Гипотезы формирования гидросферы. как появилась вода на земле?

Сколько процентов воды на Земле? Гидросфера планеты и еще составляющие

Образование 19 ноября 2016

Вода играет исключительную роль в поддержании жизнедеятельности любого организма. Это вещество может быть представлено в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Но именно жидкость является основной внутренней средой тела человека и других организмов, т.к. здесь протекают все биохимические реакции, и именно в ней располагаются все структуры клетки.

Сколько процентов занимает вода на земле?

По некоторым подсчетам, около 71% всей поверхности Земли занимает вода. Она представлена океанами, реками, морями, озерами, болотами, айсбергами. Отдельно считаются подземные воды, а также пары атмосферного воздуха.

Из всего этого количества только 3% составляет пресная вода. Больше всего ее находится в айсбергах, а также в реках и озерах на континентах. Так сколько процентов воды на Земле находится в морях и океанах? Эти бассейны являются местами накопления соленой H2O, которая составляет 97% от общего объема.

Если бы стало возможным собрать всю воду, которая есть на земле, в одну каплю, то морская заняла бы объем примерно в 1,400 млн. км3, а пресная собралась бы в каплю объемом 10 млн. км3. Как можно заметить, пресной воды в 140 раз меньше на Земле, чем соленой.

Сколько процентов занимает пресная вода на Земле?

Около 3% всей жидкости занимает пресная вода. Большая ее часть сконцентрирована в айсбергах, в нагорных снегах и грунтовых водах, и только небольшой объем приходится на реки и озера континентов.

Собственно, пресная вода делится на доступную и недоступную. Первая группа состоит из рек, болот и озер, а также сюда входят воды поверхностных слоев земной коры и пары атмосферного воздуха. Все это человек приучился использовать в своих целях.

Сколько процентов пресной воды на Земле относится к недоступной? В первую очередь это большие запасы в виде айсбергов и горных снежных покровов. Именно они составляют большую часть пресной воды. Также глубокие воды земной коры формируют существенную часть всей пресной H2O. Ни тот ни другой источник люди еще не научились использовать, однако в этом есть большая польза, т.к. человек не может еще грамотно распоряжаться таким дорогим ресурсом, как вода.

Круговорот воды в природе

Циркуляция жидкости играет большую роль для живых организмов, т.к. вода является универсальным растворителем. Это делает ее основной внутренней средой животных и растений.

Вода концентрируется не только в теле человека и других существ, но и в водных бассейнах: морях, океанах, реках, озерах, болотах. Круговорот жидкости начинается с выпадения таких осадков, как дождь или снег. Затем вода накапливается, а потом испаряется под действием окружающей среды. Это ярко заметно в период засухи и жары. От циркуляции жидкости в атмосфере зависит, сколько процентов воды на земле концентрируется в твердом, жидком и газообразном состоянии.

Круговорот имеет большое экологическое значение, потому что жидкость циркулирует в атмосфере, гидросфере и земной коре, и тем самым самоочищается. В некоторых водоемах, где уровень загрязнения достаточно высокий, этот процесс играет колоссальное значение для поддержания жизнедеятельности, организмов экосистемы, однако восстановление прежней «чистоты» занимает долгий промежуток времени.

Происхождение воды

Загадку о том, как появилась первая вода, не могут разгадать уже большой промежуток времени. Однако в научной среде появилось несколько гипотез, которые предлагают варианты образования жидкости.

Одна из таких догадок относится к тому времени, когда Земля еще только зарождалась. Она связана с падением «мокрых» метеоритов, которые могли принести с собой воду. Она скапливалась в недрах Земли, что дало начало первичной гидратной оболочке. Тем не менее ученые не могут ответить на вопрос, сколько процентов воды на Земле содержалось в то далекое время.

Другая теория основана на земном происхождении воды. Основным толчком к формированию этой гипотезы послужило нахождение относительно большой концентрации тяжелого водорода дейтерия в морях и океанах.

