Альтернативные источники энергии.

 

Земная атмосфера получает определенное количество солнечной радиации. Около 30% ее сразу же отправляется в космическое пространство. Остальные 70% поглощаются поверхностью суши и водоемов. Эта поглощенная энергия поступает обратно в космос в виде инфрокрасного излучения. Часть энергии задерживается облаками, углекислым и другими газами, аэрозолями и создает парниковый эффект. Температура у поверхности Земли определяется количеством энергии задержанной этой “пленкой”, этим “покрывалом”.

В атмосферу ежегодно выбрасывается около 20 млрд. т СО₂

Из них на промышленность приходится 4-6млрд т, пожары дают до 5 млрд т ежегодно. Содержание СО₂ в атмосфере увеличивается ежегодно на 4-5%. Прогнозируют, что содержание углекислого газа к 2030 г. увеличится в 2 раза по сравнению с доиндустриальным периодом, температура увеличится на 2,5 0 С, сто может вызвать таянье ледников и мерзлых пород (многолетнемерзлых).

По мимо СО₂, на изменение климата оказывают влияние

- аэрозоли, как естесвенного происхождения (извержение вулканов. пылевые бури) так и аннтропогенного (дым. пыль, сажа, выбрасываемые предприятими);

- газы, имеющие сильное поглощение в инфракрасном диапазоне - метан, оксид углерода, оксид азота.

Хотя концентрация этих газов меньше, чем СО₂, на них приходится от 10 до 50% “вклада” в парниковый эффект.

Ветровая энергия

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра

более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории - от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ТВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20-30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2.

Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75-95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30-40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года, видимо, составляет 15—30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

Энергия рек.

Многие тысячелетия верно служит человеку энергия, заключенная в текущей воде. Запасы ее на Земле колоссальны. Недаром некоторые ученые считают, что нашу планету правильнее было бы называть не Земля, а Вода -ведь около трех четвертей поверхности планеты покрыты водой. Огромным аккумулятором энергии служит Мировой океан, поглощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. Здесь плещут волны, происходят приливы и отливы, возникают могучие океанские течения. Рождаются могучие реки, несущие огромные массы воды в моря и океаны. Понятно, что человечество в поисках энергии не могло пройти мимо столь гигантских ее запасов. Раньше всего люди научились использовать энергию рек.

Вода была первым источником энергии, и, вероятно, первой машиной, в которой человек использовал энергию воды, была примитивная водяная турбина. Свыше 2000 лет назад горцы на Ближнем Востоке уже пользовались водяным колесом в виде вала с лопатками. Суть устройства сводилась к следующему. Поток воды, отведенный из ручья или речки, давит на лопатки, передавая им свою кинетическую энергию. Лопатки приходят в движение, а поскольку они жестко скреплены с палом, вал вращается. С ним в свою очередь скреплен мельничный жернов, который вместе с валом вращается по отношению к неподвижному нижнему жернову. Именно так работали первые «механизированные» мельницы для зерна. Но их сооружали только в горных районах, где есть речки и ручьи с большим перепадом и сильным напором. На медленно текущих потоках водяные колеса с горизонтально размещенными лопатками малоэффективны.

Шагом вперед было водяное колесо Витрувия (1 в. н. э.). Это вертикальное колесо с большими лопатками и горизонтальным валом. Вал колеса связан деревянными зубчатыми колесами с вертикальным валом, на котором сидит мельничный жернов. Подобные мельницы и сегодня можно встретить на Малом Дунае; они перемалывают в час до 200 кг зерна.

Почти полторы тысячи лет после распада Римской империи водяные колеса служили основным источником энергии для всевозможных производственных процессов в Европе, заменяя физический труд человека.

Устройства, в которых энергия воды используется для совершения работы, принято называть водяными (или гидравлическими.) двигателями. Простейшие и самые древние из них - описанные выше водяные колеса. Различают колеса с верхним, средним и нижним подводом воды.

В современной гидроэлектростанции масса воды с большой скоростью устремляется на лопатки турбин. Вода из-за плотины течет - через защитную сетку и регулируемый затвор - по стальному трубопроводу к турбине, над которой установлен генератор. Механическая энергия воды посредством турбины передается генераторам и в них преобразуется в электрическую. После совершения работы вода стекает в реку через постепенно расширяющийся туннель, теряя при этом свою скорость.

Преимущества гидроэлектростанций очевидны - постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуется уложить такое количество материалов, что объем гигантских египетских пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным.

