КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ГИДРОГЕОЛОГИИ. Тема Гидросфера как главный регулятор климатических и геологических процессов на Земле

• Название: Тема Гидросфера как главный регулятор климатических и геологических процессов на Земле
• Дата: 08.02.2022
• Размер: 314.5 Kb.
• Имя файла: КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ГИДРОГЕОЛОГИИ.doc
• Тип: Решение; #354694
• страница: 1 из 7

Тема 1.

Гидросфера как главный регулятор климатических и геологических процессов на Земле

1. Цели и задачи курса

Любое инженерное решение проблем защиты и охраны окружающей среды требует ясных представлений о природной обстановке в регионе и на изучаемом объекте. Для того, чтобы студент научился оценивать эту обстановку, вводится комплексный курс основ гидрогеологии, климатологии и общей геологии, цель которого – помочь будущему специалисту-экологу разбираться в общих особенностях этой обстановки, в значительной степени определяющих экологическую ситуацию на изучаемых объектах и обуслов­ливающих комплекс мероприятий по защите окружающей среды. Основные задачи курса: познакомить студента с главными факторами, определяющими физико-географические условия, геологическое строение участков исследо­ваний и условия распространения и залегания подземных вод, часто являющихся одним из главных объектов природной среды, требующих защиты от загрязнения и истощения.Студент должен научиться: квалифицированно оценивать физико-географические особенности территорий, в частности климатические параметры, результаты метеорологических наблюдений и прогнозов; составить ясное представление о геологическом строении участков работ, в том числе о таких геологических явлениях как карст, оползни и обвалы, суффозия, эрозионная и абразионная деятельность поверхностных и подземных вод; оценивать гидрогеологические особенности участков – распространение водоносных горизонтов и водоупоров, фильтрационные свойства водовмещающих пород, химический состав подземных вод, защищенность водоносных горизонтов.Климатология, геология и гидрогеология объединяются в рамках гидросферы. Вода, как будет показано в курсе, формирует климат, участвует в образовании любой горной породы, является важнейшей составной частью недр Земли. Поэтому теме, связаной с водой, как объединяющей составные части этого курса, уделяется особое внимание.

2. Понятие "гидросфера".

Под гидросферой понимаются все природные воды, вне зависимости от формы их существования. Только при таком понимании понятия "гидросфера" можно подойти к представлениям о единстве природных вод. В Геологическом Словаре дано определение гидросферы как "прерывистой оболочки между литосферой и атмосферой", с которым вряд ли можно согласиться.

Можно выделить 3 части гидросферы: надземную, наземную и подзем­ную.

3. Развитие представлений о воде.

¤ Фалес Милетский – вода как первооснова всего существующего, первичное вещество Вселенной. Наблюдения над полыньей.

¤ Древние культы великих рек. Нил, Ганг, Сена, Волга

¤ Культ воды в древнем Египте

¤Работы лорда Генри Кавендиша (1731-1810). Власть флогистонной гипотезы. Водород, вытесняемый цинком из соляной кислоты как гидрат флогистона; Вода как простой элемент. Установление физических параметров воды.

¤ Работы Антуана Лавуазье (1743-1794). Опыты с окислением раска­ленного железа водяным паром. Синтез воды. Выступление А. Лавуазье и П.Лапласа на заседании Французской Академии 24.6.1793 г – веха в истории изучения воды. Вода была охарактеризована как сложное вещество, которое можно синтезировать из простых газов – водорода (родящего воду) и кислорода (окисляющего вещества). Быстрая реакция на опыты Лавуазье – воздушные шары Жозефа и Этьена Монгольфье (горячий воздух) и Жака Шарля (водород). Гибель Лавуазье.

¤ Работы А.Гумбольта и Ж.Гей-Люссака, (1805 г), установивших соотно­ше­­ние объемов водорода и кислорода 2/1 – Н₂О и молекулярную массу воды –18.

4. Уникальность свойств воды как регулятора природных процессов

¤ Открытие периодического закона Д.И.Менделеева (1869 г). Несоот­вет­­ствие физических параметров воды Периодическому Закону.

¤ Температуры плавления и кипения

Избрание воды для создания температурных шкал. Цельсий (1701-44). Шкала Цельсия –1741 г. Реомюр (1683-1757). Шкала Реомюра 1730 г. Т-ра кипения воды принята за 80^о (1^оС = 5/4^оR). Фаренгейт (1686-1736). Точка таяния льда принята 32^оF, точка кипения воды – 180^оF (t^оС = 5/9 t^оF - 32).

