Глава 3. Методические разработки
К сожалению, провести весь курс занятий, логически связанных между собой, оказалось невозможным, и были апробированы только некоторые формы организации элективных курсов по изучению темы «Экологический мониторинг водных объектов».
Занятие №1. Водные ресурсы планеты
В ходе эволюции вода создала окружающую нас природу, живой мир, да и самого человека: именно водная среда (мировой океан) могла обеспечить все требования к возникновению и развитию жизни. Она стала тем «питательным бульоном», в котором 3,5 млрд лет назад при специфических внешних условиях зародилась жизнь на Земле.
Есть ли вода в нашем организме и много ли ее? Как вы полагаете, отчего это?
Вода обеспечивает существование жизни на нашей планете: сложнейшие биохимические реакции в клетках животных и растительных организмов могут протекать только при наличии воды. Все живые существа на Земле содержат воду в большем или меньшем количестве, в среднем около 70-80%, т.е. на 3/4 состоят из воды. С химической точки зрения живое вещество – это водный раствор, и почти все процессы, обеспечивающие его жизнедеятельность, сводятся к химическим реакциям в водном растворе.
На что похожа кровь? Такая соленая? О чем это может свидетельствовать?
По солевому составу кровь человека и морская вода очень близки. Кровь человека составляет десятую часть от всей жидкости в его теле (в среднем 5 л крови, из них 3,5 л – жидкая составляющая - плазма) и обеспечивает возможность обмена веществ в организме. Одна из ее главных функций, подобно воде в природе, - транспортная (перенос кислорода, питательных веществ, шлаков). Для поддержания жизни человек должен получать около 2,5 л воды в сутки (непосредственно и с пищей).
Попробуйте догадаться, сколько всего человек за жизнь потребляет и выделяет воды?
В среднем за всю жизнь человек потребляет и выделяет около 75 т воды, а все человечество – почти четвертую часть годового стока всех рек мира.
А сколько человек может прожить без воды? Не высохнет ли он как трава без дождя?
Без воды человек не проживет и недели, погибнет от жажды. Обезвоживание организма приводит к серьезным нарушениям функционирования различных органов. Человек тяжело переносит потерю 5% воды, а обезвоживание на 15-20% приводит к необратимым изменениям в организме и к смерти.
Как известно, кислород атмосферы, играющий исключительно важную роль в функционировании всех аэробных живых организмов, в том числе и человека, - биогенного происхождения.
А наши организмы выделяют кислород? Что это за процесс?
Более 150 млрд. тонн кислорода поставляют ежегодно в атмосферу фитопланктон и наземные растения за счет фотосинтеза – важнейшего биохимического процесса на нашей планете. С помощью масс-спектрометрии и использованием изотопной разновидности воды H2 18O было доказано, что источником кислорода при фотосинтезе служит вода. Попытайтесь написать эту реакцию сами, а потом запишем ее вместе.
nCO2 +n H2 18O [CH2O] + n18O2
(формула [CH2O]n отражает не реальное вещество, а состав углевода).
Было также установлено, что более точное итоговое уравнение фотосинтеза имеет вид:
nCO2 + 2 n H2 18O [CH2O]n + n H2 18O + n18O2,
откуда следует, что в процессе фотосинтеза вода не только используется, но и образуется.
Когда кислорода стало очень много он стал превращаться в озон. Что случилось потом?
В свою очередь, кислород, образующийся как побочный продукт фотосинтеза, под действием мощного солнечного ультрафиолетового излучения образовал в стратосфере озоновый слой, защищающий белковые соединения от жесткой радиации, что позволило живым организмам выйти из Мирового океана на сушу.
Теперь, когда все приблизилось почти к современным условиям, установились круговорот веществ и энергии.
Опишите круговорот воды в городе?
Одновременно с образованием первичных гидросферы и атмосферы на земле зародился геологический круговорот воды. Этот планетарный круговорот воды продолжается до сих пор, в нем участвует и живая природа, теперь он имеет геобиохимический характер. «Любое проявление природной воды – глетчерный лед, безмерный океан, почвенный раствор, гейзер, минеральный источник – составляет единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связанное между собой», - считал В.И. Вернадский.
Попытайтесь дать определение круговороту. Это очень важное понятие – необходимо осознать что в нашей крови есть вода, например, с древних ледников Антарктиды. Итак…
Круговорот воды в природе – это непрерывный процесс движения и обмена водой между различными составляющими гидросферы. Примерно за 3000 лет вся современная масса гидросферы испаряется, т.е. интенсивность возобновления воды достаточно велика. Обладая в миллион раз меньшей массой воды, чем масса гидросферы, живые организмы, главным образом растения, пропускают ее через себя (за время порядка 1 млн. лет). Таким образом, природная вода – это тоже продукт жизнедеятельности живых организмов. В круговороте воды на суше доминирующая роль принадлежит растениям, 2/3 осадков образуются за счет транспирации – испарения с поверхности листьев растений. «Вся масса воды, - писал В.И. Вернадский, - и в жидкой, и в газообразной, и в твердой форме находится в непрерывном движении, переполнена действенной энергией, сама вечно меняется и меняет все окружающее. Картина видимой природы определяется водой».
