ЛЕКЦИЯ 2
ГИДРОСФЕРА, ЕЕ ВОДЫ И РЕЗЕРВУАРНАЯ МОДЕЛЬ
Часть А Понятие о гидросфере и ее резервуарной модели
Часть Б Общие сведения о водах гидросферы (воды Мирового океана, криосферы, влага атмосферы)
Часть А Понятие о гидросфере и ее резервуарной модели
Понятие о гидросфере
Гидросфера – с латинского – водная оболочка. Впервые понятие гидросферы было введено в научную литературу Э. Зюссом в 1875 году, который понимал под ней единую водную оболочку планеты, в основном состоящую из вод Мирового океана. В 1910 г более широкая трактовка представлена Дж. Мерреем, он включил в гидросферу воды рек и озер, атмосферы, криосферы и биосферы. Столь широкое толкование гидросферы не было безусловно принято исследователями. Различия между последующими определениями гидросферы касались, в основном, ее непрерывности, нижней и верхней границ ее распространения, возможности отнесения к ней химически и биологически связанных вод.
Наиболее физически обоснованным является определение : в широком смысле гидросфера – сплошная оболочка земного шара, простирающаяся вниз до верхней мантии, где в условиях высоких температур и давления наряду с разложением молекул воды непрерывно проходит их синтез, а вверх – примерно до высоты тропопаузы, выше которой молекулы воды подвергаются фотодиссипации (разложению). Можно привести более узкое определение: гидросфера – сплошная оболочка Земли, содержащая воду во всех трех агрегатных состояниях в пределах Мирового океана, криосферы, литосферы и атмосферы, принимающую непосредственное участие в планетарном круговороте влаги (гидрологическом цикле (ГЦ)).
В общем смысле ГЦ представляет собой непрерывный процесс циркуляции и перераспределения всех видов природных вод между отдельными частями гидросферы, устанавливающий определенные соотношения между ними при различных масштабах осреднения. ГЦ обеспечивает взаимосвязь и единство гидросферы.
Гидросфера и ГЦ – единая саморегулирующаяся система, состоящая из четырех резервуаров: океан, криосфера (оболочка Земли, содержащая воду в твердой фазе), литосфера (поверхностные и подземные воды суши) и атмосфера.
Резервуарная модель гидросферы Земли
Все четыре резервуара гидросферы (океан, материки, криосфера и атмосфера) взаимосвязаны посредством непрерывного процесса циркуляции и перераспределения природных вод (Рисунок 1).
 |
PAC (2,5) PAL (113,5)
ELA (69,0)
|
|
 |
I (2,5) R (44,5)
Рисунок 1 - Резервуарная модель гидросферы Земли
Стрелками показаны потоки влаги между резервуарами. Р (precipitation) – осадки, E (evaporation) – испарение, R (run off) – материковый сток, I (ice) – айсберговый сток, а цифры - их объем в 103 км3/год и доля от общих запасов вод на Земле в %. Самый большой резервуар – Мировой океан, самый малый – атмосфера, но атмосферная влага, как будет показано, чрезвычайно важна для ГЦ.
Общие запасы воды на Земле (ОЗВ) составляют 1386*10 6 км 3. ОЗВ (суммарный объем всех четырех резервуаров) в течение периода времени, измеряемого геологическими эпохами, практически не изменяются, так как поступление воды из земных недр и космического пространства на поверхность Земли очень мало и практически компенсируется безвозвратной потерей воды вследствие фотодиссипации водяного пара в верхних слоях атмосферы. Следовательно, гидросфера – квазизамкнутая система, для которой:
Vo + Vc + Vl + Va = const
Здесь Vo, Vc, Vl , Va – суммарные запасы воды в Мировом океане, криосфере, материках и атмосфере соответственно.
Не смотря на замкнутость системы, в ней постоянно происходит перераспределение вод между резервуарами, приводящее к изменению запасов вод в каждом отдельном резервуаре во времени.
