Хидросфера

от Уикипедия, свободната енциклопедия

Хидросферата (от гръцки: hidro - вода) е съвкупността от всички води на Земята - океани, морета, реки, езера, язовири, блата, ледници, подземни води, водата в атмосферата. Тя покрива 70,87 % от площта на Земята. От обема на хидросферата около 96 % са океани и морета, около 2 % - подземни води, около 2 % - лед и сняг (главно в Антарктида и на остров Гренландия) и около 0,02 % - повърхностни води на сушата (реки, езера, блата, язовири). От своя страна се дели на:

• Халосфера - около 96 % от всички солени води на Земята (океани, морета, солени езера)
• Лимносфера

                                                                              Хидросфера

    Хидросферата е повърхностната водна обвивка на Земята, която включва разнообразните природни води от океана и сушата. Според Полдерваарт океанските води представляват 84,48% от масата на хидросферата, водите пропиващи скалите (хигроскопична, капилярна, междукристална и др.) - 12,16%, езерните и речните води - 0,03% и ледът - 1,33%. Океанът заема 70% от повърхността на планетата и има средна дълбочина 3,8 km.
   Природните води са обвързани в единна система на взаимодействие, което дава основание за разглеждането им като непрекъсната обвивка. Вернадски пише: “Всички форми на проява на природната вода - ледът на ледниците, безкрайният океан, реката, почвеният разтвор, гейзерът, минералният извор - съставляват едно цяло, те пряко или косвено, но дълбоко са свързани едни с други, със земната атмосфера и с живото вещество”.
   От гледна точка на мащабите на Земята с радиус около 6300 km хидросферата е само една повърхностна ципа, която съдържа не повече от 0,025% от масата на земното вещество. Въпреки това, независимо от нейните нищожни размери, хидросферата има огромно геохимично значение.
    Геохимичната същност на хидросферата е в уникалната по мащаби пространствена концентрация на едно единствено химично съединение - водата, в практически чист вид. Примесите в най-разпространения тип природна вода - океанската, са само 3,5%. Според различните данни за средния минерален състав на земната кора количеството на водата се доближава до кварцовото, но кварцът е разсеян в огромния обем на гранитния слой на кората с обща мощност около 30 km, докато водата практически изцяло (над 80%) е събрана на повърхността на планетата в единен резервоар - световния океан. Това обстоятелство обуславя мащабността на процесите на диференциация на химичните елементи, които се извършват в океана. Тези процеси не само се отразяват на насоченото, необратимо развитие на литосферата, но до голяма степен го определят. Според някои автори възникването на редица магмени скали, особено кисели и алкални, е свързано с предварителната диференциация на коровото вещество във водните басейни. 

Решаващата роля на хидросферата за миграцията, диференциацията и концентрацията на химичните елементи се обуславя от специфичните физични и химични свойства на водата.

   Термодинамичните условия на повърхността на планетата са близки до условията на фазов преход на водата от едно агрегатно състояние в друго. Това изключително благоприятно обстоятелство предопределя лекотата, с която водата сменя своето агрегатно състояние и преобладаването на течното и газообразно състояние, което от своя страна обуславя изключителната подвижност на водата в гравитационното поле на Земята.
   Благодарение на малката плътност и подвижността на водата процесите на гравитационно преразпределение на веществата във водна среда са силно облекчени. Водните басейни и течащите води на сушата са естествените сортировъчни лаборатории на природата, в които се извършва така важната за геохимията диференциация на песъкливите и глинестите материали, а по океанските крайбрежия се простират пясъчни ивици с уникална концентрация на тежките и устойчиви минерали на високовалентните елементи титан, цирконий, церий, итрий, калай и др.
       Поради електричната активност на положително и отрицателно заредените краища на водните молекули, йонните кристали и структурите, изградени от молекули с голям дипол се разпадат (дисоциират) във водна среда. Хидратацията на йоните и молекулите препятства тяхната взаимна неутрализация и обуславя самостоятелното им съществуване във вид на истински йонни или молекулярни разтвори.Това определя високата химична активност на водата, благодарение на която се осъществяват миграцията и интензивния обмен на елементи между геосферите.