Химическая природа дейтерия такова, что он мог образоваться только на Земле путем увеличения атомной массы. Поэтому ученые считают, что жидкость образовалась на Земле и не имеет космического происхождения.

Query failed: connection to localhost:9312 failed (errno=111, msg=Connection refused).

Холодное происхождение Земли

По этой версии вода содержалась в земной материи изначально. В пользу такого предположения говорит строение метеоритов и комет, содержащих её не менее 0,5%. Водяные пары вышли из недр планеты в процессе вулканической деятельности, вызванной радиоактивным распадом некоторых химических элементов.

Вулканическая деятельность стала причиной появления атмосферы, как результата конденсации водяных паров. В пользу версии говорит строение дна океанов, там находятся следы древнейших вулканов.

Продолжение гипотезы сходно с версией горячего происхождения Земли: тысячелетиями идущие дожди, заполняющие все земные впадины.

Зачем нужна вода человеку?

Ежедневная потребность взрослого человека в воде составляет ~2 л:

  • Жидкость необходима для нормального протекания процессов метаболизма.
  • Частично благодаря воде пополняется кровоток и запасы жидкости в клетках и межклеточном пространстве.
  • Она необходима для регуляции электролитного баланса. Его нарушения могут привести к прекращению проведения нервных импульсов.
  • Без жидкости среднестатистический человек не проживет больше нескольких дней.

Все это заставляет задуматься о том, что на планете не так уж много пригодной для питья воды.

Большую часть составляет морская вода, наличие в ее составе соли исключает возможность утоления жажды. И это если учесть, что живительная жидкость необходима не только людям, но и всем представителям флоры и фауны.

Что вызвало кембрийский взрыв?

Кембрийский взрыв произошел на Земле около 540 миллионов лет назад. На протяжении большей части истории Земли до этого периода жизнь состояла в основном из бактерий, эукариот и ультрапростых растений. Но в начале кембрийского периода эволюция, казалось, претерпела скачок роста, и сложные существа начали развиваться с невиданной прежде скоростью.

Внезапно у живых существ появились мозги, глаза и скелеты. Большинство живых существ сегодня могут проследить свою родословную до кембрийского периода. Некоторые ученые считают, что кембрийский взрыв произошел в результате вышеупомянутой стабилизации кислорода, которая произошла примерно в то же время. Но поскольку они не совсем уверены, почему это произошло, это не очень понятно. Другие считают, что такие факторы, как повышение температуры Земли и развитие мелководной водной среды, также способствовали этому скачку.

Откуда появилась вода?

По своему химическому составу вода представляет собой соединение кислорода и водорода. Атомов водорода во Вселенной огромное множество, ведь все звезды – его «кузницы». С кислородом уже немного сложнее, но конкретно на нашей планете он был, чуть ли не с первых дней. Остается только дождаться соединения двух элементов в нечто уникальное и абсолютно новое, но когда впереди есть миллиарды лет, можно и подождать немного.

Ученые до сих пор не могут понять природу теплоемкости и теплоотдачи воды. По всем законам химии, у этого вещества должны были быть совершенно другие показатели.

Может дело в уровне наших знаний, а может дело обстоит куда интересней. Но на сегодняшний день мы можем уверенно сказать про воду следующее:

  1. Вода есть не только на Земле, но и во множестве других уголков Вселенной.
  2. Образовалась она в результате соединения водорода и кислорода в пропорциях 2 к 1.
  3. Вода находится как на планетах, так и на астероидах и кометах.
  4. Она даже присутствует в открытом космосе. Чаще всего встречается в твердом виде.

Вода появилась из космоса

Фото и видео подобных ионных ливней предоставляли космическая обсерватория «Хаббл» и межпланетные исследовательские станции. Большой объем в таких потоках занимают протоны, являющиеся с химической точки зрения ядрами атомов Н+, точнее протия — легкого водородного изотопа, не имеющего электрона.

