Что такое вода

ВВЕДЕНИЕ

Как появилась вода и сколько ее на нашей планете

Мы не можем прожить без воды и нескольких дней. Между тем долгие столетия люди не только не знали, что она собой представляет, но не знали даже, сколько ее на Земле. И уже совсем было неясно, как появилась она на планете.

Вода была еще до появления человека: есть все основания полагать, что жизнь возникла в водной среде. А до возникновения жизни? Вода - активный созидатель нашей планеты, один из ее основных "строительных материалов". Миллиарды лет назад в холодном газопылевом облаке, со временем сгустившемся, уплотнившемся и ставшем Землей, уже содержалась вода. Скорее всего, она была в виде ледяной пыли. Это подтверждают исследования Вселенной. Установлено, что исходные элементы для образования воды - водород и кислород - в нашей Галактике принадлежат к шести самым распространенным веществам космоса.

Скопления молекул воды и гидроксидных радикалов обнаружены за пределами Солнечной системы. В созвездиях Кассиопеи и Ориона найдены облака, состоящие из молекул воды. Размеры облаков колоссальны - их протяженность в 40 раз превышает расстояние от Солнца до Земли. Нередки случаи падения на Землю остатков кометных ядер - "посланцев" далеких миров. Чаще всего они представляют собой гигантские глыбы льда, смерзшегося с метаном, аммиаком и минеральными частицами. Вес достигших Земли ледяных глыб может достигать сотен килограммов.

Многолетними исследованиями геологических процессов, происходящих на нашей планете, академик АН Украины Н.П. Семененко установил, что именно вода и составляющие ее элементы играли определяющую роль во всей геологической истории Земли. Исследуя содержание кислорода в составе земной коры, ученый сделал вывод, что в образовании протоземли участвовали громадные количества воды. Помимо этого, ее элементы входили в состав основных компонентов исходного облака: водород - в состав гидридов металлов, кислород - в состав оксидов.

Согласно теории академика А.П. Виноградова, протоземное облако постепенно уплотнялось и саморазогревалось. Источником необходимой энергии служили процессы радиоактивного распада и уплотнения первичного вещества планеты. С незапамятных времен в недрах планеты происходят глубинные физико-химические процессы. Там развиваются чудовищные давления и температуры; исходные вещества при этом испытывают сложные превращения. В результате образуются паро- и газообразные соединения, причем большинство из них состоит из воды или составляющих ее элементов. Согласно геохимической модели нашей планеты, созданной Н.П. Семененко, земная кора, состоящая из окисленных пород, является своеобразным кислородным каркасом, а ядро планеты слагают гидриды нескольких металлов и частично карбид железа. В зонах самых высоких давлений и температур выделяются, преимущественно, водород и углеводороды. Дальше от центра планеты эти вещества взаимодействуют с окисленными породами - образуются водяной пар и углекислый газ. Эти соединения постоянно выделяются на поверхность через жерла вулканов, через всевозможные наземные и подводные трещины и разломы земной коры.

По подсчетам Н.П. Семененко, за всю историю существования Земли на ее поверхность таким образом выделилось около 3,4·109 км3 воды. Треть этого количества в парообразном состоянии покинула поверхность планеты, а под воздействием Солнца значительная часть фотодиссоциировала на водород и кислород.

Остальная масса воды, очевидно, постепенно составила гидросферу. Появившись на поверхности планеты таким сложным путем, вода не стала инертной, пассивной средой. Вместе с парами воды выделялись не только оксиды углерода, но и соединения азота, фосфора, серы, которые вместе с кислородом, углеродом и водородом составляют химическую основу жизни. Наиболее благоприятные условия для появления и развития жизни создались в водной среде. "Именно вода гидросферы явилась той обязательной, незаменимой средой, в которой происходило формирование наиболее сложных органических соединений, послуживших в дальнейшем материалом для построения тел живых существ. Вода и сейчас является наипростейшим, но количественно преобладающим химическим компонентом "живой материи" - всей совокупности организмов, населяющих нашу планету!", - так оценивает роль воды в возникновении биосферы биохимик А.И. Опарин.

В настоящее время подсчет количества воды на Земле выполнен со всей точностью, доступной современной науке. Эту работу ученые проделали в рамках программы Международного гидрологического десятилетия 1964-1974 гг. Результаты этой работы опубликованы в многотомном труде "Мировые водные ресурсы и водный баланс земного шара". Установлено, что гидросфера - океаны, моря, реки, озера, болота, атмосферная влага - измеряется внушительной величиной - 1,385*10 ⁹ км ³ воды, или 1,4*10 ¹⁹ т. Три четверти поверхности планеты покрыто водой.

Космонавты неоднократно отмечали, что из космоса Земля выглядит голубой планетой с относительно небольшими вкраплениями суши. Голубая планета? Пожалуй, не планета, а только ее тонкая оболочка. Если распределить всю воду равномерно по поверхности земного шара, средний радиус которого 6370 км, получится пленка толщиной менее 3 км. Не много воды в общем объеме планеты. К тому же, основную часть нашего водного потенциала составляет вода, которой не напьешься, не используешь ни в промышленности, ни в сельском хозяйстве, ни в быту. 97,75% или 1,338*10 ⁹ км ³, - это соленые воды океанов и морей. Остальные 2,25% - пресные воды, однако, половина их - 24*10 ⁶ км ³ - "законсервирована" в виде ледяных гигантских шапок Антарктиды, Арктики, Гренландии, высоких гор в различных районах Земли. Примерно столько же воды - 23,4*10 ⁶ км ³ - скрыто от людских глаз в толще земной коры. Это подземные воды. Объем доступной пресной воды исчисляется уже не миллионами, а тысячами кубических километров. Больше всего пресной воды на земной поверхности накоплено в озерах -176,4*10 ³ км ³. Если на мгновение задержать течение всех рек земного шара, то оказалось бы, что в их руслах одновременно находится 2120 км³ воды.

