Рассеянная в атмосфере, погребенная в земной коре либо составляющая собственно гидросферу вода играет исключительную роль в функционировании всей географической оболочки как динамической системе, находящейся в непрерывном движении.
Круговорот воды - это непрерывный процесс циркуляции влаги, охватывающий атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу. Он происходит по условной схеме: выпадение атмосферных осадков, поверхностный и подземный сток, инфильтрация, испарение, перенос водяного пара в атмосфере, его конденсация, повторное выпадение атмосферных осадков. Движущей силой глобального круговорота воды служит солнечная энергия, вызывающая испарение с поверхности океанов и суши. Основной источник поступления влаги в атмосферу (85%) - поверхность Мирового океана, а с поверхности суши поступает около 14%. В процессе круговорота вода может переходить из одного агрегатного состояния в другое. Выделяют круговороты воды в атмосфере, между атмосферой и поверхностью Земли, между земной поверхностью и недрами литосферы, внутри недр литосферы, в гидросфере.
Вот как описывает круговорот воды в природе С.Калесник: «Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение атмосферных осадков на поверхности океана образуют малый круговорот. Но когда водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот воды становится сложнее. Часть осадков, выпавших на поверхность суши, испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая часть наземными и подземными путями стекает в понижения рельефа и питает реки и стоячие водоемы. Процесс испарения воды и выпадение осадков на сушу может повторяться многократно, но, в конце концов, влага, принесенная на сушу воздушными течениями с океана, вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая свой большой круговорот».
Круговорот воды не замыкается только на Земле. Молекулы водяного пара, поднятые в высокие слои атмосферы, подвергаясь фотодиссоциации под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, распадаются на атомы кислорода и водорода. Вследствие высоких температур в термосфере скорость частиц водорода превышает космическую, и он уходит из атмосферы в межпланетное пространство - pppa.ru. Очевидно, что ускользание одного атома водорода означает для Земли потерю одной молекулы воды. В свою очередь, и Космос снабжает Землю водой, которая содержится в метеоритном веществе и ледяных кометах. По некоторым оценкам, этим путем за сутки на Землю поступает около 80 м3 влаги, т.е. 25 - 30 тыс. т ежегодно.
В природном круговороте воды можно выделить три основных звена: материковое, океаническое и атмосферное.
Материковое звено круговорота воды
Попадая на поверхность суши в виде атмосферных осадков, вода либо просачивается в почву (инфильтрация), либо стекает по поверхности, формируя поверхностный и речной сток, и затем поступает в озера, моря и океаны.
Мировой объем круговорота воды за день, км3
Часть воды испаряется, причем испарение происходит как непосредственно с поверхности почвы, водоемов и надземных органов растений, так и из почвы, коры выветривания и горных пород после подъема по капиллярам к поверхности. Часть просочившейся в почву влаги перемещается в виде внутрипочвенного стока, а также грунтовых и подземных вод. Грунтовые и подземные воды иногда выходят на земную поверхность на склонах, в местах выклинивания водоносных горизонтов, а также в руслах рек. Часть подземных вод пополняет водные запасы глубоких подземных горизонтов и тем самым надолго выходит из активного водообмена.
Специфический элемент континентального звена круговорота воды составляют ледники. Масса ледников на Земле в течение геологической истории испытывала большие колебания. Несколько раз на планете происходили крупные материковые оледенения, когда огромные массы воды изымались из океана и сосредотачивались в виде ледниковых покровов на суше (в основном в околополярных областях). В такие периоды уровень Мирового океанам снижался на 100 м и более. Напротив, в межледниковые эпохи; ледники исчезали почти полностью, что приводило к повышению; уровня океана.