Часть Б Общие сведения о водах гидросферы
Воды Мирового океана
Площадь поверхности Земли составляет 510 млн км2. Мировой океан (МО) занимает 71% поверхности Земли, суша – 29%. Еще в 1914 г. Дж. Грегори в своей работе «Образование Земли» писал, что фундаментальная разница между Северным и Южным полушариями есть наиболее бросающаяся в глаза «черта в плане Земли». И действительно, прежде всего сама фигура Земли асимметрична, причем северная полуось на 70-100 м длиннее южной, поэтому полярное сжатие Северного полушария меньше, чем Южного. Асимметричность Северного и Южного полушарий заключается в том, что суша в Северном полушарии составляет 39 % , а в Южном - 19 %. Неравномерность распределения воды и суши влияет на многие планетарные процессы, влечет за собой асимметричность в распределении компонентов географической оболочки и, следовательно, и биосферы.
Дж. Грегори заметил, что в 19 из 20 случаев напротив суши на противоположной стороне Земли – вода. Воды много! Наша планета, голубая из космоса (из-за воды), должна было бы быть названа планета Вода. Однако, при средней глубине МО 3704 м и диаметре Земли 12 756 км ее слой составляет всего 0,03 % от диаметра Земли. (Наглядный пример: диаметр футбольного мяча 222 мм, а 0,03 % от него составляет всего 0,07 мм – пленка!)
Воды Мирового океана образуют непрерывное водное пространство, со всех сторон окружающее разобщенные им материки. Понятие Мировой океан ввел . В 1928 г Международное гидрографическое бюро приняло деление МО по ряду признаков на четыре океана: Атлантический, Индийский, Тихий и Северный Ледовитый. Второй Международный океанографический конгресс счел возможным выделить пятый океан – Южный.
Самую значительную площадь, составляющую почти половину всей площади МО и превышающую площадь всех материков и островов, имеет Тихий океан. Он же является и самым глубоким океаном. В 1957 г участники советской экспедиции на научно-исследовательском судне “Витязь” измерили наибольшую глубину ТО в Марианском желобе – 11 022 м.
Самым малым является Северный Ледовитый океан, площадь которого в 12 раз меньше площади ТО. СЛО – единственный океан, находящийся полностью в полярной области, и имеющий в связи с этим специфический гидрологический режим.
Доля небольших глубин (до 500 м) составляет только 9,6% всей акватории МО, причем на долю шельфа (глубины до 150 – 200 м) приходится менее 7 % . На 73,8 % площади МО преобладают глубины 3000 – 6000 м.
В каждом океане можно выделить моря – достаточно большие районы океана, ограниченные берегами материков, островами, повышениями дна и обладающие собственным гидрологическим режимом. Площадь морей составляет 10 % площади МО, а объем воды в них – около 3 % объема МО. Самое большое – Коралловое море, самое малое – Мраморное. Самое глубокое (по средней глубине) - море Сулавеси, а абсолютно наибольшую глубину имеет Коралловое море (10 038 м). Самое мелкое море – Азовское (средняя глубина 7 м, а максимальная – 13 м.
По своему расположению и физико-географическим условиям моря делятся на три основные группы: внутренние, окраинные и межоcтровные.
Воды криосферы
Ледниковые покровы
Самые большие запасы воды в твердой фазе на Земле содержатся в ледниках Антарктиды и Гренландии, называемых ледниковыми покровами. Это огромные сплошные массы материкового льда, нависающие над океаном. Средняя толщина ледяных щитов около 2 000 метров, в Гренландии она достигает 3000 м, а в Восточной Антарктиде – 4000 м.
Ледниковый покров Антарктиды (28 млн км3) делится на 2 части: Восточно-Антарктический (единый ледяной купол, 24,7 млн км3) и Западно-Антарктический (несколько куполов) ледяные щиты. Потоки льда от ледоразделов движутся к краю щита и образуют шельфовые ледники и айсберги. Средняя скорость движения льда у края составляет 100-400 м/год.
Гренландский ледяной щит содержит 2,7 млн км3 льда. Средняя скорость движения льда составляет около 20 м/год. Гренландский ледяной щит сформировал характерный рельеф ложа. Центральная часть острова под тяжестью льда опустилась ниже уровня моря (до -40 м). На юге ложе имеет абсолютные отметки до 1000 м.
Главное различие между двумя современными ледяными щитами состоит в том, что в Антарктиде поверхностная аккумуляция почти полностью компенсируется айсберговым стоком, в то время как на поверхности Гренландского щита существует область интенсивного таяния. Крупных шельфовых ледников в Гренландии нет, поэтому лед, подошедший к берегу, обрушивается в выводные ледники в виде айсбергов.
