А.И. Сафонов
Техноэкология. Курс лекций
Донецк: ДонНУ, 2014. – 107 с.
Предыдущая |
Содержание статьи:
3. Водные ресурсы и загрязнение природных вод
3.1. Водные ресурсы планеты Земля
Гидросфера (от греч. hydro – вода + sphaira – шар) – водная оболочка Земли, объединяющая все свободные воды, способные передвигаться под влиянием солнечной энергии и гравитационных сил, а также переходить из одного состояния в другое. Круговорот воды гидросферы образует взаимосвязанную, замкнутую систему океан – атмосфера – суша.
Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли включают в себя массивы жидкой (солевой и пресной), твердой (пресной) и газообразной (пресной) воды. По приблизительным подсчетам объем Мирового океана равен 1338 млн. км3, т.е. в Мировом океане сосредоточено около 97% массы воды на Земле[1]*. Остальные 3% приходятся на ледники, подземные воды, воды рек, озер и испарения в атмосферу. Из этого количества воды наибольшие запасы аккумулированы в ледниковых массивах Антарктики и Арктики, объем ледников с учетом снежного покрова планеты равен 24,06 млн. км3. Это огромные запасы пресной воды, которые в настоящее время используются крайне мало. Запасы подземных вод составляют примерно 23,4 млн. км3 (из них 10,5млн. км3 – пресные воды), которые также практически мало используются из-за трудностей, связанных с добыванием этих вод. На долю озер приходится 176,4 тыс. км3 (в том числе около 55% воды в проточных озерах, а 45% – в бессточных озерах с разным содержанием солей). В атмосфере в виде пара содержится 12,9 тыс. км3 воды. Общий объем пресной воды на планете равен 35,029 млн. км3 (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Запасы воды на Земле
Составляющие гидросферы |
Объем, тыс. км3 |
Доля мировых запасов, % |
|
от общих запасов воды |
от запасов пресной воды |
||
Мировой океан |
1338000,0 |
96,5 |
— |
Подземные воды |
23400,0 |
1,70 |
— |
Пресные воды |
10530,0 |
0,76 |
30,1 |
Ледники и снежный покров |
24064,1 |
1,74 |
68,7 |
Подземные льды |
300,0 |
0,022 |
0,86 |
Воды озер: |
176,4 |
0,013 |
— |
пресные |
91,0 |
0,0007 |
0,26 |
соленые |
85,4 |
0,0006 |
— |
Воды болот |
11,47 |
0,0008 |
0,03 |
Воды в руслах рек |
2,12 |
0,0002 |
0,006 |
Биологическая вода |
1,12 |
0,0001 |
0,003 |
Воды атмосферы |
12,90 |
0,001 |
0,04 |
Общие запасы воды |
1385984,61 |
100,0 |
— |
Для того чтобы получить общую картину масштабов гидросферы, отметим, что площадь поверхности нашей планеты, покрытая только океанами и морями, составляет 361,2 млн. км2. На долю ледников приходится 16,3 млн. км2 (11% суши), озер и рек – 2,3 млн. км2 (1,7% суши), а болот и других мелких бессточных водоемов – 3 млн. км2 (табл. 3.2).
Таблица 3.2
Площадь гидросферы и ее составляющих
на поверхности Земли, млн. км2 (по К. С. Лосеву)
Мировой океан |
Мировой океан, оледенение |
Мировой океан, озера и реки |
Мировой океан, оледенение, озера и реки, болота |
Мировой океан, оледенение, озера и реки, болота, снежный покров |
361,2 |
377,5 |
379,8 |
382,8 |
443 |
Таким образом, при общей поверхности планеты в 510 млн. км2 площадь, занимаемая гидросферой, составляет более 380 млн. км2 – более 75% поверхности (см. табл. 3.2). Всего площадь гидросферы (без снежного покрова) около 383 млн. км2. Причем большая часть Мирового океана находится в южном полушарии, где он занимает 81% площади, в северном полушарии на его долю приходится 61% поверхности.
