	Уровень: Глоссарии:

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. До последнего времени Мировой океан делили на четыре океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый. Изучение структуры водных масс океанов и их динамики привело ученых к убеждению, что часть Мирового океана вокруг Антарктиды и до южных оконечностей Азии, Австралии, Африки и Южной Америки целесообразно выделять в качестве отдельного (пятого) океана и называть его Южным.

По сравнению с площадью материков площадь Мирового океана огромна. Один только Тихий океан больше площади всей суши. В Северном полушарии Земли водой занят 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 трех процентов объема воды в океане. Средняя глубина океана - 3795 м, открытых окраинных морей - 874 м, средиземных морей - 1289 м. Наибольшая глубина океана обнаружена в Марианском желобе и составляет 11022 м.

Средняя концентрация солей в океане 35 г на 1 кг воды, или 35 промилле (от лат. pro mille - за тысячу, тысячная часть числа, обозначается %.). На поверхности соленость океана в областях сильных испарений может быть больше, чем в глубинных слоях, а в областях обильных дождей - меньше. У берегов при смешении с речной водой она может быть значительно меньше обычной. Например, в поверхностных слоях Белого моря соленость составляет не более 26%., Черного моря 18%., Балтийского - 6-8%., Азовского - 11 %., а на поверхности Красного моря, в которое не впадает ни одна река и где испарение велико, соленость достигает 40%..

Установлено, что состав и относительное содержание различных солей в Мировом океане повсюду неизменны. Это является следствием наличия мощных морских и океанических течений. Но 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, будучи подхваченными ветрами, выносится на сушу 300-400 млн. тонн солей. В свою очередь, с суши за счет речных стоков ежегодно выносится в океан в среднем 3,3 млн. тонн растворенных веществ. Половина этого количества осаждается на дне океана.

В Мировом океане зародилась жизнь. Возникшая в нем растительность, 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 главный источник свободного кислорода в атмосфере.

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. Организмов некоторые соли и многие рассеянные и редкие химические элементы при отмирании выпадают из круговорота: они опускаются на дно и образуют там мощные слои донных осадков. При этом частично они 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, которое может раствориться в морской воде, зависит от ее солености, гидростатического давления и температуры. Чем больше соленость и выше температура, тем меньше газов может раствориться в морской воде, и наоборот.

Кислород, растворенный в океанской воде, берется из воздуха или является результатом фотосинтеза растений, произрастающих под водой. Он расходуется на дыхание живых организмов и окисление органических остатков. Углекислый газ, растворенный в воде, берется из воздуха или выделяется при дыхании организмов и окислении органических остатков. Он используется растениями при фотосинтезе. 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 обеспечивает в глубинных слоях условия жизни животных и растений. Углекислый газ выделяется в тропиках в атмосферу. Содержание углекислого газа в атмосфере в 60 раз меньше, чем в океане. Поэтому 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". Это реактор работает на тепловой и световой энергии Солнца.

Мировой океан является также и аккумулятором тепла. Около 95% его вод имеют среднюю температуру 3,8^oС. Эта температура в современных климатических условиях остается практически неизменной.

Но на поверхности океана в разных его областях температура воды существенно различна (рис. 2.16). Так, в экваториальной зоне вода нагрета до 25-26^o С, а в приполярных областях ее температура бывает ниже нуля (в воде с соленостью 35%. лед образуется при температуре - 1,9^o С).

Рис. 2.16. Изотермы Мирового океана Сезонные колебания температуры воды в средних широтах составляют 5-10^o С, в северо-западных частях Атлантического и Тихого океанов, они достигают 15^o С, а в полярных областях и тропиках - не превышают 2^o С. Придонные воды океана имеют температуру около нуля: в полярных областях она ниже нуля, а в средних и экваториальных широтах выше. В верхних слоях воды наблюдаются многолетние циклы потепления или похолодания. Это оказывает существенное влияние на климат, погоду и особенно на жизнь рыб.

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 тонкий сезонный слой резкого скачка температуры. Его называют термоклином. Ниже термоклина вода немного холоднее. 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 на столько же нагреть более 3300 м³ воздуха. Это свойство воды позволяет Мировому океану служить аккумулятором и распределителем солнечного 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 Куро-Сио 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, создают по обе стороны от экватора мощные потоки северного и южного пассатных течений, 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 ввиду, что температура вод, переносимых этими течениями, соответственно теплее или холоднее температуры окружающей воды. Например, температура воды Бенгельского течения у мыса Доброй Надежды 20^o С, но по сравнению с окружающей водой это - холодное течение. С другой стороны, одна из северных ветвей Гольфстрима - Нордкапское течение - с температурой воды 4-6^o С считается теплым, так как оно обогревает холодные прилегающие берега. О мощности океанских течений можно судить по такому примеру: Гольфстрим у полуострова Флорида переносит в среднем за год 750 тыс. км³ воды. Это больше годового стока всех рек земного шара в 20 раз, а на параллели 38^o с.ш. это течение превышает речной сток в 60 раз !

Еще недавно считалось, что глубинные, и в особенности придонные океанские 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 под пассатным течением обнаружено встречное течение, у которого скорость достигает 130 км в сутки. В Атлантике наши океанологи открыли подповерхностное течение восточного противопассатного направления. Его назвали именем М.В.Ломоносова^* . В некоторых местах ширина этого течения достигает 15000 км, скорость - 100 км в сутки. Подповерхностное течение обнаружено также и в Индийском океане.

Интенсивное перемещение океанских вод происходит не только за счет мощных течений и противотечений, но еще и вследствие приливов и отливов. Приливы нагоняют воду на берега, поднимают высоко над причалами суда, в устьях рек создают волны, направленные против течения. Отливы обнажают береговую полосу опускают суда, и они могут оказаться или на мели, или сместиться намного ниже причалов.

Причины приливов и отливов одним из первых объяснил И.Ньютон^* . Главная из них связана с различием в притяжении частиц воды Луной (рис. 2.17, а). Частицы, находящиеся 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 наблюдается прилив. Вблизи же точек С и D уровень воды снижается - здесь наступает отлив. 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 в час.

Трение воды о дно океанов и внутреннее трение воды несколько задерживают движение приливной волны. Поэтому момент полной воды в какой-то точке Мирового океана не соответствует нахождению Луны над ней, а смещен относительно этого положения в сторону запаздывания (рис. 2.17, б). Время запаздывания зависит от особенностей рельефа дна и берегов. Например, на бельгийском побережье оно составляет полчаса, а в заливах Белого моря - пять часов. Это время называется прикладным часом.

Аналогично Луне свою приливную волну создает Солнце. При расположении Солнца и Луны на одной линии (т.е. в полнолуние и новолуние), прилив оказывается самым высоким. Его называют сизигийным. При расположении Солнца и Луны под углом 90^o (четверть Луны) прилив оказывается наименьшим. Его называют квадратурным. Он меньше сизигийного в среднем в 2,7 раза.

В открытом море размах приливных колебаний уровня воды не превышает одного метра. У берегов величина прилива больше. Особенно высоки приливы в бухтах и заливах, которые открыты в сторону океана. В них приливные волны и течения нагоняют воду. Самые высокие приливы наблюдаются в заливе Фанди (Северная Америка) - 18 м, в устье реки Северн (Англия) - 16 м, в заливе Мон-Сен-Мишель (Франция) - 15 м, а в нашей стране в губах Охотского моря - 13 м, в Мезенском заливе Белого моря - 11 м. Величины приливов, время наступления приливов и отливов, вычисленные на год вперед для разных пунктов побережья, публикуются в специальных справочниках.

Поверхность океанов и морей постоянно покрыта волнами. Высота волны измеряется от подошвы до гребня по вертикали, длина - от одного гребня до другого. Волны, следующие одна за другой, имеют, как правило, разную высоту. Последняя зависит от многих причин и, в том числе, от наложения одних волн на другие. Волны затрудняют мореплавание и бывают причиной гибели даже больших современных судов. Из-за встречной волны намного снижают свою скорость суда. Сила удара волны о вертикальную стенку измеряется десятками тонн на квадратный метр. В результате этого волны разрушают берега и портовые сооружения. Так, в 1953 году в Генуе во время шторма был разрушен волнолом, ограждающий порт города Генуя Он был рассчитан на волны высотой 5 м, а на него обрушились волны высотой 7 м. Это привело к тому, что волнолом шириной 12 м и длиной 4 км был разрушен.

Знание законов образования волн позволяет составлять прогнозы волнений, предупреждать об опасности суда, находящиеся в открытом море, рассчитывать береговые гидротехнические сооружения. 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. Вторгаясь на сушу, такие волны вызывают огромные наводнения и разрушения. Так, в 1959 году волны, вызванные ураганом, полностью разрушили японский город Нагоя, в котором проживало два миллиона человек. В открытом океане ветровые волны достигают высоты 18-20 м, но очевидцы рассказывают, что встречаются волны высотой в 25 и даже 30 м. Преобладающая же высота океанских волн - около 4 м. На глубине ниже 100 м от поверхности ветровое волнение не ощущается. С выходом на отмелый берег ветровые волны становятся короче, но выше и на глубине, примерно равной их высоте, разрушаются, образуя пенистые буруны.

Волны цунами^* образуются при извержениях подводных вулканов и при подводных землетрясениях. В отличие от ветровых волн они охватывают всю толщу воды. В открытом океане скорость распространения волн 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, т.е. 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 циклона. В его центре атмосферное давление снижается иногда до 660 мм. Вследствие этого на поверхности океана образуется выпуклость высотой до 1 м. Она и создает волну, которая подобно цунами может привести к тяжелым последствиям. Так, в 1953 г. циклон в Северном море у берегов Англии вызвал мощную барическую волну, совпавшую по времени с высоким приливом. Усиленная ветровыми волнами, она выросла на мелководье до десятиметровой высоты, дошла до берегов Голландии, прорвала плотины, отделявшие страну от моря, и привела к тому, что погибло 1400 человек, около 400 тыс. голов скота, было разрушено 143 тыс. домов, затоплена территория площадью 2500 км².

Таким образом, Мировой океан - это: - самое большое на Земле скопление воды, - основное водохранилище нашей планеты, - колыбель жизни на Земле, - гигантский геохимический реактор, - аккумулятор тепловой энергии.

Выдающийся вклад в исследование Мирового океана внес французский исследователь Жак Ив Кусто (1910 - 1997). Со своей командой на научно-исследовательском судне "Калипсо" он обследовал многие точки Мирового океана, причем не только на поверхности воды, но, главным образом, под водой. Для подобных исследований он изобрел акваланг, по его проектам были построены подводные дома, глубоководный аппарат "ныряющее блюдце". Он - автор многих книг и кинофильмов о путешествиях в "мир безмолвия" и о жизни в нем.

В гидросферу Земли входят также реки и озера. Реки содержат примерно 1200 км³ воды, которая меняется в них в среднем 30 раз в год.

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 вытекают 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 (рис. 20).

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, называется расходом реки. Сток зависит от количества выпавших за год атмосферных осадков и может меняться от года к году в широких пределах. Расход реки 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, возникающее 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, разрушают 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 течет река 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 вода уносит частицы почвы, а, собираясь в небольшие ручейки, заметно размывает почву и образует 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 реки в каком-то месте имеет резкое понижение, то образуется водопад. Водопады встречаются чаще всего в горных районах. На излучинах встречаются мелководные участки, называемые перекатами.

В месте впадения в море или озеро река имеет наименьший уклон. Здесь течение ослабевает, из воды оседает принесенные ею песок и ил. 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, имеющее у берегов сильные приливные течения, то они смещают наносы, и у реки образуется устье воронкообразной формы. Это так называемый эстуарий. Эстуарии возникают также на берегах, опускающихся под влиянием тектонических процессов внутри Земли.

Озера занимают 2% поверхности суши и содержат около 230 тыс. км³ воды. В России десятки тысяч больших и малых озер. Наиболее богаты ими Карелия, Новгородская и Калининская области, некоторые области Сибири. В Финляндии озера занимают 15% территории страны. Большие озера смягчают климат окружающей территории. Зима вокруг них теплее, а лето - прохладное. Так, на берегах Байкала средняя температура воздуха в январе редко опускается ниже -9^o С, тогда как в Верхоленске, расположенном всего в 75 км от озера, она доходит до -25^o С.

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

Некоторые озера в пустынях Центральной Азии (например, озеро Лобнор) регулярно меняют свое положение на поверхности суши. Это связано с тем, что впадающие в них реки, меняют русла. Кстати, в упомянутом озере Лобнор в XIX веке вода была пресной, а теперь она соленая.

В Антарктиде недавно обнаружены три озера, из которых одно совсем не замерзает, а два, хотя и покрыты льдом круглый год, но на глубине температура воды в одном +8^o С, а в другом +22^o С. В этих озерах воду подогревает тепло Земли. Глубинная вода в них теплая и очень соленая. Она плотнее холодной поверхностной и поэтому не перемешивается с ней.

В целом гидросфера Земли представляет собой уникальное образование. Ничего подобного пока что 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.