11. Гидросфера

Гидросфера – водная оболочка Земли. Вода пронизывает все другие оболочки, многие процессы в атмосфере, на поверхности Земли, в литосфере совершаются исключительно в присутствии воды. Вода связывает атмосферу, литосферу и живое вещество, т.е. с ее помощью происходит обмен вещества и энергии между составными частями ГО. «Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов». Вода – самый могучий преобразователь поверхности Земли. Она – самое драгоценное и незаменимое вещество (минерал), без которого невозможна жизнь, и, прежде всего, в биологическом смысле. Около 3,8 млрд. лет назад жизнь зародилась на Земле в водной среде и с тех пор ничто живое не обходится без нее, т.к. обмен веществ возможен только в водной среде. Вода – самое распространенное вещество на Земле: объем гидросферы около 1454 млн. км³ (по другим подсчетам 1,8 млрд. км³).

На происхождение гидросферы (воды) существуют различные точки зрения. Они зависят от представлений об эволюции Земли. Согласно взглядам некоторых авторов, происхождение гидросферы объясняется так: «Если Земля была однажды полностью расплавлена, то тогда большая часть воды…улетучилась в горячую древнюю атмосферу. Позже, когда Земля застыла, водяной пар конденсировался и образовался первичный океан. Согласно этой гипотезе современная атмосфера и океан являются остатками горячей древней атмосферы». Это давно устаревшая точка зрения. Согласно другой точке зрения, наиболее обоснованной и приемлемой, происхождение воды связывают с выделением ее в ходе дифференциации первичного вещества планеты, сформировавшегося из холодного газа – пылевого облака, которое под влиянием гравитационного и радиоактивного тепла подвергалась расплавлению, но не одновременному, а очаговому. Этот процесс начался около 4,5 млрд. лет назад.

Дифференциация однородного вещества при последовательном частичном разогревании происходит при процессе, известном в металлургии под названием зонной плавки. В лаборатории академика А.П. Виноградова зонной плавке подвергали вещество каменных метеоритов. В процессе плавления под влиянием кольцевого нагревателя вещество метеоритов плавилось, и при многократном таком плавлении и остывании оно расчленялось на отдельные фракции. В жидкое и газообразное состояние переходили легкоплавкие компоненты, а тугоплавкие сохраняли твердое состояние. Таким путем был получен легкий базальт и некоторые летучие вещества (водяные пары, кислые дымы и др.). Остывшие парообразные и газообразные вещества образовали жидкую и газообразную фракцию.

Подобное моделирование послужило основанием полагать, что аналогичный процесс зонной плавки происходил в первичном метеоритном веществе Земли, когда многократно возникавшие очаги расплава, переплавляли его. Медленное остывание в магматических очагах привело к расслоению его с образованием во внешней части планеты атмосферы, гидросферы, слоистой земной коры. Гидросфера сформировалась вследствие конденсации водяных паров при охлаждении.

А.П. Виноградов установил также, что базальт при плавлении под высоким давлением поглощает до 8 весовых процентов воды. Очевидно, столько же он выделяет при затвердевании. Если предположение А.П. Виноградова о том, что вся земная кора прошла стадию базальта, верно, то вес гидросферы должен составлять около 8% веса земной коры (равен примерно 7% веса земной коры).

Подсчитано также, что и в настоящее время так называемые ювенильные (юные, поступающие из недр), воды поступают в гидросферу при вулканических извержениях, в виде термальных источников и фумарол. Лава вулканов содержит от 4 до 8 весовых процентов воды. Е.К. Мархининым подсчитано, что только вулканами, фумаролами и гидротермами за геологическую историю Земли могло образоваться примерно 1,8Х10⁹т (1,8 млрд. км³) воды, т.е. вся гидросфера.

Основные свойства воды: текучесть (под воздействием силы тяжести), испаряемость, способность переходить из одного состояния в другое (жидкое, твердое, газообразное), способность пресной воды кипеть при температуре 0С, иметь наибольшую плотность при 4С, увеличивать объем примерно на 11% при замерзании, ее высокая теплоемкость и др. играют громадную роль в ГО, благодаря которым вода и является вездесущим и незаменимым веществом, настоящим чудом природы.

Гидросфера (Мировой океан) играет огромную роль в теплообороте ГО. Фазовые превращения воды сопровождаются поглощением (при испарении и таянии) или выделением (при конденсации и замерзании) тепла. Для испарения 1 г воды при 0С затрачивается 597 кал., на таяние 1 г льда – 80 кал. тепла, которое выделяется при конденсации и замерзании. Тепло, идущее на испарение, затрачивается у земной поверхности, а выделяется в свободной атмосфере (в слое до 5-6 км). Кроме того, вода обладает большой теплоемкостью: для того, чтобы нагревать 1 л воздуха и 1 л воды на 1С во втором случае надо затратить в 3 тыс. раз больше энергии, чем в первом.

Пресная вода составляет 2,5% гидросферы (жидкая лишь – 0,25%), которая возобновляется в ходе круговорота, благодаря отмеченным уже таким свойствам воды как текучесть, испаряемость, легкость фазовых превращений в природной обстановке при сравнительно коротком интервале температур. Ежегодно с поверхности Земли испаряется 577 тыс. км воды (85% с поверхности океана), столько же выпадает на земную поверхность в виде атмосферных осадков. Основные звенья круговорота воды: испарение, перенос влаги воздушными течениями, выпадение осадков, речной сток. Основные факторы влагооборота: солнечная энергия и сила тяжести. В любой момент в атмосфере содержится 13-14 тыс. км куб. воды.

Динамика Мирового океана. Воды Мирового океана находятся в постоянном движении, они перемещаются как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях по всей толще. Движение воды обеспечивает ее перемешивание, а, следовательно, перераспределение тепла, солей, газов. Интенсивность вертикальных перемещений в водной среде на 3-5 порядков меньше, чем горизонтальных.

Движение вод в океанах и морях бывают колебательными и поступательными. При колебательных движениях частицы воды, перемещаясь в некоторых пределах, возвращаются в исходное положение, при поступательных – перемещаются все дальше от исходного пункта. К первым формам движения относятся волнение, ко вторым – течения.

Океанические течения – это поистине грандиозное явление природы. Огромные массы воды постоянно переносятся на многие тысячи км. Если посмотрим на карту течений, то увидим, что теплые, воды в западных частях Океанов направляются к полюсам и, подобно водяной отопительной системе, обогревают высокие широты Земли, а на высоте возвращаются к экватору охлажденными.

Течения океанических вод, как и воздуха, таким образом, перераспределяют тепло и холод между низкими и высокими широтами, сглаживая температурные контрасты между экваториальными и полярными широтами.