Водная оболочка Земли
Федеральное агентство по образованию
Московский Государственный Строительный Университет
Авторы: А.С. Маршалкович, М.И. Афонина, Т.А. Алешина.
ЭКОЛОГИЯ - Конспект лекций.
Москва 2009
Московский Государственный Строительный Университет
Авторы: А.С. Маршалкович, М.И. Афонина, Т.А. Алешина.
ЭКОЛОГИЯ - Конспект лекций.
Москва 2009
Введение.
Тема 1. Учение о биосфере и ее эволюции.
- Воздушная оболочка Земли, состав и ее функции.
- Водная оболочка Земли.
- Литосфера.
Тема 3. Экосистемы и их особенности.
Тема 4. Круговороты веществ.
Тема 5. Воздействия на окружающую среду.
Заключение.
Список использованной литературы.
Водная оболочка Земли.
Гидросфера – водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды суши: реки, озера, болота, ледники и подземные воды. Площадь гидросферы составляет 70,8% площади поверхности земного шара. Основная масса воды сосредоточена в морях и океанах – почти 94%, а остальные 6% приходятся на другие части гидросферы. Кроме воды собственно в гидросфере, водяных паров в атмосфере, подземных вод в почвах и земной коре имеется биологическая вода в живых организмах. В естественных условиях вода встречается в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. С химической точки зрения, воду рассматривают как оксид водорода (Н2О) или гидрид кислорода. Из химических свойств воды одним из важнейших является способность ее молекул к диссоциации, т.е. способности распадаться на ионы, а также колоссальная способность к растворению веществ различной химической природы.
Водная оболочка Земли представлена Мировым океаном, водоемами на суше и ледниками в Антарктиде, Гренландии, полярными архипелагами и горными вершинами (рис. 3). Мировой океан делят на четыре основные части – Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый океаны. Воды Мирового океана и его составных частей имеют некоторые общие признаки:
- все они сообщаются друг с другом;
- уровень водной поверхности в них практически одинаков;
- соленость в среднем составляет 35%, имеют горько-соленый вкус за счет растворенного в них большого количества минеральных солей.
Рис. 3. Сравнительные объемы атмосферы и океана, приходящиеся на 1 м3 суши.
Вода – наиболее распространенный в природе растворитель. От количества растворенных в воде питательных веществ зависят рост и развитие организмов. Содержание воды в разных экосистемах, начиная от пустынных и кончая озерными и океаническими, варьирует в самых широких пределах. Практически все живые существа на Земле нуждаются в воде, поэтому именно от ее количества и качества зависит, какой тип сообщества сформируется в данной экосистеме. Количество доступной влаги в наземных местообитаниях в свою очередь зависит от количества осадков, влажности воздуха и скорости испарения. В водной среде фактор доступности влаги также может оказывать определенное влияние на характер распространенных здесь сообществ. Однако в этих случаях, в отличие от наземных экосистем, доступность воды связана с изменением уровня воды, например во время приливов и отливов. Доступность воды может также зависеть от изменения концентрации солей в ней, а концентрация солей в свою очередь влияет на скорость поступления воды в организм и ее выделения из него.
Для изменения температуры воды или для перевода ее из твердой фазы (лед) в жидкую или газообразную (пар) требуется относительно большое количество тепла. По этой причине температура воды изменяется гораздо медленнее, чем температура воздуха. Это свойство воды имеет чрезвычайно важное значение для жизнедеятельности водных организмов, которые благодаря именно этому свойству располагают большим временем для адаптации к смене температур.
Плотность воды достигает максимума при температуре 3,94оС. Это значит, что при данной температуре определенный объем воды (например, 1 см3) имеет максимальное из всех возможных значение. С понижением температуры ниже 3,94оС плотность воды уменьшается. Температура образования льда – 00С. Становится ясно, что данный объем льда при 0оС легче того же объема воды, взвешенной при температуре 3,94оС. Вот почему лед в холодной воде плавает. Это свойство воды имеет большое значение, так как благодаря ему предотвращается промерзание до дна озерных экосистем. Поверхностный слой льда как бы создает теплоизоляцию для нижележащих слоев воды, и, таким образом, разнообразные водные организмы, обитающие в озере, получают возможность пережить зиму подо льдом. Теплая вода обладает меньшей плотностью по сравнению с холодной, поэтому слой теплой воды всегда располагается поверх слоя холодной.