Истоки множества рек, больших и малых, находятся в болотах, которые содержат 10300 км³ пресной воды. 13000 т воды содержится в ближайших к земной поверхности слоях атмосферы. На высоте до 1 км концентрация водяного пара в воздухе в среднем составляет 2%.

Вот, пожалуй, и вся вода, на которую может реально рассчитывать человечество теперь и в ближайшем будущем.

Так ли проста вода

"Простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом", - такое определение воды дает Краткая химическая энциклопедия. Все верно, только простейшее в химии - это далеко не простое.До XIX века люди не знали, что вода - химическое соединение. Ее считали обычным химическим элементом. Лишь в 1805 году Александр Гумбольдт и Жозеф Луи Гей-Люссак установили, что вода состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода и один кислорода.

После этого свыше ста лет все и всюду считали, что вода _ индивидуальное соединение, описываемое единственно возможной формулой H₂O.

Недостаточность этого положения выяснилась лишь в 1932 году. Мир облетела сенсация: кроме воды обычной, в природе существует еще и тяжелая вода. В молекулах такой воды место водорода занимает его тяжелый изотоп - дейтерий.

Тяжелую воду открыли американские физики Гаральд Юри и Эльберт Осборн. В 1933 году американец Герберт Льюис совместно с Ричардом Макдональдом впервые выделили ее в чистом виде.

В небольших количествах тяжелая вода постоянно и повсеместно присутствует в природных водах, внешне совершенно не отличаясь от обычной воды. Различить их можно лишь по физическим характеристикам. В молекулу тяжелой воды входят атомы не легкого водорода - протия (¹H), а его изотопа - дейтерия (²D), атом которого на единицу тяжелее протиевого, следовательно, молекулярный вес тяжелой воды на 2 единицы больше: 20, а не 18.

Формула тяжелой воды D₂O. Она на 10% плотнее обычной, ее вязкость выше на 23%. Она кипит при 101,42 oС, а замерзает при +3,8 oС.

Такие особенности позволяют понять не равномерность содержания тяжелой воды в тех или иных природных водах. Например, в замкнутых водоемах ее больше, так как по сравнению с обычной водой она испаряется менее интенсивно. Поэтому тяжелой воды больше в местностях с жарким климатом. Обогащается дейтерием и поверхность океана на экваторе и в тропиках, тем более что свою лепту вносят частые атмосферные осадки, при образовании которых идут процессы конденсации воды из паровой фазы (см. далее), а тяжелая вода конденсируется быстрее, чем легкая, следовательно, осадки обогащены тяжелой водой. Однако для океанской поверхности повышенное содержание тяжелой воды характерно лишь на низких широтах.

Вблизи полюсов свои особенности. В высоких южных широтах (в Антарктике) океанские воды заметно "легче". В этом сказывается влияние талых вод антарктических айсбергов, которые отличаются наиболее низким содержанием дейтерия на планете. Невелика доля дейтерия и во льдах Гренландии, тем не менее, океанские воды высоких северных широт обогащены тяжелой водой. Тут сказывается таяние "тяжелых" арктических льдов.

Собственно тяжелая вода D₂O в природе находится в ничтожных количествах - в миллионных долях процента. Преобладает ее разновидность, состав которой можно выразить формулой HDO.

Тяжелая вода - очень важное промышленное сырье, эффективный замедлитель быстрых нейтронов. Поэтому уже сейчас ее широко применяют в различных реакторных установках. А в будущем тяжелая вода может стать сырьем для термоядерной энергетики: 1 г дейтерия при термоядерном распаде дает в 10 млн. раз больше энергии, чем 1 г угля при сгорании. В Мировом океане содержится 10¹⁵ тонн HDO.

Открытия последних лет показали, что тяжелая вода играет немалую роль в биологических процессах. Это и понятно, ведь она является постоянной и повсеместной примесью природных вод. Систематическое изучение ее воздействия на животных и растения начато сравнительно недавно. Различные исследователи независимо друг от друга установили, что тяжелая вода действует отрицательно на жизненные функции организмов; это происходит даже при использовании обычной природной воды с повышенным содержанием тяжелой воды.

Подопытных животных поили водой, 1/3 часть которой была заменена водой состава HDO. Через недолгое время начиналось расстройство обмена веществ животных, разрушались почки. При увеличении доли тяжелой воды животные погибали. На развитие высших растений тяжелая вода также действует угнетающе; если их поливать водой, на половину состоящей из тяжелой воды, рост прекращается. Пониженное содержание дейтерия в воде стимулирует жизненные процессы. Такие данные получили Б.И. Родимов и И.П. Торопов. Они долгое время наблюдали за растениями и животными, потреблявшими воду, в которой содержалось дейтерия на 25% ниже нормы. Оказалось, что, потребляя такую воду, свиньи, крысы и мыши дали потомство, гораздо многочисленнее и крупнее обычного, яйценоскость кур поднялась вдвое, пшеница созрела раньше и дала более высокий урожай.

Первые результаты изучения тяжелой воды показывают, сколько необычных свойств таит такое обыкновенное вещество, как вода.

