47

2. Гидросфера земли: история, границы, структура, свойства воды

Веселый водовоз в замечательной кинокомедии Григория Александрова «Волга-Волга» весьма легко и доходчиво объясняет зрителям причины выбора столь экзотической профессии: «Потому, что без воды и не туды и не сюды!». Лаконичности и глубине этого аргумента может позавидовать любой ученый, интересующийся природой воды. Более того, многочисленные серьезные научные исследования убедительнейшим образом доказывают абсолютную адекватность этого, на первый взгляд, очень легкомысленного заявления. Но справедливости ради следует заметить, что подобная мысль особой оригинальностью не блещет.

В свое время академик В.И. Вернадский, рассуждая о воде, отмечал: «Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество… ею проникнуто и охвачено». Такое мнение полностью разделял крупнейший специалист ХХ в. по физической химии воды профессор Э.Х.Фрицман, полагавший, что «aqua omnia sunt» – вода существует везде. Действительно, воду мы встречаем повсюду. Трехдневный человеческий зародыш состоит из нее на 97%, трехмесячный – на 91, а восьмимесячный – на 81. Организм взрослого человека также, кстати, как и зрелые бактерии, содержит почти 80% воды. В растениях, животных, воздухе, даже в каменной оболочке Земли присутствует живительная влага. Верблюд, например, за счет окисления жира, содержащегося в горбу, может произвести 40 л воды, а человек, выпивая 2.5 литра воды в сутки, за это же время промывает свой кишечник 10 л жидкости, выработанной организмом.

***

Гидросфера – непрерывная оболочка Земли, включающая всю воду в жидком, твердом, газообразном, химически и биологически связанном состоянии. Гидросфера формировалась под влиянием общепланетарных геофизических процессов, в результате которых возникли и сопряженные с гидросферой мантия, литосфера и атмосфера нашей планеты. Единство гидросферы, кроме непрерывности, определяется постоянным водообменом между отдельными ее компонентами и переходом воды из одного состояния в другое.

Основная масса гидросферы образовалась около 4-3.5 млрд. л. н. в архейскую эру при дегазации вещества верхней мантии Земли (рис.2.1). При излиянии на поверхность Земли базальтов происходит дегазация 7% ювенильной воды в виде водяного пара и жидкой воды. Далее, по мере охлаждения, пары воды и другие газы: аммиак, метан, окись и двуокись углерода - угарный, углекислый газ, конденсировались, образуя кислый раствор, содержащий ионы хлора, серы, углерода и множества других элементов. Одновременно с постепенным растворением горных пород этот раствор нейтрализовался и обогащался ионами натрия, магния, кальция, калия, стронция. Получается, что уже на заре образования гидросферы праокеан был соленым и содержал почти все элементы современного солевого состава.

Рис.2.1. Типичная обстановка в атмосфере (вверху) и на поверхности Земли 4 млрд. лет назад по представлениям современных исследователей ее истории.

Общая площадь гидросферы, включая моря, океаны, озера, реки, водохранилища, болота, составляет более 380 млн. км² или 75% поверхности Земли. Ледники покрывают 14-16 млн. км² или 11% суши. Моря и океаны занимают 361.2 млн. км² (70.8%), озера и реки – 2.3 млн. км² (1.7%), болота – около 3 млн. км² (2%), а водохранилища – 0.4 млн. км² (0.5%) поверхности Земли).

Верхняя граница гидросферы располагается на высоте около 300 км и практически совпадает с верхней границей атмосферы. Полагают, что на больших глубинах (до 60 км, а под зонами разломов в океане – до 100 км) вода из мантии поступает в астеносферу в виде летучих гидридов щелочных металлов и легкоплавких силикатов, которые затем дегидратируются в пары воды и задерживаются (дренируются) в зонах океанических разломов. Так в природе формируется подстилающая, «дренажная оболочка» или нижняя граница гидросферы. Мощность ее под материками достигает 12-15 км, а под океанами - 3-5 км.

Все воды, содержащиеся в пределах этих границ, под влиянием солнечной радиации и силы притяжения (гравитации) участвуют во влагообороте Земли, обновляясь в атмосфере за 8 дней, в руслах рек – за 10-20 суток, в почве – за один год, в озерах – за 7-10 лет. В океанах вода обновляется за 3000 лет, для воды, законсервированной в ледниках, этот цикл составляет 8-16 тыс. лет (в Центральной Антарктиде – 200 тыс. лет). Подземные воды в зоне активного водообмена (0.3-0.5 км) обновляются тысячи лет, в зоне замедленного водообмена (до 1.5-2 км) - за десятки и сотни тысяч лет, а глубже 2-5 км в зоне пассивного водообмена - за миллионы лет (рис.2.2).

Общее количество воды в гидросфере Земли в слое от 300 км над поверхностью до 60-100 км в коре планеты по оценкам разных авторов составляет около 3.3 10¹⁸ тонн, или 3.3 млрд.км³. В недрах мантии Земли до глубин 2700 км может содержаться еще от 3 до 28 млрд. км³ воды.

1). Подземные грунтовые (до 0.1 км) и поровые воды (до 1.5-2 км) находятся в жидкой фазе в количестве 66-100 млн. км³ и имеют питание из поверхностных вод и вод атмосферы.

В земной коре на глубинах  5-10 км вода имеет преимущественно эндогенное происхождение. Здесь при температуре 374⁰С (для пресной) и 425⁰С (для насыщенных растворов), давлении 218 атм молекулы воды приобретают скорость газовых, сохраняя плотность жидкости. Это состояние жидкости называют водяной плазмой. По современным (1998 г.) оценкам в слое от 5-10 до 20-25 км гипотетически содержится 1.3 млрд. км³ воды, а в слое 25-70 км ее не менее 0.6 млрд. км³. Из этих 1.9 млрд. км³ в гидросиликатах связано 713 млн. км³ влаги (в континентальной коре – 446, в океанической – 358 млн. км³), остальное – «плазма».

2). Поверхностные воды Земли располагаются от максимальных глубин океана (Марианский желоб, Тихий океан, 11022 м) до максимальных высот высокогорных снегов (Эверест, Б. Гималаи, 8848 м). Их суммарный объем составляет около 1400 млн. км³. При этом в Мировом океане содержится 1370 млн. км³, в материковых ледниках – 24-30 млн. км³, в морских льдах - 4 млн. км³, в снежном покрове – 1.3 млн. км³ воды. В реках ее количество оценивается в 1.2 (за год 50) тыс. км³, в озерах – до 275 тыс. км³, в болотах – 10-12 тыс. км³, а в водохранилищах - 6 тыс. км³ .

3). Запас влаги в атмосфере (14 тыс. км³) составляет всего 0.0005% от ее общего количества в гидросфере. Вода здесь находится в виде пара, капельно-жидкой влаги (облака) и кристаллов льда.

Таким образом, оценки конца ХХ начала XXI вв. подтвердили предположение В.И.Вернадского (1942 г.) о том, что содержание воды в недрах и на поверхности Земли примерно одинаково. При этом расчеты количества пресной воды в гидросфере планеты (2% от общего объема поверхностных вод), выполненные в середине прошлого века (1969 г.), совпадают с современными (2.6%).