Среди типов питания рек А. И. Воейков выделил два основных типа – снеговое и дождевое, и два производных – ледниковое и смешанное. В данной классификации, помимо различных типов питания рек (например, отсутствие или наличие на реках половодья), учтены и некоторые фазы водного режима рек, основные формы рельефа (горы и равнины), а также географическое положение выделенных типов рек. В круговороте воды Воейков рассматривал испарение как противоположность осадкам, и считал, что соотношение между данными противоположными процессами определяет режим рек и густоту речной сети.В зависимости от источников водного питания и климата ученый выделил девять главных типов рек.
1) Тип А. Реки, которые получают воду от таяния снега на равнинах и на невысоких, до 1000 м, горах. В чистом виде этот тип нигде не существует. Наиболее приближены к нему реки в северной части Северо-Американского материка и Сибири, где продолжительность снежного покрова составляет 8-10 месяцев.
2) Тип B. Реки, которые получают воду от таяния снега в горах. В чистом виде данный тип также не существует, но существует большее приближение к нему, чем к типу А. Реки данного типа протекают в западных частях горных массивов, расположенных в центре Азии. Среди них такие реки, как Сыр-Дарья, Амур-Дарья, Верхний Инд, Тарим.
3) Тип С. Реки, которые получают от дождей и имеют половодье в летний период. Данный тип рек приурочен к тропическим дождям и дождям муссонов.
4) Реки Типа D. Для них характерно половодье в весенний период или в начале лета, связанное с таянием снега, при этом значительную часть воды получающие от дождей. Реками данного типа охвачена вся Европейская Россия, Северная и Западная Сибирь, Восточная Германия, север США и часть Канады.
5) Реки типа Е – получающие воду от дождей. Данные реки полноводнее в холодные месяцы года, но разница невелика. Реки этого типа преобладают в Средней и Западной Европе.
6) Тип F. Реки, получающие воду от дождей. Эти реки полноводнее в зимний период, и разница значительна. Реки данного типа протекают в Южной Европе (Испания, Италия).
7) Тип G. Отсутствие постоянных водотоков, в том числе и рек, вследствие сухости климата. Данный тип относится к большей части Аравии, Сахаре, большей части центральных плоскогорий Азии, части территории Южной Америки, части Аралокаспийской низменности, к большей части внутренней Австралии, обширным плоскогорьям Северной Америки.
8) Тип Н. Реки, которые получают воду лишь в короткий период дождей и некоторое время после. В остальное время либо пересыхают, либо превращаются в ряд луж с подземным течением в промежутках между ними. К таким рекам можно отнести реки части киргизских степей, степной части Крыма, части Монголии, реки степей по нижнему течению Аракса и Куры, реки многих местностей Северной Америки и Австралии.
9) Тип I. Отсутствие рек вследствие сплошного покрытия ледниками и снегом. Здесь реки заменяются ледниками с подледными водотоками, выносящими избыток осадков в более низкие долины или испарением. Для всех рек характерно питание снеговое, дождевое, ледовое и грунтовое. В чистом виде каждый из типов питания практически не встречается, чаще же встречается смешанный тип. Снег, дождь, и ледники – эти источники питания имеют одно происхождение – атмосферные осадки. Часть выпадающих жидких осадков при определенных условиях образует поверхностный сток и служит непосредственным источником питания рек в периоды паводков. Твердые осадки аккумулируются в виде снежного покрова на поверхности земли. На равнинах и невысоких горах накопившийся за зиму снег тает в теплое время и также служит источником питания рек. В более высоких горах снег, накопившийся в отдельные годы, стаивает не весь, пополняя запасы вечных снегов и давая начало ледникам.
59. химический состав речных вод и его изменения в зависимости от природных условий. Солевой и биогенный сток. Связь минерализации с условиями водного питания рек.
В водных растворах подавляющее большинство солей существует в виде ионов. В природных водах преобладают три аниона (гидрокарбонат HCO3-, хлорид Cl- и сульфат SO42-) и четыре катиона (кальций Ca2+, магний Mg2+, натрий Na+ и калий K+) - их называют главными ионами. Хлорид-ионы придают воде солёный вкус, сульфат-ионы, ионы кальция и магния - горький, гидрокарбонат-ионы безвкусны. Они составляют в пресных водах свыше 90-95 %, а в высокоминерализованных - свыше 99 % всех растворенных веществ. Обычно нижним пределом концентрации для главных ионов считают 1 мг/л, поэтому в ряде случаев, например для морских и некоторых подземных вод, к главным компонентам можно отнести также Br-, B3+, Sr3+ и др. Отнесение ионов K+ к числу главных является спорным. В подземных и поверхностных водах эти ионы, как правило, занимают второстепенное положение. Только в атмосферных осадках ионы K+ могут играть главную роль.
Вопрос 61. озера. Озерные котловины, их происхождение и морфологические характеристики. Водные массы озер.
О́зеро — компонент гидросферы, представляющий собой естественно возникший водоём, заполненный в пределах озёрной чаши (озёрного ложа) водой и не имеющий непосредственного соединения с морем (океаном)[1]. Озёра являются предметом изучения науки лимнологии. Всего в мире насчитывается около 5 млн. озёр. Котловина — отрицательная форма рельефа, понижение в пределах суши, дна океанов или морей, преимущественно округлых очертаний.
Вопрос 40. Океаносфера получает тепло от солнечной радиации. Придонная сфера океана, по крайней мере в срединных хребтах, воспринимает внутреннее тепло Земли. В рифтах Красного моря и Срединно-Атлантического хребта обнаружена горячая вода (рассол) с температурой 56,58 и даже 720 С, обогащенная растворенными металлами. Однако участие этого тепла в климате океана четко не прослеживается. Климат океана определяет прежде всего температура воздуха.
Границы климатических зон в океане из-за подвижности воды не столь отчетливы, как на суше. В настоящее время они проводятся по океаническим фронтам. В умеренном климате северного полушария выделяются все четыре времени года, причем зима приходится на январь-март, весна - на апрель-июнь, лето - на июль-сентябрь, осень - на октябрь-декабрь. В Арктике зима длится 6-7 месяцев, с ноября по май, лето только 4-6 недель, с августа по сентябрь.
Средняя температура Мирового океана составляет 17,540С (это только на 3,54 0 С выше, чем на всей Земле: 14 0 С на высоте 2 м от земной поверхности). В Северном полушарии океан на 3 0 С теплее, чем в южном, что объясняется характером циркуляции водных масс: к северу от экватора преобладает меридиональный перенос, а в южном - зональный. Диссиметрия динамики создает диссимметрию поля температуры.
В северной части Атлантического и Тихого океанов меридиональной циркуляцией выносятся огромные массы хорошо прогретой воды жаркого пояса. У 40 0 с.ш. температура воды выше на 20 С, а у 600 с.ш. – на 40 С температуры этих широт южного полушария. Переход через 00 С в южном полушарии наблюдается между 60 и 65 0 ю.ш., а в северном – между 70 и 75 0 с.ш.
Самый теплый – Тихий океан, его средняя температура составляет 19,30 С; затем следуют Индийский океан – 17,20 С, Атлантический океан – 16,5 0С и Северный Ледовитый океан – около 0,70 С. Разница климатов объясняется их географическим положением.
На 53 % поверхности Мирового океана температура воды выше 20 0 С, и только 17 % его площади занято холодной водой.
Хотя максимальное количество солнечной радиации океан усваивает в тропических зонах, самая высокая годовая температура (27,4 0 С) свойственна зоне от 5 до 10 0 с.ш.
За пределами узкой экваториальной зоны температура воды верхней сферы определяется течениями, так что ход гидроизотермы вполне соответствует циркуляционным системам.
Течения в зависимости от температуры воды бывают нейтральными, теплыми и холодными. Это деление основано не на абсолютной, а на относительной температуре воды. Теплыми называются течения, температура воды в которых выше, чем в окружающих акваториях. Вода холодных течений холоднее сопредельных с ними частей океанов. Теплые течения в полярных широтах несут воду более холодную, чем холодные течения в тропиках. Например, в августе теплое течение у берегов Шпицбергена имеет температуру около 80 С, а холодное у Канарских островов около 210 С. Но не участвующая в течениях вода у Шпицбергена покрыта льдом, а в районе Канарских островов нагрета до 250 С.
В умеренном поясе северного полушария, наоборот, холодными оказываются западные части океанов, где проходят Лабрадорское и Курильское течения. Восточные области океанов согреваются Североатлантическим и Северотихоокеанским течениями. Даже в зимние месяцы температура воды в них составляет от ё0 до 00С. Летом на 40 0 с.ш. она достигает 200С.
В Южном океане, где нет влияния материков, температура изменяется строго зонально: от 10 0 С на 40 0С до 0 0 на 60 0 ю.ш. и далее понижается до границы морских льдов.
В западной части Северного Ледовитого океана вода Североатлантического течения создает положительную температурную аномалию, в остальной же части океана температура воды близка к точке замерзания и образуется лед.
По происхождению льды полярных морей могут быть:
1) собственно морские, образующиеся путем замерзания морской воды;
2) пресноводные, вынесенные реками;
3) материковые, или айсберги.
Вода с соленостью 35 ‰ замерзает при температуре – 1,90 С. Море дольше, чем пресные водоемы суши, остается открытым и согревает сушу.
В Северном Ледовитом океане лед дкержится весь год и постоянно дрейфует. Южная граница подвижных полярных льдов проходит от мыса Святой Нос к западным берегам Шпицбергена, к острову Ян-Майен, по середине Датского пролива, к юго-западной Гренландии и в Девисов пролив.
В северной части Тихого океана лед образуется только на севере Берингова моря и в Охотском море. Дрейфуя, он достигает острова Хоккайдо.
В южном полушарии морские льды идут в морские широты много дальше, чем в северном. Их граница проходит южнее мыса Горн, в Тихом и Индийском океанах достигает 60-550, а в Атлантическом – даже 500 ю.ш.
Особенностью теплового режима океанов (в сравнении с атмосферой) является незначительные годовые амплитуды температур. Наименьшие они в экваториальной зоне близ 50 с.ш. – всего 10С. В тропических широтах амплитуда остается еще небольшой – 3 и 40С, и только в холодных течениях у западных берегов увеличивается до 6 и 8 0С. С переходом в умеренные широты годовая амплитуда резко возрастает и достигает в среднем 9 0С. Как и на суше, здесь происходит смена времен года. Особенно ярко она выражена близ восточных берегов Азии в муссонной циркуляции, где амплитуда достигает 200 и 250 С.
Сезонные колебания температуры воды захватывают только верхнюю сферу, около 100 м. Ниже они затухают. Причем в акваториях с нисходящим движением воды гидроизотермы погружаются, с восходящими – поднимаются. Ниже 1 500 – 2 000 м температура остается всюду одинаковой – от 2 до 3 0 С и только в Арктике падает до 0,7 0 и даже до -1,4 0С.
Водный баланс Мирового океана
Общее уравнение среднего многолетнего годового водного баланса Мирового океана может быть записано в виде
х + у + w = z ± Du
где х - осадки на поверхность океана (в среднем 1270 мм в год, или 458 000 км3 в год);
у - поверхностный сток (124 мм, 44 700 км3, из них 41 700 км3 приходится на реки, 300 км3 на «ледниковый» сток Антарктиды и арктических островов);
w - подземный сток (6 мм, 2200 км3);
z - испарение с поверхности океана (1400 мм, 505 000 км3);
Du - изменение уровня (если члены уравнения представлены в величинах слоя) или объема вод океана (если члены уравнения даны в объемных единицах).
Атмосферные осадки составляют 90,7% приходной части водного баланса Мирового океана, а испарение — все 100% его расходной части. Как показали исследования Р. К. Клиге, в уравнении в среднем с 1900 по 1975 г. Du равно 1,5 мм/год, или 542 км /год. Повышение уровня Мирового океана происходит в основном вследствие увеличения поступления вод в результате таяния ледников Антарктиды и арктических островов, а также сокращения объема подземных вод и вод озер. Объем океана за 1900—1975 гг. увеличился приблизительно на 41,2 тыс. км3, т. е. на 0,0037% (а его уровень повысился за это время более чем на 11 см).
Солевой состав и соленость вод океана
Вода — активный растворитель, поэтому в морской воде присутствуют почти все известные на Земле элементы. Все растворенные вещества разделяются на четыре группы: группа, определяющая соленость воды, группа микроэлементов, точнее «рассеянных» элементов, группа биогенных веществ и группа растворенных газов.
