Две основные гипотезы, объясняющие происхождение воды на Земле. Происхождение Мирового океана и формирование его солевого состава. Запасы воды на Земле. Процесс общего влагооборота: испарение, осадки, перенос влаги массами воздуха и речной сток.
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Размещено на http://www.allbest.ru
Министерство образования и науки российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Кафедра биохимии и физиологии
«Происхождение и запасы воды на Земле»
Молодая Земля в катархее была лишена как гидросферы, так и плотной атмосферы. Поэтому естественно предположить, что эти внешние и весьма подвижные геосферы возникли на Земле только благодаря ее дегазации, которая могла начаться лишь после возникновения в недрах процессов дифференциации земного вещества и появления первых признаков эндогенной тектономагматической активности на поверхности около 4 млрд лет назад. Следует ожидать также, что дегазация Земли, а точнее, ее мантии существенно зависела не только от тектонической активности, определяемой интенсивностью конвективных движений в мантии, но и от ее химического состава.
В протерозое и фанерозое после окончания процесса формирования земного ядра понятия “конвектирующая мантия” и просто “мантия Земли” полностью совпадают. Но в архее это было не так. Под конвектирующей мантией в архее будем понимать только участки земной оболочки, прошедшие дифференциацию (перекрывающие зоны сепарации железа и его окислов в земных недрах) и охваченные конвективными течениями. В раннем архее конвектирующая мантия была еще сравнительно тонкой, но постепенно увеличивалась по массе, скорее всего, существовала в виде кольцевой геосферы под экваториальным поясом Земли. Только к концу архея она превратилась в полностью сферическую оболочку.
1.Происхождение Мирового океана и формирование его солевого состава
Существуют две основные гипотезы, объясняющие происхождение воды на Земле:
Согласно одной из них, так называемой гипотезе «холодного» начала, гидросфера образовалась при нагреве и расплавлении первичного холодного пылевого облака.
Гипотеза «горячего» начала предполагает, что первоначально Земля состояла из вещества, нагретого до высокой температуры. Охлаждаясь, первичное вещество разделилось на жидкую и газообразную фазы, а дальнейшее понижение температуры привело к выделению из газообразной фазы гидросферы и атмосферы.
Какой же из двух гипотез отдать предпочтение? Пытаясь найти ответ на этот вопрос, ученые сравнивают состав воды, горных пород Земли и космических объектов.
Происхождение воды на Земле представляет интерес не только для понимания эволюции нашей планеты и жизни на ней, но в еще большей степени для возможного освоения других планет в пределах нашей солнечной системы и открытия других планетных систем нашей Галактики. Океаны Земли в настоящее время занимают около 70 процентов поверхности планеты. Существует все больше доказательств того, что на других планетах когда-то были океаны. Например, ученые предполагают, что океан жидкой воды присутствуют под поверхностью Европы, спутника Юпитера. Земле примерно 4,5 миллиарда лет. Решением вопроса происхождения воды на Земле и других планетах ученые занимаются уже давно. И есть несколько правдоподобных объяснений происхождения наших океанов.
Земля и все планеты в Солнечной системе формируются примерно в одно и то же время. В качестве одной из четырех планет земной группы, Земля состоит в основном из горных пород. Во время аккреции пыльных сгустков, сформировавших Землю, количество воды в этом газопылевом облаке было небольшим. Это объясняется высокими температурами из-за непосредственной близости к нашей звезде.
Некоторые ученые считают, что небольшое количество воды могло бы быть включено в камни и пыль, которая в конечном итоге стала нашей планетой. Просто, сколько воды было в первичном материале остается неясным. Вулканическая активность на Земле выпустила эту воду в атмосферу.
Однако воды в ранней атмосфере было не много, так как в процессе фотодиссоциации, под действием мощного ультрафиолетового излучения Солнца, вода распадалась на кислород и водород. Водород поднимался высоко в атмосферу и уходил в космос, так как это легкий элемент и преодолевает гравитационное притяжение Земли легко. Следовательно, это не объясняет происхождение воды на Земле, что побудило ученых искать другие источники воды.
Кометы в отдаленных регионах Солнечной системы содержат большое количество воды. Они также имеют высокие эллиптические орбиты, которые часто приносят их во внутреннюю солнечную систему. Иногда они пересекаются с орбитой Земли и сталкиваются с ней. Астрономы изучили, по крайней мере, три известных кометы — комету Галлея, комету Хиякутаке и комету Хейла-Боппа, и они заметили одну общую для всех закономерность. В этих кометах, процент дейтерия (форма водорода с двойной массой нормального водорода) в два раза выше, чем в среднем в морской воде Земли.
Пока еще не ясно, какого типа кометы сталкивались с ранней Землей. В любом случае, если Земля получила основную часть воды из комет с аналогичным составом, то можно было бы ожидать одинаковый процент дейтерия. Поэтому мы не можем в настоящее время делать какие-либо выводы о решающей роли комет в происхождении воды на Земле. На основе количества дейтерия в составе воды океанов, ученые подсчитали, что не более 10% воды на Земле произошло от столкновений с кометами. Данная теория также не может быть основной в вопросе происхождения воды на Земле.
Метеоритный материал, имеющий астероидное происхождение, также несет ответственность за поступление воды на Землю. Объекты внешней части пояса астероидов, по оценкам ученых, содержат до двадцати процентов воды. Большая масса Юпитера и его гравитационное воздействие, легко изменяет орбиты движения астероидов в поясе, выбрасывая некоторые из них по направлению к Земле. Состав астероидов в поясе различается в зависимости от их расстояния от Солнца, поэтому трудно оценить точно, сколько воды из пояса астероидов способствовало образованию океанов Земли.
