Гидросфера Вода на Земле Гидросфера от греч

Гидросфера Вода на Земле • Гидросфера (от греч. hydor – вода и sphaira – шар) – водная оболочка Земного шара, включающая всю химически не связанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую и газообразную. • Верхняя граница гидросферы – поверхность Земного шара (на суше и на водоёмах), так как в атмосфере водяного пара немного. • Нижняя граница гидросферы нечеткая, но основная масса подземных вод заключена в осадочной рыхлой толще. Глубина скопления капельножидкой вода обычно доходит до 10 -12 км. В перегретом состоянии вода может находиться на глубине до 16 км. «Вода! У тебя нет ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое! Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты сама жизнь. Ты самое большое богатство на свете!» Антуан де Сент-Экзюпери

• Происхождение природных вод. Химически связанная вода была в веществе холодного газопылевого протопланетного облака, из которого возникла Земля. • На земной поверхности вода появилась около 4, 0 -3, 5 млрд. лет назад за счёт горячих растворов, водяных паров и других летучих веществ в результате дегазации магмы (по данным геохимических исследований). • Максимум темпов нарастания гидросферы приходится на период 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. • Например, глубинные ювенильные воды и рассолы (с соленостью до 270‰ и температурой до 44 -57°С), поступают из источников в осевом разломе Красного моря. Здесь в некоторых впадинах 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 (процесс испарение – конденсация). • В верхних слоях атмосферы вода образуется из атомов водорода, принесенных солнечным светом, которые реагируют кислородом атмосферы (так называемый солнечный дождь). с

• Водная оболочка Земли – гидросфера объединяет Мировой океан, поверхностные воды суши и подземные воды. • Общий объём поверхностных и приповерхностных подземных вод (до глубины ≈20 -25 км) – около 1, 39 млрд. км 3. Основная часть – 1, 34 млрд. км 3 (96, 4%) сосредоточена в Мировом океане. • Вода участвует во всех физико-географических, биологических, геохимических и геофизических круговоротах, происходящих на планете.

• Гидросфера не только получает, но и теряет воду за счет фотосинтеза и распада воды Н 20 на ОН и Н или О и Н 2 в высоких слоях атмосферы. Легкие атомы водорода улетучиваются в межпланетное пространство, образуя земную корону. • В результате современной диссипации (с лат. dissipatio – рассеяние) водорода в космическое пространство в среднем Земля теряет около 0, 1 км 3 воды в год (по существующим оценкам). • Солёных вод на Земле 97, 4% (океаническая вода и частично минерализированная озерная и подземная вода). Пресной воды всего 2, 6%, из них 1, 9% сосредоточено в ледниках и подземных льдах. В реках, озерах, водохранилищах и подземных резервуарах находится около 0, 7% пресной воды.

• Значение пресной воды в природе, жизни и хозяйственной деятельности исключительно велико. Пресная вода употребляется для бытового, промышленного водоснабжения, орошения, обводнения и пр. • До недавнего времени господствовало убеждение, что человечеству навсегда хватит пресной воды. Быстрый рост населения планеты, развитие промышленного производства и сельского хозяйства водопотребления. привели Происходит не к огромным только темпам количественное сокращение воды, но и качественное её истощение из-за загрязнения. Организация рационального использования пресных вод и их охрана – важнейшая экологическая задача на Земле.

Вода обладает рядом взаимосвязанных аномальных свойств: • в земных условиях только вода находится в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном (пар); • обладает большой теплоёмкостью, высокими значениями теплоты испарения и теплоты плавления, но незначительной теплопроводностью и т. д. ; • плотность воды зависит от температуры и солёности;

• Наибольшая плотность химически чистой воды достигается при температуре +4°С. Выше и ниже плотность воды уменьшается она становится легче. Это объясняется тем, что одиночные молекулы воды – гидроли могут объединяться и образовывать сложные молекулы: дигидроли и тригидроли, более крупные по объёму, но относительно рыхлые, ажурные по структуре и поэтому более лёгкие. • При осеннем понижении температуры воды в водоёмах происходит обычное для всех жидкостей уменьшение её объёма и уплотнение, но одновременно идёт и увеличение объёма и уменьшение плотности из-за образования сложных молекул. При охлаждении воды до +4°С преобладает первый процесс, при +4°С оба процесса уравновешиваются, при дальнейшем охлаждении ниже +4°С преобладает второй процесс. При нагревании до +4°С сначала идёт уменьшение объёма и увеличение плотности, затем начинается обычное для жидкостей разуплотнение и уменьшение удельного веса.

