Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ:  Археология Биология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия ЭкологияТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву 
Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Гидросфера земли: история, границы, структура, свойства водыСтр 1 из 8Следующая ⇒
ГИДРОСФЕРА ЗЕМЛИ: ИСТОРИЯ, ГРАНИЦЫ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА ВОДЫ Веселый водовоз в замечательной кинокомедии Григория Александрова «Волга-Волга» весьма легко и доходчиво объясняет зрителям причины выбора столь экзотической профессии: «Потому, что без воды и не туды и не сюды!». Лаконичности и глубине этого аргумента может позавидовать любой ученый, интересующийся природой воды. Более того, многочисленные серьезные научные исследования убедительнейшим образом доказывают абсолютную адекватность этого, на первый взгляд, очень легкомысленного заявления. Но справедливости ради следует заметить, что подобная мысль особой оригинальностью не блещет. В свое время академик В.И. Вернадский, рассуждая о воде, отмечал: «Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество… ею проникнуто и охвачено». Такое мнение полностью разделял крупнейший специалист ХХ в. по физической химии воды профессор Э.Х.Фрицман, полагавший, что « aquaomniasunt» – вода существует везде. Действительно, воду мы встречаем повсюду. Трехдневный человеческий зародыш состоит из нее на 97%, трехмесячный – на 91, а восьмимесячный – на 81. Организм взрослого человека также, кстати, как и зрелые бактерии, содержит почти 80% воды. В растениях, животных, воздухе, даже в каменной оболочке Земли присутствует живительная влага. Верблюд, например, за счет окисления жира, содержащегося в горбу, может произвести 40 л воды, а человек, выпивая 2.5 литра воды в сутки, за это же время промывает свой кишечник 10 л жидкости, выработанной организмом. *** Гидросфера – непрерывная оболочка Земли, включающая всю воду в жидком, твердом, газообразном, химически и биологически связанном состоянии. Гидросфера формировалась под влиянием общепланетарных геофизических процессов, в результате которых возникли и сопряженные с гидросферой мантия, литосфера и атмосфера нашейпланеты. Единство гидросферы, кроме непрерывности, определяется постоянным водообменом между отдельными ее компонентами и переходом воды из одного состояния в другое. Основная масса гидросферы образовалась около 4-3.5 млрд.л.н. в архейскую эру при дегазации вещества верхней мантии Земли (рис.2.1). При излиянии на поверхность Земли базальтов происходит дегазация 7% ювенильной воды в виде водяного пара и жидкой воды. Далее, по мере охлаждения, пары воды и другие газы: аммиак, метан, окись и двуокись углерода - угарный, углекислый газ, конденсировались, образуя кислый раствор, содержащий ионы хлора, серы, углерода и множества других элементов. Одновременно с постепенным растворением горных пород этот раствор нейтрализовался и обогащался ионами натрия, магния, кальция, калия, стронция. Получается, что уже на заре образования гидросферы праокеан был соленым и содержал почти все элементы современного солевого состава.
Рис.2.1. Типичная обстановка в атмосфере (вверху) и на поверхности Земли 4 млрд. лет назад по представлениям современных исследователей ее истории. Общая площадь гидросферы, включая моря, океаны, озера, реки, водохранилища, болота, составляет более 380 млн. км2 или 75% поверхности Земли. Ледники покрывают14-16 млн. км2 или 11% суши. Моря и океаны занимают361.2 млн. км2(70.8%), озера и реки – 2.3 млн. км2 (1.7%), болота – около 3 млн. км2(2%), а водохранилища – 0.4 млн. км2(0.5%) поверхности Земли). Верхняя граница гидросферы располагается на высоте около 300 км и практически совпадает с верхней границей атмосферы. Полагают, что на больших глубинах (до 60 км, а под зонами разломов в океане – до 100 км) вода из мантии поступает в астеносферу в виде летучих гидридов щелочных металлов и легкоплавких силикатов, которые затем дегидратируются в пары воды и задерживаются (дренируются) в зонах океанических разломов. Так в природе формируется подстилающая, «дренажная оболочка» или нижняя граница гидросферы. Мощность ее под материками достигает 12-15 км, а под океанами - 3-5 км. Все воды, содержащиеся в пределах этих границ, под влиянием солнечной радиациии силы притяжения (гравитации) участвуют во влагообороте Земли, обновляясь в атмосфере за 8 дней, в руслах рек – за 10-20 суток, в почве – за один год, в озерах – за 7-10 лет. В океанах вода обновляется за 3000 лет, для воды, законсервированной в ледниках, этот цикл составляет 8-16 тыс. лет (в Центральной Антарктиде – 200 тыс. лет). Подземные воды в зоне активного водообмена (0.3-0.5 км) обновляются тысячи лет, в зоне замедленного водообмена (до 1.5-2 км) - за десятки и сотни тысяч лет, а глубже 2-5 км в зоне пассивного водообмена - за миллионы лет (рис.2.2).
