Воде – этому уникальному и широко распространенному в Природе химическому соединению – посвящено немало серьезных научных трудов, популярных книг и художественно-поэтических произведений. Подобное внимание вполне объяснимо, учитывая первостепенную роль воды в развитии биосферы Земли и нашей цивилизации.
Для людей вода является основным жизненно важным продуктом. Достаточно сказать, что человек за свою жизнь выпивает в среднем около 120 т воды. Однако мы используем воду не только для питья и приготовления пищи, но и в санитарно-гигиенических целях; для выращивания различной сельхозпродукции; для выработки электроэнергии; обогрева зданий; производства стали, бетонных изделий, бумаги, резины, синтетических и многих других материалов. Объемы общего потребления воды в мире неуклонно растут по мере повышения численности населения, развития промышленности и роста благосостояния людей. Так, если в 1900 г. человечеством потреблялось для различных целей в среднем около 580 км3 пресной воды в год, то к концу XX столетия объем годового водопотребления в мире возрос до 6000 км3. Причем значительная часть из этого общего объема потребляемых пресных вод расходуется безвозвратно при производстве различных материалов, то есть изымается из гидрологического круговорота. Та же вода, которая после использования сбрасывается в речную сеть, является в большинстве случаев загрязненной.
Ухудшение качества природных вод происходит не только из-за непосредственного сброса в реки неочищенных или недостаточно очищенных производственных и хозяйственно-бытовых стоков, но и вследствие техногенного загрязнения почв, горных пород и атмосферного воздуха. Ежегодно повышающаяся степень загрязнения природных вод подрывает основу существования жизни на нашей планете, поэтому многие исследователи справедливо называют проблему охраны пресных природных вод от истощения и загрязнения главнейшей глобальной проблемой в наступившем веке.
При изучении водных ресурсов и разработке эффективных рекомендаций по их использованию и охране важно иметь правильное представление о круговороте природных вод. Однако существующие схемы общего круговорота воды на Земле редко используются в исследованиях, что свидетельствует о недостаточной разработанности подобных схем. В этом отношении, безусловно, прав был известный отечественный гидрогеолог Б. Л. Личков, который утверждал, что круговорот природных вод так до конца и не понят [1].
Роль фазовых переходов воды в формировании водообменных циклов
Большое значение в раскрытии сущности круговорота природных вод имеет учет фазовых превращений воды и межфазовой формы ее движения. Известно, что важнейшей особенностью того или иного фазового состояния вещества является взаимодействие с другими его фазами. При взаимодействии фаз происходит перенос вещества из одной фазы в другую, например, из жидкой в газообразную (испарение), из газообразной в жидкую (конденсация), из твердого состояния в газообразное (сублимация) и т.д.
Следовательно, при фазовых переходах первого рода происходит не только изменение молекулярно-агрегатного состояния вещества, но и его перенос, что лежит в основе развития многих главнейших природных процессов.
На важность учета фазовых превращений и межфазовой формы движения воды при изучении процессов водообмена указывали многие исследователи. Так, В.А. Приклонский относил такие фазовые переходы, как испарение и конденсация, промерзание и протаивание, к основным видам движения воды в горных породах [2]. А. Е. Ходьков и Г. Ю. Валуконис, рассматривая основные виды движения природных вод, поставили переходы воды из одного агрегатного состояния в другое на первое место среди остальных видов движения воды [3]. Большое значение этой форме движения воды придавал В.И. Вернадский. Он особо подчеркивал, что «переходы воды из одного состояния в другое, генетическое взаимодействие между этими минеральными видами воды, непрерывно идущие и непрерывно обратимые, являются основной чертой природных вод. Отвечающие им процессы характеризуют историю Земли как планеты» [4, с. 23].
Несмотря на понимание особой значимости межфазового взаимодействия воды в развитии процессов водообмена, изученность этой формы ее движения нельзя признать удовлетворительной. Более того, в науках о Земле нет даже однозначности в названии отдельных фазовых переходов воды. Так, в физике и химической кинетике переход воды, да и любого другого вещества, из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое, называется сублимацией или возгонкой, а обратный процесс – десублимацией или аблимацией. Однако в метеорологии и гляциологии под сублимацией понимается процесс перехода воды из газообразного состояния в твердую фазу, то есть этому термину придается совершенно противоположный смысл.
Сложность в изучении межфазовых взаимодействий воды связана с тем, что все три ее основных молекулярно-агрегатных состояния (лед, жидкость, пар) являются не фазово-гомогенными, а фазово-гетерогенными. Иными словами, воде присущ эффект смешения фаз. Так, в любом макроскопическом объеме льда всегда присутствует то или иное количество воды в жидком состоянии, а также содержатся различные газы, включая водяной пар. То же самое наблюдается в любом макроскопическом объеме жидкой фазы воды – там всегда содержатся различные газовые составляющие. Важно отметить, что содержание того или иного газа, растворенного в воде, изменяется в зависимости от колебаний температуры и внешнего давления. При понижении температуры, например, количество растворенных в воде газов увеличивается, а при повышении температуры уменьшается. Данное обстоятельство, в частности, следует учитывать при выяснении причин и прогнозировании изменений климата.
Помимо газовых составляющих, в жидкой фазе объемной воды при определенных температурах отмечается своеобразное присутствие и ее твердой фазы. На это указывают особые структурные свойства объемной воды. Так, например, установлено, что вода имеет две точки плавления [5]. При 0о С, в результате теплового разрушения кристаллической решетки льда происходит переход пресной воды из твердого состояния в жидкое. Однако при этой температуре кристаллическая решетка льда разрушается не полностью, поэтому часть молекул воды сохраняет регулярную структуру. Полное исчезновение кристаллической структуры в жидкой фазе объемной воды наблюдается при температуре около 37о С. До этой температуры жидкая фаза объемной воды сохраняет льдоподобную структуру. Следовательно, сама структура объемной воды в интервале температур от 0 до 37о С как бы обусловливает ее фазовую гетерогенность.
Фазово-гетерогенный состав основных молекулярно-агрегатных состояний воды можно объяснить также тем, что в природе нет абсолютно чистой воды ни в твердом, ни в жидком, ни в газообразном состояниях. Вода в любом макроскопическом объеме – это, прежде всего, дисперсионная среда, в которой не только имеются различные химические вещества в виде ионных и других соединений, но и диспергированы различные микропримеси в виде коллоидных частиц, взвесей, суспензий и т.д. Энергия поверхностного натяжения подобных частиц, как правило, превышает энергию водородных связей между молекулами воды. Именно эти связи, как известно, характеризуют воду как уникальное молекулярное соединение и определяют степень ассоциативности молекул воды, то или иное агрегатное состояние последней. Повышенная энергия поверхностного натяжения микрочастиц обусловливает формирование на их поверхности своеобразных микрофаз воды, которые могут отличаться от ее молекулярно-агрегатного состояния. Подобные микрочастицы служат, в частности, центрами кристаллизации, конденсации и десублимации, то есть фазовыми катализаторами при переходах воды из одного агрегатного состояния в другое.
Фазово-гетерогенный состав основных молекулярно-агрегатных состояний воды определяет высокую активность ее фазовых переходов и межфазовых взаимодействий в существующих температурных и барических условиях нашей планеты. При этом фазовые переходы, происходящие на микроскопическом уровне, обусловливают не только специфику развития подобных процессов на макроуровне, но и динамическую взаимо-связь между различными формами залегания и состояния воды. С фазовыми переходами воды связаны, например, жизнедеятельность растений и организмов, динамически равновесное содержание влаги в атмо-, био- и гидросфере, особенности водного баланса Земли и отдельных ее регионов, районов и речных бассейнов, формирование и динамика развития сезонных и многолетних скоплений поверхностного и подземного льда, снежного покрова и т.д.
Предлагаемая схема круговорота
природных вод
В настоящее время общепринятой является схема круговорота природных вод, согласно которой выделяются два основных типа водообмена: гидрологический (климатический) и геологический. Первый подразделяется на атмосферный цикл и циклы поверхностного и подземного стоков (рис. 1). В геологическом типе круговорота воды выделяются седиментогенный, метаморфогенный и магматогенный циклы.
Анализируя данную схему, нельзя не отметить, что она неполная. Не учтен, например, биологический тип круговорота, играющий огромную роль в водообмене и в формировании химического состава природных вод. Не выделен также технологический тип водообмена, связанный с использованием поверхностных и подземных вод для различных целей, их магазинированием, очисткой и т.д. Кроме того, подразделение гидрологического круговорота на циклы проведено на совершенно различной основе. Если атмосферный цикл выделен на основе учета фазовых переходов воды из жидкого состояния в газообразное и обратно, то два следующих цикла по существу характеризуют различные виды или пути транспорта выпадающих атмосферных осадков.
Учитывая неполноту и односторонность существующих представлений о круговороте природных вод, а также ту огромную роль, которую играют фазовые переходы и межфазовые взаимодействия воды в формировании различных циклов водообмена, автор попытался разработать более полную схему круговорота воды в природе [6, 7].
