Лекции / Л12 Экология гидросферы

ГИДРОСФЕРА

Гидросфера - водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных ввод. Общая площадь океанов и морей в 2,5 раза больше площади суши. На 75% площади преобладают глубины от 3 до 6 тыс. м.

Классификация природных вод и характеристика их примесей. Таблица 5. Распределение водных масс в гидросфере

Растворенные вещества определяют соленость - массу растворенного вещества, в граммах, в 1000 г морской воды.

Различают соленые воды Мирового океана и внутренних морей; пресные воды суши, сосредоточенные в горных льдах, реках, озерах, болотах. Соленые воды Мирового океана и внутренних морей содержат 3,5% солей. Пресные воды суши (горные льды, реки, озера, болота) содержат менее 0,1% солей.

Соленость воды определяется катионами: Na+, Mg2+, Ca2+ и анионами Cl-, SO42-, HCO3-. Соотношения концентрации ионов достаточно постоянны.

В морской воде:

Na+> Mg2+> Ca2+, Cl- > SO42- > HCO3-

1

В материковых водах:

Ca2+ > Na+ > Mg2+, HCO3- > SO42- > Cl-

Пресные воды, содержащие значительное количество солей, называются жесткими. Различают:

1.Временная (карбонатная) жесткость, которую можно удалить при кипячении, т.к. она обусловлена присутствием Ca(HCO3)2 и

Mg(HCO3)2:

Ca(HCO3)2®CaCO3 + CO2 + H2 O

Образуется, в основном, при прохождении воды, насыщенной CO2, через известковые породы:

CaCO3 + CO2 + H2 O® Ca(HCO3)2

CO2 + H2 O « H2CO3

H2CO3 « Н+ + НCO3-

2.Постоянная (некарбонатная) жесткость обусловлена присутствием солей металлов: SO42-,Cl-, NO3-, и др., которые не удаляются при

кипячении.

Если суммарная концентрация ионов Mg2+ и Ca2+ меньше 4 ммоль/л, то вода мягкая; 4÷8 ммоль/л вода - средней жесткости; 8÷12 ммоль/л вода - жесткая

иболее 12 ммоль/л вода - очень жесткая. Наиболее мягкая вода - из атмосферных осадков (дожди, снег), содержит менее 0,1 ммоль/л ионов Mg2+

иCa2+.

р.Амур Москва-река Урал Океан Жесткость, ммоль/л 1,45 4,5 8,2 130

Еще одна характеристика природных вод - общая минерализация воды, определяется суммарной концентрацией (г/л) всех молекул, ионов, различных соединений, содержащихся в воде. Хорошая питьевая вода содержит менее 0,5 г/л растворенных веществ; пресная вода содержит 0÷1 г/л; минеральная вода - 1÷30 г/л, а соленая вода более 30 г/л.

2

Газообмен между атмосферой и гидросферой

Все газы, содержащиеся в атмосфере, частично присутствуют в растворенном состоянии в гидросфере. Между атмосферой и поверхностными слоями воды через поверхностную пленку осуществляется газообмен, причем благодаря диффузии и перемешиванию, газы равномерно распределяются в объеме воды.

Таблица 6. Диапазон значений рН для различных видов природных вод

При нормальных условиях поверхностный слой воды насыщен газом в соответствии с его содержании в атмосфере и давлением, и в большинстве случаев вода содержит максимально допустимое количество газа.

Эта величина определяется законом Генри, который связывает между собой массу газа в единице объема растворителя с парциальным давлением газа, находящимся в равновесии с растворителем:

m=kP,

где k - коэффициент Генри; P- парциальное давление газа; m - масса газа в единице объема растворителя.

Общее содержание кислорода в гидросфере меняется в пределах 6÷12

ppm. Растворимость кислорода понижается с увеличением температуры и

3

солености воды, поэтому холодные пресные воды содержат больше растворенного кислорода, чем теплые соленые.

Карбонатное равновесие

Система "CO2-CO3-2" является одной из наиболее сложных и важных для гидросферы. Она участвует в обмене "воздух-поверхностные слои воды", влияет на химию водной системы, биологическую структуру организмов и отложение осадков, содержащих углерод. От этой системы зависит величина рН среды, что непосредственно влияет на некоторые химические равновесия в данной локальной системе, особенно в отношении ионов тяжелых металлов. Величина рН непосредственно влияет на биологический цикл организмов, в котором углерод используется в процессах развития, гибели и разложения.

