Экология гидросферы
Прежде чем на Земле возникла живая материя, на ней должна была появиться вода, в которой в течение многих миллионов, а возможно и миллиардов лет растворялись, накапливались и взаимодействовали различные минеральные соли. Наша планета на 3/4 покрыта океанами. Количество воды в атмосфере метеорологи оценивают в 12 900 кубических километров. Из них 98% находятся в форме невидимого пара, а 2% – в виде облаков – скоплений микроскопических капелек или ледяных кристалликов.
Таким образом, вода – это одно из самых распространенных на нашей планете веществ. «Начало всего есть вода», – отмечал Фалес из Милета ещё в VI веке до н. э. Велика роль воды и в формировании земного ландшафта. М. В. Ломоносов писал: «…Все во всем свете рудокопы не перероют столько земли, не провернут камней во сто лет, сколько одной весной разрушат о них льды и быстрины беспримерных вод российских». Будучи в химическом отношении достаточно простым веществом (2 атома водорода и один кислорода), вода долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определенной пропорции. После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название «водород» (Hydrogen – от греч. hydro genes), которое можно истолковать как «порождающий воду». Молекула жидкой воды – единственное трехатомное вещество, имеющее соразмерности, свойственные золотой пропорции.
Физические свойства воды используются как эталоны при определении многих физических констант и единиц измерения. Так, температура замерзания воды, насыщенной воздухом под давлением 1 атм., принята за 0°С, а температура кипения при тех же условиях – за 100°С. Единицей массы, равной 1 г, в метрической системе мер принят вес 1 см3 воды при 4°С.
Некоторые особенности воды делают ее уникальной для живой природы, а многие из них не подчиняются физическим законам, которые управляют другими веществами. Вода состоит из мономеров Н2О, которые при различной ее температуре могут образовывать димеры и тримеры. При температуре в 4оС основная масса воды представлена димерами. Вода обладает значительной смачивающей поверхностью. По показателям величины поверхностного натяжения, позволяющего воде подниматься по капиллярам на 10—12 метров, она уступает только ртути.
Важнейшим условием существования жизни на Земле является способность воды за счет капиллярных сил подниматься по узким почвенным каналам и сосудам растений.
По мере растворения, поступившие в воду ионы, обволакиваются ионами воды, однако она, являясь инертным растворителем, в реакцию с растворенным веществом, как правило, не вступает. Благодаря этой особенности воды огромное количество разнообразных веществ переносится по любым системам биосферы и доставляется к каждой клетке любого организма.
Вода, если ей дать достаточно времени, она может растворить практически любое твердое вещество. Именно из-за уникальной растворяющей способности воды никому до сих пор не удалось получить химически чистую воду – она всегда содержит растворенный материал сосуда.
Плотность воды при охлаждении от 100 до 4оС (точнее, до 3,98оС) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4оС, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Таким образом, – максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4оС (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0оС. Замерзание воды сопровождается скачкообразным уменьшением плотности более чем на 8%. В связи с этим лед (твердая вода) занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности.
Плотность большинства веществ – жидкостей, кристаллов и газов – при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации.
Столь необычное поведение плотности воды крайне важно для поддержания жизни на Земле. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего одеяла, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.
Уникальны в своём роде и тепловые свойства воды:
1. Вода – единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум. Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет минимум около 37оС, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36—38оС. (Внутренние органы имеют более высокую температуру, чем наружные – авт.).
2. Вода – обладает самой высокой теплоемкостью из всех известных веществ. Чтобы нагреть определенное ее количество на 10 необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, – по крайней мере, вдвое по отношению к простым веществам. Это обуславливает исключительную, в отличие от других веществ, способность воды аккумулировать тепло. Благодаря этому свойству волы Мировой океан поддерживает среднегодовую температуру Земли в пределах 15°С. В противном случае климатические, и сезонные перепады температур были бы гораздо резче и приводили бы к бурным ураганам. Достаточно температурному режиму океана дать сбой, как по всей Земле неминуемо прокатываются катаклизмы.
Знаменитое Эль-Ниньо связано с появлением в тропической зоне Тихого океана тёплого течения, которое, медленно продвигаясь от Индонезии к берегам Перу и Чили меняет климатические условия. Как правило, этот феномен возникает, когда в силу естественных колебательных процессов перераспределения энергии в океане – слабеет сила пассатов, дующих вдоль экватора с востока на запад. В результате течение устремляется через океан от Индонезии к Перу и температура воды у побережья Перу поднимается на 3—5°С. Затянувшееся с 1990 по 1995 г. Эль-Ниньо привело к тому, что, начиная с 1996 г., по планете периодически прокатываются климатические катастрофы – наводнения там, где их никогда не бывало и засуха во влажных областях.
Исключительная теплоёмкость воды способствует тому, что у человека нормальная температура тела поддерживается на одном уровне и жарким днем, и прохладной ночью. Таким образом, вода играет главенствующую роль в процессах регулирования теплообмена человека и позволяет ему поддерживать комфортное состояние при минимуме энергетических затрат. При нормальной температуре тела человек находится в наиболее выгодном энергетическом состоянии. Температура других теплокровных млекопитающих (32—39оС) также хорошо соотносится с температурой минимума удельной теплоемкости воды.
3. Вода – обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть воду очень трудно заморозить, а лед – растопить.
В структуре льда практически не бывает примесей: при замерзании они вытесняются в жидкость. Именно поэтому снежинки всегда белые, а льдинки на поверхности грязной лужи практически прозрачные. Но в планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса – вода на Земле постоянно очищает сама себя.
Лед и особенно снег обладают очень высокой отражательной способностью, благодаря чему солнечное излучение не вызывает заметного нагрева полярных областей, и, как следствие – наша планета избавлена от сезонных наводнений и повышений уровня Мирового океана. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок, что позволяет большинству живых организмов оптимальным образом существовать (адаптироваться) в условиях благоприятной среды.
В качестве первичного эшелона, определяющего адекватность адаптации или приспособленность любых живых организмов к постоянно меняющимся факторам внешней среды, выступает количество в организме воды, абсолютное содержание и соотношение в ней макро и микроэлементов. Живая клетка это идеальная система обратных связей, но любая клетка это еще и вода и состояние этой воды решает в конечном итоге все.
Внутриклеточную среду обычно рассматривают как водный раствор, тогда как она представляет собой гель, испытывающий фазовые переходы. Вода служит дисперсионным средством (диспергатором) органических коллоидов и индифферентной средой для транспорта строительных и энергетических веществ к клетке и эвакуации продуктов обмена к органам выделения. Эти процессы связаны с константным (в узких пределах) содержанием воды и солей в организме. В обычных условиях вода в организме никогда не бывает в свободной форме, а всегда связана осмотическими, онкотическими и мицеллярными силами.
Можно смело утверждать, что «человек существует благодаря наполняющей его воде». В организме человека с массой тела 65 кг содержится от 40 л воды: из них почти 25 л находится внутри клеток, а 15 л – в составе внеклеточных жидкостей организма. Из 25 л внутриклеточных жидкостей около 95% находится в свободном состоянии, а 5% – иммобилизовано за счет связи с биологическими макромолекулами. Почти 89% воды содержит человеческий мозг, до 80% воды входит в состав человеческой крови, более чем на 70% мышцы человека содержат все ту же воду, и даже в костях скелета около 20% влаги. До сих пор актуален афоризм известного биолога Г. Н. Шангина-Березовского: «Каждый из нас всего лишь пятьдесят литров воды, вставшей на ноги».
Особенно богаты водой ткани молодого организма. C годами человек «высыхает», теряет влагу. В теле 3-месячного плода содержится 95% воды, 5-месячного – 86%, новорожденного ребенка – 70%, взрослого человека – от 65 до 55%. Поддержанием постоянного объема жидкости, состава и концентрации электролитов в организме занимается сложная система, в которой участвуют почки, надпочечники, гипофиз и легкие.
Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% – на неорганические.
Молекула воды – диполь. Это значит, что геометрические центры отрицательных и положительных зарядов не совпадают – одна часть молекулы «поположительнее», а другая «поотрицательнее». Поэтому вода – дипольная жидкость. Но это только в первом приближении. Во втором приближении вода – система из четырех зарядов – квадруполь.
Уместно здесь вспомнить гипотезу Ю. А. Колясникова о том, что «структурная память воды „унаследована“ от главной строительной единицы земной тверди – кремнийкислородного тетраэдра, как наиболее энергетически выгодную». Ведь, в сущности, весь кислород земной воды и атмосферы в прошлом был силикатным. Можно считать общепризнанным факт, что вода имеет внутреннюю структуру. Как принято считать, структурообразующими свойствами обладают водородные связи (мостики). Колясников делает вывод о том, что вода – это тетрамер Н8О4, в котором четыре молекулы соединены в компактный тетраэдр двенадцатью «сильными» водородными связями. Эти тетрамеры в воде (жидкость в пару) объединяются в полимеры такими же, но «слабыми» связями т.к. для этого соединения у них остается только четыре связи.
При температуре человеческого тела достигается уникальное с точки зрения биохимии состояние – разорвана половина «слабых» водородных связей. Это, как полагают, и определяет равную вероятность течения разнообразных обратимых биохимических реакций в организме. При температуре в 100 градусов тетрамерные связи разрываются на молекулы воды, которые тут же в пару объединяются в новые тетрамеры. В воде одновременно существует несколько состояний обусловленных наличием водородных связей между ее молекулами, энергия которых более чем втрое превышает Ван-дер-ваальсовские силы взаимодействия, что, собственно, и отличает ее от газов и сближает по структуре с твердыми телами. Именно это обстоятельство и позволило Дж. Берналу и Р. Фаулеру еще в 1932 году сравнить структуру воды с жидким кварцем.
На Земле нет других веществ, наделенных способностью быть жидкостью при температурах существования человека и при этом образовывать газ не только легче воздуха, но и способный возвращаться к ее поверхности в виде осадков. В. И. Вернадский 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 частных сил, её парообразного состояния, её вездесущности в верхней части планеты – ею проникнуто и охвачено».
Мировые запасы пресной воды к исходу ХХ века составляли 34980 тыс. км.3, а ежегодно возобновляемые (суммарный годовой сток рек) – 46800 км.3 в год. Современное полное водопотребление в мире составляет 4130км.3 в год, а безвозвратное – 2360 км.3 год. Сейчас используется примерно 55% имеющейся на Земле пресной воды, причем 70% из них идёт на орошение, 20% – в промышленность и 10% на нужды населения. Орошаемые земли сегодня составляют 17% всех возделываемых земель, но дают 40% продовольствия. По прогнозам – к 2050 году доля урожая с этих земель возрастет до 50%. (Семёнов В. А. – 1996 г., Намер Л. – 2004 г.). Такое водопотребление привело к существенному обмелению и загрязнению около половины рек планеты. Почти 60% из 277 крупнейших водных артерий перегорожены плотинами и прочими инженерными сооружениями, создавшими искусственные озера, что существенно изменило экологию близлежащих земель и устьев рек. За последние полувека на реках мира построено около 800 тыс. плотин, из них 45 тыс. выше 15 метров.
В США только на 2% рек нет плотин. Из-за плотин на Дунае изменились химические процессы с участием кремния во всем Черном море.
В целом, – 80% всех загрязнений морей дает деятельность человека на суше.
Мировые запасы грунтовых вод, из которых черпают питьевую воду около 2 миллиардов человек на планете, постепенно иссякают – уровень грунтовых вод в большинстве развивающихся стран падает примерно на три метра в год. (Макгиверинг Дж. – 2003 г.).
По данным японских геофизиков, в мантии Земли, на глубинах от 650 до 2000 километров, в связанном виде содержится в 5 раз больше воды, чем во всех океанах.
С ростом численности человечества надо ожидать усиления дефицита пресной воды и роста военных конфликтов из-за нее. Существуют прогнозы, что при удвоении народонаселения Земли к середине этого столетия и при стремительно растущих запросах – наступит всемирный водный кризис. К примеру, англичане уже тратят за год около 2 млрд. фунтов стерлингов на воду в бутылках. В среднем каждый англичанин выпивает в год 37 литров воды, купленной в магазине, и четверть этой воды завозится из других стран.
Специалисты считают, что для современной комфортной жизни на каждого человека ежедневно необходимы 200—300 литров воды. Из них лишь 2—3 литра жизненно необходимы человеку для питья, для приготовления еды. И эта вода должна быть не просто безвредной, а чистой, вкусной и свежей, как родниковая. Подсчитано также, что за жизнь человек поглощает около 25 тонн воды.
Десятая часть человечества утоляет жажду из реки Ганг. Хотя с 1985 года Индия предпринимает усилия по очистке воды в Ганге, содержание опасных микробов в любимом месте омовения паломников в 2—4 тысячи раз превышает допустимое. Эксперты ООН опубликовали отчет, согласно которому из 122 обследованных стран самая чистая вода – в Финляндии, Канаде, Новой Зеландии, Британии и Японии. Россия на 7-м месте. Как ни странно на последнем месте – Бельгия, где вода грязнее, чем в Индии, Судане или Руанде.
Лучший источник питьевой воды – артезианские скважины, уходящие под водонепроницаемые породы, что защищает их от прямого попадания загрязняющих веществ. Температура и химический состав артезианских вод почти постоянны, мутность невелика, бактерий почти нет. Далее в иерархии чистоты следуют глубокие грунтовые воды, затем проточные озера и водохранилища, наконец, бессточные озера и реки.
При интенсивном использовании подземных вод образуются депрессионные воронки. Одна из них, причем огромная (около 5 тыс. км3), образовалась в районе Москвы, где только с 1938 по 1958 гг. из земных недр выкачано около 2,4 км3 воды, что в 6 раз превышает питание водоносных горизонтов. На территории депрессионных воронок резко снижается поверхностный сток рек.
Водные ресурсы России в 2005 году составляли 4291 км3. (1999 г. – 4 310 км3). В России находится 20% мировых запасов пресной воды. Средняя обеспеченность водой речного стока каждого жителя России – около 31 тыс. м3 год.
При среднем потреблении воды в России 272 л в сутки на человека в Москве этот показатель – 539. В европейских странах норма значительно ниже – от 120 до 150 литров.
В целом по России на питьевые и хозяйственные нужды забирается 3% водных ресурсов, из которых 2/3 сбрасывается назад в виде сточных вод.
Конец ознакомительного фрагмента.