Общее количество воды в гидросфере Земли в слое от 300 км над поверхностью до 60-100 км в коре планеты по оценкам разных авторов составляет около 3.3 ´1018 тонн, или 3.3 млрд.км3. В недрах мантии Земли до глубин 2700 км может содержаться еще от 3 до 28 млрд. км3 воды. 1). Подземные грунтовые (до 0.1 км) и поровые воды (до 1.5-2 км) находятся в жидкой фазе в количестве 66-100 млн. км3 и имеют питание из поверхностных вод и вод атмосферы. В земной коре на глубинах > 5-10 км вода имеет преимущественно эндогенное происхождение. Здесь при температуре 3740С (для пресной) и 4250С (для насыщенных растворов), давлении > 218 атм молекулы воды приобретают скорость газовых, сохраняя плотность жидкости. Это состояние жидкости называют водяной плазмой. По современным (1998 г.) оценкам в слое от 5-10 до 20-25 км гипотетически содержится 1.3 млрд. км3 воды, а в слое 25-70 км ее не менее 0.6 млрд. км3. Из этих 1.9 млрд. км3 в гидросиликатах связано 713 млн. км3 влаги (в континентальной коре – 446, в океанической – 358 млн. км3), остальное – «плазма». 2). Поверхностные воды Земли располагаются от максимальных глубин океана (Марианский желоб, Тихий океан, 11022 м) до максимальных высот высокогорных снегов (Эверест, Б. Гималаи, 8848 м). Их суммарный объем составляет около 1400млн. км3. При этом в Мировом океане содержится 1370 млн. км3, в материковых ледниках – 24-30 млн. км3, в морских льдах - 4млн. км3, в снежном покрове – 1.3млн. км3 воды. В реках ее количество оценивается в 1.2 (за год 50) тыс. км3, в озерах – до 275 тыс. км3, в болотах – 10-12 тыс. км3, а вводохранилищах - 6 тыс. км3. 3). Запас влаги в атмосфере (14 тыс. км3) составляет всего 0.0005% от ее общего количества в гидросфере. Вода здесь находится в виде пара, капельно-жидкой влаги (облака) и кристаллов льда. Таким образом, оценки конца ХХ начала XXI вв. подтвердили предположение В.И.Вернадского (1942 г.) о том, что содержание воды в недрах и на поверхности Земли примерно одинаково. При этом расчеты количества пресной воды в гидросфере планеты (2% от общего объема поверхностных вод), выполненные в середине прошлого века (1969 г.), совпадают с современными (2.6%).