Вода Мирового океана, как уже отмечалось, представляет собой сложный раствор солей (в среднем 35 г солей на 1 кг воды). Эти соли вместе с другими веществами находятся в воде в виде ионов. Основную массу химических элементов, растворенных в воде морей и океанов, составляют 9 главных ионов. Академик В.И.Вернадский, исходя из предположения о том, что соотношение главных ионов морской воды существует в течение огромного периода времени, близкого к миллиарду лет, предлагал принять это соотношение за константу. В табл.3.3 приводятся главные ионы воды. Соленость воды меняется в зависимости от глубины и по акватории, например, в Северном Ледовитом океане, она составляет 31%, в Красном море — 42%.
Огромна роль Мирового океана в регулировании содержания углекислого газа в атмосферном воздухе. По данным МГГ* (1957-1958), концентрация СО2 в отдельных регионах была неравномерна, ее колебания достигали 6×10-6 (шесть частей на миллион), при этом ежегодное увеличение концентрации углекислого газа в воздухе оценивалось в начале 60-х гг. в 0,72×10-6 – это около половины поступления СО2 в атмосферу в результате сгорания ископаемого топлива.
Таблица 3.3
Главные ионы морской воды
Ион |
Концентрация, мг/кг |
Процент от общей массы |
Cl — |
18980 |
55,4 |
Na+ |
10560 |
30,61 |
SO42- |
2650 |
7,68 |
Mg2+ |
1270 |
3,69 |
Ca2+ |
400 |
1,16 |
K+ |
380 |
1,10 |
HCO3—,CO32- |
140 |
0,41 |
B2— |
65 |
0,19 |
H3BO3— |
5 |
0,07 |
Сумма |
34450 |
99,95 |
Вторая половина поглощается растительными организмами путем фотосинтеза. Такое поглощение в объеме более 5/6 происходит на поверхности Мирового океана и менее 1/6 — на суше. Проникая (диффундируя) в морскую воду, углекислый газ усваивается микроскопическими водорослями, развивающимися в верхних слоях океана.
Основную массу гидросферы образует Мировой океан. Большая часть акватории Мирового океана – 52,6% – относится к глубинам от 4000 до 6000 м, 38,7% – занимают акватории с глубиной от 200 до 4000 м, и 7,5% – площадь мелководных участков до 200 м (средняя глубина океана – 3800 м, наибольшая – 11022 м).
Поскольку вода – самый мощный поглотитель тепловой энергии Солнца, то, естественно, масштабы, приведенные выше, обусловливают главную роль Мирового океана в регулировании климата на планете. Мировой океан отражает от своей поверхности около 8% солнечной радиации. Благодаря высокой удельной теплоемкости воды на континентах не происходит резкого перепада температур. Гигантский терморегулятор – океан – не позволяет перегреваться континентам летом и переохлаждаться зимой.
Воды океана нагреваются в основном в экваториальном поясе (около полосы от 150ю.ш. до 300с.ш.). В переносе тепла от экватора к полюсам важную роль играют океанические течения, содержащие громадное количество теплоты. Средняя скорость поверхностных течений составляет около 0,1-0,2 м/с, а на отдельных участках доходит до 3 м/с (Гольфстрим).
Средняя температура всей толщи Мирового океана равна 5,70С без учета Арктического бассейна. Это на 22,70С выше средней по массе температуры атмосферы.
По океанам средняя температура толщи вод составляет: в Индийском – 6,70С, в Атлантическом – 5,60С, в Тихом – 4,70С.* Самая теплая поверхность воды отмечена в Тихом океане (19,40С), а самая холодная – под слоем льда Северного Ледовитого океана (0,750С).
Температурные контрасты, вызываемые циркуляцией атмосферы, контрасты солености и неравномерного нагрева поверхности воды, гравитационные силы и их «перепады» от притяжения Луны и Солнца и другие факторы вызывают огромное множество перемещений водных масс Мирового океана.
