Гидросфера - водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и литосферой и представляющая собой совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод, ледников и водяного пара атмосферы. Гидросфера связана с другими элементами Земли - атмосферой и литосферой.
Вода представляет собой уникальное химическое соединение, благодаря которому на Земле образовалась и существует биосфера. Пресная вода является ведущим компонентом гидрологического и биогеохимического циклов, она определяет условия жизни в экосистемах. Не случайно поиск жизни на других планетах связан, прежде всего, с обнаружением следов воды.
Вода является важнейшим экологическим ресурсом, главной составляющей живых организмов, одним из самых распространенных минералов в природе и главным природным ресурсом потребления. Человечество использует воды в тысячу раз больше, чем угля или нефти.
Гидросфера является средой, где происходит осуществление взаимосвязей таких процессов в экосистемах, как обмен веществ, глобальные биоэнергетические экологические циклы, теплообмен, рост биомассы. Она играет огромную роль в формировании поверхности Земли, ее ландшафтов, в распределении химических веществ на ее поверхности и в земной коре, в миграции загрязняющих веществ.
Из общей площади Земли в 510 млн. 
покрыто водой 361 млн. (71 %). Если все количество воды равномерно распределить по поверхности планеты, то получится слой толщиной 2718 м. Масса всей воды составляет примерно 0,022% общей массы Земли.
Основной объем воды (96%) сосредоточен в Мировом океане. До 10% суши занимают льды и снега (около 2% объема гидросферы) (табл. 1). Вода Мирового океана покрывает около % поверхности планеты и насыщает почву суши. Второе место по объему занимает вода земной коры.
|
|
Таблица 1
Состав гидросферы
| Виды вод | Объем млн.
| Количество по отношению к общему объему гидросферы, % |
| Морские | ||
| Подземные (за исключением почвенных) | 61,4 | |
| Лёд и снег | 24,0 | |
| Поверхностные воды (озера, водохранилища, реки, болота, почвенные воды) | 0,5 | 0,4 |
| Атмосферные | 0,015 | 0,01 |
| Вода, содержащаяся в живых организмах | 0,00005 | 0,0003 |
Вода поглощает солнечное тепло в 2-З раза больше, чем твердая земная поверхность, и основная роль в этом процессе принадлежит Мировому океану. От поверхности океана отражается лишь около 8% солнечной радиации. Поэтому он играет важнейшую роль в кругообороте воды, а также в формировании климата на планете за счет динамики огромной массы океанических вод, находящихся в постоянном движении под влиянием неодинаковой интенсивности солнечного прогревания поверхности на разных широтах.
В воде океанов присутствуют почти все известные химические элементы, но преобладающими являются кислород, водород, натрий и хлор. Содержание растворённых в морской воде химических соединений (солёность) определяется в весовых процентах или промилле (1 промилле = 0,1 %). Средняя солёность океанской воды -35 промилле (в 1 л воды 35 г солей). Солёность меняется в широких пределах. Так, в Красном море она достигает 52 промилле, в Чёрном море до 18 промилле, а в Балтийском море до 7 промилле. Самая соленая вода в Мертвом море (до 260 промилле).
Из соли, содержащейся в морях и океанах, можно выстроить виртуальный столб диаметром один километр и высотой в 47 раз больше расстояния от Земли до Луны.
Из газов, содержащихся в водах Мирового океана, наиболее важными для биоты являются кислород и углекислый газ. Растворенный кислород находится в природной воде в виде молекул 02. На его содержание в воде влияют две группы противоположно направленных процессов: одни увеличивают концентрацию кислорода, другие уменьшают ее. К первой группе процессов, обогащающих воду кислородом, относят:
- процесс абсорбции кислорода из атмосферы;
- выделение кислорода водной растительностью в процессе фотосинтеза;
- поступление в водоемы с дождевыми и снеговыми водами, которые обычно пересыщены кислородом.
Абсорбция кислорода из атмосферы происходит на поверхности водного объекта. Скорость этого процесса повышается с понижением температуры, с повышением давления и понижением минерализации. Обогащение глубинных слоев воды кислородом (аэрация) происходит в результате естественного перемешивания водных масс.
Фотосинтетическое выделение кислорода происходит при ассимиляции диоксида углерода водной растительностью. Процесс фотосинтеза протекает тем сильнее, чем выше температура воды, интенсивность солнечного освещения и больше питательных веществ в воде. Фотосинтетическое выделение кислорода происходит в поверхностном слое водоема, глубина которого зависит от прозрачности воды.
К группе процессов, уменьшающих содержание кислорода в воде, относятся реакции окисления органических и неорганических веществ. На скорость потребления кислорода влияет температура, количество микроорганизмов и водных организмов, концентрация веществ, подвергающихся химическому и биохимическому окислению.
