1.2. Гидросфера

Гидросфера - водная оболочка Земли, располагающаяся меж­ду атмосферой и литосферой и представляющая собой совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод, ледников и водяного пара атмосферы. Гидросфера связана с другими элемента­ми Земли - атмосферой и литосферой.

Вода представляет собой уникальное химическое соединение, благодаря которому на Земле образовалась и существует биосфера. Пресная вода является ведущим компонентом гидрологического и биогеохимического циклов, она определяет условия жизни в экосис­темах. Не случайно поиск жизни на других планетах связан, прежде всего, с обнаружением следов воды.

Вода является важнейшим экологическим ресурсом, главной составляющей живых организмов, одним из самых распространен­ных минералов в природе и главным природным ресурсом потреб­ления. Человечество использует воды в тысячу раз больше, чем угля или нефти.

Гидросфера является средой, где происходит осуществление вза­имосвязей таких процессов в экосистемах, как обмен веществ, глобаль­ные биоэнергетические экологические циклы, теплообмен, рост био­массы. Она играет огромную роль в формировании поверхности Зем­ли, ее ландшафтов, в распределении химических веществ на ее повер­хности и в земной коре, в миграции загрязняющих веществ.

Из общей площади Земли в 510 млн. км² покрыто водой 361 млн. км² (71 %). Если все количество воды равномерно распре­делить по поверхности планеты, то получится слой толщиной 2718 м. Масса всей воды составляет примерно 0,022% общей массы Земли.

Основной объем воды (96%) сосредоточен в Мировом океане. До 10% суши занимают льды и снега (около 2% объема гидросфе­ры) (табл. 2). Вода Мирового океана покрывает около % поверхнос­ти планеты и насыщает почву суши. Второе место по объему зани­мает вода земной коры.

Таблица 2 Состав гидросферы

Виды вод	Объем млн. км3	Количество по отношению к общему объему гидросферы, %
Морские	1370	93
Подземные (за исключением почвенных)	61,4	4
Лед и снег	24,0	2
Поверхностные воды (озера, водохранилища, реки, болота, почвенные воды)	0,5	0,4
Атмосферные	0,015	0,01
Вода, содержащаяся в живых организмах	0,00005	0,0003

Вода поглощает солнечное тепло в 2-3 раза больше, чем твер­дая земная поверхность, и основная роль в этом процессе принадле­жит Мировому океану. От поверхности океана отражается лишь около 8% солнечной радиации. Поэтому он играет важнейшую роль в кру­гообороте воды, а также в формировании климата на планете за счет динамики огромной массы океанических вод, находящихся в посто­янном движении под влиянием неодинаковой интенсивности сол­нечного прогревания поверхности на разных широтах.

В воде океанов присутствуют почти все известные химичес­кие элементы, но преобладающими являются кислород, водород, натрий и хлор. Содержание растворённых в морской воде химичес­ких соединений (солёность) определяется в весовых процентах или промилле (1 промилле = 0,1 %). Средняя солёность океанской воды -35 промилле (в 1 л воды 35 г солей). Солёность меняется в широ­ких пределах. Так, в Красном море она достигает 52 промилле, в Чёрном море до 18 промилле, а в Балтийском море до 7 промилле. Самая соленая вода в Мертвом море (до 260 промилле).

Из соли, содержащейся в морях и океанах, можно выстроить виртуальный столб диаметром один километр и высотой в 47 раз больше расстояния от Земли до Луны.

Из газов, содержащихся в водах Мирового океана, наиболее важными для биоты являются кислород и углекислый газ. Раство­ренный кислород находится в природной воде в виде молекул О₂. На его содержание в воде влияют две группы противоположно направ­ленных процессов: одни увеличивают концентрацию кислорода, другие уменьшают ее. К первой группе процессов, обогащающих воду кислородом, относят:

• процесс абсорбции кислорода из атмосферы;

• выделение кислорода водной растительностью в процессе фотосинтеза;

• поступление в водоемы с дождевыми и снеговыми водами, которые обычно пересыщены кислородом.

Абсорбция кислорода из атмосферы происходит на поверхности водного объекта. Скорость этого процесса повышается с понижением температуры, с повышением давления и понижением минерализации. Обогащение глубинных слоев воды кислородом (аэрация) происходит в результате естественного перемешивания водных масс.

Фотосинтетическое выделение кислорода происходит при ас­симиляции диоксида углерода водной растительностью. Процесс фо­тосинтеза протекает тем сильнее, чем выше температура воды, ин­тенсивность солнечного освещения и больше питательных веществ в воде. Фотосинтетическое выделение кислорода происходит в по­верхностном слое водоема, глубина которого зависит от прозрачно­сти воды.

К группе процессов, уменьшающих содержание кислорода в воде, относятся реакции окисления органических и неорганических веществ. На скорость потребления кислорода влияет температура, количество микроорганизмов и водных организмов, концентрация веществ, под­вергающихся химическому и биохимическому окислению.