Проблема объяснения современной циркуляции вод Мирового океана в настоящее время не может считаться решенной даже на уровне весьма качественных гипотез. Это было отмечено на первом съезде советских океанологов в 1977 г. Подземные воды образуют гидросистемы в виде пластов, содержащих поры, трещины и другие пустоты, заполняемые водой. Эти пласты располагаются между водоупорными слоями. По вертикальному разрезу земной коры различают три основные зоны, отличающиеся между собой периодами обмена с поверхностными водами, составляющими гидросферы. Зона интенсивного обмена, расположенная до глубины 0,5 км, с периодом полного обмена с поверхностными водами в пределах 1-100 лет. Зона затрудненного водообмена – на глубине 1,5-2 км – с периодом обмена в десятки и сотни тысяч лет. Зона пассивного обмена на глубине более 2 км, с периодом полного возобновления в миллионы лет. Минерализация вод увеличивается от 1% в верхней зоне, до 3,5% в самых глубоких слоях земной коры.
По аналогии с другими составляющими гидросферы подземные воды представляют равновесие системы «вода – газы», содержащей кислород и азот (активная зона обмена), а также газы, находящиеся в почве, и углекислый газ. Глубже можно встретить сероводород, метан и углекислый газ в большом количестве.
Подземные воды, пожалуй, самая неизученная часть гидросферы. Не случайно, что оценка массы этих вод неоднозначна и исходит из определения запасов воды в слоях глубиной от 2 до 5 км. Вместе с тем, практика бурения глубоких скважин (в частности, и самой глубокой в мире на Кольском полуострове в нашей стране, глубина которой достигла 12 км) показывает, что вода в недрах Земли в жидком виде может существовать и глубже 10 км. По мере углубления под действием высокой температуры в недрах земной коры образуется парообразная вода, а затем и пароводяная смесь, переходящая в особое состояние своего рода водяной плазмы.
Следующая по массе составляющая гидросферы – ледниковые и снежные массивы в твердом состоянии. Основная масса льда (около 2,6×1022 г воды) сосредоточена в современных ледниках, в том числе в Антарктическом ледниковом покрове – 2,4×1022г, в Гренландском – 0,2×1022г, остальное – в арктических, горных и других снежно-ледовых покровах. Снежно-ледовые поверхности постоянно занимают на суше и море 102,6 млн. км2 или около 8%, а в зимние периоды северного полушария доходят до 20% площади поверхности Земли. Основная масса льда сосредоточена в полярных и прилегающих (субполярных) областях нашей планеты – в Арктике и Антарктике. Эти огромные области, круглый год скованные морозами, имеют существенное различие, заключающееся в том, что на Северном полюсе под ледяным трехметровым слоем расположена многокилометровая толща воды океана, а в Антарктиде под ледяным панцирем толщиной 3-4 км находится материк (это самый высокий материк планеты, что в сочетании с географическим положением определяет суровость климата, где температура достигает -800С, а скорость ветра до 80 м/с).
Средняя температура воздуха зимой в Центральной Арктике составляет –360С, а в самые теплые месяцы – около 00С. Климат Антарктики значительно суровей условий в Арктике, так как условия в Арктике зимой примерно такие, как в Антарктике летом*. На первый взгляд, это парадоксально, так как летом Антарктика получает приблизительно на 7% больше солнечного тепла, чем Арктика (Земля в своем вращении вокруг Солнца в июне находится в афелии, а в декабре в перигелии). Объясняется это явление следующим. У Южного полюса существует материк, самый высокий над уровнем моря из шести континентов Земли (средняя высота Антарктики 2000 м, а следующая по высоте Азия – 900 м), при этом толщина материкового льда в Центральной части, вблизи геометрического центра материка, составляет 3000-4000 м. Высота поверхности ледяного панциря в Центральной Арктике, в акватории Северного Ледовитого океана, составляет всего несколько метров и практически соответствует уровню моря. Благодаря разности высот Антарктика в среднем должна быть холоднее Арктики на 130С (на вершинах ледяных гор и того выше на 25-280С). Кроме того, Северный Ледовитый океан свободно сообщается с Атлантическим океаном на обширном пространстве между северной частью Европы и Гренландией. Мощные потоки теплой воды Атлантики проникают подо льды Северного Ледовитого океана, смягчая климат Арктики. Не менее важно то, что в Северный Ледовитый океан впадают крупнейшие реки Северной Америки и Евразии, неся дополнительное тепло в Арктику. Температура воды в Северном Ледовитом океане зимой подо льдом примерно -10С (при солености 30 %), а на глубине более 100 м – около 10 С.