Океаническое звено круговорота воды
Океан нагревается главным образом сверху за счет поглощения солнечной радиации и теплового противоизлучения атмосферы. Геотермический поток, идущий к океаническому дну из земных недр, невелик и не оказывает значительного влияния на тепловой режим океана, кроме его самой глубоководной зоны. Нагревание воды океана сверху сообщает ей гидростатическую устойчивость (нагревающиеся верхние слои имеют меньшую плотность, чем нижележащие более холодные), вследствие чего вертикальные движения в океане выражены слабее, чем в атмосфере. Этому способствует и более высокая плотность воды по сравнению с воздухом.
Совокупность перемещений воды в океане складывается из движений и круговоротов различных пространственных и временных масштабов. Периоды движений колеблются от нескольких секунд до сотен лет, а пространственные (горизонтальные и вертикальные) масштабы - от нескольких миллиметров до тысяч километров. Помимо морских течений, составляющих общую циркуляцию океаносферы, в океаническом звене участвуют также турбулентные явления, поверхностные и внутренние волны, приливные явления (колебания уровня и приливо-отливные течения), меандры и вихри, явления апвеллинга и даунвеллинга, переносящие энергию воды в горизонтальном и вертикальном направлениях.
В соответствии с зональным распределением солнечной энергии по поверхности планеты, в океане и атмосфере создаются генетически взаимосвязанные циркуляционные системы, образованные однотипными водными и воздушными массами. Важнейшим механическим фактором возникновения океанической циркуляции является ветровое трение о поверхность воды, благодаря чему океан получает механическую энергию от атмосферы. Ветер вызывает дрейфовые течения, которые обусловливают сгон воды в одних районах и нагон в других, в результате чего возникают градиентные течения.
Образованию течений способствуют также термохалинные факторы: получение и отдача теплоты, атмосферные осадки, испарение, приток воды с материков влияют на температуру и соленость воды, а тем самым на ее плотность. Более плотные слои опускаются, что приводит к вертикальному перемешиванию, а затем и к горизонтальному переносу (адвекции).
дной из характерных особенностей циркуляции поверхностных вод Мирового океана является система круговоротов отдельных элементов. Из рисунка видно, что морские течения образуют в каждом океане циркуляционные системы. Исключение составляет Антарктическое циркумполярное течение (течение Западных Ветров, или Великий Восточный дрейф), образующее непрерывный ток воды вокруг земного шара в средних широтах Южного полушария, у которого нет аналога в Северном полушарии.
Поверхностные течения Мирового океана: центральный круговорот северной части Тихого океана: 1 - Куросио; 2 - Северо-Тихоокеанское; 3 - Калифорнийское; 4 - Северное Пассатное; центральный круговорот южной части Тихого океана: 5 - Восточно-Австралийское; 6 - Западных Ветров (часть Антарктического циркумполярного течения); 7 - Гумбольдта (Перуанское); 8 - Южное Пассатное; центральный круговорот Северной Атлантики: 9 - Гольфстрим; 10 - Северо-Атлантическое; 11 - Канарское; 12 - Северное Пассатное; центральный круговорот Южной Атлантики: 13 - Бразильское; 14 - Западных Ветров (часть Антарктического циркумполярного течения); 15 - Бенгельское; 16- Южное Пассатное; центральный круговорот Индийского океана: 17 - Мыса Игольного; 18 - Западных Ветров (часть Антарктического циркумполярного течения); 19 - Западно-Австралийское; 20 - Южное Пассатное; субарктический круговорот северной части Тихого океана: 21 - Аляскинское; 22 - Аляскинский поток; 23 - Склоновое течение Берингова моря; 24 - Камчатское; 25 - Ойясио; субтропический круговорот Северной Атлантики: 26 - Ирмингера; 27 - Восточно-Гренландское; 28 - Лабрадорское; другие элементы циркуляции: 29 - Межпассатное противотечение; 30 - Сомалийское течение.
Циркуляция поверхностных вод почти полностью повторяет сложившиеся в том или ином районе Мирового океана главные системы ветров, однако объяснять циркуляцию океана только процессами в атмосфере нельзя, поскольку существуют и другие источники, в том числе внеземного происхождения (Луна, Солнце).
