Состав и значение гидросферы для жизни на Земле

Основную массу гидросферы составляют солёные воды Мирового океана со средней солёностью 35 ‰ (35 граммов солей на литр воды)^[4]. При этом солёность варьируется в зависимости от региона: в Красном море она достигает 42 ‰, в Чёрном море снижается до 18 ‰, а в опреснённом Балтийском море составляет около 7 ‰. Источниками поступления солей служат материковый сток, атмосферные осадки, растворение донных осадков и изверженных пород, а также продукты дегазации мантии .

Химический состав океанических вод содержит почти все известные химические элементы, хотя и в различных пропорциях (чем демонстрирует сходство с плазмой крови человека). Солевой баланс определяется ограниченной группой ионов: среди катионов преобладают натрий, магний, кальций, калий и стронций, а среди анионов — хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты, бромиды и фториды^[5]. Совокупная доля кислорода, водорода, хлора и натрия достигает 95,5 % .

В водах Мирового океана растворены высокое количества газов. Верхний слой океана содержит приблизительно 140 триллионов тонн углекислого газа и 8 триллионов тонн кислорода. Общая масса углекислого газа, растворённого в океанических водах, превышает его массу в атмосфере примерно в 60 раз, что делает океан ключевым буфером в глобальном углеродном цикле.

Подземная часть гидросферы охватывает широкий спектр вод: грунтовые, подпочвенные, межпластовые, безнапорные и напорные, а также трещинные и карстовые воды, циркулирующие в легкорастворимых породах, таких как известняки и гипсы .

Химический состав подземных вод крайне разнообразен и зависит от литологии вмещающих пород и глубины залегания. Он варьирует от гидрокарбонатно-кальциевых пресных вод до сульфатно-натриевых и хлоридно-натриевых рассолов с минерализацией до 600 ‰, часто обогащённых газовой составляющей. Минеральные и термальные подземные воды обладают значительным бальнеологическим потенциалом — совокупностью природных лечебных ресурсов территории (минеральные воды, лечебные грязи, климат и ландшафт), которые используются для профилактики, лечения и оздоровления, и, как следствие, выступают важным рекреационным ресурсом^[6].

Вода, находящаяся в твёрдом агрегатном состоянии, а именно ледники, снежный покров, вечная мерзлота, полярные ледяные щиты, входит в состав криосферы. Криосфера является компонентом климатической системы Земли, влияющий на альбедо планеты, и, как следствие, регулирует уровень Мирового океана и глобальную циркуляцию атмосферы и океана.

К концу зимы на каждом полушарии ледовые поверхности несколько смещаются в более низкие широты, а к концу лета — в более высокие. В Северном полушарии максимальный ледовый покров наблюдается в апреле, минимальный — в сентябре, в Южном полушарии — наоборот. Льдами покрывается более 12 % поверхности Мирового океана. В Северном полушарии в акватории Северного Ледовитого океана морской лёд сохраняется летом на площади 8 млн км², зимой он занимает территорию почти в 18 млн км², что вдвое превышает площадь Австралии. В Южном полушарии вокруг Антарктиды морской лёд зимой покрывает 20 млн км². Ледяное кольцо вокруг Антарктиды имеет ширину от 500 до 2 тыс. км, здесь сосредоточено около 2,4·10¹⁶ т воды.^[7]

Поверхностные континентальные воды занимают лишь малую долю в общей массе гидросферы, однако играют исключительно важную роль в функционировании наземной биосферы. Реки, озёра, водохранилища и другие поверхностные водоёмы служат основным источником водоснабжения, орошения и обводнения территорий. Эта часть гидросферы находится в постоянном динамическом взаимодействии с атмосферой и земной корой, участвуя в интенсивном обмене веществом и энергией^[1].

Среди малых составляющих поверхностных вод наибольшая масса воды сосредоточена в озёрах. Озёра — водоёмы с застойной или слабопроточной водой, которые не имеют прямую связь с Мировым океаном. Озёра можно рассматривать как маленькие модели океана с точки зрения движения вод, а по концентрации и набору растворённых веществ озёра ближе к подземным водам. Очень солёные озёра чаще всего бессточные: вода рек и ледников приносит растворённые вещества, которые при испарении накапливаются в озере.

Болота — промежуточное звено между озёрами и подземными водами, зона распространения многих редких и ценных видов растений (в частности, ледниковых реликтов), территория формирования ценного топливного и удобряющего ресурса — торфов и сапропелей^[8].

Болота — главные накопители органического углерода. Значительна роль болот в регуляции гидрологического режима. Резкая смена режима существования болотистых районов, их экосистем началась сравнительно недавно, в основном с 50-х годов XX века. Под влиянием осушения исчезли несколько видов ценных болотных трав, значительно снизились уровни грунтовых вод, начали высыхать окружающие лесные массивы^[9].

Экологическое состояние вод крупных рек напрямую зависит от состояния малых. Речные воды обновляются в среднем каждые 11 суток, поэтому речная вода в природных условиях всегда практически пресная и является основным источником водных ресурсов^[1]. Содержание солей в составляющих гидросферы определяет величина активности водообмена: чем быстрее происходит обновление воды в конкретном водном источнике, тем более пресной будет здесь вода.

Аномальные свойства воды делают её незаменимой для существования жизни на Земле. Основные свойства и их биологическое значение^{[10][11][12][13]}приведено в таблице ниже:

Гидросфера выступает глобальным терморегулятором планеты, обеспечивая стабильность климата благодаря высокой теплоёмкости воды, которая позволяет океанам поглощать и перераспределять солнечную энергию, сглаживая суточные и сезонные температурные колебания^[2], что особенно важно в контексте современных климатических изменений. Одним из ключевых механизмов этого процесса является глобальный океанический конвейер (термохалинная циркуляция) — система глубинных и поверхностных течений, которая переносит тёплые воды к полюсам, а холодные, насыщенные кислородом и углеродом, опускает на дно и движет к экватору, связывая все океаны в единую динамическую систему^[14]. Этот процесс неразрывно связан с глобальным водным циклом, в котором ежегодно участвует около 496 000 км³ влаги, при этом на долю Мирового океана приходится ~86 % глобального испарения и ~78 % атмосферных осадков^[15][1]. Фазовая мобильность воды обеспечивает перенос тепла и вещества между атмосферой, криосферой и литосферой, а сам океан поглощает около 25 % ежегодных антропогенных выбросов углерода^[16], что замедляет темпы изменения климата. Дополнительно криосфера, аккумулируя пресную воду, активно влияет на глобальный газообмен, например, выделяя около 100 млн тонн CO₂ при замерзании морской воды^[17].

Процессы испарения, конденсации, замерзания и таяния связывают вместе основные части климатической системы Земли — атмосферу, криосферу и литосферу, формируя единую систему поддержания жизни на Земле. Вода существует в трёх фазах (твёрдой, жидкой и газообразной), что обеспечивает её уникальную мобильность и способность переносить энергию и вещества в глобальном масштабе. С атмосферой она связана постоянным тепло- и влагообменом, определяющим погодные условия и климатические пояса^[15], а с литосферой — через экзогенные процессы (эрозия, карст) и сложные гидрогеологические связи подземных вод^[2]. Особо тесна связь с биосферой: гидросфера обеспечивает среду обитания и транспорт растворённых газов и биогенных элементов, а растительный покров, в свою очередь, регулирует локальный климат и сток через транспирацию^[3]. Вода является фундаментальной основой жизни, составляя до 90-95 % массы растений и более 70 % массы животных, выступая универсальным растворителем для всех биохимических реакций метаболизма^[18]. Именно в гидросфере зародилась жизнь, получив необходимую защиту от жёсткого УФ-излучения и стабильный температурный режим, согласно трудам В. И. Вернадского.

О воде академик писал:

Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов. Нет земного вещества — минерала, горной породы, живого тела, которое бы её не заключало. Всё земное вещество — под влиянием свойственных воде частичных сил, её парообразного состояния, её вездесущности в верхней части планеты — ею проникнуто и охвачено. Не только земная поверхность, но и глубокие — в масштабе биосферы — части планеты определяются, в самых существенных своих проявлениях, её существованием и её свойствами"^[19].

Вода является главным природным ресурсом человечества, катализатором глобальных биогеохимических циклов и основой трофических связей в экосистемах^[18]. Однако, сегодня различные компоненты гидросферы подвергаются растущей двойственной антропогенной нагрузке^[20]. Количественное истощение проявляется в снижении среднегодового речного стока из-за масштабного водозабора, строительства водохранилищ и роста площадей испарения. Параллельно происходит качественная деградация: загрязнение промышленными и агрохимическими стоками ведёт к эвтрофикации, заболачиванию и гибели водных экосистем^[6].

⚠️Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ

Главные цифры

Общий объём: ~1,4 млрд км³.

Мировой океан: ~97 % всей воды. Средняя соленость 35 ‰ (макс: Красное м. — 42 ‰, мин: Балтийское — 7 ‰).

Пресная вода: < 3 %. Из них 68 % — в ледниках. Доступно людям лишь 0,3 %.

Реки: обновляются каждые 11 суток (поэтому вода в них всегда пресная).

Компоненты

Океан: глобальный термостат. Растворенного CO₂ в нём в 60 раз больше, чем в воздухе.

Подземные воды: 2-й по объёму резервуар пресной воды.

Криосфера (лёд): регулирует альбедо (отражение солнца) и уровень океана.

Болота: главные накопители углерода и торфа.

Озера: бессточные озера = соленые (соли накапливаются при испарении).

Аномалия воды

Макс. плотность при +4°C: водоёмы не промерзают до дна → жизнь подо льдом сохраняется.

Высокая теплоёмкость: океан сглаживает климат, спасая от резких перепадов температур.

Универсальный растворитель: основа метаболизма и среды обитания.

Поверхностное натяжение: обеспечивает подъём воды по капиллярам в растениях.

Роль и экология

Связывает все оболочки Земли. В растениях до 95 % воды, в животных >70 %.

Проблемы: истощение запасов (водозабор) и загрязнение стоками → эвтрофикация (цветение и гибель водоёмов).