Тема: „Круговорот води в природі”
Лекція №3.
Тема: „Круговорот води в природі”
План.
1. Механізм та основні рушійні сили круговороту.
2. Ланки круговороту.
3. Круговорот речовин, що містяться у воді.
4. Вода в атмосфері.
Тема для самостійного вивчення та осмислення: « Вплив гідрологічних процесів на природні умови».
1. Механізм та основні рушійні сили круговороту.
Рідка вода, що з'явилася на Землі, викликала таке важливе явище, як круговорот води, коли під впливом сонячного тепла вона нагрівається і випаровується з поверхні водоймищ. Пари води, що переносяться повітряними течіями, потім конденсуються і проливаються у вигляді дощу і снігу на сушу і поверхню водоймищ.
Круговорот - постійний обмін вологою між гідросферою, атмосферою і земною поверхнею, що складається з процесів випаровування, переносу і конденсації водяної пари в атмосфері, опадів і стоку.
Круговорот — це природний процес відтворення прісної води, природна фабрика дистиляції. Випадаючи на суші, прісна вода стікає по схилах під дією сили тяжіння, утворює водні потоки і прісні водоймища, фільтрується в ґрунт, живлячи підземні води. При цьому разом з вітром, Сонцем і живими організмами вона бере участь в руйнуванні гірських порід суші, тобто в її ерозії. Частину продуктів ерозії вода розчиняє і по мірі руху по поверхні, а також просочування в товщу земної кори насичується розчинами речовин. Проте річкова вода не встигає сильно збагатитися ними, оскільки швидко досягає океану або якого-небудь іншого кінцевого водоймища.
В результаті круговороту води гідросфера стала планетарною транспортною системою, яка переміщує продукти ерозії з вищих на нижчі рівні, наприклад від вершин до підніжжя схилів, а зрештою з суші в океан і інші водоймища. Разом з нерозчинними продуктами ерозії вода переносить розчинені речовини і органіку.
Гідросфера служить також планетарним акумулятором неорганічної і органічної речовини, яка приноситься в океан і інші водоймища річками, атмосферними потоками, а також утворюється в самих водоймищах. З транспортною і акумулюючою роллю гідросфери пов'язано вміст в ній у вигляді розчинів у формі катіонів (позитивно заряджених) і аніонів (негативно заряджених) різноманітних речовин і елементів, а також накопичення в донних відкладеннях нерозчинних речовин.
У водоймищах, як первинних, так і сучасних, через різний нагрів води по акваторії, змін солоності і щільності, дії атмосферних явищ і приливних сил Місяця і Сонця виникають рухи частинок води, які виражаються в утворенні поверхневих і внутрішніх хвиль різної довжини і амплітуди, формуванні поверхневих і глибинних течій, підйомів і опускань водних мас, розшаруванні товщі води, а також у виникненні динамічних структур типу вихорів. Гідросфера, таким чином, виявляється виключно рухомим середовищем з широким спектром швидкостей руху частинок: від десятих міліметра до десятків метрів в секунду. Найбільш динамічна гідросфера на межі з атмосферою, а з глибиною швидкості руху частинок води падають. Тому верхній шар води в океані завтовшки до 100 м часто називають шаром перемішування.
У круговороті води на земному шарі проявляється єдність природних вод Землі та їх зв’язок з атмосферою, літосферою, біосферою. Надзвичайно важлива властивість круговороту води полягає в тому, що він, взаємодіючи з літосферою, атмосферою і біосферою, зв'язує воєдино всі частини гідросфери: океан, річки, ґрунтову вологу, підземні води, атмосферну воду.
Рушійні сили круговороту води – сонячна (теплова) енергія і сила тяжіння.
Під впливом тепла відбуваються випаровування, конденсація водяної пари і інші процеси, а під впливом сили тяжіння - падіння крапель дощу, течія річок, рух ґрунтових і підземних вод. Часто ці дві причини діють спільно: наприклад, на атмосферну циркуляцію впливають як теплові процеси, так і сила тяжіння.
Сонячна енергія – це причина нагрівання і подальшого випаровування води. Нерівномірний розподіл по Землі сонячної енергії призводить до нерівномірного розподілу атмосферного тиску, викликає повітряні потоки – вітри, що переносять вологу – водяну пару, і створює вітрові течії у океані.