Если рассчитать прибыль и убыль воды, обусловленные поверхностными течениями, то обнаружится дисбаланс: в одних районах воды поступает больше, чем убывает, в других - наоборот. Ответ следует искать в вертикальном обмене, который связывает поверхностные течения с глубинными. На глубине система течений отличается от поверхностной и во многих случаях наблюдаются глубинные противотечения, направленные в сторону, противоположную распространению поверхностных вод. Например, течение Кромвелла в Тихом океане на глубине 100-400 м движется с запада на восток под поверхностным Южным Пассатным течением, течение Ломоносова в Атлантическом океане также проходит под Южным Пассатным течением с запада на восток. Однако и в поверхностных системах формируются поверхностные противотечения, разграничивающие потоки одного направления (например, Межпассатные противотечения Тихого и Атлантического океанов).
В конкретные моменты времени поля течений, составляющие океаническое звено, будут отличаться от средней картины. Подобно рекам, они могут причудливо изменять направления (меандрировать) или образовывать завихрения, подобно воздушным или русловым потокам.
Океан обладает большой тепловой и динамической инерцией и его реакция на воздействие атмосферы запаздывает. Океан является своего рода «запоминающим устройством», хранящим «отпечатки» атмосферы за некоторый предшествующий период.
Атмосферное звено круговорота воды
Содержание воды в атмосфере невелико: при выпадении на земную поверхность всей воды, находящейся в атмосфере, образовался бы слой в 25 м. Однако скорость влагооборота в атмосфере выше: за год влага сменяется примерно 45 раз (в среднем 1 раз за 8 дней). В результате на земную поверхность за год выпадает в среднем слой атмосферных осадков, равный 1,1 м.
Влага в атмосферу поступает за счет испарения. Ежегодно с земной поверхности испаряется 577·1012 м3 воды, причем 505·1012 м3 из них - с поверхности океана. На испарение затрачивается 80% радиационного бюджета. Столько же энергии выделяется при конденсации влаги в атмосфере на уровне облаков, причем водяной пар, перемещаясь на сотни и тысячи километров, переносит и большое количество тепла. Выделение в атмосферу скрытого тепла парообразования при конденсации - важнейший энергетический источник атмосферных процессов. Вот почему водяной пар называют «основным топливом атмосферы».
Обмен воздухом, содержащим влагу, между экватором и полюсами достигается в основном за счет горизонтального переноса воздушных масс. Вертикальные движения при этом не исключены, но скорость их намного меньше скорости горизонтальных.
Хозяйственное звено круговорота воды
Мнение о неограниченных запасах пресной воды на Земле основательно пересмотрено. Главными потребителями воды (обычно пресной) являются сельское хозяйство, промышленность и население. В сельском хозяйстве наибольшее (свыше 2·1012 м3) количество воды расходуется на орошение, причем 80% ее безвозвратно покидает речную сеть в составе химических соединений или при испарении. Суммарный водозабор на промышленные нужды составляет 0,7·1012 м3/год, из них 5-10% изымаются безвозвратно для обеспечения технологических процессов. На нужды населения используется около 0,2·1012 м3/год, причем шестая часть воды не возвращается в речную сеть - pppa.ru. Следует учитывать, что сточные воды практически для любого обезвреживания необходимо разбавлять чистыми, на что в настоящее время расходуется примерно 40% всех мировых ресурсов качественной воды.
По отношению к речному стоку названные объемы невелики. Однако в наиболее густонаселенных районах Передней и Средней Азии, Африки, в некоторых промышленных регионах России уже существует ощутимый дефицит водных ресурсов, который даже увеличивается. Чтобы его восполнить, прибегают к искусственному территориальному перераспределению стока и мелиорации, что в свою очередь не только создает многочисленные экологические проблемы, но и экономически не всегда оправдано.