Роль воды в природе и жизни человека
Когда мы хотим подчеркнуть ценность чего-либо, мы обычно сравниваем с золотом. Белым золотом называют хлопок, зеленым — лес, черным — нефть. Величайшее богатство земли — хлеб — получают из золотого колоса. С чем же сравнить ценность обычной, простой, не говоря уже минеральной, лечебной воды. Вода — бесценна! По словам академика В. И. Вернадского, «вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов».
Откуда появилась вода на Земле? До сих пор на этот, казалось бы, простой вопрос нет однозначного ответа. За миллиарды лет существования планеты ее океаны вполне могли бы наполниться водой от вулканических извержений, доставляющих и сейчас на поверхность из глубин планеты миллионы тонн воды ежегодно. Но если подсчитать, сколько за это время упало на Землю метеоритов, содержащих воду, и сколько воды образовал на подступах к планете поток водородных ядер — протонов, посылаемых Солнцем, а он и сейчас дает по 1,5 тыс. т воды ежегодно, то реальным окажется и космический источник. Существует гипотеза, согласно которой вода пронизывает всю нашу планету, до самых далеких ее глубин, где она активно перемещается, используя фазовые переходы и способность растворять. Она образует единую дренажную оболочку Земли, с которой непосредственно связаны месторождения многих полезных ископаемых, в особенности нефти и газа.
Химическая формула воды — Н2О — поражает своей простотой. Однако кажущаяся столь простой вода по своей структуре и свойствам — вещество совершенно уникальное.
Вода является одним из самых сложных веществ, как с физической, так и химической точек зрения. Вода относится к веществам, которые наиболее трудно получить в чистом виде. Чистая вода всегда является смесью легкой воды (Н2О) и очень малых количеств тяжелой и сверхтяжелой воды.
Вода — это вещество, физические константы которого отличаются наибольшим количеством аномалий.
1. При нагревании от 0 до 4°С объем воды не увеличивается, а уменьшается, и максимальная плотность достигается не в точке замерзания (0°С), а при 4°С.
2. При замерзании вода расширяется, а не сжимается, как все другие тела, плотность ее уменьшается.
3. Температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается.
4. Удельная теплоемкость воды чрезвычайно велика по сравнению с удельной теплоемкостью других веществ.
5. Вследствие высокой диэлектрической постоянной вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей способностью в сравнении с другими жидкостями.
6. У воды самое большое поверхностное натяжение из всех жидкостей: 75×10-3 Дж/м2.
Одна из причин аномалии — в особенностях строения и способности молекул воды к сильному взаимодействию. Благодаря аномалии воды в конечном счете обеспечивается жизнь на Земле. Вода, как известно, может находиться в жидком, твердом и газообразном состояниях. Она остается жидкостью в температурных интервалах, наиболее подходящих для жизненных процессов. Для огромной массы организмов вода является средой их жизни и эволюции. В определенное время года жидкая вода может замерзнуть и покрыться льдом. При замерзании при 0°С вода превращается в лед, при этом происходит расширение объема на 10%. Замерзание идет сверху вниз, лед легче воды и плавает на поверхности. Эта особенность имеет большое значение для жизни обитающих в водоемах (водных системах) организмов. Если бы лед был тяжелее воды, водоемы промерзали бы до дна и жизнь в них замирала.
Высокая удельная теплоемкость, медленное нагревание и охлаждение наряду с другими факторами определяют годовые, суточные и даже часовые колебания температуры океанов и озер. Эти колебания заметно отличаются от изменений температуры на суше. Указанное свойство воды определяет различие в температурном режиме почв, в конечном итоге оказывает существенное влияние на жизнь водных и почвенных организмов. Жизнь в воде многообразнее, чем на суше.
Природные воды находятся в сложных обратимых взаимоотношениях с организмами, горными породами, атмосферой. Происходящий в природе круговорот самоочищающейся воды — вечное движение, обеспечивающее жизнь на Земле, — оценивают в 483 000 кмУгод. Присутствующий в атмосфере водяной пар играет роль фильтра для солнечной радиации, а вода на земной поверхности служит своего рода мощной буферной системой, смягчающей действие экстремальных температур.
Вода является главным фактором, определяющим климат на поверхности Земли.
Главная роль воды состоит в том, что она является средой и источником водорода для жизненных процессов. Практически все органические вещества биосферы представляют собой продукт фотосинтеза, при котором растения используют световую энергию для соединения двуокиси углерода с водой. Без воды, как известно, фотосинтез не может происходить. Процесс, которому обязана вся жизнь нашей планеты. Вода — единственный источник кислорода, выделяемый в атмосферу при фотосинтезе. Вода необходима для биохимических и биофизических процессов, обеспечивающих возможность жизни на Земле. Образно говоря, в капле воды заключена жизнь (рис. 15.2).