Общая масса углекислого газа в океанических водах превы­шает его массу в атмосфере приблизительно в 60 раз. Он потребля­ется водными растениями во время фотосинтеза, расходуется на построение известняковых скелетов кораллов, ракушек. После от­мирания организмов углекислый газ возвращается в водную среду за счет растворения остатков скелетов, панцирей и ракушек, а час­тично накапливается в карбонатных осадках на дне океанов.

Воды суши (около 0,02% объема гидросферы) разделяются на не защищенные от загрязнения поверхностные (озера, водохрани­лища, водотоки) и более защищенные подземные воды. На террито­рии Российской Федерации протекает свыше 2,5 миллионов рек, большинство которых (94,9%) имеют длину 25 км и менее (малые реки). Общий объем речного стока страны уступает лишь Бразилии и составляет 4043 км³/год (10% мирового речного стока). Основная часть ресурсов пресных вод сосредоточена в крупных озерах: Бай­кал (23 тыс. км³, или 80% российских и 20% часть мировых запа­сов), Ладожское (908 км³), Онежское (285 км³), Чудско-Псковское (35,2 км³). Всего же в России находится около 2 млн. пресных и со­леных озер, из которых 90% - мелководные с площадью от 0,01 до 1 км². Российские болота покрывают территорию в 1,4 млн. км² и аккумулируют около 3 тыс. км³ запасов природных вод.

В водный фонд России входят и подземные воды, естествен­ные запасы которых оцениваются в 790 км³/год. Почти половина этих запасов (316 км³/год) относится к потенциальным эксплуатацион­ным ресурсам, из которых подготовлено для промышленного освое­ния почти 20 км³/год. Всего же по стране эксплуатируются 1777 месторождений подземных вод.

В связи с непрерывно возрастающим загрязнением поверхно­стных вод подземные воды становятся практически единственным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения населения. По­этому их охрана от загрязнения и истощения, рациональное исполь­зование имеют стратегическое значение.

В настоящее время принято считать, что полный объем под­земной гидросферы достигает 60 млн. км³, но из них лишь около 4 млн. преимущественно пресных вод находится в верхнем кило­метровом слое земной коры и активно участвует во влагообороте. Тем не менее даже этот объем значительно превосходит запасы пре­сной воды в озерах (0,23 млн. км³) и реках (0,001 млн. км³).

Пополнение запасов подземных вод зависит главным образом от количества атмосферных осадков, их интенсивности, продолжи­тельности. При интенсивных, но кратковременных или при незна­чительных дождях атмосферная влага не успевает глубоко просочиться в почву, поэтому она испаряется из нее после оконча­ния дождя. Увеличение запасов подземных вод происходит при про­должительных дождях, орошающих большие территории, особенно в осенний период, когда потеря атмосферной влаги на испарение мала. Осадки летнего периода играют значительно меньшую роль в пополнении запасов грунтовых вод, так как они интенсивно расхо­дуются на испарение.

В условиях умеренных широт, где в холодный период накап­ливаются большие запасы снега, талая вода является основным ис­точником питания подземных вод. Наиболее благоприятные усло­вия для пополнения их запасов создаются в конце весеннего таяния снега, особенно если оно имеет затяжной характер.

Химический состав подземных вод очень разнообразен. В зави­симости от состава вмещающих пород и глубины залегания они изме­няются от пресных до солевого рассола. Минеральные и термальные подземные воды имеют большое бальнеологическое значение и явля­ются одним из рекреационных элементов природной среды.

Некоторое количество воды содержится в атмосфере и живых организмах. Первостепенная роль воды в живых организмах связана с тем, что она является средой, в которой и протекают все процессы жизнедеятельности. Например, в теле взрослого человека весом 70 кг на воду приходится до 50 кг. При потере 6-7% влаги от веса тела у человека наступает тяжелое предобморочное состояние. Бо­лее высокие потери воды приводят к смертельному исходу. Живот­ные погибают при потере 20-25% воды.

Суточная потребность в воде взрослого человека равна 30-40 г на 1 кг веса тела. Принято считать, что в среднем человек потребля­ет суммарно 2,5 л воды в сутки и столько же выводится из организ­ма. Около 1,2 литров воды поступает в организм человека с пищей, около 1,0 литра воды поступает в виде жидкости, а около 0,3 литра образуется в организме в процессе метаболизма.

Воды Земли находятся в непрерывном движении. Круговорот воды увязывает воедино все части гидросферы, образуя в целом зам­кнутую систему. Круговорот воды или гидрологический цикл пред­ставляет собой процесс, в результате которого происходит накопле­ние, очистка и перераспределение планетарного запаса воды.

Испаряющаяся с поверхности земли вода общим объемом 525 тыс. км³ образует атмосферные воды в форме водяного пара. Водяной пар выполняет экологическую функцию мощного фильтра сол­нечной радиации, а также регулятора климата на планете. При ох­лаждении в верхних слоях атмосферы водяной пар конденсируется в мельчайшие капли воды или кристаллы льда, которые возвраща­ются на землю в виде атмосферных осадков.

