Как образовалась гидросфера кратко

Обновлено: 02.07.2024

Прилетела на метеорите, появилась после Большого взрыва или была с нами всегда — вода теоретически добиралась до Земли разными путями. Разбираемся, каким способом она могла попасть на нашу планету много лет назад.

Вода была на Земле изначально

В 2015 году исследователи из Университета Глазго изучили древнейшие породы Земли с канадского острова в Арктике и выяснили, что вода существовала на поверхности нашей планеты всегда.

Исследователи изучали фрагменты земли с инклюзиями — это маленькие кристаллические образования из тугоплавких пород, сформировавшиеся на заре жизни Солнечной системы, примерно 4,5-4,4 млрд лет назад. Это значит, что они никогда не покидали недр Земли и не перемешивались с другими породами и, соответственно, содержат в себе первичную материю нашей планеты.

Во время анализа исследователи нашли в молекулах воды мало атомов дейтерия, тяжелого водорода. Это значит, что жидкость попала на Землю не после того, как она сформировалась и охладилась, а вместе с пылью, из которой была образована наша планета. Большая часть воды в этой пыли испарилась, но ее остатков хватило для формирования океанов.

В 2015 году исследователи из университета Глазго изучили древнейшие породы Земли с канадского острова в Арктике и выяснили, что вода существовала на поверхности нашей планеты всегда.

Попала на Землю на метеорите, упавшем на Землю

Теория состоит в том, что воду на Землю занесли метеориты, существовала давно, но была проблема в недостатке доказательств. Ее суть — изначально наша планета была сухой, а потом на нее начали падать кометы и астероиды, содержащие воду. Эти тела называют углеродистыми хондритами — они богаты водными минералами.

Но была проблема — химический состав хондритов не совпадает с составом горных комплексов Земли. Также хондриты, образованные во внешней части Солнечной системы, с небольшой вероятностью могли попасть на нашу планету.

Есть другая группа метеоритов — энстатитовые хондриты — она гораздо ближе по химическому составу к земным породам, а также включает в себя аналогичные изотопы (типы) кислорода, титана и кальция. Именно они могли составлять внешнюю часть Земли и других планет. Но и тут есть проблема — эти небесные тела образовались недалеко от Солнца, поэтому не могли быть богаты водой.

Чтобы выяснить внеземные механизмы образования воды, исследователи из Center de Recherches Petrographiques et Geochimiques применили масс-спектрометрию и изучили количественное содержание водорода в 13 энстатитовых хондритах. Они выяснили, что в этом материале содержится достаточное количество водорода, которое в общей сложности в три раза больше объема всех земных океанов. Кроме этого, их изотопный состав совпадает с 95% воды на Земле.

Вода могла появиться после Большого взрыва

Возраст водорода можно сравнить с возрастом Вселенной: его атомы появились, как только окружающая температура впервые упала настолько, что смогли существовать протоны и электроны. С тех пор водород уже 14,5 млрд лет остается самым распространенным элементом Вселенной и по массе, и по числу атомов. Облака газа, состоящие в основном из водорода, заполняют весь космос.

Звезды содержат огромное количество воды

В 2015 году примерно в 12 млрд световых лет от нашей планеты исследователи обнаружили квазар APM 08279+5255 с черной дырой, окруженный крупнейшим запасом воды, который когда-либо находили астрономы. Объем жидкости в 140 трлн раз больше, чем тот, что содержится на Земле.

Это открытие — еще одно доказательство наличия огромных запасов воды во Вселенной, причем не только на планетах. Эти запасы появились на самой заре существования — возраст найденного образования оценивается в 1,6 млрд лет.

Вода есть и вокруг звезд

Еще есть вода, которая находилась в порождающем звезду облаке газа. Она переходит в вещество протопланетного диска и объектов, которые формируются из него, — планет и астероидов. На исходе жизни звезды взрываются и на их месте остаются туманности, в которых появляются новые звезды.

Где еще есть вода?

