Круговорот воды и значение гидросферы

 

Запасы воды на Земле находятся в подвижном равновесии благодаря круговороту воды (влагообороту, гидрологическому циклу), который в географической оболочке является одним из важнейших процессов, взаимодействующим с атмосферой, литосферой, биосферой и связывающим в единое целое все части гидросферы. Движущими силами круговорота воды являются приток к поверхности Земли солнечной радиации и сила тяжести. Под воздействием тепловых процессов происходит испарение, конденсация водяных паров, таяние, замерзание и другие фазовые переходы воды. Под влиянием силы тяжести происходит выпадение атмосферных осадков, движение поверхностных и подземных вод и т.д.

Началом круговорота воды (рисунок 2.5) является испарение с поверхности океанов, морей, континентов, островов. Ежегодно с поверхности земного шара испаряется 577 тыс. км³ воды. Большая часть (505 тыс. км³) приходится на Мировой океан и только 72 тыс. км³ – на сушу. Водяные пары, поступившие в атмосферу, перемещаются вместе с воздушными массами, конденсируются и выпадают в виде атмосферных осадков. Объем их, согласно общему закону сохранения материи, равен объему испарившейся воды. Такой круговорот воды в целом для земного шара (большой круговорот) представляет собой замкнутую систему, в которой испарение с поверхности земного шара соответствует количеству атмосферных осадков, выпадающих на него.

М.И. Львович в круговороте воды выделяет три основных звена: океаническое, атмосферное и материковое, в последнее он включает звенья меньших размеров: литогенное, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйственное. Ни одно из перечисленных звеньев, кроме большого круговорота, не представляет собой замкнутой системы.

Большой круговорот воды на Земле можно представить следующим образом. Вода, испарившаяся с поверхности Мирового океана, переносится воздушными потоками на сушу, выпадает на нее в виде осадков и частично стекает обратно в Мировой океан, частично аккумулируется в области внутреннего стока, обычно в крупных бессточных озерах. Испаряясь с поверхности этих озер, влага в общем потоке водяных паров вновь попадает в Мировой океан.

В действительности механизм влагообмена в системе океан →атмосфера → суша → океан значительно сложнее, так как в формировании общего количества осадков над материками заметное участие принимают внутренние осадки, сформировавшиеся как в периферийных, так и внутренних областях суши. Представленная же схема большого круговорота воды на земном шаре этого фактора не учитывает.

В течение года в Мировом влагообороте принимает участие всего 0,037% общей массы гидросферы. Так как скорость переноса отдельных видов воды неодинакова, то и время их расходования и возобновления различно. Наиболее быстро возобновляются биологические воды, входящие в состав растений и живых организмов. Смена атмосферной влаги и запасов воды в руслах рек осуществляется за несколько дней (таблица 2.2).

 

Количества воды (цифры в скобках) выражены в миллиардах миллиардов (10¹⁸) тонн в год

Рисунок 2.5 – Схема круговорота воды на Земле

 

Запасы воды в озерах возобновляются в течение 17 лет, в крупных озерах этот процесс может длиться несколько сот лет. Так, в озере Байкал полное возобновление водных запасов происходит в течение 380 лет. Наиболее длительный период восстановления имеют запасы воды в подземных льдах зоны многолетней мерзлоты – 10000 лет. Полное возобновление океанических вод происходит через 2500 лет. Однако за счет внутреннего водообмена (морских течений) воды Мирового океана в среднем совершают полный оборот в течение 63 лет. Подземные воды обновляются только за 1400 лет. Значительные запасы глубинных подземных вод вообще не возобновимы, так как не включаются в процессы круговорота в системе атмосфера → осадки → суша.

Круговорот воды играет громадную роль в географической оболочке. В процессе круговорота воды осуществляется перераспределение тепла. Тепло, затрачиваемое на испарение в одном месте, высвобождается при конденсации влаги в другом. Круговорот воды – важнейшее звено в энергетическом обмене между гидросферой и атмосферой. Скрытая энергия, поступившая в атмосферу с водяными парами с поверхности земного шара, частично преобразуется в механическую энергию, обеспечивающую перемещение воздушных масс. Наряду с энергетическим обменом, взаимодействие гидросферы и атмосферы в процессе влагооборота сопровождается и обменом веществами (газовый и солевой обмен).