Группа специалистов, изучающих изотопный состав кометного льда и метеоритного вещества, считает, что за большие запасы воды земляне должны благодарить не далекие транснептуновые кометы, а формировавшиеся между орбитами Марса и Юпитера метеориты.
Когда была открыта тяжелая поздняя бомбардировка (4,6 — 3,8 млрд лет назад, когда еще на внутренних объектах Солнечной системы формировалось большинство ударных кратеров) гипотеза метеоритно-кометного происхождения воды на Земле получила весомое подтверждение. Неизученным остается вопрос лишь о том, какие области Солнечной системы, где формировались лед и органика, внесли наибольший вклад в запасы земной воды.
Рассмотрим две наиболее популярные теории происхождения воды на земле. Во-первых, если обратить внимание на транснептуновые объекты, то запасами воды и органики Земля должна быть обязана отдаленным «выселкам», где формировались кометы. В этом случае возможен вариант происхождения какой-то части воды и органики из материала, захваченного в межзвездном пространстве на этапе происхождения протопланетного газопылевого диска.
Это предположение открывает перед учеными, занимающимися происхождением жизни, неизученные перспективы.
Во-вторых, происхождение жизни можно объяснить водой и органикой, которые были захвачены ранней Землей, происходившие из внутренних областей звездной системы. Исследовав изотопный состав гидратированных силикатов и кометного водяного льда, группа специалистов под предводительством Конела Александра из Института Карнеги в Вашингтоне, сделала выводы, которые противоречат популярной сейчас теории и подтверждают локальное астероидное происхождение органики и земной воды.
Главное, на что делался упор в исследовании, соотношение водорода и тяжелого изотопа дейтерия, с помощью которого можно высчитать, на каком расстоянии от Солнца формировались водородосодержащие объекты. В ходе эксперимента изучили изотопный состав 85 углистых хондритов и выявлено, что изотопный состав комет и хондритов различен, что противоречит сложившейся теории, описывающей формирование вещества в самой Солнечной системе.
Как показали измерения изотопный состав кометного льда и хондритов не одинаков — в гидратированных силикатах, которые входят в состав хондритов, дейтерия значительно меньше, чем в кометном льду. Полагаясь на эти данные, авторы считают, что углистые хондриты зарождались не на окраине Солнечной системы, а в области астероидного пояса между Юпитером и Марсом. Около четырех миллиардов лет назад значительная часть углистых хондритов представляла собой комки твердого вещества, который перемежается водяным льдом и замерзшими газами,- кометы и протокометные объекты. Эти «внутренние» кометы, считают исследователи, стали главным источником обводнения Земли, а не транснептуновые ледяные глыбы, мигрировавшие на внутренние солнечные орбиты под действием гравитационных возмущений, как считали исследователи раньше.
Орбитальный инфракрасный телескоп Гершель обнаружил в структуре кометы воду, которая по своему составу практически полностью идентична океанской воде на нашей планете. Ученые говорят, что это открытие говорит в пользу того, что океаны на нашей планете в прошлом могли быть летающими космическим ледяными айсбергами, обрушившимся на Землю миллиарды лет назад.
На сегодня происхождение очень больших запасов воды на Земле является темой для научных дебатов. Наша планета была сформирована в столь горячих окружающих условиях, что изначально вода должна была бы полностью испариться с ее поверхности. При этом, в наши дни 75% поверхности Земли представляет собой вода, которая, вероятно, была как-то доставлена из космоса после того, как планета успела сформироваться и остыть.
И тем не менее, до сих пор астрономы так и не находили четких свидетельств того, что кометы миллиарды лет назад были поставщиками соленой воды в земных океанах. Для того, чтобы определить происхождение воды, ученые измеряли уровни дейтерия — тяжелого изотопа водорода, присутствующего в воде. Считается, что весь дейтерий и водород во Вселенной были созданы после Большого взрыва 13,7 млрд лет назад, причем соотношение количества дейтерия к количеству водорода стабильно.
Однако в воде соотношение дейтерия и водорода различно и варьируется в зависимости от происхождения воды. Химические реакции, связанные с образованием льда в космосе, повышают шансы на более высокую или низкую концентрацию дейтерия и замещения одного из атомов водорода атомом дейтерия. Конкретные показатели соотношения зависят от конкретных условий.
Соответственно, говорят ученые, сравнивая соотношения водорода и дейтерия в океанах на нашей планете и в кометах в космосе, можно говорить о «родственности воды».
Все кометы, изученные до сих пор, имели примерно вдвое большую концентрацию дейтерия по отношению к водороду, чем в океанской воде на Земле. Следователь, если какие-то из этих комет и падали на Землю, поставляя свою воду, то и в океанах соотношения водорода/дейтерия должны были бы несколько отличаться.
Однако сейчас астрономы при помощи Гершеля изучили комету Хартли 2 при помощи специального высокоточного инструмента для удаленного химического анализа в космосе и пришли к выводу, что Хартли 2 имеет землеподобную воду в своей структуре. «В этой комете замороженный лед имеет соотношение водород/дейтерий в точности такой же, как и в океанах», — говорит Пол Харто, астрофизик из Института исследований Солнечной системы им Макса Планка в Германии.
По его словам, секрет отличия кометы Харли 2 от многих других комет в Солнечной системе заключается в месте ее рождения. Как считается, родилась она далеко за орбитой Плутона — самой далекой в системе планеты. Она родилась в Поясе Койпера, где и сейчас обитает масса комет. В то же время, большинство ранее исследованных комет зародились где-то между орбитами Сатурна и Юпитера или же были затянуты в этот регион громадной гравитацией двух этих планет-гигантов.
