Важнейшие свойства природной воды

Все тела при переходе из жидкой фазы в твердую уплотня­ются, и только лед легче воды, так как при охлаждении ниже + 4°С плотность воды уменьшается, а объем увеличивается. Эта аномалия воды играет в природе очень большую роль. При замерзании водоемов лед остается на поверхности, предо­храняя толщу воды от промерзания, а жизнь в ней от – гибели. Будь лед тяжелее воды, образование его начиналось бы со дна и все озера и полярные моря были бы многолетнемерзлыми. Весенняя солнечная радиация не могла бы их растопить, влияние водоемов на климат умеренных и полярных поясов ока­залось бы не согревающим, а охлаждающим.

Вода –сильнейший растворитель. Природные воды не бывают химически чистыми, содержат почти все известные химические элементы и их изотопы и характеризуются определенным химическим составом и соленостью. Среди разнообразных химических элементов в гидросференаиболее типичными являются следующие:

1. главные ионы – Clˉ, SO₄²ˉ, HCO₃ˉ, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺

2. биогенные элементы – соединения азота, фосфора, кремния и др.

3. микроэлементы

4. органические вещества

5. растворенные газы – O₂, CO₂, H₂S и др.

Химический состав океанических и континентальных вод различается принципиально (Таблица 10.3.1). Средняя соленость вод Мирового океана при Т=20^оС составляет 35‰ (35 г/л). В зависимости от ряда условий (сильная испаряемость воды, ее опреснение, большой привнос солей речными водами, изолированность от океана) соленость воды может быть выше или ниже нормальной. Средняя минерализация (содержание веществ в растворенном состоянии) вод рек равна примерно 120 мг/л. Наименьшая минерализация наблюдается зимой во время питания рек грунтовыми водами, наибольшая – во время половодья, сезона дождей и таяния ледников.

Таблица 10.3.1 – Солевой состав океанических и речных вод (Неклюкова, 1976)

Химические вещества	Содержание солей, %
	воды океанов	речные воды
Хлориды - NaCl, MgCl2	88,7	5,2
Сульфаты - Mg(SO4), Ca(SO4), K2(SO4)	10,8	9,9
Карбонаты - Ca(CO3)	0,3	60,1
Прочие вещества	0,2	24,8

Соединения химических элементов в природной воде находятся в форме истинного раствора или в виде дисперсных взвесей. В океане преобладающая часть рассеянных элементов находится в виде растворенных форм. Даже такие элементы, как иттрий, свинец, скандий, титан, хром, цирконий, не склонные к образованию растворенных форм, находятся в океанической воде преимущественно в растворенном состоянии. В речных водах основная часть рассеянных элементов сосредоточена в материале взвесей. В речных взвесях преобладают высокодисперсные глинистые частицы, мелкие обломки кварца и сгустки гидрооксидов железа.. Мутность речных вод (содержание взвешенных дисперсных частиц) составляет 500 мг/л.

У воды высокая удельная теплоемкость – 4186,8 Дж/кг·град (1 кал/г·град.). Она обеспечивает поглощение большого количества тепла водоемами и их утепляющее действие на климат. Приохлаждении 1 м³ воды на 1°С нагревается свыше 3000 м³ воздуха. Стометровая толща воды при остывании на 1°С способна повысить температуру всей тропосферы на 6°С.

Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое большое поверхностное натяжение. Именно поэтому вода движется вверх в растениях и может подни­маться по капиллярам, пронизывающим почву и многие породы. Этим обеспечивается сильное смачивающее действие воды, в том числе на грунты и почву.

Вода самоочищается при фильтрации при прохождении через грунт, при испарении (испаряется только чистая вода, все примеси оста­ются на месте). Вода очищается в процессе течения в реках, динамики в озерах и морях. Но самоочищение возможно только до известного предела. Загрязнение воды, особенно промышленными отходами, нередко переходит предел самоочищения.

Пребывание одновременно в газообразном, жидком и твердом состояниях и абсолютная подвижность определили вездесущность воды, она пронизывает всю географическую оболочку, производит в ней разнообразную работу. На Земле нет таких мест, где бы не было воды в той или иной форме.

Вода – уникальное вещество на нашей планете, она является основной движущей силой глобальных процессов, происходящих на Земле.

Единство гидросферы

Гидросфера состоит из Миро­вого океана, вод суши (рек, озер, ледников), и подземных вод, которые залегают всюду на материках, на дне озерных и морских впадин и под толщей вечных льдов.