Несоответствие периодическому закону видно из сравнения т-р кипения и плавления водородных соединений элементов группы кислорода. Данные для Н₂Se cнимаются с графика. Для воды видно, что при соответствии периоди­ческому закону температура плавления воды составляла бы около минус 90^о, а т-ра кипения – около -70^о. Вода при “нормальных” условиях была бы токсич­ным дурнопахнущим газом. Жизнь на Земле была бы невозмож­на.

¤ Теплоемкость

Удельная теплоемкость воды – самая высокая из всех жидкостей. И здесь вода принята за эталон: для того, чтобы нагреть 1 г воды на 1^оС надо затратить 1 калорию тепловой энергии (calor – тепло, лат.). Для сравнения: гипс - 0,27, сухая глина 0,22 кал. (1 кал = 4,187 Дж.) Удельная теплоемклсть льда и пара вдвое ниже – 0,5 кал/г^.град. Необычайно велики и скрытые теплоты плавления и парообразования воды – 79 и 539 кал. Таким образом, чтобы перевести 1г льда с температурой 0^оС в пар надо затратить 79+100+539 = 718 калорий тепла. Благо­да­ря такой чрезвычайно высокой теплоемкости вода является главным регулятором теплового режима на нашей планете. Крупные водоемы, и прежде всего, Мировой океан, – регуляторы теплового режима Земли. Для почвенного слоя годовой теплооборот 1,5-3 ккал/см², для,например, Балтийского и Черного морей 48-52. При отсутствии водоемов летом температура поднималась бы, а зимой опускалась на несколько сот градусов и жизнь на Земле была бы невозможна; наоборот, если бы Земля полностью была бы покрыта океаном, годовая амплитуда воздуха изменялась бы от 0 на экваторе до 5-6^оС на полюсах. Влияние океана распространяется на всю планету, включая полюса холода в Антарктиде.

¤ Диэлектрическая постоянная воды () при температуре около 0^оС составляет около 82 – самая высокая из всех жидкостей. У большинства рас­тво­рителей не выше 50, у неполярных жидкостей (бензин, керосин) не более 3. Это свойство воды предопределяет явление электролитической диссоциации, т.е. способность солей, кислот, щелочей распадаться в водных растворах на разноименно заряженные ионы. Вода инертна как растворитель. Она привносит питательные вещества в живые организмы и выносит шлаки и заменить ее нечем. Т.о. и без этого свойства воды жизнь на Земле была бы невозможна.

Вода растворяет минералы, но они вновь возрождаются, если воду испарить. Это – формирование многих осадочных пород, процессы денудации.

¤ Все вещества обладают максимальной плотностью при температуре плавления, кроме воды. Максимальная плотность воды (1,0 г/см³) соответствует т-ре 3,98^о; плотность льда 0,918 г/см³; только вода не тонет в собственном расплаве; на это обратил внимание еще Фалес Милетский. При замерзании воды образуется тонкая защитная корка льда, обеспечивающая сохранение водоемов, прежде всего – Мирового океана – главного регулятора воздушного режима планеты. И без этого свойства воды жизнь обрела бы совсем другие формы.

5.Представления о структуре воды

¤ Строение молекулы воды. Представление о валентной (1 А) и водо­родной (1,78 А) связи

¤ Идеи В.Рентгена; Дж. Бернала (лед-тридимит, кварц, аммиак); П.Флоренского [Н₂О; (H₂O)₂; (H₂O)₃]; О.Я.Самойлова (модели пустот); М.Аджено; Можно представить: [(H₂O)_n <====> (H₂O)_n-1 + H₂O]. Ассоциации до 30 А.

¤ Влияние температуры на структуру воды

Разрушение t^oC  % структуированных

структуры: молекул
0 82 50

100 55 30

300 20

370 10

Особенность свойств талой воды. “Цветение” воды в прибрежной зоне арктических морей; приближение к свойствам крови; использование талой воды фермерами, врачами; “подготовленность”.

¤ Влияние давления

Изменение вязкости воды при приложении высоких давлений. Сначала – уменьшение и только при 1000 атм. начинается увеличение. Причина –перестройка структуры на первых этапах повышения давления.

¤ Представления об активированной воде

Опыты новосибирских ученых (Ф.А.Летников и др.) по обработке воды в автоклавах. Температуры до 400^оС, давления до 1000 атм (100 Мпа). Повышение растворяющей способности (к сульфидам, гипсу, кварцу); Интерпретации по современному сульфидному рудоотложению (термы Челекена, Красное море). Биологическая активность, попытки объяснения целебных свойств некоторых типов минеральных вод.

