Структура и динамика гидросферы. Важнейшие Экологические проблемы, связанные с состоянием гидросферы земли.

 

Гидросфера - прерывисто-непрерывная водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и литосферой; совокупность океанов, морей, континентальных водоемов и ледяных покровов. Гидросфера сплошь покрывает около 70,8% поверхности Земли. Объем ее 1386,0 млн км³, или примерно 1/800 объема планеты. 96,5% массы гидросферы сосредоточена в Мировом океане, 1,74% - в материковых льдах.

Состав гидросферы определяется прежде всего, химическим cоставом воды: 11,19% водорода и 88,81 % кислорода. Средняя соленость океанской воды составляет 35,00%_°. Большую часть растворенных солей составляет хлористый натрий (78%) и хлористый магний (11%), или, в соединениях, - 88,6% приходится на хлориды, 10,8% - на сульфаты и 0,34% - на карбонаты.

По В.И. Вернадскому, постоянство солевого состава океанической воды имеет фундаментальное значение. Это константа нашей планеты.

Выделяется три типа распределения концентрации элементов: консервативный (постоянные пространственно-временные содержания), б иогенный (содержания элементов в водах уменьшаются в связи с их потреблением растительными организмами) и литогенный (определяемый выведением их в осадок).

Характерной особенностью гидросферы является непрерывность и многообразие сложнейших процессов трансформации вещества и его вывода из водной среды. Важной является выявление закономерностей перераспределения концентраций элементов между всеми фазами: твердой, жидкой и газообразной. Сбалансированность скоростей поступления вещества и его трансформации является главной причиной его относительного постоянства в морской воде.

Мировой океан обладает весьма сложной внутренней структурой, определяемой составом вод, их стратификацией, движениями водных масс и особенностями их циркуляции.

Верхняя сфера ( 0 - 200-300 м) - наиболее подвижная часть морских вод, которая характеризуется интенсивной конвекцией, максимальной светопроницаемостью, крайней неравномерностью распределения температур.

Выделяется 4 слоя.

Верхний из них - пленочный, толщиной менее 1 мм. Но это фронт солнечного облучения, ударов воздушной среды, поверхностного молекулярного и механического (в капельном состоянии при ударах ветра) испарения.

Приповерхностный слой (до глубины 10-40 м) - слой, который активно реагирует на погодные условия и волнения. Для него характерны микроциркуляционные системы, имеющие антициклонический и циклонический вихревой характер. Диаметр подобных систем от 200 м до 30 км.

Слой «скачка температур» (термоклин) отмечает резкое изменение температурного режима вод от верхних нагретых к водам не прогреваемым Солнцем.

Нижний слой - интервал проникновения сезонной циркуляции и изменчивости температур. Это сфера действия мезоциркуляционных систем перемещения водных масс в сфере диаметром от 50 до 200 км.

Промежуточная сфера стратифицированных вод океана простирается до глубин 1500-2000 м. Ее воды формируются из поверхностных. Они уплотнены и охлаждены. И перемещаются обычно в горизонтальных направлениях, преимущественно с зональной составляющей.

Глубинная сфера находится примерно в 1000 м от дна. Считается наиболее гомогенной.

Придонная сфера имеет мощность около 1000 м. Воды ее формируются в холодных поясах - Арктике и Антарктике и перемещаются по глубоким котловинам и желобам.

Глубинная и придонная зоны составляют 64% объема океана.

Таким образом, функционирование гидрогеологического звена идет в двух взаимопротивоположных направлениях: фиксируется относительно устойчивая динамическая структура океана и, одновременно, идет разрушение этих структур с выравниванием градиентов физико-химических свойств морской воды.

Неравномерный нагрев Земли Солнцем формирует барические центры атмосферных минимумов и максимумов, а затем систем атмосферной циркуляции. Неравномерное поле ветра порождает систему дрейфовых течений, которая, сочетаясь с действием отклоняющей силы Кориолиса, определяет основную картину циркуляции поверхностных вод.

На динамику океанических вод накладываются термодинамические явления (солевой и тепловой баланс). Перенос тепла с океаническими течениями достаточно хорошо известен. Однако, следует подчеркнуть, что он достаточно изменчив и во времени.

При постоянном перемещении водных масс они сходятся (конвергируют) и расходятся (дивергируют). То есть существует и вертикальное перемешивание вод.

Важное значение имеют восходящие (апвеллинг) и нисходящие (даунвеллинг) прибрежные морские течения, имеющие, как теперь достаточно достоверно установлено, важное экологическое значение.

Деградация вод и разрыв системы река-море. В деградации - ухудшении качества вод особенно велика роль антропогенной составляющей. Главный пользователь пресной воды - ирригация (65% забираемых в мире вод). Доля промышленности около 25%. 10% приходится на коммунальные системы водоснабжения. Вклад источников загрязнения Мирового океана оценивается так: сток загрязнений с суши, выпадение из атмосферы, транспортные и прочие источники на море. Воды могут быть загрязнены патогенами, органическими и механическими взвешенными веществами, а также нефтепродуктами и металлическими компонентами. Около 80% заболеваний связано с некачественной водой. 1 млрд. людей не обеспечено чистой питьевой водой, и столько же канализацией.

Сливами нефти загрязнено до 1/3 акваторий морей. Нарушена и разрушается связь реки-водоемы и в том числе реки-моря. Большой разбор вод на ирригацию и другие нужды приводит к резкому снижению водности рек в их приустьевой части, и даже полному разрыву, как это случилось с Аральским морем, превратившимся в умирающие соленые и токсичные остаточные водоемы. Происходит в значительных масштабах засоление речных вод морскими по тем же причинам, включая подземные артезианские воды при их сверхинтенсивной эксплуатации.