Концентрация соли в воде – один из важнейших экологических факторов, определяющих, какие организмы будут обитать в данной экосистеме. У пресноводных животных и растений концентрация солей во вне- и внутриклеточных жидкостях выше, чем в окружающей их водной среде. Поскольку вещества имеют тенденцию перемещаться из областей с высокой концентрацией в области, где их концентрация ниже, вода поступает в пресноводные организмы, а соли же, напротив, выводятся в окружающую природную среду. Для того чтобы успешно справляться с такой ситуацией, у пресноводных организмов выработались специальные механизмы или появились специальные органы. Эволюция пресноводных организмов в отличие от солоноводных шла в направлении снижения концентрации солей в их тканях и жидкостях. Концентрация солей в клетках и внеклеточных жидкостях некоторых обитателей соленых водоемов (например, у морских водорослей и разнообразных морских беспозвоночных) практически такая же, как и в окружающей их водной среде. Вместе с тем у многих обитателей моря содержание солей во внутренностных жидкостях меньше, чем в водной среде, в которой они обитают. Поэтому в данном случае вода выделяется из вне и внутриклеточных жидкостей этих организмов, а соли, напротив, поступают в них. Две различные среды обитания (пресноводная и солоноводная) предоставляют различные условия для адаптации, а поэтому и заселены они разными сообществами организмов.
Кроме пресноводных водоемов и водоемов с соленой водой имеются солоноватоводные водоемы с промежуточной концентрацией солей. Такие водоемы образуются в местах смешения соленых и пресных вод, например в эстуариях, т.е. полузамкнутых прибрежных водоемах, свободно соединяющихся с открытым морем, или в местах, где соленые воды проникают в подземные воды. Некоторые виды полностью или частично приспособились к существованию в условиях промежуточной концентрации солей. В результате испарения наземные животные и растения утрачивают воду. В этом отношении они сходны со многими морскими организмами, которые, так же как и наземные виды, должны были выработать в ходе эволюции механизмы, позволяющие им сохранять воду.
Морская вода – это многоэлементный, питательный раствор. Соленость морской воды меняется в зависимости от испарения, речного стока и атмосферных осадков. Средняя соленость воды океана – 35%. В открытом океане она практически не меняется. При существующей разнице в солевом составе речной и морской воды соленость морской воды за время существования планеты должна была бы измениться, но этого не произошло.
В океанской воде растворены не только соли, но и газы, важнейшим из которых является кислород, необходимый для дыхания живых организмов. В различных частях Мирового океана количество растворенного кислорода разное, что зависит от температуры воды и ее состава.
В морской воде при температуре 10°С кислорода содержится в 1,5 раза больше, чем в воздухе. Наличие диоксида углерода в океанской воде обусловливает возможность фотосинтеза, а также позволяет некоторым морским животным создавать в результате жизненных процессов раковины и скелеты.
Пресная вода имеет большое значение для жизнедеятельности организмов. Пресной называют воду, соленость которой не превышает 1% . Количество пресной воды составляет 2,5% от общего объема, при этом почти две трети этой воды заключено в ледниках Антарктиды, Гренландии, полярных островов, льдин и айсбергов, горных вершин.
Общие мировые ресурсы пресной воды составляют: суммарный сток – 38-45 тыс. км3, запасы воды в пресных озерах – 230 тыс. км3, а почвенной влаги – 75 тыс. км3. Ежегодный объем испаряющейся с поверхности планеты влаги (включая транспирацию растениями) оценивается примерно в 500-575 тыс. км3, причем 430-500 тыс. км3 испаряется с поверхности Мирового океана, на долю суши приходятся, таким образом, чуть больше 70 тыс. км3 испаряющейся влаги. За это же время в виде осадков на все континенты выпадает 120 тыс. км3 воды.
Подземные воды – воды, находящиеся в порах, трещинах, кавернах, пустотах, пещерах, в толще горных пород под поверхностью Земли. Эти воды могут находиться в жидком, твердом или газообразном состоянии. Подземные воды – ценное полезное ископаемое, характерной особенностью которого является возобновляемость в естественных условиях и в процессе эксплуатации.
Подземные воды имеют различное происхождение и подразделяются на:
- ювенальные, образовавшихся при магмагенных процессах;
- инфильтрационные, сформировавшиеся за счет просачивания атмосферных осадков сквозь толщу проницаемых почв и грунтов на водонепроницаемых слоях;
- конденсационные, скопившиеся в горных породах при переходе водяного пара в грунтовой атмосфере в жидкое состояние;
- воды, погребенные осадками в поверхностных водоемах.
Подземные воды способны минерализоваться, такие воды обладают целебными свойствами, которые используются на курортах, в санаториях и лечебницах.
Водоемы, располагающиеся в естественных понижениях рельефа.
Водохранилища подразделяются на два типа: одноцелевые и многоцелевые. Одноцелевые водохранилища выполняют лишь одну функцию, такую, например, как хранение государственного запаса воды. Функция эта сравнительно проста – выпускать только такое количество воды, которое необходимо. Многоцелевые водохранилища могут служить различным целям: это и хранение государственного запаса воды, ирригация и судоходство; они могут использоваться также для организации отдыха, для производства электроэнергии, для защиты от наводнений и для обеспечения природоохранных мероприятий.Государственный запас воды включает воду для питья и хозяйственных нужд, для промышленных целей, а также, возможно, для полива городских газонов. Ирригационная вода предназначена для обеспечения урожаев, ее использование часто сезонное, с большими расходами в жаркое время года. Пригодность рек для судоходства может поддерживаться постоянным сбросом воды в течение года. Отдых – такой, как гребля, устройство пикников и т.п. – обеспечивается поддержанием относительно постоянного объема воды в водохранилище, чтобы его берега не сильно менялись. Для производства электроэнергии требуются и постоянные сбросы воды, и высокий ее уровень. Для защиты от наводнений необходимо, чтобы водохранилище сохранялось, насколько это возможно, не полностью заполненным. Природоохранные мероприятия предполагают сброс воды во время низкого ее стояния, чтобы защитить качество воды и те виды, которые ее населяют. Такие добавки воды разбавляют сточные воды, снижая тем самым уровень потребления кислорода для их разложения в воде. Они также позволяют вытеснить соленую воду из эстуариев, поддерживая подходящую среду обитания для тех видов, которые там обитают.
