Тема 2. Природные воды и их свойства. Водный баланс Земли

Вода - самое распространенное и самое необыкновенное вещество на Земле.

Только вода в нормальных земных условиях может нахо­диться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. При этом она резко отличается от всех других веществ в подобных состояниях. Переход воды из одного состояния в другое требует затраты тепла (испарение, таяние) или, наоборот, сопровож­дается выделением соответствующего его количества (конденса­ция, замерзание). Для испарения 1 г воды необходимо затратить 597 кал, па таяние 1 г льда - 80 кал. Высокая скрытая теплота плавления льда обеспечивает медленное таяние снега и льда. Интересно, что на температуру воды (льда) поглощение или вы­деление тепла при переходе ее из одного состояния в другое не влияет.

Химически чистая вода Н₂О (окись водорода) в условиях нормального давления кипит при + 100ºС, замерзает при 0º и имеет наибольшую плотность при +4ºС. При охлаждении ниже +4ºС плотность воды уменьшается, объем увеличивается, при­чем в момент замерзания происходит резкое увеличение объема на 10% от объема жидкой воды.

Эта аномалия воды играет в природе очень большую роль.При замерзании водоемов лед остается на поверхности, предо­храняя воду от дальнейшего охлаждения. Если бы вода, охлаж­даясь, становилась всегда более плотной, водоемы замерзали бы снизу (со дна). Они могли бы промерзать полностью и не всегда успевали бы оттаять за лето, что отразилось бы на жизни в во­доемах и, конечно, повлияло на климат.

Вода в природе не бывает химически чистой, потому что она сильнейший растворитель. Это всегда газово-солевой раствор раз­личной концентрации, т. е. различной солености. Соленость воды измеряют в граммах на литр (г/л) и в про­милле (‰). Различают воду пресную (до 1‰), солоноватую (до 24,7‰), соленую (> 24,7‰).

Увеличение солености влечет понижение температуры замер­зания и температуры наибольшей плотности воды.

Соленость (‰)						24,7
Температура замерзания (°С)		-03	-05	-08	-1,1	-1,33	-1,6	-1,9	-2,2
Температура наибольшей плотности (°С)		2,9	1,9	0,8	0,3	-1,33	-2,5	-3,5	-4,5

Из таблицы видно, что температура наибольшей плотности при увеличении солености падает быстрее, чем температура за­мерзания, и при солености 24,7‰ они совпадают. При дальней­шем повышении солености температура наибольшей плотности воды всегда ниже температуры замерзания. Это значит, что такая вода, охлаждаясь, становится более плотной и опускается вниз, а па поверхность поднимается вода менее холодная. Поэтому сильносоленые глубокие озера могут не покрываться льдом даже при очень низкой температуре, а мелкие промерзают до дна. Когда соленая вода в океане охлаждается, она погружается и несет с собой в глубину кислород.

Аномально высока теплоемкость воды. Она в 2 раза больше, чем дерева, в 5 раз больше, чем песка, в 10 раз больше, чем же­леза, в 3000 раз больше, чем воздуха. Это значит, что, охлаждая на 1º один кубический сантиметр воды, можно нагреть на столько же 3000 см³ воздуха. Отсюда ясно значение Океана как аккуму­лятора тепла, понятно смягчающее влияние на климат даже не­больших водоемов.

Теплопроводность воды невелика, поэтому в нагревании во­доемов главная роль принадлежит перемешиванию. Лед, обладая еще меньшей теплопроводностью, хорошо предохраняет воду от охлаждения.

Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое большое по­верхностное натяжение. Именно поэтому вода может подни­маться по капиллярам, пронизывающим почву и многие породы, движется вверх в растениях. Обнаружилось, что вода в капил­лярах имеет удивительные особенности, еще до конца не рас­крытые. Она не замерзает даже при -30°, но становится более вязкой и тяжелой. Охлаждая ее до - 70º, получили не лед, а аморфное, стеклообразное вещество. Превращение этой воды в нормальную потребовало нагревания до 650-700°С. Некоторые ученые предлагают капиллярную воду считать четвертым ее со­стоянием.

Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и температуры. Если «чистая» вода, находясь под давлением 1 атм., замерзает при 0°, то под давлением 600 атм. она замерзает при -5°С, 2200 атм. - при -22° С. Но под давлением 3500 атм. она замерзает всего при -17°С, под давлением 6380 атм. - при +0,16°. При давлении 20670 атм. образуется горячий лед, его температура +76°. Такой лед может быть в недрах Земли.

При очень низких температурах (не выше-170⁰С) и неболь­шом давлении образуется сверхплотный лед 1, не имеющий крис­таллической структуры. Он играет большую роль в кометах и «холодных» планетах.

Особенности воды объясняются строением ее молекул и их взаимным расположением. Молекула воды - равнобедренный треугольник с отрицательно заряженным атомом кислорода в вершине и двумя положительно заряженными атомами водо­рода в основании. Несимметричное расположение «+» и «-»зарядов в такой «согнутой» молекуле приводит к возникновению полярности, большого дипольного момента. Отсюда способность молекулы воды ориентироваться в электрическом поле, сильное (в 80 раз по сравнению с воздухом) ослабление взаимного при­тяжения противоположно заряженных частиц вещества, находящегося в воде (сильная растворяющая способность воды).

Удивительные свойства воды позволили возникнуть и развиться жизни на Земле. Благодаря им вода может, как мы уви­дим, играть незаменимую роль во всех процессах, совершаю­щихся в географической оболочке.

Общий объем гидросферы 1 454 327 200 км³. В единой, хотя и прерывистой, водной оболочке выде­ляются: воды Мирового океана - 1 370 000 000 км^З, подземные воды - 60 000 000 км^З, почвенная влага - 82 000 км^З; воды на поверхности суши: ледники - 24 000 000 км^З, озера - 230 000 км³, реки - 1 200 км³ и вода в атмосфере - 14 000 км³. Все эти воды (все части гидросферы) объединяются благодаря способности воды быстро переходить из одного состояния в другое и легко перемещаться.

Непрерывный процесс перемещения воды под воздействием солнечной энергии и силы тяжести, охватывающей гидросферу, атмосферу, литосферу, организмы, называют Мировым влагообо­ротом или круговоротом воды.

Воздушные течения переносят и ту влагу, которая испа­ряется с поверхности океана, и ту, которая испаряется с суши. Прежде чем влага, испарившаяся с суши, попадает снова в океан, она не один раз выпадает на сушу и снова испаряется. Таким путем происходит увлажнение поверхности, удаленной от океана, осуществляется внутриматериковый влагооборот.

В течение года в Мировом влагообороте принимает участие всего около 0,037 % общей массы поды гидросферы. Полное обновление воды в разных частях этой сферы происходит за различные кроме времени. Так, для обновления подземных вод тре­буются сотни тысяч и даже миллионы лет (это зависит от глу­бины их залегания и интенсивности водообмена), для обновления ледников - 8000 лет. Океан обновляется в среднем за 3000 лет, проточные озера - за десятки лет, замкнутые – за 200-300 лет, почвенная влага - в среднем за год, вода в ре­ках - 30 раз в году (через каждые 12 суток), а в атмосфере­ 40 раз в году (через каждые 9 суток).

Процесс перемещения влаги - это одновременно процесс перераспределения тепла, затрачиваемого на испарение в одном месте и освобождающегося при конденсации влаги в другом. В те­чение года в этом участвует часть получаемого поверх­ностью Земли солнечного тепла. Значение влагооборота в при­роде огромно. Осуществляя перенос влаги и тепла, он связывает земные оболочки и играет исключительно важную роль в обра­зовании комплексной природной оболочки Земли. Баланс влагооборота и в планетарном и местном масштабах не может оста­ваться неизменным; не может не изменяться распределение природных вод в гидросфере. Так, например, в ледниковые пе­риоды до 150 млн. нм³ воды изымалось из «оборота», оказы­ваясь в ледниках. Количество воды в Океане при этом умень­шилось, сокращалась его акватория, меньше становилось испа­рение и т. д.

Заметные влияния начинает оказывать деятельность людей, вызывающая образование на фоне Мирового влагооборота мест­ных влагооборотов. Например, в Средней Азии в связи с полив­ным земледелием стало больше влаги в воздухе, увеличилось количество осадков в горах, что привело к некоторому росту ледников, питающих реки.

Единство гидросферы проявляется в том, что всякое изменение в одном ее месте приводит к изменениям в других.

Дата добавления: 2015-04-30