¤ Влияние электрического поля

Разрушение структуры; увеличесние на 11-18 % скорости испарения; увеличение т-ры замерзания; изменение интенсивности поглощения световых лучей.

¤ Влияние магнитного поля

Биологическое действие: наблюдения де-Герсю (Женева, XIII в); замачивание семян (огурцы, картофель, кукуруза и др.) – повышение продуктивности на 15-20%; разрушение эритроцитов; активность ферментов, клеточных мембран.

Технологические эффекты: патент Вермейера (Бельгия, 1945 г) по борьбе с накипью; буровое дело; стоматология; гидротехника; обогащение полезных ископаемых; строительное дело (качество кирпича, бетона) и т.д.

Изменение рН: рН –––> 7;  pH до 0,6;

¤ Эффекты перемешивания. Мельницы Иоганеса Хинта (1980) в строительном деле, рыбоводстве, с/х (всхожесть семян); судьба Хинта.

¤ Влияние естественных полей. Опыты Дж. Пиккарди по выпадению коллоидов под влиянием изменения интенсивности магнитного поля в связи с изменением солнечной активности.

¤ Представления о “структурной памяти” воды

5. Изотопия воды

Работы Вл.Ив. Ферронского, Иг. Нест. Толстихина

¹H – протий – 99,98 %

²Н (D) – дейтерий – 0,02 %

³Н (Т) – тритий – 3 ^. 10^-16 %

На Земле 3-10 кг ест. трития. Период полураспада 12,26 лет

¹⁶О; ¹⁷О; ¹⁸О – стабильные изотопы кислорода;

¹⁴О; ¹⁵О; ¹⁹О – короткоживущие;

¹⁶О – 99,76 %

¹⁷О – 0,04 %

¹⁸О – 0,20 %

D₂O: плотность – 1,1 г/см³; температура плавления 3,81^о; температура кипения 101,4^о; максимальная плотность при 11,3^о.

SMOW- Standart Marine Ocean Water (D – 0,0158 ^о/_оо; ¹⁸О – 0, 1985 ^о/_оо)

Прямая Крейга: D = 8 ¹⁸O + 10 ^о/_оо

Т₂О:  – 1,33 г/см³; температура плавления 9^о; температура кипения 104^о; Ест. фон 3-5 Т.Е.; Теперь 20 Т.Е. Ижорское плато под С.-Петербургом).

7. Гидросфера и происхождение жизни на Земле

Всё развитие гидросферы связано с удивительным феноменом нашей планеты – жизнью. Вопрос о происхождении жизни остается открытым. Разные точки зрения можно свести к следующим:

а) жизнь возникла в глубоких недрах Земли; сложные углеводородные соединения, давшие начало жизни были синтезированы в недрах при высоких давлениях и температурах (Евг. Конст. Мархинин, Вулканы и жизнь, 1980);

б) жизнь возникла в результате эволюции из неживой материи ( Ал-др Ив. Опарин, Происхождение жизни);

в) жизнь – космический феномен, занесенный на Землю (Вл. Ив. Вернадский, Начало и вечность жизни, из-во “Советская Россия”, 1989);

г) единый творческий акт;

Ни одна из этих гипотез до конца не доказана. В беседах двух замечательных ученых – геохимика В.И.Вернадского и биохимика Ник. Вл. Тимофеева-Ресовского на проблему происхождения жизни было наложено табу. Уже 4 млрд. лет назад гидросфера была представлена наземной, поверхностной и подземной составляющими. Океан представлял собой резервуар, в котором могла существовать и развиваться жизнь.

8. Общие свойства и функции гидросферы

1) включает все виды воды

2) мимикрия

3) водообмен

4) повсеместная населенность живыми организмами

5) регулирование теплового режима

6) перенос веществ

9. Водные круговороты

¤ Климатический

Бурные события на внутренних границах гидросферы,энергетическим источником для которых служит энергия Солнца, счете в многолетнем балансе описываются простыми уравнениями климатического круговорота.

Количество воды на планете 2,4 млрд куб.км. На соленые воды и рассолы приходится  98 %. Распределение (тыс. куб.км, %)

океан 1370 55,8

подземные воды (по В.Ф.Дерпгольцу 1050 42,8

ледники 35 1,4

поверхностные воды 0,5 0,02

атмосферные воды 0,01 0,0004

В уравнении климатического круговорота проф. М.И.Львович "прокручивает" наиболее подвижные 525 тыс. куб.км

океан:

суша:

бессточные области:

итого:
В климатическом круговороте можно очертить отдельные циклы с разной интенсивностью водообмена. В каждом из них осуществляется интенсивная работа по переносу растворенного вещества, формирующая или разрушающая горные породы.

Атмосферный сток; продолжительность цикла 8-10 дней; 3-4 т/кв.км в год

Поверхностный сток: цикл – дни, месяцы; 6-10 т/кв.км в год.

Подземный сток: цикл – до сотен лет; 20-30 т/ кв.км в год.

¤ Геологический

Продолжительность полного круговорота (от попадания воды в недра до ее возвращения в океан может достигать сотен миллионов лет. Геологические круговороты замкнуты на главный водный резервуар Мировой океан.

Химический состав воды Мирового океана:

г/кг %-экв г/кг %-экв

19,35 90,20 10,76 77,32

0,07 0,14 0,39 1,64

2,70 9,28 0,41 1,36

0,14 0,38 1,29 17,62

0,01 0,06

Важные константы:

океан – осадочная порода – океан

океан – осадочная порода – зона метаморфизма – океан

океан – атмосфера – суша – осадочная порода – зона метаморфизма – океан

океан – атмосфера – вулканический очаг – океан и т.д.

10. Антропогенный этап развития гидросферы

Примерно 6-7 тысяч лет назад начинает проявляться активное влияние Homo sapiens на природную обстановку (распашка земель, строительство жилищ, первые ирригационные сооружения). Наиболее серьезные глобальные последствия – ХХ-ХI века.

¤ Ситуация с углекислым газом.

естественная концентрация для начала ХХ века – 0,030 %

семидесятые годы – 0,033 %

современная – подходит к 0,04 %

по скромным прогнозам (рост 4% в год) к 2100 году – 0,08%

далее – медленный спад (сожгут уголь и основные запасы нефти)

Современный рост концентраций СО₂: Выброс СО₂ в год:

50-60 гг – 6,4% 1950 г – 6,4 млрд. т.

60-80 гг – 7,2% 1960 г – 10,5

1980 г – 26

М.И.Будыко прогнозирует к 2100 г подъем уровня океана до 5-6 м. Некоторые исследователи увязывают с ростом СО₂ усилиние фотосинтеза, замедляющего процесс (В.И.Лебедев, О.Г.Сорохтин) и рассмат­ривают выброс углекислого газа как благо (повышение продуктивности лесов,урожайности). Нужен надежный мониторинг. “Благо” выгодно для нефтебизнеса – причины многих бедствий. Извлечение всего накопленного природой углерода –противоестественный процесс.

¤ Ситуация с кислотностью.

Годовой выброс SO₂  300 млн. тонн.

Главное – добыча угля, а не сульфидов

сжигание угля – 70 % SO₂

жидкое топливо – 19

металлургия – 11

Сопутствующий процесс:

Проблемы: подкисление природных вод; 20 тыс озер Швеции (из 90 тыс), 50 тыс. озер Канады, 1/2 озер Норвегии закислены как рыбные (рН <5). Исследования осадков парка Адиронак (Канада): изменения состава диатомей, начиная с 1945 года.; рН снизилось с 6 до 4,5. Разрушение памятников культуры (Парфенон, др.храмы)

¤ Добыча и переработка радиоактивных компонентов.

Концентрации трития в природных водах как индикатор происходящих процессов.

¤ Ноосфера

Построения Пьера Тейяра де Шардена (“Феномен человека”). “Удача и честь нашего краткого существования заключена в его совпадении с преобразованием ноосферы”

“Земля, дымящая заводами. Земля, трепещущая делами. Земля, вибрирующая сотнями новых радиаций. Этот великий организм в конечном счете живет лишь для новой души и благодаря ей. Под изменением эры – изменение мысли”... ” Я не знаю более волнующей, более яркой картины ноогенеза, чем картина разума, стремящегося со времени своего возникновения преодолеть шаг за шагом стискивающую иллюзию близости”.

Идея ноосферы была подхвачена великим В.И.Вернадским. Сфера разума. У другого великого мыслителя ХХ века – Павла Александровича Флоренского пневматосфера – сфера духа.

¤ Гридсфера

Внутри ноосферы подобно злокачественной опухоли развивается гридсфера, сфера алчности. Человек возомнил себя хозяином всего, создан­ного природой, прежде всего водой, на поверхности и в недрах на протяжении почти четырех миллиардов лет и счел возможным в течение нескольких сот лет перевести обратно в гидросферу и атмосферу накопленные в процессе длительной эволюции скопления угля, нефти, сульфидов, урана. Природа жестоко мстит за эту алчность экологическими катастрофами, войнами, скрытая или открытая подоплека которых – борьба за энергетическое сырье или возможность его транспортирования. Нужна новая идеология в отношении к накопленным природой спрятанным в недра скоплениям химических элементов. Важный составная часть решения глобальных экологи­ческих про­блем прекращение роста населения планеты. Решить эти проблемы можно только на международном уровне.

Тема 2.

Климаты и их формирование

1. 
   Солнечная радиация
   

Температура на Солнце около 6000 ^оС. Количество тепла, получаемого Землей до поступления солнечных лучей в атмосферу называется солнечной постоянной и составляет 1,98 кал/см² /мин, из них 7% приходится на ультрафиолетовую часть спектра ( = < 0,4 мк), 46 % на видимую ( = 0,4-0,75 мк) и 47 % на инфракрасную ( > 0,75 мк).

В атмосфере поглощается 15-20 % солнечной радиации, причем поглощение разное для лучей разных длин волн. Основные поглотители – водяной пар и аэрозоли. Азот поглощает радиацию очень малых длин волн; кислород – в двух участках видимой части спектра; более сильный поглотитель – озон, который поглощает несколько % радиации и прежде всего – ультрафиолетовые лучи.

Приток солнечной радиации на горизонтальную площадку – инсоляция. I = Isinh, кал/см².мин, где

I – величина солнечной радиации, h – высота солнца, град

Помимо поглощения происходит рассеяние, т.е преобразование радиации, имеющей определенное направление, в радиацию, идущую по всем направлениям. Рассеяние происходит в оптически неоднородной среде, создающейся капельками воды, кристаллами льда, аэрозолями. В рассеянную радиацию превращается около 25 % общей радиации. Степень рассеяния определяет видимость, а также цвет неба. Суммарная радиация обычно составляет 1-1,5 кал/см².мин.

Важной характеристикой радиации является альбедо – отношение отраженной радиации к падающей. Для земной поверхности альбедо 5-80, Мирового океана – 5-20, верхней поверхности облаков и свежего снега – 70-80 %. Планетарное альбедо Земли 35-40 %.

Верхние слои почвы, поверхностные воды, растительность также являются источником радиации, обозначаемом E_s. Большое значение имеет атмосферная радиация или встречное излучение (E_a – отдача атмосферой поглощенной солнечной и земной радиации). Это излучение находится в инфракрасном спектре и составляет 0,1-0,2 для горных 0,3-0,4 для равнинных и до 0,5-0,6 кал/cм².мин для тропических областей. Величина встречного излучения зависит от содержания углекислого газа и водяного пара в воздухе и ослабляет остывание земной поверхности ночью («тепличный эффект»). Разность между земным и встречным излучением

E_e = E_s – E_a

называют эффективным излучением.

Разность между притоком солнечной энергии (прямой и рассеянной, с учетом альбедо) и эффективным излучением называют радиационным балансом (R) земной поверхности.

R = (I sin h + i) (1-A) – E_e

Радиационный баланс положителен для всей Земли, кроме Гренландии и Антарктиды. Это не означает, что земная поверхность становится всё теплее. Радиационный баланс уравновешивается нерадиационной передачей тепла.

В нагревании и тепловых особенностях горных пород и водоемов имеются существенные различия. В породах и подземных водах тепло распространяется путем молекулярной теплопроводности. В водоемах добавляется турбулентное перемешивание и термическая конвекция водных слоев. Суточные колебания температуры в горных породах – до 1 м, годовые до 10-20 м. В морях суточные колебания до глубин в десятки м, годовые – до сотен. Ночью и зимой при остывании воды поднимается накопленное тепло снизу. Крупные водоемы – регулятор теплового режима Земли. Для почвенного слоя годовой теплооборот (1,5-3) ккал/см²; для Черного и Балтийского морей (48-52) ккал/см². Если бы вся Земля была покрыта океаном, годовая амплитуда температуры на экваторе составляла бы 0, на полюсах 5-6^оС.

2. Вода в атмосфере

Водяной пар попадает в атмосферу при испарении с поверхности водоемов и почвы, в результате транспирации растениями. Одновременно происходит обратный процесс – поступление влаги из воздуха. При достижении состояния подвижного равновесия испарение прекращается, наступает насыщение. Упругость водяного пара в состоянии насыщения – упругость насыщения (Е), которая растет с ростом температуры от 6,1 мб при 0^о С до 42,4 при 30^о С. При растворении в воде солей упругость насыщения снижается (над океаном на 2 %). Фактическая величина упругости пара или абсолютная влажность – е (мб или мм ртутного столба).