Специалисты из Японии выдвинули новую теорию происхождения воды на земле. Они считают, что вода, а именно ее появление на нашей планете, никак не связана с космосом. Японские ученые предположили, что на начальном этапе формирования в структуре земли находились целые водородные пласты, которые вступали в химическую реакцию с кислородом, присутствующим в земельной мантии. В результате этого взаимодействия на планете и появилась вода, причем в огромных количествах.
Сразу после формирования планета стала горячей и была крайне сухой. Участие комет и астероидов в формировании водного пространства на территории земли не исключается. Появление океанов произошло уже после окончательного формирования планеты. Именно благодаря кометам и астероидам, атаковавшим землю и приносившим воду и появились столь большие водные пространства, которые сейчас заполняют большую часть нашей планеты.
Японские ученые уверены, что вода имеет как раз таки земное происхождение. Благодаря проводимым исследованиям удалось установить, что структура природной естественной воды имеет большое количество дейтерия (тяжелого водорода). Возникновение дейтерия обусловлено протеканием реакций с водой, в результате чего небольшое количество водородных атомов получает дополнительный электрон и становится дейтерием. Именно этот фактор является свидетельством земного происхождения воды. Именно этот фактор и является подтверждением того, что вода возникла именно на земле, а не была принесена из космоса.
Утверждение, что наша планета на стадии своего формирования имела водородную атмосферу, было подтверждено в результате анализа земляной орбиты. Сегодняшняя орбита Земли, также как и Марса с Венерой округлая, однако раньше она была немного вытянутой, потому что солнечное притяжение не сильно действовало на планеты, недавно образованные в Солнечной системе.
Согласно теории О. Ю. Шмидта, планеты Солнечной системы образовались, из холодного газопылевого облака, захваченного некогда Солнцем. После первичных процессов преобразования вещества облака в более крупные частицы — рой метеоритов — Земля, как и все планеты, формировалась в результате агломерации холодного метеоритного вещества. Разогрев Земли, начавшийся на некоторой стадии ее формирования, обусловленный в основном радиоактивными процессами в ее недрах, привел к плавлению вещества планеты и дифференциации его на ряд оболочек.
По теории А. П. Виноградова, внешние оболочки Земли образовались в процессе зонного проплавления ее мантии. При зонном плавлении вещество планеты разделяется на легкоплавкую фазу, движущуюся к поверхности, и тугоплавкую. Легкоплавкая фаза соответствует земному базальтическому веществу, а тугоплавкая — ультраосновным породам (перидотитам и дунитам). Одновременно с процессом выплавления происходит и процесс дегазации летучих компонентов: воды, паров, газов из мантии Земли. В составе легкоплавкого вещества к поверхности планеты двигалась и вода, а вместе с ней и другие летучие компоненты.
Выход воды и газов (CO2, NH3, SO2, CH4 и др.) происходил во время вулканических извержений, сопровождая излияние базальтов. Вулканические газы на 90% состоят из воды. На каждую единицу объема излившихся базальтов приходится 20% воды. Эта вода и заполнила постепенно первичную чашу океана.
Вода — сильный растворитель пород Земли. В период зонного плавления и последующего формирования внешних оболочек, в момент обособления воды в самостоятельную фазу, где-то еще не доходя до поверхности и в период выхода на поверхность, условия для растворения вещества Земли были особенно благоприятны, и поэтому уже первичные воды океана — их называют ювенильными — были солеными с концентрацией основных элементов, близкой к современной.
Восстановление химического состава ювенильного раствора было осуществлено исходя из состава летучих компонентов в основном составном минерале Земли — хондритах. Последующий процесс формирования химического состава вод Мирового океана определялся в основном взаимодействием их с воздушной средой, дном океана, а также стоком воды с материков, разрушающей и растворяющей материалы, находящиеся на их поверхности.
Анионы в морской воде образовались за счет кислых газов, поступающих в атмосферу, и после растворения в воде осадков, выпадающих непосредственно в океан. Катионы образовались в результате разрушения кислыми растворами горных пород.
Вещества, растворяемые водой на материках и сбрасываемые речным стоком в океан, разделяются на две группы: вещества, которые гидролизуются в морской воде, коагулируют и выпадают в осадок невдалеке от береговой черты, и вещества, дающие растворимые соли, ионные и вообще хорошо растворимые соединения, распространяющиеся по всему океану. Содержание первых в морской воде меньше, чем в речной, наоборот, концентрация вторых в морской воде на несколько порядков выше концентрации их в воде речной.
Гидролизующиеся вещества содержатся в толще воды недолго, растворимые же накапливаются, и время их пребывания в водах океана соизмеримо для некоторых ионов с возрастом его. Учитывая ничтожную концентрацию их в материковом стоке, процесс накопления в океане идет настолько медленно, что содержание их в современных водах мало отличается от содержания в ювенильном растворе.
Как показывает сравнение ювенильного и современного растворов воды океанов, содержание таких элементов, как хлор и бром, со временем практически не изменилось. Больше всего изменилось — уменьшилось — содержание углерода. Следовательно, именно потерю углерода можно считать основным процессом эволюции химического состава вод Мирового океана.