Сохранение пресных качественных вод на Земле - одна из самых актуальных глобальных проблем жизнеобеспечения.

Асидификация водоемов. Асидификация для природных вод означает достижение кислотности рН равной или меньшей 5. Масштабы этого явления для озерных сред отдельных регионов приобрели массовый характер.

Так, в Швеции из 85000 озер 4000 значительно асидифицированы, а 18000 периодически подкислены. Асидифицированы некоторые озера в Канаде, США, Великобритании, Германии, Нидерландах, Австрии, Швейцарии, то есть закисление вод приняло субконтинентальный характер.

Биологические процессы в пресных водоемах оптимальны при рН 6-8. В озерах восточной Канады и Скандинавии при рН равном 6 исчезают ракообразные, насекомые, некоторые водоросли, зоопланктон. Рыбные популяции исчезают при рН до 5, а ниже этого значения ограничивается и продукция земноводных. Контрмерой является известкование водоемов.

Адвентивный перенос. Под адвекцией понимается загрязнение вод течениями (морскими), на что до недавнего времени практически не обращалось внимание. Однако даже радиоактивное загрязнение арктических морей у Новой Земли показывает их чрезвычайно важную роль.

Учитывая, что динамика океанических вод чрезвычайно сложна, что имеется целый ряд систем восходящих течений, следует больше внимания придавать возможности циркуляции вод из глубоких морских впадин, которые в связи с этим вряд ли являются надежными депонаторами захороненных там радиоактивных контейнеров и сосудов с высокотоксичными компонентами.

Феномен Эль-Ниньо. Климатическая ситуация данного региона определяется Перуанским холодным течением (Гумбольдта), выносящим воды из Антарктики вдоль западных берегов Южной Америки до Галапогосских островов (на экваторе).

Пассаты, пересекая высокогорный барьер Анд, оставляют влагу на их восточных склонах. Западное побережье - это сухая каменистая пустыня. Пассаты вновь набирают влагу и переносят ее на западные берега Тихого океана. Эти ветры определяют и преобладающее западное направление поверхностных течений, вызывающих нагон воды в западной части Тихого океана, которые разгружаются противопассатным течением Кромвеля. В связи с Перуанским течением в прибрежных перуанско-чилийских водах на площади в доли процента от площади Мирового океана добыча рыбы (в основном анчоуса) превышает 20% общемировой. Обилие рыбы определяет колоссальные скопления рыбоядных птиц: бакланов, олуш, пеликанов. На птичьих базарах образуются огромные количества гуано - ценного N-P удобрения.

В годы Эль-Ниньо ситуация меняется. Температура вод повышается на несколько градусов. Наступает массовая гибель и уход рыбы, из-за снижения содержания растворенного кислорода. Исчезают птицы. Наступает кризис рыбной промышленности. Атмосферное давление в восточной части Тихого океана падает. Воздушные потоки меняют направление (с запада на восток). Они уносят влагу из Западно-тихоокеанского региона и проливают дожди на восточные берега океана. У подножия Анд бушуют паводки, сели, наводнения. От страшной засухи выгорают тропические леса в Индонезии, на Новой Гвинее. Резко снижается урожайность сельскохозяйственных культур в Австралии и других странах Западно-Тихоокеанского региона. От Чилийских берегов и до Калифорнии развиваются «красные приливы», вызванные бурным развитием микроскопических водорослей, из-за обилия которых морские организмы - фильтраторы, например устрицы, становятся ядовитыми. Они вызывают пищевое отравление у людей.

 

Эвтрофикация вод.

Свое название это явление получило по высокой питательности вод, что зачастую связано с накоплением в водоемах биогенных веществ и, в первую очередь, N и Р. Часто это свидетельство глубоких антропогенных изменений в глобальных биогеохимических циклах этих компонентов, особенно в связи с сельскохозяйственной деятельностью с широким использованием минеральных удобрений. Оно уже затрагивает не только внутренние водоемы, но и прибрежные акватории морей. Прежде всего, это проявляется в «цветении вод» - широком развитии циановых водорослей, способных при их интенсивном развитии отравить воды выделяющими ими ядами, что резко сказывается на составе и количестве биоты.

Принципиальная направленность этого процесса – изменение круговорота органического вещества (ОВ), являющегося частью круговорота углерода. Одновременно эвтрофикация влечет и противоположный процесс - усиление минерализации ОВ и высвобождения C, N и P. При эвтрофикации водоемов усиливается интенсивность круговорота ОВ, возрастает скорость его продуцирования и деструкции, что определяется не только температурным фактором, но и высоким уровнем обеспеченности первичных продуцентов питанием. При ускорении круговорота ОВ в экосистеме может снизиться его запас и этим усиливается оборот питательных веществ и вынос их за пределы водоема - в атмосферу и речную сеть.

В глубинных водоемах водная толща не однородна: вверху находится зона фотосинтеза, внизу преобладают процессы деструкции ОВ. Поверхность дна изолируется оседающей органо-минеральной взвесью. Деструкция ОВ в подобных водоемах нередко даже превышает его продукцию и тогда в оборот биогенных элементов включается органическое вещество, которое ранее депонировалось в донные осадки.

В связи с этим идет переоценка эффективности действия многих гидротехнических систем в связи с негативными экологическими последствиями, но одновременно происходит еще и сооружение крупнейшего в мире водохранилища Три Ущелья на р. Янцзы в Китае и огромного Юго-Восточного Анатолийского гидрокомплекса в бассейнах рек Тигра и Евфрата в Турции.

Особенно это опасно в сочетании с засолением внутренних водоемов внутристочных областей и бессточных депрессий, которые занимают до 1/4 площади суши.