Гидросфера и водные экосистемы

Гидросфера – это водная оболочка Земли, которую подразделяют на поверхностную и подземную. В состав поверхностной гидросферы входят океаны, моря, озера, реки, болота, водохранилища, ледники, снежный покров и др. Все эти воды постоянно или временно находятся на земной поверхности. Поверхностная гидросфера не образует сплошного слоя и прерывисто покрывает земную поверхность на 70,8 %.

Подземная гидросфера включает воды, находящиеся в верхней части земной коры. Их называют подземными. Сверху подземные воды ограничены поверхностью Земли, нижнюю их границу определить невозможно, т.к. гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры.

По отношению к объему земного шара общий объем гидросферы не превышает 0,13%, Основную часть гидросферы (96,53%) составляет Мировой океан.

На долю подземных вод приходится 23,4 млн. куб. км, или 1,69 % от общего объема гидросферы. Остальное – 1,78% воды рек озер и ледников. Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей, озер и минерализованных подземных вод. Общий объем пресных вод на Земле равен 28,25 млн. куб. км, или около 2% общего объема гидросферы. Основная часть пресной воды сосредоточена в ледниках. На долю остальной части пресных вод, приходится 4,2 млн. куб. км воды, или всего 0,3% объема гидросферы.

Гидросфера и атмосфера тесно связаны между собой круговоротом воды, который ярко проявляется в системе «океан – атмосфера». Атмосферные осадки являются главным путем, с помощью которого происходит увлажнение земной поверхности. Осадки частично испаряются, просачиваются в почву, отчасти стекают в водоемы, откуда потом тратятся на испарение и вынос в моря и океаны. Степень увлажнения поверхности может быть установлена в результате сопоставления прихода влаги (осадков) с ее расходом (испарением), т. е. определением баланса влаги для всей биосферы и для ее отдельных участков.

Общая картина баланса влаги на Земле (для суши и океана), согласно подсчетам М.И. Львовича и М.И. Будыко, выглядит так. Для океана осадки составляют 412, испарение – 448, речной сток – 36 тыс. куб. км. Для суши (со стоком в океан): осадки – 99, испарение – 63, речной сток – 36 тыс. куб. км, (без стока в океан): испарение и осадки по – 8 тыс. куб. км.

Таким образом, чтобы образовалось 519 тыс. куб. км осадков при среднем содержании влаги в атмосфере 12,3 тыс. куб. км, влага должна смениться 42 раза в год, образуя интенсивный влагооборот. Из приведенных данных видно, что с поверхности океана влаги испаряется больше, чем возвращается в виде атмосферных осадков на 36 тыс. куб. км (речной сток). Чтобы пропустить через сушу все воды Мирового океана (1370 млн.. куб. км), рекам земного шара потребуется 38 тыс. лет. Океаническая поверхность земного шара называется Мировым океаном. От остальной гидросферы он отличается непрерывностью (из любой его точки можно попасть в любую его точку, не выходя на сушу) и совмещением его поверхности с поверхностью геоида.

Мировой океан обычно делят на четыре части.

Таблица 4.

Характеристики океанов

Океаны	Площадь (млн. кв. км)	Средняя глубина (м)	Наибольшая глубина (м)
Тихий	179.68	4,028
Индийский	74,92	3,897
Атлантический	98,10	3,656
Северный Ледовитый	13,10	1,205

Естественными границами океанов служат берега материков и островов, а за условные принимают Северный полярный круг и меридианы мысов Южного на Тасмании, Игольного в Африке и Горн в Южной Америке.

Значительные по размерам окраинные области океана, более или менее обособленные, называются морями, аналогичные части морей – заливами. На практике, в силу исторически сложившихся обстоятельств, эта терминология строго не выдерживается: морями неправильно называют иногда большие озера (Каспийское, Аральское, Мертвое), а некоторые моря называются заливами (Гудзонов, Бенгальский и др.). Изредка название моря прилагается к центральным участкам океана, не имеющим никакого соприкосновения с сушей (Саргассово море).

Поверхность океана всегда в движении. Огромные массы воды перемещаются в виде волнений и морских течений, но эта форма движения захватывает только верхний слой вод. Так, например, волнение практически не ощущается на глубинах более 50 м.

Главная причина волн – трение между водой и воздухом. Поверхность воды при наличии ветра образует волны, а форма волны в зависимости от направления ветра изменяется. Наветренный склон волны обычно пологий, а подветренный крутой. Иногда частицы воды на гребне движутся настолько быстрее нижних, что отрываются от массы воды и рассыпаются, создавая пенистые полосы.

Средняя температура поверхности Мирового океана равна +17,4^о т.е. превышает на 3^о среднюю температуру воздуха на планете. Самым теплым является Тихий океан – +19,1^о, затем Индийский – + 17^о, Атлантический – + 16,9^о. Самая низкая температура поверхностных вод –2^о, самая высокая + 36^о. На глубине более 1000 м различие температур вод полярных и тропических широт не превышает + 5^о.

Вода океана – это раствор минеральных веществ, различных газов, взвеси неорганического и органического происхождения и живое вещество.

Главными составными частями растворенных веществ являются: хлористый натрий (HCl) – 77,8 %, хлористый магний (MgCl₂) – 10,9%, Сернокислый магний (MgSO₄) – 4,7%, сернокислый кальций (CaSo₄) – 3,6 %, сернокислый калий (K₂SO₄) – 2,4%, углекислый кальций (CaCo₃) – 0,3%, бромистый магний (MgBr₂) – 0,2% . Всего 100% или 35 г на 1 л или 35⁰/₀₀.

В экваториальной полосе штилей соленость наименьшая – 34–35⁰/₀₀. В тропической области пассатов – максимальная соленость. Соленость Атлантики у Азорских островов – 37,9⁰/₀₀, к востоку от Бразилии – 37,6⁰/₀₀. В северном полушарии соленость Тихого океана – 35,9⁰/₀₀, в южном – 36,9⁰/₀₀. Соленость в Индийском океане около 36,9⁰/₀₀. Минимальная соленость характерна для полярных морей.

Мировой океан, как и атмосфера, находится в постоянном движении; его уровень колеблется под действием приливов и отливов. Поверхность покрыта волнами, водные массы погружаются с поверхности на глубину или поднимаются из глубин к поверхности. Одной из самых важных форм движения вод в океане являются морские течения, т.е. перемещение водных масс в горизонтальном направлении. Течения захватывают сравнительно неглубокий слой воды, имеют небольшую ширину по сравнению с длиной, и отчасти напоминают реки. По происхождению различают течения фрикционные (вызываемые трением), гравитационно-градиентные (обусловленные наклоном уровня) и приливно-отливные. Бывают еще инерционные, или свободные, течения, действующие после прекращения вызвавшей их силы.

Из фрикционных течений важнее всего дрейфовые, которые возникают под влиянием длительных ветров. Движущийся воздух трением и давлением на наветренную сторону волн увлекает частицы воды на поверхности океана, а движение частиц верхнего слоя передается, ослабляясь, на некоторую глубину. Пока дрейфовое течение движется в районе действия ветра, оно является «вынужденным», а выходя за пределы действия материнских ветров, становятся свободными (инерционными).

К группе гравитационно-градиентных течений относятся: стоковые, сточные, плотностные, компенсационные и др.

Стоковые течения образуются в результате наклона уровня моря, вызванного притоком речных вод, выпадением атмосферных осадков или испарением. Сточные –в результате наклона уровня моря, обусловленного притоком воды из других районов или оттоком в другие районы моря под давлением внешней силы (например, по прекращению ветра, нагнавшего воду у берегов, появляется сточное течение от берега).

Плотностное течение возникает между водоемами с разной плотностью воды. Различие в плотности определяется несходством температуры или солености (или тем и другим вместе), зависящим от испарения, выпадения осадков, таяния льдов и т.п. Например, ввиду того, что воды Средиземного моря плотнее вод в Атлантике, уровень Средиземного моря стоит ниже, чем в Атлантике. Поэтому через Гибралтарский пролив в Средиземное море движутся поверху более легкие воды, а по дну из моря в Атлантический океан через тот же пролив – более тяжелые.

Морские течения вызывают понижение уровня в одной части океана и повышение в другой. Этот процесс подвижной жидкой среде вызывает компенсацию недостатка или избытка воды, что выводит из состояния покоя новые массы. Таким образом, движение в какой-нибудь части Мирового океана вызывает движение во всем Мировом океане через компенсационные течения вторичного характера.

Возмещение убыли воды достигается не только поверхностными компенсационными течениями, но и подъемом холодных вод с глубины. Теплый слой воды в океане можно сравнить с тонкой пленкой, которая легко разрывается. Так, например, на наветренной стороне островов Галапагос, куда ветром нагоняется теплая вода, ее температура (в среднем 26^о) на 11 – 12^о выше, чем на подветренной (в среднем 14^о), где происходит сгон воды и подъем холодных масс с глубин.

Наиболее мощные течения Мирового океана всегда генетически смешанные, т.е. одновременно дрейфовые, плотностные, сточные и компенсационные.

Мощное влияние на направление течений оказывает отклоняющая сила вращения Земли, которая возрастает с глубиной и может приобретать направление, противоположное поверхностному.

Отметим, что глубина, на которой скорость течения приближается к нулю, обычно не превышает 200 – 300 м.

Большое влияние на направление течений оказывает распределение суши на пути течений и форма материков. Острова и выступы материков разделяют ударяющиеся в них течения на ветви.

Отклоняющее действие производит и рельеф морского дна, если течение своим основанием с ним соприкасается. Переход течения через области различного ветрового режима также сказывается на его направлении.

Атмосферные осадки, выпадающие на сушу, возвращаются в океан достаточно сложным путем. Часть их испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая часть стекает в понижения рельефа и питает сточные водоемы или реки, третья часть сохраняется на высоких горах в форме вечных снегов и ледников, четвертая просачивается в землю и осуществляет подземное звено круговорота воды.

Бессточные озера и впадающие в них реки теряют влагу почти исключительно испарением. Озера сточные, связанные с морем, и реки, впадающие в моря, отдают свои воды непосредственно океану. Наиболее сложен путь влаги просочившейся под землю, т.к. перед тем как выйти на поверхность, она проделывает длительный путь под землей, нередко консервируясь там на десятки и сотни лет.

Текущие воды рек в большей мере дренируют, чем орошают местность. Главная роль «оросителя» принадлежит подземным водам, аккумулированным в верхних слоях земной коры, которые медленно перемещаются и укрыты от чрезмерного испарения.

Вода под землей может быть в твердом, жидком и газообразном состоянии. К формам воды подлинное агрегатное состояние которого достоверно не установлено, относится гигроскопическая вода, облекающая частицы грунта мономолекулярным (толщиной порядка 10^–8 см) слоем и настолько прочно связанная с грунтом, что является неподвижной. Из грунта она может быть удалена нагреванием до 105^о.

Если пленка воды, облекающая частицу грунта или почвы, состоит из многих слоев и имеет толщину от 10^-8 до 10^-5 см, то внешняя часть этой пленки образует жидкую пленочную воду. Пленочная вода передвигается под действием сил поверхностного натяжения, а движение происходит от более толстых пленок к более тонким. Почва, содержащая пленочную воду, на вид кажется сухой, ибо промежутки между частицами заполнены воздухом.

Жидкая влага, находящаяся в очень тонких, обычно не более 0,5 мм диаметром, трещинках и каналах почвы, грунта или породы, называется капиллярной, а ее перемещение обусловлено особыми законами.

Та жидкая вода, которая перемещается только под действием силы тяжести, т. е. всегда стремится занять самый низкий уровень, называется гравитационной.

Движение подземных вод осуществляется путем просачивания воды сверху вниз в вертикальном направлении. Так как в большинстве случаев поверхность Земли слагается суглинистыми грунтами и почвами, то просачивание вглубь носит преимущественно характер капиллярного и пленочного движения. Только в крупнозернистых породах, где промежутки между частицами грунта достаточно велики, имеет место и гравитационное движение воды, т. е. происходит капельно-струйное движение.

Часть воды, успевшая просочиться достаточно глубоко и вышедшая за пределы слоя, подверженного метеорологическим влияниям, движется дальше вниз до водонепроницаемой породы. Достигнув водоупорного горизонта, вода накапливается и начинается движение в сторону.

Поверхность подземных вод бывает свободной (открытой) или напорной (артезианской). Напорные воды чаще всего формируются в водоносных горизонтах вогнутых складок пород, лежащих между двумя водоупорными. Бурение в этих случаях дает восходящие или даже фонтанирующие выходы подземных вод.