• Плотностная аномалия воды – важный биологический и рельефообразующий фактор. Благодаря ей сохраняется жизнь в водоёмах холодных и умеренных климатических поясов и высоко в горах. • Осенью при охлаждении пресных водоёмов до +4°С более холодная и плотная вода с поверхности опускается и обогащает глубинные слои кислородом, как бы подготавливая водоем к зиме. При дальнейшем понижении температуры, достижении 0°С и образовании льда происходит скачкообразное уменьшение плотности воды из-за образования легких тригидролей и при этом увеличение объёма (≈ на 10%). Будучи лёгким, лед всплывает. Поскольку он плохой проводник тепла, предохраняет нижележащие слои водоемов от замерзания. то

• Плавление льда сопровождается увеличением плотности, сжатием и уменьшением объема. Поэтому весной, после таяния льда и нагревания верхнего слоя воды до +4°С, она становится плотнее, тяжелее и опускается вниз, вновь обогащая кислородом глубинные слои, что важно для жизни обитателей водоёмов, так как после зимы запасы кислорода истощились. • Свойство воды увеличиваться в объёме при замерзании играет огромную роль при разрушении горных пород из-за физического «морозного» выветривания, поскольку замерзая в трещинах пород, лед разрывает породу на мелкие части. • Изменения объёма воды при замерзании и льда при таянии создают в области многолетней мерзлоты особый рельеф: бугры пучения при замерзании воды и впадины-просадки при таянии льдистых грунтов и линз льда.

Другие важные свойства воды: • Подвижность. 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, солёности, 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.

• Вода – прекрасный растворитель. Все воды представляют собой газосолевые растворы различного химического состава и различной концентрации. Концентрация растворённых в воде веществ характеризуется солёностью, обозначается символом S и выражается в промилле (‰), т. е. в тысячных долях (граммах вещества на килограмм воды). Солёность пресной воды менее 1‰, остальные воды в той или иной степени солёные. Большая часть химических элементов находится в воде в виде ионов, газы – в виде растворённых 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.

Круговорот воды и водный баланс Земли • Круговорот воды, или влагооборот, на Земле – один из важнейших процессов непрерывный охватывающий в замкнутый географической процесс гидросферу, оболочке. перемещения атмосферу, Это воды, 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. • 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 объём биологических вод небольшой, он важен для усиления влагооборота: почти 12% влаги в атмосферу поступает с поверхности суши за счет транспирации её растениями. Эти воды также играют важную роль в развитии жизни на Земле. • В процессе фотосинтеза, осуществляемого растениями, ежегодно разлагается на водород и кислород 120 км 3 воды.

• В поверхностном круговороте воды на Земле условно выделяют малый, большой и внутриматериковый 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.

• 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 объёме, 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. * Диссипация (ускользание, улетучивание) – рассеивание атмосферы вследствие улетучивания газов в космическое пространство.

• Количественно круговорот воды на Земле характеризуется водным балансом. • Водный баланс Земли — соотношение 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 обе эти величины составляют слой воды 1132 мм (по объёму – 577060 км 3). • В истории Земли неоднократно отмечались крупные изменения характеристик водного баланса, что связано с колебаниями климата. В периоды потеплений, на континентах устанавливается отрицательный водный баланс: растет испарение, увеличивается транспирация, тают ледники, сокращается объём озёрной воды, увеличивается сток в океан, водный баланс которого становится положительным.

• В периоды похолоданий за счет консервации воды в ледниках водный баланс океана становится отрицательным, и уровень его понижается. • Повышение температуры воздуха почти на 1°С в XX столетии вызвало нарушение мирового водного баланса: для Мирового океана он стал положительным, а для суши отрицательным. Потепление привело к возрастанию испарения с океанической поверхности и увеличению облачности как над океанами, так и над континентами. Атмосферные осадки над океаном и в прибрежных районах суши увеличились, но сократились во внутриконтинентальных областях. Значительно усилилось таяние ледников. Такие изменения в мировом водном балансе приводят к повышению уровня Мирового океана в среднем на 1, 5 мм/год, а в последние годы до 2 мм/год.

• Поскольку на испарение затрачивается тепло, которое освобождается при конденсации водяного пара, то водный баланс связан с тепловым балансом, а влагооборот сопровождается перераспределением тепла между сферами и регионами Земли, что весьма важно для географической оболочки. • Наряду с энергетическим обменом в процессе влагооборота происходит обмен и веществами (солями, газами). • Различные части гидросферы на поверхности Земли имеют неодинаковый период водообмена: самые короткие периоды водообмена у влаги атмосферы (8 суток), наиболее длительные – у наземных и подземных ледников (10 тыс. лет).

• Некоторые элементы круговорота воды в приграничных слоях гидросферы, литосферы и атмосферы поддаются управлению человеком: накопление воды в водохранилищах, снегонакопление и снегозадержание, искусственные дожди и др. Подобные меры должны быть весьма осторожными и продуманными, так как в природе все взаимосвязано и изменения в одном месте могут повлечь нежелательные последствия в другом регионе. • Значение воды в природе, жизни и хозяйственной деятельности исключительно велико. Индире Ганди принадлежит изречение: «Цивилизация – это диалог между человеком и водой» .

Воды суши – подземные и поверхностные воды материков и островов. • Подземные воды – это воды в горных породах в верхней части земной коры в жидком, твердом и газообразном состояниях. Они образуются в основном за счет просачивания вглубь атмосферных осадков. • Водоносные горизонты заключены в рыхлых (песок, гравий) или трещиноватых (известняки, доломиты) породах. Водоупорными слоями служат глины, глинистые сланцы и другие породы. • По условиям залегания в земной коре подземные воды делятся на два основных вида – грунтовые и межпластовые.

• Грунтовые воды – постоянный водный горизонт на первом (считая от поверхности) водоупорном горизонте. Области их распространения и питания совпадают, поэтому уровень грунтовых вод и их водообилие подвержены колебаниям в зависимости от климатических и метеорологических условий. • Зональность грунтовых вод проявляется в глубине их залегания, чистоте, температуре, минерализации и химическом составе. ü В зонах избыточного увлажнения (тундровые и лесные ландшафты) они залегают неглубоко, пресные, гидрокарбонатнокальциевые. ü В зонах неустойчивого увлажнения (степи) залегают глубже, слабоминерализованные, сульфатные. ü В зонах недостаточного увлажнения (пустыни) лежат глубоко, минерализованные, хлоридные. • Чем глубже воды залегают, тем они чище и холоднее. Грунтовые воды широко используются для хозяйственно-бытовых нужд в сельской местности.

• Межпластовые воды – это постоянный водный горизонт между двумя водоупорными слоями. Атмосферное питание они получают в местах выхода водоносного пласта на поверхность. Их режим относительно постоянен. • Межпластовые воды могут быть ненапорными и напорными. • Ненапорные воды не полностью насыщают водоносный слой и стекают по уклону ложа, как и грунтовые. • Напорные (артезианские) воды залегают в прогибах земной коры, полностью заполняют водоносный пласт, обладают напором и в скважинах могут изливаться на поверхность (фонтанировать). • Практически везде наблюдается несколько горизонтов межпластовых вод. В зависимости от глубины залегания у них разные свойства. • Эти воды широко используются для водоснабжения городов.

