5.4. Гидросфера Земли

Гидросфера – водная оболочка Земли – в отличие от литосферы и атмосферы, покрывает земной шар лишь на 70% его поверхности. К гидросфере относятся Мировой океан и воды суши: реки, озера, подземные воды, горные и покровные ледники. Все они связаны между собой в планетарном процессе круговорота воды, газов и минеральных солей.

Самое большое скопление воды на поверхности Земли – это Мировой океан. Он является основным водохранилищем нашей планеты. Испаряющаяся с его поверхности влага переносится ветрами на материки и, выпадая в виде осадков, орошает землю, питает реки, подземные воды и горные ледники.

Мировой океан делится материками и островами на отдельные океаны, моря, проливы и заливы.

По сравнению с площадью материков площадь Мирового океана огромна. Один только Тихий океан больше площади всей суши. В Северном полушарии водой занято 60% его поверхности, в Южном – 80%. Площадь окраинных и средиземных морей составляет около 10% площади всего Мирового океана. Общий объем воды в океанских бассейнах – 1370 млн км³. Объем воды в морях составляет менее 3% объема воды в океане. Средняя глубина океана достигает 3795 м, открытых окраинных морей – 874 м, средиземных морей – 1289 м. Наибольшая глубина океана обнаружена в Марианской впадине и составляет 11 022 м.

Средняя концентрация солей в океане – 35 г на 1 кг воды, или 35 промилле. Установлено, что состав и относительное содержание различных солей в Мировом океане повсюду неизменны. Это является следствием наличия мощных морских и океанических течений. Непрерывный обмен веществ происходит не только между отдельными частями Мирового океана, но и между океаном, атмосферой и сушей. Подсчитано, что за год вместе с брызгами воды, подхватываемыми ветрами, выносится на сушу 300-400 млн т солей. В свою очередь, с суши за счет речных стоков ежегодно смывается в океан в среднем 3,3 млн т растворенных веществ. Половина этого количества осаждается на дне океана.

В Мировом океане зародилась жизнь. Растительность, возникшая в нем, обогатила атмосферу кислородом и сделала ее пригодной для жизни животных. Деятельность растительных организмов, произрастающих в океане и разлагающих воду на водород и кислород, и поныне остается главным источником свободного кислорода для атмосферы.

Уже более трех миллиардов лет происходит эволюция организмов. Они непрерывно поглощают необходимые для жизни растворенные в воде вещества и создают из них сложные органические соединения. В свою очередь, морские организмы, перемещаясь в воде (порой на большие расстояния) и выделяя продукты обмена веществ, оставляют повсюду следы своей жизнедеятельности, а, умирая, превращаются в органические остатки. Последние при соединении с растворенным в воде кислородом восстанавливают первоначальные минеральные соли.

Морские животные и растения обладают удивительной способностью: они накапливают в своих организмах взятые из воды медь, цинк, ванадий, железо и другие элементы. Это приводит к тому, что их концентрация в тканях организмов в сотни и тысячи раз выше, чем в морской воде. Некоторые соли и многие рассеянные и редкие химические элементы при отмирании организмов выпадают из круговорота, опускаются на дно и образуют там мощные слои донных осадков. При этом частично переходят в состав минеральных соединений. Таким образом, донные осадки представляют собой в основном илы, образованные известковыми и кремнистыми остатками организмов – их скелетами и раковинами.

Во всех природных водах в растворенном состоянии содержатся азот, кислород, углекислый и другие газы. Количество газов, способных растворяться в морской воде, зависит от ее солености, гидростатистического давления и температуры. Чем больше соленость и выше температура, тем меньше газов растворяется в морской воде, и наоборот.

Кислород, растворенный в океанической воде, берется из воздуха или является результатом фотосинтеза растений, произрастающих под водой. Он расходуется на дыхание живых организмов и окисление органических остатков. В результате выделяется углекислый газ, растворенный в воде. Растения и бактерии, живущие в воде, извлекают из углекислого газа на построение своих тканей около 100 млрд т углерода в год.

