Природные процессы в гидросфере

Ведение

Существуют разные подходы к определению понятия гидросферы. Одна группа учёных считает правомерным относить к гидросфере только те сферы планеты (или части сфер), где в жидком, твёрдом или газообразном состоянии содержится несвязанная вода. Другие же считают возможным относить к ней также сферы (или их части), где несвязанная вода отсутствует, но компоненты воды входят в состав других химических соединений.

При первом подходе в состав гидросферы включается вся океаносфера, поверхностные части литосферы, ледники, реки и озёра, почвенные воды, воды болот и воды атмосферы. В этом случае нижняя граница гидросферы проводится в литосфере и приурочена к основанию водоносных горизонтов или нижнему пределу проникновения в толщу литосферы свободных гравитационных вод.

При втором подходе в состав гидросферы дополнительно включаются области распространения химических соединений, включающих в себя компоненты воды. Это позволяет нижнюю границу гидросферы проводить намного ниже, опустив её в недра Земли, включив в гидросферу всю земную кору полностью и приблизив границу к поверхности Мохоровичича. Что касается верхней границы гидросферы, то она обычно проводится в верхней атмосфере.

Если подходить к гидросфере, как к одной из природных сфер окружающей среды, то представляется целесообразным под гидросферой понимать только области распространения несвязанной воды, где она содержится в газообразном, жидком или твёрдом состоянии. Имеется в виду, что гидросфера, взятая в пределах распространения свободных вод, не является замкнутой системой. Она разомкнута как на подстилающие слои литосферы, так и на космическое пространство. Такая концепция не противоречит положению о единстве всех вод Земли, поскольку опирается на постоянный процесс водообмена.

Глава 1 Природные процессы в гидросфере

При рассмотрении процессов накопления, сохранения и динамики воды в земном пространстве три понятия являются центральными и неразрывно связаны друг с другом: гидросфера, круговорот воды и водный баланс. Суть этих понятий: 1) гидросфера - одна из геосфер Земли, объединяющим веществом которой является несвязанная вода; 2) круговорот воды (влагооборот или водообмен) - это динамическая характеристика гидросферы, совокупность процессов, присущих гидросфере и связывающих её воедино; 3) водный баланс - количественное выражение круговорота воды.

В ходе геологической истории Земли формировались следующие круговороты воды, или влагообороты.

Геокосмический круговорот возник с началом образования Земли как планеты. Он представляет собой водообмен между Землёй и Космосом. Поступление воды и составляющих её элементов из межпланетного пространства на Землю происходит вместе с метеоритным веществом и космической пылью, и обратно - из сферы притяжения Земли в Космос путём диссипации водорода (в сильно разрежённой верхней атмосфере под действием ультрафиолетовых лучей, когда скорость движения атомов водорода превышает 1/4 второй космической скорости: 11,2 : 4 = 2,8 км/сек).

Атмосферно-океанический круговорот существует, по-видимому, с архея, когда произошло разделение поверхности Земли на первичный мелководный океан и отдельные острова суши. Этот круговорот в основном слагался из процессов: испарения влаги с поверхности океана, переноса её с облаками и выпадения осадков снова преимущественно в океан. Такой тип круговорота продолжается и ныне: мы наблюдаем его, когда влагооборот осуществляется, не покидая акватории океанического пространства.

Атмосферно-континентально-океанический круговорот стал развиваться по мере становления и развития материков. Такой круговорот слагается из процессов: испарения влаги с поверхности океана и материков, облакообразования, переноса облаков, выпадения осадков в других местах суши или океана и стока (поверхностного и подземного) с суши в океан. Такой круговорот, в ранние геологические эпохи господствовавший на планете, ныне наблюдается в регионах, где развит ледниковый покров, а органический мир лишь начинает развиваться.

Атмосферно-литосферно-биосферно-океанический круговорот стал зарождаться с началом формирования органического мира и особенно после выхода растительности из океана на сушу. С развитием биосферы стало возрастать её участие в процессе круговорота воды, и в настоящее время этот тип круговорота воды на планете имеет доминирующее значение. Он представляет собой непрерывный процесс перемещения воды на Земле, происходящий под воздействием солнечной энергии и силы гравитации, и охватывает гидросферу, атмосферу, литосферу и живые организмы.

Скорость влагооборота в разных участках гидросферы различна. В атмосфере водяной пар заменяется 40 раз в год, или каждые 9 суток, здесь наблюдается наиболее высокая скорость обмена влаги. На испарение годового количества выпадающих из атмосферы осадков затрачивается 20% поступающей на Землю энергии, но столько же выделяется при конденсации соответствующего количества водяного пара. Поэтому круговорот влаги сопровождается круговоротом тепловой энергии.

Общее количество воды в реках меняется каждые 16 дней; в болотах - 5 лет; в озёрах - 17 лет; в подземных водах - 1400 лет; в океанах и морях - каждые 2600-3000 лет, причём полное перемешивание воды происходит за 63 года. Наиболее медленно протекает обмен воды в ледниках: в горных районах каждые 1600 лет, а в ледниковых щитах - каждые 15000-20000 лет.

Интенсивность влагооборота представляет собой частное от деления общего количества выпадающей за год воды на всю поверхность Земли на среднее содержание воды в атмосфере в газообразном, жидком и твёрдом виде. Интенсивность общего влагооборота Земли в современную эпоху характеризуется числом 38. Если принять эту величину за единицу, то по широтам северного полушария интенсивность влагооборотов будет иметь следующие значения:

Отсюда видно, что минимальные значения интенсивности влагооборотов на разных широтах характерны для тропического и субтропического поясов (в связи с уменьшением годового количества осадков в этих широтах) и максимальные - для умеренного пояса (благодаря увеличению годового количества осадков и влиянию западно-восточного переносов воздушных масс) и экваториального пояса (большое количество осадков при значительном испарении).

Водный баланс Земли представляет собой равенство, связывающее количество воды в виде осадков, поступающих на земную поверхность, и количество воды, испаряющееся с поверхности суши и Мирового океана за определённый промежуток времени, чаще всего в среднем за многолетний период.

В процессе циркуляции атмосферы осуществляется перенос влаги, что является причиной образования атмосферных осадков и способствует глобальному перераспределению атмосферной влаги[6,56].

Основной процесс, происходящий над океаном - испарение воды, за счёт чего поддерживается на определённом уровне содержание водяного пара в атмосфере. При этом более 86% влаги поступает в атмосферу вследствие испарения её с поверхности Мирового океана и только 14% - за счёт испарения с суши. Важной особенностью океанического звена круговорота воды является перенос огромных её масс морскими течениями, которые имеют существенное влияние на климат соответствующих акваторий и участков суши, вблизи которых они протекают. Эти течения переносят воды на три порядка больше, чем все реки суши. Связанный с течениями водообмен в 50 раз интенсивнее водообмена, обусловленного атмосферными осадками, выпадающими на поверхность океана.

Круговорот воды на материках протекает с участием вод рек, озёр и болот, ледников, а также подземных вод. Реки возвращают в океан ту часть воды, которая переносится атмосферой с океана на сушу. Подземные воды играют важную роль в формировании речного стока, так как благодаря им реки получают устойчивое питание, и это обеспечивает относительную стабильность их водного режима и бесперебойность действия материкового звена круговорота воды. Подземные воды вовлекают в круговорот также литосферу. С речным звеном тесно связано и озёрное, поскольку на Земле мало крупных озёр, не связанных с реками. За счёт испарения воды с поверхности озёр атмосфера ежегодно получает около 500-600 км3 дополнительной воды, что составляет около 3% общего расхода воды на испарение с суши. Ледники и снежники покрывают около 16 млн. км2 земной поверхности и также играют важную роль в водном балансе земного шара.

К биологическим процессам, имеющим значение в круговороте воды, относится транспирация. В среднем расход на транспирацию составляет почти половину суммарного испарения с суши (около 30-35 тыс. км3 в год), что равно почти 7% от испарения с земной поверхности, включая и Мировой океан.

Глава 2 Природные системы в гидросфере

Существующие природные системы свободных вод в гидросфере приведены в таблице 2.

Рассмотрим основные особенности природных систем свободных вод в гидросфере.

2.1. Вода в атмосфере

В высоких слоях атмосферы нет физико-химических условий, благоприятствующих накоплению воды, поэтому основная масса воды атмосферы (не менее 95%) сосредоточена в нижнем слое до 20 км. Вода в атмосфере находится в газообразном, жидком и твёрдом состоянии. В атмосфере содержится небольшая часть воды гидросферы, но это наиболее подвижная и, следовательно, наиболее активная часть гидросферы, оказывающая воздействие не только на атмосферу, но также на состояние и развитие литосферы и биосферы[6,73].

Таблица 2. Природные системы свободных вод в гидросфере

2.2 Поверхностные  воды

Мировой океан содержит основную массу поверхностных вод гидросферы Земли и занимает площадь 361,1 млн. км2. Океанические воды характеризуются солёностью. Солёность - это полная масса всех солей в граммах, содержащихся в 1 кг воды. В.И. Вернадский пишет, что солёность океанической воды очень часто рассматривают как результат накопления солей, выносимых в океан реками в течение миллиардов лет. Но если сравнить порядок распространённости отдельных химических соединений в океанической и речной воде, легко убедиться, что это два разных типа воды: в океанической воде 88,7% солей - это хлориды и ничтожная часть - карбонаты, в речной воде карбонатов до 80%. Главная масса солей океанической воды создавалась искони и создаётся поныне или из надземных вулканических извержений, сопровождающихся всегда ливнями, или выходами вулканов и фумаролл на морском дне. Речная вода не в состоянии своим излиянием в океаны изменить первоначальное сходство порядкового состава океанической воды и растворимых частей продуктов вулканических процессов. Средняя солёность океанических вод 35‰. Наибольшая солёность наблюдается между 20-25° широты, где наибольшее испарение. Однако самую большую солёность имеют Красное море и Персидский залив (42‰), наиболее низкую солёность (7‰) - Балтийское море. Общее количество растворённых в океанических водах химических соединений составляет 48000 трлн.т. Если бы удалось извлечь из океанических вод эти растворённые элементы и распределить их равномерно по поверхности земной коры, то они покрыли бы эту поверхность слоем в 45 м. В водах Мирового океана содержится столько золота (при среднем содержании его 0,00001 г в 1 м3 воды), что если бы его извлекли, то на каждого жителя Земли его пришлось бы более 3 т.

Мировой океан определяет лицо биосферы: огромная масса его вод формирует климаты планеты, служит источником большей части атмосферных осадков. Более половины кислорода поступает в атмосферу из океана благодаря обитающим в океане зелёным растениям. Мировой океан, наряду с лесами, - регулятор содержания углекислоты в атмосфере.

Для океанических вод характерна система поверхностных течений, образующихся под воздействием господствующих ветров. Вокруг субтропических антициклонов образуются циркуляционные кольца течений: в северном полушарии по часовой стрелке, в южном - против (из-за воздействия силы Кориолиса). Вокруг субарктических (Исландского и Алеутского) минимумов образуются циркуляционные кольца против часовой стрелки[2,45].

К поверхностным водам относятся также ледники и постоянно залегающий снежный покров, занимающие площадь 16227 тыс. км2. Из них на долю Антарктиды приходится 13977 тыс. км2, Гренландии - 1801 тыс. км2, арктических островов - 225 тыс. км2 и горных районов - 224 тыс. км2.