Открытие тяжелой воды послужило толчком к выяснению фракционного состава воды. Вскоре была обнаружена сверхтяжелая вода Т₂0. В ее составе место водорода занимает его природный изотоп, еще более тяжелый, чем дейтерий. Это тритий (Т), он радиоактивен, атомная масса его равна 3. Тритий зарождается в высоких слоях атмосферы, где идут природные ядерные реакции. Он является одним из продуктов бомбардировки атомов азота нейтронами космического излучения. Ежеминутно на каждый квадратный сантиметр земной поверхности падают 8...9 атомов трития. В небольших количествах сверхтяжелая (тритиевая) вода попадает на Землю в составе осадков. Во всей гидросфере одновременно насчитывается лишь около 20 кг Т₂0. Тритиевая вода распределена неравномерно: в материковых водоемах ее больше, чем в океанах; в полярных океанских водах ее больше, чем в экваториальных. По своим свойствам сверхтяжелая вода еще заметнее отличается от обычной: кипит при 104 oС, замерзает при 4...9 oС, имеет плотность 1,33 г/см³.

Сверхтяжелую воду применяют в термоядерных реакциях. Она удобнее дейтериевой, так как чувствительнее в определении.

Перечень изотопов водорода не кончается тритием. Искусственно получены и более тяжелые изотопы ⁴H и ⁵H, тоже радиоактивные.

Таким образом, возможно существование молекул воды, в которых содержатся любые из пяти водородных изотопов в любом сочетании. Этим не исчерпывается сложность изотопного состава воды. Существуют также изотопы кислорода. В периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева значится всем известный кислород ¹⁶O. Существуют еще два природных изотопа кислорода - ¹⁷O и ¹⁸O. В природных водах в среднем на каждые 10 тысяч атомов изотопа ¹⁶O приходится 4 атома изотопа ¹⁷O и 20 атомов изотопа ¹⁸O.

По физическим свойствам тяжелокислородная вода меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная. Получают ее в основном перегонкой природной воды и используют как источник препаратов с меченым кислородом.

Помимо природных, существуют и шесть искусственно созданных изотопов кислорода. Как и искусственные изотопы водорода, они недолговечны и радиоактивны. Из них: ¹³O, ¹⁴O и ¹⁵O - легкие, ¹⁹O и ²⁰O - тяжелые, а сверхтяжелый изотоп - ²⁴O получен в 1970 году. Существование пяти водородных и девяти кислородных изотопов говорит о том, что изотопных разновидностей воды может быть 135. Наиболее распространены в природе 9 устойчивых разновидностей воды

Если таблица не помещается, прокрутите её по горизонтали ↔

Основную массу природной воды - свыше 99% - составляет протиевая вода - ¹H₂¹⁶O. Тяжелокислородных вод намного меньше: ¹H₂¹⁸O - десятые доли процента. ¹H₂¹⁷O - сотые доли от общего количества природных вод. Только миллионные доли процента составляет тяжелая вода D₂O, зато в форме ¹HDO тяжелой воды в природных водах содержится уже заметное количество.

Еще реже, чем D₂O, встречаются и девять радиоактивных естественных видов воды, содержащих тритий:

Если таблица не помещается, прокрутите её по горизонтали ↔

Со всей научной строгостью классической водой следует считать протиевую воду ¹H₂¹⁶O в чистом виде, то есть без малейших примесей остальных 134 изотопных разновидностей. И хотя содержание протиевой воды в природе значительно превосходит содержание всех остальных вместе взятых видов, чистой ¹H₂¹⁶O в естественных условиях не существует. Во всем мире такую воду можно отыскать лишь в немногих специальных лабораториях. Ее получают очень сложным путем и хранят с величайшими предосторожностями. Для получения чистой ¹H₂¹⁶O ведут очень тонкую, многостадийную очистку природных вод или синтезируют воду из исходных элементов ¹H₂ и ¹⁶O₂, которые предварительно тщательно очищают от изотопных примесей.

Такую воду применяют в экспериментах и процессах, требующих исключительной чистоты химических реактивов.

Формально протиевую воду можно было бы назвать легкой водой, но чистая ¹H₂¹⁶O - редкость. Поэтому рабочим эталоном легкой воды считают смесь разновидностей воды состава ¹H₂¹⁶O, ¹H₂¹⁷O и ¹H₂¹⁸O, взятых в том же соотношении, в котором присутствуют в воздухе соответствующие изотопы кислорода. Получается, что, широко оперируя понятием "легкая вода", мы не можем представить ее однородной формулой. Термин "тяжелая вода" на практике также не имеет эквивалента. Вода, отвечающая формуле D₂¹⁸O, которую как раз и следовало бы считать тяжелой настоящей водой, фактически заменяется смесью разновидностей воды с постоянной водородной частью (здесь это дейтерий) и с содержанием изотопов кислорода в соответствии с изотопным составом воздуха.

Вот какое непростое это "простейшее соединение" - вода. В дальнейшем, говоря о воде и называя ее общепринятую формулу Н₂ O, будем иметь в виду, что состав воды, даже полностью освобожденной от минеральных и органических примесей, сложен и многообразен.