Във водата практически няма самостоятелни водородни йони. Например хидратираният йон на калция има размер около 10 . Това определя изключителната активност на водата при разрушаването на първичните асоциации на химичните елементи в земната кора. Без водата са немислими останалите геохимични процеси, протичащи във вътрешността на литосферата в магмени, пневматолитни, хидротер­мални (т.е. с участието на горещи уплътнени газово-водни и водни разтвори) и метаморфни условия. Хидросферата е средата, в която се е зародил животът и в която пребивава голяма част от земните организми. Тя определя химичната специфика на живото вещество и характера на обмяната.

    Хидросферата контролира съдържанието на въглероден двуоксид в атмосферата и по такъв начин се отразява на топлинния баланс на планетата.
   Най-точната представа за химичния състав на хидросферата дава океанската вода, не само поради нейното количествено преобладание, но и поради минималното въздействие на останалите геосфери върху  съдържа­ние­то и съотношението на компонентите. Водите на сушата и придънните води на океанските басейни са силно повлияни от характера на контактиращите скали и утайки, от присъствието на организми, вулкански газове и хидротерми, от климатичните фактори и т.н. Асоциациите на химичните елементи в тях са много специфични и представляват частен случай.

Съотношението на химичните елементи в океанската вода е изключително постоянно поради голямата подвижност на компонентите на системата и бързото хомогенизиране. Солеността, т.е. относителното количество на соли в океанската вода варира в тесни граници - около 3,5%, с изключение на затворените басейни и прибрежните участъци със силно изпарение, където достига 4-5 и повече проценти (например Червено море) и устията на големите реки, където водата е силно опреснена. С притока на пресни води се обяснява например понижената соленост на Черно и Балтийско морета. Освен в проценти, солеността често се изразява в промили . Про­ми­лите, изчислени на база 1000, са удобна измерителна единица в морската химия, тъй като количеството на солите се определя в 1 kg вода. Както и в литосферата доминиращ елемент е кислородът. Неговото тегловно съдържание е 85,6%, т.е. почти два пъти по-високо от това в литосферата. Хидросферата е най-богатата на кислород геосфера - тя е оксисфера почти в буквалния смисъл на думата, но от геохимична гледна точка по-важно е атомното съотношение на елементите. В атомни проценти водородът е два пъти повече от кислорода, следователно по-правилно е световният океан да се разглежда като водородна сфера на Земята. Тегловното съдържание на водорода е 10%, което означава, че количеството му е нарастнало в сравнение с литосферата 100 пъти. Изключителната геохимична роля на водата се състои в това, че благодарение на нея отделеният водород се задържа в пределите на Земята. В този смисъл връзката кислород-водород е една от най-важните връзки в земната химия, а водородът - най-интересният и специфичен елемент на разглежданата асоциация. На основание на съотношението между количеството на елемента, съдържащо се в океана и количеството, внесено от реките, може да се изчисли времето на пребиваване на елементите в океана. Най-дълго, практически завинаги, в океана остава натрият. Времето на неговото пребиваване почти съвпада с възрастта на океана . Времето на пребиваване на калия, калция и магнезия се измерва с десетки милиони години. Манганът се задър­жа във водата само 1400 години, с което се обяснява широкото разпрост­ранение на манганови конкреции на дъното на съвременните океани. Сили­цият и алуминият са между най-кратко живущите. Установено е, че радио­ак­тивните стронций и цезий, съдържащи се в отпадъците на ядрените реак­тори и атомните взривове, имат много дълъг период на пребиваване в океанската вода и представляват голяма опастност за живите организми. Съвременните форми на живот са предопределени от химичната специфика на океанската вода. Организмите използват разпространените компоненти, обмяната им е приспособена към тях, докато повечето от дефицитните метали са силни отрови. Балансът на анионите показва голям излишък на хлор, бром, сяра и бор. Количествата съдържащи се в океанската вода, са многократно по-големи от тези, които биха могли да се извлекат от скалите при приетото съотношение 600g скала на 1 kg вода. Това се обяснява с възможния привнос на халогенни елементи, сяра и бор при наземния и подводен вулканизъм. Те са типични компоненти на вулканските газове.