Сила тяжіння – змушує сконденсовану в атмосфері при сприятливих умовах вологу випадати у вигляді атмосферних опадів, а також всі поверхневі та підземні води стікати спочатку до дренуючих місцевість річок, а потім у океан. Природно, що стікання води під дією сили тяжіння пояснюється уклоном поверхні Землі і шарів у земній корі, що створюється тектонічними і геоморфологічними процесами.
У круговороті води на земному шарі проявляються закономірності збереження речовини і водного балансу.
Рівняння водного балансу для водного об’єкту або замкненого контуру суші:
X + Y1 + W1 + Z1 = Y2 + W2 + Z2 ± ∆U,
де X – атмосферні опади на поверхню об’єкту,
Y1 – поверхневий притік води,
W1 – підземний притік,
Z1 – конденсація водяної пари,
Y2 – поверхневий відтік води за межі об’єкту,
W2 – підземний відтік води за межі об’єкту,
Z2 – випаровування,
∆U – зміни кількості води у межах об’єкту.
Найбільшу точність мають дані про атмосферні опади на території суші, про річковий стік, що підтверджені прямими спостереженнями. Найменшу точність мають дані про випаровування та опади у Світовому океані.
2. Ланки круговороту.
У глобальному круговороті води виділяють дві ланки:
- океанічну ланку, що являє собою багаторазово повторюваний цикл: випаровування з поверхні океану – перенос водяної пари над океаном – опади на поверхню океану – океанічні течії – випаровування і т. д.;
- материкову ланку, що являє собою багаторазово повторюваний цикл: випаровування з поверхні суші – перенос водяної пари – опади на поверхню суші – поверхневий і підземний стік – випаровування і т. д.
Обидві ці ланки пов’язані між собою переносом водяної пари з океану на сушу і, навпаки, поверхневим і підземним стоком з суші у океан.
Мал.
З океану щорічно випаровується в середньому 505 тис. км³, повертається у океан у вигляді атмосферних опадів 458 тис. км³. Випаровується з океану, таким чином, більше, ніж повертається із опадами. Різниця у 47 тис. км³ складають води, що переносяться з океану на сушу у вигляді водяної пари. Таким чином, в океанічну ланку круговороту води на Землі залучено 458 тис. км³ води за рік.
На поверхню суші щорічно випадає в середньому 119 тис. км³ атмосферних опадів. Вони складаються з води, що випарувалася з поверхні суші (72 тис. км³), і вологи, принесеної з океану (47 тис. км³). Таким чином, у материковій ланці круговороту води на Землі приймає участь приблизно 72 тис. км³ води. 42% від цієї кількості води припадає на транспірацію рослинним покривом.
Водообмін між сушею і океаном складає, як вже зазначалося, 47 тис. км³ води на рік. Волога, що переноситься з океану, повертається у нього з рівним за величиною материковим стоком. Материковий стік(47 тис. км³ води на рік) складається із поверхневого стоку (44,7 тис. км³) і підземного, не дренованого річками (2,2 тис. км³). Поверхневий стік, у свою чергу, включає водний стік річок, що впадають у океан (41,7 тис. км³), та льодовиковий стік (3 тис. км³). Льодовиковий стік являє собою розгрузку покривних льодовиків у вигляді відокремлених від них айсбергів і надходження безпосередньо у океан талої води. Найбільшу частину льодовикового стоку дає Антарктида (2,3 тис. км³ на рік).
При дослідженні гідрологічних процесів на суші дуже важливо враховувати, що суша поділяється на дві частини – області зовнішнього стоку, звідки атмосферні опади так чи інакше поступають у Світовий океан, і області внутрішнього стоку (безстічні області), які не дають стоку у Світовий океан. На частку областей зовнішнього стоку припадає 80% площі суші, на частку областей внутрішнього стоку (безстічних) – 20%.
Головний вододіл земної кулі ділить всю сушу на два схили:
- зі стоком річок в Атлантичний та Північний Льодовитий океани (60% площі суші);
- зі стоком річок в Тихий та Індійський океани (40%).
До басейну Північного Льодовитого океану належить 15% всієї площі суші, Атлантичного – 34%, Тихого – 17%, Індійського - 14%.
До найбільших областей внутрішнього стоку (безстічних) відносяться:
- у Європі – водозбірний басейн Каспійського моря;
- в Азії – Туранська низовина, що включає водозбірні басейни Аральського моря і оз. Балхаш, пустелі Валашань, Гобі, Такла-Макан, частина Аравійського п-ова та ін.;
- у Африці – пустелі Сахара, Лівійська, нубійська, Калахарі, водозбори озер Чад, Рудольф та ін.;
- у Північній Америці – пустеля Великого Басейну, включаючи район Великого Солоного озера;
- у Південній Америці – водозбори озер Тітікака – Поопо, напівпустельні плато Патагонії та ін.;
- в Австралії – західна та центральна частини материка (більш, ніж 50% всієї площі).