Пресные воды земли

Голубые артерии

Реки являются значительной частью ресурсов пресной воды. Вследствие непрерывной возобновляемости и легкодоступности именно речные воды наиболее пригодны для использования человеком. В развитии человеческого общества их роль чрезвычайно велика, так как хозяйственная деятельность без них практически невозможна. Реки служат путями сообщения, их используют для создания оросительных систем, они являются источниками механической энергии, водоснабжения и, особенно в последнее время, служат незаменимыми поставщиками пресной воды для промышленности. По континентам ресурсы речных вод распределены неравномерно: в Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% мировых запасов речных вод. СНГ по общему объему речного стока значительно богаче всех крупнейших государств мира, но показатель удельной водообеспеченности (на единицу площади) этих государств в среднем в полтора раза ниже мирового. В среднем территория СНГ по водообеспеченности оценивается как удовлетворительная. ... ... ... ... Большое значение для функционирования рек имеют атмосферные осадки, которые образуются в результате испарения влаги из океана и суши. При этом непосредственное питание рек осуществляется дождями, при таянии снегового покрова, талыми водами ледников, а также подземными источниками, которые в значительной мере обязаны своим образованием атмосферным осадкам.

Устойчивая снежная зима, характерная для большей части территории нашей страны, является причиной того, что большинство рек получают в основном снеговое питание, и паводок у них наступает весной. Это обусловливает очень сложный состав паводковых вод, так как в течение долгих зимних месяцев из атмосферы в бассейн реки поступают с осадками самые различные вещества. Пылевидные промышленные выбросы, продукты сгорания угля и нефти, облака вулканической пыли и т.п. непосредственно попадают в водоемы или оседают на сушу и постепенно смываются в водоемы. А на территориях со снежным покровом все эти осевшие частицы накапливаются и в половодье в течение короткого времени сносятся в реки и озера, изменяя в них состав воды. Хотя подобное изменение в основном непродолжительно, оно усложняет работу водоочистных сооружений, требует специальных мероприятий в рыбном хозяйстве и т.д. Реки снегового питания, особенно восточно-сибирские, как правило, имеют низкое солесодержание (так называемый малый ионный сток), вода в них мягкая, маломинереализованная. Во многом это объясняется типом промытых подзолистых грунтов, по которым они протекают, а также полноводностью.

В районах с обильными дождевыми осадками паводки в основном бывают дождевого происхождения и, как правило, приурочены к дождевому сезону (например, в бассейне Амура - летом, в период летних муссонов, в Средиземноморском бассейне - зимой, в Малой Азии - весной, в бассейнах Нигера и Амазонки - осенью). При дождевых паводках, в отличие от снеговых, чаще и резче колеблются уровни рек, причем пики этих показателей многочисленны, но кратковременны. Соответственно изменяется и содержание в речной воде минеральных, а также природных органических веществ и ядохимикатов, смываемых с полей дождевыми потоками. У горных рек, берущих начало от ледников и многолетних снежников, половодье приурочено к летнему времени. Именно в эту пору года достигает максимума таяние снега и льда. Следует отметить, что такой режим рек важен в хозяйственном отношении: зачастую реки находятся в засушливых зонах с устойчивым теплым климатом и широко используются для орошения, когда потребность в воде наибольшая (например, большая часть стока Амударьи и Сырдарьи). Особый интерес представляют полярные реки такого типа. В Гренландии, например, есть реки, текущие в ледовом ложе. Обнаружили их и в Антарктиде. "Жизнь" таких рек длится всего несколько месяцев и совпадает с периодом летнего таяния снега. Это наименее минерализованные реки в мире. На острове Шпицберген есть поселок Пирамида. Там в водопровод поступает почти дистиллированная вода прямо из речки, текущей по леднику Бертиль. Зимой для "стимулирования" речки, в ледяную, пещеру подают пар от небольшой ТЭЦ, а недостаток в воде минеральных веществ жители поселка восполняют употреблением йодированной соли. Наиболее стабильны уровни рек, образующихся из мощных источников глубинных подземных вод, а также вытекающих из крупных озер. Они отличаются постоянством минерального состава и почти полным отсутствием (у истоков) микрофлоры. К сожалению, в Европе подземный сток на единицу площади вдвое ниже среднего показателя для всех континентов. Поэтому так маловодно большинство рек стран СНГ в межень (сухое или холодное время года), именно в тот период, когда они имеют возможность пополняться главным образом за счет подземных вод. Главные резервы

Большая часть запасов пресных вод стран СНГ сосредоточена в озерах, которых насчитывается около 2 млн. 800 тыс. Суммарная их площадь составляет 2% территорииы. В целом на нашей планете запасы пресных озерных вод оценивают в 176000 км. Многие современные озера были образованы в результате отступления ледников в период последнего оледенения. Таково происхождение Ладожского, Онежского, а также пяти Великих Американских озер. Глубочайшие озера возникли там, где образовались провалы в результате разломов и опускания земной коры. Самое глубокое озеро на планете - Байкал (1620 м), затем африканское озеро Танганьика (1470 м). Большую глубину имеют "круглые озера", располагающиеся в кратерах потухших вулканов и карстовых воронках. Очень живописные, чистые и глубокие озера нередко образуются в горах в результате катастрофических горных обвалов (например, Рица на Кавказе, Сарезское озеро на Памире). Дата рождения Сарезского озера известна совершенно точно - 8 февраля 1911 г. В этот день в верхнем течении реки Мургаб в воду обрушились миллиарды кубометров скальных глыб. Образовалась естественная набросная плотина высотой 600 м и началось формирование озера. Через три года оно стабилизировалось и получило постоянный сток путем фильтрации вод через тело плотины.

Естественная плотина с честью выдерживает давление массы воды весом свыше 20 млрд. т. "Сарез" по-таджикски означает "льющий на голову". Озеро площадью 100 км² грозно нависает над нижележащими поселками. За озером постоянно наблюдают ученые. По предварительным расчетам оно будет вполне безопасным, если его уровень искусственно снизить на 100 м. Избыток воды может быть эффективно использован для орошения плодородных земель Горно-Бадахшанской автономной области и получения электроэнергии. Среди пресных озер особое положение занимает Балхаш, Не будучи вполне пресным, это озеро не может считаться и соленым. Естественная дамба почти полностью разделяет его на две части. В западной содержится пресная вода, в восточной - соленая. Обе части неодинаковы по составу населяющих их живых организмов.

Озеро Могильное, расположенное на острове Кильдин в Кольском заливе, отгорожено от Баренцева моря естественной дамбой, сложенной из пересыпанных песком валунов, плиток песчаника и гальки. Дамба поддерживает равновесие между поступающими в озеро соленой морской водой и пресной водой из атмосферы и с суши. По минеральному составу это уникальное озеро напоминает слоеный пирог: до глубины 4 м вода в нем пресная, затем соленость воды резко возрастает, и на глубине 7 м вода в озере содержит почти столько соли, как вода Баренцева моря. На глубине 13 м в озере накапливаются сероводород, метан и углекислый газ. Тонкий слой воды на границе сероводородной зоны окрашен в красивый розовый цвет. Это результат жизнедеятельности фотосинтезирующих серобактерий, не пропускающих ядовитый сероводород в верхние слои воды. Минеральному составу озера соответствует распределение его обитателей: здесь широко представлены обычно не встречающиеся в одном водоеме пресноводные и морские растения и животные. Благодаря такому сосуществованию, они во многом отличаются от родственных особей, живущих в типичных условиях, и служат объектом научных исследований. Однако озеру и его обитателям наносится большой урон: оно все больше загрязняется отходами, содержащими моющие средства и нефтепродукты. Озеро Могильное не должно остаться безнадзорным, чтобы не оправдалось его печальное название. В районах повышенной влажности, где поступление воды намного превышает ее расход на испарение, озера становятся проточными, давая начало рекам. Своеобразен Байкал: принимая в себя несколько сот больших и малых рек, он "выпускает" лишь одну Ангару, мощную, стремительную. В засушливых районах озера преимущественно бессточные, настолько велико испарение с их поверхности.

Как и реки, озера распределены крайне неравномерно. Большинство их находится на северо-западе европейской части стран СНГ, в Западной Сибири и Северном Казахстане. Преимущественно это небольшие водоемы. Основная масса пресной воды - 26000 км³ - сосредоточена в 16 крупнейших озерах (Байкал, Ладожское, Онежское и др.). На долю одного только Байкала приходится 88% всего запаса пресной воды. Байкал, словно естественный колоссальный биофильтр, производит чистейшую питьевую воду. Молевой сплав леса больше не практикуется, и русла крупных рек, впадающих в Байкал, на протяжении 700 км расчищены от затонувшей древесины. Приняты меры и по предотвращению загрязнения озера нефтесодержащими отходами с судов. Для этого созданы пункты приема отходов и балластных вод, а сброс их в озеро не допускается. Качество байкальской воды непрерывно контролируется гидрометеослужбой. На берегах озера созданы два заповедника и десятки заказников, где сохраняется и изучается около 2000 видов растений и животных. Развернутая программа охраны и рационального использования уникального водоема позволит сберечь Байкал для будущих поколений. У большинства озер вековые запасы воды крайне медленно возобновляются: в среднем 1,5% в год от общего запаса, а у Байкала - лишь 0,3%. Постепенная деградация озер зависит от интенсивности смыва с полей соединений фосфора и азота - составной части удобрений, от поступления сточных вод, содержащих минеральные и органические загрязнения, а также от отложения остатков растений и животных. В результате этих процессов озера загрязняются, падает их биологическая продуктивность, изменяется режим. Озера либо превращаются в болота, либо погибают. Немалую роль при этом играет продолжительный сброс ядовитых промышленных стоков. Естественные же процессы формирования озер, особенно бессточных, обычно приводят к их постепенному перерождению в болота.

Болото болоту рознь

Болота, или застойные водоемы, также вносят свою лепту в общий круговорот воды. Несмотря на то, что площадь одних только торфяных болот во всем мире составляет более 1*10⁶ км³ , в настоящее время возникла серьезная проблема охраны болот. С этой целью, а также для изучения перспективы их рационального использования в 1967 году в рамках ЮНЕСКО была создана специальная международная организация, объединяющая ученых 18 стран. Темпы осушения болот настолько высоки, что во многих местах это грозит их полным исчезновением. Однако такой исход совершенно недопустим. В этом убеждают и экономические аспекты: например, по американским данным, одна лишь сдача в аренду охотничьих угодий на болотах, с хижинами и шалашами, дает большую прибыль, чем превращение этих болот в сельскохозяйственные территории. Обычно на болотах в изобилии водятся сотни видов птиц, ценные пушные звери (нутрии, ондатры). Нередко болота представляют собой великолепные ягодники: там без всякого применения человеческого труда и удобрений растут клюква, морошка.

Болота являются единственным источником и кладовой неоценимого богатства - торфа. На торфе работают электростанции. Торф - важнейшее химическое сырье для получения минерально-аммиачных удобрений, спиртов, кислот, красителей. Лекарствами, приготовленными из торфа, лечат глазные болезни, ожоги, воспалительные процессы. Трудно переоценить роль болот в природном равновесии. Особенно велико значение так называемых верховых болот. В них, как в огромной губке, накапливается избыток влаги, расходующийся в течение лета на питание ручьев и рек, на поддержание влажности воздуха. Там, где верховые болота непродуманно поторопились осушить, сразу снизился уровень грунтовых вод, обмелели реки, превратились в бесплодные солончаки заливные луга. Таким образом, болота как природные объекты представляют собой большую ценность. Круговорот воды в болотах в десятки раз медленнее по сравнению с реками или проточными озерами, и отравление, гибель болот вместе со всем их неповторимым растительным и животным миром может наступить быстро и необратимо. Величественный Днепр зарождается во мхах небольшого болота на севере Смоленской области. Запасы днепровской воды существенно пополняются в Починковском лесничестве, где реку питает заболоченный массив общей площадью 1400 га. Поддержанию водного режима Днепра способствует создание на всем его протяжении водоохранной зоны шириной 50...300 м. По-хозяйски используют болота и в Литве. Здесь на болотистых территориях учреждено 32 клюквенных заказника, запрещены мелиоративные работы и торфодобыча. Неоценимую пользу приносит не только рациональное освоение природных богатств болот, но и изучение процессов, протекающих в них. Бесструктурные, водонепроницаемые пластичные слои почвы болотного дна (их называют глеевыми) образуются в природных условиях при активном участии микроорганизмов. Это подсказало ученым пути повышения накопительной способности искусственных водоемов. На основании изучения природных процессов глееобразования был предложен простой и дешевый биохимический метод, позволяющий значительно уменьшить влагопроницаемость искусственных водоемов и снизить потери воды. Этот метод был применен. На почве дна котлованов или канав бульдозером распределяли отходы сельскохозяйственного производства, богатые клетчаткой: солому, сорняки, ботву картофеля и т.п., насыпали слой грунта толщиной 15...20 см и заливали эту площадь водой. В таком своеобразном слоистом экране растительное вещество служит питательной средой для анаэробных бактерий. В процессе жизнедеятельности, отнимая кислород от почвенных частиц, эти бактерии изменяют структуру почвы и способствуют образованию водонепроницаемого слоя. Уже через два месяца появляется глеевый слой толщиной до 5 см, а через три года - до 35 см, и просачивание воды в грунт практически прекращается. Так "прирученные" бактерии помогают сохранить сотни миллионов кубометров воды.

Дальнейшее изучение таких сложных экологических систем, как болота, позволит биологам, гидрологам, почвоведам сделать вклад, имеющий существенное практическое значение. Благоприятную почву для этого создает включение территорий болот в состав заказников и заповедников.

Искусственные моря

Искусственные водоемы - водохранилища и речные моря - начинают играть в гидрографической сети стран СНГ все большую роль. Сейчас в них насчитывается около 1150 крупных водохранилищ. По площади водного зеркала такие водоемы намного превосходят большинство наших природных озер. Общий полезный объем искусственных водохранилищ достигает 500 км³. Для всех водохранилищ мира эта величина составляет 2300 км. По гидрологическому режиму водохранилища являются водоемами замедленного водообмена; питают их воды основной реки и ее притоков. Водохранилища предназначаются, прежде всего, для выравнивания стока (зарегулирования), а также служат для целей гидроэнергетики, орошения и др. Таким образом, создание водохранилищ позволяет более рационально использовать водные ресурсы в различных отраслях промышленности, способствует широкому развитию обводнения в засушливых районах. Однако зарегулирование стока рек плотинами и образование водохранилищ имеют и немалые отрицательные последствия для водного хозяйства в целом. Сокращается водообмен; свойственный рекам транзитный тип природного круговорота превращается в практически замкнутый, характерный для озер, поскольку снижается скорость течения, уменьшается мутность воды, существенно изменяется гидрохимический режим. К каким непредвиденным последствиям это может привести, показывает, например, неожиданный сдвиг экологического равновесия в бразильских водоемах. Издавна в реках и озерах северо-востока Бразилии водились мелкие рыбы пираньи, снискавшие недобрую славу безжалостных хищников. Нападая всегда стаями, они в считанные минуты могут обглодать до скелета даже крупное млекопитающее, случайно оказавшееся в водоеме. В последние годы наблюдается настоящее нашествие пираний. Основная причина этого - создание широкой сети гидростанций, что привело к появлению большого количества водоемов, скудно насыщенных кислородом, с относительно медленным течением. Такие водоемы - удобная среда для пираний. Вместе с тем значительно ухудшились условия обитания ценной промысловой рыбы дорадо, которая любит быстрые чистые воды. Сдвигу экологического равновесия способствовали и дикие утки, численность которых также возросла на новых мелководьях. В их рацион входит икра пираний, откладываемая у корней водорослей. Часть икринок, прилипая к лапкам и крыльям уток, переносится в другие водоемы, где раньше пираньи не водились.

Чтобы избавиться от напасти, бразильские зоологи пытались разводить другую хищницу - рыбу тукунаре, но ей не подошла температура многих водоемов; пробовали переселить тигровую рыбу из далекого африканского озера Карибу, но та оказалась еще более прожорливой, чем пираньи, и из боязни новых нежелательных последствий опыты с ней были приостановлены. Теперь пытаются искусственно насыщать некоторые водоемы кислородом с помощью компрессорных установок. Однако техническая деятельность человека, направленная на преобразование поверхности Земли, может привести и к крайне нежелательным последствиям. Когда создание водохранилищ и оросительных систем проводится недостаточно продуманно, почвы заслоняются, значительные территории заболачиваются, а по берегам водохранилищ интенсивно развиваются оползни и обвалы. В СНГ, где многие водохранилища созданы на равнинных реках, возникла проблема мелководий. Их площадь составляет уже около 1 млн. га. Фактически мелководья не играют существенной роли в накоплении запасов воды. Но под ними заняты обширные сельскохозяйственные угодья, они подтапливают окружающие земли. Мелководья, а затем и водохранилища в целом стали ареной нашествия микроскопических растений - сине-зеленых водорослей. По урону, который они наносят, эти крошечные организмы ничуть не лучше зубастых бразильских пираний. Из сотен видов сине-зеленых водорослей девять вызывают сильнейшее загрязнение, называемое цветением воды. Осуществляемое в широких масштабах зарегулирование крупнейших рек, в частности Днепра и Волги, создало для цветения воды неограниченные возможности. Идеальная среда обитания сине-зеленых водорослей - обширные, хорошо прогретые солнцем, слабопроточные мелководья, обогащенные фосфором и азотом органических веществ, содержащихся в дождевых смывах с почвы. Именно такие условия эти водоросли нашли в водоемах зарегулированных рек.

Порой микроскопические водоросли размножаются настолько бурно, что все водохранилище затягивается слизистой пленкой. Отмирая, сине-зеленые водоросли приносят настоящее бедствие: в воду в большом количестве поступают фенолы, индол, скатол, другие ядовитые вещества и продукты их разложения. Рыбы покидают такие водоемы, вода в них становится непригодной даже для рекреационных целей. Изыскиваются эффективные способы борьбы с сине-зелеными водорослями. Применяют и специальные ядохимикаты, убивающие водную флору. Под действием минеральных коагулянтов, применяющихся также для осветления и очистки воды, идущей в водопроводную сеть, водоросли необратимо слипаются в комки. Найдены вирусы, для которых сине-зеленые водоросли являются желанным блюдом. Перспективно и применение специальных всасывающих устройств, извлекающих водоросли из воды, после чего их используют как удобрения для полей или как промышленное сырье, потому что эти водоросли содержат до 50% белка, большое количество витамина B и другие ценные компоненты.

Что таится в недрах

Значительная часть воды на нашей планете скрыта под ее поверхностью. С давних времен эту воду называли подземной. Так ее называют и теперь, хотя правильнее было бы характеризовать ее как внутриземную или подпочвенную. Лишь относительно малая доля такой воды выходит на поверхность в виде тихих ключей, горных ручейков или бурных пароводяных фонтанов - гейзеров. Основные же массы ее тысячелетиями накапливаются в невидимых кладовых, стиснутые между водоупорными слоями, пока не откроется где-либо свободный выход или не выпустит их на простор дерзкое вмешательство человека. Верхняя граница подземных вод проходит на различных глубинах - от нескольких метров до нескольких десятков и сотен метров. Ниже этой границы почти все поры и трещины в горных породах заполнены водой, за исключением отдельных участков нефтяных и газовых месторождений, где поры и трещины заняты нефтью и газом. По расчетам в верхней пятикилометровой толще земной коры на континентах содержится 84,4*10⁶ км³ воды. Из них 60*10⁶ км³ составляет свободная (гравитационная) вода, способная передвигаться под влиянием силы тяжести.

Во всей земной коре содержится около 1,5*10⁹ км³ воды, что соизмеримо с объемом Мирового океана.

Подземные воды - это единственный вид полезных ископаемых, запасы которых могут возобновляться в процессе эксплуатации, поскольку они являются сложной динамической системой, взаимодействующей с окружающей средой. Поэтому запасы подземных вод подразделяются на статические (так называемые вековые воды) и динамические (возобновляемые). Эксплуатационные запасы подземных вод определяются расходом, который может быть постоянно получен за единицу времени. Мировые динамические запасы подземных вод составляют 12000 км³, в том числе для СНГ - 880 км³. Это подземные воды так называемой зоны активного водообмена, которые дренируются реками и создают устойчивую часть речного стока. Ниже уровня дренажа рек предполагается наличие не менее 9/10 общего запаса вековых подземных вод, имеющих очень слабую активность водообмена. О ресурсах пресных подземных вод можно судить по величине подземного стока в реки. Для стран СНГ этот сток превышает 30000 м³/с, что составляет почти четверть общего речного стока. На территории нашей страны пресные под земные воды наиболее распространены в России, а также в Казахстане, где были обнаружены их огромные линзы, по объему равные нескольким Аральским морям. Обширные подземные линзы пресной воды найдены и в странах Средней Азии.

Извечный холодильник

Помимо подземных вод, под обширными пространствами верхних пластов суши распространены еще и подземные льды. Их общая масса оценивается величиной в 500000 км³. Территории, содержащие подземный лед (зоны многолетней мерзлоты), занимают 47% площади России. В толще вечномерзлых грунтов лед заполняет трещины и поры горных пород, выступая в роли своеобразного цемента. В отдельных местах лед образует сплошные залежи в виде пластов и линз, ледяных жил, штоков. Мощность ледяного слоя может достигать 50 м.

