Распределение воды в биосфере, значение воды в жизни человека
Гидросфера – водная оболочка планеты, состоит из вод океанов, морей, озер, рек, болот, снежников, ледников подземных вод, а также вод атмосферы и живых организмов. Ученые оценивают объем вод Мирового океана 1370 млн. км3, подземных вод – в 60,0 млн. км3 (в толще до 5 км), льдов и снежников – в 24 млн. км3, поверхностных вод суши – в 0,3 млн. км3, в атмосфере содержится 0,014 млн. км3, а в живых организмах – 0,05 тыс. км3. Всего 2 % от общих ресурсов гидросферы составляют пресные воды (36). Основные запасы этих вод сосредоточены в полярных шапках льда. Наибольшая глубина океана составляет 11022 м (Марианский желоб в Тихом океане). Предполагают, что в жидкой фазе вода присутствует в недрах только до глубин 10 – 12 км, глубже она находится в парообразном и химическом состоянии; в атмосфере вода встречается до высоты 10 – 18 км, причем с высотой количество влаги резко снижается; в Антарктиде мощность ледяного покрова достигает 4 км.
По мнению выдающегося геохимика А. Е. Ферсмана, вода является самым важным минералом на Земле, без которого нет жизни.
Вода обладает большой теплоемкостью, является хорошим растворителем и участвует в биологическом круговороте вещества. Для многих живых организмов она служит средой обитания. Моря и океаны накапливают тепло, поглощая энергию Солнца, определяют климат и изменение погоды. Платон (448 или 447 до н. э. – 348 или 347 до н. э.) считал воду наряду с огнем, землей и воздухом одним из четырех начал всего существующего на Земле. Вода – это сама жизнь, в живых организмах она участвует в процессах обмена, обеспечивая их нормальное развитие. На долю воды приходится 60 – 80 % массы человеческого тела. При потере 12 % воды у человека останавливается сердце, а потеря в 6 – 8 % вызывает обморок. Морковь содержит 90 % воды, а огурцы – более 95 %.
Вода является уникальной природной жидкостью, имеющейся в большом количестве на Земле, она присутствует в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном и обладает рядом особенностей, обусловленных ее молекулярным строением. Вся вода в гидросфере находится в непрерывном круговороте "океан – атмосфера – суша – океан" с различной скоростью водообмена. Речные воды меняются 32 раза в год, подземные – один раз в 5000 лет. Из мирового океана в атмосферу испаряется ежегодно около 505 тыс. км3 воды, основная часть ее (458 тыс. км3) попадает в океан в виде осадков, а 47 тыс. км3 переносится ветром и выпадает на поверхность континентов [67].
Роль гидросферы в развитии земли исключительно велика. Во-первых, на начальном этапе развития Земли гидросфера выполняла защитные функции и смягчала теплые и холодные импульсы, действующие на планету. Во-вторых, в связи с постоянным круговоротом воды гидросфера стала глобальной транспортной системой, формирующей поверхность земли в процессе эрозии, и переносящей растворенные вещества и органику. В-третьих, гидросфера стала глобальным аккумулятором органических и неорганических веществ, переносящих реками и атмосферными потоками и образующихся в водоемах.
С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к простому явлению физического испарения добавились более сложные процессы, связанные с жизнедеятельностью живых организмов. В глобальный круговорот воды (гидрологический цикл) в биосфере входят три основных потока: осадки, испарения, влагоперенос. Поверхностный сток и поток грунтовых вод поступают с суши в океан. В атмосферу вода возвращается, испаряясь. Значительный вклад в этот процесс вносит транспирация – физиологическое испарение воды растениями, (см. 1.7.5).
В расчете на шестимиллиардное население Земли потребность в водных ресурсах определяется на конец ХХ в. следующим образом (в км3): ирригация 7000, промышленность 1700, бытовые нужды 600, разбавление сточных вод 9000, другие виды потребления 400 (итого 18700). Это количество составляет более трети мировых запасов пресной воды. Ресурсы пресных вод в бывшем СССР оцениваются в 4384 км3/год, а единовременные объемы воды в реках составляют 475 км3. Значительные запасы (3000 км3) сосредоточены в болотах Западной Сибири и северо-востока европейской части России. Болота являются природными аккумуляторами и осветлителями влаги, регуляторами гидрологического режима не только водных бассейнов, но и регионов в целом. Значительную часть водных ресурсов бывшего СССР составляют воды озер. В самых крупных из них сосредоточено до 26000 км3 воды, в том числе 23000 км3 – в Байкале [66].
Дефицит воды во всем мире, и в РФ в частности, связан с неравномерным распределением водных ресурсов. На территории, например, Азовско-Черноморского и Каспийского бассейнов (9 % общего речного стока), размещено 65 % производственного потенциала РФ и проживает 80 % населения. На сибирские реки, протекающие по наименее населенным и освоенным регионам, приходится более половины годового стока РФ в Ледовитый океан, а южные и западные районы страны – 18 % всех видов водных ресурсов [81].
Количество воды в водоемах суши устойчиво уменьшается, но уровень Мирового океана повышается на 1,2 мм в год. Причинами этого является вырубка лесов, осушение болот, "парниковый эффект".
По данным ООН, 23 % городских и 80 % сельских жителей не обеспечены питьевой водой удовлетворительного качества при общем уровне суточного потребления порядка 50 млрд. т, что в несколько раз превосходит объемы годовой добычи всех остальных полезных ископаемых в мире [52].
С учетом антропогенного воздействия круговорот воды в биосфере можно представить в виде испарения ее с поверхности гидросферы и суши, использования на бытовые и промышленные нужды и возврата в гидросферу в виде осадков и стоков (рисунок 2.4).
При этом возвращаемая вода загрязняется: атмосферные осадки получают загрязнения из атмосферы в виде вымываемых из воздуха загрязнителей (полютантов) и особенно после смыва загрязнителей при стекании по городским улицам, промышленным площадкам; городские сточные воды, загрязненные фекалиями, моющими средствами (детергентами), микроорганизмами, в том числе патогенными; промышленные сточные воды представляют собой большой комплекс загрязненных различными компонентами жидких отходов, таких как реакционные воды, загрязненные продуктами реакции и исходными веществами; свободные и связанные воды, содержащиеся в сырье; промывные воды после промывками сырья, оборудования; водные экстрагенты и абсорбенты; охлаждающие воды; бытовые воды из прачечных, душевых, столовых и др.; атмосферные стоки с территорий промышленных предприятий; сельскохозяйственные стоки, содержащие ядохимикаты, удобрения, органику, мочевину, азот, фосфор.
Основными причинами возникновения водного дефицита и сокращения эксплуатационных ресурсов воды стали расточительство и загрязнение поверхностных и подземных вод. Кроме того, в процессе промышленного и сельскохозяйственного производства человек изменяет химический состав исходных естественных веществ, создавая химические соединения, не встречающиеся ранее в природе (ксенобиотики). В природную среду все время поступает не только отходы производства, но и различные элементы, входящие в состав продукции. В природе водоемы загрязняются опавшей листвой деревьев, взвешенными частицами, образующимися во время бурных паводков, отмирающей водной растительностью. Загрязнители естественного происхождения довольно быстро биологически разлагаются и всегда присутствуют как нормальные компоненты экосистемы. Однако природные экосистемы не подготовлены к переработке и биохимическому разложению техногенных загрязнителей.
Рисунок 2.4 - Схема загрязнения гидросферы и круговорота воды
2.2.2 Загрязнение водных ресурсов
Различают следующие виды загрязнений природных вод: минеральное, органическое, биологическое, тепловое, радиоактивное, твердыми отходами (мусором).
Минеральное загрязнение воды развивается при оврагообразовании, при абразии (лат. abrasio – соскабливание, разрушение берегов, морей, озер, волнами) берегов морей, рек, озер, при водной эрозии поверхности земли. В водоемы поступают песок, глина, ил, вследствие чего они мелеют, а также минеральные соли, кислоты и щелочи.
Органическое загрязнение вод вызывают нефть, бензин, масла, органические соединения, различные растительные и животные остатки. Источниками такого загрязнения служат автопредприятия, нефтяная и газовая промышленность, сточные воды кожевенной, целлюлозно-бумажной, мясомолочной, консервной и легкой промышленности, предприятия строительной индустрии, практически все виды транспорта, остатки растений, растительного масла, остатки живого вещества и др.
Биологическое загрязнение возникает под действием бактерий, вирусов и грибков, при зарастании водоемов водорослями, при попадании в водоемы коммунально-бытовых вод, стоков кожевенных предприятий, боен, животноводческих комплексов и т. д. Такое загрязнение нередко становится причиной развития инфекционных заболеваний.
Тепловое загрязнение появляется при использовании воды в качестве охладителя. При повышении температуры снижается содержание в воде кислорода, что ведет к размножению анаэробных бактерий, выделению сероводорода, метана и других ядовитых веществ, отравляющих все живое. Тепловое загрязнение усиливает биологическое.
Радиоактивное загрязнение вызывается испытаниями термоядерного оружия, радиоактивными отходами предприятий и атомных электростанций, использующих речную воду в качестве охладителя реакторов. Захоронение радиоактивных отходов в океанических впадинах является причиной радиоактивного загрязнения вод океана.
Загрязнение твердыми отходами (мусором) может быть результатом деятельности различных предприятий. Простейшие животные и микробы используют многие отходы в пищу и перерабатывают небольшое их количества. Стекло, пластмассы, дерево, резина и некоторые другие вещества не поддаются разложению.