Поэтому в начале XX века было построено всего несколько гидроэлектростанций. Вблизи Пятигорска, на Северном Кавказе на горной реке Подкумок успешно действовала довольно крупная электростанция с многозначительным названием "Белый уголь". Это было лишь началом.

Уже в историческом плане ГОЭЛРО предусматривалось строительство крупных гидроэлектростанций. В 1926 году в строй вошла Волховская ГЭС, в следующем - началось строительство знаменитой Днепровской. Дальновидная энергетическая политика, проводящаяся в нашей стране, привела к тому, что у нас, как ни в одной стране мира, развита система мощных гидроэлектрических станций. Ни одно государство не может похвастаться такими энергетическими гигантами, как Волжские, Красноярская и Братская, Саяно-Шушенская ГЭС. Эти станции, дающие буквально океаны энергии, стали центрами, вокруг которых развились мощные промышленные комплексы.

Но пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря не использованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии.

 

Геотермальная энергия.

Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится -нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов.

Энергетика земли - геотермальная энергетика базируется на использовании природной теплоты Земли. Верхняя часть земной коры имеет термический градиент, равный 20-30 °С в расчете на 1 км глубины, и, по данным Уайта (1965 г.), количество теплоты, содержащейся в земной коре до глубины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6-10^6 Дж. Эти ресурсы эквивалентны теплосодержанию 4,6-Ю16 т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6-Ю9 Дж/т), что более чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресурсов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры (до глубины 10 км) слишком рассеяна, чтобы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты.

Энергия мирового океана Резкое увеличение цен на топливо, трудности с его полученном, сообщения об истощении топливных ресурсов - все эти видимые признаки энергетического кризиса вызвали в последние годы во многих странах значительный интерес к новым источникам энергии, в том числе к энергии Мирового океана.

 

Тепловая энергия океана.

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн, км2) занимают моря и океаны -акватория Тихого океана составляет 180 млн. км2. Атлантического - 93 млн. км2, Индийского - 75 млн. км2. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Последние десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС - начальные буквы английских слов Ocean Thermal Energy Conversion, т.е. преобразование тепловой энергии океана - речь идет о преобразовании в электрическую энергию). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если, но считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная -53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее - на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты энергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

Три насоса потребовались из следующего расчета: один - для подачи теплой воды из океана, второй - для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий - для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяется аммиак.

 

Энергия приливов и отливов.

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление - ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные поды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна Солнце и Земля находятся на одной прямой (так называемая сизигия), Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив (сизигийный прилив, или большая вода). Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней.

Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер.

Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50-70 см.

Максимально возможная мощность в одном цикле прилив - отлив, т. е. от одного прилива до другого, выражается уравнением где р — плотность воды, g - ускорение силы тяжести, S - площадь приливного бассейна, R - разность уровней при приливе.

Как видно из (формулы, для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны».

Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2—20 МВт.

 

Энергия солнца.

Почти все источники энергии, о которых мы до сих пор говорили, так или иначе используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год даст человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле.

Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Заманчиво было бы исключить эти превращения и найти способ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив, а за 1 с - 170 млрд. Дж. Большую часть этой энергии рассеивает ил поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той ее части, которую получает Земля, в 5000000000 раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

Сегодня для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию мы располагаем двумя возможностями: использовать солнечную энергию как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов) или же непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрический ток в солнечных элементах. Реализация обеих возможностей пока находится в зачаточной стадии. В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал - для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.

Атомная энергия.

При исследовании распада атомных ядер оказалось, что каждое ядро весит меньше, чем сумма масс его протонов и нейтронов. Это объясняется тем, что при объединении протонов и нейтронов в ядро выделяется много энергии. Убыль массы ядер на 1 г эквивалентна такому количеству тепловой энергии, какое получилось бы при сжигании 300 вагонов каменного угля. Не удивительно поэтому, что исследователи приложили все силы, стремясь найти ключ, который позволил бы «открыть» атомное ядро и высвободить скрытую в нем огромную энергию.

Вначале эта задача казалась неразрешимой. В качестве инструмента ученые не случайно выбрали нейтрон. Эта частица электрически нейтральна, и на нее не действуют электрические силы отталкивания. Поэтому нейтрон легко может проникнуть в атомное ядро. Нейтронами бомбардировали ядра атомов отдельных элементов. Когда же очередь дошла до урана, обнаружилось, что этот тяжелый элемент ведет себя иначе, чем другие. Кстати, следует напомнить, что встречающийся в природе уран содержит три изотопа: уран-238, уран-235 и уран-234, причем цифра означает массовое число.

Атомное ядро урана-235 оказалось значительно менее устойчивым, чем ядра других элементов и изотопов. Под действием одного нейтрона наступает деление (расщепление) урана, его ядро распадается па два приблизительно одинаковых осколка, например на ядра криптона и бария. Эти осколки с огромными скоростями разлетаются в разных направлениях.

Но главное в этом процессе, что при распаде одного ядра урана возникают два-три новых свободных нейтрона. Причина заключается в том, что тяжелое ядро урана содержит больше нейтронов, чем их требуется для образования двух меньших атомных ядер. «Строительного материала» слишком много, и атомное ядро должно от него избавиться.

Каждый из новых нейтронов может сделать то же, что сделал первый, когда расщепил одно ядро. В самом деле, выгодная калькуляция: вместо одного нейтрона получаем два-три с такой же способностью расщепить следующие два-три ядра урана-235. И так продолжается дальше: происходит цепная реакция, и, если ею не управлять, она приобретает лавинный характер и заканчивается мощнейшим взрывом - взрывом атомной бомбы. Научившись регулировать этот процесс, люди получили возможность практически непрерывно получать энергию из атомных ядер урана. Управление этим процессом осуществляют в ядерных реакторах.

Ядерный реактор - устройство, в котором протекает управляемая цепная реакция. При этом распад атомных ядер служит регулируемым источником и тепла, и нейтронов.

Первый проект ядерного реактора разработал в ]939 г. французский ученый Фредерик Жолио-Кюри. Но вскоре Францию оккупировали фашисты, PI проект не был реализован.

Цепная реакция деления урана впервые была осуществлена в 1942 г. в США, в реакторе, который группа исследователей во главе с итальянским ученым Энрико Ферми построила в помещении стадиона Чикагского университета. Этот реактор имел размеры 6х6х6,7 м и мощность 20 кВт; он работал без внешнего охлаждения.

Первый ядерный реактор в СССР (и в Европе) был построен под руководством акад, И. В. Курчатова и запущен в 1946 г,

Водородная энергетика

Все проблемы, стоящие перед современной энергетикой, могло бы - по мнению многих специалистов - разрешить использование водорода в качестве топлива и создание так называемого водородного энергетического хозяйства.

Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальным топливом, Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей н т. п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью;

Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ. Трубопроводный транспорт топлива - самый дешевый способ дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле, чем передача тоги же количества энергии в форме переменного тока по подземному кабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока с напряжением 40кВ, а па расстоянии свыше 900 км - дешевле воздушной линии электропередачи переменного тока с напряжением 500 кВ.

Водород - синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляют около 20 млн. т водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное - на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.

Пример 1.4: Какой объем займет угарный газ, выделяющийся при полном сгорании древесины, угля или другого топлива в помещении (банька «по черному») со следующими параметрами: 1=4,0 м - длина помещения; n=2,0 м -ширина помещения; h=3,0 м - высота помещения. Масса топлива m=12 кг; коэффициент сгорания k=0,8; коэффициент, отвечающий количеству углерода, подвергающегося неполному сгоранию (образующему СО) ψ₁=0,1; коэффициент, отвечающий количеству углерода, образующего СО во вторичном процессе, ψ₂=0,15. Т₁=40°С=313К; Р₁=780 мм.рт.ст. Определить, с какой высоты помещения будет начинаться зона, заполненная угарным газом. Упрощенно полагаем, что угарный газ располагается вверху и не смешивается с другими газами.

Решение: количество чистого углерода определяется по формуле:

m₁=m*k

С + О2→ СО2↑ 2С + О2→2СО↑.

При сгорании топлива параллельно идут два процесса:

 

 

Часть углекислого газа вступает во вторичную реакцию с раскаленными углями:

СО₂ + С = 2СО.

 

Масса углерода, участвующего в 1 реакции равна:

m₂ = m₁ х ψ₁

 

Масса углерода, участвующего во 2 реакции равна:

m₃ = m₁ х ψ₂

 

Общая масса углерода, образующего СО, равна:

m₄ = m₂ + m₃

 

Масса образовавшегося угарного газа.

 

Объем, который займет это количество угарного газа при нормальных условиях, составляет:

 

По уравнению объединенного газового закона, истинный объем угарного газа при Т1=31ЗК составит:

 

Площадь помещения равна S = l*n = 4*2 = 8м². Высота зоны, заполненной угарным газом:

Следовательно, угарный газ заполнит помещение выше уровня (h - h_X) или 3м - 0,625м = 2,375 м.

Варианты задания:

№№	m, кг	T1, °С	Р1, мм.рт.ст.	К	ψ1	ψ2	1, м	n, м	h, м
				0,75	0,1	0,15
				0,83	0,18	0,17	2,5		3,7
				0,82	0,19	0,18			2,75
				0,76	0,17	0,19			2,7
				0,79	0,2	0,14
				0,77	0,3	0,12
				0,78	0,21	0,13	2,5		3,7
				0,84	0,16	0,11			2,75
				0,85	0,14	0,1			2,7
				0,8	0,15	0,2

Раздел 2.

Инженерная защита водной среды

 

ГИДРОСФЕРА (от греч. hydor — вода и sphaira — шар * а. hydrosphere; н. Hydrosphare, Wasserhulle; ф. hydrosphere; и. hidrosfera) — прерывистая водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность всех видов природных вод (океанов, морей, поверхностных вод суши, подземных вод и ледяных покровов). В более широком смысле в состав гидросферы включают также атмосферную воду и воду живых организмов. Каждая из групп вод делится на подгруппы более низких рангов. Например, в атмосфере можно выделить воды в тропосфере и стратосфере, на поверхности Земли — воды океанов и морей, а также рек, озёр и ледников; в литосфере — воды фундамента и осадочного чехла (в том числе воды артезианских бассейнов и гидрогеологических массивов).

Основная масса воды гидросферы сосредоточена в Мировом океане, 2-е место по объёму водных масс занимают подземные воды (воды литосферы), 3-е — лёд и снег арктических и антарктических областей. Поверхностные воды суши, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, играют важнейшую роль, как основной источник водоснабжения, орошения и обводнения. Количество пресных вод в гидросфере, доступных для использования, около 0,3%, однако речные и пресные подземные воды зоны водообмена интенсивно возобновляются в процессе общего круговорота воды, что позволяет при рациональной эксплуатации использовать их неограниченно долгое время. Современная гидросфера - результат длительной эволюции Земли и дифференциации её вещества.

Интенсивно возобновляемые пресные водные ресурсы состоят из двух неравноценных для использования частей: более или менее устойчивой во времени и неустойчивой. Например, речные водные ресурсы делятся на подземные (устойчивые), в общем виде характеризующие возобновимые ресурсы подземных вод зоны активного водообмена, а также сток, зарегулированный проточными озёрами, и менее устойчивые — поверхностные (паводочные). Сильно минерализованные подземные глубинные воды практически невозобновляемы, т.к. не участвуют в круговороте. Для оценки водных ресурсов материков, стран, речных бассейнов и их отдельных частей разработана шестикомпонентная система уравнений водного баланса, которая позволяет оценить различные источники возобновимых водных ресурсов взаимосвязанно, в соответствии со свойственным природе круговоротом воды.

Теоретически при рациональном использовании водные ресурсы неисчерпаемы. Однако потребности в них настолько быстро растут, что во многих странах ощущается острый недостаток в водных ресурсов. Увеличение доступных для использования водных ресурсов возможно за счёт их расширенного воспроизводства (применения агро- и лесотехнических мероприятий, создания водохранилищ и других мер). Некоторые виды расширенного воспроизводства водных ресурсов достигли глобальных масштабов. Так, мировой объём зарегулированного паводочного стока водохранилищами земного шара — 2000 км³ в год, в результате чего естественный устойчивый сток рек мира увеличился на 16%.

Интенсивное использование водных ресурсов человеком во многих районах мира приводит к их существенному загрязнению. Образуются сточные воды, которые даже после очистки содержат остаточные загрязнения. Тем не менее, существующие сейчас технологии очистки сточных вод позволяют значительно снизить нагрузку на экосистему гидросферы.

Следует заметить, что не только сточные воды требуют очистки. В конце двадцатого века знаменитый французский исследователь Мирового океана Жак Ив Кусто сказал, некоторые района океана превратились в «естественные сточные ямы». Однако это справедливо не только для Мирового океана, но прежде всего и для пресноводных водоемов суши. Из-за загрязнения рек, человек уже не может использовать речную воду без предварительного анализа и соответствующей подготовки, в которую так же входит очистка.