Студопедия.Орг Главная | Случайная страница | Контакты  
 

Гидросфера. Гидросфера — совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных



Гидросфера — совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. Иногда воды океанов и морей объединяют в своеобразную часть гидросферы — океаносферу. Это логично, ибо подавляющая часть воды сосредоточена в океанах и морях.

Возникновение воды на Земле обычно связывают с конденсацией водяных паров вулканических извержений, происходивших с начала формирования планеты. Доказательством наличия воды в геологическом прошлом являются осадочные горные породы, имеющие горизонтальную слоистость, которая отражает неравномерное осаждение минеральных частиц в водной среде. Такие породы известны и их возраст датируется 3,8—4,1 млрд лет. Однако появление капельной воды могло быть и раньше — в воздухе, на поверхности планеты, в пустотах горных пород. Для того, чтобы вода могла сконцентрироваться в понижениях земной поверхности и образовать бассейны, должно было произойти обводнение изначально обезвоженных горных пород. Первичные воды были сильно минерализованы, что связано с растворением в них различных веществ, выделявшихся вместе с водяным паром при вулканических проявлениях. Пресные воды появились позднее. Возможно, что дополнительным источником воды на Земле были ледяные кометы, вторгавшиеся в атмосферу. Такой процесс наблюдается и в настоящее время, как и образование воды при конденсации паров вулканических извержений.

Несмотря на многообразие природных вод и их разное агрегатное состояние, гидросфера едина, ибо все ее части связаны потоками океанических и морских течений, русловым, поверхностным и подземным стоком, а также атмосферным переносом. Структурные части гидросферы приведены в табл. 5.3.

Физико-химические свойства воды.Вода — самое удивительное вещество на свете. Несмотря на то что А. Цельсий использовал для температурной шкалы точку таяния воды как 0° и точку ее кипения как 100°, эта жидкость может замерзать при температуре 100 °С и оставаться в жидком состоянии при -68°С в зависимости от содержания кислорода и атмосферного давления. Она обладает многими аномальными свойствами.

Пресная вода не имеет запаха, цвета и вкуса, тогда как морская вода обладает вкусом, цветом и может иметь запах. В естественных условиях только вода встречается в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком (вода) и газообразном (водяной пар).

Присутствие солей в воде изменяет ее фазовые превращения. Пресная вода на поверхности суши при давлении в одну атмосферу имеет температуру замерзания 0°С и температуру кипения 100°С. Морская вода при давлении в одну атмосферу и при солености 35‰ имеет температуру замерзания около -1,9°С и температуру кипения 100,55°С. Температура кипения зависит от атмосферного давления: чем больше высота над землей, тем она меньше. Вода — универсальный растворитель: она растворяет больше солей и прочих веществ, чем любое другое вещество. Это химически стойкое вещество, которое трудно окислить, сжечь или разложить на составные части. Вода окисляет почти все металлы и разрушает даже самые стойкие горные породы.

Таблица 5.3 Объем воды и активность водообмена различных частей гидросферы

Части гидросферы Объем Продолжительность условного водообмена
тыс. км3 % от общего объема % от объема пресных вод
Мировой океан 96,5 2500 лет
Подземные воды 23 700 1,72 30,9 1400 идо 10000 лет в зоне вечной мерзлоты
Ледники 26 064 1,74 68,7 9700 лет
Озера 0,013 0,26 17 лет
Почвенная влага 16,5 0,001 0,05 1 год
Воды атмосферы 12,9 0,001 0,037 8 суток
Болота 11,5 0,0008 0,033 5 лет
Водохранилища 6,0 0,0004 0,016 0,5 года
Реки 2,0 0,0002 0,006 16 суток

При замерзании вода расширяется, увеличивая свой объем примерно на 10%. Плотность пресной воды составляет 1,0 г/см3, морской — 1,028 г/см3 (при солености 35‰), пресного льда — 0,91 г/см3 (поэтому лед плавает в воде). Плотность же других тел (кроме висмута и галлия) при переходе из жидкого состояния в твердое увеличивается. Вода обладает большой удельной теплоемкостью, т.е. способностью поглощать большое количество теплоты и сравнительно мало при этом нагреваться. Это свойство чрезвычайно важно, так как вода стабилизирует климат планеты.

Аномальные свойства воды объясняются строением ее молекулы: атомы водорода прикрепляются к атому кислорода не «классически», а под углом 105°. Вследствие асимметрии одна сторона молекулы воды имеет положительный заряд, а другая — отрицательный. Поэтому молекула воды представляет собой электрический диполь.