Однозначного ответа на то, откуда на Земле появилась вода, нет. Пока астрономы изучают все теории ее массового появления на нашей планете, так как путей распространения огромное множество. Но уже известно наверняка, что это не уникальная жидкость, она встречается на совершенно разных небесных телах, поэтому, вероятно, это был многоступенчатый процесс.

Проблема происхождения воды и формирования гидросферы, несмотря на довольно высокий современный уровень развития наук о Земле, до сих пор является наименее разработанной. Существует множество гипотез происхождения воды и развития гидросферы, но ни одна из них не вышла из стадии рабочей гипотезы, накопления, предварительной систематизации и обобщения материалов.

Все гипотезы условно можно объединить в две большие группы:

1) теллурического происхождения;

2) космического происхождения воды.

2.2 Водные ресурсы планеты

Нижняя граница гидросферы принимается на уровне поверхности мантии (поверхности Мохоровичича), а верхняя проходит в верхних слоях атмосферы. Гидросфера включает в себя Мировой океан, воды суши (реки, озера, болота, ледники), атмосферную влагу, а также подземные воды, залегающие всюду на материках, на дне озерных и морских впадин и под толщей вечных льдов.

Таким образом, являясь частью географической оболочки, гидросфера охватывает весь комплекс земных оболочек. Гидросфера непрерывна, как непрерывны лито- и атмосфера, и едина. Ее единство заключается в общности происхождения всех природных вод из мантии Земли, в единстве их эволюции, взаимосвязи всех видов вод и способности перехода одного вида вод в другой, в единстве их функций в природе (обмен веществами и энергией).

Мировые запасы воды на Земле колоссальны. Общий объем гидросферы по последним данным (таблица 2.1) составляет около 1390 млн. км 3 . Если все воды гидросферы равномерно распределить по поверхности Земли, слой ее будет иметь толщину около 2,5 км.

Предполагается, что это количество воды в течение геологического времени практически остается неизменным, несмотря на продолжающее

Таблица 2.1 – Мировые запасы воды

Части гидросферы	Площадь распространения, млн. км 2	Объем воды, тыс. км 3	Слой воды, м	Доля в мировых запасах, %
От общих запасов воды	От запасов пресной воды
Мировой океан	361,26	1340,74	96,49	–
Подземные воды (гравитационные и капиллярные)	134,73	23,40	1,68	–
Преимущественно пресные подземные воды	134,73	10,53	0,76	29,39
Почвенная влага	82,00	0,02	0,24	0,001	0,06
Ледники и постоянно залегающий снежный покров В том числе:	16,23	24,87	1,79	69,41
В Антарктиде	13,98	22,41	1,61	62,55
В Гренландии	1,80	2,34	0,17	6,53
На Арктических островах (Канадский Арктический архипелаг, Новая земля, Северная земля, Земля Франца-Иосифа, Шпицберген, малые острова)	0,23	0,08	0,006	0,22
В горный районах за пределами Арктики и Антарктики	0,22	0,04	0,003	0,11
Подземные льды зоны многолетнемерзлых пород	21,00	0,30	0,022	0,84
Запасы воды в озерах В том числе:	2,06	0,18	0,013	–
В пресных	1,24	0,09	0,0065	0,25
В соленых	0,82	0,09	0,0065	–
Воды болот	2,68	0,01	3,73	0,0007	0,03
Воды в руслах рек	148,84	0,002	0,013	0,0001	0,006
Биологическая вода (вода, содержащаяся в живых организмах и растениях)	510,10	0,001	0,002	0,0001	0,003
Вода в атмосфере	510,10	0,01	0,02	0,0007	0,03
Общие запасы воды	510,10	1389,53	–
Пресные воды	148,84	35,83	2,58

Примечание. Расчет запасов подземных вод выполнен по отдельным континентам без учета запасов подземных вод в Антарктиде, ориентировочно оцениваемых в 2 млн. км 3 , в том числе преимущественно пресных – около 1млн. км 3 .

