Гидросфера

Гидросфера — это совокупность всей воды на нашей планете. В том или ином виде вода есть в подземном, наземном и воздушном пространствах.

Нам кажется, что запасы воды на Земле огромны, ведь вода является самым распространенным веществом на нашей планете, покрывая более 70% ее поверхности и питая все живые организмы. Однако запасы пресной питьевой воды сильно ограничены. К тому же из-за негативного влияния человека они с каждым годом сокращаются. В этой статье мы поговорим о составе и структуре гидросферы, ее значении для экосистем, расскажем о факторах, которые угрожают благополучию гидросферы, и о том, что нужно сделать, чтобы сберечь чистую воду на нашей планете.

Строение гидросферы

Гидросфера начинается глубоко под поверхностью Земли — в ее литосфере. Вечная мерзлота, состоящая из горных пород, почвы и льда проникает в земную кору на глубину нескольких сотен метров. Рекорд глубины был зафиксирован в Якутии — там вечная мерзлота была обнаружена на уровне 1,3 километра под поверхностью.

Важную часть гидросферы составляют подземные воды, которые находятся в образованиях почвы и горных пород — водоносных горизонтах. В зависимости от глубины залегания и некоторых других характеристик выделяют разные виды подземных вод:

• Минеральные. Воды из природных источников на средней глубине 400 метров. Некоторые источники на Кавказе располагаются на гораздо большей глубине — свыше 1 километра. Из-за длительного взаимодействия с горными породами в них может быть растворено свыше 200 минеральных элементов.
• Артезианские. На глубине от 70 метров формируются изолированные источники, куда не может проникнуть влага с поверхности. Из-за особенностей расположения артезианскую воду часто называют межпластовой. Как и в предыдущем случае, глубина залегания артезианской воды может достигать 1 километра, однако она сильно отличается по химическому составу. Из-за малого количества примесей артезианскую воду чаще всего можно пить уже после небольшой фильтрации, тогда как минеральная обычно требует более глубокой обработки.
• Грунтовые. Этот слой располагается на глубине от 6 до 40 метров под поверхностью Земли. Вода проникает сюда в основном с помощью природных наземных источников и осадков. Близ рек и озер грунтовые воды регулярно обновляют свой состав и могут быть пригодны для питья. В засушливых регионах источники постепенно засаливаются — содержание хлорида натрия может достигать 50 граммов на литр воды.
• Верховодка. На глубине до 5 метров располагается самый неустойчивый слой подземных вод. Он напрямую зависит от количества осадков, а потому может как наполняться, так и полностью высыхать. В абсолютном большинстве случаев верховодка непригодна для питья, так как содержит много микроорганизмов и зачастую загрязнена вредными веществами.

Главный и наиболее объемный слой гидросферы — наземный. Почти вся вода, которая присутствует на планете в жидком или твердом состоянии, содержится в Мировом океане (океанах и морях). Еще примерно 1,5% заключено в ледниках, а совокупная доля озер, рек и болот не превышает 0,02% от общего объема.

В атмосфере Земли вода находится преимущественно в газообразном состоянии. Во время осадков она может принимать жидкую или твердую форму. В верхних слоях атмосферы иногда формируются серебристые облака, состоящие исключительно из ледяных частиц. Если собрать всю воду из атмосферы в одном месте, ее объем составит 14 000 кубических километров, или 1,4 * 10¹⁶ литра.

Состав гидросферы

Гидросфера на 97,5% состоит из соленой воды, наполняющей океаны и моря. Такая вода не подходит для питья большинству живых существ, однако она создает условия для существования и развития множества живых организмов. Всего лишь 2,5% воды на Земле является пресной. Это само по себе мало, и вместе с тем пятая часть пресной воды практически недоступна для человека. Она скована в ледниках и вечной мерзлоте, что существенно осложняет ее добычу.

Круговорот воды в природе

Круговорот воды в природе представляет собой ее непрерывную циркуляцию между поверхностью и атмосферой Земли. Так как вода не уходит в открытое космическое пространство (если говорить точнее, эти потери ничтожны), ее количество на нашей планете всегда остается неизменным. Сейчас мы рассмотри основные процессы, составляющие гидрологический цикл:

• испарение. Под воздействием температуры, ветра и солнечного излучения вода переходит из жидкого состояния в газообразное. Одновременно с испарением повышается влажность воздуха, то есть доля содержания в воздухе водяного пара;
• транспирация. Через специальные устьица на листьях растения выводят излишки воды в виде пара. Удивительно, но почти вся вода, которую вбирают корни, выводится в атмосферу, и лишь малая ее доля необходима растениям для роста и метаболизма. Благодаря транспирации освобождается пространство для движения кислорода и углекислого газа, которые участвуют в процессе фотосинтеза;
• конденсация. Достигая верхних слоев атмосферы, скопления водяного пара охлаждаются и превращаются в жидкие капли и ледяные кристаллики, формирующие облака. Постепенно накапливая общую массу, составные части облаков больше не могут противостоять силе гравитации. Нисходящий поток превосходит восходящий, и вода падает на Землю в виде осадков;
• сток. Собираясь в большом количестве, дождевая вода, растаявший снег и лед образуют ручьи, а также проникают в почву и формируют устойчивые подземные потоки. Они одновременно питают реки, озера и другие наземные источники, а также пополняют запас грунтовых вод.