Процессы, где участвует вода, чрезвычайно многогранны: фотосинтез растений и дыхание организмов, деятельность бактерий и организмов, генерирующих из воды (главным образом морской) для строительства своих скелетов или аккумулирующих в себе химические элементы (Са, J, Со), процессы питания и антропогенное загрязнение и многие другие.

Мировой океан (океаносфера)— единая непрерывная водная оболочка Земли, которая включает океаны и моря. В настоящее время выделяют пять океанов: Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый (Арктический по зарубежным классификациям) и Южный (Антарктический). Согласно международной классификации, насчитывается 54 моря, среди которых выделяют внутренние и окраинные.

Объем вод Мирового океана составляет 1340—1370 млн км3. Объем суши, поднимающейся над уровнем моря, составляет 1/18 объема океана. Если бы поверхность Земли была совсем ровной, океан покрывал бы ее слоем воды в 2700 м.

Воды Мирового океана составляют 96,5% объема гидросферы и покрывают 70,8% поверхности планеты (362 млн км2). Благодаря огромной водной массе Мировой океан оказывает большое влияние на тепловой режим земной поверхности, выполняя функции планетарного терморегулятора.

Химический состав вод Мирового океана. Морская вода — особый тип природных вод. Формула воды Н2О верна и для морской воды. Однако помимо водорода и кислорода в морской воде содержатся 81 из 92 встречающихся в естественных условиях элементов (теоретически в морской воде могут быть найдены все существующие в природе элементы таблицы Менделеева). Большинство из них находится в чрезвычайно малых концентрациях.

В 1 км3 морской воды содержится около 40 т растворенных твердых веществ, которые определяют ее важнейшее свойство — соленость. Соленость выражается в промилле (0,1%) и ее средняя величина для океанских вод равна 35‰. Температура воды и соленость определяют плотность морской воды.

Основные из них, входящие в состав морской воды, приведены ниже.

1. Твердые вещества, составляющие в среднем 3,5% (по массе). Больше всего в морской воде содержится хлора (1,9%), т.е. более 50% всех растворенных твердых веществ. Далее следуют: натрий (1,06%), магний (0,13%), сера (0,088%), кальций (0,040%), калий (0,038%), бром (0,0065%), углерод (0,003 %). Главные растворенные в морской воде элементы образуют соединения, основные из которых: а) хлориды (NaCl, MgCl) — 88,7%, которые придают морской воде горьковато-соленый вкус; б) сульфаты (MgSO4, CaSO4, K2SO4) — 10,8%; в) карбонаты (СаСО3) — 0,3%. В пресной воде наоборот: больше всего карбонатов (60,1%) и меньше всего хлоридов (5,2%).

2. Биогенные элементы (питательные вещества) — фосфор, кремний, азот и др.

3. Газы. В морской воде содержатся все атмосферные газы, но в иной пропорции, чем в воздухе: преобладает азот (63%), который в силу своей инертности не участвует в биологических процессах. Далее следуют: кислород (около 34%) и углекислый газ (около 3%), присутствуют аргон и гелий. В тех морских районах, где отсутствует кислород (например, в Черном море), образуется сероводород, который в атмосфере при нормальных условиях отсутствует.

4. Микроэлементы, присутствующие в малых концентрациях.

Географические закономерности распределения температуры воды и солености. Общие закономерности горизонтального (широтного) распределения температуры и солености на поверхности Мирового океана показаны на рис. 5.9 и 5.10. Очевидно, что температура воды понижается в направлении от экватора к полюсам, а для солености характерны выраженный минимум в приэкваториальной области, два максимума в тропических широтах и пониженные значения у полюсов. Чередование очагов пониженной и повышенной солености у экватора и в тропиках объясняется обилием атмосферных осадков в экваториальной полосе и превышением испарения над количеством осадков у северного и южного тропиков.

Температура воды с глубиной понижается, что видно на рис. 5.11 для северной части Тихого океана. Эта закономерность свойственна для Мирового океана в целом, однако изменения температуры воды и солености различаются в его отдельных частях, что объясняется рядом причин (например, временем года). Наибольшие изменения происходят в верхнем слое до глубины 50—100 м. С глубиной различия стираются.

Водные массы — это большой объем воды, формирующийся в определенном районе Мирового океана и обладающий относительно постоянными физическими, химическими и биологическими свойствами.

Согласно В.Н.Степанову (1982), по вертикали выделяют следующие водные массы: поверхностные, промежуточные, глубинные и придонные.

