Походження і основні властивості води і атмосфери

Походження і основні властивості води і атмосфери

Атмосфера Землі еволюціонувала в масштабах геологічного часу, і розвиток життя на Землі було тісно пов'язано зі складом атмосфери. Вважають, що первинна атмосфера, що оточувала нашу планету в період її утворення близько 4600 млн. років тому, розсіялася при нагріванні Землі. Сучасна атмосфера вторинна і складається з газів, що виділилися із земних надр. До складу цих газів входили водень, водяна пара (Н ₂ 0), окис вуглецю (СО), двоокис вуглецю (СО _2), азот (N _2), сірководень (H ₂ S) і хлористий водень (ПЗ). Співвідношення газів у процесі їх виділення змінювалися в міру зміни внутрішньої структури Землі, особливо в той час, коли її ядро відокремилося від мантії. За одними теоріям, дегазація земних надр в основному сталася в той відносно короткий період, коли формувалася наша планета. За іншим теоріям, цей процес тривав протягом більш тривалого відрізку геологічного часу. Гази піддавалися процесам хімічного розпаду під дією сонячного світла і взаємодіяли між собою. Так утворилися метан (СН ₄₎ та аміак (NH _4); водяна пара конденсувався, і в ньому розчинялися двоокис вуглецю, хлористий водень, аміак.

За геологічними даними, близько 1500 млн. років тому в атмосфері вперше з'явився в помітній кількості вільний кисень. До цього часу кисень утворювався при фотодиссоціації водяної пари і повністю вступав в реакції окислення з речовинами на поверхні Землі. Еволюція життя на Землі в значній мірі залежала від кількості кисню. Коли його накопичилося достатньо для розвитку зелених рослин, то в атмосферу в результаті фотосинтезу стало виділятися ще більшу кількість кисню. Концентрація кисню в наші дні, що відображає стан динамічної рівноваги між виділяється і поглинається киснем, ймовірно, виникла близько 100-200 млн. років тому.

З газів, що входили до складу атмосфери Землі на ранніх етапах її розвитку, вуглець виявився пов'язаним в карбонатних осадкових породах, таких, як вапняки (СаСО _3), а також в горючих копалин (вугілля, нафта); вода заповнила западини океанів, і в ній розчинилося деяку кількість хлоридів. Інша частина хлоридів накопичилася у вигляді відкладень солей (наприклад, NaCl), а сірка - в осадових породах (наприклад, у вигляді піриту FeS _2). Азот концентрувався переважно в атмосфері, у той час як водень із-за своєї низької молекулярної ваги був винесений в космічний простір. Цьому ж сприяло й та обставина, що висока температура верхніх частин атмосфери надавала молекулам водню швидкість, достатню для подолання гравітаційного поля Землі. Аргон і гелій потрапили в атмосферу в процесі радіоактивного розпаду калію, урану і торію, але, в той час як аргон накопичувався в атмосфері, гелій, як і водень, будучи газом з низькою молекулярною вагою, вигнанець в космічний простір.

Таким чином, вода існувала на поверхні Землі вже на самих ранніх етапах геологічної історії планети. Вона була розчинником для речовин, що виносяться із земної кори в результаті вулканічних вивержень або ж випали з атмосфери. Останні потрапили туди, мабуть, при дегазації земних надр, а не з первозданної туманності, що існувала в момент утворення планети. Вони отримали назву «надлишкових летючих речовин» і крім вуглецю, азоту і, звичайно, води включали хлор, бром, сірку і бор. Геологічні дані також свідчать про те, що вода була присутня на поверхні Землі в достатній кількості вже близько 3000 млн. років тому.

Однак сучасні океанські улоговини утворились на земній поверхні порівняно недавно. Майже всі вони мають вік менше 250 млн. років (тобто тільки 5% геологічного часу). Нижче поверхні океану виділяються області з океанічної корою, що лежать на глибинах 2-6 км, і області з більш древньою континентальної корою, до яких відносяться континентальні шельфи, що лежать на глибині близько 200 м. Ці дві області поділяються материковим схилом, що має порівняно крутий нахил поверхні , звичайно в межах 1 / 10 і 1 / 20. Берегова лінія, яка розділяє сушу і море, є вельми мінливою кордоном, положення якої змінюється в залежності від того, чи зменшується кількість води в океані, коли відбувається зростання материкових льодовикових щитів, або ж, навпаки, збільшується, коли відбувається танення льодовиків. У льодовикові епохи плейстоцену такі евстатіческімі коливання приводили до зниження рівня моря приблизно на 100 м у порівнянні з його сучасним рівнем. Підраховано, що якщо всі льоди, що покривають Антарктиду і Гренландію, розтануть, то це призведе до підвищення рівня Світового океану приблизно на 60 м. В даний час близько 70% поверхні Землі вкрито водою, з них 60-65% стелить океанічної корою.

Важлива риса океанських басейнів - це те, що всі вони пов'язані між собою: Тихий, Атлантичний та Індійський океани, подібно променям, розходяться від циркумполярної Південного океану. Північний Льодовитий океан і європейські субарктичні моря можна розглядати як великий внутрішній напівзамкнене море, оточене сушею і відокремлене від прилеглого океанського басейну підводними хребтами. Дослідження останніх років показали, що топографія океанських басейнів пов'язана з історією їх формування та розвитку. Цей процес, який називається розсування (спредингом) морського дна, є складовою частиною концепції тектоніки літосферних плит. Відповідно до даної концепції, океанічна кора утворилася з мантії Землі, що піднімається до поверхні в тих зонах, де відбувається розсування кори. У результаті спредінга сформувалася світова система так званих серединно-океанічних хребтів, що піднімаються над оточуючими ділянками дна на 2-3 км. Дослідження показали, що в південній частині Атлантичного океану, на східному фланзі Серединно-Атлантичного хребта, океанське дно, принаймні за останні 80 млн. років розсовуються в горизонтальному напрямку зі швидкістю близько 2 см / рік. Таким чином, ширина океанського басейну збільшувалася зі швидкістю близько 1 км за 25 тис. років. Такі хребти характеризуються високою вулканічною активністю, наявністю медіанної рифтової долини, а також численних розломних зон, що протягуються перпендикулярно хребту. Уздовж розломів гребінь хребта зміщується зазвичай на кілька десятків кілометрів. Ці розломи, що отримали назву трансформаційний, утворилися в результаті відносного зміщення квазіжесткіх асейсмічних плит літосфери, показаних на рис. 1.2, які складають верхні 100-150 км нашої планети.

Океанські западини є не тільки місцем, де утворюється нова океанічна кора, у них мають також існують області, де відбувається занурення корового матеріалу в мантію Землі. Це відбувається в зонах глибоководних жолобів, максимальні глибини в яких перевищують 10 км. Тут відбувається зіткнення двох квазіжесткіх плит, і, коли одна з них насувається на іншу, утворюється глибоководний жолоб. Така ситуація виникла, наприклад, у південно-східній частині Тихого океану, де рухається в західному напрямку плита, частиною якої є материк Південна Америка, деформувалася і на її краю виникли гірські хребти Анд. У тому випадку, коли відбувається зіткнення двох океанічних плит і одна з них насувається на іншу, як, наприклад, у західній частині Тихого океану, на одній з них розвивається вулканічна діяльність і виникає ланцюг вулканічних островів.

Інша важлива риса підводного рельєфу - це абісальні пагорби і гори, більшість з яких, безсумнівно, мають вулканічне походження. Деякі гори - так звані гайотов - мають пласку вершину, хоча вони і розташовуються на глибинах 1-2 км нижче рівня океану. Це вказує на те, що ряд вулканів у минулому досягав поверхні океану, де їх вершини були зрізані в результаті впливу хвиль. Більшість з них утворилися, ймовірно, в межах активної частини серединно-океанічних хребтів, а потім у результаті спредінга океанського дна, як по стрічці конвеєра, поступово перемістилися, зайнявши своє нинішнє географічне положення.

Більшу частину ложа океану займають абісальні рівнини, які мають виключно вирівняну поверхню, яка була створена в результаті накопичення потужної товщі опадів. Деякі опади мають дійсно океанічне походження. До них відносяться різні мули - продукт розкладання населяють водну товщу морських організмів. Глини, також відкладаються в океані, утворені дуже дрібними частинками, які, перш ніж потрапити на дно, переносяться течіями або вітрами на значні відстані. Ближче до континентах накопичується більше грубий матеріал теригенно походження. Цей матеріал приноситься в океан річками, льодовиками, а також утворюється в результаті абразії берегів. Він акумулюється на континентальних шельфах, де під впливом хвиль і приливних течій потім переотлагается у вигляді різноманітних акумулятивних форм, таких, як прибережні бари і банки, піщані хвилі і смуги піщаних відкладень. Якщо акумуляція відбувається в нестабільній зоні на краю шельфу або, наприклад, у сейсмоактивних областях, тоді вниз по континентальному схилу може спрямуватися так званий турбідітних (каламутних) потік. Як правило, такі потоки поширюються вздовж знижень в рельєфі дна, ще більше еродіруя їх, що призводить до утворення на континентальному схилі каньйонів. Опади підтримуються в підвішеному стані в результаті розвивається в такому потоці турбулентності; в той же час сам потік досить швидко переміщається вниз по схилу. Як встановлено для турбідітних потоку, який при русі вниз по схилу Великий Банки (район Ньюфаундленду) розірвав на своєму шляху кілька трансатлантичних кабелів, його швидкість може становити 7,5 м / сек і більше. Теоретичні розрахунки підтверджують, що такі швидкості дійсно можливі. Однак коли турбідітних потік досягає абиссальной рівнини, він розтікається по ній, втрачаючи швидкість, і перенесені ним опади відкладаються на дні, перекриваючи, немов плащем, всі його нерівності.

Властивості рідини: атмосфера і вода

Речовина може перебувати в будь-якому з трьох станів: твердому, рідкому і газоподібному. Стан, в якому знаходиться речовина, залежить від існуючих фізичних умов. Так, вода зазвичай зустрічається на земній поверхні у вигляді рідини, але в холодних районах вона представлена ​​у вигляді льоду; в атмосфері вода знаходиться у вигляді водяної пари (тобто вода в газоподібному формі) або ж у вигляді зважених крапель або кристалів льоду. Рідини і гази мають загальну властивість безперервно деформуватися (або легко змінювати свою форму) під впливом зсувних деформацій. Це відбувається тому, що молекули, з яких вони складаються, легко зміщуються одна відносно іншої і мають здатність вільно текти; звідси виникло їх назва - рідкі, або текучі, середовища.

Стисливість

Коли рідина або газ стискають (наприклад, за допомогою поршня в закритій посудині), відстань між молекулами, а також об'єм рідини чи газу зменшуються, а щільність збільшується. Стисливу рідку середу легко відрізнити від практично нестисливої ​​по тому, наскільки змінюється обсяг при однаковому зміні тиску. У цілому гази, які мають низьку щільність, легко стисливі, в той час як рідини, які мають відносно більш високою щільністю, практично нестисливі. Якщо газ помістити в порожній закриту посудину, він заповнить його весь рівномірно на противагу рідини, що в аналогічних умовах буде мати вільну горизонтальну поверхню. Ці характеристики вказують на абсолютно різну природу верхніх меж океану і атмосфери - поверхня океану визначається ясно і чітко, а межа атмосфери носить дифузний характер, і визначити її точно неможливо.

Склад атмосфери

У якійсь мірі склад атмосфери залежить від висоти. Більш легкі молекули піднімаються вгору, тому на висотах між 100 і 1000 км над поверхнею Землі атмосфера складається переважно з атомарного кисню; між 1000 і 2400 км розташовується шар гелію, а вище 2400 км переважає водень. Інші зміни складу верхніх частин атмосфери з висотою обумовлені сонячною радіацією. Однак три чверті маси атмосфери сконцентровані в межах нижніх 10 км, і в цій частині атмосфери не спостерігається коливань в процентному складі її основних компонентів, а саме азоту (78%), кисню (21%) і аргону (1%). (Тут наведені об'ємні концентрації складових частин атмосфери.) Крім водяної пари, до якого ми повернемося пізніше, існує ще один газ, що має дуже велике значення. Це двоокис вуглецю, яка практично рівномірно розподілена в нижніх шарах атмосфери, але її концентрація в даний час складає лише 0,03%. Ми розглянемо її значення для океану в розділі 4, а для теплового балансу Землі.

Згоряння палива, а також інші індустріальні процеси призводять до місцевих збільшенням концентрації газів, що забруднюють атмосферу, таких, як двоокис сірки, аміак, двоокис вуглецю і різні зважені частинки. Останні можуть також утворюватися в результаті пилових бур, вивержень вулканів або ж розсіювання солей над поверхнею океану. Вода в атмосфері, зрозуміло, існує як у рідкому, так і в твердому стані: у вигляді зважених крапель і часток льоду, з яких складаються хмари і туман.

Адіабатичні зміни

Здатність рідини стискатися призводить до адіабатичним змін, тобто до таких змін, які відбуваються без обміну теплом з навколишнім середовищем. Відповідно до першого закону термодинаміки зміна внутрішньої енергії, яке відбувається при адіабатичних умовах, так само зовнішньої роботі, яку виробляє рідке середовище при її розширенні або яка була витрачена на її стиснення. Коли повітря піднімається вгору, він розширюється, втрачає внутрішню енергію і його температура знижується. Зниження температури відбувається з постійною швидкістю, що дорівнює 9,8 ° С / км. Цей градієнт температури характерний для повітря, не насиченого водяною парою, тому він називається сухоадіабатіческім градієнтом температури.

Адіабатичні температурні зміни значно менше в рідинах, які практично нестисливі, У морській воді адіабатичний градієнт температури зростає із збільшенням як температури, так і тиску, але, загалом, в океані він залишається нижче 0,2 ° С / км. Як в океані, так і в атмосфері температура, якої досягне вода або повітря, якщо їх адіабатично перемістити з вихідного рівня на рівень, де тиск складає 1000 мб (що відповідає тиску на рівні моря), називається потенційної температурою рідкого середовища. Потенційна температура повітря може бути на кілька десятків градусів вище, ніж температура in situ, а потенційна температура підповерхневих вод в океані завжди нижче, ніж температура in situ, але не більше, ніж на 1,5 ° С.

В'язкість

Ще однією властивістю рідких середовищ, яке необхідно розглянути, є в'язкість. В'язкість-це здатність двох шарів рідкого середовища чинити опір ковзанню відносно один одного. Її можна визначити як тангенціальну силу, що діє на одиницю площі і здатна викликати в рідкому середовищі одиничний градієнт швидкості по нормалі до потоку. В'язкість має розмірність н * сек / м ^2. Рідина з високою в'язкістю може бути названа «липкою», наприклад гліцерин. Таке середовище не може текти вільно. Однак гази, що мають значно нижчу в'язкість, мають високу плинністю. У табл. 1 наведені значення щільності й в'язкості повітря, води і гліцерину при атмосферному тиску і температурі

Таблиця 1

Вода

Вода, основна складова частина океану, є також дуже важливою складовою частиною атмосфери; було навіть висловлено припущення, що для метеорологічних цілей повітря можна розглядати як розбавлений водяна пара. Концентрація водяної пари в атмосфері схильна до значних змін; вона має найбільші значення близько поверхні і в низьких широтах. У пробі повітря, взятого над тропічною частиною океану, може міститися більше 3% водяної пари. У рідкій формі вода є найпоширенішою текучої середовищем на поверхні Землі. Більшість населяють Землю організмів безпосередньо залежать від води, і її властивості мають вирішальний вплив на наше довкілля. У сучасному світі споживання води весь час збільшується, вона використовується і для домашніх потреб, і в промисловості, і в сільському господарстві. Але, незважаючи на її величезне значення для життя і широке поширення, вода є речовиною досить незвичайним.

Точки замерзання і кипіння речовин пов'язаний з розміром їх молекул: вони тим вище, чим більше молекули. Тому, порівнюючи воду з іншими сполуками водню, можна було б припустити, що вода замерзає при температурі - 100 ° С і закипає при - 80 ° С. У цьому випадку вся вода при існуючій в даний час на Землі температурі повинна була б перебувати в газоподібному стані. Коли речовина замерзає, його молекули зазвичай зближуються, що призводить до збільшення щільності речовини, але щільність льоду менше, ніж щільність води (табл. 2), і тому, коли вода замерзає в тріщинах гірських порід, порода руйнується і розколюється на частини. Освіта у високих широтах льоду на поверхні (а не на дні) озер чи океану призводить до виникнення шару низькою термічною провідності, що захищає воду від подальшої втрати тепла. Коли рідина нагрівається, кінетична енергія її молекул збільшується, і відстань між ними збільшується, в результаті чого щільність рідини зменшується. Щільність прісної води, проте, зростає з підвищенням температури від 0 ° С до 4 ° С, досягаючи при цій температурі максимальної щільності. В інтервалі від 4 ° С до точки кипіння щільність води, як і слід було очікувати, зі збільшенням температури зменшується. Можна припустити, що в'язкість рідини зменшується зі збільшенням температури і збільшується при стисненні: чим менше відстань між молекулами, тим більше їх опір протіканню. Це правило дотримується для більшості рідин. В'язкість води також різко зменшується зі збільшенням температури, але при низьких температурах вона зменшується зі збільшенням тиску.

Табл. 2

Щоб знайти пояснення цим аномальним властивостям води, ми повинні розглянути структуру її молекули. Атом водню в молекулі води має дві спільні електронні пари з атомом кисню. Результатом цього є виникнення позитивного електронної хмари поблизу кожного атома водню і негативного - поблизу атома кисню. Чотири ковалентні зв'язки атома кисню мають тривимірну тетраедную форму з кутами між ними 120 °. У молекулі води негативні заряди двох неподілених електронних пар кисню взаємно відштовхуються, що призводить до зближення тих ковалентних зв'язків, в яких електронні пари поділені з атомом водню. Тому валентний кут НОН зменшується до 105 °. Електрони, що утворюють зв'язку О-Н, зміщені до більш електронегативного атому кисню, в результаті чого атоми водню набувають ефективні позитивні заряди. Таким чином, там, де зосереджені атоми водню, молекула води має невеликий надлишок позитивного заряду, а інша сторона несе слабкий негативний заряд. При цьому між молекулами виникають сили тяжіння, і вони об'єднуються в частково впорядковані групи або структури. Цей процес називається полімеризацією. Зв'язки між молекулами води називаються водневими зв'язками.

Коли температура води збільшується, енергія молекул також зростає, і вони опиняються в стані розірвати водневі зв'язки і відокремитися від утворених груп. Після цього молекули розташовуються між групами і, отже, займають менше місця, що призводить до збільшення щільності води. Створюється враження, що баланс між цим ефектом і нормальним розширенням речовини, яке відбувається зі збільшенням температури, досягається в прісній воді при 4 ° С. Нижче 4 ° С превалює цей ефект, а при температурі вище 4 ° С основну роль грає звичайне термічне розширення. Точно так само зменшення в'язкості зі збільшенням тиску при низьких температурах означає, що вода при цих температурах має структурою, яка перешкоджає течією, але яку можна зруйнувати, підвищуючи тиск.

Вода - дуже ефективний розчинник, і це її властивість, принаймні, частково, можна пояснити присутністю електричних зарядів на молекулах води. Наявні в розчині окремі іони, наприклад в розчині хлористого натрію катіон натрію Na ⁺ або аніон C 1 ^-, притягують протилежні заряди молекул води. Однак це руйнує структуру води і змінює деякі її фізичні властивості: точка замерзання знижується (ця властивість використовується тоді, коли обмерзлі дороги, щоб розтанув лід, посипають сіллю), менше стає і температура, при якій досягається максимальна щільність.

Коли вміст солей у воді досягає приблизно 25 г / кг, температура води максимальної щільності і точка замерзання збігаються в області близько - 1,3 ° С. Якщо ж вміст солей у воді ще вище (наприклад, в океані), щільність води буде зростати із зменшенням температури, поки не досягне точки замерзання.

Іншими особливими і дуже важливими властивостями води є високі величини її поверхневого натягу, питомої теплоємності і прихованої теплоти плавлення і кипіння.

Поверхневий натяг вимірюється силою, необхідної, щоб розірвати поверхню рідини. Вона зумовлюється силами зчеплення між молекулами рідини, і немає нічого дивного в тому, що для води ця сила порівняно велика. Є тільки одна речовина, яка, перебуваючи в рідкому стані при температурі поверхні Землі, має більш високим поверхневим натягом, ніж вода: це ртуть. Поверхневий натяг води - важлива властивість, що приводить до утворення крапель в атмосфері і дуже маленьких капілярних хвиль на поверхні океану, а також до капілярного переносу води в грунтах і тканинах живих організмів.

Високі питома теплоємність і схована теплота плавлення води життєво важливі для збереження теплової енергії та запобігання сильних коливань температури. Питома теплоємність води, яка визначається кількістю тепла, необхідного для збільшення температури одиниці її маси на один градус Цельсія, найбільш висока серед всіх твердих і рідких речовин, за винятком аміаку. Велика частина цієї теплової енергії укладена у зв'язках між сусідніми молекулами води, які можна образно уявити собі у вигляді пружних ниток, що зв'язують молекули. Чим більше енергії буде повідомлено воді, тим сильніше буде коливання молекул і температура буде підніматися. Проте ці коливання сильно обмежені дією ниток. Зрештою молекули можуть зовсім розірвати існуючі між ними зв'язки і перейти з рідкого стану в газоподібний, тобто на водяну пару.

Щоб зовсім розірвати нитки зв'язків, потрібно, однак, дуже велика енергія: при 20 ° З однієї і тієї ж енергії достатньо, щоб або збільшити температуру 585 кг води на 1 ° С або ж щоб випарувати 1 кг води. Біля води прихована теплота випаровування вище, ніж у будь-якої іншої речовини. Якщо водяна пара перейде в рідкий стан, його прихована теплота вивільниться. Щоб вода замерзла і стала льодом, вона повинна втратити все тепло, тоді молекули будуть мати значно меншою енергією і будуть розташовуватися у вигляді впорядкованої гратчастої структури льоду. Оскільки між сусідніми молекулами існують зв'язки, як в рідкій фазі, так і в фазі льоду, в цей перехід втягується менше прихованої теплоти, ніж при переході води з рідкого стану в пар. Кількість тепла, яке необхідно, щоб розтопити 1 кг льоду, могло б підняти температуру 80 кг води на 1 ° С. Це також більше, ніж для будь-якого було іншої речовини, за винятком аміаку.

Література

1.Хільмі Г.Ф. Основи фізики біосфери. - Л., 1989

2.Роджер Г. Баррі. Погода і клімат в горах. - Л., 1984

4.Дювіньо П., Танг М. Біосфера і місце в ній людини. - М., 2002

5.Гвоздецкій Н.А. Основні проблеми фізичної географії. - М., 1989