М. Г. Валяшко предложил схему для описания этой эволюции. Реакция I происходила с момента возникновения океана. Реакция II — значительно позже, когда возникла жизнь на Земле, т. е. 3-3,5 млрд. лет назад. С появлением кислорода как продукта фотосинтеза совпадает наиболее интенсивное изменение и общего химического состава вод океана. Восстановительная форма существования ряда элементов заменилась окислительной. Стабилизация химического состава океана следовала за стабилизацией нового состава атмосферы. Химический состав океана оказался очень постоянным по концентрации для всех открытых областей Мирового океана и практически везде по составу солей и их весовому отношению. Есть основания считать, что это произошло не менее 1,5 млрд. лет тому назад, а возможно еще раньше.
В Мировом океане непрерывно идет сложный процесс накопления и выпадения солей, обусловленный и общими для океана и локальными процессами. Однако, все больше и больше накапливается данных, подтверждающих вывод В. И. Вернадского, считавшего химический состав океана планетной константой.
Энергия сжатия не может поступать бесконечно, так как процесс увеличения плотности Земли конечный. То же можно сказать и о химических реакциях во внутренних сферах Земли, протекающих с выделением тепла.
Первый из двух указанных источников можно также признать конечным в замкнутой системе реакций. Но приращение массы Земли за счет вещества, поступающего из Космоса, позволяет этот источник считать бесконечным, хотя и вторичным по своему генезису.
Мы остановились подробно на характеристике энергетической основы дифференциации геосфер потому, что она определяет возможность процесса выделения воды из глубоких недр Земли и его интенсивность. Таким образом, пока нет оснований предполагать значительное уменьшение энергетических ресурсов Земли, которое бы существенно замедлило подъем воды из глубоких недр Земли на ее поверхность. Согласно изложенным выше концепциям, вода есть продукт саморазвития природы внутренних сфер Земли, образующийся вследствие изменения химического состава элементарного межпланетного вещества, которое состоит в основном из простейших атомов Вселенной — атомов водорода.
2.Запасы воды на Земле и водообмен
Понятие «гидросфера» включает в себя все водные объекты на Земном шаре.
Мировой запас воды составляет около 1,46·109 км3. Он распределяется следующим образом (в тыс. км3):
Материковые оледенения 26 000
К этому приблизительно известному запасу воды необходимо добавить воду, содержащуюся во всех живых организмах, в почве, твердой оболочке Земли, ее недрах. Оценить эти запасы воды с достаточной точностью пока невозможно. 0,001% мировых запасов воды содержится в атмосфере, в основном в ее нижнем 8-10 километровом слое.
Происходит сложный влагооборот: переход воды из одного состояния в другое, перемещение из одной оболочки Земли в другую, обмен водой между организмами и средой, но количество воды, находящейся на Земле, остается постоянным. Процесс общего влагооборота очень сложен, но если пренебречь его малыми составными частями и учитывать только основные: испарение, осадки, перенос влаги массами воздуха и речной сток, то картина влагооборота значительно упростится. В этом случае годовой влагооборот на Земле будет выглядеть так (в тыс. км3):
Испарение с поверхности морей и океанов447,98
Испарение с поверхности суши72,02
Осадки над морями и океанами411,60
Как видим, количество влаги, испаряющейся с суши, меньше, чем количество выпадающих на нее осадков. Избыток влаги стекает в океаны и моря в виде речных потоков. Речной сток равен 36380 км3 в год. Необходимо также отметить, что, как видно из приведенных в таблицах, данных в годовом влагообороте участвует лишь малая доля общих запасов воды океанов и морей.
вода земля влагооборот океан
Происхождение воды на Земле представляет интерес не только для понимания эволюции нашей планеты и жизни на ней, но в еще большей степени для возможного освоения других планет в пределах нашей солнечной системы и открытия других планетных систем нашей Галактики. Кометы в отдаленных регионах Солнечной системы содержат большое количество воды. Они также имеют высокие эллиптические орбиты, которые часто приносят их во внутреннюю солнечную систему. Иногда они пересекаются с орбитой Земли и сталкиваются с ней. Метеоритный материал, имеющий астероидное происхождение, также несет ответственность за поступление воды на Землю. Если Земля получила основную часть воды из комет с аналогичным составом, то можно было бы ожидать одинаковый процент дейтерия. Поэтому мы не можем в настоящее время делать какие-либо выводы о решающей роли комет в происхождении воды на Земле.
Из теории О. Ю. Шмидта, планеты Солнечной системы образовались, из холодного газопылевого облака, захваченного некогда Солнцем. После первичных процессов преобразования вещества облака в более крупные частицы — рой метеоритов — Земля, как и все планеты, формировалась в результате агломерации холодного метеоритного вещества. Разогрев Земли, начавшийся на некоторой стадии ее формирования, обусловленный в основном радиоактивными процессами в ее недрах, привел к плавлению вещества планеты и дифференциации его на ряд оболочек.
Пока не существует подтвержденной теории и в настоящее время вопрос происхождения воды на Земле остается открытым.
1. Валяшко М. Г. Эволюция химического состава океана. — В кн. Труды конференции «Проблемы Мирового океана», — М., Изд. Моск. ун-та, 1970.
2. Виноградов А. П. Введение в геохимию океана. — М., Наука, 1967.
3. Гусев A. M. Основы океанологии. Изд. Московского университета, 1983.
4. Ильин Ю. А., Кузнецов А. А., Малинников В. А. Методика дистанционного определения потоков тепла, влаги и эффективного излучения в системе «океан-атмосфера». «Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка», 1988, № 3.
5. Кузнецов А. А., Попов Н. Н. Экспериментальные исследования микроконвекции на границе раздела «вода-воздух». «Водные ресурсы», 1990, № 5.
6. Лакомб А. Физическая океанография. М., Мир, 1974.
7. Монин А. Е., Красицкий В. П. Явления на поверхности океана. Л., Гидрометеоиздат, 1985.