8.1.2. Обмен на компоненти между океана и останалите геосфери

Хидросферата се намира в процес на непрекъснат обмен на вода с атмосферата. С посредничеството на атмосферата се извършва кръговра­тът на водата в природата. Водните пари, получени при изпаряването на океанската вода и на водите на сушата, се концентрират предимно в ниските части на тропосферата, където се извършва кондензацията им. С посредничеството на атмосферата протича грандиозен процес на дести­ла­ция, обуславящ присъствието на слабоминерализирани води на сушата и обра­зуването на силно концентрирани остатъчни разтвори (луги), които имат голямо значение за геохимията на натрия, магнезия, калия, лития, стронция, хлора, бора, сярата, брома, йода и други елементи. Контрастността на водите, получени по този начин се вижда от сравнението на количеството соли в снега от полярните области .Океанската вода разтваря компонентите на атмосферата - кислород, азот, инертни газове, въглероден диоксид. Количеството на разтворените газове се определя от парциалното налягане на газовете в атмосферата, от разтворимостта на газовете, от солеността на водата, температурата и налягането. Полярните студени морета, които са слабо минерализирани поради топенето на айсбергите, съдържат повече газове от горещите и силно солени заливи на тропическите морета. В дълбочина разтворимостта на газовете нараства поради повишението на налягането. Разпределението на кислорода и въглерода се определя също от дейността на организмите и подводната вулканска дейност, поради което посочените по-горе физични закономер­ности не винаги се проявяват. Например независимо от това, че горещата вода разтваря по-малко газове, обилието на водорасли в тропическите морета води до силно обогатяване на повърхностния слой с кислород. В дълбочина кислородът намалява поради изчезването на водораслите и консумирането му при окисление на органичните останки. Биосферата се отразява на разпространението на химичните елементи в океанската вода по различни начини. Като правило в повърх­ност­ните светли и топли зони, където интензивността на жизнените проце­си е максимална, океанските води обедняват на компоненти, участ­ващи в обмяната и изграждането на скелетите и черупките на организ­мите, например въглерод, фосфор, сяра, азот, силиций, калций и др. (особено в летните месеци и дневните часове). Геохимията на тези елементи в океана е неотделима от живите организми. В същото време дълбоките зони се обогатяват на продукти от разлагането на органичните останки - CO2, H2S, CH4 и др. Същите газове могат да се концентрират в придънните води и под въздействието на подводен вулканизъм, горещи хидротерми и газови струи, свързани с нефтени находища. С последната причина се обяснява повишеното съдържание на метан във водите на Персийския залив. Типичен пример за воден басейн с аномална концентрация на сяроводород, получен при разлагане на органични останки с участието на бактерии е Черно море. Най-многообразно е взаимодействието на хидросферата с литосфе­рата. Както беше отбелязано, металите, представляващи най-важните ка­тио­ни в единната асоциация на химичните елементи в океана, са изцяло привнесени от сушата и океанското дъно. Средното количество на лито­сфер­ни продукти (катиони) в океанската вода е 1,3%. Самият процес на обмен с елементите на литосферата се извършва на сушата, при посредничеството на повърхностните и подземни води и при активното участие на атмосферата и биосферата. Участието на атмосферата е свързано преди всичко с ролята и на естествен дестилатор на водата. Тя е доставчик на пресни , наситени с кислород и CО2 води, които имат силно разтварящо действие, поради стремежа към изравняване на концентрациите на веществата на границата между твърдата и течна фаза. Просмукването на дъждовната вода през почвата допълнително я обогатява на CО2 и хумусни киселини, а колкото по-кисела е водата, толкова по-леко извлича йоните на силно основните метали от кристал­ното вещество. Участието на биосферата в този процес е несъмнено, тъй като CО2 и хумусните киселини са продукти от разрушаването на органичните останки. Съдаржанието на CО2 в почвения въздух е 1-2%, докато в атмосферата е само 0,04%