Вода, испаряющаяся с поверхностей морей и океанов, вносит существенный вклад в круговорот гидросферы. Большую роль в этом процессе играют микроорганизмы (микроводоросли - динофлагел-лята). Огромное количество этих микроводорослей скапливается у поверхности морей и океанов, интенсивно поглощает солнечный свет и синтезирует диметилсульфид. Это способствует прогреванию по­верхности воды и прилегающих к ней воздушных потоков. Турбу­лентные потоки воздуха захватывают микроводоросли, а диметил­сульфид на воздухе превращается в сульфат, кристаллы которого сти­мулируют конденсацию паров воды. Ежегодно морские микроводо­росли выделяют в атмосферу от 15 до 40 миллионов тонн серы. Это примерно в три раза больше, чем выделяют ежегодно все вулканы на нашей планете.

Так как над поверхностью морей и океанов практически нет пыли, то кристаллы сульфатов являются единственными конденса­торами влаги, из которой формируются облака. Многочисленные бактерии и споры грибов, содержащиеся в облаках, разрушают стенки микроводорослей, превращая воду в лед. Замороженные частички воды извлекают воду из окружающих их капелек, формируя круп­ные ледяные шарики, которые падают вниз на Землю.

Хотя содержание влаги в одном кубометре облаков невелико (от 0,1 до 10 г), - а их объемы достигают десятков кубических километров, - в них накапливаются сотни тонн воды.

Вода, испаряющаяся с поверхности морей и океанов и вновь возвращающаяся в виде осадков в эту водную среду, включается в малый круговорот. Если же атмосферные осадки выпадают на по­верхность суши, то часть из них с поверхностным стоком поступает в реки, а с ними в моря и океаны. Но большая часть атмосферных осадков, попадающих на почву, фильтруется, обогащается солями, формируя подземные воды.

Приблизительно 80% воды испаряется с поверхности океанов, а остальные 20% испаряются растениями и поверхностью суши. Вода, испаряющаяся с поверхности суши, в виде атмосферных осадков вновь возвращается в моря и океаны, замыкая большой круговорот воды (рис. 1).

Рис. 1. Круговорот воды в природе

В среднем на поверхность Земли в течение года выпадает около 1 м осадков. Вопреки сложившимся представлениям, дождевая вода содержит достаточно большое количество солей и микроорганиз­мов, что дает основание некоторым ученым приравнивать их к эко­системам. Капля воды, падающая с высоты одного километра, по­глощает загрязнения, содержащиеся в 10-15 литрах воздуха. Таким образом, литр дождевой воды поглощает примеси, содержащиеся в 250-300 тыс. литров воздуха. Эти примеси содержат соединения хлора, йода и бора океанического происхождения, а также различ­ные загрязнения антропогенного происхождения.

Подсчитано, что приблизительно за 2 млн. лет вся вода на пла­нете проходит через живые организмы. Средняя продолжительность общего цикла биологического кругооборота воды составляет 300-400 лет. Приблизительно 37 раз в год (то есть каждые десять дней) изменяется вся влага в атмосфере. Полное обновление состава воды в атмосфере происходит за 9-10 дней. Это самое активное и короткое звено круговорота воды в природе.

В пределах отдельной экосистемы происходят четыре основ­ных процесса круговорота воды, входящие в элементы малого кру­говорота: адсорбция, транспирация, инфильтрация, сток.

Вода атмосферных осадков, прежде чем попасть на поверх­ность земли, адсорбируется растениями. Величина адсорбции воды в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков. Позднее происходит физическое испарение этой воды в атмосферу.

Достигая почвы, вода просачивается в нее (процесс инфильт­рации) или образует поверхностный сток. Если вода атмосферных осадков достигает грунтовых вод, она включается в их состав. Под­земный сток связывает почвенную влагу с поверхностными водами и гидросферой в целом. Процесс инфильтрации зависит от состава почвы и наличия в ней перегнойного коллоидального комплекса. Чем массивнее этот комплекс, тем интенсивнее задерживается в почве инфильтрованная вода.

Транспирация представляет собой биологический процесс ис­парения воды растениями, которые потребляют около 40% общего количества осадков. При этом испаряется не адсорбированная вла­га, а вода, заключенная в растениях. Транспирация растениями вно­сит существенный вклад в круговорот воды. В некоторых районах транспирация даже превышает испарение воды со свободной повер­хности водных объектов. Ежегодно на формирование биомассы ис­пользуется 1% воды, выпавшей в виде атмосферных осадков.

Общий вклад воды, которая испаряется растениями, в глобаль­ный гидрогеологический цикл весьма значителен. Водный баланс растений является важнейшим фактором продуктивности, особенно в экосистемах с недостаточным увлажнением. Поэтому растения играют заметную роль в круговороте воды.

Избыток выпавшей с осадками воды стекает в водоемы, реки, моря и океаны. Таким образом, вода проходит через экосистемы по­чти без потерь.

Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами.

1. Интенсивный забор больших количеств пресной воды из рек,озер и водоносных горизонтов, который привел к истощению запасов грунтовых вод или к вторжению соленой океанической воды в подземные водоносные горизонты.

Сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог, автостоянок, жилья и других видах деятельности. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений и повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым усиливая эрозию почв.