ЛЕКЦИЯ ДЕВЯТНАДЦАТАЯ

ВОДА. ГИДРОСФЕРА.
ВОДА И ЖИЗНЬ

Великое множество вещей
возникает из воды
и возвращается в воду.
Фалес

Воду еще с древних времен рассматривали как основу жизни. У Аристотеля она входила в число четырех "начал" и ее соединение с другими "началами" (землей, огнем, воздухом) порождало все многообразие мира (лекция 2).

Изучение молекулярной структуры вещества привело к пониманию исключительности воды как растворителя, способного образовывать связи с частицами практически всех веществ. Уникальные свойства воды связаны с малым размером молекулы и ее полярностью (неравномерным распределением электрического заряда в молекуле), наличием слабых водородных связей.

Удивительное свойство воды, способность при нормальных условиях быть жидкостью, определяет наличие жизни на Земле. Действительно, ближайшие, более тяжелые химические аналоги воды, гидриды серы (H₂S) и селена (Н₂Sе), являются газами при комнатной температуре и атмосферном давлении. Вода должна была существовать в жидком виде в интервале от -80°С до -95 С. Но это не так.

Твердая вода (лед) легче жидкой. Это свойство тоже уникально. Впервые на него обратил внимание еще Галилей. Именно эта особенность отвечает за сохранение жизни в водоемах зимой.

Тепловые свойства воды оказались уникальными для обеспечения жизни. Испарение воды требует значительных затрат энергии, по сравнению с другими веществами скрытая теплота испарения воды необычайно велика.

168

Велика и скрытая теплота кристаллизации. Это обеспечивает возможность стабилизации температуры в условиях, близких к благоприятным для живых организмов.

Из-за большой теплоемкости требуется значительная энергия для небольшого изменения температуры воды. Моря и океаны являются гигантскими термостатами, сглаживающими суточные и сезонные колебания температуры. Причем не только такие большие массы воды, как моря, способны сглаживать эти колебания. Резкие суточные колебания температуры в районах великих пустынь связаны с отсутствием водяного пара в воздухе. Одно и то же количество солнечной энергии повышает температуру песка в 5 раз больше, чем температуру такого же количества сухого воздуха. Сухой воздух лишен водяного пара, способного сдержать быстрое ночное охлаждение песка.

Высокое поверхностное натяжение воды обеспечивает не только жизнь микроорганизмов на поверхности, но и способность движения растворов по мелким сосудам в живых организмах.

Вода как растворитель играет основную роль в существовании жизни. Более 90% массы живой клетки приходится на долю молекул воды. Действительно, основная часть реакций в живой клетке идет в растворе, где ионы и молекулы получают возможность относительно свободного движения. Вода участвует в транспортировке вещества по живому организму, обеспечивает стабильные условия для обитания многих клеток и организмов.

Вода является участником процессов обмена веществ (метаболизма). При фотосинтезе она служит источником водорода и участвует в реакциях гидролиза. Она одновременно и среда, в которой протекают все биохимические процессы, и их участник. Вода - слабый электролит. Даже в сверхчистой воде одна молекула из 5 миллиардов (2 × 10^-10) диссоциирует на катион водорода Н^- и анион ОН⁺.

Земля непрестанно получает энергию от Солнца. Одновременно она излучает энергию в космическое пространство. Если оценить разницу этих двух процессов, то получится следующее. В Северном полушарии (между

169

38 параллелью и полюсом) излучение энергии обычно больше поглощения энергии, приходящей от Солнца. В районе экватора ситуация меняется. Выравнивание температуры происходит исключительно благодаря круговороту воды.

Удельная теплоемкость воды больше, чем у любого другого вещества. Поэтому за счет циркуляции воздушных масс в атмосфере и морских течений избыточная солнечная энергия переносится из теплых зон в холодные. Важную роль играют полюса, на которых вследствие таяния льда поглощается избыточная энергия.

Общая масса снега и льда на Земле составляет 0,0004% от массы всей Земли. Этого достаточно для того, чтобы покрыть всю поверхность планеты слоем 53 м. Если эта масса растает, то уровень океана поднимется на 64 метра. 99% этой массы находится в Антарктиде и Гренландии. Снег (лед) имеет очень высокую отражательную способность. Она превышает среднюю для земной поверхности на 30% . Именно поэтому на полюсах разность между поглощаемой и излучаемой энергией всегда отрицательна. То есть поглощенная поверхностью энергия меньше испущенной. В результате происходит терморегуляция планеты.

Общая масса воды составляет около 1/4000 массы Земли (около 1,5 × 10¹⁵ т). При этом вода находится в жидком, твердом и газообразном состояниях (таблица 19.1).

Значительная часть воды - соленая, сосредоточена в Мировом океане (условно разграниченном на четыре океана - Атлантический, Тихий, Индийский и Северный Ледовитый). Океан - в космогонии древних греков обтекающая землю река, из которой ежедневно на востоке встает Солнце и в нее же опускается на западе.