Рисунок 2.1 – Водные ресурсы Земли (·10 6 км 3 ), по [3]

поступление воды из мантии и из Космоса (ледяные ядра комет, метеорное вещество, пыль. ) и потери ее за счет разложения воды фотосинтезом и диссипации легких газов в Космосе. Однако соотношение отдельных ее видов, перечисленных в таблице 2.1, нельзя считать постоянным и абсолютно точным. Оно менялось в разные периоды жизни Земли. Имеющиеся в литературе данные [3] о соотношении частей гидросферы несколько различаются (рисунок 2.1).

В современную эпоху основные запасы воды сосредоточены в Мировом океане (96,5 %). Пресных вод в гидросфере всего 2,58 % от общих запасов воды. Больше всего пресных вод содержится в ледниках и снежном покрове Антарктиды, Арктики и горных стран (1,78 % объема гидросферы или 69,3% от запасов пресных вод на Земле). Если весь лед равномерно распределить по поверхности земного шара, он покроет ее слоем в 53 м, а если растопить эти массы льда, то уровеньлед равномерно распределить по поверхности земного шара, он покроет ее слоем в 53 м, а если растопить эти массы льда, то уровень океана повысится на 64 м. Ледники занимают особое место в круговороте воды на Земле, т.к. они сохраняют влагу в твердом состоянии на много лет. В среднем, снежинка, выпавшая на ледник, покоится там более 8000 лет, прежде чем вновь превратится в воду и попадет в активный круговорот воды.

Громадные запасы воды аккумулированы в литосфере. Доля пресных подземных вод от общего запаса пресных вод на Земле составляет 29,4 %. На долю рек приходится 0,006 %, пресных озер – 0,25 %, на воду, содержащуюся в атмосфере, – 0,03 % общего количества пресных вод. На долю пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится 4,2 млн. км 3 , или всего лишь 0,3 % объема гидросферы.

Интересен тот факт, что самым большим хранилищем поверхностных пресных вод является озеро Байкал, где содержится 1/5 всех мировых запасов поверхностных пресных вод мира. Сказанное можно подкрепить и другим примером. Если допустить, что запасы воды будут изъяты из озера, то заполнение освободившегося объема озера всеми впадающими реками произошло бы только за 250-300 лет при условии, что вода из озера не расходовалась бы на сток и испарение.

Важнейшие свойства воды

Вода – одно из самых удивительных соединений на Земле – давно уже поражает исследователей необычностью многих своих физических свойств:

1) Неисчерпаемость как вещества и природного ресурса; если все другие ресурсы земли уничтожаемы или рассеиваемы, то вода как бы ускользает от этого, принимая различные формы или состояния: кроме жидкой – твердую и газообразную. Это единственное вещество и ресурс такого типа. Это свойство обеспечивает вездесущность воды, она пронизывает всю географическую оболочку Земли и производит в ней разнообразную работу.

2) Присущее только ей расширение при затвердевании (замерзании) и уменьшение объема при плавлении (переходе в жидкое состояние).

4) При плавлении (таянии) лед плавает на поверхности воды (в отличие от других жидкостей).

5) Аномальное изменение плотности воды влечет за собой такое же аномальное изменение объема воды при нагревании: с возрастанием температуры от 0 до 4 °С объем нагреваемой воды уменьшается и только при дальнейшем возрастании начинает увеличиваться. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность и объем воды изменялись так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0 °С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0 °С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно, и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

6) Переход воды из одного состояния в другое сопровождается затратами (испарение, таяние) или выделением (конденсация, замерзание) соответствующего количества тепла. На таяние 1 г льда необходимо затратить 677 кал, на испарение 1 г воды – на 80 кал меньше. Высокая скрытая теплота плавления льда обеспечивает медленное таяние снега и льда.

7) Способность относительно легко переходить в газообразное состояние (испаряться) не только при положительных, но и при отрицательных температурах. В последнем случае испарение происходит минуя жидкую фазу – из твердой (льда, снега) сразу в парообразную. Такое явление носит название – сублимация.

8) Если сравнить температуру кипения и замерзания гидридов, образованных элементами шестой группы таблицы Менделеева (селена H₂Se, теллура Н₂Те) и воды (Н₂О), то по аналогии с ними температура кипения воды должна быть порядка 60 °С, а температура замерзания – ниже 100° С. Но и здесь проявляются аномальные свойства воды – при нормальном давлении в 1 атм. вода кипит при +100 °С, а замерзает при 0 °С.

9) Громадное значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью, в 3000 раз большей, чем воздух. Это значит, что при охлаждении 1 м 3 воды на 1 0 С на столько же нагревается 3000 м 3 воздуха. Поэтому, аккумулируя тепло, Океан оказывает смягчающее влияние на климат прибрежных территорий.

10) Вода поглощает тепло при испарении и таянии, выделяя его при конденсации из пара и замерзании.

11) Способность воды в дисперсных средах, например в мелкопористых почвах или биологических структурах, переходить в связанное или рассредоточенное состояние. В этих случаях очень сильно меняются свойства воды (ее подвижность, плотность, температура замерзания, поверхностное натяжение и другие параметры), крайне важные для протекания процессов в природных и биологических системах.

12) Вода – универсальный растворитель, поэтому не только в природе, но и в лабораторных условиях идеально чистой воды нет уже по той причине, что она способна к растворению любого сосуда, в который заключена. Есть предположение, что поверхностное натяжение идеально чистой воды было бы таковым, что по ней можно было бы кататься на коньках. Способность воды к растворению обеспечивает перенос веществ в географической оболочке, лежит в основе обмена веществами между организмами и средой, в основе питания.

13) Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое высокое поверхностное давление и поверхностное натяжение: = 75·10 -7 Дж/см 2 (глицерин – 65, аммиак – 42, а все остальные – ниже 30 ·10 -7 Дж/см 2 ). В силу этого капля воды стремится принять форму шара, а при соприкосновении с твердыми телами смачивает поверхность большинства из них. Именно поэтому она может подниматься вверх по капиллярам горных пород и растений, обеспечивая почвообразование и питание растений.

14) Вода обладает высокой термической устойчивостью. Водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород только при температуре выше 1000 °С.

15) Химически чистая вода является очень плохим проводником электричества. Вследствие малой сжимаемости в воде хорошо распространяются звуковые и ультразвуковые волны.

16) Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и температуры. Так, при росте давления температура кипения воды повышается, а температура замерзания, наоборот, понижается. С повышением температуры уменьшаются поверхностное натяжение, плотность и вязкость воды и возрастают электропроводность и скорость звука в воде.

Аномальные свойства воды вместе взятые, свидетельствующие о чрезвычайно высокой ее устойчивости к воздействию внешних факторов, вызваны наличием дополнительных сил между молекулами, получивших название водородных связей. Суть водородной связи сводится к тому, что ион водорода, связанный с каким-то ионом другого элемента, способен электростатически притягивать к себе ион того же элемента из другой молекулы. Молекула воды имеет угловое строение: входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находится два протона, а в вершине – ядро атома кислорода (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Строение молекулы воды

Из имеющихся в молекуле 10 электронов (5 пар) одна пара (внутренние электроны) расположена вблизи ядра кислорода, а из остальных 4 пар электронов (внешних) по одной паре обобществлено между каждым из протонов и ядром кислорода, тогда как 2 пары остаются неопределенными и направлены к противоположным от протонов вершинам тетраэдра. Таким образом, в молекуле воды имеется 4 полюса зарядов, расположенных в вершинах тетраэдра: 2 отрицательных, созданных избытком электронной плотности в местах расположения неподеленных пар электронов, и 2 положительных, созданных ее недостатком в местах расположения протонов.