На площадь морей и океанов приходится примерно 71% (361,2 млн. км²). Ледники покрывают 16,3 млн. км² (почти 11% суши), озера и реки занимают 2,3 млн. км² (1,7% суши), около 3 млн. км² – болота и сильно увлажненные земли (Таблица 10.2.1). Все эти воды (все части гидросферы) объединяются благодаря способности воды быстро переходить из одного состояния в дру­гое и легко перемещаться.

Таблица 10.2.1 – Объем гидросферы (Шубаев, 1979)

Части гидросферы	Объем, тыс. км3	Доля от общего объема, %
Океан	1 370 322 (1 338 000)	93,93
Подземные воды	60 000	4,12
Ледники	24 000	1,65
Озера		0,16
Почвенная влага		0,005
Атмосферная влага		0,001
Реки	1,2	0,0001
Всего	1 458 642,2

Огромное количество воды – 1300000000 км³ – находится в земной коре в связанном состоянии. В мантии количество воды в 10 – 15 раз больше, чем в Океане.

Все эти воды (все части гидросферы) объединяются благодаря способности воды быстро переходить из одного состояния в другое и легко перемещаться. В течение года в Мировом влагообороте принимает участие всего около 0,037% общей массы воды гидросферы. Полное обнов­ление воды в разных частях этой сферы происходит за различные промежутки времени. Так, для обновления подземных вод тре­буются сотни тысяч и даже миллионы лет (это зависит от глу­бины их залегания и интенсивности водообмена), для обновле­ния ледников – 8000 лет. Океан обновляется в среднем за 3000 лет, проточные озера – за десятки лет, замкнутые – за 200 – 300 лет, почвенная влага – в среднем за год, вода в ре­ках – через каждые 12 суток, а в атмосфере – через каждые 9 суток. Процесс перемещения влаги – это одновременно процесс перераспределения тепла, затрачиваемого на испарение в одном месте и освобождающегося при конденсации влаги в другом.

Воды суши

Вода попадает на сушу в результате испарения с поверхности Океана и переноса в атмосфере, т. е. в процессе Мирового влагооборота.

Подземные воды

Подземные воды, как установил русский ученый А. Ф. Лебедев в 1919 г., образуются за счет просачивания атмосферных осадков в грунт и в результате конденсации в холодных слоях земной коры водяных паров атмосферы и паров, поднимающихся из более глубоких слоев Земли. Обязательные условия наличия воды в почвах и горных породах – свободные пространства: поры, трещины, пустоты.

Поскольку кора выветривания имеет слоистое строение и слои могут состоять как из водоупорных, так и из водопроницаемых пород, то подземные воды залегают слоями (Рисунок 10.4.1).

Рисунок 10.4.1 – Залегание водопроницаемых и водоупорных слоев (Никонова, Данилов, 2000)

Слои водопроницаемых пород, содержащие воду, называют водоносными. Слои водонепроницаемых пород, над которыми залега­ют водоносные горизонты, называют водоупорными. Кристаллическое породы практически водоупорны. Основная масса подземных вод находится в осадочной рыхлой толще. Скорость перемещения грунтовых вод в крупнозернистых пес­ках 1,5 – 2,0 м в сутки, в мелкозернистых песках и супесях 0,5 – 1,0, в суглинках и лёссах 0,1 – 0,3 м в сутки.

Нижняя граница подземной гидросферы определяется темпера­турой и давлением внутри земной коры. В перегретом состоянии вода может находиться на глубине до 16 км, а капельно-жидкая вода – на глубине 10 км.

Подземные воды могут растворять различные соли и насыщаться ими. Такие воды называют минеральными. Химический состав и степень минерализации грунтовых вод зависят от состава вмещающих их пород и питающих вод, глубины залегания и климатических условий. При избыточном увлажнении грунтовые воды – пресные или пониженной минерализации, при недостаточном увлажнении их минерализация повышается. Поэтому, чем суше климат, тем выше степень минерализации. Неравномерное распределение осадков и испарения в течение года, таяние снега вызывают сезонные колебания минера­лизации грунтовых вод. Степень минерализации вод увеличиваются по мере удаления вниз от поверхности.

