Гидросфера

Гидросфера (от греч. hydor — вода, spahaire — шар) — жидкая оболочка планеты. Человек, являясь сухопутным обитателем, воспринимает Землю прежде всего как сушу, однако при рассмотрении из космоса наша планета представляется планетой воды (рис.

7.13), ибо более 3/4 ее занимают водные поверхности океанов, морей, континентальных водоемов и ледников, причем 3/4 — это нижний предел величины, так как площадь, покрываемая гидросферой, существенно меняется и достигает в декабре — феврале 443 млн км2 (табл. 7.4) или около 87% поверхности Земли, равной 510 млн км2. «Как же не соответствует нашей планете имя Земля! Насколько правильнее было бы говорить — Океан» {Артур Кларк).
Зимой люди на значительной территории суши ходят «по колено» в твердой воде и, как все живое, не могут не учитывать наличие этой сезонной разновидности гидросферы в своей жизнедеятельности.

Рис. 7.13. Соотношение площади суши и водной поверхности на Земле: а — океаническое полушарие; б — материково-океаническое полушарие


Пары воды, благодаря своему обилию, — наиболее значимый природный парниковый газ. Однако при конденсации в облака роль паров воды становится диаметрально противоположной, ибо облака, отражая солнечное излучение, препятствуют нагреву поверхности Земли.
2 Фреон (от фр. — freon), русский синоним — хладон.
Таблица 7.4
Площадь, занимаемая гидросферой на поверхности Земли

Составляющие гидросферы	Площадь
	млн км2	%
Мировой океан (моря и океаны)	361,2	70,8
Оледенение	16,3	3,2 (-11% суши)
Озера и реки	2,3	1,7
Болота и сильно увлажненные земли	3,0	0,59
Прочие	-0,2	-0,04
Снежный покров (в декабре — феврале)	-60,0	-11,8
ВСЕГО	-443	-86,9

Понятие «гидросфера» включает все свободные воды Земли, которые не связаны химически и физически с минералами земной коры, т.е. могут двигаться под действием гравитационной силы либо теплоты. Гидросфера (табл. 7.5) состоит из всех океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников, снежного покрова, включает атмосферную и почвенную влагу, а также биологическую воду (например, в организме человека содержится около 70% воды).
Масса воды в гидросфере и ее составляющих
Таблица 7.5

Состав-	Масса воды • 1 0_3 млрд т*	Доля	, %	Время полного возобновления, лет	Условный,
ляющие гидросфе ры		запасов пресной воды	общей массы		слой на поверхности Земли, м
Мировой океан	1 370000		91,55	2600— 3000	2750
Подземные воды	100 000 (4000— 200 000)	—	6,68	-5000	200

Окончание таблицы 7.5

Состав-	Масса воды • 10~3 млрд т*	Доля, %		Время	Условный,
ляющие гидросфе ры		запасов пресной воды	общей массы	полного возобновления, лет	слой на поверхности Земли, м
в том числе пресные	4000	30,1	0,27
но-ледо- вые образования	26 000 (24 000— 30 000)	68,7	1,74	8000 — 10 000	60
Малые со-
ставляю-
щие:
озера	280 (175—750)	0,26 (прес ные)	lt;0,02	7 (прес ные)
почвенная	100	0,02	lt;0,01	0,9—
влага	(65—500)			1,0
болота	100	0,03	lt;0,01
атмосферная влага	14,0 (12,9 17,0)	0,04	lt; 0,001	0,027
реки	1,2(2,1)	0,006	lt; 0,0001	0,033 —0,22
Биологическая вода	1,1	0,003	lt; 0,0001
ВСЕГО	1 500 496,3	100	100	2800	3000

* Обычно, оценивая гидросферу, считают, что 1 т природной воды занимает объем 1 м3. Это неточно из-за колебаний солености и температуры морской воды, однако возникающая ошибка незначительна, а расчеты намного упрощаются. В скобках указаны иные оценки массы.
Количество воды в океане, основной составляющей гидросферы, не строго постоянно. Уровень океана за время его существования неоднократно падал на 120—150 м ниже современного, и тогда шельф становился сушей, а континентальный склон местами обнажался. «Ушедшая» вода накапливалась на
суше ледяными горами, подобными тем, что сейчас существуют в Антарктиде и Гренландии. В периоды оледенения доля поверхности Земли, занятая Мировым океаном, сокращалась примерно на 5%. Тем не менее океан всегда преобладал над сушей.
Вода обладает рядом уникальных особенностей, отличающих ее от большинства других жидкостей, что накладывает отпечаток на строение и жизнедеятельность организмов: высокая универсальная растворяющая способность; поверхностное натяжение; скрытая теплота плавления льда (336 Дж/г); теплопроводность; диэлектрическая проницаемость; полярность молекулы; полная прозрачность в видимом участке спектра; наивысшая среди жидкостей и твердых тел удельная теплоемкость; аномально высокая для жидкости удельная теплота испарения (2263,8 Дж/г при 100 °С); способность испаряться и сублимироваться при любой температуре; малая сжимаемость; источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и донор ионов водорода в фотосинтетических реакциях; наличие максимальной плотности при +4 "С[45].

Морская вода, содержащая 3,5% солей, не имеет температурного максимума плотности, что является одним из ее важных отличий от пресной воды. Чем морская вода холоднее, тем тяжелее, вплоть до температуры -2 °С, когда в ней появляются кристаллы льда.
Следует подчеркнуть, что пресная вода, в отличие от большинства веществ при плавлении, сжимается, а при замерзании, наоборот, расширяется. Этим объясняется тот факт, что вода активно участвует в формировании облика поверхности Земли, разрушая материнские породы гор на мелкие частицы — первичный материал почвы. За миллионы лет вода уничтожает самые высокие горы, снося продукты их разрушения в пониженные места рельефа и вынося ручьями и реками в моря. Все реки планеты ежегодно выносят в моря и океаны около 20 млрд т твердых частиц, полученных при разрушении суши, и около 3 млрд т растворенных веществ. За год суша теряет 10—12 км3 горной породы и почвы. В целом на Земле поверхность суши понижается за счет разрушения со скоростью около 90 мм за тысячелетие.
Кроме того, вода — единственное вещество на Земле, которое одновременно и в больших количествах встречается во всех трех агрегатных состояниях. Ряд особенностей воды подробнее рассмотрен ранее.
Если условно воду всей гидросферы равномерно распределить по поверхности планеты, то она покроет ее слоем толщиной около 3000 м. Если земной шар уподобить яйцу, то земная кора будет соответствовать скорлупе, а гидросфера — тончайшей, менее микрона толщиной, пленке на ее поверхности.
Тончайшая в масштабах нашей планеты пленка воды на ее поверхности оказывает стабилизирующее воздействие на условия среды, прилегающей к поверхности, в которой развивалась и существует биосфера. Средняя глобальная температура у поверхности планеты на протяжении всей ее истории, т. е. около 4,6 млрд лет, изменялась в очень незначительных пределах. Гидросфера за этот период никогда не кипела, не испарялась полностью и не замерзала. Все это говорит о достаточно узком диапазоне колебаний температуры, верхний предел которого заведомо был значительно ниже 100 °С, а нижний несколько выше 0 °С.
Учитывая, что при температуре более 50—60 °С (температура пастеризации) основная часть организмов не может существовать и что при средней температуре ниже +5 °С начался бы необратимый процесс полного оледенения планеты, можно сделать вывод о еще более узком возможном диапазоне температур на поверхности Земли. В стабилизации условий на поверхности Земли особенно велика роль Мирового океана, что обусловлено его массой и занимаемой площадью.
Несмотря на внушительный объем вод, на нашей планете лишь 2,5% приходится на долю пресной воды (с минерализацией1 менее 1 г/л), причем в пресных озерах и реках ее содержится всего 0,007% от общих запасов. Возникновение и эволюция гидросферы
Гидросфера и ее составляющие части, круговорот воды, а также динамические явления прошли длинный путь эволюции. Они неоднократно менялись по массе, соотношению жид-
Минерализация — количество солей в граммах на 1 литр воды, г/л.
кой и твердой частей, вовлекаемых в кругооборот и движение, по скоростям и расстояниям переноса этих масс, по заключенным в них энергии, растворенным газам, твердым веществам и органике, взвесям. Эти изменения записаны в геологической летописи — слоях пород, сформировавшихся и формирующихся сейчас в водоемах, — которая пока еще не полностью расшифрована.
Вода столь широко распространена не только на Земле. Ее достаточно много в окружающем нас космическом пространстве. Так, полюса Марса покрыты ледяными шапками; спутники Юпитера, Сатурна и некоторых других планет — полностью льдом; ядра комет состоят изо льда (что экспериментально подтверждено при исследовании кометы Галлея); атмосфера Венеры имеет значительное количество паров воды и т. д. Однако на поверхностях иных планет вода существует только в твердом или парообразном состоянии, а на Земле она преимущественно жидкая.
По данным о скорости радиоактивного распада атомов различных элементов Земля образовалась из холодного газопылевого облака 4,6 млрд лет назад. Возраст самых древних пород, найденных в наши дни, достигает 3,8 млрд лет, причем они сохранили отпечатки стенок клеток самых древних одноклеточных организмов. Математические расчеты общего разнообразия генетического кода позволили немецким биохимикам установить его возраст, составивший 3,8 ± 0,6 млрд лет, следовательно, упомянутые породы отлагались в водоемах, где к тому времени уже должна была существовать жизнь, причем такая, которая успела активно включиться в биогеохимические процессы. Поэтому гидросфера с жидкой водой должна была появиться еще раньше, не позднее 4 млрд лет назад.
В настоящее время нет достоверных данных о составе первичной атмосферы и растворенных веществах в первичной гидросфере на начальном этапе их образования. Считают, что с определенного момента атмосфера и гидросфера стали быстро пополняться газами, выделявшимися при вулканических извержениях и излияниях лав, а также при дегазации в риф- товых долинах. Возникшая атмосфера была почти полностью лишена кислорода и потому имела восстановительный характер. Выбрасываемый вулканами и выделявшийся при дегазации диоксид углерода вместе с водяным паром обеспечили парниковые условия, что отразилось на ходе эволюции Земли.
Пополнение гидросферы нашей планеты водой вследствие непрерывной дегазации вещества мантии шло постоянно, но

с разной интенсивностью. В период «белого пятна времени»[46] [47] [48] [49] шел медленный рост за счет ювенильных2 вод, а затем в течение примерно 1 млрд лет гидросфера росла достаточно быстро (рис. 7.14). В последние 2,5 — 2 млрд лет она стабилизировалась.
В это время срединно-океанические хребты и часть воды была затрачена на серпентини- зацию3 нижнего слоя океанической коры, в результате чего вода, пополнявшая гидросферу (вместе с углекислым газом), оказалась химически связан-
lt;-gt;              4
ной оливином .
После преобразований океанической коры вновь начался рост массы океана, но примерно 1 млрд лет назад она приблизилась к современной, и темпы роста ее сильно замедлились. Процесс изменения массы гидросферы за счет дегазации тесно связан с эволюцией недр Земли и определяется скоростью роста плотного ядра планеты за счет сепарации в нем соединений железа.

Далеко не вся поступающая из недр Земли вода остается в составе гидросферы. Одна часть воды затрачивается на сер- пентинизацию вновь образующихся порций океанической коры, а другая вместе с осадочными толщами, накопившимися на ложе океана, погружается снова в недра Земли в зонах суб- дукции.
В процессе переплавки океанической коры после ее погружения в недра Земли вода играет важную роль, так как водонасыщенные силикатные слои плавятся при температурах около 700 °С, тогда как сухие при более 1000 °С.
На протяжении всей истории нашей планеты шло перемещение морских вод из исчезавших океанов во вновь возникавшие. В современных океанах движущаяся подобно конвейеру океаническая кора в целом моложе самих океанов. Максимальный возраст ложа океанов 150 млн лет, а обычно оно значительно моложе. В наши дни общий баланс прихода и расхода воды на Земле за счет геологического круговорота остается положительным и масса гидросферы непрерывно возрастает.

Еще по теме Гидросфера:

1. 5.3. Гидросфера
2. 15.1. Основные сведения о гидросфере
3. ИСТОРИЯ АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ
4. ГИДРОСФЕРА Запасы воды
5. Малые составляющие гидросферы
6. Источник загрязнения гидросферы
7. Глава 17 Воздействие на гидросферу
8. Антропогенное загрязнение гидросферы
9. 15. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГИДРОСФЕРУ
10. Глава 3 Водная оболочка Земли
11. Тема 5. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
12. 15.3. Запасы пресной воды
13. 7.1. Эколого-экономическое значение водных ресурсов
14. БИОСФЕРА КАК АРЕНА ЖИЗНИ
15. Круговорот воды