Химические процессы в гидросфере

Содержание

Глава 1. Классификация и характеристика вод гидросферы

Глава 2. Геохимический состав вод  гидросферы

2.1 Минерализация вод

2.2 Ионный состав вод

2.3 Газовый состав вод

2.4 Щелочно-кислотные условия вод

2.5 Окислительно-восстановительные  условия вод

Глава 3. Геохимическая динамика вод  гидросферы

Глава 4. Особенности химических процессов  в гидросфере

Глава 5. Антропогенное воздействие  на геохимический состав вод гидросферы

5.1Загрязнение Мирового океана

5.2 Загрязнение поверхностных вод

5.3 Загрязнение Каспийского моря

Заключение

Выводы

Введение

Вода - самое удивительное природное  соединение на Земле - источник жизни  и условие ее формирования. «Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных  геологических процессов», - писал  В.И. Вернадский (1934).

Вода стоит особняком в истории  нашей планеты. Э. Дюбуа образно заметил, что «жизнь есть одушевленная вода». Вулканы Земли в совокупности выбрасывают в атмосферу около 40 миллионов тонн водяного пара. Любая минеральная частица, выглядящая вроде бы совершенно сухой, при нагревании примерно до 500° С растрескивается под давлением пара, в который превратилась вода, изначально содержавшаяся в микроскопических трещинках или включениях. В составе живых организмов вода вообще основной компонент (от 60 до 98% массы тела). Диапазон температурных условий в биосфере таков, что вода здесь может находиться в трёх различных состояниях (жидком, твёрдом и газообразном) и переходить из одного состояния в другое. Это придаёт процессам её круговорота особую динамичность и разнообразие (Вернадский В. И., 1978; Дривер Д. И., 1985).

Все природные воды тесно связаны  между собой и находятся в  постоянном движении. Даже самые глубокие подземные воды участвуют в общем  круговороте. Вода - самая универсальная  и самая важная среда миграции. Все природные воды содержат растворенные газы, ионы недиссоциированные молекулы и коллоидные частицы. Вода - «это кровь  земной коры» (Вернадский В. И., 1934).

Свойства воды резко отличают ее от всех известных веществ на Земле. Вода - аномальное вещество. Причем, аномальны  практически все свойства этой самой  распространенной на Земле жидкости. Аномальны ее теплоемкость, коэффициент теплового расширения, величина поверхностного натяжения, температуры кипения и замерзания, диэлектрическая постоянная и т.д. По этим параметрам вода резко отличается от всех других известных жидкостей. У подавляющего большинства веществ твердая фаза тяжелее жидкой, а лед легче воды и плавает на ее поверхности. Причина - ажурная кристаллическая структура льда (Посохов Е. В., 2005).

Многие «странности» воды объясняются  своеобразием строения ее молекулы - самой  маленькой из трехатомных молекул. Радиус молекулы воды лишь ненамного  превышает радиус иона кислорода. Угол, между линиями, соединяющими протоны  с центром атома кислорода, равен 105є. Такая структура обуславливает  крайне неравномерное распределение зарядов в молекуле воды. Молекула воды является своеобразным диполем, один конец которого несет положительный заряд, а другой заряжен отрицательно. Таким образом, многие особенности воды объясняются наличием водородных связей (Скурлатов Ю. И. и др., 1994).

В настоящее время проблема загрязнения  водных объектов (рек, озер, морей, грунтовых  вод и т.д.) является наиболее актуальной, т.к. всем известно - выражение «вода - это жизнь». Без воды человек не может прожить более трех суток, но, даже понимая всю важность роли воды в его жизни, он все равно продолжает жестко эксплуатировать водные объекты, безвозвратно изменяя их естественный режим сбросами и отходами (Левин А. С., 2006).

Цель работы: проанализировать геохимические особенности гидросферы.

Задачи работы:

1. рассмотреть состав современной  гидросферы;

2. определить основные геохимические  особенности гидросферы;

3. выявить причины изменения  химического состава гидросферы.

Глава 1. Классификация и характеристика вод гидросферы

Водная оболочка Земли - гидросфера (от греческого hydor-вода и sphaira - шар) расположена между атмосферой и твердой земной корой - литосферой. Она объединяет в себе моря и океаны, все водоемы в пределах суши: реки, ручьи, озера, болота и т.д., а также льды и снега полярных и горных областей, атмосферные воды и воды, содержащиеся в живых организмах. Эта оболочка во много раз тоньше атмосферы. В океанах ее толщина в основном находится в пределах 4-5 км, лишь в самых глубоких местах достигая 10 км или чуть более. Глубина водоемов на суше - всего лишь несколько метров, редко - десятки метров, а еще большей она бывает в совсем исключительных случаях. Но, несмотря на столь незначительные размеры, гидросфера играет важнейшую роль в формировании облика нашей планеты, в процессах, происходящих на ее поверхности (Шилов И. А., 2003).