В зонах вечной мерзлоты встречаются своеобразные подземные воды - криопеги. Так называются концентрированные подземные рассолы, сохраняющие жидкое состояние при отрицательных температурах. Обычно температура замерзания их не ниже -10 oС, но отдельные зоны жидких рассолов обнаруживали и при -36 oС. Залегая на глубине 200...300 м и имея возможность двигаться в пластах горных пород, криопеги создают природный холодильник, простирающийся в глубь Земли более чем на километр и охватывающий 2/3 Сибирской платформы, острова и побережья Северного Ледовитого океана, включая его шельф. Наличие криопегов весьма осложняет водоснабжение этих районов, затрудняет добычу нефти и газа: при пониженных температурах в глубоких пластах нефть становится очень вязкой, а газ (метан) образует с водой льдоподобные кристаллогидраты. Ученые предсказывают существование мощной криопеговой зоны и под Антарктическим ледяным щитом. Возможно, исследователи в скором времени найдут эффективные пути использования криогенных свойств подземных рассолов, и тогда промышленность получит дешевый природный хладагент в практически неограниченных количествах.

Полезные примеси

Благодаря тому, что воде, находящейся под повышенным давлением, присуща высокая растворяющая способность, подземные воды богаты разнообразными комплексами ионных, молекулярных и коллоидных примесей, зачастую насыщены газами. Самая пресная подземная вода встречается обычно в высокогорных источниках. Иногда содержание солей в ней ниже 0,1 г/л. Подземные рассолы, залегающие под равнинными территориями, отличаются противоположными свойствами: в них содержатся одинаковые по массе количества солей и воды.

Химический состав подземных вод определяют по сочетанию преобладающих ионов: гидрокарбонатно-кальциевые, хлоридно-натриевые и т.п. Степень минерализации подземных вод обычно находится в определенной зависимости от их химического состава. Так, пресные воды - преимущественно гидрокарбонатные. В рассолах средней концентрации (100...150 г/л) чаще всего преобладает хлорид натрия. В более крепких рассолах наряду с ионами хлора содержится также много кальция и магния. С ионным составом подземных вод связано и содержание в них некоторых газов, особенно углекислого. От него зависит карбонатное равновесие (соотношение катионов водорода, кальция и анионов гидрокарбоната и карбоната). Подземные воды повышенной углекислотности агрессивны по отношению к строительным сооружениям, особенно к тем, которые имеют в своем составе бетон.

Фактически подземные воды содержат все элементы периодической системы Д.И. Менделеева, вплоть до редкоземельных. Поэтому они могут являться источником ценного химического сырья. Известно, что еще в XI веке поваренную соль на Руси добывали выпариванием подземных рассолов. Сейчас из подземных вод получают практически весь иод и большую часть брома.

В США и Италии из подземных рассолов, кроме иода и брома, получают борную кислоту, вольфрам, литий, германий. В Чехии из минеральных источников Карповых Вар ежегодно добывают 1300 т глауберовой соли и 800 т соды.

В подземных водах содержатся также органические вещества, выделяющиеся в результате биохимических процессов, которые протекают в верхних слоях почвы, или при контакте с залежами горючих ископаемых.

Недавно установлено, что в подземных водах широко распространены в виде газообразных примесей низшие углеводороды. Особенно много их в пластовых водах нефтегазовых бассейнов. По расчетам ученых только в СНГ в пластовых водах содержится 4000 триллионов кубометров этого ценнейшего сырья. Это в сотни раз больше известных промышленных запасов нефти и газа во всем мире. Подземные воды начинают рассматривать как весьма перспективный источник добычи природного газа. В Японии, например, уже сейчас 30% природного газа получают именно таким путем. Учитывая, что в пластовых водах содержится много других ценных химических компонентов, переработку подземных вод можно осуществлять в виде комплексного многоотраслевого производства, безотходного и высокорентабельного. Как правило, в подземных водах очень слабо представлены микроорганизмы, а содержание болезнетворных бактерий практически исключено. Недаром с давних времен высоко ценилась кристально чистая родниковая вода. Только такую воду подавали по водопроводам в Древний Рим - город с миллионным населением; даже самой чистой речной водой римляне пренебрегали. В то время как пересыхали поля, воду из источников бесконтрольно забирали для города. В эпоху расцвета Рима на каждого жителя приходилось до 1000 л воды в сутки. Никогда и нигде чистейшую питьевую воду не тратили так расточительно, используя ее в банях, купальнях, в бесчисленных.

Подземные воды используются в первую очередь для питьевых целей, потому что, как правило, они не требуют специальной очистки, а в ряде случаев и обеззараживания. Однако стерильность подземных вод таит, как теперь предполагают, и немалую потенциальную опасность. В случае загрязнения артезианская, родниковая или колодезная вода, не имея собственных "сил сопротивления", надолго остается опасной для здоровья человека. Как ни парадоксально, открытые водоемы оказываются в лучшем положении: в них обнаружены вибрионы Штольпа - жгутиковые микроорганизмы. Установлено, что пищей им служат всевозможные микробы, присутствующие в воде, в том числе холерные вибрионы и тифозные палочки. Именно наличием вибрионов Штольпа объясняют могучую способность природных вод к самоочищению. Этих вибрионов, как правило, нет в подземных водах. Поэтому даже незначительное загрязнение таких вод может привести к тяжелым последствиям для людей и домашних животных. Значительная часть подземных вод непригодна для питьевого и хозяйственного водоснабжения вследствие их высокого солесодержания, однако и они находят различное применение. Минерализованные подземные воды с глубокой древности используют в лечебных целях. Их целебное действие во многом определяется повышенным содержанием биологически активных компонентов. В лечебной практике обычно применяют подземные воды с температурой не выше 40 oС.