Общая масса углекислого газа в океанических водах превышает его массу в атмосфере приблизительно в 60 раз. Он потребляется водными растениями во время фотосинтеза, расходуется на построение известняковых скелетов кораллов, ракушек. После отмирания организмов углекислый газ возвращается в водную среду за счет растворения остатков скелетов, панцирей и ракушек, а частично накапливается в карбонатных осадках на дне океанов.
Воды суши (около 0,02% объема гидросферы) разделяются на не защищенные от загрязнения поверхностные (озера, водохранилища, водотоки) и более защищенные подземные воды. На территории Российской Федерации протекает свыше 2,5 миллионов рек, большинство которых (94,9%) имеют длину 25 км и менее (малые реки). Общий объем речного стока страны уступает лишь Бразилии и составляет 4043 /год (10% мирового речного стока). Основная часть ресурсов пресных вод сосредоточена в крупных озерах: Байкал (23 тыс. 
, или 80% российских и 20% часть мировых запасов), Ладожское (908 ), Онежское (285 ), Чудско-Псковское (35,2 ). Всего же в России находится около 2 млн. пресных и соленых озер, из которых 90% - мелководные с площадью от 0,01 до 1 . Российские болота покрывают территорию в 1,4 млн. и аккумулируют около 3 тыс. запасов природных вод.
В водный фонд России входят и подземные воды, естественные запасы которых оцениваются в 790 /год. Почти половина этих запасов (316 /год) относится к потенциальным эксплуатационным ресурсам, из которых подготовлено для промышленного освоения почти 20 /год. Всего же по стране эксплуатируются 1777 месторождений подземных вод.
В связи с непрерывно возрастающим загрязнением поверхностных вод подземные воды становятся практически единственным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения населения. Поэтому их охрана от загрязнения и истощения, рациональное использование имеют стратегическое значение.
В настоящее время принято считать, что полный объем подземной гидросферы достигает 60 млн. , но из них лишь около 4 млн. преимущественно пресных вод находится в верхнем километровом слое земной коры и активно участвует во влагообороте. Тем не менее даже этот объем значительно превосходит запасы пресной воды в озерах (0,23 млн. ) и реках (0,001 млн. ).
Пополнение запасов подземных вод зависит главным образом от количества атмосферных осадков, их интенсивности, продолжительности. При интенсивных, но кратковременных или при незначительных дождях атмосферная влага не успевает глубоко просочиться в почву, поэтому она испаряется из нее после окончания дождя. Увеличение запасов подземных вод происходит при продолжительных дождях, орошающих большие территории, особенно в осенний период, когда потеря атмосферной влаги на испарение мала. Осадки летнего периода играют значительно меньшую роль в пополнении запасов грунтовых вод, так как они интенсивно расходуются на испарение.
В условиях умеренных широт, где в холодный период накапливаются большие запасы снега, талая вода является основным источником питания подземных вод. Наиболее благоприятные условия для пополнения их запасов создаются в конце весеннего таяния снега, особенно если оно имеет затяжной характер.
Химический состав подземных вод очень разнообразен. В зависимости от состава вмещающих пород и глубины залегания они изменяются от пресных до солевого рассола. Минеральные и термальные подземные воды имеют большое бальнеологическое значение и являются одним из рекреационных элементов природной среды.
Некоторое количество воды содержится в атмосфере и живых организмах. Первостепенная роль воды в живых организмах связана с тем, что она является средой, в которой и протекают все процессы жизнедеятельности. Например, в теле взрослого человека весом 70 кг на воду приходится до 50 кг. При потере 6-7% влаги от веса тела у человека наступает тяжелое предобморочное состояние. Более высокие потери воды приводят к смертельному исходу. Животные погибают при потере 20-25% воды.
Суточная потребность в воде взрослого человека равна 30-40 г на 1 кг веса тела. Принято считать, что в среднем человек потребляет суммарно 2,5 л воды в сутки и столько же выводится из организма. Около 1,2 литров воды поступает в организм человека с пищей, около 1,0 литра воды поступает в виде жидкости, а около 0,3 литра образуется в организме в процессе метаболизма.
Воды Земли находятся в непрерывном движении. Круговорот воды увязывает воедино все части гидросферы, образуя в целом замкнутую систему. Круговорот воды или гидрологический цикл представляет собой процесс, в результате которого происходит накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды.
Испаряющаяся с поверхности земли вода общим объемом 525 тыс. образует атмосферные воды в форме водяного пара. Водяной пар выполняет экологическую функцию мощного фильтра солнечной радиации, а также регулятора климата на планете. При охлаждении в верхних слоях атмосферы водяной пар конденсируется в мельчайшие капли воды или кристаллы льда, которые возвращаются на землю в виде атмосферных осадков.