Таким образом, в холодных (полярных) областях планеты океан извлекает кислород и углекислый газ из воздуха, газы растворяются в воде, и течения переносят их в глубинные слои и тропики. Кислород в глубинных слоях обеспечивает условия жизни животных и растений. Углекислый газ в тропиках выделяется в атмосферу. Так как содержание углекислого газа в атмосфере в 60 раз меньше, чем в океане, то последний можно рассматривать как хранилище запасов углекислого газа.

Воды Мирового океана служат для химических элементов средой превращений, с одной стороны, и транспортным средством, с другой. В результате многих химических и биохимических преобразований вещества находятся в нем в растворенном, коллоидном и взвешенном виде, свободном состоянии и соединениях. Это означает, что Мировой океан является «геохимическим» реактором. Этот реактор работает на энергии Солнца.

Мировой океан является также аккумулятором тепла. Около 95% его вод имеют среднюю температуру 3,8⁰С. Эта температура в современных климатических условиях остается практически неизменной.

Но на поверхности океана и в глубине в разных его областях температура воды существенно различна. В экваториальной зоне вода нагрета до 25-26⁰С, а в приполярных областях ее температура бывает ниже нуля (в воде с соленостью 35‰ лед образуется при температуре 1,9⁰С). Сезонные колебания температуры воды в средних широтах составляют 5-10⁰С, в северо-западных частях Атлантического и Тихого океанов – 15⁰С, а в полярных областях и тропиках – не превышают 2⁰С. Придонные воды океана имеют температуру около 0⁰С. В верхних слоях воды наблюдаются многолетние циклы потепления или похолодания. Это оказывает существенное влияние на климат, погоду и особенно на жизнь организмов.

С глубиной температура воды в океане обычно снижается. В северных широтах верхний слой прогретой воды достигает к осени толщины 10-15 м, в средних широтах – 40-50 м. Под ним наблюдается сезонный скачок температуры. При сильном волнении и зимнем охлаждении слой температурного скачка разрушается, температура воды становится сравнительно одинаковой до глубины 50 м.

Как известно, вода обладает большой теплоемкостью: 1 м³ воды, охладившись на один градус, может настолько же нагреть более 3300 м³ воздуха. Это свойство воды позволяет Мировому океану служить аккумулятором и распределителем тепла на поверхности Земли. В умеренных и полярных широтах морские воды летом накапливают тепло, а зимой отдают его в атмосферу. В тропиках же вода нагревается с поверхности круглый год. Течения переносят теплые экваториальные воды в высокие широты, при этом холодные воды возвращаются в тропики в противотечениях. В частности, теплое течение Гольфстрим смягчает климат Англии и Скандинавии, течение Куросио делает более теплым климат Японии, а холодные Восточно-Гренландское и Лабрадорское противотечения охлаждают восточные берега Северной Америки, Курильское – Азии.

Вода в океане не стоит на месте, а все время перемещается. Эти перемещения осуществляются течениями. Основной причиной их образования являются ветры. В Атлантическом и Тихом океанах они дуют круглый год, создавая по обе стороны от экватора мощные потоки северного и южного пассатных течений, которые нагоняют воду к западным берегам обоих океанов. Часть этой воды возвращается к восточным берегам в виде экваториального противотечения. Другая часть, встретив на своем пути барьер из материков и островов, огибает его с северных и южных окраин, а затем, повернув на восток, образует круговую циркуляцию воды как в Северном, так и в Южном полушариях. Эта система течений особенно четко наблюдается в Тихом океане.

В Индийском океане круговые течения располагаются южнее экватора, а к северу от него господствуют течения сезонные. Их вызывают ветры, дующие летом с океана на сушу, а зимой в обратном направлении. Их называют муссонами. Различают течения теплые и холодные. При этом имеется в виду, что температура вод, переносимых этими течениями, соответственно теплее или холоднее температуры окружающей среды.

Еще недавно считалось, что глубинные и в особенности придонные океанические воды почти неподвижны. Теперь же установлено, что даже у самого дна вода перемещается, а подповерхностные течения по своей мощности мало отличаются от поверхностных. Так, в Тихом океане пассатным течением обнаружено встречное, у которого скорость достигает 130 км в сутки. В Атлантике наши океанологи открыли подповерхностное течение восточного противопассатного направления. В некоторых местах ширина этого течения достигает 15 000 км, скорость – 100 км в сутки. Подповерхностное течение обнаружено также в Индийском океане.

Интенсивное перемещение океанских вод происходит не только за счет мощных течений и противотечений, но и вследствие приливов и отливов. Приливы нагоняют воду на берега, а в устьях рек создают волны, направленные против течения. Отливы обнажают береговую полосу.

Рис. 53. Схема возникновения приливов и отливов

Причины приливов и отливов одним из первых объяснил И. Ньютон. Главная из них связана с различием в притяжении частиц воды Луной (рис. 53).

Частицы, находившиеся в данный момент ближе к Луне, притягиваются ею сильнее, а находящиеся дальше, – слабее. Вследствие этого на стороне Земли, обращенной к Луне, и на противоположной ее стороне (вблизи точек А и В) вода поднимается, и наблюдаются приливы. Вблизи же точек С и D уровень воды снижается: здесь наступают отливы. При этом в двух противоположно расположенных областях земного шара образуются две приливные волны. Вследствие этого над каждым пунктом Мирового океана приливная волна проходит в сутки дважды. Следуя за Луной, она перемещается с запада на восток навстречу направлению вращения Земли. Скорость этой волны составляет 1800 км/ч.

Аналогично луне свою приливную волну создает Солнце. При расположении Солнца и Луны на одной линии (то есть в полнолуние и новолуние) прилив оказывается самым высоким.

Поверхность океанов и морей постоянно покрыта волнами. Различают волны ветровые, цунами и барические. Первые из них возникают при ветре. Особенно большие волны вызывают штормы и ураганы, когда скорость ветра достигает 25 и 35 м/с соответственно.

Волны цунами образуются при извержениях подводных вулканов и при подземных землетрясениях. В отличие от ветровых волн они охватывают всю толщу воды. В открытом океане скорость распространения цунами достигает 800 км/ч, высота – примерно полметра. С выходом на прибрежное мелководье высота волн цунами быстро растет и иногда достигает 20-30 м.

Одновременно с волной цунами возникает «ударная волна». Она распространяется со скоростью звука (5400 км/ч), то есть в 6-7 раз быстрее, чем сама волна. Это позволяет с помощью гидрофонов заранее регистрировать ударную волну, устанавливать место ее возникновения, вычислять время, через которое придет волна, принимать оперативные меры, направленные на уменьшение потерь и разрушений.

Барические волны возникают при прохождении циклонов. В его центре атмосферное давление снижается иногда до 660 мм, вследствие чего на поверхности океана образуется выпуклость высотой до 1 м. Она и создает волну, которая также может привести к тяжелым последствиям.

В гидросферу Земли входят также реки и озера. Реки содержат примерно 1200 км³ воды.

Реки часто начинаются там, где выходят на поверхность подземные воды: на склонах гор и холмов, в оврагах, болотистых низинах. Горные реки начинаются иногда от нижних краев ледников. Некоторые реки вытекают из озер. Например, Урал начинается родничками, бегущими с гор. Волга вытекает из болота, Нева и Ангара из озер.

Различают четыре вида питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое, подземное. Но первоисточником питания всегда служат атмосферные осадки: их выпадает на поверхность суши более 100 тыс. км³ ежегодно. Из них примерно треть стекает в океан. Территория, с которой река собирает атмосферные осадки, называется водосборным бассейном. Последний охватывает не только саму реку, но и ее притоки.

Количество воды, которое река выносит в море, океан или бессточное озеро за год, называется стоком. Количество воды, протекающее в реке через ее поперечное сечение в одну секунду, определяет расход реки. Сток зависит от количества выпавших за год атмосферных осадков и может меняться от года к году в широких пределах. Расход воды меняется в течение года. Больше всего он бывает во время паводков и половодий.

Паводок представляет собой сравнительно кратковременное и непериодическое поднятие уровня воды в реке, возникшее в результате обильных дождей или быстрого таяния снега и ледников. Половодье – это продолжительный подъем уровня воды в реке, вызываемый основным источником ее питания. Половодье, как правило, повторяется ежегодно, причем в определенный сезон. У рек с дождевым питанием половодье наступает в период дождей, со снеговым – весной, с ледниковым – летом. У рек, берущих начало на склонах высоких гор, бывает два половодья: первое – весной при таянии снега, второе – летом при таянии ледников. Период низкого уровня воды в реке по окончании половодья называют меженью. Паводки и половодья часто затопляют села и города, разрушая жилища, уничтожают посевы, смывают верхний (плодородный) слой почвы.

У каждой реки различают коренное русло и пойму. Коренное русло – это та часть поверхности Земли, по которой река течет при низком (меженном) уровне воды, а пойма – та часть, которая затопляется водой при разливе реки. Пойма, естественно, располагается по обеим сторонам коренного русла.

При обильных дождях или интенсивном таянии снега часть воды стекает по поверхности Земли до ближайших ручьев. При этом образуется так называемый поверхностный сток. С ним воды уносят частицы почвы, а также, собираясь в небольшие ручейки, заметно размывают почву и образуют в ней промоины. Этот процесс называют водной эрозией почвы. Если наклон местности, по которой течет река, большой, то ее русло вследствие эрозии постоянно углубляется. Нижним пределом такого углубления является уровень дна водоема, в который впадает река.

Некоторые реки имеют пороги. Так называются выходы скалистых пород, которые перегораживают русло реки. Вода при протекании через пороги кипит и бурлит, как в котле. Если русло в каком-то месте имеет резкое понижение, то образуется водопад. Водопады встречаются чаще всего в горных районах. На излучинах образуются мелководные участки, называемые перекатами.

В месте впадения реки в море или в озеро течение ослабевает, песок и ил оседают на дно. Иногда из них намываются целые острова, разделяющие основной поток воды на рукава. Так образуется дельта. Она постепенно растет и за счет наносов выдвигается в море или озеро.

Если река впадает в море, то имеющиеся у берегов сильные приливные течения смещают наносы и у реки образуется устье воронкообразной формы. Это так называемый эстуарий. Они возникают также на берегах, опускающихся под влиянием тектонических процессов.

Озера занимают 2% поверхности суши. В России десятки тысяч больших и малых озер. Наиболее богаты ими Карелия, Новгородская и Тверской области, Сибирь. Большие озера смягчают климат окружающей территории. Зима вокруг них теплее, а лето – прохладнее. Так, на берегах Байкала средняя температура воздуха в январе редко опускается ниже -9⁰С, тогда как в Верхоленске, расположенном всего в 75 км от озера, она доходит до -25⁰С.

Некоторые озера представляют собой диковинки природы. Например, озера Пауэлл в Северной Америке и некоторые озера в Норвегии имеют совершенно пресные верхние слои, но под ними находятся лишь слегка опресненные морские воды. Когда-то эти озера были морскими заливами, но вследствие тектонических процессов были отрезаны от моря и подняты над уровнем моря вместе с сушей.

Некоторые озера в пустынях Центральной Азии регулярно меняют свое положение на поверхности суши. Это является следствием того, что впадающие в них реки меняют русла.

В Антарктиде недавно обнаружены три озера, из которых одно совсем не замерзает, а два других, хотя и покрыты льдом круглый год, но на глубине имеют достаточно высокую температуру воды – от 8 до 22⁰С.

В целом гидросфера Земли представляет собой уникальное образование. Ничего подобного пока не обнаружено ни на какой другой планете. Именно благодаря гидросфере на Земле присутствует живое вещество, и вполне возможно, что именно наличие гидросферы является основной причиной его возникновения.