Земля – планета солнечной системы. Гидросфера Земли

ЛЕКЦИЯ 11.

Гидросфера (греч. hydor – вода и sphaira - шар) – водная оболочка Земли, - в отличие от литосферы и атмосферы покрывает земной шар лишь на 70% его поверхности. К гидросфере относится Мировой океан и воды суши – реки, озера, подземные воды, ледники.

Все оболочки Земли (гидросфера, литосфера, атмосфера, биосфера) находятся в тесном взаимодействии, проникая друг в друга. Поэтому границы гидросферы точно определить трудно. За верхнюю границу гидросферы принимают поверхность земного шара. Нижняя граница нечеткая, но основная масса подземных вод заключена в осадочной рыхлой толще.

Общий объем воды на Земле составляет около 1,39 млн. км³.Соленых вод на Земле 97,4% - это, прежде всего, океанская (морская) вода и частично минерализованная озерная и подземная. На долю пресной воды приходится всего 2,6%, из них основная масса сосредоточена во льдах. Поэтому проблема жидкой пресной воды – одна из глобальных экологических проблем человечества.

Науку, изучающую свойства природных вод, происходящие в них процессы и взаимодействие вод с другими элементами географической оболочки, называют гидрологией.

Геохимические исследования показывают, что вода на Земле появилась на определенном этапе её развития за счет горячих растворов, водяных паров и других летучих веществ из магмы. Поступление воды из недр происходит до сих пор при извержении вулканов, особенно в рифтах серединно-океанических хребтов. Считается, что химически связанная вода была в веществе холодного газово-пылевого протопланетного облака, из которого возникла Земля. Первичный океан был, по-видимому, теплым и минерализованным, но он быстро остыл, так как атмосфера была тоньше и холоднее.

Физико-химические свойства воды и их значение для природных процессов. Вода – простейшее химическое соединение водорода с кислородом, самое распространенное и самое необыкновенное вещество на Земле благодаря своим аномальным свойствам. В земных условиях только вода находится в трех агрегатных состояниях: твердом (лед, снег), жидком (вода) и газообразном (пар). Поэтому она вездесуща в географической оболочке и производит разнообразную работу. Химически чистая вода при нормальном давлении 760 мм, кипит при 100°С, замерзает при 0°С, имеет наибольшую плотность при температуре 4°С.

Теплоемкость. Вода – одно из самых теплоемких тел в природе. Вследствие высокой теплоемкости воды океанов, морей и озер поглощают огромное количество тепла летом, являясь его мощным аккумулятором. Зимой, охлаждаясь, отдают тепло в атмосферу. Этим объясняется большое умеряющее влияние океанов и морей на климат материков.

Теплопроводность воды весьма незначительна. Поэтому нагревание воды в естественных водоемах происходит не столько путем молекулярной теплопроводности, сколько путем перемешивания воды за счет течений и волнения. Лед и снег обладают еще меньшей теплопроводностью, чем вода. Поэтому лед, возникнув на поверхности водоема, предохраняет воду от дальнейшего охлаждения, а снег – почву от промерзания и озимые культуры от гибели.

