3. Состав гидросферы и атмосферы Земли

Вода – важнейшая составная часть земной коры и окружающей среды. Без нее невозможны все геологические, биологические и геохимические процессы развития жизни на Земле. Важнейшими свойствами природных вод являются их способности переходить из одного агрегатного состояния в другое, создавать растворы, содержащие различные соли и органические вещества, вступать в химические и геохимические реакции и процессы гидролиза, гидратации, сорбции, комплексообразования.

Вода – самая важная среда миграции в земной коре. Все природные воды связаны между собой, находятся в постоянном движении и представляют единое целое – гидросферу Земли.

Большая часть гидросферы приходится на долю мирового океана, меньшая – на поверхностные и подземные воды континентов. В сумме на долю морей и океанов приходится около 76,4% земной поверхности, 22,3% - подземные воды, 1,3% - остальные. Главные элементы гидросферы по весу: кислород – 85,8, водород – 10,72, хлор – 1,93, натрий – 1,03, в малых количествах присутствуют магний, золото, уран и др.

Без воды была бы невозможной жизнь организмов, существующих сейчас на Земле. При этом для большинства из них, в том числе и людей, нужна не любая вода, а пресная, т.е. такая воды, в 1 литре которой содержание сухого остатка меньше 1 г. Такой воды содержится на Земле около 2%, 70% всей гидросферы (моря и океаны) – имеют среднюю соленость 3,5 г/л, а соленость минерализованных подземных вод континентов часто доходит до 200 г/л.

По общей минерализации вод выделяют следующие типы вод:

1. Ультрапресные воды (менее 0,1 г/л) – к ним относятся атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды материков в районах влажного климата.

2. Пресные воды (0,1-1 г/л) – характерны для большинства рек и озер влажного климата, многих грунтовых, пластовых и трещинных вод. Эти воды составляют главную базу питьевого и технического водоснабжения.

3. Солоноватые воды (1-3 г/л) – распространены в степях, пустынях и сухих саваннах, в артезианских бассейнах. Они насыщены CaCO₃, MgCO₃, частично CaSO₄. Поэтому растворяющая способность вод ослаблена, при небольшом повышении концентрации из них осаждаются труднорастворимые соли, которые обусловливают карбонатизацию и огипсование почв и пород.

4. Соленые воды (3-36 г/л) – океанические, многие поверхностные и подземные воды материков. Самые распространенные воды нашей планеты.

5. Рассолы (более 36 г/л) – характерны для некоторых соленых озер, глубоких горизонтов пластовых вод, глубоких трещинных вод изверженных пород

Атмосферный воздух выполняет сложную защитную экологическую функцию, предохраняя Землю от холодного Космоса и потока солнечных излучений. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формируются климат и погода, задерживается масса метеоритов.

Первоисточником атмосферы является дегазация мантии, которая осуществляется и в современную эпоху. В химическом составе атмосферы (до высоты 90 км) главными являются азот, кислород и аргон. Главная геохимическая особенность газов - их высокая подвижность, они мигрируют интенсивнее, чем вещество в твердом и жидком состоянии.

В биосфере газы образуют преимущественно элементы правой части периодической системы, т.е. типичные неметаллы. В гидротермальных и магматических системах в газообразной форме мигрируют также кремний, олово, свинец, германий, щелочные металлы и другие элементы.

Роль газов в земной коре зависит от кларков и химической активности элементов. Активные элементы с высокими кларками образуют ведущие газы – O₂, CO₂, водяной пар H₂O, H₂S, CH₄ и H₂. Растворяясь в водах, они определяют условия миграции многих элементов. Поэтому по составу ведущих газов называются важнейшие геохимические обстановки в водах – окислительная, сероводородная и др. Большинство газов в силу химической инертности (неон, аргон) или низкого содержания (I₂, H₂Se и др.) не относятся к ведущим.

Надземная атмосфера простирается на расстоянии свыше 1000 км, ее масса составляет сотые доли процента от массы земной коры. По термодинамическим условиям она расчленяется на ряд оболочек: тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу (термосферу) и метасферу (экзосферу). Около 80% газов сосредоточено в тропосфере, которая на экваторе простирается до 16, а над полюсами – до 8 км. На уровне моря сухой воздух (за вычетом паров воды) содержит 78,09% азота и 20,95 объемных процента кислорода, т.е. наземная атмосфера имеет азотно-кислородный состав. Остальные газы – аргон (0,93%), водяной пар, углекислый газ, значительно меньше оксидов азота, аммиака, озона, водорода, метана, гелия, неона, криптона, ксенона, радона, ртути и др.

На состав атмосферы существенное влияние оказывает вулканизм, поставляющий H₂O, CO₂, H₂, CO, N₂, SO₂, Cl₂, H₂S, HCl, B(OH)₃, NH₃, CH₄ и другие газы. В течение года действующие вулканы выделяют в атмосферу миллионы тонн HF и HCl. В вулканических районах идут «кислотные дожди» с рН=2,4-2,5 и минерализацией до 250 мг/л.

В стратосфере сосредоточено около 20% массы атмосферы, а в более высоких слоях не более 0,5%. Плотность верхних слоев атмосферы крайне мала и на высоте 250 км составляет лишь 4*10^-13 г/см³. Частицы здесь движутся с большой скоростью, и температура среды местами превышает 100^оС (250^оС на высоте 180 км).

В стратосфере и мезосфере в результате фотохимических реакций образуется озон: О₂+О=О₃. Озоносфера – защитная оболочка, расположенная в стратосфере на высоте 21-26 км, предохраняющая биосферу от биологически активной ультрафиолетовой радиации Солнца с длиной волны менее 310 нм. Мощность озонового слоя при обычных условиях составляет 1,7-4 мм.

Газы почв. Их состав существенно отличается от состава газов атмосферы. Общий объем пор и пустот в почвах колеблется от 25 до 60%, заполняются они газом и почвенными растворами. Микроорганизмы почвы, растения и животные выделяют в приземную и почвенную атмосферу помимо углекислого газа, воды, азота, кислорода (только растения), также разнообразные летучие органические соединения, среди которых установлены метан, этилен и др. органические соединения. Основными компонентами почвенных газов являются азот (78-80%), кислород (0,1-20%) и углекислый газ. По сравнению с атмосферным воздухом в почвенном резко (в среднем в 10 раз) повышено содержание СО₂. Он выделяется корневыми системами высших растений и аэробными организмами, которые энергично поглощают почвенный кислород.

Если затруднен газообмен почв и атмосферы (это бывает при избыточной увлажненности, когда водой заняты микро- и макропоры, или при очень плотном сложении почв), в составе газов почв резко уменьшается содержание кислорода и появляется метан, сероводород, аммиак, что связано с развитием анаэробных микробиологических процессов.

Над некоторыми месторождениями полезных ископаемых и над разрывными нарушениями в почвы из более глубоких горизонтов Земли поступают газы – углеводороды (в основном, метан), гелий, азот, сероводород, СО, аргон, ртуть, радон, ксенон, криптон. На этом явлении основаны геохимические методы поисков.

ЛЕКЦИЯ № 6