Большая часть поверхности нашей  планеты представляет собой водную оболочку (71% площади поверхности  Земли приходится на Мировой океан). Можно сказать, что континенты как  бы плавают в Мировом океане. Основные компоненты воды - водород и кислород. Гидросфера представляет собой прерывистую  оболочку, образованную пресной, соленой  и твердой водой. Она включает в себя океаны с морями и заливами, озера, воды рек и ручьев, грунтовые  воды, а также снег и лед (Скурлатов Ю. И. и др., 1994).

Наиболее обводнена географическая оболочка, в которой вода является самым распространённым веществом. 97% (1 370 000 км3) общей массы воды в  биосфере Земли сосредоточено в  Мировом океане, средняя глубина  которого около 3 800 м.. На долю пресной  воды приходится всего 2%, причем лишь 0,025% (360 000 км³) пресной воды находится в жидком состоянии (в реках, озерах и других водоемах, почве), 1,6% - это лед, а 4% - подземные воды, большая часть которых представляет собой глубинные рассолы.

В. И. Вернадский (1934) считал воду особым минералом и выделял 485 ее видов, при этом он отмечал, что общее  количество ее видов превышает 1500. Все  воды он разделил на 3 подгруппы:

1) твердую воду (льды);

2) газообразную (надземные и подземные пары);

3) жидкую.

Среди жидких вод им были выделены классы пресных, соленых и рассольных вод. По физико-геологическим параметрам и характеру водовместилищ им были выделены царства, под царства  и семейства вод:

Царства: поверхностных, подземных и глубинных вод.

Семейства: озерных, болотных, пластовых и др. вод.

По газовому составу: кислородные, углекислые, метановые, азотные, сероводородные, водородные воды и т.д.

Поверхностная гидросфера суши включает в качестве основных элементов реки, озера, болота, ледники и снежный  покров. Наиболее важным элементом  являются реки - непрерывно действующие водотоки, собирающие атмосферные осадки и подземные воды с обширных территорий, называемыхводосборными бассейнами. Для каждой реки в течение года характерно чередование паводков (половодий) и низкого уровня воды (межени). Количество воды во время половодий увеличивается в 5-20 раз и более по сравнению с меженью, а в особо многоводные годы - до 80-100 раз (Мейсон Б., 1970).

Время проявления половодья и его  сроки зависят от питания рек. В реках с преимущественно снеговым питанием половодье приходится на весенний период, с дождевым питанием - на летний. Своеобразный режим наблюдается в реках смешанного питания (ледникового и дождевого), где время половодий растягивается до полугода и где максимумы приходятся на летние месяцы (Скурлатов Ю. И. и др., 1994).

Важными характеристиками рек являются величины поверхностного руслового  стока и расхода воды. Под русловым стоком понимают количество воды, переносимое речным потоком через его поперечное сечение за некоторый период времени, под расходом - количество воды, переносимое потоком через его поперечное сечение за единицу времени. Также выделяют и твердый сток реки - количество перемещаемых твердых и растворенных веществ, проносимых рекой через любое поперечное сечение за определенный промежуток времени (Израэль Ю. А., 1984).

Величина твердого стока крупных  рек в некоторых случаях соизмерима с русловым стоком и измеряется десятками  млн. т в год. Разные реки приносят к своему устью неодинаковый материал. Реки, имеющие на всем своем протяжении горный характер и впадающие в  море или озеро, могут приносить  гальку разной величины (Скурлатов Ю. И. и др., 1994).

Большие равнинные реки, даже если их истоки находятся в горах, перетирают на своем длинном пути по равнине  всю гальку и доносят до устья  только песок или даже ил в виде взвешенной мути. Участки низменной  суши, образовавшиеся из речных отложений  у береговой линии моря (или  озера) в устьевой части рек, называют дельтами (Крайнов С. Р., 2005).

Основные гидрологические характеристики рек России приведены в Прил. 1. (табл.1). К наиболее крупным речным системам относятся реки Лена, Енисей, Волга и Обь, среднемноголетний расход воды в которых колеблется от почти 8000 до 18 600 м³/с, а величина стока оценивается в 238-489 км³/год.

Воды рек являются главными источниками  для питьевого и промышленного  водоснабжения, орошения земель, получения  гидроэлектроэнергии, местами вылова и разведения рыб (Скурлатов Ю. И. и др., 1994).

Озера - впадины рельефа, заполненные застойной или слабопроточной водой, не имеющие прямой связи с Мировым океаном. Они занимают свыше 2 % площади суши. Крупнейшими озерами являются Каспийское (море), Верхнее в Северной Америке, Виктория в Африке, Аральское в Азии.