Вся подземная вода, сосредоточенная в осадочных породах, де­лится на три горизонта. Верхний горизонт содержит пресные воды атмосферного происхож­дения. Их используют для бытового, хозяйственного и технического во­доснабжения. Располагаются эти воды на глубине от 25 до 350 м. Средний горизонт – древние воды. Они преимущественно мине­ральные или соленые, залегают на глубине от 50 до 600 м. Нижний горизонт – вода очень древняя, нередко погребенная, в высокой степени минерализованная, представлена рассолами. Ее ис­пользуют для добычи солей, брома, йода и других ценных элемен­тов. Может залегать на глубине от 400 до 3000 м.

Вода, залегающая на первом водоупорном слое и существующая длительное время, назы­вается грунтовой. Глубина залегания различна, это зависит от геоло­гического строения – от нескольких десятков метров (20–30 м) до 1–2 км. Весной в результате таяния снегов вода может просачиваться в землю на небольшую глубину и иметь ограниченное распространение – такую воду называют верховодкой. Выходы грунтовых вод на поверхность образуют источники (родники).

Грунтовые воды могут залегать не только на первом водоупорном слое, но и между двумя водоупорными. Такие воды называют напорными или артезианскими (от названия провинции Артуа в Южной Франции, где в XII в. впервые в Европе стали эксплуа­тировать напорные воды). Так как артезианские воды изолированы от загрязнения с по­верхности, они хорошего качества.

Значение подземных вод в природе велико и разнообразно. Они по­полняют реки и озера, являясь самой устойчивой частью стока. Пресные подземные воды – самая ценная часть всего мирового запаса пресных вод. Ими снабжается население Земли, в том числе 80 % населения России используют пресные подземные воды. Особую важность приобретают подземные воды в сухом климате (пустыни, полупустыни).

Практическое значение может иметь извлечение из подземных вод ка­лия, магния, мышьяка и другого химического сырья. Чрезвычайно перспективно применяют тепло подземных вод.

Запасы подземных вод большие (общие запасы оцениваются в 60 млн. км³), но небезграничные. Уже теперь во многих местах мира возник перерасход пресной подземной воды. Перестали давать воду многие артезианские скважины в Сахаре. Заметно снизился напор в скважине Московского артезианского бассейна. Необходимы строгие расчеты забора подземных вод с учетом скорости их восполнения. Не менее важна охрана подземных вод от заг­рязнения.

Реки

Река – естественный водный поток, длительное время протекаю­щий в сформированном им углублении – русле. Начало реки – ее исток – может быть различным. Река может начинаться от слияния ру­чьев, питающих их источников, вытекать из болота, озера, ледника в горах. Конец реки – ее устье, как правило, место впадения в море, озе­ро или другую, более крупную, реку.

Все реки, протекающие по той или иной территории, обра­зуют речную сеть, входящую вместе с озерами, болотами и лед­никами в гидрографическую сеть. Речная сеть состоит из речных систем. Речная система включает главную реку (название которой она обычно носит) и притоки. Поверхность, с которой вода стекает в одну и ту же реч­ную систему, называется бассейном этой речной системы или ее водосбором. Бассейны разделены водоразделами.

Размеры реки зависят от климата, площади материков, по которым они протекают, и от расположения водоразделов. Самая большая по длине река – Нил с притоком Кагера – 6671 м. Ему немного уступает Миссисипи с притоком Миссури – 6019 м. В России самая крупная река – Обь с притоком Иртыш – 5410 м.

Работа реки проявляется в эрозии, т.е. разрушении (размыве) гор­ных пород, по которым протекает река, в переносе рыхлого мате­риала и его аккумуляции (накоплении в каком-нибудь месте).

По характеру течения реки бывают равнинными и горными. Равнинные реки имеют широкие долины, небольшое падение, малые уклоны и медленное плавное течение. Из крупней­ших рек России наименьший уклон имеет река Обь (4 см/км), самый большой уклон у Енисея (37 см/км). Горные реки отличаются узкими долинами и бурным течением, так как имеют большой уклон. Например, уклон Терека – 500 см/км.

Речная вода – раствор с очень малой кон­центрацией солей (0,2 – 0,3 мг/л). Химические особенности воды в реке зависят от источников питания и гидрологического режима. Количество растворенных веществ, приносимое рекой составляет сток растворенных веществ, измеряемый тоннами (например, р. Нева в год переносит 2,9 млн. т растворенных веществ, а р. Обь – 33,8 млн. т).