Горные ледники
Горные ледники по своему объему и площади составляют сравнительно небольшую часть криосферы. Часть ледников расположена на островах Арктики (запас воды 83 500 км3), а остальные представляют собой непосредственно горное обледенение (40 000 км3). Ледники встречаются на всех континентах, и высота их расположения зависит от широты местности. Наиболее распространены горные ледники в Азии: Гималаи, Тибет, Каракорум. В Северной Америке ледники есть на Аляске, в Южной Америке – на огненной Земле, в Европе - на Кавказе, в Альпах, в Африке – на Калиманджаро. На ледниках берут начало горные реки, имеющие своеобразный водный режим. Горные ледники чутко реагируют на изменение климата.
Морской лед
Морской лед – это лед, непосредственно образовавшийся при замерзании морской воды. В основном он распространен в Северном Ледовитом океане, в морях, относящихся к северным частям Атлантического и Тихого океанов и омывающих Антарктиду. Морские течения переносят лед на сотни и тысячи километров от места образования. Лед является продуктом взаимодействия океана и атмосферы и влияет на многие процессы в океане, а через альбедо – на тепловой баланс атмосферы.
Зона многолетнемерзлых пород (вечная мерзлота) –
зона, в поверхностных горных породах которой находится замерзшая вода. Вечная мерзлота, по разным оценкам, покрывает от 14 до 20 % поверхности суши и представляет собой рудименты (остатки) послеледниковых эпох. Основная часть вечной мерзлоты сосредоточена в Северном полушарии, и лишь 1 млн км2 – в южном. Толщина мерзлых пород изменяется от нескольких метров до 1 500 м. Максимальная мощность многолетнемерзлых пород зафиксирована в Сибири – до 1 500 м и в Северной Америке – до 600 м. Верхний слой, сезонно оттаивающий, называется деятельным. Вечная мерзлота сформировалась в течение последних тысячелетий и, одновременно, существенно зависит от изменений климата и влияет на них. Однако ее реакция столь неоднозначна, что с трудом поддается прогнозированию.
Сезонный снежный покров
Может, за редким исключением, наблюдаться почти повсеместно, но продолжительность его залегания различна. Максимальная площадь сезонного снежного покрова 100 млн км2, в том числе примерно 64 млн км 2 в Северном полушарии ( примерно 25% его площади) и 36
млн км 2 в Южном (14,5%). Согласно спутниковым данным средняя продолжительность залегания в Северном полушарии около 6, а в Южном – около 8 месяцев. Снежный покров на только служит индикатором климата, но и сам может существенно влиять на его колебания (в следствие изменения альбедо суши).
Влага атмосферы
Атмосфера – единственная оболочка Земли, содержащая воду во всех трех агрегатных состояниях. Наиболее важен водяной пар, которого нет ни в одной другой оболочке. В атмосфере постоянно происходят фазовые переходы воды (под действием солнечной энергии), из которых самый важный – процесс конденсации, сопровождающийся выделением огромного количества тепла, которое обеспечивает поддержание общей циркуляции атмосферы. Образовавшаяся из водяного пара в процессе конденсации жидкая вода выпадает на поверхность Земли в виде осадков. Следовательно, основными движущими силами круговорота воды является солнечная энергия и сила тяжести. Атмосфера играет центральную роль в ГЦ, это самый подвижный его компонент: скорость переноса водяного пара на порядок больше скорости движения речных вод и на два порядка выше типичной скорости океанских течений. Самыми важными характеристиками атмосферной влаги являются: влажность вблизи подстилающей поверхности (приземная или приводная), интегральное влагосодержание столба воздуха (осажденная вода) и облачность.
Вопросы на зачет
1 Понятие гидросфера, резервуарная модель гидросферы
2 Гидрологический цикл, его движущие силы
3 Общие сведения о водах Мирового океана
4 Общие сведения о водах криосферы
5 Общие сведения о влаге атмосферы
Использованные источники
1 , Малинин Земли. – СПб., Гидрометеоиздат, 2004.
2 Дж. Грегори. Образование Земли; пер. с англ. . - СПб.: Издание , 1914.
