Круговорот воды это основа

Структура глобального гидрологического цикла

Двухзвенная структура ГГЦ, состоящая из океанического и континентального звеньев, взаимосвязанных атмосферным переносом воздушных масс и стоком с суши водных масс, существует на Земле давно, во всяком случае, на протяжении всего голоцена, т.е. последние 10—12 тыс. лет, прошедших с конца последнего материкового оледенения в северном полушарии.

В эту современную геологическую эпоху объем воды на нашей планете остается практически неизменным и составляет 1,39 млрд км3. Главной причиной этого, как показали начатые в 60-е годы XX в. исследования химического состава мезосферы, служит процесс фотораспада водяного пара под воздействием жесткого (в интервале длин волн 0,143 —0,186 мкм) ультрафиолетового солнечного излучения. Интенсивность этого процесса составляет около 4 • 1012 г Н20/год и достигает максимального значения на высоте 70 —80 км над уровнем моря (Э. К. Бютнер, 1986). От 10 до 30% водорода, образующегося при фотолизе Н20, уходит из атмосферы Земли в космическое пространство.

Тяжелые по сравнению с водородом молекулы хемогенного кислорода, образующегося из воды в мезосфере, формируют самый верхний слой полного поглощения наиболее жесткой части ультрафиолетового излучения, губительной для живых организмов и воды (из-за ее фотолиза). Таким образом, экологическая значимость воды в том, что она является не только наибольшей по массе составной частью живых организмов, но и обеспечивает условия существования гидросферы и биосферы на Земле за счет ежегодного распада крайне малой доли своего объема (4 млн м3 воды — это всего одна трехсотмиллиардная часть объема гидросферы). Второй защитный для человека озонный слой расположен в стратосфере в среднем на 60 км ниже, и поглощает умеренно жесткое излучение Солнца в интервале длин волн 0,22—0,29 и 0,31 — 0,36 мкм.

Достоверных сведений о величине поступления в ГГЦ ювенильных вод, образующихся в недрах Земли, пока нет вследствие того, что они, поднимаясь к земной поверхности, смешиваются в толще горных пород с просочившимися туда поверхностными водами.

Океаническое звено. Зарождается ГГЦ в Мировом океане, площадь которого составляет 70,8 % поверхности Земли. С его акватории испаряется в среднем 87,5 % объема воды, участвующей ежегодно в глобальном круговороте. Эта осредненная за многолетний период величина испарения составляет 505 тыс. км3/год. Большая ее часть — 405 тыс. км3/год воды — возвращается в Мировой океан в виде атмосферных осадков океанического происхождения, а 100 тыс. км3/год выносится океаническими воздушными массами на сушу (рис. 1.1). Замыкается океаническое звено и весь ГГЦ в целом сложной системой течений, которыми ежегодно переносится 21,7 млн км3 воды, т.е средняя величина их расхода оценивается примерно в 700 Св (1 Свердруп = 1 млн м3/с).

Мировой океан. В океане сосредоточено 96,4 % объема всех вод Земли, обладает устойчивой гидрологической структурой. В нем существует четыре типа океанических водных масс (ВМ), составляющих четыре слоя переменной толщины (О. И. Мамаев, 1987). Самый верхний слой образуют приповерхностные ВМ (тропосферные) арктические, субарктические, субтропические, экваториальные, субантарктические и антарктические. Толщина этого слоя от 100 м в экваториальной и субполярных облас-

Рис. 1.1. Схема трансформации расхода воды (тыс. км3/год) в океаническом и континентальном звеньях глобального гидрологического цикла [9| тях океанов до 500—900 м в областях субтропических антицикло- нических круговоротов океанических вод. Промежуточные ВМ образуют своеобразную границу между тропосферой и стратосферой океана во втором слое, расположенном на глубине от 600 — 800 до 1200 м. Водные массы этого типа характеризуются экстремальными значениями температуры и солености вследствие погружения холодных и менее соленых субарктических, субантарктических и антарктических ВМ либо вследствие интрузии в океанскую толщу более теплых и соленых морских ВМ из Средиземного, Красного, Аравийского, Тиморского морей, а также теплой атлантической ВМ в толщу Северного Ледовитого океана. Расположенные под слоем промежуточных ВМ стратосферные воды представлены двумя видами — водными массами с большей соленостью, образующимися в высоких широтах северного полушария, и водными массами Южного океана. Они перемещаются в сторону низких широт навстречу друг другу и там, где они соприкасаются, северные ВМ становятся глубинными (третий слой), а южные ВМ — придонными (четвертый слой океанической толщи вод).

Мировому океану свойственна квазистационарная циркуляция вод, в своих общих чертах сохраняющаяся из года в год вследствие динамического взаимодействия океана и атмосферы. Схематично она представляет следующую картину. Во внутритропической зоне океана пассаты формируют направленное на запад дрейфовое течение, разветвляющееся в области нагона на две антициклони- ческие циркуляции в субтропических зонах южного и северного полушарий. В северном полушарии западную их периферию составляют самые мощные теплые океанические течения Гольфстрим и Куросио, а также Мозамбикское, в южном полушарии — Бразильское и Восточно-Австралийское. В области сгона на восточной периферии этих циркуляций расположены холодные течения — Канарское, Бенгельское, Калифорнийское, Перуанское, Западно-Австралийское. Центры этих циркуляций представляют собой очаги формирования тропосферных субтропических ВМ, достигающих среди приповерхностных водных масс наибольшей толщины из-за нисходящего здесь движения воды (даунвеллинг). Имеется такое же явление и на западном краю океанов, из-за чего там формируются экваториальные подповерхностные противотечения. А в области сгона у восточных побережий океанов происходит подъем глубинных вод (апвеллинг).

Внутри антициклонических циркуляций формируются обширные водные массы, называемые В.К.Агеноровым (1944) водными массами I рода. Для таких ВМ характерна наибольшая пространственная однородность всех свойств воды, т.е горизонтальный градиент любой характеристики dS/dx* 0. Для тропической зоны океана наиболее типичны водные массы II рода, характеризующиеся постепенным увеличением солености и других свойств (dS/dx = const) вследствие повышенного здесь испарения и малого количества осадков, а также различных внутримассовых процессов трансформации состава воды. Такая внутримассовая трансформация воды усиливается, когда водная масса перемещается из одной климатической зоны в другую. И особенно сильна эта трансформация в умеренных широтах из-за наибольшей здесь сезонной и синоптической изменчивости погодных условий. Кроме внутри- массовой трансформации существует еще и фронтальная трансформация воды вследствие смешения двух и более соседних водных масс. При такой трансформации водная масса нередко резко изменяет свои свойства, поскольку смесь разнокачественных водных масс обладает специфическими свойствами. Например, смесь водных масс разной температуры или разной солености имеет плотность больше, чем плотность воды в ядре любой из участвующих в смешении водных масс. Фронтальная трансформация редко наблюдается в чистом виде, потому что процессы фронтального взаимодействия водных масс и воздействие на них атмосферы протекают одновременно, т.е. фронтальная трансформация обычно сочетается с внутримассовой трансформацией воды.

В последнее 20-летие XX в. возникло представление о межокеанском обмене водных масс в виде двухслойного глобального конвейера. Образующаяся в Северной Атлантике глубинная водная масса распространяется на юг, имея расход, подобный расходу Гольфстрима, — около 20 Св, огибает Африку и Австралию. Из Тихого океана в Атлантику вода поступает в поверхностном слое тремя путями: 1) через Берингов пролив (0,8 Св) и Северный Ледовитый океан; 2) значительно более многоводным потоком через моря Индонезии (13 ± 3 Св) в Индийский океан, где у южной оконечности Африки называется теплым течением Игольного мыса (Агульясское); 3) через пролив Дрейка (10 ± 3 Св) в составе Антарктического циркумполярного течения, или Течения западных ветров (С. А.Добролюбов, 1996).

Таким образом, интенсивный внутри- и межокеанский обмен водными массами, сопровождающийся их фронтальной и внутримассовой трансформацией, служит главной причиной сравнительно малых различий химического состава океанических водных масс. Так, их соленость составляет 35,0 + 1,5 %о (промилле). Наибольшее значение солености воды — в ядре приповерхностной тропической североатлантической ВМ, наименьшее — в промежуточной антарктической ВМ в Атлантике. Большая стабильность вещественной и пространственной структуры океаносфе- ры объясняется крайне медленным ее внешним водообменом. Среднее время пребывания воды в Мировом океане тм 0 можно оценить отношением его объема к величине среднего годового расхода воды из него путем испарения: хм.о = 1338 млн км3 / 0,505 (млн км3/год) = 2,65 тыс. лет.

Следовательно, в эпоху голоцена вода в Мировом океане сменилась благодаря ГГЦ всего 4 раза.

Атмосферный этап. В процессе испарения воды на границе «океан-атмосфера» происходит коренная метаморфизация океанических водных масс. Существует два вида испарения воды с поверхности водоемов: физическое и механическое.

При физическом испарении молекулы воды, обладающие наибольшей скоростью движения, преодолевая силу поверхностного натяжения, внедряются в приграничный слой атмосферы, а затем поднимаются во все более высокие ее слои со скоростью, зависящей от плотностной стратификации и турбулентности воздуха над водоемом. Этот механизм способствует возникновению холодной поверхностной пленки толщиной 0,2—0,5 мм, в которой температура понижается к границе раздела вода —воздух на 0,5—0,6 °С и более. Одновременно в воде происходит концентрирование растворенных и взвешенных веществ, из-за которого их содержание в поверхностном микрослое (ПМС) может повышаться на 5—10 % по сравнению с концентрацией тех же веществ под ним в водной массе. Вместе с физическим испарением воды происходит и физическое испарение растворенных в ПМС ионов, которые в приводном слое воздуха образуют газообразные ассо- циаты двух типов — гидратированные ионы и гидратированные молекулы солей, т.е. в оболочке из молекул воды (В.С.Савенко, 1990).

При механическом испарении важную роль играет флотация. Всплывающие из водной толщи микропузырьки газов с сорбированными на их поверхности минеральными и органическими взвешенными веществами прорывают поверхностную пленку, и образующиеся при разрушении пузырьков микрокапли ПМС поднимаются на 2 — 3 см над водной поверхностью и увлекаются насыщаемым ими воздушным потоком. Таким образом, природная флотация водных масс не только увеличивает скорость образования водяного пара, но и приводит к возникновению аэрозольных частиц несколько большего размера.

Оба вида испарения интенсифицируются в штормовую погоду, когда увеличивающаяся турбулентность ветрового потока снижает насыщенность паром и аэрозолем приводного слоя воздуха. Кроме того, обрушение ветровых крупных волн резко увеличивает концентрацию и скорость движения воздушных пузырьков в верхнем 2 — 3-метровом слое водоема, что усиливает флотацию и пенообразование, а ветер срывает с гребней волн пену, испаряющуюся затем в воздушном потоке.

В результате этих процессов в состав океанических воздушных масс с поверхности Мирового океана поступает, по оценке

О. П. Петренчук (1979), примерно 1,8 —1,9 млрд т/год морских солей, преимущественно NaCl. Крупные аэрозоли с радиусом г> 20 мкм, составляющие около 21 % массы океанического аэрозоля (рис. 1.2), распространяются в приземном слое воздуха, остальные увлекаются воздушными потоками в вышележащие слои атмосферы.

На рис. 1.2 видно, что 70 % массы морских солей оборачивается в океаническом звене ГГЦ, а 23 % возвращается в океан стоком с суши. При этом 44 % общей массы аэрозольных частиц морского генезиса участвует (в качестве ядер конденсации водяного пара) в формировании облачных систем и осадков из них, которые при выпадении вымывают еще столько же аэрозоля из подоблачного слоя воздуха над поверхностью как океана, так и суши. Это — так называемое влажное осаждение аэрозоля. Помимо ГГЦ, 12 % массы морских солей выпадает на земную поверхность в виде пыли (сухое осаждение), из них 3 % на океанское побережье и 2 % на остальную сушу, а 7 % — на океан.

Средняя минерализация осадков, поступающих из океанических воздушных масс на поверхность океанов, несколько более 6 мг/л: около 3 мг/л приходится на долю ионов С1 и Na, к которым добавляются преимущественно сульфатные ионы — продукт

Рис. 1.2. Структура круговорота морских солей (в % ежегодно образующейся массы океанического аэрозоля, равной в среднем 1,8 —1,9 млрд т/год, по О. П. Петренчуку, 1979) в глобальном гидрологическом цикле (г — средний радиус аэрозолей) самоочищения атмосферы от ее загрязнения сернистым газом природного и антропогенного происхождения.

Средний слой испаряющейся воды с Мирового океана за многолетний период равен 1400 мм/год, в полярных широтах он составляет 100—400 мм/год, в экваториальных — до 2000 мм/год над теплыми течениями и 1000—1200 мм/год — над холодными. Наиболее активными зонами формирования влагонасыщенных воздушных масс служат два района Мирового океана, расположенные у западных побережий северных частей Тихого и Атлантического океанов, там, где соприкасаются мощные теплые течения с холодными течениями — Куросио с Курило-Камчатским и Гольфстрим с Лабрадорским. Над этими холодными течениями часто сухие арктические воздушные массы проникают на юг и быстро увлажняются над сильно прогретыми водами теплых течений. Эти районы выделяются наибольшими значениями среднего многолетнего слоя испарения с водной поверхности на Земле — более 2400 мм/год к юго-востоку от Токио и более 3200 мм/год к юго- востоку от Нью-Йорка.

Пространственная неоднородность испарения вызывает различную влагонасыщенность океанических воздушных масс. Среднегодовое влагосодержание воздуха в его слое 0—7 км над земной поверхностью равно 25 мм слоя воды (если сконденсировать весь водяной пар, находящийся в этом слое атмосферы). Над западной частью экваториальной зоны Тихого и Индийского океанов влагосодержание этого слоя достигает 40 — 50 мм и снижается до 10 мм в полярной зоне.

Перемещение воздушных масс над океанами и термодинамические условия формирования осадков в том или ином их районе определяют пространственно-временную неоднородность их выпадения на океаническую поверхность. Средняя многолетняя величина слоя осадков, поступающих на акваторию Мирового океана, равна 1270 мм/год (почти на 10 % меньше среднегодового слоя испарения). В тропических зонах у восточных берегов океанов над холодными течениями из-за устойчивой термической стратификации нижних слоев тропосферы осадков выпадает менее 100 мм/год. А в центральных и западных частях экваториальной зоны над теплыми течениями, где особенно благоприятны условия для развития мощной конвекции в тропосфере, слой осадков достигает 3200 мм/год и более. Превышение слоя осадков над слоем испарения несколько увеличивает здесь расход главных циркуляционных систем океанических течений.

Из поступающих на сушу с Мирового океана воздушных масс, средняя влажность которых 80%, 2/3 водяных паров, конденсируясь, выпадает на поверхность суши в виде адвективных атмосферных осадков. Остальная часть влаги (34 км3/год) проносится транзитом над сушей, формируя вместе с 30 % испарившейся с ее территории воды атмосферный сток с суши, равный 53 тыс. км3Дод (см. рис. 1.1).

Средняя за многолетний период суммарная величина атмосферных осадков на поверхность Земли равна 577 тыс. км3/год, а среднее влагосодержание атмосферы — 12,9 тыс. км3 (или 25 мм), следовательно, средняя продолжительность пребывания воды в атмосфере

или 8 сут, а смена ее в атмосфере происходит в среднем 45 раз за год. При этом на осадки ежедневно расходуется из атмосферы в среднем 12 % находящейся в ней влаги. Средняя скорость переноса влаги в нижнем семикилометровом слое атмосферы около 3 м/с (220 км/сут).

В последнее десятилетие учеными Массачусетского технологического института (США) обнаружены в атмосфере 6 «рек» водяного пара с расходом воды до 6 млн куб. футов/с, что соответствует 170 тыс. м3/с, т.е. величине, соизмеримой с расходом воды в Амазонке (» 200 тыс. м3/с, см. табл. 8.2). Один из таких потоков водяного пара берет начало в Бразилии, другой «течет» над центральной Европой, однако пока неизвестна степень устойчивости этих «воздушных рек».

Таким образом, рассмотренные современные представления о разнообразных процессах массообмена на границе «океан —атмосфера» достаточно убедительно иллюстрирует выдвинутую С.Д. Муравейским полвека назад идею об обмене между Мировым океаном и сушей не просто водой, а именно водными массами, имеющими в тропосфере газообразный вид влагонасыщенных воздушных масс, содержащих водяной пар, облачные системы и аэрозоли морского и континентального происхождения.

Экология СПРАВОЧНИК

Гидрологический цикл в природе включает процессы: испарения воды с поверхности водоемов, конденсации водных паров в атмосфере, выпадения осадков, фильтрации через почву; проникновение в подземные водоносные пласты; всасывание, транспорт и транспирацию воды растениями, включение воды в биохимические процессы во всех живых организмах. Влияние городов на водные системы связано со значительным перерасходом водных ресурсов, а также с загрязнением воды, потерей водными экосистемами способности к самоочищению, изменением и обеднением их видового состава.

Гидрологический цикл описывает движение воды в природе. Вода, испаряющаяся с поверхности океана, переносится воздушными массами над сушей. Испарение материковых вод и воды растений увеличивает количество содержащейся в атмосфере влаги, которая в конце концов осаждается в виде дождя или снега, Дождевые осадки могут просачиваться в грунт, присоединяться к поверхностным водам, использоваться растениями или вновь испаряться. Грунтовые и поверхностные водные потоки текут в океан, и гидрологический цикл повторяется.