8. Пивоваров А. А. Термика пограничных слоев океана и атмосферы. Изд. Московского университета, часть 1, 1988, часть 2, 1987.
9. Федоров К. Н., Гинзбург А. И. Приповерхностный слой океана. Л., Гидрометеоиздат, 1988.
Проблема происхождения жизни на Земле. Возможности существования жизни в других областях Вселенной. Креационизм. Теория стационарного состояния, самопроизвольного самозарождения, панспермии. Современные возрения на происхождение жизни на Земле.
реферат [2,5 M], добавлен 04.10.2008
Сущность теорий, объясняющих происхождение человека на Земле: эволюционная, теория творения (креационизм), внешнего вмешательстваи пространственных аномалий. Основные стадии эволюции человека: австралопитек, палеоантроп и неоантроп (кроманьонец).
доклад [291,8 K], добавлен 12.11.2010
Вода — весьма распространенное на Земле вещество. Количество примесей в морских и пресных водах. Фильтрация и другие способы очистки. Термическая диссоциация воды. Аномально высокая теплоемкость вещества. Функции воды в организме человека и животных.
презентация [3,9 M], добавлен 02.06.2011
Природа жизни, ее происхождение, разнообразие живых существ и объединяющая их структурная и функциональная близость. Причины доминирования теории эволюции. Естественнонаучные гипотезы о происхождении жизни. Христианские взгляды на происхождение человека.
курсовая работа [76,0 K], добавлен 12.06.2013
Взгляд мировых религий и философий на происхождение человека на Земле. Научный ответ на вопрос о происхождении человека. Столкновение науки и религии в вопросе о происхождении человека. Противопоставление эволюционной биологии и религиозной антропологии.
реферат [24,1 K], добавлен 31.05.2012
Гипотезы о предбиологической стадии живого. Процессы на ранней Земле и возникновение живого. Одна из гипотез о первых организмах. Рассуждения об определении жизни и экспериментах на первых организмах. Изучение процессов кристаллизации некоторых глин.
реферат [34,6 K], добавлен 18.12.2012
История представлений о возникновении жизни на Земле. Гипотезы возникновения жизни на Земле. Образование первичных органических соединений. Что считать жизнью? Эволюция жизни на Земле. Появление высокоорганизованных форм жизни.
реферат [1,1 M], добавлен 17.05.2003
Вопрос о возникновении жизни на Земле — борьба религии и науки, идеализма и материализма. Проблема отличия живого от неживого. Современное двуединое понятие первобытного бульона и самозарождения жизни — теория Опарина-Холдейна о происхождении жизни.
реферат [32,0 K], добавлен 09.05.2009
Сравнение основных определений понятия «жизнь». Анализ проблемы происхождения и эволюции жизни на Земле. Общая характеристика современных теорий возникновения жизни, а также процесса эволюции ее форм. Сущность основных законов биологической эволюции.
курсовая работа [302,9 K], добавлен 04.10.2010
Вопрос о происхождение жизни на Земле принадлежит к числу наиболее сложных вопросов науки. Вокруг этого вопроса на протяжение многих веков развертывалась борьба религии и науки, идеализма и материализма. Причины вымирания гигантских млекопитающих в пал
контрольная работа [21,1 K], добавлен 24.11.2004
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.
источник
Целью войн второй половины XX века, как считают многие аналитики, было стремление контролировать ресурсы, главным образом углеводородные. Как-то в тени оставалась такая важная составляющая жизни человеческого общества, как пресная вода. Казалось бы, воевать из-за нее смысла особого нет, вот она – открыл кран и пользуйся. К сожалению, к этому великому благу допущены не все народы. А вскоре, буквально через считанные десятилетия, может вообще наступить бедствие жажды всепланетного масштаба.
Воды на Земле много, более двух третей поверхности планеты покрыты ею. Общий объем ее составляет внушительную цифру в 1386 миллиона кубических километров. Беда не в количестве, а в качестве. Запасы пресной воды во всем мире — это только сороковая часть общей ее массы (примерно 35 миллионов куб. км), все остальное для питья и использования в разных секторах потребления (аграрном, промышленном, бытовом) непригодно из-за высокого содержания поваренной соли (HCl) и других примесей.
Кроме этого, следует учесть, что только сотая часть всех запасов считается легкодоступной. Весь остальной объем требует серьезных трудовых и материальных затрат на добычу, очистку и доставку потребителю.
Но и это еще не беда: при правильном использовании этих ресурсов и их рациональном возобновлении даже существующих объемов хватило бы надолго. Дело в том, что пресная вода в мире распределена неравномерно, запасы ее расходуются, то есть уменьшаются, а население планеты растет. В настоящее время на планете живет примерно шесть с половиной миллиардов человек, при этом, по самым скромным прогнозам, к 2050 году оно превысит 9 млрд. Уже сейчас треть мирового населения испытывает острую нехватку воды.
Часть населения планеты относится к так называемому «золотому миллиарду» и имеет доступ ко всем благам цивилизации, которые для нас считаются нормальными (электроэнергия, связь, телевидение, водопровод, канализация и т. п.).
Учитывая ограниченность практически всех ресурсов и стремясь сохранить высокий уровень потребления материальных благ, страны с развитой экономикой предпринимают меры по недопущению повышения уровня жизни во всем остальном мире. Пресная вода и сегодня в отдельных регионах стоит дороже нефти, а в скором времени она превратится в стратегический товар. Война, развязанная в Ливии, по многим оценкам, произошла по нескольким причинам экономического характера. В частности, наряду с введением золотого стандарта для динара, проект масштабного водовода — в случае его полной реализации — мог вывести весь североафриканский регион из зоны влияния США и Западной Европы. Таким образом, можно предположить, что обильные ресурсы пресной воды в настоящее время создают риск военного вторжения не меньший, чем нефтяные месторождения.
