Термический режим озер.

Термический режим озер контролируется приходом солнечной радиации и теплообменом с атмосферой. Приход солнечной энергии в течение одного летнего дня может достигать 500 кал на 1 см2 поверхности озера. Часть этой энергии отражается от зеркала озера, часть рассеивается водной поверхностью в пространство, а часть поглощается водой и превращается в тепловую энергию. Расходуется тепло озерной воды на испарение и излучение в атмосферу, весной – на таяние льда.

Нагревание или охлаждение верхних слоев водной толщи озера приводит либо к перемешиванию воды, либо к расслоению (стратификации) водной толщи по плотности. В зависимости от особенностей температурного режима пресные озера подразделяются на теплые, умеренные и холодные.

Летом нагревается главным образом верхний слой воды толщиной несколько метров, оно приводит к расширению воды в этом слое, ее плотность. Нагретая вода скапливается поверх холодных. Температура в озере с глубиной понижается (прямая стратификация). Верхний слой называется эпилимнион. Далее идет слой температурного скачка (термоклин), для которого характерно изменение температуры на 8-100С на 1м глубины. Нижний, более плотный, холодный слой носит название гиполимнион.

Зимой температура с глубиной повышается. Такое расслоение воды называется обратной стратификацией. Состояние воды, при котором температура воды в озере равна 40С называется гомотермией(весенняя и осенняя)

Основные понятия: эпилимнион, гиполимнион, гомотермия.

4.Динамика озерной воды.

Движение воды в озерах обеспечивает ее перемешивание, содействует распространению кислорода и аэрации нижних слоев и, следовательно, распределению питательных веществ. Наиболее существенное значение имеет вертикальная циркуляция воды, связанная с термическим режимом.

Движение воды в озерах значительно отличается от высокоамплитудных приливо-отливных и мощных океанических течений. Только в крупнейших озерах существуют постоянные течения, но даже в них практически отсутствуют приливо-отливные колебания.

В большинстве крупных озер есть инерционные течения. В проточных озерах под есть сточные течения. Под влиянием ветра возникают ветровые течения (вихревые ветровые течения (или циркуляция Лэнгмюра), компенсационные течения, поверхностными сейши, внутренние сейши.

Основные понятия: инерционные течения, сточные течения, ветровые течения, (вихревые ветровые течения), компенсационные течения, поверхностными сейши, внутренние сейши.

5.Растительность и животный мир озер.

Каждый водоем – это биотоп. Большое разнообразие озер по глубине, термическому режиму и химическому составу воды создает пестроту экологических условий существования живых организмов.

Озера классифицируют по содержанию фосфора - основного лимитирующего элемента питания биоты озер: эфтрофные, мезотрофные, дистрофные и олиготрофные.

Различаются по экологическим условиям и разные зоны озер. Эпилимнион почти всегда насыщен растворенным кислородом, образующимся здесь в процессе фотосинтеза, а также захваченным из пограничного слоя атмосферы при циркуляции воды.

В гиполимнионе растворенный кислород затрачивается на дыхание и разложение, и многие неорганические вещества возвращаются в воду.

На поверхности раздела донных осадков и воды, содержащие кислород нерастворимые соединения железа теряют кислород и становятся растворимыми, в результате чего большое количество железа, марганца, фосфора и азота поступает в воду. Этот процесс называется внутренней эвтрофикацией.

В озерах существуют три типа местообитаний: зона контакта атмосферы и воды, зона контакта донных отложений и воды и собственно водная толща. В каждой зоне встречается набор организмов, приспособленных к специфическим условиям данного типа местообитания.

Зона контакта атмосферы и воды.Организмы, обитающие в этой зоне, носят собирательное название «нейстон» (от греч. neusts – плавающий).

Зона контакта донных отложений и воды.Совокупность организмов, обитающих в этой зоне, называется бентосом (от греч. bnthos – глубина). Эта группа включает как растения, так и животных. Растения, обычно известные как водные, или макрофиты, обитают на мелководьях, где им доступен свет, и образуют определенную зональность. На дне вдоль кромки озера растут полупогруженные макрофиты, включающие осоки и рогоз. Далее от берега и несколько глубже укореняются такие макрофиты, как, например, кувшинки с длинными стеблями, увенчанными плавающими листьями, через которые поглощается углекислый газ из атмосферы. Еще дальше от берега, на большей глубине произрастают полностью погруженные в воду макрофиты (например, рдесты).

Огромная площадь поверхности растений мелководий служит средой обитания для группы прикрепляющихся к ним организмов, называемой перифитоном, в которую входят бактерии, простейшие и водоросли. Глубже в сублиторальной зоне обитают бактерии, простейшие и настоящие черви

Водная толща. Обитающие здесь организмы делятся на две группы: нектон и планктон.

Нектон. По особенностям питания озерные рыбы делятся на несколько групп: рыбоядные или хищные рыбы, планктоноядные рыбы, бентосоядные рыбы.

Планктон. Различают фитопланктон (растительные организмы) и зоопланктон (животные организмы). Все они микроскопические и имеют удельный вес, близкий удельному весу пресной воды, но если бы он был выше, планктон быстро опускался бы на дно.

Водоросли играют важную роль в озерах, поскольку они вместе с более крупными растениями составляют первое звено пищевой цепи водоемов.

Зоопланктоном обычно называются микроскопические животные или иные микроскопические организмы, не осуществляющие фотосинтез. Зоопланктон включает некоторые группы бактерий, а также простейших, коловраток и мельчайших ракообразных.

Хотя непатогенные бактерии и не являются животными, их включают в состав зоопланктона. Они изобилуют в озерной воде, где их концентрация может превышать 100 млн. в 1 мл. Если бы не эти бактерии (многие из них разлагают органическое вещество на составные части), обмен веществ в озерах замедлился бы и в конце концов прекратился, поскольку все доступные минеральные вещества оказались бы связанными в органические соединения в живых или погибших организмах.

Простейшие – это микроскопические одноклеточные животные, иногда называемые неклеточными, например амебы и парамеции (ресничные инфузории).

Более сложное строение, чем простейшие, имеют коловратки, названные так за венчик волосков, или ресничек, вокруг ротового отверстия. Коловратки – многоклеточные животные. Они питаются мелкими водорослями, бактериями и органическим детритом, а иногда – другими коловратками.

Мельчайшие ракообразные представляют собой одну из наиболее заметных составляющих зоопланктона. Эти рачки очень малы – длиной 0,3–12 мм. В большинстве озер они являются главным связующим звеном между первичными продуцентами (водорослями) и последующими звеньями пищевой цепи (рыбами).

Основные понятия: эфтрофные, мезотрофные, дистрофные и олиготрофные озера, нейстон, бентос, планктон.

6.Экологические проблемы озер.

Озера являются экосистемами, в которых все компоненты взаимосвязаны. При отсутствии внешних воздействий озера достигают некоторого состояния равновесия с окружающей средой, что со временем приводит к более или менее стабильному положению, когда организмы, обитающие в озерах, приспосабливаются к существующим условиям.

Однако озера редко пребывают в равновесном состоянии. Напротив, они часто используются как источники воды для орошения, питьевой воды, для сельскохозяйственных нужд или же для сброса таких продуктов современной цивилизации, как сточные воды предприятий, ливневые и сельскохозяйственные стоки. Озера загрязняются все возрастающим количеством пестицидов, гербицидов и попадающих в воду из воздуха органических соединений, таких, как полихлорированные бифенилы, а также кислотными дождями, образующимися в результате выбросов загрязняющих веществ двигателями автомобилей и тепловыми электростанциями. В них проникают чуждые им виды растений и животных, заносимые рыбаками на днищах судов и иными случайными способами. Угрожающие размеры принимает эвтрофикация. В некоторых случаях большие, имеющие хозяйственное значение озера находятся даже под угрозой полного исчезновения.

Загрязнение озер – очень серьезная проблема. Сформировалась целая наука о восстановлении озер, базирующаяся главным образом на эмпирических соотношениях, связывающих такие показатели, как обилие водорослей и прозрачность воды, с концентрациями фосфора в озерных водах. В некоторых регионах регулируется забор воды из озер. Тщательно изучается применение пестицидов.

Основные понятия: озероведение (лимнология), типы озерных котловин, аласы,. самосадочные озера, рапа, температурная стратификация (прямая, обратная), эпилимнион, слой температурного скачка (термоклин), гиполимнион, гомотермия,. инерционные течения, сточные течения, ветровые течения (вихревые ветровые течения или циркуляция Лэнгмюра, компенсационные течения, поверхностными сейши, внутренние сейши), эфтрофные, мезотрофные, дистрофные и олиготрофные озера, бентос, перифитон, нектон, планктон.

Лекция 12. Гидросфера. Криолитосфера и гляциосфера.

Содержание:

1. Гляциосфера. Условия возникновения и существования ледников.

2. Строение ледника. Типы ледников.

3. Криолитосфера.

1.Гляциосфера. Условия возникновения и существования ледников

Гляциосфера в отличие от другихрассмотренных выше оболочек Земли имеет не сплошное, и дискретное распространение и представлена особыми поверхностными формами льда, называемые ледниками.

Основные понятия: гляциосфера, хионосфера, климатическая, сезонная, орографическая снеговая граница (линия), наст, фирн, фирновый лед, ледниковый лед, режеляция, пластичность, фирновый бассейн (бассейн питания), область стока, абляция, морена, типы горных ледников: ледники горных склонов, долинные ледники, ледники горных вершин, сложные ледниковые комплексы.

3.Криолитосфера

Подземные льды. Вечная мерзлота (многолетняя мерзлота) занимает северные части Евразии и Северной Америки (половина территорий Канады и России), что составляет ¼ часть площади суши. В пределах этой зоны в течение сотен и даже тысяч лет наблюдались отрицательные среднегодовые температуры воздуха (ледниковые и межледниковые эпохи). В результате сформировалась мощная толща горных пород, содержащих лед. Эти породы имеют среднегодовую температуру ниже 00С и называются мерзлыми. Вечная мерзлота может быть сплошной, с таликами и островной.

Мерзлые породы отличаются своей монолитностью, большой твердостью и крепостью, так как лед цементирует грунтовые частицы.Льдистость мерзлых пород колеблется от 5-10% до 90%. Но вода в этих породах содержится не только в твердой фазе, но в жидкой и газообразной, заполняя мелкие пустоты. Вода и лед находятся в мерзлых породах в динамическом равновесии. При увеличении температуры, лед подтаивает и пополняет массы незамерзшей воды, при похолодании – наоборот. При любом изменении температуры происходит перемещение воды. Она перетекает туда, где ее меньше и замерзает. При этом происходит увеличение объема почти на 9%. Породы, окружающие такой замерзающий участок раздвигаются в разные стороны и сильнее всего вверх. Происходит поднятие, вспучивание. В том месте, откуда вода ушла, наоборот, происходит просадка.

Над многолетнемерзлыми породами образуется слой сезонного протаивания мощностью от нескольких см до 1 м.. Наличие слоя сезонного протаивания и многолетнемерзлых пород, играющих роль водоупора, создают особые формы рельефа и определяют возникновение специфических экзогенных процессов,. существенно осложняющих освоение этих территорий.

Современная мерзлота является реликтовым образованием, не соответствующим современным климатическим условиям районов ее распространения. Но положительные летние температуры недостаточны для протаивания многометровых толщ этих горных пород.

Основные понятия:криолитосфера, вечная мерзлота, многолетнемерзлые горные породы, область сплошной, с таликами и островной мерзлоты, льдистость горных пород, слой сезонного протаивания.

Лекция 13. Гидросфера. Подземные воды.

1. Общая характеристика подземных вод.

2. Виды подземных вод.

3. Минеральные воды. Источники

1.Общая характеристика подземных вод.

Подземные воды - это воды, находящиеся в верхних слоях земной коры в твердом, жидком и газообразном состоянии.

Подземная вода должна рассматриваться и как часть гидросферы и как часть земной коры. По особенностям термодинамического поля земной коры можно выделить: глубинные воды, не участвующей в современном влагообороте, капельно-жидкую воду в верхнем слое земной коры и воду, участвующей во влагообороте. Последняя входит в состав географической оболочки.

Характеристиками свободного пространства в почвах и горных породах, являющихся условием циркуляции вод (пор и трещин) являютсяпористость и скважность. Под пористостью понимают наличие в породах малых пустот — капиллярных пор, под скважностью — наличие в породах более крупных, некапиллярных промежутков — скважин различного происхождения и формы. Иногда совокупность всех пустот объединяют в понятие общей пористости.