Гидрологический цикл означает больше, чем водный цикл. Реки мира также приносят в океан около 22 млрд. тонн наносов и 3 млрд. т растворенных веществ. В пределах бассейнов происходит еще более значительное, не менее чем на порядок большее перемещение вещества, во многом благодаря водному фактору.

Гидрологический цикл играет важнейшую роль в формировании климата на Земле. В настоящее время все водные объекты подвержены антропогенному воздействию, причем в наибольшей степени это относится к водам суши и внутренним морям. Такие объекты как бассейн реки Волги, Каспийское, Черное, Балтийское и Средиземное моря являются зонами экологического бедствия, прежде всего вследствие антропогенного воздействия на гидрологический цикл регионов.

Гидрологический модуль NAM описывает процессы речного стока. Модуль предназначен для разработки компьютерных моделей гидрологического цикла типа «осадки-сток». Программная система модуля NAM может применяться независимо или как составная часть MIKE 11, в которой моделируемый сток фигурирует в качестве боковой приточ-ности в гидродинамической модели. В основу модуля NAM положена математическая модель, которая в упрощенной форме описывает поведение наземной фазы гидрологического цикла. Эта модель относится к классу детерминированных концептуальных моделей блочного типа с умеренными требованиями к исходным данным. Наряду с упрощенным модулем NAM, Датским Гидравлическим Институтом разработан более совершенный инструмент MIKE SHE, который представляет собой интегрированную систему моделирования потоков поверхностных, грунтовых и подземных вод, транспорта растворов и взвесей во всей наземной фазе гидрологического цикла .

Гидрологический цикл и накопление воды (по Е. А. Криксунову и др., 1995)
Гидрологический цикл. Воспроизводится по {10} с разрешения Macmillan, London and Basingstoke.

Основной гидрологический цикл определяет главное направление движения воды в окружающей среде. Однако в большинстве случаев крайне важным оказывается круговорот воды в пределах отдельных районов, и изменение количества и качества воды в местных источниках приобретает исключительное значение.

Особенность гидрологического цикла состоит в том, что в нем возвращаются все отходы. Водослив с земной поверхности составляет 38,3% влаги, выпадающей на землю, остальные 61,7% рециркулируют непосредственно в рабочем резервуаре путем испарения.

В глобальный гидрологический цикл (круговорот воды) входят три основных потока: осадки, испарение и влагопе-ренос. Осадки в виде дождя и снега выпадают в океаны. Поверхностный сток и поток грунтовых вод направлены с суши в океан. Испаряясь, вода возвращается в атмосферу. Большой вклад в этот процесс вносит транспирация — физиологическое испарение воды растениями. Водяной пар переносится в атмосферу потоками с океана на сушу.

Суммарный гидрологический цикл в континентальной части США.
Энергетика гидрологического цикла, представленного в виде двух путей
Гидросфера и гидрологический цикл

Человек вмешивается в гидрологический цикл, создавая искусственные циклы обращения воды (рис. 1.1). В некоторых местностях для общественных нужд используют грунтовые воды, но в большинстве случаев для этих целей служат поверхностные водные источники. После обработки вода поступает в жилые дома и на промышленные предприятия. Сточные воды собирают в канализационной системе и подают на специальные сооружения для очистки перед спуском в водоем. Существующие методы очистки только частично восстанавлива- ют первоначальное качество воды. Разбавление сточной воды водой водоема и протекающие в нем процессы самоочищения способствуют дополнительному улучшению качества воды. Однако город, располо-1 женный ниже по течению, берет для общественных нужд воду, качест-! во которой полностью не восстановилось. Этот город в свою очередь сливает стоки в водоем для последующего разбавления. Процесс забора и возвращения воды населенными пунктами, расположенными в данном речном бассейне, приводит к непрямому повторному использованию воды. В сухую погоду поддержание минимально допустимого уровня воды в небольших реках зависит от возвращения сточных вод выше по течению. Таким образом, созданный человеком водный цикл в пределах естественной гидрологической схемы включает: 1) забор поверхностных вод, их обработку и распределение, 2) сбор сточных вод, их очистку и сброс обратно в поверхностные водные источники, водой которых они разбавляются, 3) естественную очистку в реке; 4) повторение этой схемы городами, расположенными ниже по течению.

Человек вмешивается в гидрологический цикл, создавая искусственные циклы обращения воды (рис. 1.1). В некоторых местностях для общественных нужд используют грунтовые воды, но в большинстве случаев для этих целей служат поверхностные водные источники. После обработки вода поступает в жилые дома и на промышленные предприятия. Сточные воды собирают в канализационной системе и подают на специальные сооружения для очистки перед спуском в водоем. Существующие методы очистки только частично восстанавлива- ют первоначальное качество воды. Разбавление сточной воды водой водоема и протекающие в нем процессы самоочищения способствуют дополнительному улучшению качества воды. Однако город, располо-1 женный ниже по течению, берет для общественных нужд воду, качест-! во которой полностью не восстановилось. Этот город в свою очередь сливает стоки в водоем для последующего разбавления. Процесс забора и возвращения воды населенными пунктами, расположенными в данном речном бассейне, приводит к непрямому повторному использованию воды. В сухую погоду поддержание минимально допустимого уровня воды в небольших реках зависит от возвращения сточных вод выше по течению. Таким образом, созданный человеком водный цикл в пределах естественной гидрологической схемы включает: 1) забор поверхностных вод, их обработку и распределение, 2) сбор сточных вод, их очистку и сброс обратно в поверхностные водные источники, водой которых они разбавляются, 3) естественную очистку в реке; 4) повторение этой схемы городами, расположенными ниже по течению.

Некоторое представление а гидрологическом цикле воды может дать сопоставление запасов воды в отдельных его звеньях,по материалам ЮНЕСКО (1970 г.).

Рассмотрим основные составляющие гидрологического цикла суши: осадки и динамику влажности почвы.

На рис. 2.2.1 показаны основные стадии гидрологического цикла. Следует отметить, что основная масса испарившейся воды возвращается в водные бассейны (в реки, озера, моря и т. д.) и лишь небольшая ее часть, которая попадает на землю, образуя стоки и подземные воды, непосредственно используется человеком. Так, в США только 0,6% годовых атмосферных осадков, выпадающих в виде дождя, используется в системе коммунального водоснабжения, причем только 5% этого количества воды используется для питья и приготовления пищи, а 95% расходуется на удаление отходов из городов, стирку и другие санитарно-гигиенические цели.

Значительна роль биоты в глобальном гидрологическом цикле. Поскольку живое вещество приблизительно на 90% состоит из воды, то ежегодно биота связывает во вновь фотосинтезированном органическом веществе 60 млрд. т углерода и около 500 куб. км воды. В процессе синтеза органического вещества растительность пропускает сквозь себя на два порядка больше воды, чем то, которое в конце концов оказалось связанным в органическом веществе. Эта вода забирается растениями из почвенной влаги, участвует в функционировании растений, а затем транспирирует в атмосферу. Таким путем в биологическом звене глобального круговорота воды (гидроло-гического цикла) участвует около 30000 куб. км воды в год. Это около 25% суммарного количества осадков, выпадающих на поверхность суши.

Влияние хозяйственной деятельности на гидрологический цикл . Влияние, которое оказывает деятельность человека на процессы гидрологического цикла, издавна привлекало ученых и практиков. Уже в 30-х гг. XVIII в. сильное обмеление многих европейских рек начали объяснять вырубкой лесов в их бассейнах. В 40-х гг. XIX в. в Петербургской академии наук была создана комиссия, в которую вошли академики К.Ф. Бэр, П.И. Кеппен и др., в задачу которой входило изучение последствий вырубки лесов в бассейне Волги . Особенно широкую дискуссию в научной печати европейских стран и России вызвало выступление австрийского инженера Г. Векса в 1873 г. «Об убыли воды в родниках, малых и больших реках культурных стран при одновременном усилении половодий» . Наблюдавшееся в те годы снижение уровня воды в реках он объяснял истреблением лесов и осушением болот. Работа Г. Векса изучалась Венской, Копенгагенской и Петербургской академиями наук. Специальная комиссия Петербургской академии наук пришла к выводу, что обмеление рек происходит по причине уменьшения количества осадков, и по отношению к российским регионам оно фактически не доказано .

Методология моделирования углеродного цикла базируется на естественном делении внешних геосфер на составляющие с более или менее четкими границами между ними: стратосфера -тропосфера, тропосфера — океаносфера, верхний перемешиваемый слой океана — его глубоководная часть и т. п. В природе связь между этими составляющими-резервуарами осуществляется посредством глобального гидрологического цикла, газового обмена, прямых и скрытых потоков тепловой энергии.

Определяя функциональные позиции ветвей гидрологического цикла, живое вещество тем самым решающим образом влияет на структуру и состав потоков вещества, т.е. выступает как сила, трансформирующая систему экзодинамических процессов.

Рассмотрим несколько примеров естественных гидрологических циклов.

Особенности глобального круговорота воды, или гидрологического цикла, и большого (“геологического”) цикла, или круговорота вещества, обсуждаются ниже, в разделах, посвященных гидросфере и литосфере. Рассмотрим в упрощенном и огрубленном виде основные черты глобальных биогеохимических циклов химических элементов, важнейших для состояния экосферы, -углерода, азота, фосфора и серы.

Эта влага воз-вращаетоя в землю, моря и океаны в вида осадков. Благодаря непрерывно протекающим процессам испарения и конденсации на Земле существуют в пополняются запаоы чистой пресной вода. Гидрологический цикл способствует также процессу самоочищевия атмосферы: дождь и снег удаляют вз воздуха газообразные (и друга») примеси, раотворимыв в воде.

Создание искусственных водоемов с целью локального изменения гидрологического цикла имеет менее заметный эффект, чем выгоды от рекреации, получения энергии гидроэлектростанций и мероприятий по предупреждению наводнений. Озеро Мид на р. Колорадо вследствие большой поверхности испарения ежегодно теряет 7ю часть речного стока.

Нитриты являются промежуточным и наиболее неустойчивым звеном в цикле соединений азота. Их содержание в водоеме регулируется совокупностью весьма динамичных биохимических процессов, поэтому распределение нитритов по гидрологическим циклам водохранилища, акватории и глубине не имеет четкой закономерности. Содержание нитрит-ионов по сравнению с нитрат-ионами заметно ниже. Наибольшие их концентрации в воде наблюдались в первые годы при весеннем заполнении Летом содержание нитритного азота уменьшалось, а от осени к зиме вновь возрастало. В сезонной динамике концентраций нитритов можно выделить зимний максимум (0,007—0,042 мгМ/л), в остальные же сезоны концентрация нитритов ниже.

Следует отметить, что сама задача количественной оценки и прогноза влияния хозяйственной деятельности на гидрологический цикл очень сложна. Это обусловлено тем, что на водосборе действует множество факторов хозяйственной деятельности, последствия которых нередко носят противоположный характер. Кроме того, эти воздействия накладываются на естественные природные процессы, которые по величине могут превышать антропогенное влияние и затушевывать его. Третьим фактором, усложняющим решение задачи, является трудность получения информации о характере антропогенной деятельности, которая часто не систематизирована или вообще отсутствует.

Здесь не обсуждаются, хотя бы в общих чертах, многие другие способы параметризации, в том числе параметризация гидрологического цикла и процессов на земной поверхности, имеющих важное значение в моделях общей циркуляции. Основное внимание далее будет уделено способам параметризации лучистого теплообмена, играющего ключевую роль в динамике атмосферы и океана, и вопросам чувствительности радиационного режима к изменениям оптических свойств атмосферы и подстилающей поверхности.

Круговорот воды. Самый значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на Земле — это планетарный гидрологический цикл — круговорот воды (рис. 12.13).

Существуют различные способы изображения биогеохимических круговоротов. Выбор способа зависит от особенностей биогео-химическогоо цикла того или иного элемента. При обсуждении круговорота кислорода экологи обычно различают пути, связанные с химическим включением кислорода в органические соединения, и пути, сопряженные с передвижением воды. Круговорот воды, или гидрологический цикл, хорошо сбалансирован в масштабе земного шара и приводится в движение энергией, в основном не связанной с организмами. Особи быстро теряют воду путем испарения и выделения; за время жизни особи содержащаяся в организме вода может обновляться сотни и тысячи раз. В то же время участие организмов в обмене воды ничтожно мало — общий объем испарения и транспирации оценивается в 59 1018 г в год, в связи с чем при изображении биогеохимического цикла воды делают акцент на резервном, а не на обменном фонде (рис. 10.2).

Структурно SWMM состоит из нескольких блоков-подпрограмм, позволяющих моделировать большинство количественных и качественных характеристик гидрологического цикла на городской территории. Система позволяет анализировать процессы в ливневых системах, в комбинированных канализационных и естественных дренажных системах. Процесс формирования стока на урбанизированной территории (расчет гидрографа) SWMM моделирует на основе подхода нелинейного резервуара, в котором предусмотрена возможность учета снеготаяния. По желанию пользователя, сток воды может быть описан и более сложными моделями, чем модель нелинейного резервуара (кинематическая волна, комплексные динамические уравнения).

Задача более надежного определения компонентов водного баланса мира — одна из важнейших проблем гидрологии и геоэкологии. Есть основания надеяться, что проводящиеся исследования глобального гидрологического цикла в рамках международных программ исследований глобальных изменений принесут более точные результаты.

Кроме воды, важную роль для поддержания жизни играют химические элементы, в первую очередь такие как азот, углерод, кислород, фосфор, которые постоянно обновляются и восстанавливаются в результате естественных циклов, подобных гидрологическим циклам. Однако питательные циклы являются более сложными, так как они связаны с химическими реакциями, многие из которых происходят в живых организмах.

Располагаемые водные ресурсы характеризуются количеством и качеством взаимосвязанных поверхностных и подземных вод. Природ-но-климатические условия, прежде всего, ландшафт и атмосферные процессы определяют особенности гидрологического цикла региона, который, в свою очередь, участвует в формировании водных ресурсов. Инженерно-технические мероприятия направлены на перераспределение водных ресурсов, в частности их регулирование, на охрану вод, в том числе снижение сбросов загрязняющих веществ от точечных источников и мероприятия на водосборных площадях для снижения поступления загрязнений от диффузных источников, а также на защиту территорий от вредного воздействия вод. С другой стороны эти мероприятия могут не только непосредственно влиять на водные ресурсы, но и изменять природные условия, в частности, ландшафт, что приводит к преобразованию гидрологического цикла и, следовательно, количества и качества располагаемых водных ресурсов. Неоднократная реорганизация структур управления водными ресурсами в РФ продемонстрировала, что подобное реформирование нельзя осуществить в короткие сроки. Действительно, приходится рассматривать и решать такие вопросы, как структуризация управляющих органов и разделение сфер компетенции между ними; выработка законодательной базы; разработка и реализация экономических механизмов и методов экономического стимулирования рационального водопользования.

Нехарактеризуемые ценности не могут быть включены в обычный в экономике расчет стоимости. Они представляют ценность для жизнеобеспечения природных систем. Леса, степи, реки, озера и океаны осуществляют, смягчают и стабилизируют атмосферные и гидрологические циклы и круговороты минеральных элементов. К этой же категории относится присущая биологическим видам ценность, ценность туземной культуры, красоты природы и множество эстетических ценностей, которые со временем получают признание людей. Нехарактеризуемые категории являются личными и общественными ценностями, а не частными рыночными, с которыми они очень часто приходят в конфликт.

Окружающая среда находится в состоянии динамического равновесия: цикличность потоков материалов и энергии обеспечивает постоянное восстановление окружающей среды и поддерживает ее в состоянии, пригодном для существования живых организмов. Так, в результате гидрологического цикла (круговорота воды) живые организмы обеспечиваются чистой водой, необходимой для существования большинства из них. Круговорот азота, углерода, кислорода и других элементов также является своего рода источником жизни, поскольку в течение этих циклов осуществляется переход от неорганических к органическим и живым формам, которые снова превращаются в неорганические. Нарушение этих естественных циклов, вызванное деятельностью человека или действием каких-то природных факторов, приводит к переходящему или необратимому изменению биологической структуры с уничтожением определенных местных видов флоры и фауны.

Во многих случаях вода — ключевой фактор основных глобальных экологических проблем. Выше уже отмечалась исключительная роль воды как агента, переносящего растворенные, влекомые и взвешенные вещества. Поэтому она важнейший фактор в глобальных биоге о химических циклах углерода, азота, серы, фосфора и др. и в экзогенной части большого геологического цикла (или цикла эрозии-седиментации). Глобальный гидрологический цикл — это один из основных жизнеобеспечивающих механизмов экосферы, зависящий в то же время от изменения ее состояния.

Господствует мнение, что, чем теплее климат, тем больше облачность, которая сдерживает дальнейшее потепление. Но в современных условиях из-за антропогенного уменьшения фитомассы суши примерно на 2/5 и соответствующего ослабления транспирации наземной растительностью глобальный гидрологический цикл нарушен. Получение точных цифр требует учета компенсирующих действий человека, например, создание орошаемых полей, водохранилищ и др. И это особая проблема. Тем не менее, можно предполагать, что из-за обезлесения, а также наличия нефтяной пленки в океане количество влаги в атмосфере несколько снизилось.

Вопросы повторного использования очищенных сточных вод (методы очистки, проблемы гигиенической безопасности) рассматривались на специальном совещании экспертов ВОЗ (1975). Авторы доклада по этому вопросу отмечают, что использование природных вод вообще представляет собой не что иное, как повторное их использование, так как в их гидрологический цикл входят испарение водоемов и выпадение атмосферных осадков. Использование речных вод ниже сброса сточных вод — один из видов повторного (косвенного) использования стоков. В отличие от косвенного к преднамеренному повторному использованию городских стоков относят следующие виды водопользования: городское непитьевое, рекреационное, для рыбоводства, промышленности, промышленных сточных вод — для сельского хозяйства и промышленности.

Лиман — хороший пример ассоциированной системы, в которой достигнуто надежное равновесие между физическими и биотическими компонентами и как следствие этого — высокий уровень биологической продуктивности. Он состоит из нескольких основных подсистем, связанных друг с другом приливами и течением воды, которое приводится в движение гидрологическим циклом (речной сток) и приливным циклом; оба цикла предоставляют дополнительные источники энергии для системы в целом. К главным подсистемам относятся: 1) мелководная продукционная зона, в которой интенсивность первичного продуцирования превышает интенсивность дыхания сообщества; сюда входят рифы, отмели, заросли водорослей или морских трав, подушки водорослей и засоленные марши; эта подсистема экспортирует энергию и биогенные вещества в более глубокие воды лимана и воды примыкающего берегового шельфа; 2) подсистема осадков в более глубоких каналах, проливах и лагунах, в которых дыхание превышает продукцию и которые используют оформленное и растворенное органическое вещество из продукционной зоны; здесь регенерируются, циркулируют и сохраняются биогены, а также образуются витамины и регуляторы роста; 3) планктон и нектон, которые свободно перемещаются между двумя фиксированными подсистемами, продуцируя, превращая и перенося биогенные вещества и энергию во время, соответствующее суточным, приливным и сезонным периодичностям. Эта подсистема способна быстро реагировать на локальное обилие или бедность доступных ресурсов.

Рассмотрим упрощенные дискретные и функциональные модели, позволяющие оценить нагрузку от неточечных источников сельскохозяйственного происхождения. Эти модели ориентированы на практическое использование. В дискретных моделях процессы переноса химикатов описываются уравнениями баланса масс вещества для пахотного и нижележащих (до 1 м) слоев почвы. Результаты модельного анализа гидрологического цикла и транспорта наносов в той или иной форме используются в уравнениях баланса масс ЗВ .

Вопросы моделирования и прогноза состояния водных ресурсов в настоящее время интенсивно разрабатываются. Однако сложность и многогранность этой проблемы, большое разнообразие видов техногенного воздействия, различие условий их функционирования предопределили развитие только отдельных аспектов этой единой проблемы. Не в полной взаимосвязи рассматривается моделирование гидродинамических, гидрохимических, физико-химических и гидрологических процессов. Мало исследований, посвященных совместному рассмотрению процессов в основных компонентах гидрологического цикла (поверхностные склоны, зоны аэрации и насыщения). Поэтому представляет интерес разработка моделей процессов, происходящих в основных компонентах гидрологического цикла с учетом их взаимосвязи. При описании техногенеза гидросферы в общем случае необходимо рассматривать следующие компоненты гидрологического цикла: движение воды в открытых водоемах (реках), поверхностный склоновый сток, подземные стоки в зоне аэрации и в зоне насыщения.

До тех пор пока делящиеся материалы (уран, торий, плутоний и др) будут использоваться в качестве источника энергии, факторами, лимитирующими использование теоретически «неисчерпаемых» источников атомной энергии, будут оставаться большие количества отходов от продуктов деления (те же самые радиоактивные изотопы, которые присутствуют в осадках) плюс следовые количества расщепляемых материалов. Ожидается, что используемые сейчас реакторы в ближайшие 15—20 лет •будут заменены реакторами-размножителями, в которых при каталитическом сжигании урана-238, тория-232 и, может быть, лития-6 будет происходить самовосстановление делящихся материалов (Вайнберг и Хеммонд, 1970). При этом значительно снизятся потребности в горючем, но это не решит проблемы уничтожения отходов. С продуктами деления тогда было бы покончено, но увеличилось бы количество веществ с наведенной активностью, в частности трития, который мог бы загрязнить гидрологический цикл в глобальном масштабе. Дополнительное обсуждение проблемы радиоактивных отходов см. Фокс (1969).

История открытия

Первые представления о круговороте воды появились в Китае, затем в Индии, где стали использовать дождемеры — приборы для определения количества осадков, то есть там, где установили связь между осадками и стоком воды в реках. В Древней Греции, Древнем Египте, на Ближнем Востоке эта связь не осознавалась, поскольку дожди, питавшие, например, Нил, выпадали где-то в его верховьях, а использовалась вода в засушливых низовьях — в Древнем Египте. На Ближнем Востоке дожди и талые воды Тигра и Евфрата также формировались далеко в горах. В Греции распространен карст, и поэтому Аристотель (384—322 гг. до н. э.) считал, что реки образуются в подземных пустотах.

В Европе о круговороте воды узнали только 500 лет назад, и первые соображения по этому поводу высказал Леонардо да Винчи (1452—1519). В некоторых своих сочинениях он высказал мысли, которые созвучны современным научным представлениям о круговороте воды. Он указывал на значение водопроницаемых геологических пород, образующих водоносные слои в Альпах, объяснял, как происходит восполнение подземных вод и как низинные источники питаются водой. Другие учёные значительно расширили его идеи, но это произошло гораздо позже. Более полные представления о круговороте изложил в книге, изданной в 1580 году во Франции, Бернар Палисси. Он впервые указал на дождевые осадки как основной источник питания рек.

Основоположником учения о круговороте воды считают француза П. Перро (1611—1680), который более известен как строитель водопровода для Лувра — королевского дворца в Париже. Гораздо позже Эразм Дарвин (1731—1802), дед Чарльза Дарвина, объяснил механизм круговорота воды и доказал, что атмосферные осадки обеспечивают ток воды в реках и часть влаги поступает на сушу с моря. Сущность же и значение большого круговорота воды в природе впервые понял знаменитый английский астроном Эдмунд Галлей (1656—1742), дав ему название «Великое явление природы». Он первым рассчитал величину испарения с поверхности океана.

Большой вклад в изучение круговорота воды внёс российский учёный Александр Иванович Воейков (1842—1916), слова которого «реки можно рассматривать как продукт климата» стали признанным положением.

Описание

Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше — положение обратное. Около 84 % общего испарения происходит с поверхности океанов, а над океанами выпадает около 74 % общего количества осадков. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом её общее количество остаётся неизменным.

Три четверти поверхности земного шара покрыты водой. Водную оболочку Земли называют гидросферой. Большую её часть (97 %) составляет соленая вода морей и океанов, а меньшую — пресная вода озер, рек, ледников, грунтовые воды и водяной пар. В круговороте задействовано менее 1 % всей воды, а большая часть остальной сохраняется в виде льдов и снега. Общая сумма осадков, выпадающих на поверхность Земли, примерно равна испарению — 519 тыс. км3 воды. Вынос влаги, испарившейся с поверхности суши, воздушными массами в океан незначителен.

На земле вода существует в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Без воды невозможно существование организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции, без которых не могут житьорганизмы. Вода является самым ценным и самым необходимым веществом для жизнедеятельности живых организмов.

Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, передвижения водяного пара в атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока, получил название круговорота воды в природе. Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водоемы, частично — просачиваются в землю и образуют подземные воды.

Круговорот воды происходит под влиянием солнечной радиации и сил тяжести. Солнце нагревает воду в океанах и морях, и она испаряется, преобразуясь в водяной пар. Параллельный процесс происходит и на суше: вода испаряется с нагретой Солнцем поверхности Земли или испаряется растениями в результате транспирации. В процессе адвекции водяной пар перемещается с воздушными массами, пока в конце концов не оказывается в зоне с низкой температурой. Это вызывает конденсацию влаги в облаках. Облака продолжают перемещаться вместе с воздухом, в то время как сконденсированные капельки воды в них перемешиваются, слипаются и растут в размерах. В итоге вода выпадает в виде осадков над сушей или океаном; при этом океан испаряет больше влаги в атмосферу, чем приобретает от осадков, а суша — наоборот, получает с осадками больше, чем с неё испаряется.

Некоторые осадки выпадают в виде снега или града, дождя со снегом, и могут накапливаться в ледяных шапках и ледниках, которые хранят замороженную воду в течение от нескольких месяцев до десятков тысяч лет. Но даже в таком виде незначительный обмен льдов с атмосферой сохраняется: действует сублимация. В то время, когда температура в зоне отложений повышается, начинается таяние, и вода активно исходит из этих источников.

Большая же часть воды возвращается из атмосферы в виде дождя. Часть выпавших осадков перехватывается листвой растений, не достигнув почвы. Попав на сушу, вода перетекает по земле в виде рек, двигаясь к океанам.

Часть из этой воды впитывается в грунт в результате инфильтрации, проникает глубоко в землю и пополняет водоносные горизонты грунтовых вод, которые также аккумулируют в себе пресную воду в течение длительного времени. Под землёй, как и на её поверхности, тоже существует движение водяных масс, и вода движется, меняя своё местоположение. Грунтовые воды обмениваются водой с поверхностью в виде родников и артезианских скважин (разгрузка грунтовых вод). Эта, а также небольшая часть впитавшейся в землю, но не достигшей уровня водоносных горизонтов воды, попадает назад в поверхностные водные объекты и океан.

Доля воды отводится из почвы, опять же, растениями.

Со временем вода возвращается в океан, чтобы продолжить круговорот.

Виды образования от разных изменений

Различают два вида круговоротов воды в природе:

  1. Большой круговорот — водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, сконденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан и распределяется по трем основным направлениям: одна часть идет на поверхностный сток; вторая часть просачивается в грунт (подземный сток), а третья часть испаряется в атмосферу.
  2. Малый (океанический) круговорот — вода, которая испарилась над поверхностью суши или океана, опять выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.

Кроме того, различают местный, или внутриматериковый, круговорот, при котором испарившаяся с поверхности суши вода выпадает на сушу в виде атмосферных осадков. Для замкнутых межгорных котловин характерен внутренний круговорот влаги. В конце концов, осадки в процессе движения опять достигают Мирового океана.

Скорость

Среда Среднее время обновления
Океаны 3 200 лет
Ледники от 5 до 10 лет
Сезонный снежный покров от 2 до 6 месяцев
Почвенная корка от 1 до 2 месяцев
Грунтовые воды: паводоковые от 100 до 200 лет
Грунтовые воды: глубинные 10 000 лет
Озера от 15 до 17 лет
Реки от 17 до 19 дней
Атмосфера 10 дней

Скорость переноса различных видов воды изменяется в широких пределах, так и периоды расходов, и периоды обновления воды также разные. Они изменяются от нескольких часов до нескольких десятков тысячелетий. Атмосферная влага, которая образуется при испарении воды из океанов, морей и суши, и существует в виде облаков, обновляется в среднем через восемь дней.

Воды, входящих в состав живых организмов, восстанавливаются в течение нескольких часов. Это наиболее активная форма водообмена. Период обновления запасов воды в горных ледниках составляет около 1 600 лет, в ледниках полярных стран значительно больше — около 9 700 лет.

Полное обновление вод Мирового океана происходит примерно раз в 2 700 лет.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *