Гидросфера

Гидросфера (от греч. hydro — вода) — жидкая оболочка планеты. Человек, являясь сухопутным обитателем, воспринимает Землю прежде всего как сушу, однако при рассмотрении из космоса наша планета представляется планетой воды (рис. 2.6), ибо более 3/4 ее занимают водные поверхности океанов, морей, континентальных водоемов и ледников, причем 3/4 — это нижний предел величины, так как площадь, покрываемая гидросферой, существенно меняется и достигает в декабре — феврале 443 млн км² (табл. 2.4) или около 87 % поверхности Земли, равной 510 млн км².

Земля уникальна потому, что на ней много воды в жидкой фазе, которая играет очень важную роль в формировании многих особенностей планеты. Главнейшей из них является изобилие жизни. Гидросфера необходима для существования биосферы, поскольку жизнь зародилась в гидросфере и большинство растений и животных состоит в основном из воды.

Велика роль гидросферы в поддержании относительно неизменного климата, что позволило жизни воспроизводиться в течение трех с лишним миллиардов лет. Ископаемые останки животных, растений и микроорганизмов указывают на то, что жизнь, появившись в период раннего докембрия, не прерывалась и развивалась по пути увеличения разнообразия и совершенствования.

Для жизни необходимы температуры в диапазоне от 0 до 100 ^оС (пределы жидкой фазы воды), значит, температура на протяжении большей части истории планеты отличалась относительным постоянством.

К особенностям гидросферы следует отнести циркуляцию приповерхностных вод океанов, которая вызывается действием ветров. В тропиках вода движется к западу, увлекаемая пассатами, а в средних широтах - к востоку под действием западных ветров. Это порождает круговые течения в субтропиках, характеризующиеся циркуляцией вод по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки - в южном.

Нижний предел гидросферы близок к зоне, где проходит сейсмически активный слой Земли, а поверхность граничит с атмосферой.

Гидросфера состоит из всех океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников, снежного покрова, включает атмосферную и почвенную влагу, а также биологическую воду (например, в организме человека содержится около 70 % воды). Понятие «гидросфера» включает все свободные воды Земли, которые не связаны химически и физически с минералами земной коры, т. е. могут двигаться под действием гравитационной силы либо теплоты.

Зимой люди на значительной территории суши ходят «по колено» в твердой воде и, как все живое, не могут не учитывать наличие этой сезонной разновидности гидросферы в своей жизнедеятельности.

Рис. 2.6. Соотношение площади суши и водной поверхности на Земле:

а — океаническое полушарие; б — материково-океаническое полушарие

Таблица 2.4. Площадь, занимаемая гидросферой на поверхности Земли

Количество воды в океане, основной составляющей гидросферы, не строго постоянно. Уровень океана за время его существования неоднократно падал на 120—150 м ниже современного, и тогда шельф становился сушей, а континентальный склон местами обнажался. «Ушедшая» вода накапливалась на суше ледяными горами, подобными тем, что сейчас существуют в Антарктиде и Гренландии. В периоды оледенения доля поверхности Земли, занятая Мировым океаном, сокращалась примерно на 5 %. Тем не менее океан всегда преобладал над сушей.

Вода обладает рядом уникальных особенностей, отличающих ее от большинства других жидкостей, что накладывает отпечаток на строение и жизнедеятельность организмов:

- высокая универсальная растворяющая способность;

- поверхностное натяжение;

- скрытая теплота плавления льда (336 Дж/г);

- теплопроводность; диэлектрическая проницаемость;

- полярность молекулы;

- полная прозрачность в видимом участке спектра;

- наивысшая среди жидкостей и твердых тел удельная теплоемкость;

- аномально высокая для жидкости удельная теплота испарения (2263,8 Дж/г при 100 °С);

- способность испаряться и сублимироваться при любой температуре;

- малая сжимаемость;

- источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и донор ионов водорода в фотосинтетических реакциях;

- наличие максимальной плотности при +4°С (Это свойство воды объясняет, почему в средних широтах зимой температура подземелий и на дне глубоких озер достаточно стабильна и равна примерно +4 ° С).

Морская вода, содержащая 3,5 % солей, не имеет температурного максимума плотности, что является одним из ее важных отличий от пресной воды. Чем морская вода холоднее, тем тяжелее, вплоть до температуры -2°С, когда в ней появляются кристаллы льда.

Следует подчеркнуть, что пресная вода, в отличие от большинства веществ, при плавлении сжимается, а при замерзании, наоборот, расширяется. Этим объясняется тот факт, что вода активно участвует в формировании облика поверхности Земли, разрушая материнские породы гор на мелкие частицы — первичный материал почвы. За миллионы лет вода уничтожает самые высокие горы, снося продукты их разрушения в пониженные места рельефа и вынося ручьями и реками в моря. Все реки планеты ежегодно выносят в моря и океаны около 20 млрд т твердых частиц, полученных при разрушении суши, и около 3 млрд т растворенных веществ. За год суша теряет 10—12 км³ горной породы и почвы. В целом, на Земле поверхность суши понижается за счет разрушения со скоростью около 90 мм за тысячелетие. Кроме того, вода — единственное вещество на Земле, которое одновременно и в больших количествах встречается во всех трех агрегатных состояниях.

Если условно воду всей гидросферы равномерно распределить по поверхности планеты, то она покроет ее слоем толщиной около 3 000 м. Если земной шар уподобить яйцу, то земная кора будет соответствовать скорлупе, а гидросфера — тончайшей, менее микрона толщиной, пленке на ее поверхности.

Тончайшая в масштабах нашей планеты пленка воды на ее поверхности оказывает стабилизирующее воздействие на условия среды, прилегающей к поверхности, в которой развивалась и существует биосфера. Средняя глобальная температура у поверхности планеты на протяжении всей ее истории, т. е. около 4,6 млрд лет, изменялась в очень незначительных пределах. Гидросфера за этот период никогда не кипела, не испарялась полностью и не замерзала. Все это говорит о достаточно узком диапазоне колебаний температуры, верхний предел которого заведомо был значительно ниже 100 °С, а нижний несколько выше О° С.

Учитывая, что при температуре более 50—60 °С (температура пастеризации) основная часть организмов не может существовать и что при средней температуре ниже +5 °С начался бы необратимый процесс полного оледенения планеты, можно сделать вывод о еще более узком возможном диапазоне температур на поверхности Земли. В стабилизации условий на поверхности Земли особенно велика роль Мирового океана, что обусловлено его массой и занимаемой площадью.

Несмотря на внушительный объем вод, на нашей планете лишь 2,5 % приходится на долю пресной воды (с минерализацией, то естьколичеством солей в граммах на 1 литр воды, г/л менее 1 г/л), причем в пресных озерах и реках ее содержится всего 0,007 % от общих запасов.