Таблица2.1. Мировой океан и его составные части
Площадь (тыс.км2) | Объем вод (тыс.км3) | Максимальная глубина (м) | ||||||||
| Тихий |
178684 | 707100 | 3980 (сред)/11022 | ||||||||
| 1. Берингово | 2315 | 370.6 | 5500 | ||||||||
| 2. Охотское | 1603 | 131.6 | 3521 | ||||||||
| 3. Японское | 1062 | 163 | 3720 | ||||||||
| 4. Желтое | 416 | 16 | 106 | ||||||||
| 5. Восточно-Китайское | 836 | 263 | 2719 | ||||||||
| 6. Филиппинское | 5726 | - | 10265 | ||||||||
| 7. Южно-Китайское | 3537 | 3928 | 5560 | ||||||||
| 8. Сулу | 335 | - | 5576 | ||||||||
| 9. Сулавеси | 453 | - | 5914 | ||||||||
| 10. Моллукское | 274 | - | 4970 | ||||||||
| 11. Банда | 714 | 7440 | |||||||||
| 12. Ново-Гвинейское | 338 | 60 | 4164 | ||||||||
| 13. Флорес | 115 | 432 | 5121 | ||||||||
| 14. Саву | 105 | 178 | 3475 | ||||||||
| 15. Яванское | 552 | 20 | 1272 | ||||||||
| 16. Хальмахера | 75 | - | 3225 | ||||||||
| 17. Коралловое | 4068 | 11470 | 9174 | ||||||||
| 18. Тасманово | 3336 | 10960 | 6015 | ||||||||
| 19. Росса | 440 | - | 2972 | ||||||||
| 20. Амундсена | 98 | - | 585 | ||||||||
| 21. Беллинсгаузена | 487 | - | 4115 | ||||||||
| Атлантический |
91655 | 329700 | 3597(сред)/8742 | ||||||||
| 22. Лабрадор | 841 | - | 4316 | ||||||||
| 23. Саргасово | 6000-7000 | - | 7110 | ||||||||
| 24. Карибское | 2777 | 6745 | 7090 | ||||||||
| 25. Средиземное | 2505
| - | 5121 | ||||||||
| 26. Альборанское | 53 | - | 2407 | ||||||||
| 27. Балеарское | 86 | - | 2132 | ||||||||
| 28. Лигурийское | 15 | - | 2546 | ||||||||
| 29. Тирренское | 214 | - | 3830 | ||||||||
| 30. Ионическое | 169 | - | 5121 | ||||||||
| 31. Адриатическое | 144 | - | 1230 | ||||||||
| 32. Эгейское | 191 | - | 2561 | ||||||||
| 33. Мраморное | 12 | 4 | 1273 | ||||||||
| 34. Черное | 422 | 555.3 | 2210 | ||||||||
| 35. Азовское | 39 | 0.3 | 15 | ||||||||
| 36. Каспийское* | 376 | 78 | 1025 | ||||||||
| 37. Аральское** | 66 | 1064 | 69 | ||||||||
| 38. Северное | 565 | 54 | 725 | ||||||||
| 39. Балтийское | 419 | 20.3 | 470 | ||||||||
продолжение таблицы 1
| ОКЕАН | МОРЕ | Площадь (тыс.км2) | Объем вод (тыс.км3) | Максимальная глубина (м) |
| Индийский | 76174 | 282600 | 3711(сред)/7729 | |
| 40. Аравийское | 4832 | 14513 | 5803 | |
| 41. Красное | 460 | 182 | 3039 | |
| 42. Рисер- Ларсена*** | 1138 | - | > 3000 | |
| 43. Космонавтов*** | 698,6 | - | 4798 | |
| 44. Содружества*** | 260 | - | > 3000 | |
| 45. Дейвиса*** | 21 | - | 1369 | |
| 46. Моусона*** | 333,3 | - | > 1000 | |
| 47. Дюрвиля*** | - | - | 3610 | |
| 48. Тиморское | 432 | 3310 | ||
| 49.Арафурское | 1017 | - | 3680 | |
| 50. Андаманское | 605 | 660 | 4507 | |
| Сев.Ледовитый | 14788 | 18000 | 1220(сред)/5527 | |
| 51. Баффина*** | 530 | - | 2414 | |
| 52. Линкольна*** | 38 | - | 582 | |
| 53. Гренландское | 1195 | 2408 | 5527 | |
| 54. Норвежское | 1340 | 2408 | 3970 | |
| 55. Баренцево | 1424 | 267.9 | 600 | |
| 56. Белое | 90 | 4.4 | 350 | |
| 57. Карское | 883 | 101 | 600 | |
| 58. Лаптевых | 662 | 363 | 3385 | |
| 59. Восточно- Сибирское | 913 | 60.7 | 915 | |
| 60. Чукотское | 595 | 45.4 | 1256 | |
| 61. Бофорта*** | 481 | - | 3749 | |
| Мировой океан | 361302 | 1336100 | 3709 |
· - при уровне 28 м; ** - при уровне 53 м; *** - большая часть покрыта льдами.
В Тихом океане выделяют 5 крупных заливов: Аляска (А), Анадырский (Б), Калифорнийский (В), Сиамский (Г) и Карпентария (Д), а пролив один – Берингов (Е). В Атлантике выделяются заливы: Святого Лаврентия (Ж) и Фанди (З), Мексиканский (И), Гвинейский (К), Бискайский (Л), а также проливы: Дрейка (М), Ла-Манш (Н), Босфор (О), Гибралтар (П), Скагеррак (Р), Каттегат (С), Эрессун (Зунд), Большой и Малый Бельт (С).
В Индийском океане тоже 5 наиболее крупных заливов – Бенгальский (Т), Оманский (У), Персидский (Ф), Аденский (Х), Большой Австралийский (Ц), а проливы – Баб-эль-Мандебский (Ч) и Мозамбикский (Ш).
Наибольший залив Северного-Ледовитого океана – Гудзонов (Щ), а Канадский Арктический архипелаг, соединяющий Арктический бассейн с морем Баффина и Гудзоновым проливом, включает систему островов, разделенных 16 крупными проливами.
Максимальная глубина самого широкого и глубокого пролива Дрейка составляет 5248 м, ширина - 1120 км. Самый длинный Мозамбикский пролив тянется на 1670 км. Самый узкий проливБосфор имеет минимальную ширину всего 700 метров, а глубина самого мелкого Керченского пролива в судоходной части не превышает 10 м.
|
|
Название самого большого на земном шаре Тихого океана (178.68 тыс. км2) можно рассматривать как чистую случайность – не такой уж он и «тихий». Просто в октябре-ноябре 1520 года, когда истерзанные корабли Магеллана, после почти месячного светопредставления в проливе между патагонским берегом и Огненной землей вошли, наконец, в зону более менее приличной погоды – это событие показалось морякам благом и вызвало бурю положительных эмоций, вылившуюся в эпитеты «мирный», «тихий». Значительно более справедливым и точным было первое название этого океана, данное ему конкистадором Бальбоа в 1513 г. – это действительно Великий океан. Но морские историки и географы отдали предпочтение более эмоциональному термину.
Второй по величине океан нашей планеты своим названием, данным ему в 1507 г. картографом из Лотарингии Вальдземюллером, обязан, очевидно, «атлантам» - жителям мифической Атлантиды, которая по описаниям 348 года до н.э., сделанным Платоном в своем диалоге «Критий, или Атлантида», находилась недалеко от Геракловых столбов в море Тоталь – так греки еще во времена мудреца Солона (между 640 и 635 – ок. 559 г. до н.э.) называли Атлантический океан. В более поздние времена до начала XVI века Атлантика была просто Западным океаном.
Индийский океан, занимающий третье по величине место среди океанов Земли, для древних мореходов финикийцев, греков, арабов, был то Эритрейским, то Южным морем. Средневековые же мореплаватели – испанцы, португальцы, голландцы, чаще называли его Восточным и Индийским морем. С 1550 г., после выхода в свет труда Себастьяна Мюнстера (1489-1552) «Космография» он получил свое современное название.
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЗЕМЛИ
Из общего количества радиации, посылаемой Солнцем к внешним границам земной атмосферы, часть (31%) отражается, часть (23%) поглощается воздухом, большая часть (46%) достигает Земли и нагревает ее поверхность. Излучая полученное солнечное тепло, земная поверхность в свою очередь обогревает прилегающие слои атмосферы (рис.2.2). Получается, что Солнце нагревает атмосферу Земли снизу, посредством подстилающей поверхности суши. Этот процесс носит зональный характер, так как экваториальная зона прогревается более интенсивно, чем полярная. Так формируются климатические широтные пояса на суше.
Величина среднегодовой суммарной солнечной радиации, поступающей на Землю и определяющей испарение ее поверхностных и грунтовых вод, изменяется в зависимости от широты от 80 до 280 ккал/ см2 в год. Вместе с тем, ее поток на экваторе значительно снижается из-за увеличения облачности.
Рис. 2.2. Распределение (%) потоков длинноволновой и коротковолновой радиации в атмосфере.