Вода – вещество настолько универсальное, что ее по праву можно назвать если не источником всех благ человеческих, то уж наверняка их непременным условием. Без нее невозможно выращивать сельскохозяйственную растительную продукцию. Например, килограмм зерна «обходится» в 0,8 – 4 тонны влаги (в зависимости от климата), а риса – 3,5 т. А ведь есть еще животноводство, объемы производства которого растут. Потребляет воду и пищевая промышленность. Килограмм сахара – извольте, 400 литров. В целом же при довольно скромных физиологических потребностях (чтобы просто попить, человеку хватает двух-трех литров в день) житель развитой страны косвенно, вместе с продуктами, потребляет до трех тонн израсходованной для их производства воды. Это ежедневно.
В целом же пресная вода планеты тратится следующим образом:
- сельскохозяйственная отрасль – 70 % этого ценного ресурса;
- вся промышленность – 22 %;
- бытовые потребители – 8 %.
Но это, конечно, среднее соотношение. Есть много стран, население которых не избаловано гастрономическими изысками, там проблема пресной воды стоит настолько остро, что людям порой просто нечего есть и пить.
Сегодня, по международным нормам, человеку требуется сорок литров воды в день для всех его нужд, включая гигиенические. Примерно миллиард жителей планеты, однако, могут об этом лишь мечтать, а еще 2,5 млрд испытывают в той или иной степени ее нехватку. По различным прогнозам, уже в 2025 году количество нуждающихся достигнет критической доли, когда для двух из каждых трех землян пресная вода станет роскошью.
Мы, в своем достатке, порой даже представить себе не можем, какой водой моются жители «третьего мира», и какую пьют. Каждый год три миллиона человек гибнут от болезней, вызванных скверной санитарной обстановкой. Главная из них – диарея. Ежегодно от нее умирает во всем мире (чаще всего в Африке) три тысячи детей.
Причиной восьми из каждых десяти патологий становится загрязнение пресных вод и их нехватка.
Воду не только пьют, она находит применение практически в каждой отрасли деятельности. Мало того, наша планета представляет собой экосистему замкнутую, а потому в ней образовано множество взаимозависимых и перекрестных связей. Вырабатывая или возобновляя один из важных ресурсов, человечество обычно расходует другой, которого, кажется, пока еще много. Так, например, происходит в сфере производства синтетических углеводородов, призванных заменить нефтепродукты. Альтернативное топливо, в качестве которого планируется все шире использовать этанол (он же этиловый спирт, или алкоголь), разумеется, куда безопаснее в экологическом смысле, чем бензин, солярка или керосин, но для того, чтобы выработать тонну этого продукта, требуется опять же пресная вода, причем в количестве, большем в тысячи раз. Дело в том, что сырьем для синтеза служит биоматериал растительного происхождения, да и сама технология невозможна без гидроресурсов.
Обеспеченность гидроресурсами в разных странах и целых регионах планеты существенно разнится. Наиболее сильно проблема пресной воды ощущается в Африке и на Ближнем Востоке. Оценить ее масштабы можно, рассмотрев по отдельности источники, из которых ведется потребление, а также возможные методы добычи влаги. Почти вся вода, используемая для ирригации, промышленности и бытовых нужд, поступает из поверхностных или подземных водоемов, считающихся возобновляемыми (пополняемыми) по причине естественного круговорота. Существуют также ископаемые запасы, к которым относится, например, Ливийское месторождение. Они составляют примерно пятую часть всех водных ресурсов планеты. Возобновляемыми они не являются, в них обратно практически ничего не поступает, но в регионах, испытывающих дефицит, альтернативы им нет. Еще на планете есть лед, снег и залежи в виде ледников. В целом же возможные ресурсы пресной воды теоретически можно разбить на следующие категории:
1. Лед и снег – 24,1 млн куб. км (68,7 %).
2. Грунтовые воды – 10,5 млн куб. км (30,1 %).
3. Озера – 91 тыс. куб. км (0,26 %).
4. Почвенная влага – 16,5 тыс. куб. км (0,05 %).
5. Болота – 11,5 тыс. куб. км (0,03 %).
6. Реки – 2,1 тыс. куб. км (0,006 %).
Практика использования, однако, существенно отличается от теоретических возможностей. Имеет огромное значение доступность ресурса и стоимость доведения его до потребления. Ледники, составляющие наибольший запас пресной воды на Земле, сегодня остаются неиспользованными в силу дороговизны добычи. Даже технологии опреснения обходятся дешевле.
Опреснение при всей энергоемкости и высокой себестоимости продукта получило распространение в странах Ближнего Востока (Катаре, Кувейте, Саудовской Аравии, Объединенных Арабских Эмиратах), имевших достаточный объем бюджетных средств для реализации масштабных проектов. В общем и целом эта стратегия себя оправдывает, но некоторые неожиданные преграды технологического характера создают существенные проблемы. Например, оманские водозаборные системы не так давно оказались забитыми ядовитыми водорослями, что парализовало работу дистилляционных установок на длительное время.
В то же время крупнейшим региональным поставщиком пресной воды стала Турция, направившая в этот специфический сектор экономики серьезные инвестиции. Страна не испытывает проблем в гидроснабжении и продает излишки в Израиль и другие государства, перевозя их в специальных танкерах.