Таблица 19.1

Вода на Земле

Фазовое состояние	% от общей массы
Жидкая вода	98,85
Твердая вода (лед)	2,15
Водяные пары атмосферы	85 · 10-4

170

Таблица 19.2

Основные характеристики океанов

Океан	% общей массы воды	Площадь, тысяч кв. км	Средняя глубина,м	Средняя температура, °С	Подъем уровня воды, мм в год
Тихий	52,8	178684	4028	19,4	1,5
Атлантический	24,7	91655	3627	16,5	1,7
Индийский	21,3	76174	3897	17,0	0,9
Северный Ледовитый	1,2	14699	1296	-0,8	-

Большую часть Земли занимают моря и океаны (таблица 19.2). Их площадь составляет 71% поверхности планеты. Средняя глубина Мирового океана 3795 м, глубины от 3000 до 6000 м занимают до 76% площади морского дна. Менее 1% приходится на пресную жидкую воду. Вся вода на Земле образует единую систему, находящуюся в непрерывном круговороте (рис. 19.1).

Изменение соотношений между составными частями круговорота приводит к периодам оледенения и потепления, изменению уровня Мирового океана. В настоящее время годовой водный баланс складывается следующим образом (в тысячах кубических километров): расход - испарение воды с поверхности суши и Мирового океана - 505: приход - осадки - 458; речной сток - 47.

К соленым водам относятся все моря и океаны и отдельные типы континентальных водоемов (вулканические озера, соленые озера пустынь, изолированные остатки древних морей и т.д.). Среднее содержание солей около 3,5% (35 г/л).

Для обеспечения теплового режима Земли крайне важно взаимодействие воздушных масс атмосферы и вод

171

Мирового океана. Вода имеет очень высокую теплоемкость, благодаря чему Мировой океан является хранилищем солнечной энергии. Слой воды толщиной 1 см поглощает 94% падающей на поверхность солнечной энергии. Суточные изменения температуры над поверхностью океана не превышают 1°С, годовые не достигают 10°С. С глубиной температура понижается и на глубине от 100 до 700 м находится слой с резким перепадом температуры - главный термоклин. Придонные слои имеют температуру 1-3°С. В полярных областях - от 0 до 1,5°С.

Если охладить Мировой океан на глубину до 200 м на полградуса, то температура воздуха над Европой нагреется на 10°С на высоту до 4000 м. При охлаждении 1 см³ воды на 1 К выделяется тепло, достаточное для нагрева на 1 К 3134 см³ воздуха.

Современный уровень океана установился около 7000 лет назад. Колебания уровня за последние 200 миллионов лет по данным геологических исследований не превышали ±100 м относительно современного.

В верхнем слое Мирового океана в одном литре воды растворено 50 мл углекислого газа, 13 мл азота, до 8 мл кислорода.

Средняя продуктивность океана соизмерима с продуктивностью пустыни. Высокой продуктивностью отличаются только 17% поверхности. В основном это литоральные зоны (зоны, в которых солнечные лучи достигают дна, глубина не более 500 м), коралловые рифы, мелководные банки. 35% поверхности имеют незначительную продуктивность. Около половины поверхности Мирового океана - биологическая пустыня. Более 2/3 биомассы живых организмов сосредоточено на глубинах до 500 м.

Самая жесткая пресная вода содержит солей не более 0,5 г/л (0,005%). Существуют проточные и стоячие водоемы. По экспертным оценкам, жизнь реки существенно зависит от состояния берегов. Основной запас пресной воды содержится в подземных водах. По оценкам, их около 28,5 миллиардов кубических километров, почти 15 раз больше, чем в Мировом океане. Можно утверждать, что именно подземные воды являются основным резервуаром, пополняющим все поверхностные моря и океаны.

172

Подземная гидросфера может быть разбита на 5 зон.

1. Криозона. Область льдов. Глубины, до которых простираются льды, неизвестны. Существует зона, где внутреннее тепло Земли может расплавить лед. Плавления льда при достаточно высоких давлениях и низких температурах не происходит (точка зрения, что лещ плавится под действием давления, ошибочна). Зона охватывает полярные районы. В нее входят и жидкие рассолы. Именно они, вероятно, ответственны за образование вечной мерзлоты и, растекаясь в глубине, охлаждают поверхностные слои. Толщина этой зоны до 1 км.
2. "Жидкая" вода. Охватывает практически всю земную кору.
3. Зона парообразной воды ограничена слоями с температурами 450-700°С. Глубины до 160 км, давления до 5 ГПа.
4. Зона мономерных молекул воды. Охватывает слои с диапазоном температур 700-1000°С и давлениями до 10 ГПа. Граница находится на глубинах до 270 км.
5. Зона плотной воды. Простирается до глубин 3000 км и охватывает всю мантию. Температуры от 1000 до 4000°С. Давления до 120 ГПа. Вода полностью диссоциирована на ионы водорода и кислорода. В обычном смысле, конечно, отсутствует.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Как осуществляется круговорот воды?
2. Почему вода ответственна за терморегуляцию планеты?
3. Какие свойства воды определяют существование жизни на Земле?
4. Перечислите основные характеристики соленых вод.
5. В чем различие соленых и пресных вод?
6. Какова роль подземных вод?

173