Важную роль в тепловом режиме планеты и стоке рек играет сезонный снежный покров, который в среднем занимает свыше 40 млн. км2. Среди малых по массе составляющих гидросферы это, прежде всего, воды озер, суммарная масса которых оценивается в 2,8×1020 г.* Площадь всех озер (соленых и пресных) на нашей планете несколько больше 2 млн. км2. К крупнейшим озерам мира относится Каспийское море, площадь которого составляет 371 тыс. км2. Наибольшее скопление крупных озер находится в Северной Америке, где в областях древнего оледенения и тектонических разломов земной коры образовались Великие озера. Самое крупное пресноводное озеро в мире с площадью 82,1 тыс. км2 – озеро Верхнее. Но по объему воды (11,6 тыс. км3) и максимальной глубине (406 м) озеро Верхнее уступает Байкалу (24,0 тыс. км3 и 1741 м) и Танганьике (18,9 тыс. км3 и 1435 м). Далее по величине площади следуют озеро Виктория в Африке – 69,0 тыс. км2 и печально-трагической судьбы Аральское море – 51,0 тыс. км2 . Самое крупное в Европе Ладожское озеро имеет площадь 17,7 тыс. км2 , наибольшую глубину 230 м, затем Онежское озеро – 9,7 тыс. км2. Самые глубокие озера мира – Байкал с глубиной 1741 м. и Танганьика в Африке – 1435 м. По солености озера весьма разнообразны, а по концентрации растворенных веществ они ближе к подземным водам, чем к океану. Самым соленым озером считается озеро Виктория в Африке, вода в котором превосходит океанскую по солености в 11 раз, а озеро Балхаш в Казахстане отличается редким качеством, западная часть озера пресная, а восточная солоноватая.
Воды озер содержат разные газы, вместе с атмосферным кислородом, азотом, углекислым газом имеется сероводород, метан и другие газы.
В нашей стране насчитывается 2,85 млн. озер: с площадью поверхности от 100 до 1000 км2 – 131 озеро, с площадью более 1000 км2 – 27 озер и с площадью от 1 до 100 км2 – около 50 тыс. озер.
Болота – малая составляющая гидросферы, характеризующаяся специфическим подбором растительности, приспособленной к повышенной увлажненности и недостатку кислорода в воде. Общая площадь болот и увлажненных земель — около 3 млн. км2, из которых на территорию нашей страны приходится до 2 млн. км2. Масса воды в болотах приблизительно оценивается равной 1×1020 г.
Почвенные воды гидросферы обеспечивают влагой растительный покров и внутрипочвенные организмы. По данным ученого-гидролога М.И.Львовича, масса почвенной воды составляет 1,0-0,8×1013г.
Реки мира в отличие от других составляющих гидросферы весьма разнообразны по своим характеристикам. Такие великаны, как Нил и Амазонка (длиной более 6 тыс. км каждая) вместе взятые, имеют длину, почти равную диаметру нашей планеты, за ними по длине следует Миссисипи с Миссури и Янцзы. Однако по площади бассейна реки Обь с Иртышем уступают лишь двум рекам мира – Амазонке и Миссисипи с Миссури, а по расходу воды в устье за этими двумя гигантами следуют реки Конго – 41 тыс. м3/с, Янцзы – 34 тыс. м3/с (табл.3.4).
Таблица 3.4
Десять крупнейших рек мира (по К.С.Лосеву)
Река |
Длина, км |
Площадь бассейна, тыс. км2 |
Расход воды в устье, м3/с |
Континент |
Амазонка (с Мараньоном) |
6437 |
6915 |
200000 |
Южная Америка |
Миссисипи (с Миссури) |
5971 |
3268 |
18000 |
Северная Америка |
Нил |
6671 |
2870 |
3000 |
Африка |
Янцзы |
5800 |
1808 |
34000 |
Азия |
Обь (с Иртышем) |
5410 |
2990 |
12800 |
Азия |
Хуанхэ |
4845 |
771 |
1500 |
Азия |
Меконг |
4500 |
810 |
14800 |
Азия |
Амур |
4444 |
1855 |
10900 |
Азия |
Лена |
4400 |
2490 |
16800 |
Азия |
Конго |
4370 |
3820 |
41000 |
Африка |
Скорость течения воды в реках разная: от 0,5-1,0 м/с на равнинах до 10 м/с в горных потоках, а на водопадах и того выше.
Речные воды, обычно пресные (за редким исключением, связанным с питанием рек подземными солеными водами), на поверхности суши создают разнообразную речную сеть. Так, крупных рек длиною более 1000 км на Земле более полусотни с общей протяженностью их русел 180 тыс. км. На территории нашей страны насчитывается около 150 тыс. рек с длиной 10 км.
На территории нашей страны размещение водных ресурсов крайне неравномерно, более 4/5 всего речного стока приходится на бассейны крупнейших рек Сибири и Дальнего Востока – Оби, Енисея, Лены, Амура и др., тогда как наиболее заселенная часть Европейской России, а также засушливые районы Средней Азии и Казахстана имеют сравнительно небольшие ресурсы вод.
Однако с помощью косвенных методов гидрологами подсчитано, что в руслах всех рек мира (при среднем уровне воды) одновременно сосредоточено около 2120 км3 воды. Ежегодно реки выносят в океан свыше 45 тыс. км3 воды. Это относительно небольшой объем, составляющий около двух объемов вод Байкала или Великих Американских озер. Распределение речных вод по континентам весьма неравномерно. Так, в Европе и Азии, где проживает около 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% мирового запаса речной воды.
Пресные источники на протяжении длительного исторического периода вполне удовлетворяли потребности человеческого общества в питьевой воде. Однако во второй половине ХХ в. быстрый рост населения и развитие научно-технического прогресса привели к резкому росту потребления пресной воды. В результате возникла острая проблема нехватки пресной воды в большинстве развитых промышленных районов многих стран мира. Огромное количество воды расходуется на промышленные нужды в различных отраслях – на земледелие, энергетические комплексы, бытовые нужды и т.д. Недостаток пресной воды уже сейчас испытывает более 1/3 населения планеты. Пресная вода стала предметом экспорта (примеры: Гонконг, транспортирующий воду из Китая, целая страна Алжир, живущая на привозной воде и т.д.). Несомненно, что расход пресной воды на самые разнообразные нужды человечества будет возрастать и в дальнейшем, поэтому вода в наше время является самым драгоценным сырьем. В этой связи чрезвычайно важной проблемой человеческого общества в целом является сохранение водных ресурсов от загрязнения.
Наименьшее количество воды на поверхности планеты находится в реках, именно эта вода наиболее важна для человека.
* В разных литературных источниках эти данные составляют от 96,5 до 97,2%, незначительные отклонения встречаются и по данным объемов вод, составляющих гидросферу, например, в списке литературных работ см. Г.В.Стадницкого и др.
* МГГ (1957-1958) — Международный геофизический год, когда было привлечено внимание к отдаленному антарктическому континенту. Одним из важнейших документов МГГ стал международный договор, ратифицированный в 1959 г. шестью государствами, который провозгласил Антарктиду немилитаризованной зоной, сохраняемой для научных исследований 90 лет.
* Самая высокая среднегодовая температура воздуха на Земле составляет 310С в Лу, в Сомали, а самая низкая -55,60С на станции Восток в Антарктиде. Самая высокая температура воздуха, 580 и 57,80С, отмечена в Мексике, в Сан-Луис-Потоси (11 авг. 1933г.) и в Северной Африке, в Ливии, в Эль-Азизии (близ г. Триполи). Полюсом холода считается станция Оймякон в Якутии, где зарегистрирована температура воздуха -77,80С (1938 г.). На станции Восток, в Антарктиде, в 1982 г. была зафиксирована температура -89,20С, но этот результат не засчитан рекордным, так как станция Восток расположена на высоте 3480 м над уровнем моря, в отличие от метеорологических исследований на уровне моря, при которых самая низкая температура отмечена в Оймяконе.
* По комплексному индексу Бодмана, учитывающему и температуру, и ветер.
* Доктор географических наук К.С.Лосев приводит также и другие оценки массы воды озер: 7,5×1020 г и 1,76×1020 г.
Предыдущая |