Круговорот воды на Земле

Гидросфера – это совокупность всех вод Земли. Все многообразие природных вод в жидком, твердом и газообразном состоянии можно разделить на 4 части:

1. воды мирового океана (океаны, моря, заливы, проливы);

2. воды суши (внутренние воды) – реки озера, ледники, болота;

3. воды атмосферы (облака, водяной пар);

4. воды в составе живых организмов.

В количественном отношении, бесспорно, лидирует мировой океан, на который приходится 1 338 000 тыс. км³ или 96,4 % всей воды на Земле.

На суше находится 49675 км³ или около 3,6 % воды планеты в виде снега и ледники, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод. Практически вся вода атмосферы (90 %) сконцентрирована в нижней части тропосфера на высоте 0-5 км. Всего же здесь находится 13 тыс. км³ воды или 0,001 %. В организмах ее и того меньше – около 0,0001 % от воды Земли (около 1 тыс. км³).

Имеется несколько гипотез происхождения воды. В последнее время принято считать, что основные массы воды поступили в результате дегазации магмы. При формировании первичной базальтовой коры из мантии образовалось 92% базальтов и 8% воды. Современные лавы тоже содержат водяных паров от 4 до 8%. В настоящее время ежегодно путем дегазации образуется до 1 км3 воды. Эти воды называются ювинильными (юными). Также вода поступает и из космоса.

Один из важнейших процессов в географической оболочке – круговорот воды (влагооборот). При влагообороте осуществляется перенос вещества и энергии в географической оболочке посредством воды. Различают малые и большой круговорот. К малым круговоротам относят региональные влагообороты: материково-атмосферный; океанско-атмосферный; океанско-атмосферно-материковый.

В большом круговороте все малые круговороты являются его звеньями. В большом круговороте можно выделить следующие основные звенья: Материковое; Атмосферное; Океаническое. Круговорот осуществляет перенос влаги и тепла, он связывает земные оболочки и играет исключительно важную роль в образовании комплексной природной оболочки Земли.

Вся масса воды на Земле находится в непрерывном движении — в круговороте. Вода испаряется с поверхности Океана и суши, восполняя запасы атмосферной влаги. Из атмосферы в виде дождя и снега она возвращается в Океан и на сушу, при этом осадки, выпавшие на сушу, питают реки и подземные воды. А речной сток восполняет часть воды морей и океанов, израсходованную на испарение. Осадки обогащают и почву влагой, столь необходимой для плодородия. Более одной трети воды с суши испаряется растениями. Этот важный процесс называется транспирацией.

Какие же силы приводят в движение огромную массу водной оболочки Земли, или, как ее еще называют, гидросферы? Особенно важны две силы. Первая — энергия Солнца, под влиянием которой вода испаряется и конденсируется парообразная влага, возникают воздушные и морские течения.

Вторая — сила тяжести, под действием которой падают капли дождя, течет по уклону вода в реках, погружаются подземные воды и движутся полярные и горные ледники. Круговорот воды не только приводит в движение водную оболочку Земли, но связывает воедино все части гидросферы, обеспечивая их возобновление.

Круговорот воды, или влагооборот, на Земле – один из важнейших процессов в географической оболочке. Под ним понимают непрерывный замкнутый процесс перемещения воды, охватывающий гидросферу, атмосферу, литосферу и биосферу. Наиболее быстрый круговорот воды происходит на поверхности Земли. Он совершается под действием солнечной энергии и силы тяжести. Влагооборот складывается из процессов испарения, переноса водяного пара воздушными потоками, конденсации и сублимации его в атмосфере, выпадения осадков над Океаном или сушей и последующего стока их в Океан. Основной источник поступления влаги в атмосферу – Мировой океан, меньшее значение имеет суша. Особую роль в круговороте занимают биологические процессы – транспирация и фотосинтез. В живых организмах содержится более 1000 км³ воды. Хотя объем биологических вод небольшой, они играют важную роль в развитии жизни на Земле и усилении влагооборота: почти 12% испаряющейся влаги в атмосферу поступает с поверхности суши за счет транспирации ее растениями. В процессе фотосинтеза, осуществляемого растениями, ежегодно разлагается 120 км³ воды на водород и кислород.

В поверхностном круговороте воды на Земле условно выделяют малый, большой и внутриматериковый круговороты. В малом круговороте участвуют только Океан и атмосфера. Испаряющаяся с поверхности Океана влага в большей своей части выпадает обратно на морскую поверхность, совершая малый круговорот.

Меньшая часть влаги участвует в большом поверхностном круговороте, переносясь воздушными потоками с Океана на территорию суши, где возникает ряд местных влагооборотов. С периферийных частей континентов (их площадь около 117 млн. км²) вода вновь поступает в Океан путем поверхностного (речного и ледникового) и подземного стока, завершая большой круговорот.

Территории, не имеющие стока в Мировой океан, называют областями внутреннего стока (бессточными по отношению к Океану). Их площадь более 32 млн. км². Вода, испарившаяся с замкнутых территорий суши и вновь выпадающая на нее же, образует внутриматериковый круговорот. Крупнейшие области внутреннего стока – Арало-Каспийская, Сахара, Аравия, Центрально-Австралийская. Воды этих областей обмениваются влагой с периферийными областями и океаном в основном путем переноса ее воздушными течениями.

Механизм влагообмена океан – атмосфера – суша – океан в действительности гораздо сложнее. Он связан с общим глобальным обменом вещества и энергии, как между всеми геосферами Земли, так и между всей планетой и Космосом. Глобальный влагооборот Земли – незамкнутый процесс, так как в том объеме, в котором вода выделяется из земных недр, она уже не возвращается обратно: при обмене веществом с космическим пространством преобладает процесс безвозвратной потери водорода при диссипации молекул воды над его приходом. Однако количество воды в гидросфере не уменьшается за счет поступления воды из недр.

Количественно круговорот воды на Земле характеризуется водным балансом. Водный баланс Земли – равенство между количеством воды, поступающей на поверхность земного шара в виде осадков, и количеством воды, испаряющейся с поверхности Мирового океана и суши за одинаковый период времени. В среднем годовое количество осадков, так же как и испарение, равно 1132 мм, что в объемных единицах составляет 5 77 060 км³ воды.

Схема влагооборота воды в природе (по Л. К. Давыдову):

1 – испарение с поверхности океана; 2 – выпадение осадков на поверхность океана; 3 – выпадение осадков на поверхность суши; 4 – испарение с поверхности суши; 5 – поверхностный, нерусловой сток в океан; 6 – речной сток в океан; 7 – подземный сток в океан или в бессточную область.

В истории Земли неоднократно отмечались крупные изменения воднобалансовых характеристик, что связано с колебаниями климата. В периоды похолоданий происходит изменение мирового водного баланса в сторону большей увлажненности континентов за счет консервации воды в ледниках. Водный баланс Океана становится отрицательным, и уровень его понижается. В периоды потеплений, наоборот, отрицательный водный баланс устанавливается на континентах: растет испарение, увеличивается транспирация, тают ледники, сокращается объем озер, увеличивается сток в Океан, водный баланс которого становится положительным.

Средний годовой водный баланс Земли (по Р. К. Клиге и др.)

Элементы баланса	Объем воды км3/год	Слой воды, мм	% от расхода
Земной шар в целом
Испарение	-577060	-1132
Атмосферные осадки	+577060	+1132
Мировой океан
Испарение	-507150	-1402
Атмосферные осадки	+457230	+1264	90,2
Речной сток	+44180	+122	8,7
Ледниковый сток	+3850	+11	0,8
Подземный сток	+2500	+7	0,5
Невязка баланса	+610	+2	0,1
Территория суши
Атмосферные осадки	+119830	+804
Испарение	-69910	-469	58,3
Речной сток	-44180	-296	36,7
Ледниковый сток	-3850	-26	3,2
Подземный сток	-2500	-17	2,1
Невязка баланса		-4	0,5

Повышение температуры воздуха почти на 1°С в XX столетии вызвало нарушение мирового водного баланса: для Мирового океана он стал положительным, а для суши отрицательным. Потепление привело к возрастанию испарения с океанической поверхности и увеличению облачности как над океанами, так и над континентами. Атмосферные осадки над Океаном и в прибрежных районах суши увеличились, но сократились во внутриконтинентальных областях. Значительно усилилось таяние ледников. Такие изменения в мировом водном балансе приводят к повышению уровня Мирового океана в среднем на 1,5 мм/год, а в последние годы до 2 мм/год.

Поскольку на испарение затрачивается тепло, которое освобождается при конденсации водяного пара, то водный баланс связан с тепловым балансом, а влагооборот сопровождается перераспределением тепла между сферами и регионами Земли, что весьма важно для географической оболочки. Наряду с энергетическим обменом в процессе влагооборота происходит обмен и веществами (солями, газами).

Приращение запасов водной массы основных звеньев поверхностной гидросферы

(по Р. К. Клиге и др.)

Элементы гидросферы	Изменение объема вод, км3/год	%
1890-1900	1985-1990	1890-1900	1985-1990
Мировой океан	+520	+1013	+100	+100
Ледники	-500	-1616	-96	-160
Подземные воды	-40	+593	-8	+57
Озера	-20	-68	-4	-7
Водохранилища	+20	+78	+8	+8

Различные части гидросферы на поверхности Земли имеют неодинаковый период водообмена. Из таблицы видно, что самые короткие периоды водообмена у влаги атмосферы (8 суток), наиболее длительные – у наземных и подземных ледников (10 тыс. лет).

Период водообмена отдельных частей гидросферы на поверхности Земли

(по монографии «Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли», с дополнениями)

Виды природных вод	Объем, тыс. км3	Средний период условного возобновления запасов воды
Вода на поверхности литосферы
Мировой океан		2650 лет
Ледники и постоянный снежный покров		9700 лет
Озера		17 лет
Водохранилища		52 дня
Вода в реках		19 дней
Вода в болотах		5 лет
Вода в верхней части литосферы
Подземные воды		1400 лет
Подземные льды		10000 лет
Вода в атмосфере и живых организмах
Вода в атмосфере		8 дней
Вода в организмах		Несколько часов

Некоторые элементы круговорота воды поддаются управлению человеком, но лишь в приграничных слоях гидросферы, литосферы и атмосферы: накопление воды в водохранилищах, снегонакопление и снегозадержание, искусственные дожди и др. Но подобные меры должны быть весьма осторожными и продуманными, так как в природе все взаимосвязано и изменения в одном месте могут повлечь нежелательные последствия в другом регионе.

Значение воды в природе, жизни и хозяйственной деятельности исключительно велико. Землю делает Землей именно вода, она участвует во всех физико-географических, биологических, геохимических и геофизических процессах, происходящих на планете. А. де Сент-Экзюпери написал о воде: «Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты сама жизнь»: а Индире Ганди принадлежит изречение: «Цивилизация – это диалог между человеком и водой».

Пресная вода употребляется для промышленного и бытового водоснабжения, для орошения и обводнения. Вода используется при получении электричества, в судоходстве, велико значение водных рубежей в военных действиях и во многом другом.

До недавнего времени господствовало убеждение, что человечеству навсегда хватит воды. Быстрый рост населения планеты, развитие промышленного производства и сельского хозяйства вызывают возрастающие темпы водопотребления, которые уже достигают около 5 тыс. км3/год. 80% используемой воды связано с сельским хозяйством, и в первую очередь с орошением 240 млн. га земель.

Поскольку запасы пресной воды в связи со стремительными темпами ее потребления резко сокращаются в количественном и качественном отношении, необходима организация рационального использования вод и их охрана. Это одна из важнейших экологических проблем на Земле.