост­ранения воды в атмосфере до нижней гра­ницы залегания подземных вод в литосфере. Если посмотреть на глобус, то наша Земля представляет своеобразную каплю воды, из которого выступают небольшие участки «тверди земной». Это потому, что 2/3 поверхности Земли занимают океаны. Но и в твердой оболочке Земли – литосфере – имеются целые подземные «моря», пропитывающие горные породы. Это подземные воды.

Гидросфера вообще и Мировой океан в особенности играют важнейшую роль в перераспределении тепла на земной поверх­ности. Океан, имея температуру поверхности слоя в среднем более высокую, чем атмосфера (приблизительно на 3^°С), играет важную роль в теплообмене и обогревает атмосферу. По некоторым расчетам, в океане содержится тепла в 21 раз больше, чем в атмосфере. Существенное влияние на формирование циклонических обстановок на Земле и определяющих не только погодные, но и климатические условия, является наличие тёплых и холодных течений в Мировом океане.

«Всюдность» (по выражению В. И. Вернадского) является одним из самых удивительных свойств воды. Вода присутствует во всей биосфере. В монографии «История природных вод», Вернадский В.И. пишет: «Вода охватывает, проникает насквозь – как пар, как пленчатая губка всю земную кору. Где бы мы ни стали бурить, мы встретим воду в капиллярно-жидких массах». Таким образом, нет на Земле уголка, где бы вода не находилась в той или иной форме; до глубины 30 км – в жидкой, а далее в плазменной форме (ионизированного газа, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов равны).

И так, первое свойство гидросферы – единство и «всюдность» природных вод. Все воды связаны между собой и представляют единое целое. Такое единство природных вод определяется следующим:

а) легким переходом воды из одного фазового состояния в другое. В пределах земных температур известно три состояния: жидкое, твердое, парообразное. Плазменное состояние воды существует при высоких температурах и давлениях в глубоких частях недр;

б) единым генезисом воды на Земле (мантийным – результат дегазации магмы);

в) постоянным присутствием в воде газовых компонентов. Природная вода – это есть водный раствор (газ, взвешенные твердые частицы, минеральные вещества).

Второе фундаментальное свойство гидросферы определяется особым строением молекулы воды. Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Но распределение электронов и протонов в молекуле таково, что оно представляет собой электрический диполь с четырьмя водородными связями. Водородные связи определяют бесконечное множество структур молекулярных агрегатов и необычные свойства воды. На молекулярном уровне изучение воды только началось. Но сегодня очевидно, что строение и свойства воды обеспечивают наиболее благоприятные условия д ля развития жизни на Земле. Из физики мы знаем, что все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вода ведет себя иначе. В то время, как у всех жидкостей при понижении температуры объем уменьшается непрерывно, у пресной воды он уменьшается лишь до + 4 °С, а затем увеличивается. Таким обра­зом, + 4 °С – это температура наибольшей плотности пресной воды. Все жидкости при замерзании уменьшают свой объем, а вода увеличивает. Если бы при превращении в лед (охлаждении) она сжималась, лед бы был тяжелее воды и тонул на дно рек и озер. Реки были бы проморожены до дна, и жизнь в этих водоемах была бы невозможна. Лед – изолятор, который предохраняет от замерзания воду подо льдом, что защищает всю подводную жизнь. Если бы не было этого свойства, то Земля превратилась бы в закованную льдом планету. Если бы, например, объем воды при замерзании не увеличивался, а уменьшался, как у других жидко­стей, то лед погружался бы на дно водоемов. Ясно, что в высоких широ­тах земного шара, где большую часть года господствуют отрицатель­ные температуры, все водоемы сравнительно быстро промерзли бы до дна. Оледенение приполярных районов постепенно распространилось бы на умеренные, а затем и низкие широты. Земля уже не смогла бы освободиться от оледенения. Между тем, благодаря удивительным свой­ствам воды даже в Северном Ледовитом океане толщина ледяного по­крова не превышает 2–3 м. Особое строение молекулы воды обеспечивает многообразие структуры ее при изменении внешних факторов (температуры, давления, химического состава). Нам зимой приходилось наблюдать многообразие и красоту ледяных узоров на окнах, снежинку, иней на деревьях. Как нет абсолютно одинаковых двух капель воды, так нет двух типов воды одинаковой по структуре.

Третье фундаментальное свойство гидросферы выражается в геологически вечной подвижности ее. Движение воды весьма многообразно и проявляется в многочисленных круговоротах. Главное движение воды – геологический круговорот веществ. Почему происходит движение? Движение может происходить: а) под действием силы тяжести; б) солнечной (тепловой) энергии; в) молекулярного движения при смене фазового состояния.

Четвертое фундаментальное свойство гидросферы определяется высокой химической активностью воды. В условиях земной коры нет природных тел, которые в той или иной мере не растворялись бы в природных водах. Но вода в биосфере выступает в роли универсального растворителя, ибо взаимодействуя со всеми веществами, как правило, не вступает с ними в химические реакции. Это обеспечивает обмен веществ между сушей и океаном, организмами и окружающей средой.

Вода – фильтр атмосферы. Вулканы на протяжении всех геологичес­ких эпох выбрасывали в атмосферу Земли ядовитые газы и пыль. Если бы всё это оставалось в воздухе, ни один бы луч Солнца не смог сегодня проникнуть сквозь плотную черную мглу, окутавшую планету. Однако сколько лет действуют вулканы, столько же лет «низвергаются» на Землю дожди. Пронизывая воздушную оболочку планеты, капли воды захва­тывают пыль и растворяют в себе ядовитые газы.

Вода – аккумулятор тепла. Ни одно вещество не поглощает столько тепла, сколько вода. Теплоемкость воды в 10 раз больше теплоемкости стали и в 30 раз больше теплоемкости ртути. Во всех своих трех состо­яниях вода – отличное средство для передачи тепла. Это обстоятель­ство не только создает на Земле условия для жизни, но и саму жизнь.

Очень важное свойство воды – способность изменять свои физико-химические свойства под воздействием магнитного поля. Не следует упускать из вида, что растительный и животный мир – все это, по сути, водные растворы, которые, в связи с этим, тоже реагируют на воздей­ствие магнитного поля.

Трудно себе представить, что было бы на Земле, если бы вода не обла­дала такими уникальными свойствами.

Основная особенность гидросферы – кру­говорот воды на земном шаре. Он создает основной механизм перераспределения на Земле вещества и энергии. В круговороте воды на земном шаре проявляются единство природных вод Земли и их связь с атмо­сферой, литосферой, биосферой.

Физической причиной круговорота воды на Земле служат солнечная энергия и сила тяжести. Солнечная энергия сначала на­гревает, а затем испаряет воды: на поверхности суши на испарение затра­чивается около 54 % поступившей энергии, а на поверхности океана – 90 %. Неравно­мерное распределение по земному шару солнечной энергии вызывает воз­душные потоки-ветры. Они переносят ис­парившуюся влагу, создают ветровые течения, а также приводят к возник­новению плотностных течений воды в океане. Сила тяжести вынуждает сконденсировавшуюся в атмосфере при благоприятных условиях влагу выпадать в виде атмосферных осадков, а накопившуюся в почве воду, стекать снача­ла к дренирующим местность рекам, ним – в океаны. Несмотря на колоссальные различия размеров «деталей» и «скоростей движения» этой гигантской машины, все звенья ее настолько хорошо подогнаны друг к другу, что количество воды в каждой из частей от года к году остается примерно постоянным. В круговороте воды на земном шаре проявляются закономерности сохра­нения вещества и энергии, водного и теп­лового балансов.

В глобальном круговороте воды (рис. 17) выделяют два звена:

1) океаническое зве­но (А), представляющее собой многократно по­вторяющийся цикл: испарение с поверхно­сти океана – перенос водяного пара над океаном – осадки на поверхность океана – океанические течения – испарение и т.д.;

2) материковое звено (Б), так­же представляющее собой многократно по­вторяющийся цикл: испарение с поверхно­сти суши – перенос водяного пара-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 поверхности Мирового океана еже­годно испаряется в среднем 505 тыс. км³ воды. В океан в виде атмосферных осад­ков возвращается 458 тыс. км³. Это так называемый малый круговорот воды. 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 океа­нов. Уносимая с океана влага возвраща­ется в него с равным ей по количеству воды материковым стоком (47 тыс. км³). Материковый годовой сток слагается из поверхностного (44.7 тыс. км³) и подземного, не дренируемого реками (2, 2 тыс. км³). По­верхностный сток, в свою очередь, вклю­чает водный сток рек, впадающих в оке­ан (41, 7 тыс. км³ в год), и ледниковый сток (3, 0 тыс. км³ в год).