Проливались ионные дожди и много миллиардов лет назад. Достигая верхних слоев земной атмосферы, они захватывали электроны и превращались в чистый водород, который тут же вступал во взаимодействие с кислородом и образовывал воду. А она изливалась на поверхность Земли в виде осадков.

Расчеты показывают: таким образом может быть образовано всего 1,5 т воды ежегодно. Но за миллионы и миллиарды лет космическая вода на планете могла создать Мировой океан.

Лёд, находящийся в межзвёздном пространстве богат дейтерием. Учёные давно подозревали, что именно он является источником воды в нашей Солнечной системе. Но молодая планетная система была настолько полна ионизирующего излучения, что любой попадающий в неё лёд должен был расплавиться и перейти в состояние воды. Credit: Bill Saxton, NSF/AUI/NRAO.

Из каких берется для нужд человека?

Водозабор – это все гидротехнические сооружения, которые осуществляют забор и подачу воды для обеспечения хозяйственных и питьевых нужд. Берется она из природных вод, делящихся на поверхностные и подземные.

Большая часть запасов воды поступает из поверхностных водоёмов (рек, озер), а затем, перед распределением, она попадает в очистные конструкции.

Подземные воды предназначены только для питьевых нужд. Подземный водозабор отличается сложностью своей конструкции, которая зависит от того, как глубоко залегает вода, и от того, в каком количестве она будет подниматься на поверхность.

Гипотеза английского астрофизика Хойла

В 1973-м году английский астроном-исследователь Хойл попытался объяснить появление воды на земле только космическим происхождением. Планеты Солнечной системы, по мере удаления от Солнца, имеют всё более водную природу, образованы они в процессе соединения частиц снега и льда.

Температура вблизи Солнца слишком велика, чтобы там могли конденсироваться пары. А на расстоянии орбиты Урана, при температуре 350 К это было возможно.

Внешние планеты, по причине гравитационного взаимодействия, выталкивали глыбы льда и снега в область внутренних планет. Часть из них успевали долететь до Земли, не испарившись от солнечного тепла. Марсу доставалось больше космической влаги, Венере и Меркурию гораздо меньше.

Гипотеза Хойла — «быстрая»; всего несколько миллионов лет потребовалось на образование Мирового Земного океана.

Виды рек

Существует несколько видов, это:

  1. равнинные;
  2. горные;
  3. подземные;
  4. болотные;
  5. озёрные;
  6. карстовые.

Равнинные – это реки, проистекающие на равнинах. Для них характерна очень медленная скорость течения, поскольку их исток расположен на небольшой высоте, а территория, по которой она течёт, имеет небольшой угол наклона. Зато у них широкая речная долина, низкие склоны и извилистое русло. Пример равнинной реки – Нил.

Горные речки имеют высокий угол наклона, а их устье расположено достаточно высоко. Соответственно, скорость течения в них быстрая.

Пример – горная река Басу в Башкортостане.

Вода в горных реках берётся из снежных ледников в горах, а также из ручьёв и водных потоков.

Подземные текут под землёй и в пещерах. Обычно они протекают в скалах, которые сформировались из известняковых отложений. Иногда к подземным рекам относят подземные течения.

Некоторые речки могут лишь частично протекают под землей. В нескольких участках они выходят наружу, затем снова скрываются под землёй. Пример – Пуэрто-Принцесса (Филиппины).

Также реки различают по размерам и охватываемой территории на несколько видов.

  1. Малые – длина которых – от 1- до 200 километров. Обычно это равнинные потоки.
  2. Средние – длина – от 100 до 500 километров. К таким относят равнинные речки.
  3. Большие – длина больше 500 километров. Это равнинные речные системы и горные речки.