Схема артезианского бассейна Подземные воды участвуют во многих природных процессах, в том числе в образовании таких форм рельефа, как карст, оползни, просадки. В зоне многолетней мерзлоты с ними связаны бугры пучения, термокарстовые котловины, полигональное растрескивание грунтов и др. •

• Подземные воды, которые благодаря своим физико-химическим свойствам оказывают благотворное воздействие на организм людей и используются для лечебных целей, называются минеральными. Химический состав этих вод разный: углекислые воды (Пятигорск), радоновые азотные (Цхалтубо), сероводородные (Мацеста) и др. • В вулканических районах подземные воды имеют высокие температуры. Тºводы = 35ºС Исландия

С термальными водами связаны источники, периодически выбрасывающие горячую воду и пар – гейзеры (от исландского «хлынуть» ). Схема гейзера

Гейзер на Северном о-ве Новой Зеландии близ озера Таупо

Гейзеры в Исландии

Гейзеры Камчатки

Йеллоустонский национальный парк. США Кордильеры Гриффон гейзера Гейзеры Йеллоустона Парк зимой «Старый служака»

Геотермальные электростанции Исландия Новая Зеландия В районах современного вулканизма горячие подземные воды (50 -100ºС) используются для отопления жилищ, теплиц и работы геотермальных электростанций (в Исландии, Н. Зеландии, на Камчатке – Паужетская и др. ).

Горячие ручьи на Камчатке

• Поверхностные воды суши – реки, временные водотоки, озёра, водохранилища, болота, ледники, постоянный снежный покров. • Река – естественный постоянный водный поток, текущий в выработанном им углублении – русле. • Русло – часть речной долины – линейно вытянутого понижения, по дну которого в соответствии с уклоном ложа течет река. У горных рек днище почти полностью занято руслом реки, у равнинных – днище занято поймой и руслом, которое всегда более или менее извилисто. • Исток – место, где река берет свое начало. • Устье - место, где река впадает в другую реку, озеро или море. Устья рек могут быть различными, наиболее распространенные – дельты и эстуарии. • Падение – высотная разница между истоком и устьем. • Уклон реки – отношение падения реки к длине реки (м/км). • Живое сечение реки – площадь поперечного сечения потока.

• Дельта низменная равнина в низовьях реки, сложенная речными наносами и прорезанная сетью протоков (дельта Волги, Лены). Эстуарий затопленное воронкообразное устье реки, расширяющееся в сторону моря. Характерны для реке, впадающих в океан, с интенсивными приливами – отливами (залив Ла-Плата – эстуарий рек Параны и Уругвая, эстуарий Темзы). • Чезапикский залив – эстуарий р. Саскучеван

У реки может быть и сухое устье, то есть она оканчивается “слепым концом”, если велики затраты воды на испарение, фильтрацию воды в грунт, или на орошение Река Окаванго в Южной Африке образует болотистую внутреннюю дельту

• Речная система – главная река с притоками. Обычно главной считается самая длинная и многоводная река. Но целый ряд названий главных рек укрепился исторически, главной рекой становилась та, которую люди знали раньше и лучше. Например, Волга уступает по длине о Оке, и Каме от верховьев до слияния с ними; р. Миссури длиннее и полноводнее главной реки Миссисипи. • Притоки главной реки называются притоками первого порядка, их притоки – притоками второго порядка и т. д. • Речной бассейн – часть земной поверхности, включающая в себя данную речную систему. • Самый большой бассейн у р. Амазонки – 7, 2 млн. км 2. • Наряду с речными, существуют озёрно-речные системы, если реки протекают через озеро, например, та, которая включает Ладожское озеро, а её конечной рекой является Нева.

• Водосборный бассейн – площадь суши, с которой речная система собирает свои воды. Он может быть меньше речного бассейна, если в пределах последнего есть бессточные участки (например, бассейн р. Иртыш). • Водораздел – линия раздела речных бассейнов, он лучше выражен в горах, чем на равнинах. • Длина реки – протяженность реки от истока до устья. • Извилистость реки – определяется коэффициентом извилистости - отношением длины к кратчайшему расстоянию от истока до устья. • Густота речной сети – отношение суммарной протяженности всех рек к водосборному бассейну.