Общее количество наносов (взвешенных и донных), проноси­мое через живое сечение реки, называется ее твердым стоком. Например, годовой сток взвешенных наносов р. Обь – 12,9 млн. т. вещества, а р. Хуанхэ – до 1500 млн. т. Количество взвешенных наносов определяет мутность. Для большинства рек России характерна незначительная мутность (менее 50 г/м3). Большой мутностью отличаются реки бассейна Амударьи (от 2500 до 4000 г/м3). Для примера – мутность р. Аксай (Дагестан) – 11800 г/м3.

Озера

Озера – водоемы замедленного водообмена, не сообщающиеся с океаном. От рек озера отличаются отсутствием русла, от моря – от­сутствием непосредственной связи с океаном. В каждом озере выделяются три взаимосвязанные составные части: котловина; водная масса, состоящая не только из воды, но и из растворенных в ней веществ; растительность и животный мир водоема. Питание озер, т.е. поступление воды в озеро, происходит в основном благодаря грунтовому и подземному питанию, атмосферным осадкам, поступлению воды из рек и ручьев, впадающих в озеро, конденсации атмосферной влаги. По сравнению с речными и подземными водами для формирования их солевого состава большое значение имеют биологические процессы.

Размеры, форма озера, его глубина в значительной степени определяются происхождением озерных котловин, которые де­лятся на несколько генетических типов:

1) тектонические озера возникают в связи с образованием прогибов земной коры, трещин, сбросов, отличаются значитель­ной глубиной и размерами. К ним относятся, например, Ладож­ское, Онежское, Иссык-Куль, Байкал, Танганьика;

2) вулканические озера занимают кратеры потухших вулка­нов (например, Кроноцкое на Камчатке), маары-кратеры взрыва (Лахерское в Германии) и располагаются среди лавовых полей (оз. Комаринское в Исландии);

3) ледниковые озера образуются в результате разрушитель­ной и созидательной деятельности ледников на равнинах и в го­рах. Это озера Кольского полуострова, Прибалтики, а также Альп, Кавказа и других горных стран;

4) водно-эрозионные и водно-аккумулятивные – создаются деятельностью рек (старицы) или представляют собой затоплен­ные морем участки речных долин (лиманы, лагуны), отделенные от моря скоплением наносов (озера Кубанских плавней, лиманы Черноморского побережья);

5) провальные – следствие просадок и провалов при раство­рении (карстовые озера, их много между Белым морем и Онеж­ским озером) или вымывании и выносе частиц подземными во­дами (суффозионные озера, типичные для юга Западной Сибири). К этому типу относятся также термокарстовые озера, возникаю­щие при оседании поверхности, вызванном таянием многолетне-мерзлых пород или подземного льда;

6) эоловые озера расположены в котловинах выдувания, созданных ветром, например оз. Теке в Казахстане;

7) запрудные (подпрудные) – появляются в результате пре­граждения речного русла обвалившимися горными породами, лавой, ледником. Примером может служить Сарезское озеро на Памире;

8) органогенные озера образуются внутри болот или среди коралловых построек (аттолов).

Особо следует выделить котловины, созданные деятельностью людей: старые карьеры, соляные копи, водохранилища.

Болота

Болота – участки поверхности суши с избыточным увлажне­нием, покрытые влаголюбивой растительностью и характеризую­щиеся процессом образования торфа, слой которого имеет мощ­ность не менее 0,3 м. Участки избыточного увлажнения с менее мощным торфяным слоем назы­ваются заболоченными землями.

Болота содержат обычно от 87 до 97% воды и лишь 3 – 13% сухого вещества (торфа). Однако водоемами их назвать нельзя, так как преобладающая часть воды находится в связанном состоя­нии (осмотическая, адсорбированная, химически связанная, ка­пиллярная).

Болота могут образоваться в результате зарастания озер и заболачивания суши. Зарастание озера может происходить в ре­зультате отмирания растений, которые заполняют озерную кот­ловину отложениями, что создает условия для постепенного пе­ремещения растений от берега в сторону самой глубокой части и в результате озерная растительность сменяется болотной.

Образование болот на суше происходит в условиях постоянного или периодического переувлажнения грунтов в результате накопле­ния сравнительно большого количества осадков, малого испарения и замедленного стока. Переувлажнение приводит к ухудшению кис­лородного и минерального питания растений, недостатку кислоро­да и образованию торфа.

По условиям питания болота подразделяются на низинные, вер­ховые и переходные. Низинные питаются преимущественно подзем­ными водами, богатыми минеральными веществами, и располага­ются преимущественно в понижениях, затапливаемых постоянно или временно водой. На таких болотах растут ольха, береза, осоки, хвощи, тро­стник (травяные болота), мхи (моховые болота). Низинные болота широко распространены в зоне полесий – Мещере, в поймах больших рек Западной Сибири (например, р. Оби).

Верховые болота возникают на мало расчлененных водоразделах и питаются в основном атмосферными осадками. В растительном покро­ве верховых болот главную роль играют белые или сфагновые мхи. Здесь растут багульник, клюква, росянка, а из деревьев – болотная сосна.

Переходный, или смешанный, тип болот представляет переходную стадию между низинным и верховым типами.

Общая площадь, занимаемая болотами на поверхности Земли, точно не подсчитана. В их распространении заметна тесная зави­симость от климата, рельефа, литологического строения поверх­ности. Наибольшее количество болот находится в Евразии, немало их в Северной Америке. Очень много болот в зонах тундры и тайги. В тундре забо­лоченность достигает местами 50% , в зоне тайги – до 60% и более. В лесостепной зоне болота находятся в основном в долинах рек и почти все относятся к низинным. В зоне степей, полупустынь и пустынь умеренных широт они встречаются редко, и то только в поймах больших рек. В условиях жаркого климата формирования болот не происходит из-за интенсивного разложения растительных остатков.

Ледники

Ледники – движущиеся многолетние толщи льда, возникшие на суше в результате накопления и постепенного преобразования твердых атмосферных осадков. Накопление льда в горах происходит выше снеговой линии. Ее называют также снеговой границей. Это уровень в горах, выше ко­торого снег не тает в течение всего года. Из-за этого происходит его постепенное накопление. Высота снеговой линии в различных областях земного шара меняется и зависит от широтного положе­ния гор и влажности климата. Чем севернее находятся горы, тем ниже снеговая граница. В Арктике снеговая граница лежит на вы­соте 200 – 700 м, в Антарктиде она находится на уровне Мирового океана. При движении к югу высота снеговой границы возрастает и на экваторе достигает 5000 м.

Выше снеговой границы расположено 10% суши. В России главным образом распространено горное оледенение. Много ледников на Камчатке, где находится самый крупный лед­ник России – Богдановича (площадь 37,8 км2, длина 17,1 км). Есть ледники на Алтае, в северных районах Урала, в Хибинах, Восточ­ном Саяне, на Кавказе.

Выделяются 2 типа оледенений – покров­ное и горное. При покровном оледенении ледник сплошь покры­вает большие участки суши. Скрытый им рельеф почти не отражается на поверхности ледника. На больших островах на Антарктиде образуют ледяные щиты – огромные ледники с пологовыпуклой поверхностью, медленно растекающи­еся во все стороны под собственной тяжестью. Ледники занимают огромные площади суши в периоды оледе­нений, и сейчас на них приходится 98,5% всей площади совре­менного оледенения. Значение покровного оледенения в географи­ческой оболочке как в прошлом, так и в настоящем значительно больше, чем горного.

Горное оледенение внешне отличается от покровного мень­шими размерами и несравненно большим разнообразием форм. У горных ледников значительно больше выражена зависимость форм от рельефа и движения от уклона ложа ледника.

Современные ледники занимают около 16 млн. км2 (около 11% площади суши), из них 99% приходится на полярные широты. Площадь оледенения Антарктиды 13,4 млн. км2. Максимальная мощность антарктического ледяного покрова превосходит 4000 м, мощность горных ледников редко более 100 – 300 м. Объем воды, заключенной в ледниках, достигает 24 млн. км3 (в 20000 раз больше объема рек). Этого льда достаточно для того, чтобы, покрыть сушу слоем более 160 м. При полном стаивании современ­ных ледников уровень Мирового океана может подняться более чем на 60 м.

В гидросферу обычно не включают парообразную и капельно­жидкую воду атмосферы, в которой одновременно содержится 13 – 15 тыс. км 3 воды (приблизительно 0,001% объема гидросферы). Роль атмосферной влаги несравненно больше в сравнении с местом, которое она занимает по объему, и определяется она интенсивностью влагооборота. Вся атмосферная влага сменяется через 9 – 10 дней.

МИРОВОЙ ОКЕАН

Мировой океан – совокупность всех океанов и морей, единая непрерывная водная система Земного шара. Из общей площади поверх­ности Земли (510 млн. км²) на долю суши приходится всего 149 млн. км², или 29%. Остальные 361 млн. км², или 71%, заняты поверхностью Мирового океана. Объем Мирового океана – 1333,5 млн. км³ (94% объема гидросферы).