Распределение CO2 неравномерно и частично зависит от биологической активности в данном районе. Подобно кислороду, содержание CO2 в поверхностных слоях воды является функцией его содержания в атмосфере, т.е. парциального давления. Однако схемы распределения CO2 и O2 сильно отличаются друг от друга. Так, поверхностные воды Индийского океана вблизи экватора перенасыщены CO2. Это указывает на аномалию равновесной растворимости CO2, т.е. содержание растворимого CO2 в водах Индийского океана повышается при увеличении температуры.

Распределение же общего углерода в зависимости от глубины более единообразно: наблюдается единая тенденция к повышению содержания углерода по мере увеличения глубины вследствие оседания продуктов распада погибших организмов из биологически более богатого поверхностного слоя воды.

Усваиваемый углерод является существенной частью питательных веществ и имеет первостепенное значение во всей экологической структуре гидросферы. CO2 играет основную роль в фотосинтезе.

4

0,5

Рис.13. Распределение CO2 -НCO3--CO3-2 в зависимости от значения рН.

При нормальных условиях значения рН природных систем составляет 7,0÷8,5. Для этой области значения рН основным компонентом в растворе является НCO3-. В этой форме углерод легко усваивается организмами, живущими в водной среде. Если значение рН сильно меняется, то доступность углерода может резко снизиться, что приведет к массовому уходу свободно плавающих организмов из этого раствора и бентос (совокупность организмов, живущих на дне водоема) постепенно истощается вследствие нарушения цикла воспроизводимости.

При повышении температуры кривые смещаются вправо, и общее количество углерода снижается, т.к. растворимость CO2 в воде уменьшается с повышением температуры.

В настоящее время общее содержание CO2 в гидросфере принято примерно 4×10-3 моль/л, из них более 80% в форме НCO3-. Полностью насыщенный раствор будет содержать 5×10-2 моль/л CO2, что выше принятого более, чем в 10 раз. Таким образом, повышение содержания газа в атмосфере увеличивает содержание CO2 в гидросфере. С другой стороны, увеличение содержания CO2 в атмосфере вызывает повышение температуры воздуха и, следовательно, температуры воды, что снижает растворимость CO2 в воде, его переход в атмосферу, т.е. происходит увеличение концентрации CO2 в воздухе и т.д.

Интересно проследить характер взаимодействия между тремя сферами: воздушной, водной и почвенной на примере так называемого карбонатного равновесия, основным веществом которого является CO2. В океане в 60 раз больше углекислого газа, чем в атмосфере. Вследствие того, что CO2 лучше растворяется в холодной воде, т.е. в воде высоких широт, океан действует как насос и выдувает его в атмосферу в тропиках, поэтому парциальное давление CO2 здесь выше, чем южных и северных широтах. С повышением

6

содержания CO2 в атмосфере, увеличивается его концентрация в воде океана, что способствует растворению СaСО3 и увеличению концентрации НCO3-:

СaСО3 + CO2 + Н2О Û Сa(НСО3)2

При уменьшении концентрации CO2, снижается и концентрация Н+, т.е. повышается значение рН:

СО2 + Н2О Û Н2СО3 Н2СО3 Û Н+ + НСО3-

Это способствует более интенсивному образованию СaСО3, выпадающего в осадок. Таким образом обеспечивается постоянство содержания Са2+ в океанической воде и происходит поглощение определенного избытка СО2, обусловленного антропогенными выбросами в атмосферу.

Классификация природных вод

Природные воды обычно подразделяют на атмосферные, поверхностные (отдельно выделяют морскую воду) и подземные.

1.Атмосферные воды, выпадающие на землю в виде дождя и снега. Содержат наименьшее количество примесей. В основном, это растворенные газы (O2, N2, CO2 и др.), соли, бактерии. Используются как источник водоснабжения в безводных и засушливых районах.

2.Поверхностные воды - воды открытых водоемов: рек, озер, морей, каналов и водохранилищ. В состав этих вод входят разнообразные минеральные и органические вещества в зависимости от климатических, геоморфологических, почвенно-геологических условий, агро- и гидротехнических мероприятий, развития промышленности и др. факторов.

3.Морская вода - многокомпонентный раствор электролитов и неэлектролитов, содержит все элементы, имеющиеся в земной коре. В морской воде растворены многие соли (NaCl ~ 2,6%, MgCl2, MgSO4 и др.), а также газы, входящие в состав воздуха (O2, N2 и СO2). Воды различных

7

морей и океанов отличаются друг от друга как по общему содержанию солей, так и по их составу.

4. Подземные воды - воды артезианских скважин, колодцев, ключей, гейзеров, характеризуются значительным содержанием минеральных солей, выщелачиваемых из почвы и осадочных пород, и небольшим количеством органических веществ.

Источники загрязнения водных экосистем

Вода в водоеме считается загрязненной, если в результате изменения ее состава или состояния вода становится менее пригодной для любых видов водопользования, в то время как в природном состоянии она соответствовала предъявляемым требованиям. Определение касается химических, физических и биологических свойств, а также наличия в воде посторонних жидких, газообразных, твердых и растворенных веществ. Подробнее об основных показателях качества воды, их нормировании и методах очистки см. в следующих соответствующих разделах лекции.

В настоящее время все источники загрязнения гидросферы принято делить на четыре большие группы.

1.Атмосферные воды. Приносят вымываемые из атмосферы загрязнения промышленного происхождения (оксиды серы, азота и пр.), образуя кислотные дожди. Стекая по склонам, атмосферные и талые воды увлекают с собой массу веществ с городских улиц, промышленных предприятий: мусор, нефтепродукты, кислоты, фенолы и пр.

2.Городские сточные воды, включающие преимущественно бытовые стоки, содержащие фекалии, моющие средства (детергенты), микроорганизмы, в том числе патогенные.

3.Промышленные сточные воды, образующиеся в самых разнообразных отраслях промышленности, среди которых наиболее активно потребляют (и загрязняют) воду: черная металлургия, химическая, лесохимическая,

нефтеперерабатывающая, энергетика и др.

8

4. Сельскохозяйственные стоки, содержащие смытые в процессе эрозии частицы почвы, биогены, входящие в состав удобрений, пестициды (ядохимикаты для борьбы с вредителями растений), помет сельскохозяйственных животных и ассоциированные с ним бактерии и др.

Из-за загрязнения или засорения около 70% рек и озер России утратили свои качества как источника питьевого водоснабжения. В результате около половины населения потребляют загрязненную недоброкачественную воду.

Классификация загрязнений гидросферы

Все загрязнения гидросферы условно подразделяют на следующие пять видов: химическое, механическое, бактериальное, тепловое и радиационное.

Наиболее часто встречаются химическое, механическое и бактериальное загрязнения, реже радиационное и тепловое.

Разберем каждый вид подробнее:

1.Химическое:

В свою очередь делится на органическое и неорганическое, а также все химические загрязнения водных экосистем можно подразделять на

токсичные и нетоксичные.

9

б) неорганическое:

Сюда входят соли (например, CaCO3, обуславливающая жесткость воды); щелочи; кислоты, а также тяжелые металлы и их соли, представляющие наибольшую опасность в силу высокой токсичности, стойкости и способности к биоаккумуляции (накоплению в организме). О них подробнее в отдельном файле.

2.Механическое:

К нему относятся твердые примеси, такие как: песок, ил, глина, шлам, а также твердые отходы, крупно и мелкогабаритный мусор, взвеси различных фракций (размеров).

Оналичии механического загрязнения можно судить по органолептическим свойствам воды. Это такие свойства, которые можно определить при помощи органов чувств (мутность, цвет, запах, прозрачность, консистенция, вкус, температура). С органолептических показателей начинается любой анализ воды при контроле качества. Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод.

3.Бактериальное:

Характеризуется наличием вирусов, бактерий, простейших и других патогенных (болезнетворных) микроорганизмов. Чаще всего является следствием неочищенных бытовых стоков. Здесь остановимся поподробнее.

Вводе обнаружены три группы организмов, вызывающих заболевания: бактерии, вирусы и простейшие. Болезни, которые они вызывают, охватывают широкий спектр: от таких опасных, как брюшной тиф и дизентерия, до сравнительно безобидных кожных заболеваний и заболеваний органов дыхания.

Анализ воды на присутствие всех возможных болезнетворных

организмов - задача трудная и дорогостоящая. Чтобы избежать трудоемкого исследования были разработаны специальные тесты. С

помощью этих тестов выявляют группу бактерий, присутствие которых

10