Вода, испаряющаяся с поверхностей морей и океанов, вносит существенный вклад в круговорот гидросферы. Большую роль в этом процессе играют микроорганизмы (микроводоросли - динофлагеллята). Огромное количество этих микроводорослей скапливается у поверхности морей и океанов, интенсивно поглощает солнечный свет и синтезирует диметилсульфид. Это способствует прогреванию поверхности воды и прилегающих к ней воздушных потоков. Турбулентные потоки воздуха захватывают микроводоросли, а диметилсульфид на воздухе превращается в сульфат, кристаллы которого стимулируют конденсацию паров воды. Ежегодно морские микроводоросли выделяют в атмосферу от 15 до 40 миллионов тонн серы. Это примерно в три раза больше, чем выделяют ежегодно все вулканы на нашей планете.
Так как над поверхностью морей и океанов практически нет пыли, то кристаллы сульфатов являются единственными конденсаторами влаги, из которой формируются облака. Многочисленные бактерии и споры грибов, содержащиеся в облаках, разрушают стенки микроводорослей, превращая воду в лед. Замороженные частички воды извлекают воду из окружающих их капелек, формируя крупные ледяные шарики, которые падают вниз на Землю.
Хотя содержание влаги в одном кубометре облаков невелико (от 0,1 до 10 г), - а их объемы достигают десятков кубических километров, - в них накапливаются сотни тонн воды.
Вода, испаряющаяся с поверхности морей и океанов и вновь возвращающаяся в виде осадков в эту водную среду, включается в малый круговорот. Если же атмосферные осадки выпадают на поверхность суши, то часть из них с поверхностным стоком поступает в реки, а с ними в моря и океаны. Но большая часть атмосферных осадков, попадающих на почву, фильтруется, обогащается солями, формируя подземные воды.
Приблизительно 80% воды испаряется с поверхности океанов, а остальные 20% испаряются растениями и поверхностью суши. Вода, испаряющаяся с поверхности суши, в виде атмосферных осадков вновь возвращается в моря и океаны, замыкая большой круговорот воды.
|
|
|
|
В среднем на поверхность Земли в течение года выпадает около 1 м осадков. Вопреки сложившимся представлениям, дождевая вода содержит достаточно большое количество солей и микроорганизмов, что дает основание некоторым ученым приравнивать их к экосистемам. Капля воды, падающая с высоты одного километра, поглощает загрязнения, содержащиеся в 10-15 литрах воздуха. Таким образом, литр дождевой воды поглощает примеси, содержащиеся в 250-300 тыс. литров воздуха. Эти примеси содержат соединения хлора, йода и бора океанического происхождения, а также различные загрязнения антропогенного происхождения.
Подсчитано, что приблизительно за 2 млн. лет вся вода на планете проходит через живые организмы. Средняя продолжительность общего цикла биологического кругооборота воды составляет 300-400 лет. Приблизительно 37 раз в год (то есть каждые десять дней) изменяется вся влага в атмосфере. Полное обновление состава воды в атмосфере происходит за 9-10 дней. Это самое активное и короткое звено круговорота воды в природе.
В пределах отдельной экосистемы происходят четыре основных процесса круговорота воды, входящие в элементы малого круговорота: адсорбция, транспирация, инфильтрация, сток.
Вода атмосферных осадков, прежде чем попасть на поверхность земли, адсорбируется растениями. Величина адсорбции воды в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков. Позднее происходит физическое испарение этой воды в атмосферу. Достигая почвы, вода просачивается в нее (процесс инфильтрации) или образует поверхностный сток. Если вода атмосферных осадков достигает грунтовых вод, она включается в их состав. Подземный сток связывает почвенную влагу с поверхностными водами и гидросферой в целом. Процесс инфильтрации зависит от состава почвы и наличия в ней перегнойного коллоидального комплекса. Чем массивнее этот комплекс, тем интенсивнее задерживается в почве инфильтрованная вода.
Транспирация представляет собой биологический процесс испарения воды растениями, которые потребляют около 40% общего количества осадков. При этом испаряется не адсорбированная влага, а вода, заключенная в растениях. Транспирация растениями вносит существенный вклад в круговорот воды. В некоторых районах транспирация даже превышает испарение воды со свободной поверхности водных объектов. Ежегодно на формирование биомассы используется 1% воды, выпавшей в виде атмосферных осадков.
Общий вклад воды, которая испаряется растениями, в глобальный гидрогеологический Цикл весьма значителен. Водный баланс растений является важнейшим фактором продуктивности, особенно в экосистемах с недостаточным увлажнением. Поэтому растения играют заметную роль в круговороте воды.
Избыток выпавшей с осадками воды стекает в водоемы, реки, моря и океаны. Таким образом, вода проходит через экосистемы почти без потерь.
Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами.
1. Интенсивный забор больших количеств пресной воды из рек,
озер и водоносных горизонтов, который привел к истощению запасов грунтовых вод или к вторжению соленой океанической воды в подземные водоносные горизонты.
2. Сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог автостоянок, жилья и других видах деятельности. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений и повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым усиливая эрозию почв.