Недооценённый источник

Вода состоит из водорода и кислорода. Но эти химические элементы встречаются в виде разных изотопов, то есть могут иметь разное количество нейтронов в атомном ядре. Исследователи рассмотрели соотношение изотопов водорода в астероидной влаге, и выяснили, что оно очень близко к земному. Это предполагает, что вода на Земле происходит из того же источника. Что поднимает несколько интереснейших вопросов, и первый из них — как такое количество воды могло оказаться внутри номинально безводных минералов? Авторы статьи считают, что во время своего образования материал астероида поглощал водород из протопланетного диска. Тот в условиях высокой температуры и большого давления, свойственных солнечной туманности, соединялся с кислородом, образуя воду внутри минералов. 

Оригинальная морфология двух изученных частиц Итокавы. Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA), под редакцией Z. Jin Original morphology of the two studied Itokawa particles. Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), edited by Z. Jin

Вроде бы логично, но возможно ли, чтобы вода осталась в минералах? Ведь те же астероиды класса S образовались во внутренней, самой горячей части Солнечной системы. У Итокавы, например, сложная, очень насыщенная история термального метаморфизма и столкновений. Астероид иногда разогревался до температуры не менее 900°C. Учёных все эти возражения не смутили — они провели компьютерные симуляции, в ходе которых выяснилось, что общие потери воды при этих процессах не превысят даже 10%.

Кометы и астероиды

Астероид Веста

Если вода не появилась на Земле изначально (на ее поверхности в обширных количествах), то благодарить стоит космических посланников (внешний фактор). Ученые указывают в сторону комет и астероидов.

Наверняка вы знаете, что в прошлом эти космические скалы и ледяные глыбы врезались в наш мир намного чаще. Модели астероидов и комет показывают, что они располагают достаточным количеством льда, чтобы создать все существующие земные океаны.

Итак, ответ найден? Не совсем. Это был астероид или комета (кто принес больше воды)? Речь идет об одном крупном событии удара или же череде небольших падений? Насколько давно это произошло?

Чтобы понять, кого стоит благодарить (комету или астероид), нужно проанализировать химических состав этих объектов и сравнить его с земным составом. Например, молекула воды всегда имеет 10 протонов и обычно 8 нейтронов. Но разные изотопы воды могут располагать дополнительными нейтронами.

Например, тяжелая вода (из кислорода и дейтерия) представляет собою изотоп водорода или водород с добавленным нейтроном.

В исследовании от 2014 года изучали относительное количество разных изотопов воды (молекулы воды с различным количеством нейтронов) на метеоритах, которые упали на Землю от древнего астероида Веста.

Важно понимать, что Веста стоит на втором месте по величине среди объектов в астероидном поясе и располагает сильно кратерной поверхностью, что намекает на бурное прошлое. Образцы пород Весты имели такое же распределение изотопов, что и на Земле

Это не значит, что Веста является главным источником нашей воды, однако подобный объект мог нести ответственность.

Комета 46P/Виртанена

Но споры продолжаются. Мы рассмотрели теорию с астероидами, но ведь удар мог прийти от крупной кометы. Например, несколько лет назад космический корабль Розетта первым облетел комету и спустил на ее поверхность посадочный аппарат. Это позволило узнать, что отношение тяжелой воды к обычной в кометах отличается от земной ситуации. Некоторые считают, что лишь 10% земной воды могло поступить от комет.

Но в 2018 году мимо нас пролетала комета 46P/Виртанена, что позволило изучить ее изотопный состав с помощью прибора SOFIA. Так вот у этой кометы соотношение дейтерия и водорода напоминало земное. Что же отличает эту комету от той, что изучала миссия Розетта?

Дело в том, что 46P/Виртанена относится к классу «гиперактиных» комет, которые выпускают больший объем воды при сближении с Солнцем, чем обычные кометы. Как они это делают? Когда обычная комета подлетает к звезде, то частицы льда из ядра превращаются в газ, который затем может стать жидкой водой, если окажется на поверхности планеты.

Но гиперактивная комета теряет не только лед из ядра, но и богатую на частицы атмосферу. Именно эти выброшенные ледяные частицы могут быть причиной того, что изотопные отношения в гиперактивных кометах напоминают земные.