Среди поверхностных водных масс выделяют экваториальные, тропические (северные и южные), субтропические (северные и южные), субполярные (субарктические и субантарктические) и полярные (арктические и антарктические) водные массы (рис. 5.12).

Границами различных типов водных масс являются пограничные слои: гидрологические фронты, зоны дивергенций (расхождения) или конвергенции (схождения) вод.

Поверхностные воды наиболее активно взаимодействуют с атмосферой. В поверхностном слое происходит интенсивное перемешивание вод, он богат кислородом, углекислым газом и живыми организмами. Их можно назвать водами «океанической тропосферы».

Наряду с поверхностными течениями (см. рис. 7.11) в Мировом океане существуют противотечения, подповерхностные и глубинные движения вод, а также вертикальное перемешивание, приливоотливные течения, колебания уровня.

Рис. 5.9. Среднегодовая температура (°С) поверхности Мирового океана (по В. Н. Степанову 1982): 1 - изотермы; 2 - области максимальной температуры воды; 3 - области температуры воды ниже среднего значения (средняя температура воды 18,56°С)

Рис. 5.10. Среднегодовая соленость (‰) поверхности Мирового океана (по В.Н.Степанову, 1982): 1 — изогалины; 2 — области максимальной солености; 3 — области солености ниже среднего значения; 4 — области минимальной солености (среднее значение солености 34,7 8‰)

Рис. 5.11. Графики вертикального распределения температуры, характерные для арктического (1), субарктического (2), субтропического (3), тропического (4) и экваториального (5) типов вод

Рельеф дна Мирового океана. В рельефе дна Мирового океана выделяют следующие структуры: шельф (материковая отмель), обычно ограниченный изобатой 200 м, материковый (континентальный) склон до глубины 2000—3000 м и ложе океана. Согласно другой классификации, выделяют: литораль сублитораль), батиаль, абиссаль (рис. 5.13). Участки сглубиной свыше 6000 м составляют не более 2% площади океанского дна с глубиной менее 200 м — примерно 7%.

Рис. 5.12. Океанические фронты и поверхностные водные массы Мирового океана (по В.Н.Степанову, 1982): типы водных масс: Ар — арктические; СбАр — субарктические; СбТс — субтропические Северного полушария; Тс — тропические Северного полушария; Э — экваториальные; Тю — тропические Южного полушария; СбТю — субтропические Южного полушария; СбАн — субантарктические; Ан — антарктические; Тар — Аравийского моря; 715 — Бенгальского залива. Названия океанических фронтов указаны на рисунке

Рис. 5.13. Схематическое подразделение дна океана

Роль океаносферы. Разнообразные (тепловые, механические, физические, химические и др.) процессы, протекающие на огромной (более 70% поверхности Земли) акватории Мирового океана оказывают существенное влияние на процессы, происходящие на суше и в атмосфере. Химические элементы, входящие в состав морской воды, участвуют в процессах газо-, массо- и влагообмена на границах гидросфера — литосфера — атмосфера. Гидрохимические процессы влияют на животный и растительный мир не только океана, но и планеты в целом. Постоянный газообмен с атмосферой регулирует газовый баланс Земли: содержание диоксида углерода в морской воде в 60 раз больше, чем в атмосфере.

Воды суши,несмотря на сравнительно небольшой объем, играют огромную роль в процессах функционирования географической оболочки и жизнедеятельности организмов. Следует заметить, что не все воды суши пресные, есть соленые озера и источники. Ионный состав пресной и морской воды приведен в табл. 5.4.

Реки — наиболее активный представитель пресных вод суши. К рекам относят постоянные и относительно крупные водотоки. Водотоки меньших размеров называют ручьями. Рельеф, геологическое строение, климат, почвы, растительность влияют на режим рек и формируют их природный облик. Река имеет исток — место, откуда она начинается, и устье — место непосредственного впадения реки в приемный водоем (озеро, море, река). Устье может разветвляться, образуя дельту реки. Участок суши, по которому протекает река, называется руслом. Главная река и ее притоки составляют речную систему. Реки, впадающие в Мировой океан, образуют эстуарии — обширные пространства смешения речной и морской воды. Эстуарии в значительной степени находятся под влиянием океанических вод.