Значительная часть осадков, стекающая под влиянием уклона местности, образует поверхностные воды (реки, озера и болота). Большинство рек земного шара заканчиваются в океане, т. е. там, где формируются основные осадки, образуя «быстрый» круговорот воды. Постоянный в течение года естественный сток атмосферных осадков, возникающий под влиянием уклона местности, сосредоточенный в виде непрерывной струи в линейно вытянутых понижениях рельефа, называется рекой. В понятие реки как природного образования, кроме водотока, входит и русло.

Большинство рек берут свое начало из родников, болот, ледников или образуются в результате слияния нескольких источников. Питаются реки дождевыми, талыми и подземными водами, находятся в тесной зависимости от климата местности.

Режим рек слагается из ряда фаз колебания уровня воды, свойственных всем рекам земного шара. В теплом климате на режиме рек сказывается прежде всего годовой ход количества осадков. В областях земного шара с отрицательными температурами возникает период, вызванный таянием зимних снегов, ледоставом и освобождением рек ото льда.

Ежегодно повторяющийся период максимального подъема уровня вод в реке называют половодьем, а период минимального уровня – меженью. У крупных рек половодье продолжается 2 – 3 месяца, а у меньших несколько короче.

Озерами называют углубления суши, не имеющие одностороннего уклона и заполненные водой. Всякое озеро имеет свою историю – оно возникает, развивается и затем исчезает. Говоря о происхождении озера, имеют в виду происхождение водной массы и озерных котловин.

С точки зрения генезиса водной массы, озера бывают двух видов: наземного происхождения, когда первоисточник воды – атмосферные осадки, и реликтовые, которые когда-то были частью Мирового океана. Типичный пример реликтового озера – Каспийское море. По некоторым данным соединение Каспия с Азовским морем прекратилось всего 4 тыс. лет назад.

Озера Ладожское, Онежское, Ильмень, Сайма и др. тоже реликтовые и образовались после отступления скандинавского ледника из так называемого Иольдиевого моря, которое занимало современное Балтийское море, значительную часть Скандинавии и Финляндии, соединяясь с Северным и Белым морями. Одним из доказательств этого служит то, что в Каспийском и Ладожском озерах до сих пор водятся тюлени.

Происхождение озерных котловин связано с эндогенными и экзогенными процессами. Эндогенные процессы формируют тектонические и вулканические озера. Тектонические - это те, котловина которых представляет собой опустившийся участок земной коры. Они обычно глубокие, сильно вытянутые в длину. Самые крупные озера на Земле тектонические: Каспийское, Верхнее, Гурон, Мичиган, Онтарио, Эри, Ладожское, Онежское, Байкал, Телецкое, Зайсан, Севан, Иссык-Куль, Мертвое море и др.

Вулканические озера возникают в кратере потухшего вулкана или на поверхности лавового потока, а также в долине реки, перегороженной лавовым потоком.

В экзогенных образования озер принимают участие вода, лед, живые организмы и человек. Это старицы, карстовые, ледниковые, лагунные, эоловые и др. озера. Важно отметить, что многие озерные котловины имеют смешанный характер. Например, Котловины Великих озер Северной Америки, Ладожского, Телецкого и Онежского – тектонические, но были обработаны ледником.

Площадь, занятая болотами на Земле, в точности не известна. Но если взять их вместе с торфяниками, то общая площадь составит 3,5 млн. кв. км. Среди болот выделяют низинные и верховые. Низинные болота питаются грунтовыми водами и приурочены к более сухим районам, тогда как верховые (водораздельные) существуют только во влажном климате и составляют типичное явление для лесной и тундровой зоны.

Одной из существенных черт оболочки Земли является наличие в ней обширных областей холода. Еще В.И. Вернадский обратил внимание на низкую среднюю температуру океана, которая для 90% его массы равна 0^о (при средней +4^о для всего объема океана). На земной поверхности есть обширные области постоянного господства отрицательных температур. Для таких областей характерно два явления: существование ледников и вечная мерзлота.

Ледники занимают на Земле 16,3 млн. кв. км, или 11% площади суши. Основным источником питания ледников являются твердые атмосферные осадки. Первичный снег уплотняясь переходит в зернистый снег, или фирн, который впоследствии переходит в ледниковый лед. Постоянное накопление льда приводит к его пластичному перемещению вниз по склону рельефа к области разгрузки, где излишек льда тает. Перемещение ледников формирует большое количество специфических форм рельефа, а мощность его контролируется климатом.