Глава 3
Водная оболочка Земли

Гидросфера - это водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды суши (реки, озера, болота, ледники), подземные воды. Воде принадлежит важнейшая роль в истории развития нашей планеты, так как с ней связано зарождение и развитие живого вещества, а следовательно, и всей биосферы.

Основная масса воды сосредоточена в морях и океанах - почти 94 %, а остальные 6 % приходятся на другие части гидросферы (табл. 3).

37

Площадь гидросферы составляет 70,8 % площади поверхности земного шара, тогда как ее объем - всего около 0,1 % объема планеты. Толщина равномерно распределенной пленки по поверхности Земли равна всего 0,03 % ее диаметра. Доля поверхностных вод в гидросфере весьма мала, но они обладают исключительной активностью (меняются в среднем каждые 11 дней), и это служит началом формирования почти всех источников пресных вод на суше. Количество пресной воды составляет 2,5 % от общего объема, при этом почти две трети этой воды заключено в ледниках Антарктиды, Гренландии, полярных островов, льдин и айсбергов, горных вершин. Подземные воды находятся на различной глубине (до 200 м и более); глубокозалегающие подземные водоносные горизонты минерализованы, а иногда и засолены. Кроме воды собственно в гидросфере, водяных паров в атмосфере, подземных вод в почвах и земной коре имеется биологическая вода в живых организмах. При общей массе живого вещества биосферы 1400 млрд. т масса биологической воды составляет 80 % или 1120 млрд. т (табл. 4).

Главную роль в жизнедеятельности живых организмов на суше играет пресная вода. Пресной называют воду, соленость которой не превышает 1 %, т. е. содержащую не более 1 г солей в 1 л (соленость

38

океанской воды составляет около 35%). По имеющимся оценкам, общие мировые ресурсы пресной воды составляют суммарный сток - 38-45 тыс. км³, запасы воды в пресных озерах-230 тыс. км³, а почвенной влаги-75 тыс. км³. Ежегодный объем испаряющейся с поверхности планеты влаги (включая транспирацию растениями) оценивается примерно в 500-575 тыс. км³, причем 430-500 тыс. км³ испаряется с поверхности Мирового океана, на долю суши приходится, таким образом, чуть больше 70 тыс. км³ испаряющейся влаги. За это же время в виде осадков на все континенты выпадает 120 тыс. км³ воды (табл. 5).

Анализ водного баланса Земли показывает, что общее количество осадков, выпадающих на поверхность Мирового океана, всегда меньше испарения, так как часть испарившейся воды уносится на сушу и уже там выпадает в виде осадков. В среднем с поверхности океана ежегодно испаряется слой воды, равный 1400 мм, а осадков выпадает 1270 мм. Разницу балансирует речной сток в океан. На суше, наоборот, количество атмосферных осадков больше, чем количество испарившейся влаги, до 38 % всех выпавших осадков речной сток уносит в океан.

Наиболее богата водными ресурсами на единицу площади Южная Америка, затем следует Европа, Азия и Северная Америка. По объему речного стока наиболее обеспечена водными ресурсами Азия. Несмотря на неравномерность распределения пресных вод по континентам Земли, в целом они пока обеспечивают биосферу.

Вода - это самый распространенный на Земле минерал. В.И. Вернадский писал, что вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию

39

на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества - минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество... ею проникнуто и охвачено. Чистая, без примесей, вода прозрачна, бесцветна и не имеет запаха. Это единственный на нашей планете минерал, который встречается в естественных условиях в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Воду можно рассматривать с химической точки зрения как оксид водорода или гидрид кислорода. В табл. 6 приведены температуры плавления и кипения близких по составу к воде соединений.

Анализ данных табл. 6, а также рис. 8 показывает "нелогичность" поведения воды: переходы воды из твердого состояния в жидкое и газообразное происходят при температурах, намного более высоких, чем следовало бы. Аномальность поведения обусловлена строением молекулы воды Н₂О; она построена в виде тупоугольного треугольника: угол между двумя связями кислород - водород равен 104° 27´ (рис. 9). Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислородного, то электрические заряды в ней рассредоточиваются, и молекула воды приобретает полярность. Полярность является причиной химического взаимодействия между разными молекулами воды. Атомы водорода в молекуле Н₂О, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь носит название водородной. Она объединяет молекулы воды в своеобразные полимеры пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи, перпендикулярна плоскости атомов той же молекулы воды. Взаимодействием между молекулами Н₂О и объясняются аномально высокие температуры плавления и кипения. Для того чтобы "расшатать" водородные связи, нужна значительная дополнительная энергия, что, в частности, объясняет большую теплоемкость воды.