Таблица 5.4. Ионный состав речной и морской воды (по П.Вейлю, 1977)

Ионы Речная вода Морская вода (соленость 35‰)
Катионы
Na+ 0,27 468,0
К+ 0,06 10.0
Mg2+ 0,34 107,0
Са2+ 0,75 20,0
Сумма 1,42 605,0
Анионы
Сl- 0,22 546,5
HCO3- 0,96 2,3
SO42- 0,24 56,2
Сумма 1,42 605,0

Характер стока рек связан с их питанием, которое бывает дождевым, снеговым, ледниковым и подземным, и определяется климатическими условиями в речном бассейне. Реки преимущественно снегового питания имеют ярко выраженное весеннее половодье и летнюю межень (Волга, Днепр, Дунай, Северная Двина, Амур и др.). Подземное питание сглаживает годовой сток. У рек с дождевым питанием максимум стока часто приходится на разные сезоны года. Участки земной поверхности и толщи почв и грунтов, откуда река получает питание, называется водосбором.

Реки производят значительную работу, размывая русло, транспортируя и отлагая продукты размыва — аллювия. Они не только механически разрушают, но и растворяют горные породы. Речные отложения образуют порой обширные аллювиальные равнины площадью в миллионы километров (Амазонская, Западно-Сибирская низменности и др.). Подсчитано, что в реках одновременно находится 2100 км3 воды, в то время как в океан стекает ежегодно 47 000 км3. Значит, объем воды в реках обновляется приблизительно каждые 16 дней. Для сравнения укажем, что воды Мирового океана осуществляют большой круговорот примерно за 2500 лет.

Озера — естественный водоем суши с замедленным водообменом, не имеющий прямой связи с океаном. Для его образования необходимо наличие замкнутого понижения земной поверхности (котловины). Озера занимают общую площадь приблизительно в 2 млн км2, а суммарный объем их вод превышает 176 тыс. км3. По условиям образования котловины, размерам, химическому составу вод, термическому режиму озера очень разнообразны. Немало создано и искусственных озер — водохранилищ (около 30 тыс.), объем воды в которых составляет более 5 тыс. км3. Примерно половина озерных вод — соленые, причем основная их часть сосредоточена в самом большом бессточном озере — Каспийском море (76 тыс. км3). Из пресных озер крупнейшими являются Байкал (23 тыс. км3), Танганьика (18,9 тыс. км3), Верхнее (16,6 тыс. км3). Режим озер характеризуется притоком тепла, колебаниями уровня воды, течениями, условиями водообмена, ледовитостью и др. Крупные озера во многом определяют климатические условия прилегающих территорий (например, Ладожское оз.).

Болота — это области суши, характеризующиеся избыточным увлажнением, застойным или слабо проточным режимом вод и гидрофитной растительностью. Они занимают площадь 2,7×106 км2, или около 2% поверхности суши. Объем болотных вод мира составляет около 11,5 км3, что в 5 раз превышает разовый объем воды в реках. Возникновение болот связано как с климатическими условиями (избыток влаги), так и с геологическим строением территории (близость водоупорного горизонта), которые способствуют заболачиванию суши или зарастанию водоемов. В некоторых районах умеренных и субполярных широт роль водоупора выполняет вечная мерзлота. Специфическим образованием болот является торф.

Подземные воды — это воды, находящиеся в горных породах в жидком, твердом или газообразном состоянии. Согласно последним исследованиям, содержание воды в горных породах в пределах литосферы превосходит данные, указанные в табл. 5.3, и составляет около 0,73 — 0,84 млрд км3. Это всего лишь вдвое меньше, чем ее содержится в морях, океанах и поверхностных водоемах, включая и мировые запасы льда. Вода скапливается во всевозможных пустотах — каналах, трещинах, порах. Установлено, что ниже уровня грунтовых вод до глубины 4 — 5 км и более почти все пустоты горных пород заполнены водой. По данным глубокого бурения, вода в пустотах горных пород находится на глубине более 9,5 км, т. е. ниже среднего уровня дна Мирового океана.

Совокупность водотоков (рек, ручьев, каналов), водоемов (озер, водохранилищ) и других водных объектов (болот, ледников) составляет гидрографическую сеть.

Воды суши сильно преобразованы человеком за счет ирригации, мелиорации, распашки земель и других урбанистических процессов, в связи с чем остро обозначилась проблема питьевой воды.

Сложность ее решения заключается в том, что потребности в чистой воде растут, а ее запасы остаются прежними. Используемая вбыту, в промышленных и сельскохозяйственных циклах пресная вода чаще всего возвращается в речную сеть в виде сточных вод, по-разному очищенных или неочищенных вовсе.





Дата публикования: 2014-11-19; Прочитано: 1465 | Нарушение авторского права страницы



studopedia.org - Студопедия.Орг - 2014-2020 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.006 с)...