Значение гидросферы для экосистемы

Переоценить значение гидросферы для экосистемы невозможно, ведь вода является одним из главных элементов, обеспечивающих жизнь на Земле. Без воды невозможны питание живых существ и обменные процессы. Фитопланктон, живущий исключительно в водной среде, генерирует порядка 90% кислорода, доступного на планете. Водяной пар в атмосфере является дополнительной защитой от солнечной радиации — он фильтрует примерно половину лучей, которым удалось преодолеть магнитное поле Земли.

Круговорот воды влияет на климатические изменения на нашей планете. От его интенсивности зависит обмен тепловой энергией, а значит, и температура окружающей среды. Без гидрологического цикла температурное равновесие было бы нарушено, то есть появились бы многочисленные участки с аномально низкой или высокой температурой, непригодные для жизни. Кроме того, круговорот воды обеспечивает плодородность почвы, увлажняя ее и поддерживая оптимальный уровень кислотности.

Влияние человека на гидросферу

С наступлением индустриальной эпохи влияние человека на гидросферу начало усиливаться. Сброс химикатов, радиоактивных веществ и углеводородов приводит к отравлению источников воды токсичными веществами и нарушению устойчивости гидрологического цикла. Загрязнение воды делает ее непригодной для питья, а в некоторых случаях даже и для технических нужд. Человеческая деятельность является причиной следующих ключевых проблем:

• эвтрофикация. Удобрения и пестициды, которые используют для обработки полей, содержат азот и фосфор. Попадая в водоемы, эти элементы стимулируют процесс активного цветения водорослей, что приводит к массовым вымираниям рыб из-за нехватки кислорода. Из-за эвтрофикации в воде развиваются патогенные организмы, которые делают ее непригодной для питья;
• кислотные дожди. Многочисленные промышленные предприятия и транспортные средства выбрасывают в атмосферу оксиды серы и азота. Достигая облаков, они окисляют дождевые капли (поднимают уровень pH). Повышенная кислотность осадков приводит к гибели растений и животных, а также ухудшает качество воздуха;
• парниковые газы. Углекислый газ выделяется при сжигании ископаемого топлива, после чего накапливается в верхней части тропосферы. Это приводит к нарушению углеродного цикла — океанические растения не справляются с поглощением и преобразованием такого количества CO_2. В результате вода в океанах чрезмерно закисляется и гибнут морские животные.

Чтобы снизить вред, который человеческая деятельность наносит гидросфере, можно предпринять следующие действия:

• снижение выбросов CO2 с помощью перехода на экологически безопасные виды топлива (водород, электричество, биодизель);
• использование альтернативных источников энергии (солнечный свет, ветер, геотермальные источники);
• установка систем фильтрации в промышленных стоках и повторное использование воды для производственных нужд;
• посадка деревьев рядом с водоемами, чтобы предотвратить попадание в воду сельскохозяйственных химикатов;
• уменьшение потребления воды на бытовом уровне, чтобы не допустить пересыхания водоемов с пресной водой.

Ученые, изучавшие гидросферу

Наука, которая изучает гидросферу, называется гидрологией. Теоретическую основу гидрологии в I веке до нашей эры заложил римский архитектор и механик Марк Витрувий. Он писал, что дождевая вода просачивается сквозь поверхность, позднее образуя ручьи в низинах.

Значительный вклад в становление современной гидрологии внесли исследования XVII века:

• французский ученый Пьер Перро разработал концепцию гидрологического цикла. Анализируя количество осадков в Париже, исследователь смог доказать, что количества дождевой воды достаточно для наполнения стоков Сены;
• Эдм Мариотт, будучи не только великим физиком, но и выдающимся математиком, развил идеи Перро. Используя скорость течения и размер поперечного сечения Сены, он рассчитал расход воды в реке (объем, протекающий за единицу времени);
• английский ученый Эдмунд Галлей, в честь которого названа известная комета, опытным путем измерил скорость испарения воды. На основании этих данных он рассчитал, что испарений с поверхности Средиземного моря достаточно для наполнения русел впадающих в него рек.

Однако как самостоятельный раздел науки гидрология оформилась только в XX веке. Советский и российский гидролог Игорь Шикломанов был одним из первых, кто провел исследование влияния деятельности человека на гидросферу. Кроме того, он рассчитал, сколько времени требуется разным источникам для возобновления запасов воды вследствие круговорота.

• Реки — 16 дней.
• Озера — 17 лет.
• Грунтовые воды и горные льды — 1 500 лет.
• Океаны — 2 500 лет.
• Вечная мерзлота и ледники — 10 000 лет.

Интересные факты

• Один кубический метр воды весит ровно одну тонну, а один литр — килограмм.
• В водах Мирового океана растворено множество химических элементов, в том числе большинство драгоценных металлов.
• Перемещение больших массивов воды в значительной степени влияет на рельеф Земли, образуя овраги и каньоны.
• Ледники, айсберги, заснеженные вершины гор и обледеневшие облака выделяют в особую сферу Земли — криосферу.

• В минеральных и артезианских источниках вода находится под сильным давлением, поэтому, когда их достигает скважина, на поверхности образуется фонтан.

Как мы можем видеть, гидросфера играет важнейшую роль в развитии жизни и всей нашей планеты. Круговорот воды регулирует климатические и температурные изменения, поддерживая стабильность системы под воздействием внешних факторов. Гидросфера — это глобальный источник энергии, который участвует почти во всех аспектах человеческой деятельности. Бережное отношение современных людей к водным ресурсам поможет будущим поколениям жить и развиваться в комфортных условиях.

Изображение на обложке: Ai-generated by A. Romantsova