У областях зовнішнього стоку щорічно випадає 110 тис. км³ опадів, а випаровується 63 тис. км³. Різниця (47 тис. км³) і складає материковий стік у океан. У безстічний областях випадає приблизно 9 тис. км³ опадів на рік і весь цей об’єм води в кінці кінців випаровується.
Опади на будь-якій ділянці суші складаються із «зовнішніх» опадів, які сконденсувалися з водяної пари, що прийшли із зовні, і «внутрішніх» (або місцевих опадів), які сконденсувалися із вологи, що випарувалася з поверхні даної конкретної ділянки суші. Цей складний багаторазово повторюваний процес називається внутрішньоматериковим вологообміном.
Мал.
3.Круговорот речовин, що містяться у воді.
Найбільш розповсюдженими речовинами, які містяться у воді і приймають участь разом з нею у її глобальному круговороті є розчинені у воді солі, звішені частки і гази. Крім водного, ці речовини мають і інші способи переносу. Але розглянемо саме водний.
З поверхні океану в атмосферу під час викидів хвилями та фізичного випаровування щорічно виноситься в середньому 5 млрд. тон солей, а повертається у океан з атмосферними опадами та пилом 4,5 млрд. тон. Отже, різниця 0,5 млрд. тон – це солі, які переносяться у атмосфері з океану на сушу. Значно більше солей надходить у океан з суші. Ця цифра складає 4,53 млрд. тон солей, що поступають з річковими, льодовиковими та підземними водами. Основним джерелом цих солей служить процес розчинення гірських порід поверхневими та підземними водами.
Розрахунки переносу солей на земній кулі проводився з урахуванням їх середньої концентрації. Наприклад, у атмосферних опадах та льодовикових водах міститься 8-10 мг/л солей, в річкових та підземних водах – 75 та 545 мг/л.
Отже, на земній кулі відбувається направлений процес виносу солей із суші у Світовий океан і складає приблизно 4 млрд. тон на рік (4,53-0,5) ( за В. Степановим).
Загальна кількість солей, розчинених у водах Світового океану дорівнює близько 46,5*1015 тон. При об’ємі вод в океані 1338 млн. км³ це дає середню солоність близько 35‰. У обміні солями океану із сушею та атмосферою приймає участь не більше, ніж 4 млрд. т/рік, що складає всього близько однієї десятимільйонної частки загального запасу солей в океані. Тому якимось чином вливати на зміни запасу солей в океані та на його солоність фактично неможливо, тим паче, що велика кількість солей випадає на дно.
Звернемо увагу на круговорот наносів. Наноси – це тверді частинки, які містяться в водних об’єктах, поступають у воду в результаті ерозії земної поверхні та вимивання з ґрунту і переносяться водою у звішеному стані. У Світовому океані постійно знаходиться приблизно 1370 млрд. тон звішених часток. Це наноси, які поступають з річками, але ще не встигли осісти, продукти розмиву берегів і каламучення хвилями ґрунтів дна в прибережній зоні, звішені частинки органічного походження.
Серед газів, що приймають участь у круговороті речовин в природі, найбільше значення мають кисень О2 та диоксид водню СО2. Баланс цих газів в природних водах визначається відношенням процесів продуціювання кисню (та поглинання СО2 ) під час фотосинтезу; поглинання кисню ( та виділення вуглекислого газу) під час окислення органічної речовини, дихання організмів.
В атмосфері міститься 1184*1012 т кисню, в океані його 7,5*1012 т, тобто майже в 160 разів менше.
Кисень у океан потрапляє перш за все у процесі фотосинтезу фітопланктоном, а також з дощовими та річковими водами та під час поглинання із атмосфери.
4. Вода в атмосфері.
Всього в кожний даний момент у атмосфері міститься в перекладі на рідину 13,8
тис. км³ пароподібної води. Якщо її розподілити рівномірно по поверхні нашої планети, то вона утворить шар товщиною всього 27 мм, у той час, коли вода океану утворить при тих же умовах шар товщиною 3 млн. мм, що в 111 000 разів більше за потужністю.
В залежності від коливання температури на одній і тій же широті вологість повітря може бути різною. Найбільша вологість спостерігається біля екватора, зменшуючись поступово до полюсів. Дещо підвищена вологість повітря над теплими течіями (Мозамбікським, Бразильським), а також над Чорним та Середземним морями.
У атмосферу вода поступає головним чином з поверхні океанів, морів та листя дерев, а також з ґрунту шляхом випаровування. З океанів за рік випаровується шар води в середньому 1,5 м, а з материків тільки 0,24 м, тобто в 6 разів менше. Всього з поверхні планети випаровується за рік 520 тис. км³ води. Така ж кількість випадає у вигляді опадів. Цей об’єм води можна порівняти з об’ємом води Чорного моря, середня глибина якого становить 1,2 км (найбільша 2,2 км).
Таким чином, в атмосфері Землі відбувається круговорот води протягом року, що дорівнює по своїй масі 5,2*1014 т. Пригадаємо, що 1 г води, випаровуючись, поглинає 580 кал тепла, і цю енергію вона виносить з собою в атмосферу. Зміна вологи, що міститься у атмосфері, відбувається 40 разів на рік, тобто через кожні 9 діб.
Для того, щоб повернутися знову на земну поверхню, виділивши свою потенційну енергію, парам води атмосфери необхідно перш за все сконденсуватися до крапель рідкої води або перетворитися у найдрібніші кришталики льоду, утворити хмари, тумани та випасти у вигляді дощу, снігу, граду, роси та ін. Для цього парам води атмосфери необхідні дві умови, перша з яких обов’язкова, а друга-бажана.
Обов’язково, щоб температура знизилася до необхідної для повного насичення повітря парами води, і бажано, щоб у повітрі містилися центри конденсації цих парів до крапельно-рідкого стану або до найдрібніших кришталиків льоду. Зазвичай атмосфера Землі, особливо у межах тропосфери (прилегла до земної поверхні оболонка, «нижня» оболонка, висота якої змінюється від 8-10 км у полярних широтах до 16-18 км біля екватора. У тропосфері зосереджено 80% атмосфери і весь водяний пар.), містить достатню кількість пилуватих частинок неорганічного та органічного походження, що сприяють конденсації.
Крім водяної пари у тропосфері, головним чином не вище 5 км, можуть знаходитися хмари, що складаються із найдрібніших краплинок води (водяні), чи льоду (льодяні), а можуть бути змішаними. Водяні хмари складаються із крапель діаметром від 4 до 140 мкм. Швидкість падіння крапель коливається від 1 до 200см/сек. Найбільш різноманітні та крупні краплини мають дощові хмари.
Розміри крапель за Гемфрісом (у мм):
Сухий туман – 0,01
Імла (туманна погода з дрібним дощем) – 0,1
Мряка – 0,2
Слабкий дощ – 0,5
Помірний дощ – 1,0
Сильний дощ – 1,5
Злива – 2,1-3,0
Кількість опадів, що випадають протягом року в різних місцях земної кулі досить різноманітна: від повної їх відсутності (Ла-Жойя, Перу) до 23 м/рік (Черапунджі, Індія, висота 1250 м над рівнем моря).
Самим дощовим районом світу вважається південь Чилі: з 365 днів року на дощові приходиться 325. Дивно, але на самій північній точці Тихоокеанського узбережжя цієї ж країни, у місті Аріка, на рік випадає в середньому 0,8 мм опадів.
Взимку у північній та південній півкулях, у більш високих, ніж 40º, широтах замість дощу йде сніг. Сніг утворюється від конденсації водяної пари безпосередньо в кришталики льоду химерної, складної та різноманітної форми. Основою яких є шестипроменева зірка та окремі складові кришталики. Інколи при температурі близькій до 0º, випадають кришталики голчастої форми. При низьких температурах утворюються кристали пластинчатої та іноді стовбчастої форми. При температурах нижче мінус 20º сніг не випадає майже ніколи через нестачу водяної пари в атмосфері.
Один із видів твердих атмосферних опадів, що утворюються в морозні дні при туманній погоді або під час сильних морозів, - наморозь. Наморозь осідає головним чином на вертикальних предметах: на гілках дерев, на телефонних стовпах і т. д.
Іншою різновидністю твердих атмосферних опадів, що випадають на земну поверхню у вигляді шматків льоду, є град, розміром від дрібної горошини до сферичних утворень діаметром до 14 см і масою до 600 г ( і навіть до 1 кг * у Казахстані випала градина вагою 1,9 кг). Структура градин звичайно являє собою ядро з низкою шарів, що обволікають його.