Вследствие этого молекула воды оказывается электрическим диполем. При этом положительный полюс одной молекулы воды притягивает отрицательный полюс другой молекулы воды. В результате получаются агрегаты (или ассоциации молекул) из двух, трех и более молекул (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Образование диполями воды ассоциированных молекул:

Следовательно, в воде одновременно присутствуют одиночные, двойные и тройные молекулы. Содержание их меняется в зависимости от температуры. Во льду содержатся, в основном, тригидроли, объем которых больше моногидролей и дигидролей [4]. При повышении температуры скорость движения молекул возрастает, силы притяжения между молекулами ослабевают, и в жидком состоянии вода – это смесь три-, ди- и моногидролей. С дальнейшим увеличением температуры тригидрольные и дигидрольные молекулы распадаются, при температуре 100 °С вода состоит из моногидролей (пар).

Существование неподеленных электронных пар определяет возможность образования двух водородных связей. Еще две связи возникают за счет двух водородных атомов. Вследствие этого каждая молекула воды в состоянии образовать четыре водородные связи (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Водородные связи в молекулах воды:

– обозначение водородной связи

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей. Этим объясняется высокая теплоемкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрушаются при переходе воды в пар.

Удивительные свойства воды позволили возникнуть и развиться жизни на Земле. Благодаря им вода может играть незаменимую роль во всех процессах, совершающихся в географической оболочке.

Вода - основа земной жизни. 70% Земли покрыто водой в жидком или замерзшем виде, 62% человеческого тела состоит из воды и 50% тел всех живых существ. Но каждый день, потребляя воду в неимоверных количествах, мы не задумываемся, как нам повезло - получить воду.

Ведь вода на планете - это шанс из миллиона, настоящее чудо Вселенной. Посмотрим, как вода появилась на Земле.

Вода со звезд

Н2O - два атома водорода и один атом кислорода, формула воды. Вода - третья по численности молекула во Вселенной после газообразного водорода (H2) и окиси углерода (CO). Все они рождаются в недрах пылающих звезд, что выпаривают элементы таблицы Менделеева в своих ядерных печках.

А когда звезды взрываются, элементы летят в космос и спариваются в сложные цепочки, рождая новые.Так появилась и вода во Вселенной. В наличии воды в космосе удивительного нет, она повсюду в межпланетном пространстве. Но в замерзшем виде, эта вода разбросана на тысячи световых лет. Откуда же моря и океаны Земли?

В предыдущих главах мы видели, как родилась Земля. Взрыв сверхновой звезды, рождение Солнца и огромные космические строительные куски - планетозимали, столкнулись друг с другом и встали на своих местах планетами Солнечной системы. Среди них была и Земля, но вода не могла появиться на ней в первые миллионы лет детородного пекла.

Кометы

Падая вместе с остальными элементами, вода мгновенно выпаривалась жарой высоких температур юной Земли и улетала в космос без остатка, ведь атмосферы нет и воду планете не задержать. Но шло время, молодая планета прекращала корчиться жаркими родовыми муками и остывала.

Но без атмосферного щита астероиды и кометы продолжали безнаказанно бомбардировать юную Землю ковровыми бомбардировками. Они разлетались на куски, оставляя планете принесенный строительный материал погибших звезд.

Астероиды и кометы содержат застывшую воду и больше всего льда на кометах. Вспомните знаменитые газовые хвосты комет, это испаряется космический лед в лучах Солнца.

Земля остыла, вода упавших комет и астероидов уже не исчезает в пекле. Вода остается на Земле, лед тает, превращаясь в жидкую воду доисторического океана. Это первое чудо Земли - космическая вода попала и задержалась на планете.

Второе чудо

А затем произошло второе земное чудо. Дело в том, что вода так попала на все планеты Солнечной системы при рождении. Что же случилось с водой?

Венера - вторая от Солнца. Ее называют сестрой Земли, так похожа она на нашу планету по строению. Но близость к Солнцу так разогрело Венеру, что океаны молодой планеты просто испарились, а водяной пар был унесен солнечным ветром в космос.

Сегодня Венера - это 472 градуса тепла на поверхности и непроницаемые облака серной кислоты и углекислого газа над ними.

Нептун - последняя планета, самая дальняя от Солнца. Солнце не смогло разогреть его, и Нептун промерз до самого ядра вместе с водой и попавшими на него строительными элементами. Как закоченевшая роза в морозильнике, Нептун теперь никогда не вернется к жизни.

На ледяном гиганте Нептун царит метан, там минус 200 градусов круглый год и со скоростью 600 км/ч носятся аммиачные ураганы.

Чудо Земли в том, что она оказалась на идеальной третьей солнечной орбите. Солнце греет ровно столько, сколько требуется для формирования жидкой воды, пригодной для жизни .

Так на нашей планете два космических чуда породили воду. А может и не чудо вовсе это, а рука Бога?

Е.В. Логинова, П.С. Лопух
Гидроэкология: курс лекций
Минск: БГУ, 2011.– 300 с.

2.4. Происхождение воды и гидросферы

Существует шесть гипотез появления воды на земном шаре.

Пространство вокруг Земли все более заполнялось газами, которые непрерывно извергались из трещин остывающей коры. По мере охлаждения пары образовывали облачный покров, плотно окутавший нашу планету. Когда температура в газовой оболочке упала настолько, что влага, содержащаяся в облаках, превратилась в воду, пролились первые дожди. Тысячелетие за тысячелетием низвергались дожди. Они-то и стали тем источником воды, которая постепенно заполнила океанические впадины и образовала Мировой океан.

Согласно этой гипотезе вода содержалась уже в той первичной материи, из которой сложилась наша Земля. Подтверждением такой возможности является наличие воды в падающих на Землю метеоритах.

Под действием давления пар выжимался в верхние слои мантии, а затем и в кору Земли. В коре более низкие температуры стимулировали химические реакции между минералами и водой, в результате разрыхления пород, образовались трещины и пустоты, которые немедленно заполнялись свободной водой. Под действием давления воды трещины раздавались, превращались в разломы, и вода через них устремлялась на поверхность. Так возникли первичные океаны.

В пользу приведенной гипотезы свидетельствует резкое возрастание скорости сейсмических волн на глубине 15–20 км, т. е. как раз там, где должна пролегать граница предполагаемого раздела между гранитом и поверхностью рассола, граница резкого изменения физико-химических свойств вещества.

Расчеты, выполненные Хойлом, подтверждают возможность образования земных океанов из ледяных дождей, для чего потребовалось всего несколько миллионов лет.

Пятая гипотеза, как и четвертая, предполагает космическое происхождение воды, но из других источников. Дело в том, что на Землю из глубин космоса непрерывно низвергается ливень электрически заряженных частиц. И среди этих частиц изрядную долю составляют протоны – ядра атомов водорода. Пронизывая верхние слои атмосферы, протоны захватывают электроны и превращаются в атомы водорода, которые тут же вступают в реакцию соединения с кислородом атмосферы. Образуются молекулы воды. Расчет показал, что космический источник такого рода способен дать почти 1,5 т воды в год, и эта вода в виде осадков достигает земной поверхности.

Доказательствами существования некогда единого материка является не только подобие береговых линий, но также сходство флоры и фауны, сходство геологических структур побережий.

Океанов не существовало. И вот на границе протерозоя и мезозоя (250–300 млн. лет назад) Земля начала расширяться. Единый материк дал трещины, которые, наполнившись водой, превратились в океаны.

Однако по мере уплотнения пылевого облака происходило его гравитационное сжатие, и давление внутри прото-Земли возрастало. Соответственно росла и степень поглощения водорода металлами группы железа. Сжатие порождало антипод давления – разогрев. А так как наибольшему сжатию подвергались центральные области образовавшейся планеты, то там стремительнее росла и температура.

И вот на какой-то стадии разогрева, когда температура в ядре Земли достигла определенного критического значения (переход количественного роста в новое качественное состояние!), начался обратный процесс – выделение водорода из металлов.

Таким образом, дегазация водорода сопровождалась расширением Земли. Между тем водород, пронизывая огромную толщу планеты, захватывал по пути атомы кислорода, и на поверхность ее вырывались уже пары воды. Конденсируясь, вода заполняла разломы в коре. Постепенно образовались океаны.

Читайте также: