21338

Понятие и виды гидросферы. Важнейшие свойства природных вод

Реферат

География, геология и геодезия

Нижняя граница гидросферы принимается на уровне поверхности мантии (поверхности Махоровичича), а верхняя проходит в верхних слоях атмосферы. Гидросфера включает в себя Мировой океан, воды суши – реки, озера, болота, ледники – атмосферную влагу, а также подземные воды, залегающие всюду на материках

Русский

2016-09-14

201 KB

6 чел.

  1. Понятие гидросферы

Понятие «гидросфера» (греч. «гюдор» — вода, «сфера» — шар) постоянно трансформировалось. В настоящее время подгидросферой принято называть водную оболочку Земли, включающую всю несвязанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную.

Нижняя  граница гидросферы принимается на уровне  поверхности мантии  (поверхности Махоровичича), а верхняя проходит в верхних слоях атмосферы. Гидросфера включает в себя Мировой океан, воды суши – реки, озера, болота, ледники – атмосферную влагу, а также подземные воды, залегающие всюду на материках, на  дне озерных и морских впадин и под толщей вечных льдов. Таким образом, гидросфера охватывает весь комплекс земных оболочек.

Общий объем гидросферы по последним данным составляет около 1341 млн. км3. Предполагается, что это количество воды в течение геологического времени практически остается неизменным, несмотря на продолжающееся поступление воды из мантии и из Космоса (ледяные ядра комет, метеорное вещество, пыль) и потери ее за счет разложенияводы фотосинтезом и диссипации легких газов в Космосе. Однако соотношение отдельных ее видов не было постоянным и менялось в разные периоды жизни Земли.

В современную эпоху основные запасы воды сосредоточены в Мировом океане (96.5%). Пресных вод в гидросфере всего 2.58% от общих запасов воды. Больше всего пресных содержится в ледниках и снежном покрове Антарктиды, Арктики и горных стран (1.78% объема гидросферы или 69.3% от запасов пресных вод на Земле). Громадные запасы воды аккумулированы в литосфере. Доля пресных подземных вод от общего запаса пресных вод на земле составляет 29.4%. На долю рек приходится 0.006%, пресных озер – 0.25%, на воду, содержащуюся в атмосфере, – 0.03% от общего количества пресных вод.

С одной стороны гидросферу можно рассматривать как пленку соленой воды, покрывающую 71% поверхности земли, с другой стороны – главная часть машины, вырабатывающей пресную воду. Относительно экватора вода распределена неравномерно: в Северном полушарии она занимает 61% поверхности, а в Южном – 80%.

Гидросфера непрерывна и едина. Её единство заключается в общности происхождения всех природных вод из мантии Земли, в единстве их эволюции, взаимосвязи всех видов вод и способности перехода одного вида вод в другой, в единстве их функций в природе (обмен веществами и энергией).

  1. Возникновение гидросферы

Считается, что в результате Большого взрыва около 15 млрд. лет назад образовалось скопление космического материала, из которого возникла около 4,7 млрд. лет назад основная часть Солнечной системы, в том числе и наша планета (рис. 1). На начальном этапе под действием гравитационного поля Земли произошло расслоение газово-пылевого вещества, а затем в условиях разогрева земных недр развились разные по химическому составу и физическим свойствам оболочки планеты. Достигнув примерно современной массы, Земля стала разогреваться  в результате гравитационного сжатия ее недр и за счет распада радиоактивных изотопов, и в мантии началось плавление и дифференциация вещества на летучие, легкоплавкие и тугоплавкие. Тугоплавкие вещества остались в недрах Земли, легкоплавкие в виде базальта образовали земную кору. Летучие вещества: водяной пар вулканических газов, соединения углерода, серы, аммиак, галоидные кислоты, водород, аргон и некоторые другие газы  поднялись на поверхность и образовали атмосферу и гидросферу. Более тяжелые материалы скапливались ближе к центру, в то время как более легкие концентрировались у поверхности и образовывали постепенно твердеющую кору.

Ядро Земли состоит в основном из тяжелых соединений железа, там температура превышает 4000°С, а давление – более чем в миллион раз выше, чем на поверхности. Снаружи от ядра находится земнаямантия. Вещество мантии в основном существует в твердом состоянии, но оно настолько близко к точке плавления, что ведет себя в значительной степени как жидкость. Внутренний частично расплавленный слой мантии с пониженной вязкостью, который ведет себя как относительно жидкое тело, называетсяастеносферой. Наконец, снаружи находится земная кора. По сравнению с более глубокими слоями она чрезвычайно тонка и, подобно пенке на молоке, плавает по поверхности мантии (рис. 2, 3). Если вязкость литосферы оценивается в 1025 пуазов, то вязкость астеносферы на 4-5 порядков меньше – 1020-1021 пуазов.

Существуют два основных типа земной коры:океаническая иконтинентальная, их характеристики сильно различаются. Континентальная земная кора в среднем значительно толще океанической. Кроме того, океаническая кора состоит из болеетяжелых базальтов, в то время как основная порода континентальной коры - относительнолегкий гранит.

Так как земная кора "плавает" по поверхности вязкой мантии, более тяжелая океаническая кора "погружена" в мантию глубже. Пространства, занятые океанической корой, оказались в своеобразных низинах, которые заполнились водой. и определяют реальное положение океанов.