Из аналогичных ассоциатов (объединений молекул) сформированы кристаллы льда. Атомы в кристалле льда "упакованы" рыхло и в связи с этим лед плохо проводит тепло. Плотность жидкой воды при температуре, близкой к нулю, больше, чем у льда. При 0° С 1 г льда занимает объем 1,0905 см³, 1 г жидкой воды -1,0001 см³. Поэтому лед плавает и оттого не промерзают до дна водоемы, а лишь имеют ледяной покров.

40

Рис. 8. Точки кипения и замерзания четырех гидридов элементов

Рис. 9. Молекула воды

В этом проявляется еще одна аномалия воды. После плавления вода сначала сжимается и только потом при температуре 4° С и выше начинает расширяться.

Специальными методами получены лед-II и лед-III - более тяжелые и плотные кристаллические формы твердой воды (самый твердый, плотный и тугоплавкий лед-VII получен при давлении 3 млрд. Па; температура плавления его равна + 190° С (рис. 10).

Из химических свойств воды одним из важнейших является способность ее молекул к диссоциации, т. е. распадаться на ионы, а также колоссальная способность к растворению веществ различной химической природы.

Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью ее молекул и, как следствие, ее чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноименные электрические заряды и, в частности, ионы притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем они бы притягивались в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разобщить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих труднорастворимых веществ: не зря говорят: "Вода камень точит...".

Диссоциация (распадение) молекул воды на ионы в обычных условиях весьма мала: диссоциирует одна молекула из полумиллиарда. Нужно заметить, что из приведенных выше реакций первая носит условный характер, так

Рис. 10. Фазовая диаграмма воды: /... VI - модификации льда

41

как в водной среде не может существовать лишенный электронной оболочки протон Н⁺, он мгновенно соединяется с молекулой воды, образуя ион гидроксония Н₃О⁺

Принципиально возможно, что ассоциаты водных молекул распадаются на весьма тяжелые ионы, такие, как:

8Н₂О ^→ Н₉О⁺₄ + Н₇О⁻₄, а реакция Н₂О ^→ Н⁺ + ОН⁻ - всего лишь схематическое общее изображение более сложных реакций.

Вода обладает слабой реакционной способностью. Некоторые активные металлы способны вытеснять из нее водород:

а в атмосфере свободного фтора может гореть:

В.П. Журавлев и др. (1995) приводит данные Г.В. Васильева по весьма многообразным характеристикам воды, в частности, аномальная вода (или супервода) достигает максимальной плотности при t= -10° С, ее вязкость в 10 - 15 раз меньше классической воды, имеет полимеры (Н₂0)₃ и (Н₂O)₄.

Установлено наличие сверханомальной воды, которая не имеет максимальной плотности, не кристаллизуется (даже при -100° С), а застекловывается, как смола. Академик А.Н. Фрумкин считает, что это новое четвертое агрегатное состояние воды - смолообразное и ставит его в ряд с открытием новых химических элементов.

Метаболическая вода - специальная жидкость, которая вырабатывается живым организмом, обладающая свойством противодействия "усыханию", иными словами, "старению", метаболическая вода, как утверждают некоторые ученые, сама способна к старению и превращению в "мертвую" воду.

Г.В. Васильев выделяет "талую" воду, повышающую урожайность; "магнитную" воду, препятствующую карбонатообразованию; "электрическую" воду, ускоряющую цветение некоторых растений; "сухую" воду, состоящую из 90% Н₂О и 10% H₂SiO₄, а также π- воду, "черную", "помнящую" и т. д. Многие из этих видов воды обладают специфическими свойствами, некоторые носят гипотетический характер. Однако мы уже отмечали, что вода растворяет практически все вещества, кроме жиров и весьма ограниченного числа минералов. Поэтому в природе не бывает практически чистой воды, она всегда раствор большей или меньшей концентрации.

