Гидросфера и ее строение, гидрологический цикл, аномальные свойства воды

Российский химико-технологический  университет им. Д.И.Менделеева

                  Институт химии и проблем устойчивого  развития

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                  

 

 

 

                                                                   Реферат на тему

Гидросфера и ее строение, гидрологический цикл, аномальные свойства воды

 

 

 

 

 

 

                                                                                       Выполнила: Балынец Д.И.

                                                                              группа Э-43

                                                                                       Преподаватель: Кузнецов О.Ю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2012

1. Гидросфера и ее строение.

Гидросфера (от греч. hydor — вода, spahaire — шар) — жидкая оболочка планеты. 3/4 поверхности Земли занимают воды океанов, морей, континентальных водоемов и ледников, причем 3/4 — это нижний предел величины, так как площадь, покрываемая гидросферой, существенно меняется и достигает в декабре — феврале 443 млн км² или около 87% поверхности Земли, равной 510 млн км² .

Понятие гидросфера включает все свободные воды Земли, которые не связаны химически и физически с минералами земной коры, т.е. могут двигаться под действием гравитационной силы либо теплоты. Гидросфера состоит из всех океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников, снежного покрова, включает атмосферную и почвенную влагу, а также биологическую воду (например, в организме человека содержится около 70% воды).

Составляющие гидросферы	Масса воды *10-3 млрд т	Доля, %		Время полного возобновления, лет	Условный слой на поверхности  Земли, м
		Запасов пресной воды	Общей массы
Мировой океан	1 370 000	-	91,55	2600-3000	2750
Подземные воды	100 000	-	6,68	5000	200
В том числе пресные	4000	30,1	0,27
Снежно- ледовые образования	26 000	68,7	1,74	8000-10 000	60
Малые составляющие:
озера	280	0,26	<0,02	7	-
Почвенная влага	100	0,02	<0,01	0,9-1,0	-
Болота	100	0,03	<0,01	-	-
Атмосферная влага	14,0	0,04	<0,001	0,027	-
Реки	1,2	0,006	<0,0001	0,033-0,22	-
Биологическая вода	1,1	0,003	<0,0001	-	-
Всего	1 500 496,3	100	100	2800	3000

Количество воды в океане, основной составляющей гидросферы, не строго постоянно. Уровень океана за время его существования неоднократно падал на 120—150 м ниже современного, и тогда шельф становился сушей, а континентальный склон местами обнажался. «Ушедшая» вода накапливалась на суше ледяными горами, подобными тем, что сейчас существуют в Антарктиде и Гренландии. В периоды оледенения доля поверхности Земли, занятая Мировым океаном, сокращалась примерно на 5%. Тем не менее океан всегда преобладал над сушей.

 

2. Гидрологический цикл.

 

Гидрологический цикл представляет собой непрерывный процесс циркуляции и перераспределения  всех видов природных вод между отдельными частями гидросферы, устанавливающий определенные соотношения между ними при различных масштабах осреднения. Именно гидрологический цикл обеспечивает связь и единство вод гидросферы.

            

Физической основой служат солнечная радиация, способствующая нагреванию воды и суши, испарению воды, возникновению горизонтальных градиентов атмосферного давления, переносу воздушных масс в атмосфере и водных масс в океане, и сила тяжести, заставляющая сконденсировавшуюся в атмосфере воду выпадать на поверхность Земли в виде дождя и стекать на суше в направлении уклона сначала к руслам рек, а затем к океану. Эта циркуляция включает два звена — океаническое и материковое. Океаническое звено представляет собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности океана — перенос водяного пара в атмосфере над океаном — осадки на поверхность океана — океанические течения — испарение и т.д. Материковое звено представляет собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности суши — перенос водяного пара над сушей — осадки на поверхность суши — поверхностный и подземный сток — испарение и т.д. Оба звена связаны между собой двумя важнейшими механизмами  — переносом водяного пара с океана на сушу и поверхностным и подземным стоком с суши в океан. В океаническое звено ежегодно вовлечено в среднем 458 тыс.км³ воды, равное величине осадков на поверхности Мирового океана. Разница в величинах испарения и осадков на поверхности Мирового океана составляет 47 тыс.км³воды в год. Этот же объем воды ежегодно возвращается в океан со стоком, который складывается из речного стока (41,7 тыс. км³), подземного стока, не дренируемого реками (2,2 тыс. км³) и ледникового стока (3,0 тыс. км³) в виде откалывающихся от покровных ледников айсбергов и талых вод покровного оледенения. Часть цикла не связана с океаном и представляет собой замкнутый цикл осадки — сток — испарение в областях внутреннего стока. Здесь ежегодно в циркуляции воды участвует около 9 тыс.км³ воды. В материковом звене ежегодно участвует 72 тыс.км³ воды, равные величине испарения с поверхности вод суши. Из этой величины 63 тыс.км³ воды приходится на испарение в области внешнего стока и 9 — на испарение в области внутреннего стока. Из общей суммы испарения около 30 тыс.км³ (42%) приходится на транспирацию растительным покровом.

 

3. Аномальные свойства воды.

 

Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. По ряду физических свойств чистая вода обнаруживает по сравнению с другими химическими  соединениями необычные – аномальные – отклонения. Аномалии свойств  воды, имеющие исключительное значение в природе и жизни, связаны с её структурными особенностями и со способностью образовывать молекулярные агрегаты.

Аномалия плотности заключается  в том, что плотность льда (0,9168г/см³ при 0°С) меньше, чем у жидкой воды (0,9982 г/см³ при 20°С), а максимум плотности (0,99997 г/см³) достигается при 4°С. Это связано со структурными превращениями, происходящими с водой при изменении температуры. При увеличении температуры от более низкой до +4°С часть водородных связей в структуре льда разрушается. В среднем на каждую молекулу в этих условиях приходится уже не 4 водородные связи, а 3,4. Среднее время существования каждой водородной связи в жидкой воде очень мало и составляет менее 10^–9 секунды. Освободившиеся молекулы воды попадают в полости льдоподобного каркаса, что приводит к уменьшению объёма и повышению плотности жидкой воды по сравнению со льдом. При температуре выше 4°С процесс заполнения пустот уже не компенсируется увеличением объёма воды за счет роста интенсивности теплового молекулярного движения. В результате объём воды начинает увеличиваться, а плотность уменьшается. При охлаждении воды протекают обратные процессы. Замерзание её сопровождается увеличением объёма примерно на 10%. Это может привести к разрыву труб, емкостей, к развитию трещин в скальных породах, разрушению бетона, цементного камня при нахождении их в условиях мерзлоты.

Аномально высокая теплоемкость воды (4,178 Дж/г К при 20^оС) связана с затратой тепла не только на повышение температуры, но и на частичный разрыв водородных связей и заполнение молекулами воды пустот структуры. Эта особенность воды существенно влияет на климат и жизнь живых организмов.

Высокое значение удельной энтальпии испарения ( 40,683 кДж/моль при 373 К) приводит к тому, что большая часть солнечной энергии, достигающей Земли, расходуется на испарение воды, препятствуя перегреву ее поверхности. При конденсации паров воды в атмосфере происходит выделение этой энергии, которая может переходить в кинетическую энергию компонентов атмосферы, вызывая ураганные ветры.

Значение удельной энтальпии  плавления воды, равное 6,012 кДж/ моль при 273 К, является наиболее высоким среди твердых и жидких тел, за исключением аммиака и водорода. Благодаря высокой теплоте плавления на Земле сглаживаются сезонные переходы.

Высокий дипольный момент воды при сравнительно небольшом молекулярном объёме обусловливает  в электрическом поле особенно сильную  поляризацию, которая характеризуется  аномально высокой диэлектрической  проницаемостью, равной 81. Диэлектрическая  проницаемость представляет собой  число, показывающее, во сколько раз  силы взаимодействия частиц какого-либо вещества уменьшаются в растворителе по сравнению с силами их взаимного  притяжения в пустоте. Высокая диэлектрическая  проницаемость обусловливает высокую  растворяющую и диссоциирующую способность воды по отношению к веществам с полярной и ионной структурой.

 

Из всех жидкостей (за исключением  ртути) вода обладает самым высоким поверхностным натяжением (78,3*10^-3 Н/м при 298 К). Это приводит к появлению ряби и волн на водной поверхности уже при слабом ветре. В результате этого резко возрастает площадь водной поверхности и интенсифицируются процессы теплообмена между атмосферой и гидросферой. С высоким поверхностным натяжением воды связаны и капиллярные силы, благодаря действию которых вода способна подниматься на высоту до 10-12м от уровня грунтовых вод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

1. Тарасова Н. П., Кузнецов В.А. Задачи и вопросы по химии окружающей среды.- М.:Мир, 2002-368 с;
2. Сыркин А.М., Максимова Н.А., Сергеева Л.Г. Химия воды: Учебное пособие.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007.- 95 с;
3. Николайкин Н. И., Экология: учебник для вузов.- М. : Дрофа, 2009.- 622с;
4. Догановский А.М., Малинин В.Н., Гидросфера Земли. Санкт- Петербург. : гидрометеоиздат, 2004.-  625с;
5. Михайлов В.Н. Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли. -Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 636 с.