Рис. 15.2. В капле воды заключена жизнь
Вода составляет 89— 90% массы растений и 75% массы животных. В составе человеческого тела воды 65%. Вода служит постоянным участником интенсивных биохимических процессов, происходящих в человеческом организме. Ни один жизненный процесс не совершается без нее. Нарушение водного баланса ведет к серьезным сдвигам в организме человека. При утрате 6—8% влаги от массы тела человек впадает в полуобморочное состояние, при потере 12% и выше процентов влаги наступает смерть. Сколько же человеческому организму нужно воды?
Ученые считают, что в среднем человеку нужно 2,5 литра воды в сутки, при этом один литр приходится на питьевую воду. Однако при определенных условиях потребность в воде возрастает до 4—5 л, а в условиях жаркого климата при низкой влажности воздуха достигает 6 л и более. Человек может прожить без пищи пять-шесть недель, без воды — пять дней. Здесь уместно привести слова Дж. Байрона: «Не испытав страданий жажды, нельзя постичь, как много значит для людей вода».
Главным потребителем воды на Земле является человечество и его деятельность. И не случайно все великие цивилизации древности возникали и развивались вблизи воды, в больших речных долинах. Не существовало ни одной великой цивилизации в местности, лишенной воды.
Подводя итог вышесказанному, следует еще раз подчеркнуть, что вода — хранитель и распределитель на нашей планете солнечной энергии, главный творец климата, ежедневной погоды, аккумулятор тепла и, что особенно важно, необходимейшее условие жизни на планете. И нет на Земле ничего, к чему надо было бы относиться с большим вниманием и осторожностью, чем к столь привычной для нас воде. По образному выражению академика А. Л. Карпинского, «вода — это живая кровь, которая создает жизнь там, где ее не было».
Запасы пресной воды
Из общего количества воды на Земле столь нужная для человечества пресная вода составляет немногим более 2% общего объема гидросферы, или примерно 28,25 млн км3 (табл. 15.2).
Таблица 15.2
Пресные воды гидросферы (по М. И. Львовичу, 1974)
| Части гидросферы | Объем пресной воды, км 3 | % от данной части гидросферы | % от общего объема пресной воды |
| Ледники | |||
| Подземные воды | 6,7 | ||
| Озера и | 0,6 | ||
| водохранилища | 0,3 | ||
| Почвенная влага | 0,06 | ||
| Пары атмосферы | 0,004 | ||
| Речные воды | .- | ||
| Итого |
Нужно учесть, что основная часть пресных вод (около 70%) заморожена в полярных льдах, вечной мерзлоте, на горных вершинах. Воды в реках и озерах составляют лишь 3% суши, или 0,016% общего объема гидросферы. Таким образом, воды, пригодные для всех видов использования, составляют ничтожную часть общих запасов воды на Земле. Проблема усложняется и тем, что распределение пресной воды по земному шару крайне неравномерно. В Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% речных вод.
Россия по ресурсам поверхностных вод занимает ведущее место в мире. Только в уникальном озере Байкал сосредоточено около 1/5 мировых запасов пресной воды и более 4/5 запасов России. При общем объеме 23 тыс. км3 в озере ежегодно воспроизводится около 60 км3 редкой по чистоте природной воды.
Среднегодовой суммарный сток рек Российской Федерации в 90-х гг. XX в.составляет 4270 км3 в год, в том числе из сопредельных территорий в Россию поступает 230 кмЭв год.
Потенциальные эксплуатационные ресурсы подземных вод в России около 230 км3 в год.
В целом в России на одного жителя приходится 31,9 тыс. м3 пресной воды в год. Однако распределение пресной воды, в первую очередь речного стока, по территории крайне неравномерно и не соответствует численности населения и размещению промышленных предприятий (табл. 15.3).
Таблица 15.3
Распределение речного стока по некоторым экономическим районам России (по Н. Ф. Винокуровой и др.,1994)
| Районы | Водообеспеченность общим стоком, тыс. м3 | |
| на 1 км2 территории | на одного жителя | |
| Российская Федерация в целом Центральный Волго-Вятский Центрально-Черноземный Поволжский Северо-Кавказский Уральский Западно-Сибирский Восточно-Сибирский Дальневосточный | 31,9 4,2 11,4 2,8 10,7 5.1 7,6 45,8 151,6 307,5 |
90% общего годового объема речного стока приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов. На бассейны Каспийского и Азовского морей, где проживает свыше 80% населения России и сосредоточен ее основной промышленный и сельскохозяйственный потенциал, приходится менее 8% общего годового объема речного стока. Водообеспеченность на 1 км2 территории колеблется от 130 тыс. м3 в Центрально-Черноземном районе до 610 тыс. м3 — в Волго-Вятском, а на одного жителя — от 2,8 тыс. км3 в Центрально-Черноземном до 307,5 тыс. км3 в Дальневосточном. Недостаточно обеспечены собственными водными ресурсами Ростовская, Астраханская, Липецкая, Воронежская, Белгородская, Курганская области, республика Калмыкия и некоторые другие территории.
В Курганской области в среднем на одного человека приходится в год 1,15 тыс. м3 водных ресурсов, что в 6,6 раза меньше, чем по Уральскому региону, и в 27,7 раза меньше, чем в целом в Российской Федерации.