Гидросфера — водная оболочка Земли, совокупность океанов, морей, водных объектов суши (реки, озера, болота, водохранилища), подземных вод, включая запасы воды в твердой фазе (ледники, снежный покров). Гидросфера Земли представляет собой единую водную оболочку, основным компонентом которой является химическое соединение Н2О. Гидросфера — это глобальная открытая система, а вода — самое распространенное на Земле вещество. Почти 3/4поверхности земного шара покрыто водой.
Основная часть воды гидросферы (94%) сосредоточена в морях и океанах второе место приходится на долю подземных вод (4%), около 2 % объема гидросферы образовано льдом и снегом. Поверхностные воды континентов и островов составляют всего лишь 0,03 % общего объема гидросферы.
Мировой океан — непрерывная водная оболочка Земли, окружающая континенты и острова, — занимает около 70,8 % земной поверхности. Океанические воды распределены между полушариями неравномерно: в Северном полушарии они покрывают 66%, а в Южном — 81 % поверхности.
Вода — это единственное химическое соединение, которое в природных условиях существует в виде жидкости, твердого вещества (лед) и газа (пары воды). Вода имеет ковалентный тип химической связи. Она представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, без запаха, обладающую рядом аномальных физико-химических свойств:
- высоким поверхностным натяжением и зависящим от него значительным капиллярным поднятием, что обеспечивает питание растений по корневым системам;
- высокими температурами замерзания и кипения;
- плотность воды в жидком состоянии больше плотности льда, поэтому лед плавает на поверхности воды, и природные водоемы не промерзают до дна.
Аномальные свойства воды объясняются существованием в ней водородных связей, которые связывают молекулы Н2О в газообразном, жидком и в твердом состояниях. Известно около 42 стабильных и нестабильных молекулярных структур воды. В кристаллах льда молекулы воды расположены тетраэдрически.
Вода является прекрасным растворителем многих веществ, так как характеризуется высокой диэлектрической проницаемостью (е = 81), ослабляя в 81 раз силы притяжения между частицами веществ при растворении их в воде. По этой причине гидросфера представляет собой сложную экосистему с большим разнообразием и видом компонентов.
Огромное значение имеет решение проблемы чистой воды для всего живого на Земле. Почти все биохимические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организмов, сводятся к реакциям в водных растворах. При этом биосфера является огромным фильтром, через который вся масса гидросферы Земли прогоняется не менее двух раз в год.
Природная вода — это раствор многих веществ, в том числе солей, газов, а также веществ органического происхождения, некоторые из них находятся во взвешенном состоянии. В большинстве случаев природная вода имеет атмосферное происхождение (дождевая вода), реже — глубинное (конденсация паров, поднимающихся из недр Земли). Состав грунтовых, озерных, речных, морских и океанических вод изменяется в широких пределах в зависимости от состава почв, пород, растительного мира, с которыми вода контактирует.
Существует несколько классификаций химического состава природных вод. Так, в гидрохимии компоненты химического состава природных вод делятся на шесть групп.
1. Главные ионы (макрокомпоненты): К+, Nа+, Мg2+, Са2+, С1-, SО42-, НСО3-, СО32- в открытом океане независимо от абсолютной концентрации соотношение между главными компонентами основного солевого состава остается примерно постоянным.
2. Растворенные газы: О2, N2, Н2S, NН3, СН4 и др. Концентрация газов в воде определяется их парциальным давлением и законом Генри.
3. Биогенные вещества (продукты жизнедеятельности организмов), главным образом неорганические соединения азота и фосфора. Их концентрация в пределах пресных поверхностных вод изменяется в очень широких пределах: от следов до 10 мг/л. К биогенным элементам относятся также соединения кремния, находящегося в воде в виде коллоидных или истинно растворенных форм мета- и ортокремневой кислот (Н2SiО3 и Н4SiО4), соединения железа, в основном в форме гидроксилов железа или органических комплексов.
4. Растворенные органические вещества (РОВ), т.е. органические формы биогенных элементов. Эта группа включает практически все классы органических соединений. Средний элементный состав РОВ природных вод соответствует химической формуле С13Н17О12. Эту группу составляют вещества, придающие воде запах и цвет.
5. Микроэлементы: все металлы, кроме главных ионов, а также анионы. Например: Са2+, Мg2+ и другие ионы переходных металлов; анионы и др., которые встречаются в природных водоемах в очень малых концентрациях.
6. Бактерии и микроорганизмы.
Из природных вод человек чаще всего сталкивается с так называемыми поверхностными природными водами. Они характеризуются большим содержанием нерастворимых веществ и, в частности, органических соединений. Помимо частиц песка и глины они содержат илистые вещества, различные карбонаты, гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды, гидроксиды алюминия, марганца, железа, высокомолекулярные органические примеси гумусового происхождения (иногда в виде органоминеральных комплексов), планктон и др.
В химический состав природных вод можно внести еще одну разновидность соединений, связанных с деятельностью человека, — токсичные загрязняющие вещества: тяжелые металлы, нефтепродукты, хлорорганические соединения, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), фенолы и т.д. При хлорировании природной воды в ней могут также образоваться диоксины.
Всего в природных водах в заметных количествах содержится около 50 химических элементов. Общее количество растворимых в гидросфере солей оценивается в 4,5-106 т, что по порядку величины сравнимо с массой всей атмосферы.