Таблица 2.2 – Скорость возобновления (обмена) различных

Категорий вод гидросферы

Категория вод	Скорость возобновления
Русла рек	12-16 дней
Атмосфера	18-26 дней
Почвенная	1 год
Болота	5 лет
Озера	17 лет
Подземные воды разных горизонтов	1400 лет
Мировой океан	2500 лет (перемешивание за 63 года)

 

На рисунке 2.6 представлен мировой водный баланс. Среднегодовое количество осадков над материками составляет 110000 км³ [5]. Из них 63000 км³ возвращается в атмосферу в процессе испарения и транспи­рации с зеленых поверхностей лесов, лугов, сельскохозяйственных полей и других сооб­ществ растений.

Вода, использующаяся при­родной растительностью и сельскохозяйст­венными культурами, питающимися дождевой водой, называется зеленой водой.

Разница между ежегодным объемом осад­ков и совокупным испарением, называемая полезным стоком, составляет примерно 47000 км³. Это есть ежегодный самостоятельно об­новляющийся объем пресной воды озер, водохранилищ, ручьев и рек. Теоретически эта так называемая голубая вода может использоваться человеком. Правило устойчивости гласит: «Потребность в воде должна удовлетворяться только в пределах полезного стока». Тем не менее, запасы воды неравномерно распределены во времени и пространстве. Основная масса стока образуется во время паводка, и такую воду трудно «удержать». Ре­ально человек обладает доступом к водным за­пасам объемом примерно в 9000 км^З. К этому следует добавить примерно 3500 км^З стока, который удается удержать с помощью водо­хранилищ. Таким образом, в год человечеству доступно примерно 12500 км^З воды. Вместе с тем, часть доступных поверхностных вод должна оставаться в ручьях и реках для обеспе­чения сохранности водных экосистем и раст­ворения антропогенных стоков. На практике это означает, что запасы доступных вод сокра­щаются [4].

 

Рисунок 2.6 – Водный баланс Земли в 10³ мм/год (по [3])

Использование остающихся 34500 км³ голу­бой воды сложно и дорого, что объясняется топографическими особенностями, удален­ностью от населенных пунктов и социальными и экологическими последствиями.

Более половины из легко доступных пресноводных ресурсов уже используются; запасы воды во многих уголках мира являются критическими. Все больше стран сталкиваются с проблемой нехватки питьевой воды; усили­вается конкуренция за воду между различными группами пользователей. Более 25 стран сегодня относятся к категории критических с точки зрения запасов воды, а в ближайшие десятилетия их количество резко возрастет.

Биологический круговорот воды. Животные находят необходимую для них воду в питье и пище. Растения используют атмосферную воду или берут ее из почвы. Живые существа выделяют воду с продуктами обмена, путем транспирации, легочного и кожного дыхания, при потении. Явление кожного дыхания отличается от потения. Первое представляет собой подобие испарения, диффузию паров воды через роговидные слои кожи. У человека количество воды, выносимое таким образом с поверхности кожи и испаряемой, составляет более 0,5 л в сутки. При физиологическом процессе потения происходит испарение воды в результате работы потовых желез. Человек в умеренном климате в тени выделяет 1-1,5 л пота в сутки. Выделение паров воды при дыхании (0,3-0,4 л в сутки) у человека обеспечивает удаление углекислого газа, а с метаболической «отработавшей» водой удаляются из организма конечные продукты обмена, вредные вещества. Вода, выделяемая организмами, не теряется бесследно. Та ее часть, которая выделяется при дыхании и транспирации, возвращается непосредственно в атмосферу, а «отработанная» вода поступает в водоемы и почву. Необходимо указать и на воду, которая потребляется при фотосинтезе. Ежегодная потребность растений в воде при фотосинтезе составляет примерно 65 · 10¹⁰ тонн. Это значит, что количества воды, необходимого только для процесса фотосинтеза, достаточно на два миллиона лет. Такой срок совершенно незначителен с позиции геологической истории Земли. Однако запас воды непосредственно возобновляется, благодаря круговороту воды в природе. Вода в реках, как отмечено выше, полностью меняется каждые 12-16 суток, а это значит, что при общем одновременном объеме воды в реках 1,2 тыс. км³, за год сток речных вод составляет 36 и более тыс. км³. Для обновления паров атмосферы требуется также незначительное время, но огромный объем воды в Мировом океане возобновляется медленно, как и подземные глубинные воды. Общий круговорот воды на Земле осуществляется за два миллиона лет. Круговорот воды можно образно сравнить с вечным двигателем, который ритмично и беспрерывно качает воду из океана на материки и обратно в течение сотен миллионов и миллиарды лет. Замечательной особенностью этого отработанного механизма является то, что он не только подает воду, но и очищает ее от всевозможных примесей. Таким образом, природа позаботилась о безупречном аппарате для снабжения водой всего живого на Земле.

Значение гидросферы

 

1. Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты. Вода – скульптор, она формирует поверхность планеты – разрушает каменные глыбы, растворяет органические соединения, активизирует процессы почвообразования. Она же условие миграции химических элементов и соединений, геологического (большого) и биологического (малого) круговоротов веществ.

2. Она влияет на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой), участвует в формировании климата и погоды на планете. Большая подвижность, высокая теплоемкость и способность легко переходить из одного состояния в другое являются основным условием регулирования теплового режима планеты, переноса колоссальных масс тепла на большие расстояния, например, с теплыми океаническими течениями.

3. Вода – растворитель для различных соединений.

4. Вода – среда обитания живых организмов.

5. Вода – необходимое условие для получения урожая (чтобы получить 1 кг сухого пшеничного зерна растение должно потребить 750 л воды, на орошение 1 га кукурузы требуется 3000 м³ (3 млн. литров) воды, 1 га капусты – 8000 м³ воды).

6. Вода используется для судоходства.

7. Вода – источник электроэнергии.

8. Вода – промышленное сырье (для производства 1 т стали требуется 20 м³ воды, 1 т бумаги – 350 м³ воды, 1 т капрона – 700 м³ воды).

9. Высокая теплоемкость и способность поглощать тепло при испарении делают воду незаменимым охлаждающим агентом в биологических (транспирация растений, потовыделение животных) и технических системах (атомная электростанция для охлаждения атомных ректоров расходует примерно 3 млн. литров воды в минуту).

10. Вода – важнейший гарант защиты планеты от перегрева, альтернатива глобальному термодинамическому кризису, в то же время основной агент локальных тепловых загрязнений среды.

11. Она – источник минерального сырья (по имеющимся данным, в водах Мирового океана растворена вся таблица Менделеева), включая нефть, газ, иод, железо, поваренную соль.

12. Вода – источник биологических ресурсов.

13. Вода – структурная и функциональная основа всех живых существ. Доля воды в теле человека составляет 60-70%, но в отдельных органах и тканях она варьирует. Процентное содержание воды составляет:

- в хлебе – 33%,

- в картофеле – 80%,

- в теле 8-мимесячного человеческого зародыша – 81%,

- в салате, огурцах – до 95%,

- в теле 3-х-дневного человеческого зародыша – 97%,

- в теле медузы – 99%.

14. Вода – физико-химическая среда, благодаря которой может осуществляться большинство реакций обмена веществ, обеспечивающих непрерывный процесс разрушения и восстановления живых тканей.

15. Жизнь, по современным представлениям, зародилась в воде.

16. Вода – продукт обмена веществ.

17. Вода – непременное условие и фактор жизни. Любой живой организм при потере воды может погибнуть. Потеря гомойогидрическими организмами 10-12% воды равносильна их гибели. В то же время пойкилогидрические организмы способны терять ее до 90%. Для человека гибельны потери воды, превышающие 10%. Без воды человек может жить несколько дней.

18. Вода имеет оздоровительное значение (минеральная вода, минеральные источники).

Вода играет большую роль для человека: это - вид транспорта, источник электрической энергии, разнообразного сырья, в том числе лекарственного сырья. Вода в больших количествах используется в хозяйственно-бытовых и санитарных целях, при этом растет культура человека, растет и расход воды. Если ранее воду брали ведрами из колодцев, колонок, и вода расходовалась экономно (на одного человека приходилось в среднем 20 литров в сутки), то в настоящее время в городах на человека приходится 150-200-250 литров воды в сутки и более. Очень широко применяется вода в промышленности.