Земная поверхность покрыта плотной оболочкой, называемойлитосферой, которая включает в себяземную кору иверхнюю часть мантии. Литосфера имеет толщину от почти нулевой в зонах срединно-океанических хребтов до 100 км на окраинах океана и до 400 км - в некоторых континентальных районах. Литосфера разделена на обособленные литосферные плиты. Под литосферной плитой понимают участок (блок) литосферы, который ведет себя как самостоятельное относительно жесткое тело и способен двигаться горизонтально, перемещаясь относительно соседних таких же участков литосферы. Литосферные плиты, особенно океанические, достаточно прочны и не подвержены деформациям. Литосферные плиты "плавают" по поверхности внутреннего, частично расплавленного слоя мантии, или астеносферы.

Проблема происхождения воды и формирования гидросферы, несмотря на довольно высокий современный уровень развития наук о Земле, до сих пор является наименее разработанной. Существует множество гипотез происхождения воды и развития гидросферы, но ни одна из них не вышла из стадии рабочей гипотезы, накопления, предварительной систематизации и обобщения материалов. Все гипотезы условно можно объединить в две большие группы: 1)теллурического (земного)происхождения, 2)космического происхождения воды.I

Возможны два источника воды океанов: либо она происходит из изначально плотной атмосферы и в таком случае является столь же древней, как и сама Земля; либо она просачивается из недр Земли, то есть происходит своеобразное «ожижение» твердого вещества Земли за счет высвобождения связанной воды. Наиболее убедительной представляется гипотеза первой группы, согласно которой литосфера, атмосфера и гидросфера образовались в едином процессе, в результате выплавления и дегазации вещества мантии. По мнению, А.П. Виноградова, в момент  формирования Земли из протопланетного облака  все элементы ее будущей  атмосферы  и гидросферы находились в связанном  виде в составе твердых  веществ:  вода – в  гидроокислах, азот – в нитридах -и нитратах, кислород – в окислах металлов, углевод – в графитах, карбидах и карбонатах. Вода и анионы произошли при дегазации мантии, а катионы – продукты разрушения горных пород литосферы.

В самом деле, если принять объем Мирового океана равным 13.7 • 108 км3, а возраст Земли – 4.6 • 109 лет, то скорость равномерного поступления воды из недр Земли составит весьма малую величину 0,3 км3/год. Это вполне возможный минимальный годовой расход воды из недр Земли.

Причем почти весь водяной пар конденсировался  (температур над поверхностью Земли, не превышала 4 – 15° С), превратился в жидкую воду и тем самым сформировал «праокеаны». В первичный океан переходили, растворяясь в воде, также и другие составные части вулканических газов – большая доля углекислого газа, кислоты, соединения серы и часть аммиака. Кислоты, особенно в воде, реагировали с силикатами горных пород, из них щелочные, щелочноземельные и другие элементы. В результате вода переставала быть кислой, а растворимые соли извлеченных из силикатов элементов переходили в океан, поэтому вода в нем сразу же становилась соленой. Первичный океан, вероятно, был неглубоким, но покрывал почти всю Землю. Моря существовали на земле 1 млрд. лет тому назад.

С ростом массы гидросферы увеличивался и объем океана, изменялись его очертания, что было связано и с формированием континентальной и океанической коры. С поверхности океана испарялась вода (пресная), которая, возвращаясь в виде  дождей на земную поверхность, сформировала воды суши. Воды океана, суши и атмосферы составили единую земную оболочку –гидросферу. Это и определило одну из специфических особенностей Земли, отличающую ее от других планет Солнечной, –  постоянное наличие на ней гидросферы.

  1. Гипотезы происхождения океанов

Очертания Мирового океана в древности были иными. Согласно современным представлениям древние океаны полностью исчезли. Предложено множество гипотез происхождения океанов на планете. Наиболее убедительной в настоящее время считается теория дрейфа континентов и тектоники литосферных плит.

Альфред Вегенер предложил теорию дрейфа континентов (т.е. их горизонтальных перемещений), объяснявшую с единых позиций целый ряд явлений. Отправным пунктом в построениях А. Вегенера было удивительное сходство береговых линий континентов по разные стороны Атлантического океана, на которое обращали внимание многие естествоиспытатели еще с XVII века (Ф.Бэкон). Вегенер, однако, не остановился на том, что контуры всех приатлантических и – в несколько меньшей степени - прииндоокеанских континентов могут быть совмещены друг с другом подобно кусочкам мозаики, формирующим единое панно. Он показал практически полную идентичность позднепалеозойских и раннемезозойских геологических разрезов Африки и Южной Америки, находящихся ныне по разные стороны Южной Атлантики, и очень высокое единство позднепалеозойской флоры и фауны всех разделенных теперь океанами материков Южного полушария и Индии, сходство очертаний западных и восточных берегов Атлантического океана. Таким образом, его теория основывалась на следующих фактах:

  • сходство геологического строения ряда континентов, общность древних групп фауны и флоры;
  • следы древнего раннепалеозойского покровного оледенения на поверхности ряда материков.

Он предположил, что в конце палеозоя все материки были собраны в единый протоконтинент – Пангею, состоящий из двух блоков: северного, Лавразии (Северная Америка и Евразия без Индостана), и южного, Гондваны (Южная Америка, Африка, Индостан, Австралия и Антарктида), разделенных морем Тетис. В результате около 200 млн. лет назад все континенты были слиты в единый массив Пангею, окруженный единым океаном, называемым Панталасса. Только Антарктида занимала примерно то же положение, что и сейчас, остальные плиты находились совершенно в других местах. Например, Индия была соединена не с Евразией, а с Африкой и Антарктидой.

В составе Панталассы существовал океан Тетис, который часто называют морем. Тетис отделял будущую Евразию от Африки и был населен богатой фауной мелководных организмов. Кром е того, на севере Пангеи находилось крупное внутреннее озеро, Синус Бореалис, которое дало начало современному Северному Ледовитому океану. Следов Атлантического и Индийского океанов в то время не было.

Около 180 млн. лет назад Пангея начала раскалываться. Между соединенными тогда Южной Америкой и Африкой с одной стороны и Северной Америкой -с другой, возник новый рифт, который дал начало современному Атлантическому океану. Пангея оказалась расколотой на 2 огромных континента: Лавразию (Северная Америка и Евразия) и Гондвану (Южная Америка, Африка, Антарктида, Индия и и Австралия).

Чуть позднее новый рифт, предшественник Индийского океана, разделил Гондвану на две части, в результате чего Индия откололась от основного массива. Около 135 млн. лет назад возник новый рифт, будущая Южная Атлантика, соединившийся с североатлантическим рифтом и разъединивший Южную Америку и Африку. Площадь Атлантического океана начала увеличиваться за счет Тихого океана, который постепенно уменьшается  в размерах и в наши дни.

Наиболее древним считается Тихий океан, однако его конфигурация в прошлом несомненно была иной.  Считают, что Атлантический и Индийский океаны возникли в мезозое (примерно 140-150 млн. лет назад), а Северный Ледовитый океан – в кайнозое (примерно 40 млн. лет назад).

А. Вегенер не смог детально обосновать свою концепцию, и она не получила широкого распространения. В начале 60-х годовXX в. было сделано несколько открытий в области морской геологии, что позволило сформулировать теорию тектоники плит в ее современном виде.

В 1962 Г. Хесс сформулировал свою гипотезу разрастания (спрединга) океанического дна. Он предположил, что в мантии происходит конвекция - тепловое перемешивание вещества. Горячее, частично расплавленное мантийное вещество поднимается на поверхность по рифтовым трещинам; оно постоянно раздвигает края рифта и одновременно, застывая, наращивает их изнутри. При этом возникают многочисленные мелкофокусные землетрясения (с эпицентром на глубине несколько десятков километров). Г. Холл предполагал, что в мантии имеет место именно тепловая конвекция, однако в последнее время геофизики отводят главную рольне тепловой, а фазовой конвекции. Дело в том, что существуют и другие (помимо нагрева) способы создать в средеархимедовы силыплавучести, которые породят конвекционный ток. Внутренние слои мантии, потерявшие при контакте с поверхностью ядра часть "ядерного" (богатого железом) вещества, обладают пониженной плотностью и положительной плавучестью; внешние слои мантии, напротив, уплотнились в результате выплавки из них "легкого", силикатного, вещества земной коры и обладают отрицательной плавучестью. Под действием этих архимедовых сил плавучести в мантии и развиваются крайне медленные (порядка нескольких сантиметров в год) конвекционные токи.

«Тектоника» – это геологический термин, относящийся к движениям, происходящим в Земле (движения земной коры).

Литосфера разделяетсяна шесть-восемь первичных блоков, или плит, каждая изкоторых включает материк и часть прилегающего океаническогобассейна: Евразийская плита, Африканская плита, Американская плита,Тихоокеанская плита,Австралийская плита,Антарктическая плита.

Границы литосферных плит проходят по срединно-атлантическим хребтам, в зоне которых и происходит раздвижение плит. Движение литосферных плит происходит за счет динамических процессов в вязкой мантии. Если плита включает в себя кусок континентальной коры, континент вместе с плитой движется в сторону от хребта. Это и естьдрейф континентов, средняя скорость которого колеблется от 2 до 18 см в год.

На границах плит возможны три варианта столкновений литосферных плит.

(1)Океаническая иконтинентальная: в этом случае океаническая кора как более тяжелая всегда погружается в мантию. Именно поэтому океаническая кора (дно океана) никогда не бывает очень старой: ведь рано или поздно она "уйдет" под континент (ее возраст – не более 200 млн. лет, в то время как у континентальной -– о 3,8 млрд. лет).

(2)Две океанические: одна из плит погружается, что сопровождается землетрясениями и повышенной вулканической деятельностью.  Желоба возникают при "наползании" одной литосферной плиты на другую. Одна из плит погружается под тяжестью другой в мантию, это погружение называетсясубдукцией, а зоны погружения плит - зонами субдукции. При погружении плиты в мантию она начинает раскалываться, что вызывает частые землетрясения. Постепенно под действием внутреннего тепла Земли плита плавится и погружается в мантию, хотя часть расплавленного материала может подниматься вверх и формирует вулканы. Глубоководные желоба - самые глубоководные зоны Мирового океана, именно там находится точка с максимальной глубиной 11022 м (в Марианском желобе).В результате возникают цепи вулканических островов, которые повторяют изгибы желобов и называются островными дугами (например, Марианские или Алеутские острова).

(3)Две континентальные плиты: обе имеют большую толщину и одинаково низкую плотность. При этом ни одна из них не опускается, так что желоба не образуются. Гигантское давление приводит к тому, что породы "складываются в гармошку" и образуют горные системы. Наиболее известная из них – это Гималаи, которые возникли при столкновении Индо-Австралийской и Евразийской плит.

(4)Две океанические плиты раздвигаются, на поверхность поднимается вещетсво земной мантии и воникает новая океаническая кора (явлениеаккреции). Как правило, зоны аккреции планеты расположены под океанами. Они образуют систему подводных хребтов протяженностью 70 тыс км2. Из таких хребтов наиболее известен Срединно-Атлантический хребет, расположенный примерно на одинаковом расстоянии от американского, европейского и африканского берегов. этот хребет вздымается более, чем на 2000 м над абиссальными равнинами. лежащими по обе стороны. Обычно эти хребты состоят из серий линейных сегментов протяженностью в несколько сотен километров, разделенных поперечными разломами длиной в несколько километров. Вместе они образую зигзагообразный рисунок. Эти хребты имеют высокую активность: геофизики установили, что плиты отодвигаются друг от друга. Для различных типов хребтов характерна разная средняя годовая скорость раздвижения. В Атлантическом океане, где хребет представляет настоящую горную цепь, годовая скорость раздвижения низка, порядка 1-2 см, наоборот на относительно невысоком Восточно–Тихоокеанском поднятии – до 15-16 см/год.

Таким образом, земная кора постоянно нарастает в зоне срединных хребтов со скоростью несколько сантиметров в год и разрушается в зоне глубоководных желобов.

Границы литосферных плит очерчены узкими зонами очагов землетрясений, где одна плита движется относительно другой. Выделенытри типа границ.Первая называется границейконвергентных плит-она проходит там, где плиты движутся навстречу одна другой и сталкиваются или где одна плита погружается под другую и поглощается недрами Земли.

Границавторого типа, именуемая границейдивергентных плит, разделяет соседние плиты, движущиеся в разные стороны, потому что к каждой из них в процессе спрединга океанского дна добавляются новые порции литосферы. Новая литосфера, более или менее симметрично движущаяся в обе стороны от границы дивергентных плит, действует как лента конвейера, разносящая материки в стороны – это движение стали называтьдрейфом материков. Существование границ двух типов-конвергентных, где литосфера разрушается, и дивергентных, где она формируется, заставляет полагать, чтодиаметр Земли коренным образомне изменяется.

Границатретьего плитотектонического типа-это границапараллельных плит, вдоль которой две соседние плиты движутся, касаясь друг друга кромками по общей поверхности раздела.

В последние годы показано, что соответствие контуров материков, особенно заметное по изобате (глубине) 1800 м, больше всего соответствует границе континентальных блоков. Доказаны перемещения магнитного полюса за последние 400 млн. лет. Выяснилось, что магнитный полюс Земли раз в несколько миллионов лет меняет знак: нынешний северный магнитный полюс находится попеременно то вблизи северного, то вблизи южного географического полюса планеты. Считается, что перемещения полюса связаны со смещением литосферных блоков относительно земной оси. Создана геомагнитная шкала времени, по которой был установлен возраст коры в разных частях океана и определена скорость расширения океанического дна. Было установлено увеличение возраста дна океана по мере удаления от срединно-океанических хребтов в сторону континентов. Эти данные подтверждают правильность теория дрейфа континентов и тектоники литосферных плит.

2. Важнейшие свойства природных вод

2.1  Свойства воды как химического соединения

Вода — одно из самых удивительных соединений на Земле — давно уже поражает исследователей необычностью многих своих физических свойств.

Только вода в нормальных земных условиях может находиться в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Это обеспечивает вездесущность воды, она пронизывает всю географическую оболочку Земли и производит в ней разнообразную, работу.

затратами (испарение, таяние) или выделением (конденсация,  замерзание) соответствующего количества тепла. На таяние 1 г льда необходимо затратить 677 кал, на испарение 1 г воды— на 80 кал меньше. Высокая скрытая теплота плавления льда обеспечивает медленное таяние снега и льда.

Характерная особенность воды – наличие водородных связей между атомами кислорода и водорода соседних молекул, которое приводит к ряду уникальных особенностей, крайне важных для жизни на Земле. Молекула воды имеет форму тетраэдра, в вершинах (4 полюсах) находятся два отрицательных заряда и два положительных. Существование неопределенных электронных пар определяет возможность образования водородных связей. Еще две связи возникают за счет водородных атомов. Вследствие этого каждая молекула воды в состоянии образовать четыре водородные связи. Молекула воды – электрический диполь и способна электростатически притягивать к себе ион того же элемента из другой молекулы.

Благодаря наличию в воде водородных связей в расположении молекул отмечается высокая степень упорядоченности, что сближает ее с твердым телом, в структуре возникают многочисленные пустоты, делающие ее очень рыхлой.

Если сравнить температуру кипения и замерзания гидридов, образованных элементами шестой группы таблицы Менделеева (селенаH2Se, теллура Н2Те), и воды (Н2О), то по аналогии с ними температура кипения воды должна быть порядка – 60° С, а температура замерзания – ниже  100° С. Но и здесь проявляются аномальные свойства воды — при нормальном давлении в 1 атм вода кипит при +100° С, а замерзает при 0° С.

Необычно изменяется и плотность воды. Как правило, максимальная плотность физических тел наблюдается при температуре затвердевания. Максимальная  плотность дистиллированной  воды наблюдается  в  аномальных условиях – при температуре +3.98° С (или округленно +4° С), т. е. при и температуре выше точки затвердевания (замерзания). При отклонении температуры воды от 4° С в обе стороны плотность воды убывает. Аномальное изменение плотности воды влечет за собой такое же аномальное изменение объема воды при нагревании: с возрастанием температуры от 0 до 4°С объем нагреваемой воды уменьшается и только при  дальнейшем возрастании начинает увеличиваться.

Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого в твердое состояние плотность и объем воды изменялись так  же, как  это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природныхвод охлаждались бы до 0° С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0° С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно, и водоем промерзал бы на век его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4° С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Вода обладает аномально высокой теплоемкостью, в 3000 раз большей, чем воздух. Это значит, что при охлаждении 1 м3 воды на 1° С на столько же нагревается З000 м3 воздуха. При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей. Этим объясняется высокая теплоемкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрушаются при переходе воды в пар. Именно поэтому температура в море более постоянна, чем на суше, и меняется значительно медленнее. Аккумулируя тепло, океан оказывает смягчающее влияние на климат прибрежных территорий. Большинству морских организмов, постоянно обитающих под водой, не нужно приспосабливаться к быстрой смене температуры.

Вода – универсальный растворитель, поэтому в природе небывает химически чистой воды. Эта способность воды обеспечивает перенос веществ в географической оболочке, лежит в основе обмена веществами между организмами и средой, в основе питания.

Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое высокое поверхностное натяжение и поверхностное давление. В силу этого капля воды стремится принять форму шара, а при соприкосновении с твердыми телами смачивает поверхность большинства из них. Именно поэтому она может подниматься вверх по капиллярам горных пород и растений, обеспечивая почвообразование и питание растений.

Вода обладает высокой термической устойчивостью. Водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород только при температуре выше 1000° С.

Химически чистая вода является очень плохим проводником электричества. Вследствие малой сжимаемости в воде хорошо распространяются звуковые и ультразвуковые волны.

Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и температуры. Так, при росте давления температура кипения воды повышается, а температура замерзания, наоборот, понижается. С повышением температуры уменьшаются поверхностное натяжение, плотность и вязкость воды и возрастают электропроводность и скорость звука в воде.

К наименее плотным водным структурам принадлежит структура льда. В ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекул воды. В жидкой воде водородные связи сохраняются: образуются ассоциаты – зародыши кристаллических образований, существующие очень короткий промежуток времени. Упаковка молекул становится более плотной. Именно поэтому лед тает при значительно более высокой температуре (0°С), чем должен был бы при отсутствии водородных связей (-90°С). Поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой уменьшается, а ее плотность возрастает. При +4 С вода имеет самую плотную упаковку.

Сложность структуры воды обусловлена не только свойствами ее молекулы, но и тем, что вследствие существования изотопов кислорода и водорода в воде имеются молекулы с различным молекулярным весом (от 18 до 22). Наиболее распространенной является обычная с весом 18. Содержание тяжелой воды (20) составляет менее 0.02% всех запасов воды. В атмосфере она не обнаружена, в точнее речной воды ее не более 150, морской – 160-170 г. Однако ее присутствие придает "обычной" воде большую плотность, влияет и на другие ее свойства.

Вода - самый универсальный природный растворитель. Лучше всего она растворяет соли, состоящие из положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов. Электрические заряды ионов значительно больше, чем заряды на полюсах молекул воды, поэтому в отсутствие воды они формируют кристаллы с очень плотно упакованными молекулами. Если поместить кристалл соли в воду, каждый ион тотчас окружается молекулами воды, которые повернуты к нему противоположно заряженными концами, и изолируется от остальных ионов. Связи между ионами в кристалле резко ослабевают, и кристалл растворяется.

Вода как природная среда

Соленость.Соленый вкус – самая характерная особенность морской воды. Морские и океанические воды существенно отличаются от вод суши не только массой, но и составом. В каждом литре морской воды растворено в среднем 35 г солей. Концентрация же солей в пресных водах суши обычно не превышает 1–2 г на литр.

Проблема происхождения солевого состава океана связана с проблемой происхождения самого океана. Интересно отметить, что, по данным П. Вейля (1977), время пребывания солей в океане составляет 2.2-107лет, то есть на два порядка меньше, чем время пребывания воды, которое мы считаем равным возрасту Земли. Следовательно, либо соли поступают в океан с меньшей скоростью, чем вода (то есть вода в океане «старше», чем его соли), либо, как указывает Вейль, должен существовать какой-то механизм, при помощи которого океан освобождается от солей.

Как рассказывается в старинной скандинавской сказке, море потому соленое, что где-то на его дне постоянно работает волшебная солемолка. Сказка оборачивается чистой правдой.  «Фабрика», как установлено современной геофизической теорией, – это срединно-океанический рифт, извилистой линией протянувшийся по всем главным океанским впадинам на расстояние около 40 тысяч миль. В областях, где океаническое дно раздвигается в разные стороны со скоростью несколько сантиметров в год, из пластичной мантии в рифт поднимаетсясвежая базальтовая лава; вместе с ней поднимается ювенильная вода. Вода, никогда ранее не пребывавшая в жидкой фазе, в которой растворены многие элементы, содержащиеся в морской воде, в том числе хлор, бром, йод, углерод, бор, азот и различные рассеянные элементы (trace elements). Кроме того, некоторое дополнительное количество ювенильной воды, также соленой, но несколько иного химического состава,поступает в море из вулканов, обрамляющих некоторые континентальные окраины, например тихоокеанские, в пределах которых океанское дно, по-видимому, погружается в глубокие желоба.

Ювенильные воды наиболее характерны именно теми элементами, присутствие которых в морской воде нельзя было бы объяснить, если бы все твердые вещества, растворенные в ней, поступали в море просто за счет выветривания горных пород на суше. Раньше считалось, что такие «недостающие» элементы, как хлор, бром и йод, когда-то называвшиеся «избыточными летучими», поступают в море исключительно в результате вулканических извержений.

Чтобы получить общее весовое содержание соли, надо перед выпариванием удалить из морской воды все органическое вещество, бромиды и йодиды преобразовать в хлориды, а карбонаты –  окислы (оксиды). Полученный при этом вес соли в граммах на килограмм морской воды представляет собой соленость – S‰.. Большую часть растворенного в морской воде вещества составляет хлористый натрий, то есть обычная поваренная соль. Соленость представляет собой общее количество растворенного в морской воде вещества. Если быть точнее, то соленость следует понимать как «общее количество твердых веществ в граммах на килограмм морской воды при условии, что все карбонаты переведены в оксиды, бром и йод замещены хлором и все органическое вещество окислено». Обычно соленость в океанах составляет 34,69 г/кг, или 34,69%0, где символ «‰»-«промилле»-означает «частей на тысячу». В таблице 4-1 приведен состав морской воды при солености 35 ‰.

На практике в настоящее время общий вес солей в морской воде никогда не определяется. Вместо этого тщательно измеряется содержание иона хлорида, а суммарный вес всех остальных ионов рассчитывается на основании «постоянства относительных пропорций». Такой подход сложился в середине девятнадцатого века, когда Джон Мёррей устранил путаницу, связанную с большим разнообразием солей, заметив, что при анализе морской воды каждый ион в отдельности - важная вещь. Независимо от него А. М. Марсе установил на основании большого числа опытов, что в Мировом океане различные ионы присутствуют почти в одинаковых пропорциях, а изменяется только общее содержание солей. Этот факт постоянства относительного содержания компонентов был подтвержден Иоганном Форхгаммером и - более основательно - выполненными Вильгельмом Диттмаром анализами 77 проб морской воды, взятых экспедицией на «Челленджере» во время первой кругосветной научно-исследовательской экспедиции. Вероятно, эти 77 проб были последними образцами, подвергнутыми анализу на все важнейшие компоненты. Их средняя соленость оказалась весьма близкой к 35‰, при средних отклонениях лишь в ±2‰.

После того как 86 лет тому назад Диттмар сообщил об определении восьми элементов, в морской воде были обнаружены еще 65 элементов. Более ста лет тому назад было установлено, что концентрация элементов, обычно содержащихся в воде в ничтожных количествах, может быть повышена до порога определимости в результате жизнедеятельности морских организмов. Например, йод был обнаружен в водорослях на четырнадцать лет ранее, чем в морской воде. Впоследствии барий, кобальт, медь, свинец, никель, серебро и цинк были также сначала открыты в морских организмах. Еще позднее изотоп кремния-32, образующийся, по-видимому, в результате бомбардировки аргона космическими лучами, был найден в морских губках.

Рассеянные элементы концентрируются также в результате неорганических процессов, происходящих в океане. В марганцевых конкрециях (о которых более подробно будет сообщено ниже) могут концентрироваться до уровней определимости такие элементы, как таллий и платина. Образующийся в результате бомбардировки космическими лучами изотоп бериллия-10 был недавно обнаружен в морских глинах, для которых характерна высокая концентрация бериллия. Таким образом, непосредственно в морской воде определены 73 элемента (в том числе 13 редкоземельных), не считая водорода и кислорода (рис. 2).

Хотя в морской воде содержатся практически все элементы Периодической системы, основную массу растворенных в ней солей составляют всего одиннадцать ионов. Это так называемые «главные ионы» океанической воды. К их числу относятся катионыNa+ ,K+ ,Mg2+ ,Ca2+ ,Sr2+ и анионыCl-SO42- ,HCO3-,Br-,F-, а также борная кислотаH3BO3, которые в сумме дают 99.9% все растворенных в воде соединений.

Соленость океана не испытала значительных изменений с тех пор, как этот океан образовался; во всяком случае, в последние двести миллионов лет (пять процентов геологического времени)она оставалась приблизительно постоянной. Состав древних осадков заставляет полагать, что отношение содержания натрия и калия в морской воде изменилось от приблизительной первоначальной величины 1 :1 до современной-около 28:1. Отношение магния к кальцию возросло за тот же период от 1 : 1 (округленно) до 3:1, так как кальций изымался из морской воды организмами, строившими свои раковины из карбоната кальция. Показательно, однако, что общий объем ионов каждой из этих пар варьировал значительно меньше, чем их относительные количества.

Если мы посмотрим на состав дождевой воды, когда она достигает океана в виде рек, то обнаружим заметно иной состав этих ионов по сравнению с морской водой. Если мы посмотрим на ее состав еще раньше, когда она стекает по скалам полуразрушенных молодых гор, то это различие окажется еще более ярко выраженным. Этот постоянный привнос воды неморского состава, возможно, в корне изменил бы первичный состав океанов, если бы не действовали корректирующие реакции.

Полный геохимический цикл, строго поддерживающий баланс содержания ионов в море, заставляет предположить, что существует сложный взаимообмен материей между атмосферой, океаном,  реками, породами земной коры, донными осадками океанов и, наконец, мантией, происходящий на протяжении десятилетий, столетий и тысячелетий.