Град випадає в основному у середніх широтах, в тропіках тільки на високих плоскогір’ях. У полярних країнах град невідомий. Він пов'язаний головним чином з грозовими хмарами.
Існують ще так звані конденсаційні опади – добре відома всім роса, яка утворюється на поверхні ґрунту, рослин, будівель і т. д. при цілковито ясному, безхмарному небі. Особливо велика роса в умовах континентального клімату (із жаркими днями і холодними ночами), коли денне тепле або жарке повітря, що містить багато вологи, з настанням ночі сильно охолоджується і наступає його перенасичення вологою, яке випадає у формі роси.
На Канарських островах, де зовсім немає прісних джерел водопостачання, жителі збирають росу з листя дерев. На о. Брава в архіпелазі Зеленого мису (Атлантичний океан, на захід від Африки) місцеве населення з листя лілії збирає кожного дня до 200 л роси. Там же стовбури дерев обкладають камінням, у пористій кучі яких конденсуються водяні пари, і таким чином живлять кореневу систему дерева прісною водою.
Для того, щоб суттєво уявити кількість пароподібної води у атмосфері, виявимо, що відбувається з водою (опадами), після випадіння на земну поверхню:
1) частково стікає по уклінним площинам поверхні у водойми і водотоки, а в кінцевому результаті в Світовий океан;
2) частково випаровується знову в атмосферу;
3) частково просочується у ґрунт і живить підземні води, звідки вона в деякому об’ємі знову потрапляє в Світовий океан.
А зараз розглянемо поняття стоку. На площі басейну будь-якої річки з усіма притоками, встановивши водомірний пост поблизу місця впадіння річки (припустимо, у море), ми зможемо визначити скільки води стекло з поверхні і частково підземним шляхом.
Встановивши ряд дощомірів в різних точках нашого басейну, ми зможемо дізнатися, скільки води випало із атмосфери на цю площу у формі дощу та снігу (для більш точних розрахунків вимірюється також об’єм росяних вод), а за допомогою відповідних приладів – величину сумарного випаровування (з ґрунту, з відкритих водних поверхонь та з рослин).
Сума стоку води біля замикаючого створу в нижній течії річки і величина випаровування дадуть річну цифру опадів басейна.
Вода в атмосфері поряд з іншими факторами виконує крупну енергетичну задачу, здійснюючи тепло - та масоперенос із одних широт в інші, зокрема з допомогою циклонів. Циклони та антициклони сприяють перерозподілу сонячної енергії на нашій планеті, і якби їх не існувало, у тропіках тривала б нестерпна спека, а у високих широтах – нестерпний холод.
Крім буревіїв, ураганів, циклонів та антициклонів перенос повітряних мас в атмосфері відбувається і більш спокійно. В якості одного з прикладів наведемо бриз. Це береговий вітер, який вдень дує з моря, а вночі з суші, проникаючи інколи на значні відстані (до 40 км) вглиб суші. Якщо море знаходиться під впливом холодних течій, то бриз над сушею поглинає водяні пари і тим самим висушує берегову смугу. Бризи захоплюють стовп повітря до 0,5 км. Вище вітер дує у зворотному напрямку.
Для при екваторіальних зон велике значення у відношенні переносу вологи в атмосфері мають постійні вітри: на північ від екватора до 30º пн. ш. – північно-східні, а на південь від екватора також до 30º пд. ш. – південно-східні, які носять назву пасатів. Їх швидкість приблизно 4-8 м/сек. Постійність пасатів підтримується тільки в межах океанів.
Під час зустрічі з континентами ця постійність порушується, і вітри періодично змінюють свій напрямок: влітку вони дують з океану, а взимку з суші. Ці вітри носять назву мусонів. Літні мусони характеризуються великою абсолютною та відносною вологістю, хмарністю, опадами, так як збагачуються вологою з моря. Зимові мусони мають зворотну характеристику.
Пасати характерні для Тихого, Атлантичного та південної частини Індійського океану, мусони – для північної частини Індійського океану.
І залишається сказати кілька слів про хімічний склад вод атмосфери. Перш за все, у атмосферній воді розчиняються гази, які містяться в атмосфері: азот, кисень, вуглекислий газ та ін. Крім цього, при випаровуванні мінералізованої води, такої, як океанічна, разом із парами води випаровуються і компоненти, що знаходяться у розчині, головним чином хлор і натрій.
Разом з тим з поверхні континентів в атмосферу під дією вітру поступає значна кількість мінерального пилу гірських порід, а також пилу органічного походження (рослинний пилок, спори і т. д.).