Интенсивность прогрева и величина испарения воды с поверхности Мирового океана также определяется изменениями уровня солнечной радиации, но в отличие от атмосферы, океан нагревается не снизу, а сверху. Вся его энергия зависит от интенсивности потоков тепла и света в поверхностные водные слои, а также характера их преобразования с ростом глубины. Поверхность океана получает в среднем 295 кал/см2 тепла в сутки. Из них 42% уходит в атмосферу в процессе контактного теплообмена, 51% теряется при испарении и только 7% остается в океане. Однако и этого, остающегося тепла, в низких и средних широтах оказалось бы достаточно для повышения температуры поверхностного слоя за сутки на 70С, если бы оно не перераспределялось течениями и не проникало бы в глубинные слои в результате вертикального перемешивания.
|
|
Поверхностный метровый слой океана поглощает 62% солнечной радиации. На расстоянии 5-6 м от поверхности поток тепловой энергии уменьшается в 30-70 раз, а 10-20 метровых глубин она практически не достигает. Достаточно сказать, что теплосодержание верхнего 3-х метрового слоя Мирового океана эквивалентно количеству тепла, содержащемуся во всей земной атмосфере. Мощность такого аккумулятора огромна. Известно, например, что в тропических морях контрасты температур между поверхностным 100-метровым и глубинными слоями достигают 20о. Только за счет этой разности тропические моря представляют собой энергетическую установку, мощность которой в 10 раз превышает годовое производства электроэнергии во всем мире!
Среднегодовая температура поверхности всего Мирового океана составляет 17.820С – на 3.60 выше, чем средняя температура воздуха у поверхности Земли. В самом теплом из океанов – Тихом, она равна 19.370С, в Индийском – 17.85 С в Атлантическом – 17.58 С, а в Северном Ледовитом – минус 0.750С. Самая низкая температура воды на поверхности океана - минус 2 0С, самая высокая - +360С (рис.2.3).
Рис.2.3. Распределение среднегодовой температуры воды на поверхности Мирового океана.
Средняя температура всей толщи Мирового океана от поверхности до 4000 м (без Северного Ледовитого океана) равна 3.80С. В Тихом океане этот показатель составляет 3.70С, в Атлантическом – 4.2 С и в Индийском – 3.80С. Даже на экваторе средняя температура столба воды от поверхности до дна океана составляет всего 4.90С. При этом толща вод северного полушария в среднем на 20С теплее южного. Средний объем морского льда в океане составляет 4-5´104 км3, а объем льда, образующегося ежегодно - 3´104 км3.
КРУГОВОРОТЫ ВОДЫ В ПРИРОДЕ
В ходе развития представлений о природе воды на Земле, исследователи «всех времен и народов» были единодушны во мнении, что эта жидкость обладает удивительным даром «настоящего географа» постоянно «путешествовать» - совершать круговороты.
Над нашей планетой влага оказывается в результате глобального круговорота воды, который происходит под влиянием солнечной радиации и силы тяжести. При этом оказываются задействованы несколько физических процессов: испарения; конденсации; горизонтального переноса частиц воды ветром; горизонтальный влагоперенос на суше (сток речных, поверхностных, подземных вод); выпадения частиц воды (снега) в виде осадков и просачивания (инфильтрации) воды в почву под влиянием гравитации; поглощения корнями растений влаги из почвы; испарения влаги с поверхности растений – транспирация (от лат. trans и spiro - дышу, выдыхаю). В результате, классифицируя содержание и формы движения влаги на планете, выделяют круговороты: атмосферный, атмосфера-литосфера, поверхность литосферы, литосфера-земные недра, недра литосферы. С позиции форм движения материи можно обнаружить круговороты: механический (морские течения, реки, облака, ледники и т.д.), физический (изотопы), физико-химический (сорбция, гидратация), химический (синтез молекул), биологический (обмен веществ), технический (хозяйственная деятельность человека).
Мировой круговорот (или гидрологический цикл) - глобальный планетарный процесс непрерывного перемещения воды с фазовыми переходами (испарение, конденсация, замерзание) под воздействием солнечной энергии и гравитационных сил, охватывающий гидросферу, атмосферу, литосфер и биосферу, сопровождающийся обменом энергией и веществом между разными оболочками Земли.
Единство гидросферы обусловленное общностью происхождения всех природных вод из мантии Земли, проявляется также и в постоянном водообмене между отдельными ее компонентами в процессе перехода из одного состояния в другое в системе глобального гидрологического цикла (рис.2.4).
