Тема 5. Альтернативні джерела енергії

Альтернативні джерела енергії — це енергія вітру, морів та океанів, внутрішнього тепла Землі, Сонця.

Енергія вітру. За оцінками вчених, загальний вітроенергетичний потенціал Землі в ЗО разів перевищує річне споживання енергії людством. Однак використовується лише мізерна частка цієї енергії. Так було не завжди. За даними статистики, до революції в кожному другому селі України працював вітряк. Але парова машина, а потім двигун внутрішнього згоряння витіснили цих скромних трудівників. Добре відомо також, що до появи пароплавів усі морські перевезення здійснювалися вітрильниками.

Можливості використання енергії вітру в різних місцях Землі неоднакові. Для нормальної роботи вітроелектричних двигунів швидкість вітру в середньому за рік має бути не меншою ніж 4—5 м/с, а краще, коли вона становить 6—8 м/с. В Україні до таких зон належать узбережжя Чорного моря, особливо Крим, а також Карпати й південні степові райони.

Піонером будівництва вітроелектростанцій (ВЕС) був видатний український учений та інженер, один з основоположників космонавтики Ю. Кондратюк. Побудована ним у 1931 р. поблизу Севастополя ВЕС потужністю 100 кВт більш як 10 років забезпечувала місто електроенергією.

Сьогодні на Заході, особливо в Данії та США, серійно випускаються ВЕС потужністю від 1,5 до 100 кВт, діє також кілька експериментальних потужністю до ЗО тис. кВт.

Вітроелектростанції не забруднюють довкілля. Єдиний негативний фактор — низькочастотний шум (гудіння) під час роботи ВЕС та ще одиничні випадки загибелі птахів, які потрапляють у лопаті вітродвигунів.

Думки інженерів і вчених повертаються й до, здавалося б, давно забутих вітрильників. Відомий океанолог Ж.-І. Кусто наприкінці 80-х років сконструював і випробував вантажне судно, в якого, крім дизельного двигуна, є й вітрила. Щоправда, цей вітрильник мало схожий на оспівані бригантини минулих віків — його вітрила являють собою вертикальні напівциліндричні конструкції з, алюмінієвого сплаву, якими керує комп'ютер. Використання цих вітрил під час трансокеанічного плавання дає змогу економити значну (до 70 % за сприятливого вітру) кількість палива.

Енергія морів та океанів. Світовий океан містить колосальні запаси енергії.

По-перше, це енергія сонячного випромінювання, поглинута океанською водою, яка виявляється в енергії морських течій, хвиль^рибою, різниці температур різних шарів води. По-друге, це енергія тяжіння Місяця й Сонця, що спричинює морські припливи й відпливи. Використовується цей екологічно чистий потенціал іще дуже мало.

Першими об'єктами такої енергетики можна вважати морські хвильові електростанції, які акумулюють енергію вертикальних коливань води. Хвиля метрової висоти забезпечує від 25 до 35 кВт енергії, навіть хвиля заввишки всього 35 см може обертати спеціальну турбіну й давати електричний струм. Одна з перших хвильових електростанцій потужністю 350 кВт ось уже близько ЗО років успішно діє поблизу норвезького міста Бергена. * Збудовано також перші морські електростанції, що утилізують енергію припливів і відпливів, — на узбережжі Ла-Маншу у Франції потужністю 240 тис. кВт і в Кольській затоці (Росія) потужністю 400 кВт. * А на тихоокеанському острові Науру діє електростанція потужністю 100 кВт, яка використовує (за принципом термопари) різницю температур нагрітого тропічним сонцем поверхневого шару води й холодного придонного

. Енергія внутрішнього тепла Землі. З глибиною підвищується температура в земній корі (в середньому на ЗО °С на 1 км, а у вулканічних районах — набагато швидше). За оцінками геологів, до глибин 7—10 км загальна кількість теплоти в 5000 разів перевищує теплоємність усіх видів мінерального палива, що є на Землі. Теоретично лише 1 % цього тепла достатньо, аби забезпечити людство енергією на найближчі 4000 років. Та на практиці це джерело енергії використовується ще дуже мало. Найкращі результати досягаються в районах активної вулканічної діяльності (Ісландія, Камчатка, Гаванські острови), де близько до поверхні є термальні води. Крізь свердловини гаряча водяна пара надходить у турбіни, що виробляють електроенергію. Відпрацьована гаряча вода йде на обігрівання теплиць, житла тощо. В холодній Ісландії в таких оранжереях вирощують овочі й навіть банани, а столиця країни Рейк'явік уже понад 40 років уся забезпечується теплом за рахунок цього джерела.

В Україні досі немає установок такого типу, хоч у нас є перспективні зони для застосування геотермальної енергії — Карпати, Закарпаття та Крим.

У разі споживання геотермальної енергії постає проблема відпрацьованих підземних вод. Вони сильно мінералізовані, і їх не можна спускати у водостоки. Тому відпрацьовані води знову закачують у підземні горизонти для повторного використання. З деяких таких розсолів добувають йод, бром, літій та деякі інші елементи.

Енергія Сонця. Сонце — найпотужніше джерело екологічно чистої енергії, і людство має зосередити свої зусилля на розробці методів її утилізації. Основна перешкода полягає в розсіяності сонячної енергії: на широтах України, наприклад, на кожний квадратний метр поверхні за рік надходить лише близько 1900 кВт сонячної енергії. Утилізація сонячної енергії стримується також високою вартістю установок, а отже, й порівняно високою собівартістю електроенергії.

Сонячну енергію можна застосовувати для добування електроенергії, побутового тепла, високотемпературного тепла в промисловості, на транспорті. Найбільших успіхів досягнуто в таких країнах, як США, Франція, Туркменистан, причому переважно в галузі так званої «малої» енергетики.

Для добування електроенергії від Сонця застосовується кілька методів, найперспективніший з яких полягає в безпосередньому перетворенні сонячного випромінювання на електрику за допомогою напівпровідникових фотоелектричних генераторів (сонячних батарей). ККД найсучасніших їх типів сьогодні становить 25—30 %. Через високу вартість такі батареї поки що використовуються мало — на космічних супутниках і станціях, у ретрансляторах, навігаційних маяках, телефонних станціях у пустельних місцевостях, для живлення невеликих радіостанцій, у мікрокалькуляторах, електронних іграшках тощо.

Електроенергію від Сонця добувають також за допомогою паротурбінних генераторів. Одну з таких сонячних електростанцій (СЕС) потужністю 1200 кВт споруджено в Криму поблизу Керчі. В центрі круга діаметром 500 м установлено 70-метрову башту з парогенератором на верхівці, її оточують 1600 рухомих дзеркал (геліостатів). Стежачи за допомогою ЕОМ за рухом Сонця, вони відбивають його промені на парогенератор, нагріваючи в ньому воду до утворення пари температурою 300 °С. Пара подається на турбіну з електрогенератором.

СЕС не забруднюють довкілля. Щоправда, для майбутніх потужних СЕС на сонячних батареях знадобляться великі площі. Але на нашій планеті — близько 20 млн. км² пустель, де землі непридатні для сільського господарства, потік сонячної енергії найпотужніший, а кількість хмарних днів протягом року мінімальна. Щоб задовольнити енергетичні потреби людства, треба розмістити батареї на площі від 1 до 3 млн. км², тобто достатньо зайняти лише 5—15 % площі пустель.

Сонячна енергія використовується також для добування побутового тепла (100—150 °С), яке йде на опалювання приміщень, приготування їжі, опріснення води тощо. * Розроблено досить зручні пристрої для таких потреб (наприклад, параболічне дзеркалопіч діаметром 1,5 м, у фокусі якого вода в трилітровому чайнику закипає за 10 хв.). * Для промислових цілей (плавлення проб металів, вирощування кристалів із розплаву і т. п.) створено сонячні печі, у фокусі дзеркала яких температура сягає 3800 °С. Одна з таких установок діє у Франції.

Сонячна енергія може застосовуватися й на транспорті — для енергоживлення автомобілів, невеликих суден і навіть літаків. Із площі в кілька квадратних метрів (дах мікроавтобуса) можна зібрати енергію для живлення автомобільного акумулятора. * В 1982 р. такий автомобіль, не витративши й. краплі бензину, перетнув Австралію, подолавши за два місяці відстань у 4000 км. <• На літаку, верхню площину крила якого було вкрито сонячними батареями, здійснено переліт через Ла-Манш.

*На півдні Австралії будується екологічно чиста сонячно-вітрова електростанція, або так званий «сонячний комин», потужністю 200 МВт. Вона, до речі, стане найвищою спорудою у світі. Конструктивно це буде бетонна труба заввишки 1 км, оточена скляним кожухом. За принципом дії ця електростанція подібна до ГЕС, але рушієм її турбін буде не вода, а висхідний потік нагрітого сонцем повітря. Нагріте сонцем у скляному кожусі повітря підніматиметься вгору трубою й надаватиме рух генераторам електростанції. Спорудження станції має завершитися в 2005 р. Вона забезпечить екологічно чистою електроенергією близько 200 тис. мешканців цього району. Вночі генератори станції діятимуть від гарячого повітря, що нагріватиметься в спеціальних водяних колекторах, які протягом дня запасатимуть тепло за рахунок нагрівання сонцем.

Біоенергетичні технології. Життя та діяльність людей супроводжуються утворенням великої кількості органічних відходів (побутове сміття, каналізаційні стоки, відходи виробництва сільськогосподарської продукції — солома, лушпиння й т. д., деревообробки — тирса, обрізки, гілки, хвоя тощо). Звалища навколо великих міст забирають величезні площі (так, поблизу Нью-Йорка воно за об'ємом уже дорівнює 25 пірамідам Хеопса!), забруднюють повітря й воду. А тим часом розроблено технології, що дають змогу добувати з цих відходів енергію (сконструйовано, наприклад, установки, в яких відходи спалюються, даючи тепло й електроенергію), а також різні корисні матеріали (скло, метали та ін.). Є й інша перспективна технологія переробки відходів — за допомогою метанобактерій. Ці мікроорганізми активно розмножуються в будь-яких органічних рештках, продукуючи в результаті своєї життєдіяльності цінну енергетичну сировину — біогаз (суміш метану й чадного газу). Технологія добування біогазу дуже проста. Бетонні місткості або колодязі будь-якого об'єму заповнюють гноєм, сміттям, листям, тирсою й т. п. Місткість має бути щільно закритою, щоб не було доступу кисню. Газ, який утворюється в результаті бродіння, відводиться в приймальний пристрій або безпосередньо в газову плиту. Після процесу бродіння залишається добриво — знезаражене, без запаху, цінніше за гній.

Сьогодні така технологія широко застосовується в Китаї та Індії, де функціонують мільйони подібних установок. А в Румунії проведено успішні досліди з використання біогазу як палива для тракторів.

Останнім часом дедалі ширше розробляються технології добування палива для двигунів внутрішнього згоряння з органічних речовин, що продукуються рослинами. * Так, у Бразилії з відходів виробництва цукру з цукрової тростини добувають технічний спирт, що використовується як паливо для автомобілів (причому вартість цього палива нижча, ніж бензину, а забруднення повітря в результаті його згоряння — менше). •'• В Австралії успішно виготовляють так звану «зелену нафту» — продукт переробки спеціальних мікроскопічних водоростей, які вирощуються в штучних басейнах.

Для України особливе значення має технологія добування палива з ріпакової олії. Ріпак, ця невибаглива рослина, дає до 1 т олії з гектара, причому його можна вирощувати на землях, непридатних ні для чого іншого, наприклад на полях*зрошення, де нейтралізуються каналізаційні стоки, й навіть на землях 30-кілометрової зони відчуження навколо Чорнобильської АЕС, бо, як з'ясували вчені, радіонукліди не нагромаджуються в ріпаковій олії, її можна або безпосередньо заливати в баки дизелів (які, щоправда, в цьому разі треба модернізувати), або ж із неї можна виготовляти спеціальне дизельне паливо — «блакитний ангел», котре за всіма характеристиками подібне до солярової оливи, але при цьому екологічно чистіше й дешевше; нарешті, цю олію можна додавати в солярову оливу (до 20 %), що не змінює ні енергетичних, ні екологічних показників двигунів.

Воднева енергетика. До дуже перспективних джерел добування теплової та електричної енергії належить водень, який має високу теплотворну здатність, може успішно замінювати природний газ і при цьому є екологічно чистим паливом, оскільки в результаті його згоряння утворюється лише водяна пара. Отже, переведення ТЕС та інших споживачів газового палива на водень зменшило б викиди в атмосферу вуглекислого газу й інших шкідливих сполук. Широке використання водню як джерела енергії до останнього часу стримувалося його вищою вартістю порівняно з природним газом, незважаючи на те, що є численні методи добування водню. Але нещодавно в деяких країнах, зокрема в США, розроблено технології добування водню з глюкози або глюкозовмісних речовин, таких як крохмаль і целюлоза (деревина). Після обробки глюкози або її полімерів спеціальними ферментами, добутими з бактерій, вона перетворюється на глюкуронову кислоту, і при цьому виділяється водень. За повідомленнями преси, нині зазначені технології ще недосконалі (вихід водню поки що становить тільки 12 % від теоретично можливого), і тривають інтенсивні роботи в цій перспективній галузі. До речі, глюкуронова кислота — відхід виробництва — є цінною сировиною для хімічної промисловості.

Атмосфера

Атмосфера є зовнішньою газовою оболонкою Землі, що сягає від її поверхні в космічний простір приблизно на 3000 км. Історія виникнення та розвитку атмосфери досить складна й тривала, вона налічує близько 3 млрд. років. За цей період склад і властивості атмосфери неодноразово, змінювалися, але протягом останніх 50 млн. років, як вважають вчені, вони стабілізувалися.

Маса сучасної атмосфери становить приблизно одну мільйонну частину маси Землі. З висотою різко зменшуються щільність і тиск атмосфери, а температура змінюється нерівномірно й складно. Зміна температури в межах атмосфери на різних висотах пояснюється неоднаковим поглинанням сонячної енергії газами. Найінтенсивніше теплові процеси відбуваються у тропосфері, причому атмосфера нагрівається знизу, від поверхні океану та суші.

Атмосфера має дуже велике екологічне значення. Вона захищає всі живі організми Землі від згубного впливу космічних випромінювань і ударів метеоритів, регулює сезонні температурні коливання, врівноважує й вирівнює добові. Якби атмосфери не існувало, то коливання добової температури на Землі досягло б ±200 °С. Атмосфера є не лише життєдайним «буфером» між Космосом і поверхнею нашої планети, носієм тепла та вологи, через неї відбуваються також фотосинтез і обмін енергії — головні процеси біосфери. Атмосфера впливає на характер і динаміку всіх екзогенних процесів, що відбуваються в літосфері (фізичне та хімічне звітрювання, діяльність вітру, природних вод, мерзлоти, льодовиків). Повітряна оболонка Землі, атмосфера, є однією з найголовніших умов життя. Без їжі людина може жити місяць, без води — тиждень, без повітря не може прожити й двох хвилин. Маса атмосфери колосальна — 5,15-10¹⁵ т. Проте атмосферне повітря можна вважати невичерпним природним ресурсом лише умовно, адже людині для життя потрібне повітря певної якості. А під впливом антропогенного фактора його хімічний склад і фізичні властивості дедалі погіршуються, на Землі вже практично не залишилося таких ділянок, де повітря зберігало б свою первісну чистоту та якість.

Розвиток гідросфери також значною мірою залежав від атмосфери через те, що водний баланс і режим поверхневих і підземних басейнів і акваторій формувалися під впливом режиму опадів і випаровування. Процеси гідросфери і атмосфери тісно пов'язані між собою.

Однією з найголовніших складових атмосфери є водяна пара, яка має велику просторово-часову мінливість і зосереджена переважно в тропосфері.

Важливою змінною складовою атмосфери є також вуглекислий газ, мінливість вмісту якого пов'язана з життєдіяльністю рослин, його розчинністю в морській воді та діяльністю людини (промислові й транспортні викиди).

Останнім часом дедалі більшу роль у атмосфері відіграють аерозольні пилуваті частки — продукти людської діяльності, які можна виявити не лише в тропосфері, але й на великих висотах (щоправда, в мізерних концентраціях). Фізичні процеси, що відбуваються в тропосфері, дуже впливають на кліматичні умови різних районів Землі.

Атмосфера складається з таких шарів:

Тропосфера (грец. «троп» — зміна) — це нижня частина атмосфери, яка прилягає до літосфери і в якій знаходиться понад 80 % усієї маси, її висота визначається інтенсивністю вертикальних потоків повітря, викликаних нагріванням земної поверхні. Тому на екваторі її висота сягає 16-18 км, у помірних широтах —до 10—11 км, а на полюсах —до 8 км. З висотою температура повітря закономірно знижується в середньому на 0,6 °С на кожні 100 м і на висоті 10-15 км досягає -60...-70 °С. Цей шар атмосфери істотно впливав на клімат Землі. У ньому містяться значні маси води (у вигляді водяної пари і хмар), пилу й диму, що перемішуються повітряними потоками на великі відстані.

(Стратосфера (лат. Stratum--шар) знаходиться вище від тропосфери і простягається на висоту 50 - 55 км над Землею. У ній міститься озоновий шар (25 - 40 км). Вміст озону в атмосфері є до 70 км. Завдяки наявності озонового шару темпера в стратосфері зростає залежно від висоти до 1000 °С.

Мезосфера (грец. «мезос» - середній) шар атмосфери, верхня межа якого сягає висоти 80 км. Головна її особливість зниження температури до 75.- 90 °С (а за деякими даними -120 °С) у її верхній часини. Тут утворюються сріблясті хмари, що складаються з кристаликів льоду.

Іоносфера (термосфера: грец. «термес» —теплий) розмішується на висоті більш як 80 км. Температура в цій зоні значно підвищується (понад 1000 °С). Під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця гази перебувають у іонізованому стані. З іонізацією пов'язане світіння газів і виникнення полярного сяйва. Іоносфера має здатність багаторазово відбивати радіохвилі (електромагнітні хвилі), що забезпечує дальній радіозв'язок на Землі.

Екзосфера (магнітосфера) оточує Землю на висоті понад 800 км. її товщина сягає 200—300 км, а температура перевищує 2000 °С. Далі атмосфера поступово переходить у міжпланетний космічний вакуум. Швидкість руху газів наближається до критичної величини — 11.2 км/с. У ній переважно містяться атомарний водень і гелій, які утворюють навколо Землі корону, що поширюється на висоту 20 тис. км.

Атмосфера, яка є нині на Землі, не завжди мала такий склад. Первісна атмосфера Землі, як свідчать геологічні відомості, кардинально відрізнялася від теперішньої. Вона була схожа на атмосфери деяких інших планет Сонячної системи, наприклад Венери, й складалася майже повністю з вуглекислого газу з домішками метану, аміаку тощо. Нинішня киснево-азотна атмосфера Землі є продуктом біосфери. Життя, що існує на нашій планеті, за мільйони років переробило первісну атмосферу.

Сучасна атмосфера складається з таких основних компонентів, %: азот (78,084), кисень (20,946), аргон (0,934) вуглекислий газ (0,027), малі домішки — водень, неон, гелій, метан, криптон тощо (в сумі близько 0,009). Крім того, в атмосфері є пари води, вміст яких коливається від 0,2 (в полярних широтах) до 3 % (поблизу екватора), а також аерозолі, тобто завислі в повітрі надзвичайно дрібні тверді й рідкі частки різних речовин, вміст яких сильно змінюється.

Атмосфера Землі складається з таких шарів (знизу вгору): тропосфера (до висоти 18 км), стратосфера (до 50), мезосфера (до 80), термосфера (1 000), екзосфера (1 900), геокорона (20 000 км). Останній шар атмосфери, геокорона, поступово переходить у міжпланетний вакуум. Основна маса повітря (90 %) зосереджена в нижньому шарі, тропосфері. Надзвичайно велике значення для біосфери має ще озоносфера— шар атмосфери (стратосфери), збагачений озоном. Озоновий шар міститься на висотах 20—50 км і є щитом, що захищає все живе на Землі від згубної дії жорстокого ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Основні складові частини атмосфери — азот, кисень і вуглекислий газ — відіграють дуже важливу роль в біосфері. За мільйони років існування біосфери склалися певні кругообіги цих газів. Так, цикл кругообігу азоту становить кілька тисяч років, а вуглекислого газу — всього чотири роки. За ці відрізки часу згадані гази зазнають перетворень, надходячи в тканини рослин і тварин, до складу різних мінералів, щоб потім знову повернутися в атмосферу.

Азот — основна складова частина атмосфери. Його маса становить 3,7-10¹⁵ т. Азот є обов'язковим компонентом білків, де його міститься 15—19 %. Проте основна маса атмосферного азоту знаходиться в малоактивній молекулярній формі. Деякі організми, щоправда, навчилися зв'язувати в хімічні сполуки й малоактивний азот. Це азотфіксуючі бактерії, що живуть у особливих бульбочках на коренях бобових рослин. У основному ж рослини споживають сполуки азоту, переважно нітрати й сполуки амонію. Вони утворюються з оксидів азоту, що виникають у атмосфері за рахунок грозових розрядів і дії ультрафіолетового випромінювання Сонця. Деяка кількість сполук азоту надходить у атмосферу також у складі вулканічних газів. Антропогенна діяльність призводить до значних змін у балансі сполук азоту. Велика кількість оксидів азоту викидається в атмосферу внаслідок роботи автомобільних і авіаційних двигунів, електрозварювання тощо. Дуже багато цих сполук утворювалося під час ядерних вибухів у атмосфері. Оксиди азоту дуже шкідливі, їх наявність у вихлопних газах зумовлює утворення фотохімічного смогу в містах, кислотні дощі, руйнування захисного озонового шару атмосфери тощо.

Кисень — активний окислювач, що бере участь у хімічних реакціях у біосфері, гідросфері та літосфері. Його маса в атмосфері становить 1,5-10¹⁵ т. Основне джерела кисню, яким ми дихаємо й яким, сподіваємося, дихатимуть наші нащадки, це — фотосинтез зелених рослин. У клітинах рослин, де є активна сполука — хлорофіл, за допомогою» сонячної енергії з води й вуглекислого газу виробляється органічна речовина, а побічним продуктом цієї реакції е вільний кисень, що виділяється в атмосферу. Підраховано, що близько 80 % усього кисню в атмосферу постачає морський фітопланктон — мікроскопічні водорості, що живуть у верхніх шарах океану, 20 % кисню виробляє наземна рослинність, переважно тропічні ліси.

Людина дуже необдумано поводиться з цим неоціненним багатством природи, яким є кисень. Лише один сучасний пасажирський реактивний літак протягом восьми годин польоту з Європи в Америку поглинає від 50 до 75 т кисню, викидаючи в атмосферу десятки тонн вуглекислого газу й різних шкідливих сполук. А все людство щорічно витрачає таку кількість кисню, якої вистачило б на дихання 50 млрд. людей! Вже сьогодні промисловість США, ФРН, Японії споживає кисню набагато більше, ніж його є на їх власних територіях, тобто живуть за рахунок інших країн. Якщо до середини XIX ст. вміст кисню в атмосфері залишався постійним, бо його утворення дорівнювало витратам, то нині така рівновага порушена за рахунок його зростаючого поглинання антропогенним фактором. Людство створило величезну кількість споживачів кисню й жодного його виробника. Дедалі частіше вчені замислюються: чи достатні резерви кисню в природі, чи надовго їх вистачить? На спалювання палива щорічно витрачається 23 % кисню, що надходить у атмосферу за рахунок фотосинтезу. Якщо додати, що діяльність людини призводить до зникнення лісів, пригнічення активності морського фітопланктону, можна зробити невтішний висновок щодо майбутнього стану кисневого балансу в атмосфері. Вчені твердять, що за рахунок діяльності людини загальна кількість кисню в атмосфері щорічно зменшується на 10 млрд. т.

Вуглекислий газ — активна складова атмосфери, яка є обов'язковим компонентом фотосинтезу рослин. Цей газ утворюється під час спалювання органічних речовин, гниття, виділяється з вулканічними газами. Діяльність людини (знищення лісів, розорювання цілинних земель, урбанізація, а головне, спалювання мінерального палива й забруднення океанів) призводить до збільшення кількості СО₂в атмосфері. За останні 120 років вміст цього газу в повітрі збільшився на 17 % (у середньому на 0,14 % за рік). За останнє десятиріччя це зростання вже становило 0,36 % за рік. Щоправда, більша частина СО₂, а саме 70 %, поглинається океанами й біосферою і лише ЗО % залишається в атмосфері. Деякі вчені, наприклад М. Будико, прогнозують подвоєння вмісту вуглекислого газу в атмосфері до середини XXI ст., що викличе значне (приблизно на 2,5 %) підвищення середньорічної температури за рахунок парникового ефекту.

Гідросфера

Гідросфера — це водяна сфера нашої планети, сукупність океанів, морів, вод континентів, льодовикових покривів. Загальний об'єм природних вод становить близько 1,39 млрд. км³ (1/780 об'єму планети). Води вкривають 71 % поверхні планети (361 млн. км²).

Вода виконує чотири дуже важливі екологічні функції: а) є найважливішою мінеральною сировиною, головним природним ресурсом споживання (людство використовує її в тисячу разів більше, ніж вугілля чи нафти); б) є основним механізмом здійснення взаємозв'язків усіх процесів у екосистемах (обмін речовин, тепла, ріст біомаси);

в) є головним агентом-переносником глобальних біоенергетичних екологічних циклів;

г) є основною складовою частиною всіх живих організмів.

Для величезної кількості живих організмів, особливо на ранніх етапах розвитку біосфери, вода була середовищем зародження та розвитку.

Величезну роль відіграють води в формуванні поверхні Землі, її ландшафтів, у розвитку екзогенних процесів (схилових, карстових), переносі хімічних речовин в глиб Землі й на її поверхні, транспортуванні забруднювачів довкілля.

Водяна пара в атмосфері виконує функцію потужного фільтра сонячної радіації, а на Землі — нейтралізатора екстремальних температур, регулятора клімату.

Запаси води на Землі величезні 1,39 ·10⁹ км³, що становить 0,023 % усієї маси Землі.

Основну масу води на планеті становлять солоні води Світового океану. яка не придатна для пиття та технічного використання. Середня солоність цих вод — 35 % (тобто в 1 л океанічної води міститься 35 г солей). Найсолоніша вода в Мертвому морі — 260 % (у Чорному — 18 %о, Балтійському — 7 %). Хімічний склад океанічних вод, як вважають спеціалісти, дуже схожий на склад людської крові — в них містяться майже всі відомі нам хімічні елементи, але, звичайно, в різних пропорціях. Частка кисню, водню, хлору та натрію становить 95,5 %.

Хімічний склад підземних вод дуже різноманітний. Залежно від складу вміщуючих порід та глибини залягання вони змінюються від гідрокарбонатно-кальцієвих до сульфатних, сульфатно-натрієвих і хлоридно-натрієвих, за мінералізацією— від прісних до рапи з концентрацією 600 %о> часто з наявністю газової компоненти. Мінеральні та термальні підземні води мають велике бальнеологічне значення, є одним з рекреаційних елементів природного середовища.

3 газів, розчинених у водах Світового океану, найбільш важливими для біоти є кисень та вуглекислий газ. Загальна маса вуглекислого газу в океанічних водах перевищує його масу в атмосфері приблизно в 60 разів.

Слід зазначити, що вуглекислий газ океанічних вод споживається рослинами під час фотосинтезу. Частина його, яка увійшла в кругообіг органічної речовини, витрачається на побудову вапнякових скелетів коралів, черепашок. Після відмирання організмів вуглекислий газ повертається у води океану за рахунок розчинення залишків скелетів, панцирів, черепашок. Частково він залишається в карбонатних осадках на дні океанів.

Велике значення для формування клімату та інших екологічних факторів має динаміка величезної маси океанічних вод, що постійно перебувають у русі під впливом неоднакової інтенсивності сонячного прогрівання поверхні на різних широтах.

Океанічні води відіграють основну роль у кругообігу води на планеті. Підраховано, що приблизно за 2 млн. років вся вода на планеті проходить через живі організми, середня тривалість загального циклу обміну води, залученої в біологічний кругообіг, становить 300—400 років. Приблизно 37 разів на рік (тобто кожні десять днів) змінюється вся волога в атмосфері.

Маса прісної води на планеті 35·10⁶ км³ (усього 2 % її загальної кількості). Основна кількість (75 %) прісної води зосереджена в льодових щитах Антарктиди й Гренландії, гірських льодовиках, айсбергах, у зоні вічної мерзлоти. Із всієї кількості прісної води лише 0,6—1 % перебуває в рідкому стані (річки, прісноводні озера, частина підземних вод). Саме ця вода й використовується людством для своїх численних потреб. Слід зазначити, що 20 % усієї прісної рідкої води Землі зосереджено в такому унікальному водному басейні, яким є сибірське озеро Байкал.

Та найбільші запаси води на Землі зосереджені в її надрах у зв'язаному вигляді (в складі мінералів). За даними В. Вернадського, в земній корі в зв'язаному стані міститься щонайменше 1,3 млрд. км³ води, тобто приблизно стільки ж, як у Світовому океані.

Основним джерелом водопостачання для людства є річковий стік. Серед країн світу перше місце за цим показником посідає Бразилія з її гігантською річкою Амазонкою (9 900 млрд. м³). Річковий стік України становить у середньому 85,1 млрд. м³ (без Дунаю), а в маловодні роки зменшується до 48,8 млрд. м³. По території України цей стік розподілений вкрай нерівномірно: 70 % припадає на Пів-денно-Західний економічний район (45 % території), де мешкає лише 40 % населення. На Донецько-Придніпровський і Південний економічні райони, в яких живе 60 % населення і де розташовані найбільш водоємні галузі народного господарства, припадає всього ЗО % стоку.

У цілому по Україні водні ресурси (річковий стік і підземні води) використовуються повністю, в багатьох районах півдня республіки відчувається гострий дефіцит води. Для ліквідації цього дефіциту доводиться вдаватися до трудомістких і дорогих заходів — перекидання води каналами та будівництва водосховищ. Для водопостачання маловодних районів введено в дію ряд каналів — Північно-кримський, Дніпро — Кривий Ріг, Сіверський Донець— Донбас, Дніпро — Донбас, Інгулецький. В Україні є 748 водосховищ об'ємом понад 1 млн. м³ кожне, сумарний об'єм води в них досягає 48,9 млрд. м³.

Головним джерелом води в Україні є Дніпро. Дніпровська вода використовується для пиття й технологічних потреб. Іншими річками, що забезпечують потреби населення України у воді, є Дністер, Південний Буг, Західний Буг, Тиса, Прут та ін. Стан води й повноводдя великих річок України залежить від стану їх приток і малих річок, яких в Україні налічується понад 63 тис. Ці річки мають величезне значення — досить зазначити, що 90 % усіх населених пунктів республіки розташовані саме поблизу малих річок. У басейнах цих річок формується понад 60 % водних ресурсів України.

Саме стан малих річок України викликає нині велику тривогу. Більше як 20 тис. їх вже зникло, тобто висохло. Деградація, висихання малих річок невідворотно призведе до деградації великих річок, тому проблема їх збереження й оздоровлення є однією з найгостріших для нашої молодої держави.

Літосфера

Літосфера — зовнішня тверда оболонка Землі, яка включає всю земну кору з частиною верхньої мантії Землі й складається з осадочних, вивержених і метаморфічних порід. Нижня межа літосфери нечітка й визначається різким зменшенням в'язкості порід, зміною швидкості поширення сейсмічних хвиль і збільшенням електропровідності порід. Товщина літосфери на континентах і під океанами різниться й становить в середньому відповідно 25— 200 і 5—100 км.

Розглянемо в загальному вигляді геологічну будову Землі. Третя за віддаленістю від Сонця планета — Земля має радіус 6370 км, середню густину — 5,5 г/см³ і складається з трьох оболонок — кори, мантії та ядра. Мантія та ядро поділяються на внутрішні й зовнішні частини.

Земна кора — тонка верхня оболонка Землі, яка має товщину на континентах 40—80 км, під океанами 5- 10 км і становить всього близько 1 % маси Землі. Вісім елементів — кисень, кремній, водень, алюміній, залізо, магній, кальцій, натрій — утворюють 99,5 % земної кори. На континентах кора тришарова: осадочні породи вкривають гранітні, а гранітні залягають на базальтових. Під океанами кора «океанічного», двошарового типу; осадочні породи залягають просто на базальтах, гранітного шару немає. Розрізняють також перехідний тип земної кори (острів-но-дужні зони на околицях океанів і деякі ділянки на материках, наприклад Чорне море). Найбільшу товщину земна кора має в гірських районах (під Гімалаями — понад 75 км), середню — в районах платформ (під Західно-Сибірською низиною —35—40, в межах Російської платформи — ЗО—35), а найменшу — в центральних районах океанів (5- 7 км).

Переважна частина земної поверхні — це рівнини континентів і океанічного дна. Континенти оточені шельфом — мілководною смугою глибиною до 200 м і середньою шириною близько 80 км, яка після різкого обривчастого вигину дна переходить у континентальний схил (ухил змінюється від 15—17 до 20—30°). Схили поступово вирівнюються й переходять у абісальні рівнини (глибини 3,7—6,0 км). Найбільші глибини (9—11 км) мають океанічні жолоби, переважна більшість яких розташована на північній і західній околицях Тихого океану.

Основна частина літосфери складається з вивержених магматичних порід (95 %), серед яких на континентах переважають граніти та гранітоїди, а в океанах—базальти.

Актуальність екологічного вивчення літосфери зумовлена тим, що літосфера є середовищем усіх мінеральних ресурсів, одним з основних об'єктів антропогенної діяльності (складових природного середовища), через значні зміни якого розвивається глобальна екологічна криза.; У верхній частині континентальної земної кори розвинені грунти, значення яких для людини важко переоцінити. Грунти — органо-мінеральний продукт багаторічної (сотні та тисячі років) спільної діяльності живих організмів, води, повітря, сонячного тепла та світла є одними з найважливіших природних ресурсів. Залежно від кліматичних і геолого-географічних умов грунти мають товщину від 15—25 см до 2—3 м.

Грунти виникли разом з живою речовиною і розвивалися під впливом діяльності рослин, тварин і мікроорганізмів, поки не стали дуже цінним для людини родючим субстратом. Основна маса організмів і мікроорганізмів літосфери зосереджена в грунтах, на глибині не більше кількох метрів. Сучасні грунти є трифазною системою (різнозернисті тверді частки, вода та гази, розчинені у воді, та порах), яка складається із суміші мінеральних часток (продукти руйнування гірських порід), органічних речовин (продукти життєдіяльності біоти та мікроорганізмів і грибів). Грунти відіграють величезну роль у кругообігу води, речовин і вуглекислого газу.

З різними породами земної кори, як і з її тектонічними структурами, пов'язані різні корисні копалини: горючі, металічні, будівельні, а також такі, що є сировиною для хімічної та харчової промисловості.

У межах літосфери періодично відбувалися й відбуваються грізні екологічні процеси (зсуви, селі, обвали, ерозія), які мають величезне значення для формування екологічних ситуацій у певному регіоні планети, а іноді призводять до глобальних екологічних катастроф.

Глибинні товщі літосфери, які досліджують геофізичними методами, мають досить складну й ще недостатньо вивчену будову, так само, як мантія та ядро Землі. Але вже відомо, що з глибиною щільність порід зростає, і якщо на поверхні вона становить у середньому 2,3—2,7 г/см³, то на глибині близько 400 км — 3,5 г/см³, а на глибині 2900 км (межа мантії та зовнішнього ядра) — 5,6 г/см³. У центрі ядра, де тиск досягає 3,5 тис. т/см², вона збільшується до 13—17 г/см³. Встановлено також і характер зростання глибинної температури Землі. На глибині 100 км вона становить приблизно 1300 К, на глибині близько 3000 км — 4800, а в центрі земного ядра — 6900 К.

Переважна частина речовини Землі перебуває в твердому стані, але на межі земної кори та верхньої мантії (глибини 100—150 км) залягає товща пом'якшених, тістоподібних гірських порід. Ця товща (100—150 км) називається астеносферою. Геофізики вважають, що в розрідженому стані можуть перебувати й інші ділянки Землі (за рахунок розущільнення, активного радіорозпаду порід тощо), зокрема — зона зовнішнього ядра. Внутрішнє ядро перебуває в металічній фазі, але щодо його речовинного складу єдиної думки на сьогодні немає.