1.6. Гидросфера
Гидросфера – совокупность всех океанов, морей, водных объектов суши (рек, озер, водохранилищ, подземных вод), а также запасов воды в виде льда (ледники, снежный покров). Верхней границей распространения воды считается высота тропопаузы (8…17 км); нижней границей – уровень на 10 км ниже дна океана, на 6…14 км ниже поверхности суши.
Объем воды на Земле составляет 1,4·109 км3 (1,4·1018 тонн), из них около 97 % – соленая вода Мирового океана. Суммарный объем вод суши (подземных, почвенных, ледниковых, в реках, болотах, озерах) исчисляется миллионами км3. Воды атмосферы имеют объем до 14 тыс. км3. Для питья пригодна пресная вода, на которую приходится около 3% объема всей воды на Земле. Кроме того, 3/4 пресных вод находится в Арктике и Антарктике, 1/5 – в подземных водах, и только 1/100 – в облаках, реках и озерах, то есть наиболее доступна для людей и животных.
Природная вода – это многокомпонентная смесь воды и неорганических солей, органических веществ, коллоидных и более крупных частиц, растворенных газов (кислород, азот, сероводород, инертные газы и др.). По солености (количеству граммов минеральных веществ, растворенных в 1 кг природной воды, обозначается ‰ (промилле)) воды подразделяют на пресные (менее 1 ‰), солоноватые (1…25 ‰), соленые (25…50 ‰), рассолы (более 50 ‰). По преобладающему аниону все природные воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные, по катиону – на кальциевые, магниевые, натриевые (в классификации О.А. Алекина).
Океаническая вода благодаря перемешиванию более однородна по солевому составу (30…37 ‰) по сравнению с морской, соленость которой варьирует от 10…12 ‰ (Балтийское, Азовское моря) до 40…42 ‰ (Красное море). Сильное влияние на соленость оказывает испарение и осадки. Преобладание дождей опресняет океанскую воду на экваторе, высокое испарение осолоняет воды Красного моря.
Реки и тающие льды оказывают опресняющее действие. Так, влияние Амазонки ощущается на расстоянии 1000 км от ее устья. Существенно опресняют арктические моря реки Обь, Енисей, Лена, значительно опреснена вода верхних слоев Северного Ледовитого океана (29…34 ‰, у берегов менее 10 ‰). При замерзании льда соленость остающейся воды увеличивается.
Распределение солености по глубине зависит от условий перемешивания с вышележащими слоями и от горизонтального переноса течениями. В океанах существуют слои повышенной и пониженной солености толщиной в сотни метров, простирающиеся по горизонтали на тысячи километров.
Несмотря на то, что концентрация растворенных солей для морей и океанов различается, их соотношение для основных десяти ионов почти одинаково (закон Дитмара); эти ионы дают почти 100% от общей массы солей Мирового океана (см. табл. 1.7). На оставшиеся доли процента приходятся практически все другие элементы таблицы Менделеева.
Таблица 1.7
Концентрации основных ионов в морской воде средней
солености (35,16 ‰) и их доля от массы солей, %
Анионы
|
Концентрация, ‰
|
Доля, % от массы солей
|
Катионы
|
Концентрация, ‰
|
Доля, % от массы солей
|
Cl −
|
19,35
|
55,0
|
Na+
|
10,76
|
30,6
|
SO4 2−
|
2,70
|
7,7
|
Mg2+
|
1,30
|
3,7
|
HCO3−
|
0,14
|
0,4
|
Ca2+
|
0,41
|
1,2
|
Br −
|
0,07
|
0,2
|
K+
|
0,39
|
1,1
|
H3BO3−
|
0,03
|
0,07
|
Sr2+
|
0,01
|
0,03
|
Сумма
|
22,29
|
63,37
|
Сумма
|
12,87
|
36,63
|
Состав вод моря и суши сформировался и продолжает формироваться по различным механизмам. В морской воде большинство анионов своим происхождением обязаны газам, вырывавшимся из мантии (масштабы подводного вулканизма и в настоящее время в десять раз превосходят масштабы вулканизма на суше). Главные катионы морской воды происходят из материала, поступившего с суши.
Состав вод в реке, озере, подземном источнике формируется в результате прохождения дождевой, снеговой или ледниковой воды через грунты и почвы. Речные воды, как правило, относятся к гидрокарбонатному классу и кальциевой группе. Подземные воды нередко относятся к сульфатному классу и магниевой группе.
Наименьшую соленость имеют озера в зонах избыточного и достаточного увлажнения (например, Ладожское, Онежское – менее 0,1‰), наименьшую – в условиях засушливого климата (например, озера Эльтон, Баскунчак, Мертвое море – 200…300 ‰).
От менее засушливых районов к более засушливым увеличивается соленость воды, причем в этом же направлении происходит трансформация основного катионного и анионного состава: из гидрокарбонатного класса воды переходят в сульфатный и затем хлоридный, а из кальциевой группы – в магниевую и натриевую.
В условиях высокой концентрации солей может начаться их осаждение. В качестве примера можно привести содовые озера Кулундинской степи (осаждается Na2СO3∙10H2O), залив Кара-Богаз-Гол Каспийского моря (осаждаются Na2SO4∙10H2O и MgSO4∙7H2O), озеро Баскунчак (осаждается NaСl).
