5. Водообмен

Водообмен – это процесс смены первоначально накопившихся вод поступающими вновь.

Запас влаги в атмосфере равен 14 тыс.км³. Объём осадков, выпадающих на поверхность Земли за год составляет 577 тыс.км³, т.е. больше запаса влаги в атмосфере в 41раз. Таким образом, влага атмосферы возобновляется каждые 9 суток.

За счет испарения с поверхности океана в атмосферу поступает более 80 % общего количества испарившейся влаги (505 тыс. км ³). Объём вод океана 1338,5млн.км³/505тыс.км³, т.е. продолжительность смены воды океана в процессе круговорота примерно 2700 лет.

Литогенное звено круговорота выражается в участии подземных вод. Интенсивность водообмена подземных вод различна и зависит от глубины их залегания.

В верхней части земной коры выделяют следующие зоны:

1. зона интенсивного водообмена (преимущественно пресные воды) расположена в верхней части земной коры до глубины 300-400м.

Воды, залегающие вблизи земной поверхности до уровня дренирования речной сетью, подпитывают реки. Продолжительность водообмена – 1 месяц – несколько дней.

2. зона замедленного водообмена (воды солоноватые и солёные) – до глубины 600-2000 м. Период возобновления – 1400 лет.

3. Зона весьма замедленного водообмена (типа рассола) – располагается в глубоких зонах земной коры (более 2000м) и полностью изолирована от поверхностных вод и атмосферных осадков. Они практически стабильны. Период возобновления – несколько миллионов лет.

Литогенное звено включает и почвенные воды, в которых осуществляется обмен с атмосферой, реками и нижележащими грунтовыми водами. Период их возобновления – около года.

Речное звено круговорота: по рекам возвращается в океан большая часть воды, которая поступила на сушу в результате круговорота.

Вода в руслах рек возобновляется за 12-25 суток. В реках с проточными озёрами – около 3 лет. Время возобновления воды в озёрах – несколько лет. Период возобновления запасов воды в горных ледниках около 1600 лет, в ледниках полярных около 9700 лет.

6.Свойства воды и их значение для биосферы.

Формула воды – Н₂О была предложена в 1805 году Гумбольдтом и Гей-Люссаком. Вода имеет удивительные свойства.

Вес 1 см ³ чистой воды – 1 грамм.

Количество тепла, необходимое для нагревания 1 г чистой воды – 1 калория.

Градусная шкала Цельсия тоже связана с водой: 0^ОС – температура таяния льда, 100 ^ОС – температура кипения воды.

Вода – это совсем необыкновенная жидкость, обладающая свойствами, позволяющими ей играть огромную роль в жизни биосферы.

Вода является диполем (+, -) .

Рис. 1.1. Структура молекулы воды: а — геометрия молекулы Н₂О (в парообразном состоянии); б — электронные орбиты в молекуле Н₂О; в — электронная формула молекулы Н₂О (видны необобществленные электронные пары); г — четыре полюса зарядов в молекуле Н₂О расположены в вершинах тетраэдра.

Дипольный момент молекулы воды μ=1,87 Дебая (внесистемная единица). Под воздействием диполей воды в 80 раз ослабевают межатомные или межмолекулярные силы на поверхности погруженного в нее вещества. Иначе говоря, вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость (80,1 при t=20^ОС), самую высокую из всех известных нам соединений. Поэтому вода является универсальным растворителем. Эти свойства воды объясняет структурная модель молекулы воды, которая была предложена Берналом и Фаулером. Это тетраэдрическая модель молекулы воды с двумя положительными и двумя отрицательными полюсами. Два "+" заряда – на атомах водорода, а два "-" заряда – на не поделённых электронах атома кислорода.

Полярность молекул воды, наличие в них частично не скомпенсированных электрических зарядов порождает склонность к группировке молекул в укрупненные «сообщества» – ассоциаты. Оказывается, полностью соответствует формуле Н₂O лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии. Это показали результаты определения молекулярной массы водяного пара. В температурном интервале от 0 до 100°С концентрация отдельных (мономерных молекул) жидкой воды не превышает 1%. Все остальные молекулы воды объединены в ассоциаты различной степени сложности, и их состав описывается общей формулой (H₂O)_x.

Непосредственной причиной образования ассоциатов являются водородные связи. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и электронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды. Правда, эти связи в десятки раз слабее, чем «стандартные» внутримолекулярные химические связи, и достаточно обычных движений молекул, чтобы разрушить их. Но под влиянием тепловых колебаний так же легко возникают и новые связи этого типа. Возникновение и распад ассоциатов можно выразить схемой:

x·H₂O↔ (H₂O)_x

Различные вещества имеют различную теплоёмкость, но у воды – самая большая. Это очень важно для биосферы. За лето моря и океаны Земли поглощают огромное количество тепла, но так как теплоёмкость воды велика, то вода всё равно остаётся достаточно холодной(холоднее воздуха).

А зимой воздух становится холоднее воды и температура воды в море выше, чем температура окружающего воздуха. Таким образом вода отдаёт воздуху запасённое летом тепло. То есть моря – как огромные печки, и, климат приморских областей более мягкий.

Удельная теплота плавления льда и удельная температура испарения воды тоже велика. Это тоже очень важно для биосферы. Весной снег и лед тает медленно. А если бы удельная теплота таяния была небольшой, то ежегодно весной происходили бы катастрофические паводки.

Высокая удельная высота парообразования. Ежедневно с поверхности земли испаряется в среднем не менее 1000 км³ воды. На это уходит огромное количество тепла. Пары воды с запасённым теплом разносятся ветром далеко от места испарения. Потом где-нибудь они опять превращаются в капельки воды, при этом, выделяя теплоту испарения, нагревают воздух.

Есть еще одна важная особенность у воды. Вы знаете, что при нагревании тела расширяются и наоборот. Когда мы нагреваем какую-либо жидкость, то её плотность уменьшается, при охлаждении наоборот. А с водой не так.

Интересной особенностью воды является то, что при нагревании от 0 °C до 4 °C (3,98 °C — точно) вода сжимается. При этой же температуре воды имеет наивысшую плотность. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах когда температура падает ниже 4 °C, более холодная вода, как менее плотная, остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура. На первый взгляд это не имеет значения. Если бы плотность воды увеличивалась по мере охлаждения, то зимой все водоёмы замерзали бы до дна. Тяжёлый лёд опускался бы на дно, вытесняя воду.

Плотность льда меньше плотности воды, поэтому лёд в воде не тонет. Зимой, охлаждаясь на поверхности вода опускается вниз, а внизу поднимается более тёплая и так до тех пор, пока вода не охладится вся до 4 °C. Потом образуется лёд. Когда вода превращается в лёд, её объём увеличивается на 1/10 часть. Это свойство воды ведёт к разрушению горных пород. Вода попадает в трещинки скал и замерзая, действует как взрывчатка. Сила замерзания воды огромна.