Вода представляет собой главным образом, жидкость, т. е. подвижное тело, что позволяет ей проникать в самые разнообразные тела и

42

среды и двигаться в различных направлениях, одновременно транспортируя растворенные в ней вещества. Этим она обеспечивает обмен веществ в географической оболочке, в том числе между живыми организмами и средой. Вода способна преодолевать гравитацию даже в жидком состоянии, поднимаясь по тончайшим капиллярам. Это определяет возможности циркуляции воды в горных породах и почвах; кровообращение у животных; движение соков растений вверх по стеблям. Вода обладает способностью смачивать, "прилипать" к различным поверхностям. Электрические силы взаимодействия способны связывать воду вокруг твердых частиц минералов, существенно изменяя ее характеристики. Например, температура ее замерзания становится равной -4° С, плотность - 1,4 г/см³.

Происхождение воды на Земле до сих пор полностью не объяснено: отдельные специалисты считают, что она образовалась в результате синтеза из водорода и кислорода при выделении их из недр Земли на первых этапах ее существования, а другие вслед за акад. О.Ю. Шмидтом предполагают, что вода попала на Землю при формировании планеты из космического пространства.

Мировой океан -это водная оболочка Земли, за исключением водоемов на суше и ледников Антарктиды, Гренландии, полярных архипелагов и горных вершин. Мировой океан делят на четыре основные части - Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый океаны. Воды Мирового океана, вдаваясь в сушу, образуют моря и заливы. Моря - это относительно изолированные части океана (например, Черное, Балтийское и др.), а заливы вдаются в сушу не столь значительно, как моря, и по свойствам вод мало отличаются от Мирового океана. В морях же соленость воды может быть выше океанской (35%), как, например, в Красном море - до 40%, или ниже, как в Балтийском море - от 3 до 20 %.

Воды Мирового океана и его составных частей имеют некоторые общие признаки:

• все они сообщаются друг с другом;
• уровень водной поверхности в них практически одинаков;
• соленость в среднем составляет 35 %, имеет горько-соленый вкус за счет растворенного в них большого количества минеральных солей.

Кроме солей в океанской воде растворены различные газы, важнейшим из которых является кислород, необходимый для дыхания живых организмов. В различных частях Мирового океана количество растворенного кислорода разное, что зависит от температуры воды и ее состава. Наличие диоксида углерода в океанской воде обусловливает возможность фотосинтеза, а также позволяет некоторым морским животным создавать в результате жизненных процессов раковины и скелеты.

Температура воды в океанах варьирует в пределах от температуры замерзания в полярных морях до 28° С на экваторе.

43

Воды Мирового океана находятся в постоянном движении в виде волн, морских течений и приливно-отливных явлений. Волны возникают под действием ветра и моретрясений; морские течения образуются под действием постоянных ветров и разницы плотности океанической воды; приливы и отливы океанской воды связаны с притяжением Луны и вращением Земли вокруг оси.

Подземные воды - это воды, находящиеся в порах, трещинах, кавернах, пустотах, пещерах в толще горных пород под поверхностью Земли. Эти воды могут находиться в жидком, твердом и газообразном состоянии. Подземные и поверхностные воды взаимосвязаны: в некоторых случаях одни являются зонами питания, другие - зонами разгрузки, в иных случаях, наоборот. Подземные воды имеют различное происхождение и подразделяются на:

• ювенилъные, образовавшиеся, по гипотезе еще М.В. Ломоносова, при магмагенных процессах;
• инфилътрационные, сформировавшиеся за счет просачивания атмосферных осадков сквозь толщу проницаемых почв и грунтов на водонепроницаемых слоях;
• конденсационные, скопившиеся в горных породах при переходе водяного пара в грунтовой атмосфере в жидкое состояние;
• воды, погребенные осадками в поверхностных водоемах.

Практически невозможно установить генезис подземной воды по ее характеристикам, да в этом и нет особой необходимости, гораздо более важным является состояние воды в почвах и фунтах. Вода, удерживаемая молекулярными силами, почти не участвует в процессах, обеспечивающих жизнедеятельность организмов, в частности растения не могут с помощью своей корневой системы использовать эту воду. Для этих целей пригодна капиллярная и гравитационная вода. К последней относят подземную воду, которая перемещается в недрах земной коры под действием гравитации Земли. Подземные воды имеют различную температуру, в основном она, как правило, отвечает температуре вмещающих пород, но глубинные подземные воды, находящиеся вблизи магматических очагов, являются источником горячих вод. В России они открыты на Камчатке, Северном Кавказе, где их температура достигает 70-95° С. Фонтанирующие горячие источники называют гейзерами. В долине гейзеров на Камчатке открыто их более 20, среди них такой, как "Великан", дающий фонтан высотой 30 м, или "старый служака" (Иеллоунстоун, США), который фонтанирует через равные промежутки времени. Гейзеры распространены также в Исландии, Новой Зеландии.

При фильтрации сквозь горные породы, обладающие различным минеральным и химическим составом, подземные воды естественным образом пополняют себя растворенными веществами. Так постепенно формируются минеральные воды, которые иногда бывают насыщены диоксидом углерода, сероводородом. Некоторые из этих вод имеют лечебное и курортное значение.

44

Поверхностные воды суши. Реки. В целом на поверхности земной суши воды движутся в различных формах: реки, ручьи, родники, временные водотоки. В последнее время серьезное значение стали иметь водотоки (каналы), созданные человеком.

Реки и ручьи - это постоянные водотоки, расположенные в естественных понижениях рельефа. Размеры рек весьма различны: от огромных (р. Амазонка) до рек, которые известны практически каждому человеку по тому, что их можно перешагнуть. Многоводность самой полноводной реки мира Амазонки - 3160 км³ в год - объясняется огромной площадью бассейна (около 7 млн. км²) и обилием осадков (более 2000 мм в год). У Амазонки 17 притоков так называемого первого порядка, каждый из которых по многоводности равен реке Волге.

Ручьи - это еще более мелкие естественные водотоки шириной не более 0,5 - 1,0 м. Реки формируют на определенной территории речную сеть из основного русла и притоков. Реки получают питание с определенной территории, называемой ее бассейном. Постоянными источниками питания рек являются подземные воды, талые воды снега и ледников, дождевые осадки. В зависимости от условий питания у рек формируется режим; по уровню воды выделяют периоды самой высокой и низкой воды. Они получили названия: половодье, паводок и межень. Реки совершают колоссальную эрозионную и аккумуляционную работу. Они размывают горные породы, формируют русла, а полученный материал переносят и откладывают в виде аллювиальных (речных) отложений, создавая пойму и аккумулятивные террасы у коренных берегов. Различают молодые и старые реки. У последних, как правило, широкие разработанные долины с брошенными старыми извилистыми руслами (старицами), большим числом террас и широкими поймами. Молодые реки часто имеют пороги и водопады (участки, где вода падает с высоких уступов). Один из самых крупных водопадов мира - Виктория на р. Замбези - падает с высоты 120 м при ширине 1800 м; Ниагарский водопад - высота 51 м, ширина потока 1237 м. Многие горные водопады еще выше. Самый высокий из них - Анхель на р. Ориноко - высотой 1054 м.

Озера. Кроме водотоков, где вода движется от более высоких отметок к более низким, на суше есть постоянные водоемы в естественных понижениях рельефа. На территории нашей страны находится часть самого большого озера в мире - Каспийского моря и самое глубокое - озеро Байкал. Озера образовались различными путями: от вулканических кратеров до тектонических прогибов и карстовых провалов; иногда возникают запрудные озера при обвалах и селях в горах. Большое количество озер, которые находятся в Финляндии, Швеции, Карелии (Россия), Канаде, сформировались при наступлении и отступлении ледников в периоды оледенений. Большинство озер заполнены пресной водой, но есть и соленые, например Каспийское, Аральское

45

Рис. 11. Схема зарастания озера:

1 - моховой покров (рям); 2 - донные отложения органических остатков; 3 - "окно" или пространство чистой воды

и некоторые другие. Пресные имеют соленость менее 1 %, солоноватые - более 1 %, соленые - более 24,7 %.

Озера развиваются в зависимости от окружающих условий. Реки, временные водные потоки приносят в озера огромное количество неорганических и органических веществ, которые отлагаются на их дне. Появляется растительность, остатки которой также скапливаются, заполняя озерные котловины, и дают начало образованию болот (рис. 11).

Болота - это избыточно увлажненные участки суши, покрытые влаголюбивой растительностью. Заболачивание в лесной полосе нередко возникает в результате сведения лесов. Тундра является зоной, где многолетняя мерзлота не позволяет проникать воде в толщу грунтов и постепенное ее накопление ведет к образованию болот.

