ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Гидросфера Земли

ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Гидросфера Земли

• Гидросфера Земли - вода атмосферы, • • поверхностные воды и воды литосферы с содержащимися в них примесями. Поверхностные воды - океаны, моря, реки, озера, водохранилища, болота, снежный покров и ледники. Воды литосферы - подземные воды, связанная вода, почвенные воды, подземные ледники. • Гидросфера находится в тесной взаимосвязи с другими сферами - литосферой, атмосферой, биосферой, техносферой.

Свойства воды • - чрезвычайно высокая универсальная рас • • творяющяя способность; - при плавлении вода сжимается; - наибольшая плотность наблюдается при 4 о. С; - высокая скрытая теплота плавления льда (80 кал/г); - наивысшая среди жидких и твердых тел удельная теплоемкость (количество тепла, необходимое для нагревания 1 г вещества на 1 о. С); Удельная теплоемкость льда 0, 5 кал/г·град, воды - 1, 0 кал/г·град и пара - 0, 44 кал/г·град.

• - высокая для жидких тел • • • теплопроводность; - высокая диэлектрическая проницаемость; - аномально высокая скрытая теплота испарения - 540 кал/г при 100 °С; - высокое поверхностное натяжение; - полная прозрачностью в видимой части спектра; - несжимаемость; - источник газообразного кислорода и донор протонов.

Твердая вода • Снежный покров в течение зимнего вре • • • мени выступает аккумулятором воды, освобождающейся весной. Подземное оледенение поддерживает водость рек, способствует заболачиванию территории. Присутствие полярных льдов снижает среднюю температуру воздуха в Центральной Арктике. Образование льда на поверхности водоемов уменьшает испарение с их поверхности.

Образование и формирование гидросферы • - гипотеза «холодного» образования планет; • - из первичных водорода и кислорода после конденсации газопылевого облака в протопланету; • • • 1000 o. C CO 2 + 2 H 2 ↔ 2 H 2 O + C (1) 800 o. C CO 2 + H 2 ↔ CO + H 2 O CH 4 + 2 O 2 ↔ CO 2 + 2 H 2 O (2) (3)

• - за счет «солнечного ветра» : • Ядра водорода (протоны) • Ядра гелия • Ядра лития, бериллия, бора • Ядра углерода, азота, кислорода • Ядра элементов с номерами > 10 • • ОН· + Н ↔ Н 2 О ОН· + НО 2 ↔ О 2 + Н 2 О 1000 160 3, 5 7, 0 2, 5 (4) (5)

Гидросфера Земли Часть гидросферы Мировой океан Атмосферная вода Ледники Подземные льды Подземные воды Озера и водохранилища Речные воды Почвенные воды Объем, тыс. км 3 1370· 103 0, 014· 103 24· 103 (1, 4 - 3)· 103 60· 103 0, 23· 103 Время полного возобновления 0, 0012· 103 (~ 75)· 103 12 суток 330 суток 2600 лет 10 суток ~ 10000 лет ″ 5000 10 лет

Мировой океан - непрерывная водяная оболочка Земли, окружающая материки и острова и обладающая общностью солевого состава. • Море - часть океана, обособленная сушей, островами или возвышениями подводного рельефа и отличающаяся специфическими гидрологическими и метеорологическими режимами. • Пять групп компонентов: • - главные компоненты - одиннадцать элементов, • • составляющих 99, 98% по массе от всех растворимых солей; - биогенные элементы (С, Н, N, Р, S, Fе, Мn) - из которых состоят организмы; - растворимые в морской воде газы (O 2, N 2, CO 2, УВ, инертные); - микроэлементы; - органические вещества.

Компонентный состав морской воды (т/кг) Ион Cl. SO 42 - Концентрация, г/кг 12, 3534 2, 7007 HCO 3 Br. IBO 33 - 0, 1427 0, 0659 0, 0013 0, 0265 Ион Na+ Mg 2+ Концентрация, г/кг 10, 7638 1, 2970 Ca 2+ K+ Sr 2+ 0, 4080 0, 3875 0, 0083

Средний состав речных вод мира Анион мг/дм 3 Катион мг/дм 3 HCO 3 - 58, 4 Ca 2+ 15, 0 SO 42 - 11, 2 Mg 2+ 4, 1 Cl- 7, 8 Na+ 6, 3 NO 3 - 1, 07 K+ 2, 3 ∑ анионов 8, 41 ∑ катионов 27, 7 Si. O 2 3, 1

• Соленость вод океана (S) - масса сухого остатка, содержащегося в 1 кг морской воды при условии переведения карбонатов в оксиды, замещении ионов Br- и I- эквивалентным количеством иона Cl- и сожжении органических веществ при 480 о. С. • Единица измерения - г/кг или промилле (0/00). • S (0/00) = 1, 81 Сl

Карбонатная система • Атмосфера СO 2 • Океан СО 2 + Н 2 О • Донные отложения ↔ Н 2 СО 3 ↔ Н+ + НСО 3 - ↔ 2 Н+ + СО 32 - Са. СО 3

Ресурсы Мирового океана Элемент Cl Na Содержание, т 2, 6· 1016 1, 4· 1016 U Сu Содержание, т 2· 1011 1, 5· 1011 Mg Са 1, 8· 1015 5, 6· 1014 Аg Au 5, 0· 1010 1, 1· 108 К 5, 3· 1014

Полезные ископаемые Океана • - сырье в недрах под океаном (нефть, газ, • • уголь, сера, железная руда). Добыча нефти и газа на океанском шельфе в 2000 г. составила половину всей добычи; - прибрежные рассыпные месторождения (ильменит, монацит, циркон, магнетит, вольфрам, золото, алмазы, платина); - полезные ископаемые морского дна (железомарганцевые конкреции и фосфиты ).

• Океан - «легкие» планеты, продуцируя почти • половину всего О 2 атмосферы. В обменном процессе между атмосферой и Океаном участвует 100 млрд. т. CO 2. Живые существа, населяющие Океан, ассимилируют в год 126 млрд. т. CO 2 против 20 млрд. т. , ассимилируемых живыми существами суши. • Среднее содержание растворенного органического вещества в Океане ~2 мг/дм 3 Содержание взвешенных частиц ~ 1 мг/дм 3

• Реки. Сток - передвижение дождевой и талой воды на поверхности Земли (поверхностный сток) и подземной воды в порах и трещинах горных пород к природным дренам (подземный сток). • Озера - природные водоемы в углублениях суши, заполненные в пределах озерной чаши разнородными водными массами и не имеющими одностороннего уклона. Байкал: 23, 0 тыс. км 3 пресной воды (в 80 раз больше, чем в Азовском море). • Болота - избыточно увлажненные участки поверх- ности, покрытые специфической влаголюбивой растительностью. Общая площадь болот на земном шаре ~ 3 млн. км 2 или 2% суши. Почти 60% болот расположено в России.

• Ледники - скопления льда атмосферного проис- • хождения, движущиеся по земной поверхности. Занимают 16, 1 млн. км 2, из них почти 14 млн. км 2 в Антарктиде и 2 млн. км 2 в Гренландии. Из 24 млн. км 3 воды, заключенной в ледниках земного шара 22 млн. км 3 (91, 6%) сосредоточено в Антарктиде. Ледники суши составляют около 4. 10 -4% от массы планеты. Если бы весь материковый лед растаял, уровень Мирового океана повысился бы почти на 60 м и около 10% суши оказалось бы затопленной. • Общая площадь постоянного снежного покрова ~ 6% всей площади поверхности Земли, вместе с сезонными снегами – 22%. • Зоны вечной мерзлоты расположены в Сибири, на Аляске, севере Канады. На равнинах – глубина до 65 м, в горах - до 900 м.

• Масса биологической воды 1120 млрд. т. Этот объем соизмерим с объемом речных вод. • Растворение СО 2 в пресной воде : СО 2 + Н 2 О ↔ Н 2 СО 3 ↔ Н+ + НСО 3 - (7) • Жесткость воды: - карбонатная (временная), обусловлена присутствием в воде дикарбонатов Са 2+ и Mg 2+. • - некарбонатная (постоянная), обусловлена присутствием сульфатов или хлоридов металлов. • - сумма временной и постоянной - общая жест2+ 2+ кость. Выражается в мг-экв. ионов Са 2+ и Mg 2+ на дм 3 воды. • Вода: мягкая - < 4 мг-экв/дм 3, средняя - 4 - 8 мг 3 3 экв/дм 3, жесткая - 8 -12 мг-экв/дм 3, очень жесткая > 12 мг-экв/дм 3

Элементы водного баланса океанов Название Осадки, см/год 101 Испарение, см/год 136 Сток, см/год 23 Тихий 145 151 8 Индийский 132 142 8 Мировой 127 140 13 Атлантический

Элементы водного баланса континентов Название Европа Осадки, см/год 77 Испарение, Сток, см/год 49 28 Азия 63 37 26 Африка 72 58 14 Северная Америка Южная Америка Австралия 80 47 33 160 94 66 45 41 4

Распределение пресных вод гидросферы Объект гидросферы Содержание воды, тыс. км 3 Доля от общего кол-ва, %% Ледники, подземные льды 24· 103 85 Подземные воды. 4· 103 14 Влага в почве 0, 083· 103 0, 3 Озера и водохранилища 0, 155· 103 0, 6 Болота 0, 012· 103 0, 05 Речная вода 0, 0012· 103 0, 004 Вода атмосферы 0, 014· 103 0, 05 Биологические воды (в живых организмах) 0, 001· 103 0, 03

Подземные воды На территории России сток подземных вод составляет 3640 м 3/сек. • Вода в породах находится в свободном (подчиняется силам гравитации либо удерживается капиллярными силами) или связанном (находится в пленочном, или адсорбированном виде) состоянии. • Связанная вода может быть связанной физически или хими • чески. Химически связанная вода – кристаллизаци-онная. Она входит в состав минералов - малахит Сu. СО 3·Сu(ОН)2. Физически связанная вода может быть прочносвязанной или рыхлосвязанной. Прочносвязанная вода удерживается давлением в недрах (около 10 тыс. кг/см 2). Рыхлосвязанная вода обволакивает частицы по-роды. Она обладает повышенной вязкостью, очень медленно передвигается по поверхности частиц. Замерзает при -1, 5 ºС. • Количество физически и химически связанных вод в составе минерала может достигать 60 -65 масс %.

• Частицы, почвы удерживают молекулы воды, образующие пленку толщиной в 1 -2 молекулы. Если толщина пленки становится больше, вода называется пленочной. • Капиллярные промежутки между частицами поч- вы заполняются капиллярной водой, которая под действием капиллярных сил может подниматься вверх от сплошного слоя подземной воды. Вода, заполняющая крупные промежутки в почве, не удерживается капиллярными силами и свободно стекает вниз - гравитационная вода. • Почти вся почвенная влага находится в верхнем 2 -м слое почвы и подпочвы.

• Влагоемкость - способность горных пород вме- щать и удерживать определенное количество воды. Высокой влагоемкостью обладают глины, средней - мелкие пески, слабой - галечники. • Водоотдача - отношение количества воды, которое может отдать порода, к общему содержанию воды в ней. • Флюацией называется «вливание» воды в какуюлибо емкость в породах. Происходит преимущественно под влиянием силы тяжести. • Диффузия сводится к перемещению подземных водных растворов с мест с бóльшей концентрацией в места с меньшей. • Фильтрация - просачивание воды по мелким порам породы.

• Подземная гидросфера делится на два яруса. • Для суши границей является «граница Конрада» , расположенная на глубине 20 км от поверхности. Здесь среднее давление для континентов ~ 6 Кбар и температура ~ 560 °С. Общий объем гравитационных вод 150 млн. км 3 (~ 1/4 всей воды верхнего яруса). В породах содержится еще ~ 450 млн. км 3 воды в форме Н 2 О, ОН- и Н 3 О+. Всего воды в верхнем ярусе литосферы 600 млн. км 3. • В нижнем ярусе, между границей Конрада и по- верхностью Махоровичича, возможно наличие еще 500 млн. км 3 свободной воды • В мантии присутствие воды также вероятно. Общий запас ее можно оценить в ~ 20· 106 км 3.