Плотность воды зависит от температуры и солености. Наибольшая плотность химически чистой воды достигается при температуре 4°С, а выше и ниже 4°С плотность воды уменьшается – вода становится легче. Это аномальное свойство воды по сравнению с другими жидкостями, плотность которых при понижении температуры и затвердении увеличивается, вызвано тем, что одиночные молекулы воды H₂О (моногидроли) могут объединяться и образовывать сложные молекулы (Н₂О)₂ – дигидроли и (Н₂О)₃ – тригидроли. Они более крупные по объему, но относительно рыхлые, ажурные по структуре и потому более легкие. Водяной пар в основном состоит из моногидролей, жидкая вода – смесь моногидролей, дигидролей и тригидролей, лед – преимущественно тригидроли. При понижении температуры воды происходит, с одной стороны, нормальное уменьшение объема и уплотнение воды, вызванное охлаждением, как у всех жидкостей, с другой – увеличение объема и соответственно уменьшение плотности из-за объединения молекул воды в более сложные, но более легкие. При охлаждении воды до 4°С преобладает первый процесс, при температуре 4°С оба процесса уравновешиваются, поэтому плотность наибольшая, при дальнейшем охлаждении воды ниже 4°С преобладает второй процесс. Плотностная аномалия воды имеет громадное значение для природных вод. Во-первых, при осеннем охлаждении водоемов до 4°С более холодная плотная вода с поверхности опускается и обогащает глубинные слои кислородом, как бы подготавливая водоем к зиме. Во-вторых, вследствие этой аномалии водоемы даже в условиях сурового климата не промерзают до дна, так как при охлаждении воды ниже 4°С вплоть до 0°С верхние слои становятся менее плотными, более легкими и удерживаются на поверхности. А поскольку молекулярная теплопроводность воды и льда невелика, то верхние слои предохраняют ниже расположенные толщи воды от охлаждения, а живые организмы от гибели. Весной после таяния льда и нагревания воды в верхнем её слое до 4°С, она становится плотнее и опускается вниз, обогащая глубинные слои кислородом, что очень важно для жизни, так как к концу зимы запасы кислорода истощаются и случается мор рыбы. Но это опускание прекращается при температуре 4°С, так как при дальнейшем нагревании вода становится легче. Благодаря этому свойству воды сохраняется жизнь в водоемах в условиях холодных и умеренных поясов.

Резкое увеличение объема воды при замерзании – своеобразное её свойство. Объем льда увеличивается по сравнению с объемом воды на 10%. Свойство воды увеличиваться в объеме при замерзании играет огромную роль при разрушении горных пород, поскольку замерзая в трещинах, лед разрывает породу на части.

Поверхностное натяжение. Вода среди всех жидкостей, кроме ртути, обладает самым большим поверхностным натяжением, поэтому она поднимается по капиллярам в грунтах, движется вверх по сосудам растений.

Вода – универсальный растворитель, поэтому все воды – газово-солевые растворы различного химического состава и разной концентрации. Концентрация растворенных в воде веществ характеризуется соленостью и выражается в промилле (‰), т.е. в граммах вещества на килограмм воды. Соленость пресной воды менее 1‰, остальные воды в той или иной степени соленые. Вообще минерализация воды до определенного предела – основа жизни. Химически чистая вода для жизни непригодна.

Прозрачность воды зависит от примесей. При большой прозрачности воды свет проникает на большую глубину, поддерживая необходимые условия для существования организмов.

Физические и химические свойства воды тесно взаимосвязаны. Особенно сильно изменяются свойства воды под действием температуры и давления. Удивительные свойства воды способствовали зарождению жизни на Земле. Благодаря воде совершаются все процессы в географической оболочке.

Самое большое скопление воды на поверхности Земли – Мировой океан. Он является основным водохранилищем нашей планеты. Испаряющаяся с его поверхности влага переносится ветрами на материки и, выпадая в виде осадков, орошает Землю, питает реки, подземные воды и горные ледники.

До последнего времени Мировой океан делили на четыре океана: тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый. Изучение структуры водных масс океанов и их динамики привело ученых к убеждению, что часть Мирового океана вокруг Антарктиды и до южных оконечностей Азии, Австралии, Африки и Южной Америки целесообразно выделять в качестве отдельного (пятого) океана и называть его Южным. По сравнению с площадью материков площадь Мирового океана огромна. Один только Тихий океан больше площади всей суши.

Мировой океан делится материками и островами на отдельные океаны, моря, проливы и заливы.

Море – более или менее обособленная островами, полуостровами и подводными возвышенностями часть океана. По месторасположению моря делятся на окраинные, внутренние и межостровные. Объем воды в морях составляет менее 3% объема воды в океане. Средняя глубина океана – 3795 м, открытых окраинных морей – 874 м, средиземных морей – 1289 м. наибольшая глубина обнаружена в Марианском желобе и составляет 11022 м.

Залив – часть океана, довольно глубоко вдающаяся в сушу. Заливы менее изолированы от сопредельных океанов, чем моря и подразделяются на разные типы. По происхождению выделяют фьорды – узкие длинные глубокие заливы с крутыми берегами, вдающиеся в гористую сушу, образовавшиеся на месте тектонических разломов; лиманы – мелкие заливы на месте затопленных морем устьев рек; лагуны – заливы вдоль побережья, отделенные от моря косами.