По условиям питания и местонахождению болота подразделяют на низинные и верховые (рис. 12). Первые получают питание за счет атмосферных осадков, подземных и поверхностных вод. Большое количество минеральных компонентов, поступающих с подземными водами, способствует активному развитию растительности и большой ее продуктивности. При определенных условиях низинные болота превращаются в так называемые верховые. В этих болотах осуществляется торфообразование - весьма сложный геохимический процесс минералообразования и осадконакопления. Накопление торфа, с одной стороны, наращивает запасы плодородия в земных недрах за счет увеличения объема гумуса, а также способствует консервации избыточного углерода, но, с другой стороны, существенно обедняет минеральную составляющую, питающую растения на болоте. Происходит замена на менее требовательные растения, например сфагновые мхи, которые выделяют органические кислоты, замедляющие торфообразование.

46

Рис. 12. Низинное (а) и верховое (б) болота

Вода уже не попадает в зоны развития сфагновых мхов, и процесс разрушения растительности постепенно все более развивается.

Уделенное значительное внимание болотам связано с тем, что они занимают обширные пространства на территории нашей страны и представляют зачастую истоки значительных поверхностных водотоков. Но дело не только в этом, в последнее время установлен факт определяющего влияния болота на существование леса, т. е. существует глубокая связь между оптимальными условиями развития лесных экосистем и существующими в них болотами, да и многими небольшими озерами.

Вода имеет первостепенное значение для функционирования живых организмов. Это основная среда биохимических реакций, в конечном счете абсолютно необходимая составная часть протоплазмы. Питательные вещества переносятся внутри живых организмов в виде водных растворов, а также вода транспортирует и выносит из организмов продукты диссимиляции (И.А. Шилов, 2000). Относительное содержание воды в живых организмах колеблется в пределах от 50 до 95 % (95 % воды содержится в теле медуз, а в тканях многих моллюсков до 92%). От количества воды и растворенных солей зависит внутриклеточный и межклеточный обмен, а у гидробионтов - осмотические

47

взаимоотношения с окружающей средой. Большинство наземных животных могут совершать газовый обмен со средой только при наличии влажных поверхностей; влага также при своем испарении способствует формированию теплового баланса между меняющимися температурными параметрами среды и теплотой организмов.

И.А. Шилов (2000) описывает водный обмен между организмами и средой как обмен, состоящий из двух противоположных процессов, один из которых - поступление воды в организм, другой - отдача ее во внешнюю среду. У высших растений этот процесс представляет собой "насасывание" корневой системой воды из почвы, проведением ее (вместе с растворенными веществами) к отдельным органам и клеткам и выведением в процессе транспирации. Из всего объема 5 % воды используется для фотосинтеза, а остальное для поддержания тургора (внутреннего гидростатического давления в живых клетках, вызывающего напряжение клеточной оболочки).

Животные получают воду, главным образом, при питье и этот путь для большинства из них, даже для водных, является не только необходимым, но и единственным. Выведение же воды происходит с мочой и экскрементами, а также путем испарения. Отдельные организмы, обитающие в водной среде, способны получать и отдавать воду либо через свои покровы, либо через специализированные участки тканей, проницаемые для воды. Это имеет отношение и к наземным обитателям: для многих растений, беспозвоночных животных и амфибий характерно получение воды из таких источников, как роса, туман, дождь.

Для животных одним из источников воды является пища. При этом значение ее в водном обмене не исчерпывается содержанием воды в тканях кормовых объектов. Усиленное питание сопровождается накоплением в организме жировых резервов, которые имеют значение как энергетического резерва, так и внутреннего источника поступления воды в клетки и ткани. Водный обмен непосредственно связан с обменом солей. Определенный набор солей (ионов) представляет собой необходимое условие для осуществления функций организма в нормальном режиме, так как соли являются частью состава тканей и играют определенную роль в обменных механизмах клеток. Если возникают нарушения в количестве поступающей воды и соответственно необходимых солей, то нарушается полное равновесие и происходят сдвиги осмотических процессов.

Для всех живых организмов важнейшим является поддержание устойчивого водно-солевого обмена как главного фактора осуществления их жизненных функций.

48