Предлагается различать четыре тесно связанных между собой типа круговорота природных вод: климатический, биологический, геологический и технологический (табл. 1). Отдельные циклы водообмена в первых трех типах круговорота выделены на основе учета фазовых превращений воды. Так, в климатическом круговороте воды, помимо известного атмогенного или атмосферного цикла, предлагается различать криогидрогенный, атмолитогенный, гляциогенный и криолитогенный циклы водообмена, формирование которых связано с фазовыми превращениями воды под воздействием периодически изменяющихся климатических факторов.
Криогидрогенный цикл обусловлен ежегодным формированием на поверхности Земли снежного покрова, наледей, льда на реках и водоемах, а также подземного льда в деятельном слое криолитозоны с последующим таянием этих сезонных образований снега и льда в теплый период года.
Атмолитогенный цикл связан с испарением и конденсацией влаги в зоне аэрации горных пород. Данная зона представляет собой своеобразную подземную атмосферу, в пределах которой осуществляется достаточно интенсивный влагообмен.
Гляциогенный и криолитогенный циклы обусловлены уже не сезонными, а многолетними колебаниями климата. В периоды похолоданий, например, происходит рост объемов твердой фазы воды в ледниковых покровах и в криолитозоне. В периоды потеплений, напротив, в годовой водообмен вовлекаются дополнительные ресурсы жидкой фазы воды, образуемой при таянии ледников, многолетнего покровного льда приполярных морей, а также подземных льдов вечной мерзлоты. Следовательно, гляциогенный и криолитогенный циклы водообмена характеризуются трендовым воздействием изменений климата на годовой баланс жидкой фазы природных вод и способствуют многолетнему понижению или повышению их уровня и общих ресурсов. При этом надо иметь в виду, что наземное и подземное оледенения могут развиваться не синхронно в связи с инерционностью реакции криолитозоны на изменения климата.
В биологическом и геологическом круговоротах основные выделяемые циклы водообмена также связаны с фазовыми переходами воды. Так, фотобиогенный цикл обусловлен диссоциацией воды за счет процессов фотосинтеза и последующей ее рекомбинацией. Фитогенный цикл связан с переводом растениями жидкой фазы воды, содержащейся в почве, в парообразную форму. Необходимо отметить, что в существующих схемах круговорота природных вод фитогенный цикл не учитывается отдельно, а включается в атмогенный или атмосферный цикл, что вряд ли правомерно. Процесс транспирации достаточно своеобразен, а его интенсивность не соответствует величине испарения влаги с поверхности почвы. Кроме того, очень существенна роль транспирации в изменении качественного состава природных вод. Все это свидетельствует о необходимости выделения фитогенного цикла в самостоятельный вид и более обстоятельного изучения его водообменной функции.
Оценка энергетики отдельных циклов круговорота природных вод
Основные агрегатные состояния воды, по существу, представляют собой различные квантовые уровни ее организации как сложной каталитической системы. Если, например, твердое состояние воды принять за основной уровень ее молекулярной организации, а остальные – за возбужденные, то переход на более высокий уровень будет возможен лишь при передаче данной системе определенной порции тепловой энергии (рис. 2). Обратный переход на нижний уровень будет сопровождаться выделением такого же количества тепловой энергии (скрытой теплоты фазовых переходов). Следовательно, эндотермические фазовые переходы воды (плавление, испарение, сублимация) можно назвать вынужденными процессами, поскольку протекают они только при поступлении дополнительной тепловой энергии, которая расходуется в основном на уменьшение молекулярной упорядоченности системы и на рост ее энтропии. В свою очередь, экзотермические фазовые переходы воды (льдообразование, конденсация, десублимация) являются самопроизвольными процессами и направлены на повышение степени упорядоченности системы и уменьшение ее энтропии.
Важно отметить, что при равновесных изменениях внешних условий, когда, например, ежегодный объем жидкой фазы воды, переходящий в газообразное или твердое состояния, соответствует объему ее обратного перехода в жидкую фазу, приход и потери тепла фазовых переходов как бы компенсируются. Однако при таких неравновесных изменениях внешних условий, как, например, потепление или похолодание климата, будут происходить соответственно ежегодные потери или накопления тепловой энергии фазовых переходов воды. Тем самым природные воды выполняют роль своеобразного теплового регулятора или стабилизатора, сглаживая воздействие отдельных факторов на климатическую систему. Отсюда, в частности, следует, что при потеплении климата наибольшее повышение годовых температур воздуха будет происходить в маловлажных внутриконтинентальных областях суши, а наименьшее – в прибрежных, приполярных и приледниковых районах, где интенсифицируются эндотермические фазовые переходы воды (испарение, таяние), протекающие с поглощением тепловой энергии.
Таким образом, фазовые переходы воды не только обусловливают различные циклы водообмена, но и играют существенную и своеобразную роль в процессах энергообмена. Для оценки энергетической роли выделенных циклов круговорота природных вод, связанных с фазовыми переходами воды, автором проанализированы имеющиеся в настоящее время данные о содержании и балансе воды в отдельных сферах Земли. Результаты расчетов, выполненных на основе этого анализа, представлены в табл. 2.
Как видно из таблицы, энергетика отдельных глобальных циклов круговорота природных вод, обусловленных фазовыми переходами и межфазовыми взаимодействиями, весьма значительна. Так, энергия, выделяемая за год при конденсации влаги в атмосфере, составляет 4,06•1016 Вт, что ненамного меньше годового количества солнечной энергии, поступающей к внешней границе тропосферы (17,4х1016 Вт). Достаточно высока энергетика и таких глобальных циклов водообмена, как фитогенный, криогидрогенный и гляциогенный. Все это свидетельствует об огромном значении круговорота воды в формировании энергетического баланса Земли и их большом влиянии на планетарную климатическую систему.
Необходимо отметить, что интенсивность и энергетику выделенных циклов водообмена можно аналогичным образом оценивать для отдельных регионов суши и речных бассейнов. Подобная оценка позволит на более достоверной основе выявить особенности взаимосвязи в системе «климат – вода», а также тенденцию изменения данной системы в условиях наблюдающегося глобального потепления. Этому вопросу, учитывая его исключительную важность, уделяется в настоящее время повышенное внимание как на региональном и государственном, так и международном уровнях. В г. Якутске, например, в октябре 2002 г. был проведен научный семинар по международному проекту «Диалог по воде и климату». В работе этого семинара участвовали международный (проф. В.А. Кимстач) и российский (проф. В.Н. Грузинов) координаторы проекта, а также ведущие ученые из Москвы, Санкт-Петербурга и г. Якутска. Проведение данного семинара именно в нашей республике было связано с тем, что бассейн р. Лены, значительная часть которого располагается в области сплошной вечной мерзлоты, включен в число 15 репрезентативных речных бассейнов мира для всестороннего и углубленного изучения влияния глобального потепления климата на состояние водных ресурсов нашей планеты.
В заключение следует сказать о том, что круговороты воды, обусловленные ее фазовыми переходами, влияют не только на теплообменные процессы, но и на изменение качественного состава природных вод. При испарении и последующей конденсации воды, например, осуществляется ее дистилляция, способствующая удалению некоторых примесей и растворенных в воде газов, изменению химического и изотопного составов, уменьшению концентрации ионов в воде и т.д. При кристаллизации жидкой фазы воды и последующем таянии льда также наблюдается существенная трансформация состава и изменение концентрации исходной воды, что приводит, в частности, к улучшению ее питьевых качеств. Следовательно, те циклы водообмена, которые обусловлены ее фазовыми переходами, представляют собой своеобразные естественные механизмы ее очистки и регенерации. В этом отношении, безусловно, правы те исследователи, которые утверждают, что наиболее глубинные экологические события на нашей планете происходят тогда, когда нарушаются звенья глобальных циклов круговорота природных вод. Все это свидетельствует о необходимости дальнейшего углубленного изучения циклической природы планетарного водообмена и его роли в развитии различных глобальных процессов.
Литература
1. Личков Б.Л. О значении теории Земли и необходимости ее создания // Географический сборник. – Л.: Изд-во АН СССР, 1962. – Т. 15. – С. 7–28.
2. Приклонский В.А. Основные вопросы экспериментальных исследований формирования подземных вод // Труды лаборатории гидрогеологических проблем. – М.: Изд-во АН СССР, 1958. – Т. XVI. – С. 86–105.
3. Ходьков А.Е., Валуконис Г.Ю. Формирование и геологическая роль подземных вод. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1968. – 216 с.
4. Вернадский В.И. Избранные сочинения. – М.: Изд-во АН СССР, 1960. – Т. IV. – Кн. 2. – 650 с.
5. Антонченко В.Е., Давыдов А.С., Ильин В.В. Основы физики воды. – Киев: Наукова думка, 1991. – 672 с.
6. Шепелев В.В. Фазовые переходы воды - основа природных водообменных циклов // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия. – Томск: Изд-во НТЛ, 2000. – С. 495–498.
7. Шепелев В.В. О круговороте природных вод // Водные ресурсы. – 2001. – Том 28. – № 4. – С. 418–423.
Первая страница
(c) 2001