Рис.17. Схема глобального круговорота воды

Условные обозначения: А – океаническое звено; Б, Б'— материковое звено с поверхностной (Б) и подземной (Б') частями: I – океан (z_ок – испарение, х_ок – осадки); II – область внешнего стока суши (z_с¹ – испарение, х_с¹ – осадки, у – поверхно­стный, w – подземный сток); III – область внутреннего стока суши (z_с¹¹ – испарение, х_с'' – осадки, у' –повер­хностный. w¹ – подземный сток); г - перенос влаги в атмосфере; р – океанические течения; и и и' – инфильтрация, подъем и испарение вод в грунтах (по В. Н. Михайлову, 1991).

Последний представ­ляет собой разгрузку покровных ледников в виде откалывающихся от него айсбер­гов и поступление непосредственно в океан талой воды из покровных ледников. Наи­большую часть ледникового стока дает Ан­тарктида. Небольшая часть воды из объе­ма, участвующего в круговороте (около 9 тыс. км³ в год), совершает круговорот в пределах бессточных областей.

Особен­ностью влагообмена бессточных областей с Мировым океаном является то, что вода из них попадает в океан не путем непос­редственного стока, а вследствие пере­носа ее в парообразном виде воздушны­ми потоками. Осадки на любом участке суши склады­ваются из «внешних», сконденсировавшихся из водяного пара, принесенного извне, и «внутренних» (или местных) осадков, скон­денсировавшихся из влаги, испарившейся с поверхности конкретного участка суши. Этот сложный, многократно повторяющийся про­цесс называется внутриматериковым влагооборотом. Для относительно больших террито­рий «внутренние» осадки, сток и испарение невелики по сравнению со всем количеством воды, которое переносится воздухом над дан­ной территорией в течение года в результа­те глобального круговорота.

Таким образом, каждую секунду под влиянием солнечного тепла миллионы кубических метров воды поднимаются вверх и образуют облака. Ветер приводит облака в движение. При подходящих условиях влага выпадает в виде дождя или снега. Дождевые капли имеют благоприятную величину и падают тихо, мягко. Случайны ли все благоприятные для жизни совпадения? Так вода участвует в своеобразных круговоротах вещества и энергии. Эта система установилась на Земле с появлением свободной воды и продолжается, по сей день.

Во время своего пути по суше вода растворяет различные соли, захва­тывает мелкие, а иногда и крупные, частички и выносит все это в Миро­вой океан. Возможно поэтому вода морей и океанов соленая. Морская вода содержит около 50 химических элементов. Средняя соленость оке­анической воды 35 г на 1 л (3, 5 %). Общее количество растворенных в воде солей оценивается в 4, 5·10¹⁵ т. При этом засоления не происходит вследствие постоянного осаждения солей на дно бассейна. Здесь важ­ную роль играют организмы, концентрирующие соли даже в пресных водах, а после отмирания, накапливающиеся на дне. Благодаря наличию растворенных солей вода Мирового океана яви­лась той питательной средой, в которой возникла и развивалась органи­ческая жизнь.

Наличие тёплых и холодных течений в Мировом океане существенно влияют на формирование циклонических обстановок на Земле. Течения существуют как у поверхности, так и на глубине. Именно за счёт них происходит ускоренный водообмен в океанах. Наиболее крупными являются экваториальные течения, перемещающиеся в западном направлении: Гольфстрим и грандиозное круговращение воды в Северной Атлантике. Такие же течения образуются в южной Атлантике и Тихом океане. Главный эффект поверхностных течений заключается в воздействии на климат.

Таким образом, литосфера и гидросфера – взаимосвязан­ные оболочки Земли, которые играют важ­нейшую роль в формировании природных процессов на ее поверхности и в верхних слоях литосферы. Они служат регулятором поступления и распре­деления солнечной радиации, воды и возду­ха, необходимые для нормального жизнеобес­печения человека и существования биосферы в целом.