Лекция 6. Вода в атмосфере и биосфере

Учебные вопросы:

1. Вода- основа жизни.

2. Круговорот воды в природе

3. Свойства воды

4. Влияние растворенных веществ на структуру воды

Вода- основа жизни.

«Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы с ней сравниться по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Не только земная поверхность, но и глубокие — в масштабе биосферы — части планеты определяются, в самых существенных своих проявлениях, ее существованием и ее свойствами».

Академик В. И. Вернадский

Вода – кровь биосферы. Без нее существование биосферы невозможно. Покрывая две трети поверхности Земли, вода влияет практически на все процессы, которые происходят на нашей планете. Тяжело найти такое природное тело, которое бы не содержало в себе воды. Влагу содержат даже камни и огненная магма. Растительный мир состоит из воды на 70–95%. Тело любых живых существ на нашей планете, в том числе и человека, в основном состоит из воды. Она составляет от 60 до 99% их веса.

Вода – основное звено, связывающее воедино все климатические подсистемы нашей планеты – атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу. Жизнь на планете смогла развиться до современных форм лишь благодаря тому, что благодаря стабилизирующему влиянию водяного пара, на Земле на протяжении миллиардов лет средняя температура изменялась не более, чем на несколько десятков градусов. Будь она на пару десятков градусов выше – Земля давно потеряла бы воду (как это случилось, вероятно, с Венерой). Если бы температура была на несколько десятков градусов ниже – вся жидкая вода на планете превратилась бы в лед, Мировой океан и водоемы суши замерзли до дна, а все их обитатели неминуемо погибли. Возможно, так в свое время произошло на Марсе, где вода обнаружена лишь в твердом виде на полярных шапках и в горных породах его недр.

Вода самое распространенное вещество на нашей планете. Она окружает нас повсюду. 71% поверхности нашей планеты занимает гидросфера- Мировой океан, озера, водохранилища, реки, ручьи и болота. Количество воды в недрах Земли в 40 раз превышает массу наземной гидросферы. Вода присутствует в атмосфере и выпадает на земную поверхность в составе атмосферных осадков. Поэтому воду изучают сразу несколько естественных наук. Поверхностные воды суши – гидрология; Мировой океан – океанология; Подземные водах – гидрогеология; Воду в атмосфере – гидрометеорология.

Благодаря присутствию в атмосфере капельножидкой воды существует такое красивейшее явление природы как радуга (которую древние греки принимали за очаровательную улыбку быстрокрылой посланницы Зевса- богини Ириды). В средние века радуга считалась божественным знамением. За попытку дать научное объяснение этому явлению в XVII веке был отлучен от церкви и заключен в тюрьму ученый Доминис. Следствие длилось долго. Доминис не дождался суда и умер. Но грех его был столь велик, что суда трупу Доминиса избежать не удалось. Суд приговорил его к сожжению на костре, что и было сделано.

Еще одним оптическим явлением, вызванным присутствием в атмосфере капельножидкой воды, являются венцы – имеющие радужную окраску кольца вокруг луны и Солнца , а также «Броккенские призраки»- четкие тени людей и животных в облаках, наблюдаемые в горных странах.

Другим, не менее интересным оптическим явлением в атмосфере является гало - светящиеся кресты, столбы, круги и дуги. Оно возникает в результате преломления света на содержащихся в атмосфере микрокристаллах льда, имеющих форму шестигранной призмы.

Благодаря присутствию в атмосфере жидкой и твердой воды, в ней происходят грозы. Этому природному явлению будет посвящена специальная лекция по дисциплине «Основы теории катастроф».

Организм человека примерно на 70% состоит из воды. В том числе содержание воды в коре головного мозга составляет 83,3% , в мышцах – 76%. Меньше всего воды в эмали зубов – около 0.2%. Вода для человеческого организма — это второе по значимости вещество после кислорода. Человек может жить без пищи более 4 недель, а без воды — не более 7 дней. Вода — индикатор старения. Тело ребенка от рождения до годовалого возраста содержит 80–85% воды. При достижении возраста 18 лет содержание воды уменьшается до 65–70%, а в старости — до 25%. Многие ученые склоняются к мысли, что в обеспечении организма качественной водой и в количестве, необходимом для нормального процесса обмена веществ, заключается секрет продления молодости.

Вода помогает функционировать почти каждой части человеческого тела:

Мозг на 75% состоит из воды. Обезвоживание может причинять головные боли и головокружение. Вода регулирует температуру тела.

Кровь на 92% состоит воды. Вода несет питательные вещества и кислород ко всем клеткам тела, защищает и буферизирует жизненно важные органы. Вода помогает преобразовывать пищу в энергию, а также способствует усвоению органами питательных веществ и выводит отходы.

Кости на 22% состоят из воды. Мускулы на 75% состоят из воды, в них находится около половины всей воды тела. Пот, молоко, желудочный сок и т. п. на 99% состоят из воды.

Суточная потребность организма в воде определяется условиями внешней среды, а также характером работы. В нормальных условиях для поддержания водного баланса необходимо ежедневно употреблять 2–3 литра жидкости. Непосредственно в виде свободной жидкости (разных напитков или жидкой пищи) взрослый человек в среднем потребляет в сутки около 1–2 литра воды. Остальное составляет вода, поступающая в организм в виде твердой пищи. Даже «сухая» еда на 50–60% состоит из воды.

Потребность в воде заложена в человеке на подсознательном уровне. Сигнал об утолении жажды поступает в мозг через 15–20 минут после питья, когда организм уже успевает насытиться влагой. Уменьшение количества воды в организме всего лишь на 1,5% вызывает сильную жажду, плохое самочувствие, сонливость, замедление движений, тошноту, иногда покраснение кожи. Если в организме содержание влаги снижается на 6–10%, это чревато головной болью, одышкой, отсутствием слюноотделения, потерей способности двигаться и нарушением логического мышлении. 11–20% недостатка воды вызывают спазмы мышц, бред, притупление слуха, зрения. А при потере 25% воды наступает смерть.

Каждые сутки население нашей планеты потребляет 7–8 млрд. тонн воды. И хотя ученые уверены, что при рациональном использовании водные ресурсы неисчерпаемы, однако возрастающие запросы человека приводят к превышению уровня естественного восстановления вод и нарушению природного равновесия. Количество землян сейчас превышает 6 млрд.. Оно может еще раз удвоиться к середине нынешнего столетия. Основной рост населения приходится на развивающиеся страны, где водные ресурсы практически истощены. Около 60% поверхности Земли составляют зоны, где отсутствует пресная вода или ощущается ее острый недостаток. Почти 500 млн. человек страдают от болезней, вызванных недостатком или неполноценностью питьевой воды.

Круговорот воды в природе

Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, передвижения водяного пара в атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока, получил название круговорота воды в природе. Его схема показана на рисунке 1

Обмен веществами между атмосферой и подстилающей поверхностью в круговороте воды в природе обеспечивается в основном процессами испарения, сублимации, конденсации, кристаллизации, а также выпадения атмосферных осадков.

В атмосферу вода поступает в основном в виде водяного пара в результате испарения с поверхности гидросферы (Мирового океана и водных объектов суши).

Рисунок 1. Схема круговорота воды в природе

С поверхности Мирового океана за год испаряется около 450 тысяч кубических километров воды. Если бы ее распределить по его поверхности, образовался бы слой толщиной около 1, 25м.

Значимый вклад вносит также испарение ее почвой и наземной растительностью (транспирация), а также криосферой. В целом, с материков в атмосферу поступает 71 тысяча кубических километров воды. Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше — положение обратное.

Значительные количества водяного пара выбрасываются из недр Земли при извержениях вулканов, а также проникают в атмосферу из космоса.

Всего за год в атмосферу поступает в среднем примерно 521 тысяча кубических километров воды (это примерно семь таких водоемов как Каспийское море). Такое же количество воды ежегодно возвращается на земную поверхность из атмосферы, увлажняя почву и создавая условия для развития флоры и фауны во внутренних регионах материков, лишенных собственных источников влаги.Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично — просачиваются в землю и образуют подземные воды.

Различают несколько видов круговоротов воды в природе:

Большой, или мировой, круговорот — водяной пар, образовавшийся над поверхностью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: при испарении соленая морская вода превращается в пресную, а загрязненная — очищается.

Малый, или океанический, круговорот — водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, конденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан.

Внутриконтинентальный круговорот — вода, которая испарилась над поверхностью суши, опять выпадают на сушу в виде атмосферных осадков, которые образуют сток и достигают Мирового океана.

Скорость

Среднее время очистки Среднее время обновления

Океаны 200 лет

Ледники от 20 до 100 лет

Сезонный снежный покров от 2 до 6 месяцев

Почвенная корка от 1 до 2 месяцев

Грунтовые воды: паводок от 100 до 200 лет

Грунтовые воды: углубленные 10 000 лет

Озера от 50 до 100 лет

Реки от 2 до 6 месяцев

Атмосфера 9 дней

Скорость переноса различных видов воды изменяется в широких пределах, периоды их обновления также разные. Они изменяются от нескольких часов до нескольких десятков тысячелетий.

Запасы почвенной влаги имеют примерно годичный период накопления и расходов. Атмосферная влага, которая образуется при испарении воды из океанов, морей и суши и существует в виде облаков, обновляется в среднем через девять дней.

Воды, входящих в состав живых организмов, восстанавливаются в течение нескольких часов. Период обновления запасов воды в горных ледниках составляет около 1600 лет, в ледниках Антарктиды и Гренландии — около 9 700 лет. Полное обновление вод Мирового океана происходит примерно через 2700 лет.

Вода в атмосфере Земли присутствует во всех четырех агрегатных состояниях.

Это: - водяной пар (газообразная вода);

• капельножидкая вода, образующая жидкие атмосферные осадки, водяные и смешанные облака, а также туманы;

• кристаллическая (твердая) вода, входящая в состав твердых атмосферных осадков, ледяных и смешанных облаков, а также туманов;

• плазма (ионизированные и диссоциированные молекулы воды- преимущественно гидроксилы ОН).