Возникновение и эволюция

Гидросфера и ее составляющие части, круговорот воды, а также динамические явления прошли длинный путь эволюции. Они неоднократно менялись по массе, соотношению жидкой и твердой частей вовлекаемых в кругооборот и движение масс воды, скоростям и расстояниям переноса этих масс, по заключенным в них энергии, растворенным газам, твердым веществам и органике. Эти изменения записаны в геологической летописи — слоях пород, сформировавшихся и формирующихся сейчас в водоемах, — которая пока еще не полностью расшифрована.

Вода столь широко распространена не только на Земле. Ее достаточно много в окружающем нас космическом пространстве. Так, полюса Марса покрыты ледяными шапками; спутники Юпитера, Сатурна и некоторых других планет - полностью льдом; ядра комет состоят изо льда (что экспериментально подтверждено при исследовании кометы Галлея); атмосфера Венеры имеет значительное количество паров воды и т. д. Однако, на поверхностях иных планет вода существует только в твердом или парообразном состоянии, а на Земле она преимущественно жидкая.

По данным о скорости радиоактивного распада атомов различных элементов Земля образовалась из холодного газопылевого облака 4,6 млрд. лет назад. Возраст самых древних пород, найденных в наши дни, достигает 3,8 млрд. лет, причем они сохранили отпечатки стенок клеток самых древних одноклеточных организмов. Математические расчеты общего разнообразия генетического кода, позволили немецким биохимикам установить его возраст, составивший 3,8 ± 0,6 млрд. лет следовательно, упомянутые породы отлагались в водоемах, где к тому времени уже должна была существовать жизнь, причем такая, которая успела активно включиться в биогеохимические процессы, Поэтому гидросфера с жидкой водой должна была появиться еще раньше, не позднее 4 млрд. лет назад.

В настоящее время нет достоверных данных о составе первичной атмосферы и растворенных веществах в первичной гидросфере на начальном этапе их образования. Считают, что с определенного момента атмосфера и гидросфера стали быстро пополняться газами, выделявшимися при вулканических извержениях и излияниях лав, а также при дегазации в рифовых долинах. Возникшая атмосфера была почти полностью лишена кислорода и потому имела восстановительный характер. Выбрасываемый вулканами и выделявшийся при дегазации диоксид углерода вместе с водяным паром обеспечили парниковые условия, что отразилось на ходе эволюции Земли.

Пополнение гидросферы нашей планеты водой вследствие непрерывной дегазации вещества мантии шло постоянно, но

с разной интенсивностью. В период «белого пятна времени» шел медленный рост за счет ювелирных вод, а затем в течение примерно 1 млрд. лет гидросфера росла достаточно быстро. В последние 2,5— 2 млрд. лет она стабилизировалась.

В это время срединно-океанические хребты и часть воды была затрачена на серпентинизацию[2] нижнего слоя океанической коры, в результате чего вода, пополнявшая гидросферу (вместе с углекислым газом), оказалась химически связанной.

После преобразований океанической коры вновь начался рост массы океана, но примерно 1 млрд. лет назад она приблизилась к современной, и темпы роста ее сильно замедлились. Процесс изменения массы гидросферы за счет дегазации тесно связан с эволюцией недр Земли и определяется скоростью роста плотного ядра планеты за счет сепарации в нем соединений железа.

Далеко не вся поступающая из недр Земли вода остается в составе гидросферы. Одна часть воды затрачивается на серпентинизацию вновь образующихся порций океанической коры, а другая вместе с осадочными толщами, накопившимися на ложе океана, погружается снова в недра Земли в зонах субдукции.[3] В процессе переплавки океанической коры после ее погружения в недра Земли вода играет важную роль, так как водо-насыщенные силикатные слои плавятся при температурах около 700 °С, тогда как сухие при более 1000 °С.

На протяжении всей истории нашей планеты перемещение морских вод из исчезавших океанов во вновь возникавшие. В современных океанах движущаяся подобно конвейеру океаническая кора в целом моложе самих океанов. Максимальный возраст ложа океанов 150 млн. лет, а обычно оно значительно моложе. В наши дни общий баланс прихода и расхода воды на Земле за счет геологического круговорота остается положительным и масса гидросферы непрерывно возрастает.

Жизнь на Земле зародилась благодаря тому, что на ней появилась вода — удивительное вещество, обладающее аномальными химическими и физическими свойствами. Молекулы воды необычайно сильно притягиваются друг к другу, примерно в 10 раз сильнее, чем молекулы других жидкостей. Поэтому при нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100 °С и плавится при 0 °С. Если сравнить воду — оксид водорода — с другими веществами, представляющими собой соединения водорода с элементами, находящимися в периодической таблице Менделеева в одном ряду с кислородом, — теллуром, селеном и серой, то окажется, что температура замерзания и кипения воды необычно высока.

Следовало ожидать, что лёд должен был бы таять при —90 °С, а вода кипеть при —70 °С. При этом все льды на Земле расплавились бы, а океаны и моря — выкипели. Нормальным в условиях нашей планеты стало бы только газообразное состояние воды. Теплоёмкость воды аномально высока, поэтому для плавления льда, нагревания и испарения воды необходимы гораздо большие затраты энергии, чем для других веществ. А теплопроводность воды очень мала, поэтому вода медленно нагревается и медленно остывает.

Некоторые удивительные свойства воды определяют многие важнейшие природные процессы, происходящие на планете. Например, вода обладает наибольшей плотностью не при 0 °С — температуре плавления, а при 4 °С. Пресная вода, охлаждённая до температуры ниже 4 °С, становится менее плотной и поэтому остаётся в поверхностном слое. Это позволяет водоёмам не промерзать до дна, что сохраняет жизнь их обитателям. При замерзании, вода расширяется и её плотность в жидком состоянии больше, чем в твёрдом. Поэтому лёд легче воды — это ещё одно замечательное свойство воды, которым она отличается от подавляющего большинства других веществ. Благодаря этому свойству лёд не тонет, не опускается на дно водоёма, а в океанах плавают гигантские айсберги. Вечным льдом покрыты Антарктида, остров Гренландия и многие другие острова в высоких широтах. В горах на больших высотах образуются горные ледники. Вода обладает большим поверхностным натяжением, поэтому дождевые капли очень упруги и успешно разрушают горные породы. Благодаря особенностям молекулярного строения вода хорошо растворяет различные химические соединения. За долгую геологическую историю планеты не раз менялись очертания материков и океанов, развивались крупные покровные ледники, мощные реки уносили в моря и океаны огромные массы разрушенных горных пород.

Во всех этих процессах принимала участие вода. Вода может течь вверх она самостоятельно поднимается по почвенным капиллярам, питая влагой почвенный слой. Двигаясь вверх по капиллярным сосудам трав и деревьев, вода снабжает их питательными веществами.