Многоцелевая работа водохранилищ сложна. Водохранилище, которое выполняет только одну функцию – хранение запаса воды, должно быть постоянно максимально заполненным. Если назначение водохранилища – только контроль за наводнениями, оно не должно быть заполнено с тем, чтобы можно было задерживать даже очень обильные паводковые воды и затем постепенно сбрасывать их. Назначение и работа любого водохранилища существенно влияет на окружающую среду.
В естественных понижениях рельефа располагаются озера, которые являются постоянными водоемами. Озера образуются различными путями: от вулканических кратеров до тектонических прогибов и карстовых провалов; иногда возникают запрудные озера при обвалах и селях в горах.
Первые болота на нашей планете появились около 400 млн. лет назад на стыке двух геологических периодов – силура и девона. Происхождение болот связано со скоплением вод, не имеющих стока (рис. 4). Болота снижают качество почвы, являются источниками торфа и некоторых видов удобрений. За сотни миллионов лет слои торфа превратились в горизонты каменного угля.
Все торфяные болота мира занимают три процента поверхности суши, или свыше 4 млн. км2. Выделяют три группы болот, в зависимости от того, насколько богаты минеральными веществами питающие болото воды. Все торфяные болота делятся на:
- верховые (водораздельные) – моховые, выпуклые;
- низинные (главным образом долинные и пойменные) – травяные и древесные, плоские, ровные;
- переходные.
Рис.4 Схема зарастания озера по А.Д. Потапову.
- моховый покров (рям);
- донные отложения органических остатков;
- «окно» или пространство чистой воды.
Основную роль в водообмене играют низинные болота в долинах рек. Их питают и атмосферные, и грунтовые, и поверхностные воды. Но именно низинные болота практически не охраняются. Они уникальны своей способностью накапливать и сохранять в насыщенной водой среде отмершие части растений, мхов, осок, тростника, кустарников и деревьев в виде торфа. Большинство болот в естественных условиях растет, постепенно увеличивая свой резервуар. Водный резервуар болот в 7 раз превышает резервуар воды в реках и сопоставим с водным резервуаром атмосферы. На долю торфяных болот приходится 10 % мировых запасов пресной воды. Современные болота существенно отличаются от ископаемых, их максимальный возраст – 12 тыс. лет. Торфяные болота распространены почти на всей земной поверхности в пределах всех климатических зон. Имеются данные о погребенных залежах торфа даже в Гренландии, на Шпицбергене и Антарктических островах. Нет их лишь в отдельных районах, например, в странах с засушливым климатом. Наибольшее число торфяных болот располагается в Северном полушарии. Россия располагает крупнейшими в мире запасами торфа и занимает ведущее место в изучении и использовании торфяных ресурсов. Площадь торфяных болот в нашей стране составляет около 2/5 от мировой. Крупнейшим торфяным регионом планеты является Западно-Сибирская равнина. Здесь сосредоточено 70% всех торфяных ресурсов РФ. В болотах Западной Сибири содержится до 1000 км3 воды.
Болотные экосистемы планеты играют огромную роль в создании равновесия в углеродном балансе, так как, в результате фотосинтеза депонируют оксиды углерода атмосферы и, таким образом, очищают ее. Баланс углерода в биосфере определяется тремя основными процессами: накоплением углерода в процессе фотосинтеза; выделением СО2 и СН4 при дыхании; разложением органического вещества и выносом углерода поверхностным и внутрипочвенным стоком в реки и подземные воды в виде подвижных минеральных соединений.
Наличие болот снижает отрицательное воздействие засухи и способствует увеличению продуктивности растительности. По имеющимся данным, удвоение количества углекислоты в атмосфере может вызвать повышение температуры на планете на 3-5°С. Согласно прогнозу некоторых ученых, к 2050 г. заболачивание охватит весь земной шар.
Часть болотных вод участвует в водообмене. Поверхностный сток с болот осуществляется по гидрографической сети, включающей водотоки, озера, топи, а также путем фильтрации в деятельном горизонте. В Западной Сибири, где преобладают крупные болотные системы, объем стока обеспечивает образование ручьев и речек. Болота не питают реки – они осуществляют транзитную функцию перераспределения поступающей в них воды.