Основные характеристики наиболее крупных озер России приведены в  табл. 1.

Таблица 1 - Наиболее крупные озёра России (Воронков Н. А., 1999)

На поверхности Земли озера  распространены неравномерно. Наибольшее их количество сосредоточено в областях плейстоценового оледенения (озера  Фенно-Скандинавского полуострова, севера США и Канады). Они могут находиться во всех природных зонах как на низменностях, так и в горах. К наиболее высокогорному из крупных озер относится озеро Титикака в Андах (3812 м над уровнем моря), а самое низкое - Мертвое море на Аравийском полуострове, поверхность которого располагается ниже уровня моря на отметке -395 м. Глубина озер измеряется десятками и сотнями метров. Самое глубокое озеро Байкал имеет глубину 1741 м. (Воронков Н. А., 1999).

Озерные впадины создаются природными (экзогенными и эндогенными) и  техногенными причинами. Среди эндогенных озер выделяют группы вулканических, сейсмогенных и тектоногенных котловин. Вулканогенная группа включает кратерные, кальдерные, фумарольно-гейзеровые, лавово-плотинные и лахарово-плотинные типы. Например, крупнейшее на Кавказе озеро Севан относится к лавово-плотинному типу.

К сейсмогенной группе относятся обвально-плотинные озера, являющиеся следствием сильных землетрясений. Например, обвально-плотинное Сарезское озеро в горном Бадахшане на Памире, образование которого вызвано землетрясением в 1911 г (Воронков Н. А., 1999).

К техногенным озерам относят водохранилища, создаваемые на наиболее крупных реках и осуществляющие многолетнее регулирование речного стока. Основные показатели наиболее крупных водохранилищ России приведены в табл. 2. Наиболее крупным из них является Братское водохранилище на Ангаре.

геохимический вода гидросфера минерализация

Таблица 2 - Основные показатели наиболее крупных водохранилищ России (Воронков Н. А., 1999)

Болота - избыточно увлажненные участки суши, заросшие специфической растительностью. Болота на Земле покрывают площади около 2 млн. км², встречаясь в областях с влажным гумидным климатом, в которых зеркало грунтовых вод занимает приповерхностное положение. По местоположению и условиям водного питания различают верховые, промежуточные, низинные и приморские болота. Верховые болота располагаются на водоразделах, речных террасах и склонах возвышенностей. Подпитываются они атмосферными водами. Болота промежуточного типа имеют двойное питание: атмосферное и подземными водами. Низинные болота располагаются в котловинах, часто на месте озер. Питание их осуществляется подземными и текучими водами. Приморские болота распространены на морских побережьях с влажным климатом. Питание их атмосферное. Во время приливов площадь таких болот может покрываться водой (Балашов Л. С., 2008).

Болота играют важную роль в формировании гидрологического режима рек. Являясь  стабильным источником питания рек, они регулируют половодья, растягивая их во времени, что способствует естественному  самоочищению речных вод.

На территории России болота и заболоченные территории занимают свыше 10 % площади, аккумулируя огромные массы воды. Основные болотные массивы сосредоточены на северо-западе и севере европейской части, а также на севере Западной Сибири. Площади болот колеблются от нескольких гектаров до десятков квадратных километров (Воронков Н. А., 1999).

Ледники образуются на поверхности Земли в областях с низкими среднегодовыми температурами в результате накопления значительных масс снега. Они развиты почти во всех высокогорных сооружениях, в Антарктиде и на многих полярных островах. На всех материках мира они занимают около 11 %поверхности суши. Общий объем заключенного в них льда составляет около 30 млн. км³. Высотное положение их зависит от климата. Наиболее низкое положение они занимают в приполярных областях, опускаясь до уровня Мирового океана (Антарктида); наивысшее (до 5000-6000 м) - в горах приэкваториальной зоны (Романова Э. П., 2003).

В зависимости от климата, рельефа  и соотношения областей питания  и стока выделяют горные (долинные, переметные, каровые, висячие), материковые (покровные) ледники и ледники  промежуточного типа, сочетающие элементы горных и покровных ледников. Важнейшей  особенностью ледников является способность  их перемещаться в стороны от областей питания в результате вязкопластичного течения и под влиянием силы тяжести. Скорости движения различны и непостоянны во времени. Горные ледники Альп движутся со скоростью 0,1-0,4 м/сут, Памира и Гималаев - до 2-4 м/сут. В отдельных случаях наблюдается катастрофическое увеличение скорости, достигающее 50-150 м/сут. Огромные площади (25 % всей суши земного шара) заняты почвенным льдом (многолетнемерзлыми горными породами) и относятся к криолитозоне (Щербина В. В., 1972).