Вода, особенности строения, ее аномалии. Виды равновесий воды, страница 9

Главные изотопы воды (вода обычная, дейтериевая и содержащая тяжелый кислород) в гидросфере находятся в динамическом равновесии, которое в значительной мере зависит от температурных условий и давления. Сдвиг равновесия в ту или иную сторону приводит к фракционированию воды по ее изотопному составу. Фракционирование является результатом повторяющихся процессов испарения и конденсации, растворения и кристаллизации, диффузии, изотопного обмена, фотосинтеза, дыхания организмов и т. д. Главная роль принадлежит испарению, которое при одних и тех же условиях температуры и давления вследствие неравенства рН₂0 >рН₂0¹⁸ >-pD₂0 (где р – упругость пара) вызывает облегчение испаряющейся воды и утяжеление остающейся.

Постоянно идущий процесс испарения огромных масс воды с поверхности океана должен был привести к непрерывному обогащению его тяжелыми изотопами. Однако большинство исследователей допускает, что изотопный состав океанической воды оставался неизменным по крайней мере на протяжении последних 250–300 млн. лет, поскольку вся масса испаряющейся воды в конечном итоге возвращается снова в океан (осадки + сток с материков). Такое допущение правильно лишь при условии, что общий тепловой баланс на Земле также был неизменным (или изменялся очень мало) на протяжении огромных отрезков времени Постоянство теплового баланса и фракционирование изотопов привели к различию изотопного состава воды отдельных ветвей гигантского круговорота воды на Земле (атмосферных, речных, морских и подземных) и к относительной устойчивости изотопии воды в пределах каждой ветви. Это выявили даже данные, полученные плотностным методом (табл. 12).

Таблица   12

Разделение вод по изотопному составу (Уклонений, 1953)

К настоящему времени накоплен обширный материал по изотопии воды – раздельному определению дейтерия и О¹⁸ – самых различных природных объектов, опубликованный в фундаментальном труде группы авторов (Природные изотопы гидросферы, 1975).

По данным этих авторов, наиболее важным процессом при формировании изотопного состава атмосферных осадков является конденсация водяного пара. Расчеты показывают, что по мере понижения температуры пар и, следовательно, образующаяся из него жидкость все в большей степени обедняются дейтерием и О¹⁸. Зависимость от температуры конденсации пара приводит к сезонным вариациям дейтерия и О¹⁸ в атмосферных осадках, достигающим максимума летом и минимума зимой. По той же причине содержание обоих изотопов уменьшается с повышением широты и абсолютных отметок местности. Относительные величины, характеризующие дейтерий и тяжелый кислород ( D и  0¹⁸), колеблются в довольно широких продолах, но всегда имеют отрицательные значения, поскольку воды атмосферных осадков облегчены по сравнению с океаническими. В среднем  D составляет около         –2,2%,  0¹⁸ примерно – 0,4%, но в ряде случаев они достигают соответственно    –22 и –3,0%.

Меньше всего подвержены изотопным изменениям речные воды, особенно воды крупных рек. Именно поэтому они и используются в качестве стандарта (московский водопровод). Содержание дейтерия в относительных величинах изменяется в речных водах в узком пределе (от –1,6 до –8,6%) и примерно соответствует средней цифре  D, типичной для воды атмосферных осадков.

Для формирования изотопного состава озерных вод большое значение имеет водный баланс озера – соотношение количества осадков и испарения. Как правило, в озерах гумидных областей, где преобладают осадки, вода облегчена, в аридных, где велико испарение, является более тяжелой по сравнению со стандартом. Так, в оз. Байкал главную роль играют речной сток в озеро и расход воды через р. Ангару, при резко подчиненном значении испарения. В связи с этим вода озера оказалась облегченной, отвечающей по изотопному составу воде большинства сибирских рек, содержание дейтерия в которых (в отн. ед.) равно 0,93–0,97. В Каспийском море, несмотря на то, что реки несут в него громадное количество «нулевой» воды, большая величина испарения обусловила утяжеление воды. В изотопии вод Черного моря нашла отражение непосредственная связь его (через Средиземное море) с океаном, благодаря чему содержание дейтерия в нем близко к океаническому.