8.1.3. Асоциации на химичните елементи във водите на сушата

Водите на сушата, повърхностни и подземни, закономерно еволюират в зависимост от климата и характера на скалите, с които контактират. Получава се цяла редица от естествени асоциации на химичните елементи, спецификата на които се определят от доминиращия анион: 1) Силикатни води. Анионът на ортосилициевата киселина H3SiO4- или колоидните разтвори на SiO2 преобладават само в най-северните, най-слабо минерализирани води. Силицият образува слаба киселина и затова харак­терът на водите е подчертано алкален. С повишаването на количеството разтворени соли H3SiO4- се сменя от HCO3- , а реакцията на водите става слабо кисела, поради нарастването на количеството на хумус­ните киселини. 2) Хидрокарбонатни води. Това се най-разпространените и най-типичи води на сушата. Определящо за тях е отношението HCO3- > Ca2++Mg2+, показващо, че не само калциевите и магнезиевите, но и част от натрие­вите катиони са свързани с хидрокарбонатния анион. 3) Сулфатни води. За сулфатните води е характерно отношението HCO3-<Ca2++Mg2+<HCO3-+SO42-, което показва, че всички калциеви и магнезиеви йони са свързани с карбонатните и сулфатни аниони, при което обезателно присъства и дисоцииран Na2SO4, за сметка на излишъка от сулфатни аниони. 4) Хлорни води. При хлорните води определящото съотношение HCO3+SO42-<Ca2++Mg2+ показва, че не само всички натриеви, но и част от магнезиевите и калциеви катиони са свързани с хлорния анион. Възможни са два случая: а) Cl<Na++Mg2+ , при който са възможни NaCl и MgCl2 , а калцият е изключително в карбонатна и сулфатна форма; б) Cl->Na++Mg2+ , изискващ присъствието на дисоцииран CaCl2. Последната асоциация се среща в т.нар. хлоркалциеви води, които се образуват изключително в дълбочината на земната кора, докато обикнове­ните хлоридни води изграждат основната маса на световния океан. Хлор­калциевите води не могат да се образуват при изпарение на съвременната океанска вода, тъй като солите на калция са най-трудно разтворими, в сравнение с натриевите и магнезиевите и по времето, когато криста­лизират хлоридите, калцият вече изцяло е преминал в твърдата фаза като карбонат или сулфат. Някои учени смятат, че хлоркалциевите води се образуват при разтваряне на древни солни находища, в които присъства първичен CaCl2 поради възможното коренно различие в катионния състав на древните морета в сравнение със сегашните. Може би в тях йоните на калция са преобладавали рязко над натриевите, тъй като в началото сушата е имала предимно базалтов състав. Средното съдържание на калций и натрий в базичните скали е съответно 7,3 и 1,9%. Образуването на редицата природни води: силикатни - хидрокарбонат­ни - сулфатни - хлоридни се характеризира с прогресивно нарастване на ко­ли­чеството разтворени соли. Хлоридните високоминерализирани води въз­ник­ват в горещи пустинни области, а хидрокарбонатните - в умерения вла­жен пояс с обилна растителност. Поради тясната връзка между асоциа­циите на разтворените елементи и климата, повърхностните води на планетата се отличават с ясна геохимична зоналност. Най-общо на сушата преобладава съотношение на анионите и катионите обратно на това в океанската вода: Na+<Mg2+<Ca2+ Cl-<SO42-<HCO3- Източниците на катиони и аниони за високоминерализираните води са солните пластове и погребаните луги, седиментните скали с повишено съдържание на гипс, анхидрит и др., областите в пустините покрити със соли поради изпарение на капилярни води, някои магмени минерали (например при разтварянето на апатит и содалит се отделят хлорни йони) и т.н. Особено важна е ролята на сулфидните находища, при окислението на които възникват сярнокисели води със специфичен състав - в тях преобладават катионите на тежките метали желязо, цинк, мед и др. С нефтените находища са свързани високоминерализирани води с повишено съдържание на йод, бром, бор, барий, стронций, радий, хелий и др. Разгледаните природни води се образуват за сметка на концентрирани водни пари и постепенно еволюират от пресни до силносолени. По-рядко те са свързани с погребани остатъчни, силно концентрирани океански води. Наред с тях съществува богат и разнообразен спектър от води, рожба на дълбочинни процеси. Сред тях най-съществени са водите съпровождащи вулканската дейност, които пред­став­ля­ват понякога почти концентрирана сярна или солна киселина. Тези води са изключително активни и съдържат наред с обикновените катиони голямо количество йони на тежки метали, изнесени от магменото огнище или излужени от околните скали. Отглас от вулканска дейност са минерал­ните извори, богати на въглероден двуоксид, сяроводород, желязо, радиоактивни вещества, силиций. Например някои гейзери в Йелоустоунския парк, САЩ, изнасят 600mg/l SiO2 . Разтворимостта на SiO2 е обусловена от силно алкалния характер на водите.

1. виж Световен океан