Важна ли была вода для древних? Как они относились к ней?
Велика роль воды в истории человеческой цивилизации. Вся практическая (хозяйственная) деятельность человека с самой глубокой древности связана с использованием воды. Вода – ценнейший природный ресурс, и нет ни одной отрасли хозяйства, где она не использовалась бы.
Как можно получить энергию из воды? Нарисуйте схему извлечения энергии из воды в домашних условиях.
Вода – один из важнейших техногенных источников получения энергии, прежде всего электрической. В настоящее время пятая часть вырабатываемой в мире электроэнергии приходится на гидроэлектростанции, при этом следует заметить, что и на тепловых электростанциях (в том числе и на АЭС) именно вода, превращенная в пар, вращает турбины и связанные с ними электрогенераторы.
Объемы воды в составляющих гидросферы
Около 70% поверхности Земли (361,2 млн. км2) покрыто водой морей и океанов. Вся же гидросфера занимает заметно большую поверхность, если учитывать ледники (16,3 млн. км2, или 11% суши), озера и реки (2,3 млн. км2, или 1,6%), а также болота и сильно увлажненные земли (около 3 млн. км2, или 2%). Таким образом, гидросфера на нашей планете – это основная часть ее поверхности: более 380 млн. км2, или свыше 75% площади поверхности Земли.
Гидросфера Земли содержит около 1,4 млрд. км3 воды. Данные о содержании воды в отдельных составляющих гидросферы приведены в таблице.
Когда отмечают, что 3/4 планеты покрыты водой, то имеют в виду только нижний предел этого значения, так как на самом деле поверхность, занимаемая гидросферой, существенно меняется. Ежегодно снежный покров зимой в Северном и Южном полушариях закрывает огромные пространства суши. Особенно большую территорию – более 42 млн. км2 в среднем – снежный покров занимает на суше в зиму Северного полушария. Таким образом, в этот период площадь, занятая гидросферой, составляет более 83% поверхности Земли.
Общее количество воды в гидросфере постоянно, по крайней мере, в течение последнего геологического периода. Утечка воды в космос из-за фотодиссоциации молекул водяного пара в экзосфере компенсируется приходом воды на Землю за счет метеоритного вещества космического пространства (около 0,5 км3 в год) и первозданной (ювенильной) воды, извергаемой подводными вулканами и виде пара и горячих растворов (около 1 км3 в год). Учитывая вышесказанное и имея в виду планетарный круговорот воды, можно отнести воду к неисчерпаемым возобновляемым природным ресурсам.
Общие ресурсы пресной воды
Большое значение для жизни на Земле и хозяйственной деятельности человека имеет водный баланс пресной ветви планетарного круговорота воды. Пресной считается вода, в 1 л которой содержится не более 1 г. растворенных веществ (солей). Другими словами, пресная вода – это вода с соленостью не более 1%о (одной промилле). Для сравнения: средняя соленность морской воды составляет 35%о.
Как вы думаете связаны между собой соленая и пресная вода?
Отметим важнейший момент происхождения пресной воды – испарение и выпадение атмосферных осадков в системе «океан-атмосфера». Таким образом, соленая вода Мирового океана обеспечивает Землю пресной водой!
Где можно найти пресную воду? Многие города расположены по берегам рек, о чем это говорит?
Основные запасы пресной воды на земле сосредоточены в снежно-ледовых образованиях и в подземных водах – около 35 млн. км3, или 2,5% от всего объема воды в гидросфере. Хотя снежно-ледовые образования и подземные воды и играют существенную роль в водоснабжении некоторых районов, все же они труднодоступны, и в мировом масштабе их использование пока не имеет практического значения. Кроме того, пресные подземные воды располагаются лишь до глубины активного водообмена, формирующегося за счет атмосферных осадков, т.е. до глубины 200-1500 м.
Большая часть подземных вод, находящихся на нижних горизонтах, - соленые воды.
Непосредственно доступные пресные воды (пресные озера, содержащие 91 тыс. км3 воды, и реки) составляют лишь 0,007% от всей воды на земле, или 0,26% от общего запаса пресных вод на Земле. Самое большое в мире по запасам пресной воды оз. Байкал содержит 23 тыс. км3 воды, столько же – Великие американские озера. Таким образом, на эти озера приходится половина запасов воды пресных озер всего мира.