Имеются факты, свидетельствующие о том, что соленость океана не испытала значительных изменений с тех пор, как этот океан образовался; во всяком случае, в последние двести миллионов лет (пять процентов геологического времени) она оставалась приблизительно постоянной. Состав древних осадков заставляет полагать, что отношение содержания натрия и калия в морской воде изменилось от приблизительной первоначальной. На практике измерение солености осуществляют иначе, это предписано приведенным определением. Примерно до 1955 года соленость  измеряли,   определяя  количество  ионов  хлор в единице массы морской воды. Полученное таким образом значение «хлорности» вводили в эмпирическую формулу для рас та солености:

Соленость = 1,80655 х Хлорность

Эта формула исходит из допущения, что относительное содержание различных солей, растворенных в морской воде постоянно. Многочисленные анализы показывают, что, за исключением незначительных отклонений в концентрации кальция, это действительно так. Указанная зависимость остается верной примерно до значения +0,02%0 общей солености; этим же значением ограничивается точность метода химического анализа путем титрования.

Величины солености мало изменяются на огромных морских просторах. Известно, что 75% всех вод океана имеют соленость в диапазоне от 34.50 до 35.00 ‰. Например, в Средиземном море она достигает 39%о, а в Красном -41%о. С другой стороны, во внутренних морях, куда впадают многочисленные крупные реки, соленость понижена. Например, в Черном и Балтийском морях соленость варьирует в пределах 3 –23 ‰. %о. Соленость почти половины вод Тихого океана колеблется в пределах от 34.6 до 34.7‰. Поэтому в общем можно считать, что соленость океана постоянна.

Все природные воды по степени солености разбиты на группы:

Состав воды.Природная вода – принципиально негомогенная среда из-за присутствия в ней большого числа взвешенных частиц и микропузырьков газа. Взвешенные твердые частицы в природных водах могут различаться по размерам: микроколлоиды 0,003-0,01 мк, коллоиды 0,012-1, седиментарные частиыц 1-3 мк, вирусы 0,01-0,03 мк, бактерии 0,5 мк микроводоросли 1-30 мкм, молекулы 0,001, макромолекулы 0,01 мкм. Для частиц размером менее 10 мкм скорость осаждения меньше 0,01 см/сек. При наличии даже слабого перемешивания и конвективных потоков эти частицы равномерно распределены по всей толще воды. Кроме “гидрозолей” (твердых частиц) в природных водах содержится множество микропузырьков газа – своего рода ”облака” газовой фазы в гидросфере. Помимо твердых частиц и микропузырьков толща природных вод пронизана множеством микроорганизмов, образующих отдельную фазу биоты, находящуюся в динамическом равновесии с внешней средой.

В процессе своего естественного круговорота вода соприкасается с большим числом различных минералов, органических соединений и газов. В силу этого природные воды представляют собой сложные растворы различных веществ. В гидрохимии компоненты химического состава природных вод делятся на шесть групп:

В открытом океане независимо от абсолютной концентрации соотношения между главными компонентами основного солевого состава остаются примерно постоянными. Гидрокарбонат-ионы нейтрализуют кислоты, попадающие в водоем с атмосферными осадками , они определяют устойчивость водоемов к кислотным дождям.

Биогенные вещества, главным образом, это соединения азота и фосфора. Их концентрация изменяется в широких пределах. Наиболее важными источниками биогенных элементов являются внутриводоемные процессы и поступление с поверхностным стоком, атмосферными осадками, промышленными, хозяйственно-бытовыми и с/х сточными водами. К биогенным элементами относят также соединения кремния, находящегося в воде в виде коллоидных или истинно растворенных форм кремниевой и поликремниевой кислот, и железа, находящегося в природных водах в основном в форме микроколлоидного гидроксида или в виде фульватных комплексов.

Микроэелементы. В эту группу входят все металлы, кроме главных ионов и железа (Cu2+, Mn2+), другие ионы переходных металлов), а также ионы (Br- , F-, I- и др.), встречающиеся в природных водоемах в очень малых концентрациях.

Растворенные органические вещества (РОВ), по существу, органические формы биогенных элементов. Эта группа веществ включает различные органические соединения: органические кислоты, спирты, альдегиды и кетоны, сложные эфиры, в том числе эфиры жирных кислот (липиды), фенолы, гуминовые вещества, ароматические соединения, углеводы, азотсодержащие соединения (белки, аминокислоты, амины). Ввиду сложности определения индивидуальных органических веществ, их многообразия и малых природных концентраций для количественной характеристики РОВ используют косвенные показатели: общее содержание Cорг., Nорг., Pорг., перманганатную или бихроматную окисляемость воды (ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК).

Растворенные газы.В морской воде растворены не только твердые вещества, но и газы, в первую очередь кислород, углекислый газ и азот. Растворенные газы (O2, N2, H2S, CH4  и др.). Концентрация газов в воде определяется их парциальным давлением и константой Генри. Это самые распространенные в земной атмосфере газы, которые проникают в морскую воду через поверхностную пленку в результате диффузии. Содержание газов зависит как от процессов обмена между океаном и атмосферой, так и от жизнедеятельности водных организмов. Все организмы при дыхании поглощают кислород и выделяют углекислый газ, а некоторые из них (в основном растения) при образовании нового органического вещества способны к обратному процессу - поглощению углекислого газа и выделению кислорода. Растворимость газов зависит и от температуры воды. В противоположность твердым веществам газы лучше растворяются в холодной воде и плохо – в теплой. Поэтому дефицит кислорода и связанные с ним заморные явления чаще наблюдаются в теплых водах.