Содержание растворенных газов в разных частях Мирового океана варьирует. Концентрации атмосферных газов в поверхностных водах близки к равновесным концентрациям, определяемых процессом обмена между водной и газовой фазой. Они определяются по закону Генри:
 ,
где Сi – концентрация растворенного i-го компонента в воде, KГ – константа Генри, зависящая от температуры, рi – парциальное давление газообразного i го компонента в атмосфере. Для газов, активно участвующих в биохимических процессах (СО2, О2, СН4, H2S), концентрации значительно отклоняются от равновесных и отличаются неравномерном распределением в толще воды.
Как уже было отмечено, водные объекты (озера, моря, океаны) характеризуются неоднородностью свойств. Тонкий слой воды, в котором изменение температуры с глубиной происходит более резко, чем в прилегающих слоях, называется термоклин. Уровень расположения и толщину термоклина определяют интенсивность прогревания воды Солнцем, турбулентное перемешивание воды ветром и др. Во многих случаях термоклин отделяет верхний слой теплой перемешанной воды (толщиной до 100 м) от нижнего слоя спокойной холодной воды.
Хемоклин – это слой, в котором наблюдается резкое изменение содержания в воде химических веществ. Обычно хемоклин наблюдается, когда благодаря местным условиям создается придонный слой воды, обедненный растворенным кислородом, и поверхностный хорошо аэрированный слой. Классическим примером является Черное море, верхний (до 50м) и нижний слои которого не перемешиваются годами. Анаэробные организмы обитают под хемоклином, аэробные – над ним, а фотосинтезирующие анаэробы живут в области хемоклина, используя сероводород, образующийся в результате анаэробного разложения органических веществ на дне. Галоклином называют слой воды с резким изменением солености.
Содержание в воде биогенных элементов, участвующих в жизнедеятельности организмов (N, P, Si, Fe и др.), составляет несколько миллиграммов в литре. Их присутствие в виде усвояемых растворенных соединений определяет возможность существования и размножения продуцентов – микро- и макроорганизмов, создающих органические вещества из неорганических путем фотосинтеза или хемосинтеза. Биомасса бактериальных и растительных продуцентов (цианобактерий, фитопланктонных водорослей, других водных растений) является основой для развития остальных форм жизни в воде.
Большое значение для транспорта биогенов имеет такое явление как апвеллинг – подъем из глубины на поверхность холодных вод, которые более богаты соединениями азота и фосфора благодаря разложению тонущих органических остатков. В зонах апвеллинга хорошо развиваются фитопланктон и зоопланктон, что имеет большое значение для рыболовного промысла. Механизм формирования прибрежного апвеллинга связан с действием ветра, который дует вдоль берега моря. Он приводит в движение поверхностные слои воды, которые под действием силы Кориолиса отклоняются перпендикулярно направлению ветра (вправо в Северном полушарии, влево в Южном), в результате чего верхние слои воды отходят от берега, и на их место поднимается вода из глубины. Существуют и другие механизмы возникновения апвеллинга.
Значительное увеличение содержания биогенных элементов в воде может вызвать эвтрофикацию – повышение уровня первичной продукции, т.е. увеличение образования органического вещества организмами-продуцентами. Эвтрофикацию следует рассматривать как закономерное развитие экосистемы, однако оно сопряжено с перестройкой взаимосвязей между живыми и неживыми компонентами водного объекта. В результате происходит увеличение или уменьшение численности отдельных видов, изменение свойств и состава воды, что может быть неприемлемо с точки зрения хозяйственного использования водных объектов (например, в качестве источника питьевой воды или для разведения рыбы).
Основной причиной эвтрофикации для озер часто является увеличение поступления фосфора (иногда азота), для морских водоемов – повышение содержания азота. В большом количестве биогенные элементы могут поступать с бытовыми сточными водами или в результате смывания с полей удобрений, поэтому наиболее опасна антропогенная эвтрофикация (она происходит быстрее природной).
Повышение содержания в воде минеральных биогенов ускоряет развитие водных растений и накопление органического вещества в водоеме. В результате бурного развития фитопланктона происходит «цветение» воды: она приобретает интенсивную окраску, которая зависит от преобладающего вида водорослей (обычно зеленую, но возможна и желто-коричневая или красная окраска). Число водорослевых клеток при этом составляет от сотен до миллиона на миллилитр воды.
Увеличение численности водорослей, скапливающихся у поверхности, приводит к затенению нижерасположенных слоев воды. Это приводит к массовому отмиранию обитающих там водных растений. Их биомассу разлагают бактерии-редуценты, активно потребляющие при этом растворенный кислород, что приводит к дефициту кислорода в водоеме. Кроме того, в результате отмирания водорослей интенсифицируются анаэробные гнилостные процессы с выделением дурно пахнущих и токсичных компонентов (аммиак, сероводород, индол, скатол), и на дне водоема скапливаются черные липкие отложения. При «цветении» сине-зеленых водорослей в воду в значительном количестве выделяются цианотоксины – вещества, вызывающие аллергические реакции, поражающие печень, иммунную и нервную систему человека и животных. Из-за недостатка кислорода, пищи и убежищ гибнут ракообразные, рыба, моллюски. В результате вода становится непригодной для питья и купания.
Водное органическое вещество представлено по большей части гуминовыми кислотами и фульвокислотами, придающими воде желтый или коричневый цвет. Их содержание составляет до 3 мг/л в морской воде, до 20 мг/л в речной воде и до 200 мг/л в водах болот. Гуминовые соединения образуются в результате длительного разложения органических остатков в почве и воде. Они имеют сложную нерегулярную структуру (см. рис. 1.5), молекулярная масса гуминовых кислот может достигать десятков тысяч а.е.м.. В зависимости от источника элементный состав гуминовых веществ варьирует, они содержат (в масс %) 40…60% углерода, 3…5% азота, 3…6 % водорода, 33…37 % кислорода, до 0,7…1,2 % серы и до 0,5 % фосфора.
-
|
Рис. 1.5. Модель структурного фрагмента гуминовой кислоты (по Кляйнхемпелю, 1970)
|
Благодаря наличию различных функциональных групп (гидроксильных, карбоксильных, фенольных, аминогрупп, и т.д.) гуминовые и фульвокислоты могут связываться с широким спектром неорганических и органических веществ, в том числе токсичных (тяжелые металлы, радиоактивные изотопы, пестициды и др.). В результате вредное воздействие этих веществ на водных обитателей уменьшается (благодаря тому, что снижается их поступление из воды в организм), однако повышается мобильность этих веществ (например, металлы не образуют нерастворимых солей и не выпадают в осадок, а в виде комплекса с гуминовыми веществами остаются в воде и переносятся течениями на большие расстояния). Поэтому, изучая загрязнения окружающей среды, важно учитывать взаимодействие токсикантов с водным органическим веществом и помнить, что результат взаимодействия может носить сложный и неоднозначный характер.
В чистом виде гуминовые вещества не токсичны и благоприятно действуют на живые организмы – стимулируют рост растений, способствуют формированию и укреплению иммунной системы животных. Однако при дезинфекции природной воды для питьевого водоснабжения из гуминовых веществ образуются токсичные побочные продукты дезинфекции. Наиболее опасны хлорорганические соединения, образующиеся в результате взаимодействия гуминовых веществ с активным хлором – хлороформ, четыреххлористый углерод, хлорфенолы, диоксины и др. Они обладают мутагенным и канцерогенным действием. Для снижения содержания побочных продуктов хлорирования необходимо удалять из воды гуминовые соединения, применять более безопасные технологии очистки и дезинфекции воды.
Мировой океан играет важную роль в ряде процессов планетарного масштаба. Он участвует в глобальном движении химический соединений – растворенных газов и солей, а также взвешенных веществ. Круговороты газов будут описаны ниже в разделах для соответствующих элементов. Соли поступают как с суши в океан, так и из океана на сушу, однако преобладает первый поток. Ежегодно из океана в атмосферу в результате выбросов при волнении и физического испарения поступает 5,0 млрд. т солей, а возвращается с атмосферными осадками и пылеватыми частицами 4,5 млрд. т, то есть 0,5 млрд. т/год солей поступает из океана на сушу. Значительно больше солей поступает с суши в океан – 4,53 млрд. т, складывающиеся из солей речных (3,1 млрд. т), ледниковых (0,03 млрд. т) и подземных вод (1,2 млрд. т), а также растворения речных взвесей (0,2 млрд. т). Реки также сносят в океаны ежегодно около 15,7 млрд. т взвешенных веществ, что соответствует смыву с поверхности суши около 0,1 мм/год. Однако реальные масштабы эрозии поверхности суши больше на несколько порядков, а массы смытого грунта не достигают океанов, накапливаясь у подножия склонов, в устьях, ручьев, на речных поймах и т.д.
Плотность воды в Мировом океане зависит от ее температуры и солености. Различия в этих параметрах являются движущей силой межокеанской циркуляции воды – термохалинной цикруляции или глобального океанского конвейера (см. рис. 1.6). Ее возникновение во
Рис. 1.6. Упрощенная схема глобального океанского конвейера 2. Черными стрелкам показаны верхние (идущие ближе к поверхности) теплые ветви течений, белыми стрелками — нижние (идущие глубоко) холодные ветви течений
многом определяется особенностями географического положения Атлантического океана, формирующим своеобразную картину тепло- и влагообмена на его поверхности.
На интенсивность межокеанской циркуляции могут повлиять массы пресной воды, поступающие в Северную Атлантику в результате таяния льдов. Менее плотные массы пресной воды поступают в ту область, где должны погружаться охладившиеся массы соленой воды. Если плотность воды понизится, она перестает «тонуть» и приводить в движение весь конвейер. Такое происходило 11 тыс. лет назад – конвейер остановился на тысячу лет, вызвав сильнейшее похолодание в Европе. В настоящее время такие последствия не грозят, однако возможно снижение интенсивности циркуляции конвейера из-за глобального потепления на 20…50% (по разным моделям).
|