Как это часто бывает, проблема состоит не столько в недостаточности ресурса, сколько в отсутствии бережливости и нерациональном использовании того, что есть. Крупнейшие реки превращаются в гигантские сточные канавы, отравленные ядовитыми промышленными стоками и бытовыми отходами. Но загрязнение пресных вод при всей пагубности и очевидности – это еще не вся проблема.
В поисках дешевых способов добычи электроэнергии их перегораживают плотинами, что умедляет их естественный ход и нарушает температурно-динамические характеристики испарительно-восстановительных процессов. В результате реки мельчают. Такие явления наблюдаются везде. Уровень падает в Колорадо, Миссисипи, Волге, Днепре, Хуанхэ, Ганге и других великих реках, а более мелкие пересыхают полностью. К экологической катастрофе привело искусственное вмешательство в гидрооборот Аральского моря.
Из всего доступного объема самый большой запас пресной воды на планете (примерно треть) находится в Южной Америке. В Азии еще четверть. 29 стран, объединенных не по географическому, а по экономическому признаку (свободный рынок и демократия западного образца) в организацию ОСЭР, владеют пятой частью доступного объема водных ресурсов. Государства бывшего СССР – более двадцати процентов. Все остальное, составляющее в грубом приближении около 2 %, приходится на долю Ближнего Востока и Северной Африки. Впрочем, дела обстоят довольно скверно и на большей части всей территории Черного континента.
Что касается потребления, то наибольший его уровень наблюдается в Индии, Китае, США, Пакистане, Японии, Таиланде, Индонезии, Бангладеш, Мексике и России.
При этом расходуется больше всего воды не всегда в тех странах, где ее запасы действительно велики. Острая потребность в ней ощущается в Китае, Индии и Соединенных Штатах.
Россия богата всем, в том числе и водой. Наиболее яркий пример того, какими сокровищами обладает наша страна, – озеро Байкал, в котором локально сосредоточена пятая часть всего водного запаса планеты, к тому же превосходного качества. Но большая часть населения Российской Федерации живет в ее европейской части. Байкал далеко, пить приходится воду из ближайших водоемов, которых, к счастью, тоже много. Правда, не всегда взвешенное и рациональное отношение к водным (как и всем прочим) богатствам, столь характерное для советского периода, не полностью изжило себя и теперь. Есть надежда, что со временем это положение будет исправлено.
В целом же на сегодняшний момент и в обозримом будущем жажда россиянам не грозит.
источник
2. Запасы воды на планете и ее распределение
Общий объем воды на Земле составляет, по данным отечественных ученых Калинина и Быкова, составивших Мировой водный баланс — 1млрд. 386млн. км 3 . Более 97 % этого объема приходится на воды Мирового океана.
Таблица 1. Мировые запасы воды
Площадь распространения, млн. км 2
Запасы пресных вод, по последним данным, составляют 35 млн. км 3 , т.е. всего 2% общих запасов, а с учетом недоступной для использования некоторой части пресных вод, законсервированных в виде льдов в полярных ледниках, — 0,3 % объема гидросферы.
Таблица 2. Распределение ресурсов пресных вод
Объем пресной воды, тыс. км 3
Запасы пресной воды, пригодной для непосредственного использования, оцениваются немногим более 35 млн. км 3 или 2,5% общего объема, но только 0,3% пригодны для использования.
То есть на каждого жителя Земли приходится в среднем более 8 млн. м 3 пресной воды. Однако здесь необходимо отметить, что около 70% запасов пресной воды сосредоточено в различного рода льдах и под землей, на глубине 150-200м, что создает определенные трудности в ее использовании.
Наиболее доступны в использовании воды рек и озер, они являются для человека основными источниками водоснабжения.
Запас пресной воды в руслах рек и озерах составляет около 93 тыс. км 3 .
Пресной водой называют воду, содержащую не более 1г солей в 1литре. Соленость океанической воды составляет в среднем 35г на 1л.
Имея представление о количестве пресной воды на Земле можно с определенной точностью сказать, сколько воды можно использовать без ущерба для биосферы, чтобы не нарушить водного баланса.
Установлено, что ежегодный объем воды, которую человеческое общество может использовать на свои нужды, не должен превышать ее ежегодно возобновляемого в результате естественных процессов объема.
Этот объем приблизительно равен суммарному годовому стоку рек в океан и составляет, по последним данным, 37,3тыс. км 3 .
Зная какими водными ресурсами может располагать человечество, весьма важно установить его реальные потребности в воде и оценить адекватны ли они возможностям гидросферы.
Для этого, прежде всего, необходимо отметить, что по территории земного шара водные ресурсы распределены неравномерно. Водообеспеченность территории в различных районах планеты большей частью не согласуется с численностью населения и размещением промышленного и сельскохозяйственного производства.
В Европе и Азии, например, сосредоточено 77% населения мира, но на эту территорию приходится только 38% мировых запасов ежегодно возобновляемых пресных вод. А вот население Южной Америки составляет всего 5%, а водные ресурсы достигают 25% суммарного объема годового стока рек земного шара.
источник
Потребности в воде для разных целей непрерывно растут, увеличивая антропогенное давление на водные ресурсы и акваэкосистемы. Многие регионы испытывают хронический недостаток воды, в других случаются нерегулярные, но достаточно частые и продолжительные засухи. Растут как население Земли в целом, так и потребление воды в расчете на одного жителя. При сохранении такого типа развития водный кризис неизбежен, его наступление возможно в обозримом будущем. Уже сейчас локальные водные кризисы отнюдь не редкость, при этом они подчас становятся причиной межгосударственных конфликтов на некоторых международных водосборах.
Запасы воды на Земле колоссальны, но возможность их использования ограничена в первую очередь природными факторами, в том числе экологическими (хотя все еще нередко встречаются оценки, например, гидроэнергетического потенциала, при расчете которых экологические ограничения совсем не принимаются во внимание). Огромная масса воды в Мировом океане имеет высокую соленость, запасы пресной воды в ледниковых покровах малодоступны изза удаленности и состояния в твердой фазе, как и грунтовые льды мерзлых пород. Значительная часть подземных вод минерализована и залегает на больших глубинах, половина массы озерной воды также засолена. Поэтому количество пресной воды, доступной для потребления, оказывается существенно ограниченным (в сопоставлении с современными потребностями цивилизации).
В табл. 1.2.1 приведены оценки запасов воды на планете и некоторые их характеристики (см. также [Клиге и др., 1998]). Что касается экологических ограничений, то они определяют, в частности, объемы изъятия пресной воды из водного объекта, допустимые с позиций сохранения воспроизводимости водных ресурсов и водных экосистем, обеспечения неистощительности водопотребления. Таблица 1.2.1. Оценки количества воды в различных природных объектах; [Rodda, 1997], с модификациями.
Из таблицы 1.2.1 видно, что масса пресной воды во всех природных объектах составляет 35 тыс. км3 (округленно), или около 2,5% от массы всей воды. Но речные воды возобновляемый ресурс, где возобновление происходит в среднем через каждые 16 дней, а средний годовой сток рек мира составляет около 50 тыс. км3. Рис. 1.2.1 дает наглядное представление о соотношениях объемов соленой и пресной воды, а также объемов пресной воды в источниках различных типов.
На рис. 1.2.2 представлены данные о размерах водных запасов и их доступности для человечества (источник: [Rodda, 1997]). Имеющиеся запасы оцениваются в пределах от 35 до 48 тыс. км3, а доступные для использования в пределах от 24 до 35 тыс. км3. На этом же рис. 1.2.2 показан рост потребления воды в ХХ веке и сценарии его роста до 2050 г., а также потери воды в результате загрязнения.
Оценки потребления воды в мире и его роста в ХХ веке приведены в табл. 1.2.2. Таблица 1.2.2. Потребление воды в мире при различных видах деятельности человека с 1900 по 2000 г. в км в год [Shiklomanov 1997]
Примечание: А — полное водопотребление, Б — безвозвратный расход.Эти данные свидетельствуют о беспрецедентном росте потребления воды в ХХ веке, имевшем, впрочем, как и многие другие показатели хозяйственной деятельности, взрывной характер (рис. 1.2.3). В табл. 1.2.3 приведены данные о водозаборе и безвозвратном расходе воды по континентам того же автора, но более поздние, чем в табл. 1.2.2.
Динамика использования воды на континентах в км 3 в год [ Шикломанов, 2003]
Примечание: верхний ряд — полное водопотребление, нижний — безвозвратный расход.
Точность приведенных в таблицах этого раздела оценок относительно невысока, что видно особенно хорошо из табл. 1.2.2 и 1.2.3. Это связано с тем, что для всех уровней локального, регионального и глобального характерен недостаток данных как об объемах (массах) воды в различных природных объектах и речном стоке, так и о водозаборе из водоисточников и ее потреблении. Однако сопоставление этих данных с показателями использования иных ресурсов не оставляет сомнений в том, что вода главный природный ресурс для человечества.
Как в научных работах (см., в частности, [Львович, 1974; Мировой водный. 1974]), так и публицистических выступлениях часто отмечается неравномерность распределения водных ресурсов по территории. Эту неравномерность, имеющую естественное, природное происхождение, нередко пытаются объявить главной (если не единственной) причиной возникновения водного дефицита в районах, бедных водными ресурсами. Однако выводы, к которым приводит анализ распределения водных ресурсов по территории земной суши, требуют более адекватных формулировок.
Действительно, если для оценки неравномерности распределения гидроресурсов воспользоваться отношением их запасов hi на участке i к его площади Si, то показатель удельной водообеспеченности территории Wi=hi/Si может очень сильно различаться даже для географически близких районов. Однако в биосфере «равномерности» не бывает, равномерность признак высокой энтропии и, соответственно, низкого уровня развития системы. Негативная оценка неравномерности распределения водных ресурсов обусловливается не вариабельностью показателей удельной водообеспеченности в расчете на единицу площади, а их расхождением с плотностью населения di=Li/Si, где Li численность населения на территории i (на рис. 1.2.4 показана средняя плотность населения по странам мира). Об указанной неравномерности никто бы и не вспомнил, если бы при разных i мало различались показатели водообеспеченности населения, т.е. Vi=Wi/di=hi/Li. В иллюстративных целях приведем значения показателей hi (условно приняты равными среднемноголетнему речному стоку), Wi и Vi для континентов 1 . (табл. 1.2.4).
1) Водообеспеченность в разных исследованиях понимается поразному, но утверждение о высокой дифференциации этого показателя верно при любых способах его измерения. Непосредственное сложение показателей речного стока и подземных запасов может оказаться дезориентирующим в силу хорошо изученных гидрологических причин. Так называемая климатическая водообеспеченность далеко не всегда адекватно отражает возможности удовлетворения народнохозяйственных потребностей. Для наших целей вполне приемлемо определять водообеспеченность территории как отношение речного стока к ее площади.
Водные ресурсы (hi), км 3 /год*
Водообеспеченность территории (Wi), тыс. м 3 /годЧкм 2
Водообеспеченность населения(Vi ),тыс.м 3 /годЧчел.
источник