В Мировом (большом) круговороте воды, кроме вод океана и атмосферы, принимают участие воды суши. В двух малых круговоротах воды участвуют только воды суши и атмосферы (континентальный круговорот) и воды океана и атмосферы (океанический круговорот) (рис.2.5). Если бы вдруг в течение года Мировой океан не стал получать пресную воду в виде осадков и континентального стока, то в результате только испарения за это время его уровень мог бы снизиться более, чем на 1 м. С поверхности океанов влаги испаряется в 7 раз больше, нежели с поверхности суши, а осадков над океаническими акваториями выпадает в 4 раза больше, чем над материками.
Рис.2.4. Глобальный круговорот воды
Рис.2.5.Континентальный и океанический круговороты и водный баланс Земли
ВОДНЫЙ БАЛАНС ЗЕМЛИ
Количественным воплощением круговоротов воды является водный баланс Земли, представляющий структуру и объемы его отдельных частей. Для условий закрытой термодинамической системы - постоянства общей водной массы на поверхности Земли и неизменной емкости океанических и морских впадин уравнения водного баланса для малых континентального (1) и океанического (2) круговоротов имеет вид:
Е1= P 1 + R и Е2= P 2 + R, где
Е1 и Е2 – испарение с поверхности суши и поверхности океана; P 1 и P 2 – осадки над континентами и океаном; R – речной, подземный и другие виды стока (ледниковый).
Для всего земного шара в целом существует один источник притока воды – атмосферные осадки и один источник ее расхода – испарение. За год меньше всего воды испаряется с поверхности Северного Ледовитого океана (75 мм), а больше всего – с северо-западной части Атлантики (3200 мм). Это связано со значительными различиями в количестве тепла, поступающего на поверхность океанов, и ветровых режимов над их акваториями. Наибольшее количество осадков получает экваториальная зона океана – в среднем 1600, а в отдельных случаях более 3200 мм в год. В тропических областях их количество составляет менее 50 мм в год.
По данным различных авторов ежегодно во влагообмене на нашей планете участвует от 517 до 577 тыс. км3 воды – всего 0,04% от ее общих запасов. При этом с поверхности морей и океанов испаряется 456-505, а с поверхности суши – 62-72 тыс. км3 воды. В виде осадков в океан возвращается 412-458, на сушу – 106-119 тыс. км3 влаги. Подземным путем (2.4 тыс. км3), из ледников (0.3 тыс. км3) и по рекам океан получает еще 44-47 тыс. км3 воды в год. Продолжительность полного цикла в системе океан – атмосфера, если его рассматривать как отношение объема воды в Мировом океане к скорости испарения с его поверхности, составляет 4000 лет.
Континентальный и морской круговороты обеспечивают довольно быстрое возобновление запаса пресных вод в атмосфере (8 дней), руслах рек (10-20 суток) и озерах (7-10 лет), в почве (один год). В океанах же вода обновляется за 3000 лет, подземные воды Земли до глубины 5 км - за 5000 лет, а для воды, законсервированной в виде ледникового льда этот цикл составляет по расчетам разных авторов 8-16 тыс. лет.
В середине ХХ века было высказано предположение о том, что наша планета является не замкнутой, а открытой термодинамической системой - «объем воды в океане не оставался одинаковым, а должен был нарастать от более ранней геологической эпохи к более поздней; именно нарастание, а не колебание объема то в сторону увеличения, то в сторону уменьшения количества воды – главный планетарный процесс эволюции водной массы океана»
Согласно современным представлениям, вода на Земле имеет внутрипланетарную природу. Она является продуктом эволюции протопланетарного вещества, выделившись из Земли в процессе разогрева, плавления и дифференциации (дегазации) ее мантии. Согласно мнению отечественных и американских ученых 1950-1970-х гг. объем такой, «изгнанной» из земных недр воды, может достигать 2-3 млрд. км3. По этим же оценкам основная масса гидросферы сформировалась к началу палеозоя (570 млн. л.н.), но постоянный приток мантийных вод продолжается и сегодня со скоростью 1 мм в 1000 лет. Запасы же воды в мантии и коре Земли по оценкам тех лет в 1000 раз превышают ее количество в гидросфере планеты (по современным оценкам – около 30 млрд. км3 , превышение составляет 25 раз). В базальтовых породах мантии, например, содержится 5-7% воды. После ее дегазации при вулканической деятельности, выветривании пород, выходе ювенильных вод из рассолов на дне океана, гидросфера может получать до 7% воды из недр планеты в виде водяного пара или в жидкой фазе. При этом также предполагалось, что столько же воды «должно уходить в космическое пространство в процессе фотолиза (см. рис.2.4). Таким образом, При таких условиях общее уравнение водного баланса Земли принимает вид:
P + R + T - E - F = N (N > 0), где
T - эндогенное поступление воды; F - потери воды на фотолиз (разложение в высоких слоях атмосферы молекул воды под действием солнечного излучения на более тяжелые молекулы кислорода, возвращающиеся в атмосферу и легкие молекулы водорода, уходящие в космос).
Полвека назад авторы такого заключения признавали, что «мы не можем привести каких-либо цифр, характеризующих соотношение между приходом воды из недр Земли и ее выносом в космическое пространство». Но в конце 1980-х гг. были обработаны результаты многолетнего морского глубоководного бурения (1968-1989 гг) американского судна «ГломарЧеленджер» (600 скважин), обнаружившие в осадках и базальтах дна Атлантического, Индийского и Тихого океанов мелководные разновозрастные (от 140 до 5 млн. лет) образования на глубинах 300-1000 м ниже дна или 1800-5000 м ниже уровня моря (186 скважин), являющиеся «бесспорным свидетельствомграндиозного опускания дна этих океанов за прошедшие 70-140 млн. лет». Его рассчитанная скорость составила 0.605 мм/год, а так как катастрофического осушения континентов за это время не произошло, то автор оценок полагает, что в это время такой же была и скорость поступления эндогенных вод. Таким образом, получается, что за последние 60 млн. лет на поверхность планеты из ее недр поступило 2.2 млрд. км3 воды из которых 0.1млрд. км3 ушел на увлажнение морских осадков и биосферы, а 0.5млрд. км3 – разница с современным объемом гидросферы, как полагает В.В.Орленок, утрачена при фотолизе (7.2 км3/год).
Согласно гипотезе открытого гидрологического цикла, современный рост (1.5 мм/год) уровня вод Мирового океана определяется в основном не потеплением климата (таяние снегов и ледников) – этот фактор дает только 0.7 мм/год, а эндогенным поступлением воды с продуктами вулканизма и в других формах (0.78 мм/год или 37 км3). Указанные факторы, оказываясь по порядку ежегодного вклада в Мировой круговорот воды весьма незначительными, в геологическом масштабе времени оказываются определяющими при оценке общей направленности эволюции земной гидросферы.
Причина наблюдаемого сегодня роста уровня Мирового океана со скоростью 1.5 мм/год, что соответствует ежегодному увеличению объема его вод на 540 км3, с позиций гипотезы замкнутого гидрологического цикла состоит в сокращении водных запасов континентов – на 67% вследствие уменьшения массы ледников, 22% за счет падения уровня подземных вод и на 10% за счет сокращения объема вод бессточных озер.
Рис.2.6. Зависимость удельной теплоемкости воды и окиси железа от температуры. -
В отличие от окиси железа, при нагревании воды от 0 до 36,6°С ее удельная теплоемкость уменьшается и только потом растет как у «нормальных» жидкостей.
У других теплокровных млекопитающих пределы нормальных температур несколько шире - от 32 до 39°С.Именно при температуре тела 36,6°С человек и другие млекопитающие оказываются в состояние гомеостаза (равновесия) – могут совершать максимум работы при минимальных затратах энергии.
II. Теплоемкость воды в 5-30 раз выше, чем у других веществ (кроме водорода и аммиака).
Благодаря этой аномалии:
· Нормальная температура тела человека, при отсутствии в организме воспалительных процессов, остается постоянной и в палящий зной и в лютый холод.
· При одинаковом потоке солнечной энергии вода нагревается в 5 раз медленнее, чем песок на пляже, но при этом она во столько же раз дольше, чем песок, сохраняет тепло. По этой причине в природе возникают переменные суточные – бризовые, и межсезонные – муссонные, ветры между сушей и морем.
· Зимний климат Скандинавии и северо-западных районов Европейской территории России, несмотря на их близость к Северному полюсу, очень мягкий. Единственный незамерзающий порт России за Полярным Кругом – Мурманск. Среднемесячная температура января здесь составляет –100С, а в Верхоянске, лежащем значительно южнее по широте, но удаленного от теплых вод Атлантики, она ниже на 390С (!).
·.Среднегодовая температура поверхности всего Мирового океана составляет 17.820С – на 3.60 выше, чем средняя температура воздуха у поверхности Земли.
· Средняя температура толщи вод Мирового океана (до 4000 м) в южном, более океаническом, полушарии на 2°С ниже, чем в северном, так как максимум солнечной радиации – «термический экватор», по причине ассиметричного расположения материков, проходит севернее географического экватора (рис.2.7).
Рис.2.7. Термический экватор Землирасположен севернее географического экватора по причине преобладания материков в северном полушарии.
·Объем льда в южном полушарии примерно в 9 раз больше, чем в северном. Его
толщина на Антарктическом континенте достигает 3.7 км, а запас (26.7 млн. км3)
составляет 76% от общего объема льда на нашей планете (35 млн. км3).
III).У водывысокая (80 кал/г) скрытая удельная теплота плавления. Благодаря такой физической особенности воды наша планета застрахована от климатических катастроф –затопления или замерзания после резких кратковременных (30-50 лет) потеплений и похолоданий, так какбольшой объем воды трудно быстро заморозить, а огромные ледники тают достаточно медленно (фото.2.1).
Рис.2.3. Когезия - способность самоуплотняться, образуя плотную пленку поверхностного натяжения- одно из удивительных физических свойств воды
Такое явление называется когезия (лат. cohaesus – связанный, сцепленный). Самая плотная пленка поверхностного натяжения - у ртути. Чтобы ее разорвать нужно приложить усилие 500 дин/см. А вот на втором месте по этому показателю среди жидкостей стоит вода (72 дин/см). У спирта, ацетона, бензина величины поверхностного натяжения (22, 24 и 29 дин/см соответственно) почти в три раза ниже, чем у воды.
Последствия:
· Вода может удерживать на своей поверхности тела в 8 раз (!) тяжелее себя.
· Для разрыва столбика чистой воды диаметром 2.5 см нужно приложить усилие 95 тонн (!). Прочность же столбика реальной (не совсем чистой) воды сечением всего 6.5 см2 равна прочности стали – для его разрыва, нужно приложить усилие в 1 тонну (!).
VIII. Прилипание. Способность воды вопреки силам гравитации, подниматься вверх без видимой причины по капиллярам (узким стеклянным трубкам) называется адгезия (лат. adhaesio – прилипание). Молекулы воды не только самоуплотняются в пограничном с воздухом слое, но и смачивают стекло капилляра, прилипая к его поверхности и образуя известный нам вогнутый мениск (от греч. mēnískos — полумесяц) (рис..2.10).
Рис.2.10. Адгезия - способность воды прилипать к стенкам из стекла - определяет «вогнутость» ее мениска в капилляре.
Ртуть – несмачивающая жидкость, свойством прилипания не обладает, поэтому мениск у ртутных термометров не вогнутый, а выпуклый.
Экологические последствия:
· При температуре 15°С высота капиллярного подъема в крупном песке в течение 5-10 суток может составить 2 м., а в глине – 12 метров за 16 месяцев. Аридные (засушливые) зоны, таким образом, обеспечиваются грунтовыми водами.
· По капиллярам корней и стволов растения и деревья получают воду из почвы (фото.2.4).
· Некоторые ящерицы пьют воду не ртом, а через поверхность кожи, состоящую из множества капилляров (фото.2.5).
Рис.2.5. Ящерица молох или «колючий дьявол» впитывает воду системой мелких кожных складок и за счет капиллярной активности направляет ее в рот.
IX.Динамическая вязкость (внутреннее трение). У воды изменение вязкости при изменениях условий среды также отличается от других жидкостей. При повышении температуры от 0 до 100°С этот показатель снижается более, чем в 6 раз (у ртути – всего в 1.4 раза), а вязкость водяного пара в 180 раз меньше, чем у воды при той же температуре.
Повышение давления при температурах ниже 300С, опять же - в отличие от “нормальной” материи, уменьшает вязкость воды и увеличивает ее при температурах выше 300.