Исторически сложилось так, что по существу однотипные акватории называют то заливами, то морями, хотя по многим признакам они схожи. Например, Бенгальский залив, но Аравийское море, Мексиканский залив, но Карибское море, Персидский залив, но Красное море и т.д. Это несоответствие объясняется тем, что названия им давались в разное время без научного обоснования и по традиции сохранились до наших дней.

Пролив – относительно узкая часть океана или моря, разделяющая два участка суши и соединяющая два смежных водоема. Проливы тоже разделяются на разные типы по ряду признаков. Выделяют проливы узкие и широкие, короткие и длинные, мелкие и глубокие.

Океанская вода – универсальный однородный ионизированный раствор, в состав которого входят все химические элементы. Средняя концентрация солей в океане – 35 г на 1 кг воды, или 35 ‰. На поверхности океана в слоях сильных испарений соленость может быть больше, чем в глубинных слоях, а в областях обильных дождей – меньше. Уменьшают соленость морской воды речные воды и айсберги. Из солей в морской воде больше всего хлористого натрия, т.е. поваренной соли, поэтому она соленая. Горький вкус ей придают соли магния.

Установлено, что состав и относительное содержание различных солей в Мировом океане повсюду неизменны. Это является следствием наличия мощных морских и океанических течений.

В морской воде, кроме солей, растворены газы: азот, кислород, диоксид углерода, сероводород и др. И хотя содержание газов в воде крайне незначительно, их достаточно для развития органической жизни и биогеохимических процессов. Кислорода в морской воде больше, а азота меньше, чем в атмосфере.

В Мировом океане зародилась жизнь. В частности, растительность, возникшая в нем, обогатила атмосферу кислородом и сделала её пригодной для жизни животных. Деятельность растительных организмов, произрастающих в океане и разлагающих воду на водород и кислород, и поныне остается главным источником кислорода для атмосферы.

Как известно, вода обладает большой теплоемкостью: 1 м³ воды, охладившись на один градус, может на столько же нагреть 3300 м³ воздуха. Это свойство позволяет Мировому океану служить аккумулятором и распределителей тепла на поверхности Земли. Фактически океан выполняет функцию терморегулятора планеты. В умеренных и полярных широтах морские воды летом накапливают тепло, а зимой отдают его в атмосферу. В тропиках же вода нагревается с поверхности круглый год.

Процесс образования льда в океане сложнее, чем в пресной воде, замерзающей при температуре 0°С. Морская вода замерзает при отрицательных температурах. При этом, чем выше соленость, тем ниже температура замерзания (при S=35‰ около -2°С).

Вода в океане не стоит на месте, а всё время перемещается. Эти перемещения осуществляются течениями. Основной причиной их образования являются ветры. Течения переносят теплые экваториальные воды в высокие широты, при этом холодные воды возвращаются в тропиках в протвотечениях. В частности, теплое течение Гольфстрим смягчает климат Англии и Скандинавии, течение Куросио делает более теплым климат Японии, а холодные Восточно-Гренландское и Лабрадорское противотерчения охлаждают восточные берега Северной Америки, Курильское – Азии. Различаются течения теплые и холодные. При этом имеется в виду, что температура вод, переносимых этими течениями, соответственно теплее или холоднее температуры окружающей воды. Например, температура Бенгльского течения у Мыса Доброй Надежды - 20°С, но по сравнению с окружающей водой это холодное течение. С другой стороны, Нордкапское течение (одна из Северных ветвей Гольфстрима) с температурой воды 4-6°С считается теплым, так как оно обогревает холодные прилегающие берега. О мощности течений можно судить по такому примеру: Гольфстрим у полуострова Флорида переносит в среднем за год 750 тыс. км³ воды. Это больше годового стока всех рек Земного шара в 20 раз!

Еще недавно считалось, что глубинные и в особенности придонные океанские воды почти неподвижны. Теперь же установлено, что даже у самого дна океана вода перемещается, а подповерхностные течения по своей мощности мало отличаются от поверхностных.