В воздухе содержание двуокиси углерода невелико. Газ растворяется в воде; образуя Н2СОз, которая в свою очередь вступает в реакцию с известью, образуя карбонаты (СО3)  и бикарбонаты (НСО3). Основным резервуаром СО2в биосфере является карбонатная система океанов. Кроме того, в воду поступает двуокись углерода, освобождающаяся при дыхании и разложении, а также из почвы или подземных  источников. Эти соединения служат не только источником питательных веществ, но и буфером, поддерживающим концентрацию  водородных ионов в водных средах на уровне, близком к нейтральному значению. Небольшое повышение содержания СО2 в воде повышает интенсивность фотосинтеза и стимулирует процессы развития многих организмов. Высокие концентрации СО2 определенно могут быть лимитирующим фактором лишь для животных, особенно потому, что высокое содержание двуокиси углерода обычно связано с низким содержанием кислорода. Рыбы весьма чувствительны к повышению концентрации СО2: при слишком высоком содержании свободного СО2 в воде многие рыбы погибают.

Что окрашивает природную воду? Окраску природной воде придают гуминовые кислоты – как вымывающиеся из почвы и торфа. Это, пожалуй, наиболее сложные по составу вещества, которые встречаются в природе. Их молекулы – беспорядочная комбинация различных органических фрагментов, поэтому строгой молекулярной формулы они не имеют  (рис. ). Как правило, основной вклад в РОВ вносят фульвокислоты (ФК).

Токсичные загрязняющие вещества– тяжелые металлы, нефтепродукты, хлорорганические соединения, синтетические поверхностные активные вещества, фенолы.

Кислотность (pH).Водородный показатель (pH) – это величина, характеризующая кислотность воды. Он определяется как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (-lgH+) в воде при 22°С, выраженный в молях на литр. В морских водахpH преимущественно изменяется в незначительных пределах  – 6-7.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48538. МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 613 KB
  Сложные и обратные функции. График функции. Основные элементарные функции. Предел функции в точке и на бесконечности.
48539. Производные и дифференциалы высших порядков, их свойства. Точки экстремума функции. Теоремы Ферма и Ролля 440 KB
  Точки экстремума функции. Продифференцировав эту функцию мы получим так называемую вторую производную или производную второго порядка функции fx. Производной nго порядка или nй производной от функции fx называется производная первого порядка от ее n1й производной. Найдем производную 3го порядка от функции y=x5x3x12.
48540. Валютное право 182.3 KB
  № 16ФЗ Об Особой экономической зоне в Калининградской области и о внесении изменений в некоторые законодательные акты Российской Федерации Валютные правоотношения и их виды. В теории права правоотношение рассматривается как сложная общественная связь включающая в себя следующие элементы: субъекты правоотношений носитель прав управомоченный и носитель обязанности правообязанный; В теории права субъекты правоотношений подразделяются на три вида: физические лица; юридические лица коммерческие и некоммерческие организации;...
48541. ЗАРОЖДЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ НАУКИ 57 KB
  Они считали что приумножение богатства требует протекционистских мер по регулированию внешней торговли того чтобы поощрялся экспорт сдерживался импорт и всемерно поддерживалась национальная промышленность. Источником богатства меркантилисты считали неэквивалентный обмен в результате торговых взаимоотношений с другими государствами. Его труд посвящался проблеме преобразований в российской экономике направленных на преодоление бедности и преумножение богатства. Он считал что труд является источником богатства и в промышленности и в...
48542. Элементы автоматических устройств электрических систем 5.83 MB
  Сравнивает ток реле и ток уставки: Iр Iуст. Элемент воздействия выходные реле. ТЕМА: РЕЛЕ Реле – элемент сравнивающий входную величину с заданной уставкой. Элементарное реле имеет одну входную величину и может принимать два значения: 0 и1.
48543. МЕТАДАННЫЕ 608.79 KB
  Метаданные — это данные о данных, которые описывают характеристики объектов-носителей данных, способствуют обнаружению, идентификации, оценке и управлению этими данными, включают определения объектов, относящихся к данным, разработчикам, пользователям и средствам взаимодействия.
48544. Методи вимірювання теплоємності і тепловмісту 6.86 MB
  Вимірювання ентальпії методом змішування. Вимірювання теплоємності. Прилади які використовуються для вимірювання ентальпії або теплоємності називаються калориметрами а методика вимірювання – калориметрією.
48545. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И БД 2.06 MB
  Сергей Щербина Общие сведения о ГИС Большинство используемых данных с которыми работают информационные системы имеют пространственную привязку географические координаты т. Сервисы Google Mps и Google Erths фактически представляющие собой базовую инфраструктуру геоданных продемонстрировали потенциал уже завоевавших популярность географических информационных систем ГИС. Простота ввода и агрегации данных с помощью сервиса Google Erth позволяет видеть в нем прообраз ГИС будущего простых в использовании открытых сред.
48546. БАЗЫ ДАННЫХ КАК ОСНОВА ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ РЕШЕНИЙ 524.21 KB
  Сферы Воздух Вода Земля Био Количественные сведения о состоянии природной среды Наблюдения Диагноз Прогноз Климат После явления Сведения об объекте Перечень воздействий ЛПР Качественные сведения о ситуации время года климатический район тип объекта уровень принятия решений ЭММ Перечень рекомендаций Объект Оперативные Тактические Стратегические XII. БАЗЫ ДАННЫХ КАК ОСНОВА ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ РЕШЕНИЙ Проблемы поддержки решений в современных условиях Роль информации при принятии решений Принципы создания СППР Выявление знаний Примеры...