Значит, падение этих комет в сумме с парочкой астероидов могли принести воду на Землю. А расположение в зоне обитаемости обеспечило тот факт, что вода сохранилась в жидком состоянии. Однако мы все еще не знаем, какие именно объекты рухнули, сколько их было и когда это случилось. На эти вопросы еще предстоит найти ответы.

Холодное происхождение Земли

Однако наличие в центре Земли раскаленного ядра доказывает, что в силу каких-то причин, например из-за распада радиоактивных элементов, в недрах планеты начала подниматься температура.

Холодная версия с последующим разогревом

Сначала наша планета была холодной, затем стала раскаляться, что вызвало вулканизм. Магма выносила из недр на поверхность водяной пар, который уже содержался в протоматерии, образовывавшей Землю.

Часть пара остывала, становилась жидкой и заполняла океаническую чашу, а часть стала будущей атмосферой.

Разогрев Земли стал причиной вулканической деятельности. Извергаемая вулканами лава выносила на поверхность планеты пары воды. Часть паров, конденсируясь, заполняла океанические впадины, а часть образовала атмосферу. Credit: историиземли.рф/brezhnevnews.

Гипотеза расширяющейся планеты

Установлено, что еще 250 миллионов лет назад на нашей планете был один материк, это доказано и неоспоримо. Доказательств много, самые убедительные — это то, что береговые линии разных материков подходят друг другу по форме, как детальки пазла, а также то, что геология структур на побережьях схожа. Это еще не все, флора и фауна тоже похожи. Никто не спорит, что материк был один, но в том же время почему он раскололся, тоже никому не известно. По непонятным причинам целостность материка была нарушена, его части начали расходиться в разные стороны. Ученые не могут дать ответа, что именно было движущей силой, и как может расходиться в стороны материковая глыба, которая уходит вглубь на десятки километров.

Тем не менее, они действительно плывут, про это упоминалось в другой теории. Хоть и не на много, но расстояние становится больше. Все эти факты сливаются воедино в одной из теорий, это гипотеза расширяющейся. Земли.

Авторы этой теории считают, что на какой-то стадии формирования радиус нашей планеты был вдвое меньше, чем сейчас. Вся поверхность была единым опоясывающим материком, океанов не было, как и места для них. На стыке протерозоя и мезозоя, что было от 250 до 300 миллионов лет назад, планета начала расширяться. Материк раскололся на части, между ними образовались пустоты, которые смогли наполниться водой и стать океанами.

Самая шокирующая новость не в том, что радиус планеты стал в два раза больше. После создания атомных часов ученые смогли с точностью определять широту и долготу любого объекта на Земле относительно звездного неба. И эти замеры показали, что расширение до сих пор продолжается.

Очень сильно расширяется европейский континент. Гамбург, расположенный в центре континента, остается на месте. А Москва и Санкт-Петербург, что находятся ближе к окраине уходят на восток со скоростью 1 сантиметр в год. Это очень быстро: если посчитать на 20 миллионов лет, что ничтожно по меркам геологической эпохи, то при перемещении такими же темпами может быть образован океан шириной в 4000 километров.

Но во всей этой теории отсутствует важнейший элемент — причина, по которой планета расширяется.

Как мы знаем, Вселенная состоит из водорода на 98%, представленность данного элемента в составе Земли такая же. Этот водород пришел с частицами звездной пыли, образовавшей планеты. Там был не только водород, но и атомы металлов. С этим было связано интересное взаимодействие: металл может поглощать огромные количества водорода, в тысячи раз больше собственного объема. Чем больше водорода поглотил металла, тем меньше по объему и плотнее он стал.

Таким образом, облако космической пыли уплотняется, давление внутри прото-Земли возрастает, в чем выше оно становится, тем больше водорода могут поглотить металлы. От сжатия повышается температура, происходит разогрев. Так как центральные области сжимались сильнее других, температура там повышалась сильнее. На какой-то стадии температура в земном ядре стала критической, и начался обратный процесс, теперь металлы не поглощали, а выделяли водород. Возможно, это и стало причиной расширения.