Интенсивное перемещение океанских вод происходит не только за счет мощных течений, но еще и вследствие приливов и отливов.

Поверхность морей и океанов постоянно покрыта волнами. Высота волны измеряется от подошвы до гребня по вертикали, длина – от одного гребня до другого. Волны затрудняют мореплаванье и бывают причиной гибели даже современных больших судов.

Различают волны ветровые, цунами и барические. Первые из них возникают при ветре. Особенно большие волны вызывают штормы и ураганы, когда скорость ветра достигает 25 и 35 м/с соответственно. Вторгаясь на сушу, такие волны вызывают огромные наводнения и разрушения. Так, в 1959 г. волны, вызванные ураганом, полностью разрушили японский город Нагоя, в котором проживало 2 миллиона человек. В открытом океане ветровые волны достигают высоты 18-20 м, но очевидцы рассказывают, что встречаются волны высотой в 25 и даже 30 м. Преобладающая же высота океанских волн – 4 м. На глубине 100 м от поверхности ветровое волнение не ощущается.

Волны цунами образуются при извержениях подводных вулканов и при подводных землетрясениях. В отличие от ветровых волн, они охватывают всю толщу воды. В открытом океане скорость распространения волн цунами достигает 800 км/ч, высота - примерно полметра. С выходом на прибрежное мелководье высота волн цунами быстро растет и достигает иногда 20-30 м. Одновременно с волной цунами возникает «ударная волна». Она распространяется со скоростью звука, то есть в 6-7 газ быстрее, чем сама волна. Это позволяет с помощью гидрофонов заранее регистрировать ударную волну, устанавливать место её возникновения, вычислять время, через которое придет волна, принимать оперативные меры, направленные на уменьшение потерь и разрушений.

Барические волны возникают при прохождении циклона. В его центре давление снижается иногда до 660 мм. Вследствие этого на поверхности океана образуется выпуклость высотой до 1 м. Она создает волну, которая подобно цунами может привести к тяжелым последствиям. Так, в 1953г. циклон в Северном море у берегов Англии вызвал мощную барическую волну, совпавшую по времени с высоким приливом. Усиленная ветровыми волнами, она выросла на мелководье до десятиметровой высоты, дошла до берегов Голландии, прорвала плотины, и привела к катастрофическим последствиям.

В Мировом океане повсюду от поверхности до дна существует жизнь. Однако концентрация живого вещества приурочена к двум пленкам жизни – водно-поверхностному и донному слоям. В нем обитает почти 300 тыс. животных и растений.

По образу жизни среди обитателей океана различают три группы: нектон, планктон и бентос.

Нектон – активно плавающие животные: рыбы, ластоногие, киты, дельфины, морские черепахи и т.д.

Планктон состоит из мелких растений (фитопланктон) и животных (зоопланктон), пассивно переносимых водой во взвешенном состоянии. Фитопланктон – основной источник кислорода и звено пищевой цепи.

Бентос объединяет растения и животных, населяющих дно. Одни из них никогда не отделяются от него – водоросли, кораллы, иглокожие, ракообразные. Другие могут покидать дно – камбалы, скаты. Третьи закапываются в грунт. Бентос сосредоточен на материковой отмели, куда поступает основная масса органических остатков.

Охрана природы океана – это актуальная проблема международного масштаба. В век научно-технической революции резко возросло поступление в океан загрязняющих веществ: нефти, промышленных и химических отходов, бытовых сточных вод, удобрений, пестицидов и т.д.

Особенно пагубно для всего живого нефтяное загрязнение, а по подсчетам ученых сейчас ежегодно в океан попадает около 10 млн. т. нефти и нефтепродуктов при её добыче, промывке танкеров, авариях и т.д. Нефтяная пленка нарушает влагообмен и газообмен, в том числе кислородом, губит рыбу и вообще все живые организмы, которые концентрируются в основном в поверхностном слое воды.

1. Образование льда в океане и на суше. Чем отличается. Виды льда.

2. Воды суши: реки, озера, болота, ледники.

3. Какие рыбы пьют воду: морские или пресноводные? Объяснить, почему.

4. Удивительные обитатели океанов и морей.

Дата добавления: 2014-01-15