• Водный режим рек характеризуется совокупным изменением во времени уровней и объемов воды в реке. • Уровень воды – высота водной поверхности реки относительно определенной нулевой отметки. • Расход воды (Q) – количество воды, которое протекает через живое сечение реки (S) в одну секунду (Qм 3/сек=Vм/сек*Sм 2). • Среди колебаний уровня воды в реке наиболее значимы периодические сезонные изменения, называемые фазами водного режима. У разных рек они различные и зависят от климатических условий и соотношения источников питания: дождевого, снегового, подземного и ледникового. У рек умеренного континентального климата (Волги, Оби и др. ) выделяются следующие гидрологические периоды: весеннее половодье, летняя межень, осенний подъем воды, зимняя межень.

• Половодье – ежегодно повторяющийся в один и тот же сезон длительное увеличение водоносности реки, вызывающее подъем уровня. при преобладании подземного питания. Половодья на реках бывают в разные сезоны года: летние от муссонных летних дождей и таяния ледников в горах; осенние – от обильных дождей; зимние – от зимних дождей (реки Средиземья). . На реках России оно обычно наступает весной за счет интенсивного снеготаяния. • Межень (“маловодье”) – период длительных низких уровней и расходов воды в реке. Летняя межень обусловлена интенсивным испарением и просачиванием воды в грунт, несмотря на наибольшее количество осадков в это время. Зимняя межень – результат отсутствия поверхностного питания, реки существуют лишь за счет подземных вод.

• Паводки – кратковременные непериодические подъемы уровня воды и увеличение расходов воды в реке. В отличие от половодий они случаются во все сезоны года: в теплое полугодие вызваны сильными или продолжительными дождями, зимой – таянием снега во время оттепелей, Осенний подъем воды в реках, называемый иногда паводочным периодом, связан не с увеличением осадков (их меньше, чем летом, хотя осенью чаще пасмурная погода), а с уменьшением температуры и сокращением испарения. • На некоторых реках паводки возникают за счет нагона воды из морей, куда они впадают. Например, осенние паводки на р. Неве в Санкт-Петербурге, вызваны прежде всего нагоном воды из Финского залива западными ветрами, отчасти сейшами. На реках, впадающих Северное море паводки часто связаны со штормами. Паводки кратковременны, подъем уровня воды ниже, чем во время половодья, расход воды меньше.

• Речной сток – количество воды, протекающее через поперечное сечение русла за какой-либо период времени. Он образуется за счёт поступления поверхностных и подземных вод с водосборной площади. • На величину и режим стока влияет климат (осадки и испарение), состав и характер залегания горных пород, рельеф, почвы, растительность, наличие озёр на территории речного бассейна, хозяйственная деятельность людей.

• Для количественной оценки речного стока применяется ряд показателей: расход, модуль и слой стока выражаются в абсолютных величинах, коэффициент стока – в относительных. • Расход воды – объём воды, протекающей через поперечное сечение потока за 1 секунду (м 3/сек). Он измеряется гидрометрическими вертушками. На основе систематических измерений расхода воды вычисляются среднесуточные, среднемесячные и среднегодовые величины стока рек. • Модуль стока (лат. modulus – мера) – объём воды, стекающей с 1 км 2 площади водосбора в секунду (л/с с км 2 или м 3/с с км 2). Применяется в случаях, когда необходимо сравнить водность рек с различными по площади водосборами (например главной реки и её притока или крупной и малой рек, текущих в разных регионах).

• Слой стока – количество воды, стекающее с водосбора за определенное время (месяц, год), равномерно распределенное по площади водосбора (мм). Этот показатель удобен для сравнения его с другими составляющими водного баланса – величиной (слоем) атмосферных осадков и испарения. • Коэффициент стока – отношение слоя стока к слою атмосферных осадков на ту же площадь за один и тот же промежуток времени, выражается в % или в долях от единицы. • Средний коэффициент стока всех рек земного шара составляет 34%, т. е. одна треть осадков, выпадающих на сушу попадает в реки, а большая их часть испаряется, являясь важным звеном влагооборота. Коэффициенты стока рек зависят от условий на территории бассейна (у р. Нила в устье – 5%, у р. Амазонки ≈50%).