Величина пористости р определяется отношением объема vпор к объему породы в сухом состоянии V. Она выражается в процентах в виде

р = vпор/V *100%

или в долях единицы.

Пористость почв и пород определяет такие важные водные свойства как водопроницаемость, водоотдачу и водоудерживающую способность.Влагоемкость - количество воды, которое удерживается в почвах и горных породах при определенных условиях. Горные породы подразделяются на сильновлагоемкие, слабовлагоемкие и невлагоемкие.

Содержание воды в почвах и породах в весовых или объемных единицах на какой-либо момент времени называется естественнойвлажностью. Обычно естественную влажность выражают отношением (в %) веса воды к весу минеральной части породы:

где Р1 и Р2 — соответственно вес образца породы до и после высушивания.

Водоотдача — способность породы, насыщенной водой, отдавать путем свободного стекания то или иное количество воды.

Водопроницаемость — способность породы пропускать через себя воду.

По степени водопроницаемости породы подразделяются на две основные группы: водопроницаемые и водонепроницаемые, или водоупорные.

Перемещение подземных вод. Перемещение воды в природе осуществляется под влиянием той или иной силы или равнодействующей группы сил: силы тяжести, силы молекулярного взаимодействия, капиллярные силы, осмотические силы сосущая сила корневых систем растений (десукция)

2. Виды подземных вод.

Химически связанная вода — входит в молекулу вещества гидроксильной группой, например Fе2О3+ЗН2О → 2Fе(ОН)3.

Кристаллизационная вода — является составной частью многих минералов, например гипса (CaSO4*2H2O), и удаляется из породы нагреванием до 100-200°С или химическим путем.

Парообразная вода находится в порах и пустотах пород и перемещается под влиянием разности упругостей пара из областей с большей упругостью в области с меньшей.

Гигроскопическая вода — это вода, адсорбированная частицами породы из воздуха. Гигроскопическая вода прочно связана с частицами минерального грунта.

Пленочная вода обволакивает частицы породы сверх максимальной гигроскопичности. Эта вода адсорбируется из жидкой фазы. Она менее прочно связана с минеральными частицами и относится к категории рыхлосвязанной. Растениями усваивается с трудом. Передвигается от частицы к частице под влиянием сорбционных сил.

Капиллярная вода — заполняет сравнительно мелкие поры породы. Она удерживается и передвигается в почво-грунтах под влиянием капиллярных (менисковых) сил из зоны большего увлажнения в зону меньшего увлажнения.

Гравитационная, или свободная, вода — заполняет некапиллярные пустоты породы. Под влиянием силы тяжести просачивается в породе сверху вниз в виде отдельных струй (при неполном насыщении породы) или фильтруется в толще насыщенной водой породы в направлении падения уровня подземных вод. Гравитационная вода передает гидростатический напор, под действием которого воды могут подниматься вверх, как в сообщающихся сосудах.

Внутриклеточная вода — содержится в неполностью разложившихся остатках растений в почве. В большом количестве такая вода содержится в болотных почвах и особенно в торфах.

При наличии источников питания залегание подземных вод в земной коре в значительной мере определяется геологическим строением местности: структурой и литологическим составом горных пород - чередованием водопроницаемых и водоупорных пород. В водопроницаемых слоях формируются водоносные слои, или водоносные горизонты.

Если при вскрытии водоносного горизонта вода устанавливается на том же уровне, на котором она находится в породе, то эта поверхность носит название зеркала или уровня подземных вод. Водоносные горизонты, обладающие свободной поверхностью, носят название водоносных горизонтов со свободной поверхностью.

Над свободной поверхностью подземных вод поднимаются капиллярные воды, (капиллярная кайма). Расстояние по вертикали от водоупорного ложа до зеркала подземных вод называется мощностью водоносного слоя.

Если воды водоносного пласта находятся под гидростатическим напором, то водоносный горизонт называется напорным водоносным горизонтом.

Верхнюю часть земной коры в отношении распределения в ней подземных вод принято делить на две зоны: зону аэрации и зону насыщения.

В зоне аэрации вода обычно не заполняет полностью поры и пустоты породы, а если и заполняет, то временно и не везде. В этой зоне непосредственно у поверхности земли в почвах залегают почвенные воды. Воды зоны аэрации, кроме почвенных, включают так называемые воды верховодки. Они формируются в результате фильтрации атмосферных и поверхностных вод и их накопления в локальных участках во влажный период и исчезают в результате испарения в сухой период или перетекают в более нижние горизонты. Эти воды чаще всего бывают сильно загрязнены.

В зоне насыщения поры породы заполнены водой и на различных глубинах в ней залегают грунтовые, межпластовые безнапорные и напорные воды.

Грунтовые воды распространены повсеместно и существуют постоянно. При характеристике грунтовых вод отмечают мощность водоносного горизонта, глубину залегания грунтовых вод, их химический состав и режим.

Скорость движения грунтовых вод зависит от проницаемости пород. При выходе грунтовых вод на поверхность образуется родник.

Площадь распространения грунтовых вод совпадает с площадью их питания, т. е. с областью.

Глубина залегания грунтовых вод может быть различной: от десятков метров до 1-2 м. В

Воды, залегающие в водопроницаемой толще пород, заключенной между двумя водоупорными слоями, называют межпластовыми водами. Верхний водоупорный слой в этом случае называется водоупорнойкровлей, а нижний — водоупорным ложем. Их химический состав различен. Верхние горизонты, как правило, пресные, глубинные слабоминерализованные гидрокарбонатные. Глубокозалегающие воды представляют собой рассолы, преимущественно хлоридные. Наибольший интерес представляют воды, обладающие лечебными свойствами (углекислые, сероводородные, радоновые, железистые).

Температура межпластовых вод зависит от глубины их залегания и от геологических условий территории. Если температура воды составляет 20-370С - это теплая вода, если 37-420С термальная, более 420С - горячая. Горячая вода, как правило, характерна для районов современного вулканизма и она находит применение в промышленности.

Артезианские воды. Воды, насыщающие водопроницаемый слой, заключенный между водоупорными породами, и обладающие гидростатическим напором, называются напорными, или артезианскими, подземными водами.

3.Минеральные воды. Источники

Минеральными принято называть такие воды, которые в силу своего особого химического состава или физических свойств (радиоактивности, повышенной температуры) оказывают определенное воздействие на организм человека. Эти воды часто относятся к категории лечебных. Лечебные свойства минеральным водам придает содержание в них некоторых характерных ионов и газов.

Различают пластовые выходы и источники (родники). Пластовые выходы проявляются в равномерном увлажнении склона на относительно большом расстоянии вдоль пересечения его с водоносным пластом. Сосредоточенные выходы подземных вод в виде отдельных струй или потоков называются источниками (родниками).

По характеру выхода и условиям питания источники обычно подразделяются на нисходящие и восходящие.

Источники, выбрасывающие воду под действием давления паров воды, имеющих на некоторой глубине температуру выше 100°С, называются гейзерами.

Происхождение подземных вод.

Основным видом питания подземных вод зоны активного водообмена является инфильтрация (просачивание) атмосферных осадков. Часть подземных вод образуется путем конденсации и сорбции.

Единой точки зрения по вопросу формирования запасов подземных вод в глубоких недрах земной коры в настоящее время нет. Различные взгляды отражены в трех основных гипотезах происхождения подземных вод: 1) магматическое и метаморфическое, 2) седиментационное и 3) поверхностное (атмосферное).

В соответствии механизмом образования подземные воды подразделяются на следующие группы: вадозные, ювенильные, седиментационные воды.

Основные понятия: гравитационная (свободная) вода, внутриклеточная вода водоносные слои (водоносные горизонты), зеркало (уровень подземных вод), водоносные горизонты со свободной поверхностью, напорные водоносные горизонты, .мощность водоносного слоя, она аэрации, зона насыщения, верховодка, грунтовые, межпластовые безнапорные и напорные воды (артезианские), теплая, термальная, горячая вода, пластовые выходы и источники (родники), нисходящие и восходящие источники, гейзеры вадозные, ювенильные и седиментационные воды.

Лекция 14. Педосфера.

Содержание:

1. Общая характеристика педосферы.

2. Образование почв.

3. Состав почв.

4. Строение почвенного профиля.

1.Общая характеристика педосферы.

Почвы представляют собой органоминеральное образование верхнего горизонта литосферы, вовлеченное в биогеохимический круговорот атомов при участии растений, животных и микроорганизмов, обладающее плодородием. Почвы на поверхности суши образуют почти сплошной покров и формируют биокосную сферу, которая носит название педосфера.

Основателем научного почвоведения является выдающийся русский ученый географ В. В.Докучаев ( гг).

Специфической особенностью почв является сложный обмен веществ (биогеохимический круговорот), который совершается между горными породами и живыми организмами.

Основные понятия: биокосная сфера, педосфера.

2.Образование почв.

Почва образуется при трансформировании горных пород под влиянием различных агентов. В результате биохимических преобразований в составе почвообразующих пород появляется мелкозем, содержащийвторичные минералы (вторичные глиноподобные минералы, аморфные формы кремнезема, гидроксиды железа). С появлением в составе минеральной части почвы вторичных минералов примитивная почва приобретает поглотительную способность, что создает благоприятные условия для расселения высших растений, что усиливает биохимические процессы. В результате всех этих изменений мелкозем обогащается органическим веществом, в том числе и гумусом. Образование 1 см почвенного слоя в среднем протекает в течение 150 лет.

Сформировавшаяся почва имеет мощность 1,5-2,5 м. Она представляет собой не просто твердое тело (как большинство пород литосферы), а сложную трехфазную систему, в которой твердые частица окружены воздухом и водой.

Основные понятия:биохимические преобразования, вторичные минералы, поглотительная способность, гумус.

3.Состав почв.

В состав твердой фазы входят минеральные и органические вещества.

В состав минеральной части почвы входят: кислород (55%), кремний (20%), алюминий (7%), водород (5%), углерод (5%), железо, калий, натрий, магний, кальций, фосфор, сера в сумме не превышают 5% и некоторые микроэлементы – медь, молибден, йод, бор, фтор, свинец и др. Подавляющее большинство химических элементов находится в форме оксидов и солей угольной кислоты, фосфорной, хлористо-водородной и других кислот.

При взаимодействии почвенных солей с почвенной влагой образуется почвенный раствор - наиболее подвижная и активная часть почвы, так как вещества в нем находятся в молекулярном и коллоидальном состоянии. В почвенный раствор переходят также и газообразные вещества, входящие в состав почвенного воздуха.

Органическая часть почвы образуется в результате воздействия на почву растений и микроорганизмов. Органическая часть почвы представлена как азотсодержащими, так и безазотистыми органическими соединениями. Они накапливаются в почве при разложении растительных и животных остатков, а также в процессе жизнедеятельности самих организмов. Основную часть органических соединений почвы (до 85%) определяющих ее плодородие, составляет специфически органические соединения, которые называются почвенным гумусом. Синтез этих высокомолекулярных органических соединений происходит при участии окислительных ферментов микроорганизмов. Основу гумуса составляют перегнойные кислоты (гуминовые и фульвокислоты), образованные в результате аэробного и анаэробного разложения травянистых растений и древесных остатков.

Наиболее важным химическим свойством почвы является ее поглотительная способность. Она связана с образованием почвенных коллоидов. В результате обменных реакций с ионами диффузного слоя коллоидов происходит избирательное накопление различных химических элементов. Почвы имеют высокую биохимическую активность: в них живут разнообразные живые организмы. Это могут быть различные микроорганизмы, (бактерии, водоросли, грибы, простейшие одноклеточные), черви, членистоногие, а также высшие животные.

Основные понятия: минеральные и органические вещества. почвенный раствор перегнойные кислоты почвенных коллоидов.

3.Механический состав почв.

Нормальный воздухо и водообмен почв зависит также от их механического состава – соотношение в почве физического песка (размер фракций более 0,01 мм) и физической глины (размер фракций менее 0,01 мм). Механически состав имеет большое значение для агротехнической характеристики почв.

Механический состав связан с плотностью и пористостью почв, которые в совокупности создают ее физические свойства. Последние характеристики почв определяют ее естественное увлажнение и воздухообмен.

Основные понятия: физические свойства почв: плотность и пористость.