Вещества первой группы содержатся в воде в наибольших количествах, измеряемых в граммах на килограмм, т.е. в тысячных долях, в промилле (0/00). Они определяют соленость воды. Соленость - характеристика, обусловливающая физические свойства морской воды: плотность, температуру замерзания, скорость звука и т. д. Ее значение зависит также от физических процессов — испарения, притока пресных вод, таяния льда, замерзания воды и т. д. Соленость — важнейшая характеристика морской воды.
Вторая группа примесей — элементы, содержащиеся в воде в ничтожных количествах в единице массы (10-3 — 10-6 %), но в общей сумме их содержание в Мировом океане измеряется миллионами тонн (медь, уран, золото и др.).
К третьей группе веществ относятся соединения азота, фосфора, кремния и других элементов, участвующих в процессе жизнедеятельности организмов, поэтому они и названы биогенными веществами. Их содержание измеряется в миллиграммах на кубический метр, т. е. единицами, в миллион раз более дробными, чем измеряется соленость. Эти вещества не влияют на физические свойства воды, а их количество и соотношение определяются биохимическими процессами жизнедеятельности.
Четвертая группа веществ — газы, содержащиеся в количествах, измеряемых миллиграммами на литр воды. Это кислород, азот, сероводород и другие газы, количество которых связано как с физическими факторами (температура, давление, соленость), так и с биологическими.
Кроме того, в морской воде присутствуют растворенное органическое вещество в виде коллоида, механические примеси (взвесь) в виде материала, снесенного с суши, или остатков отмерших организмов, и наконец, в виде живых организмов от бактерий до рыб.
По современным представлениям гидросфера, как и атмосфера, образовалась на ранних стадиях развития Земли в результате выплавки базальтов и процессов дегазации верхней мантии. В это время сложились первичные солевой состав вод Мирового океана и их соленость. В дальнейшем в океан стали смываться продукты разрушения суши, имеющие другой химический состав, поэтому стало изменяться и общее соотношение ионов: главные катионы морской воды обязаны своим происхождением выветриванию изверженных горных пород и выносу их в океан реками, а большинство анионов связано с исходной фазой образования океана, с дегазацией мантии. Эти процессы происходят и в наше время, но с несравнимо меньшей интенсивностью. Изучение таких процессов относится к важнейшим вопросам современной океанологии.
Еще в начале XIX в. было замечено, что количество растворенных в водах океана солей может сильно различаться, но солевой состав, соотношение различных солей, определяющих соленость вод, во всех районах Мирового океана одинаковы. Эта закономерность формулируется как свойство постоянства солевого состава морских вод. Это свойство вод Мирового океана было обнаружено в результате изучения химических анализов проб воды, полученных во время кругосветной экспедиции «Челленджера» В. Дитмаром, и с тех пор никогда не опровергалось.
Соленость морской воды — это содержание в граммах всех минеральных веществ, растворенных в 1 кг морской воды, при условии, что бром и иод замещены эквивалентным количеством хлора, все углекислые соли переведены в оксиды, а все органические вещества сожжены при температуре 480°С.
Соленость морской воды определяют по содержанию хлора или по электропроводности воды, так как морская вода — это электролит: чем больше солей в воде, тем больше ее электропроводность, т. е. меньше сопротивление; измеряя последнее, можно по таблицам пересчитать его в соленость. Можно использовать измерения угла преломления света в воде, так как этот угол зависит от солености. Можно получить соленость и по измерениям плотности воды. Наиболее точен полный химический анализ, однако этот способ слишком трудоемкий.
На поверхности океана величина солености определяется процессами, формирующими водный баланс: соленость выше там, где пресная составляющая мала, ниже — на участках, где ее значение больше. С поверхности в глубь океана соли распространяются процессами перемешивания, глубина которого ограничена некоторыми пределами значений плотности. Обычно это десятки или немногие сотни метров. В основной же массе вод океана распределение солености так же, как и других океанологических характеристик, связано с горизонтальным переносом, т. е. с течениями. Поэтому вертикальная структура вод океана весьма неоднородна, в океане существует много «инородных» прослоек, выявляющихся в виде глубинных экстремумов этих характеристик. Преобладает общая закономерность роста солености вниз, в толщу воды, потому что это обеспечивает возможность вертикального равновесия слоев воды: чем больше соленость, тем больше ее плотность. Но из-за того что плотность зависит еще и от температуры, это равновесие возможно и при уменьшении солености, если низкая температура компенсирует уменьшение плотности из-за солености.
Тепловой баланс Мирового океана
Термический режим океана во многом определяет тепловой режим и климат всей планеты. К главным приходным статьям теплового баланса Мирового океана относится солнечная радиация и теплообмен с атмосферой, к дополнительным — тепловой сток рек и выделение тепла при ледообразовании. Главные расходные члены уравнения теплового баланса Мирового океана — это потери тепла на испарение и теплообмен с атмосферой, дополнительные — потери тепла на плавление льда.
Главное значение в тепловом балансе океана, конечно, имеет теплообмен через поверхность, на которую поступает солнечная радиация — главный источник тепла, и где происходит испарение — главный вид его расхода.
Распределение температуры воды на поверхности океана подчиняется закону широтной зональности, так как поступление солнечной энергии зависит от широты. Распределение температуры на картах показывают при помощи изотерм (линий равной температуры).
Наиболее высокая температура воды на поверхности Мирового океана наблюдается в экваториальной зоне, несколько севернее экватора. Линия наивысшей температуры воды называется термическим экватором. Вблизи него средняя годовая температура воды 27-28°С. Эта линия смещается на несколько градусов широты к северу летом северного полушария и к югу — зимой.
От зоны термического экватора температура воды в поверхностном слое океана понижается в направлении полюсов до - 1,0 – - 1,8° С. (Известно, что морская вода замерзает при отрицательной температуре.) У берегов, в заливах температура воды летом может повышаться до 30-32°С.
Общее зональное распределение температуры (так же, как и распределение солености воды) нарушается течениями, реками и льдами. Течения в умеренных широтах переносят воды от западных к восточным берегам океана. Поступая из низких широт в более высокие, эти течения несут в северо-восточном направлении в северном полушарии и юго-восточном направлении в южном нагретые воды. У западных берегов океана навстречу этим водам из высоких широт движутся холодные воды. Поэтому в близких к высоким широтах температура воды в океанах у западных берегов ниже, чем у восточных.
Реки, как правило, не оказывают существенного влияния на температуру вод океана. Но в некоторые районы они вносят в моря весной более нагретую, а осенью более холодную воду, чем в море. Важное значение при этом имеет ориентация рек. Великие сибирские реки, например, текущие с юга на север, оказывают заметное отепляющее влияние на прибрежные районы Северного Ледовитого океана.
Таяние льдов охлаждает морскую воду. У кромки льдов в арктических и антарктических районах температура воды поэтому почти всегда близка к точке замерзания.
Сезонные колебания температуры воды на поверхности Мирового океана определяются изменением теплового баланса в течение года. Наибольшие колебания приурочены к умеренным широтам, от которых к экватору и к полюсам они уменьшаются.
Наивысшая температура воды в северном полушарии, как правило, приходится на август, наинизшая — на февраль, т. е. на один месяц позже по сравнению с температурой воздуха. Сказывается тепловая инерция воды, связанная с большой ее теплоемкостью. В мелководных морях время максимумов и минимумов температуры воздуха и воды совпадает (например, в Азовском море). Сезонные колебания захватывают лишь верхние слои воды, постепенно затухая от поверхности вглубь на несколько десятков метров, и лишь в немногих районах эти колебания распространяются до 300-400 м.
Сезонные колебания температуры в морях гораздо значительнее и возрастают по мере удаления от океана. Так, в Средиземном море разность летней и зимней температуры 12-13°С, в Черном море — 18-20, в Азовском — 25-28°С.
Суточные колебания температуры, вызываемые суточными колебаниями составляющих теплового баланса, наблюдаются лишь в самом верхнем слое воды и редко превышают 1-2°С в тропиках, а в полярных районах еще меньше.
Наивысшая средняя годовая температура воды в поверхностном слое Мирового океана около 30° С, наинизшая — минус 2° С (во льдах).