Это были шесть теорий, как появилась вода на планете Земля. На данный момент вопрос открыт, так как ни одна из гипотез не может быть доказанной. Но рано или поздно человечество узнает точный ответ.

Откуда на земном шаре появилась вода?

Что такое вода с химической точки зрения? Это неорганическое соединение, прозрачная жидкость без вкуса, цвета и запаха. Молекулы воды состоят из двух атомов водорода и одного кислорода, которые соединены между собой. При пониженных температурах жидкая вода переходит в твердое состояние (лед), а при повышенных – в газообразное (водяной пар).

Роль воды необычайно важна не только в существовании растений (о чем мы писали выше), но и в жизни всех живых существ на Земле. Вода «участвует» в глобальном кругообороте вещества и энергии, возникновении и поддержании жизни на нашей планете, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды…

Именно вода, а не суша, занимает большую часть поверхности планеты – более 70%. Но откуда она на Земле вообще взялась, да еще и в таких количествах?

А вот это до сих пор предмет многочисленных научных споров – на этот счет существует сразу несколько теорий. Например, три самые популярные:

  • Вода на Земле образовалась из протопланетного диска, содержащего пылевые частицы с налипшими на них молекулами воды. По мнению ученых, эта материя образовалась около 4,4 млрд лет назад – то есть уже оказалась на нашей планете в момент ее формирования. В доказательство приводят исследования древнейших ископаемых базальтов Земли, в которых содержание водорода сопоставимо с таковым в древних астероидах.
  • Некогда вода была занесена на Землю космическими телами. То есть астероиды, метеориты и прочие объекты из космоса при столкновениях с поверхностью новообразованной планеты привнесли в ее состав и молекулы водорода, и сами молекулы воды, которая задолго до появления Земли сформировалась в газовых облаках межзвездного пространства. В пользу этого говорит тот факт, что и сегодня многие кометы и метероиды содержат большое количество воды, идентичной земной по изотопному составу.
  • Вода на Земле возникла в результате химических реакций в ее недрах. В пользу этого говорят эксперименты, в которых ученые смоделировали условия, характерные для недр Земли (температура, давление и т.д.), и при таких параметрах содержащийся в мантии диоксид кремния начал вступать в химическую реакцию с водородом, что, в частности, приводит к образованию воды. Геофизики выяснили, что такого рода реакции могут происходить на глубине от 40 до 400 км от поверхности планеты.

А еще существуют версии о миграции нашей планеты в незапамятные времена по Солнечной системе, о влиянии гиганта-Юпитера и так далее…

Каждая из этих и других гипотез имеет как свои сильные, так и слабые стороны, на которые активно указывают оппоненты. Но интересно также, что многие научные теории происхождения воды совместимы между собой – то есть наличие на Земле воды (да еще в таких огромных количествах) может объясняться комбинацией нескольких существующих гипотез.

Орбита и вращение Земли

Земле требуется примерно 365 дней для того, чтобы сделать полный оборот по орбите вокруг Солнца. Длина нашего года связана в значительной степени со средним орбитальным расстоянием Земли, которое составляет 1,50 х 10 в степени 8 км. При таком орбитальном расстоянии солнечному свету требуется в среднем около восьми минут и двадцати секунд для достижения поверхности Земли.

При орбитальном эксцентриситете .0167 орбита Земли является одной из самых круговых во всей Солнечной системе. Это означает, что разница между перигелием Земли и афелием относительно мала. В результате столь небольшой разницы интенсивность солнечного света на Земле остается практически неизменной круглый год. Тем не менее, положение Земли на своей орбите определяет тот или иной сезон.

Наклон оси Земли составляет приблизительно 23,45 °. При этом Земле требуется двадцать четыре часа для того, чтобы завершить один оборот вокруг своей оси. Это самое быстрое вращение среди планет земной группы, но немного медленнее, чем у всех газовых планет.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector