2.3. Круговороты воды в природе
В ходе развития представлений о природе воды на Земле, исследователи «всех времен и народов» были единодушны во мнении, что эта жидкость обладает удивительным даром «настоящего географа» постоянно «путешествовать» - совершать круговороты.
Над нашей планетой влага оказывается в результате глобального круговорота воды, который происходит под влиянием солнечной радиации и силы тяжести. При этом оказываются задействованы несколько физических процессов: испарения; конденсации; горизонтального переноса частиц воды ветром; горизонтальный влагоперенос на суше (сток речных, поверхностных, подземных вод); выпадения частиц воды (снега) в виде осадков и просачивания (инфильтрации) воды в почву под влиянием гравитации; поглощения корнями растений влаги из почвы; испарения влаги с поверхности растений – транспирация (от лат. trans и spiro - дышу, выдыхаю). В результате, классифицируя содержание и формы движения влаги на планете, выделяют круговороты: атмосферный, атмосфера-литосфера, поверхность литосферы, литосфера-земные недра, недра литосферы. С позиции форм движения материи можно обнаружить круговороты: механический (морские течения, реки, облака, ледники и т.д.), физический (изотопы), физико-химический (сорбция, гидратация), химический (синтез молекул), биологический (обмен веществ), технический (хозяйственная деятельность человека).
Мировой круговорот (или гидрологический цикл) - глобальный планетарный процесс непрерывного перемещения воды с фазовыми переходами (испарение, конденсация, замерзание) под воздействием солнечной энергии и гравитационных сил, охватывающий гидросферу, атмосферу, литосфер и биосферу, сопровождающийся обменом энергией и веществом между разными оболочками Земли.
Единство гидросферы обусловленное общностью происхождения всех природных вод из мантии Земли, проявляется также и в постоянном водообмене между отдельными ее компонентами в процессе перехода из одного состояния в другое в системе глобального гидрологического цикла (рис.2.4).
В Мировом (большом) круговороте воды, кроме вод океана и атмосферы, принимают участие воды суши. В двух малых круговоротах воды участвуют только воды суши и атмосферы (континентальный круговорот) и воды океана и атмосферы (океанический круговорот) (рис.2.5). Если бы вдруг в течение года Мировой океан не стал получать пресную воду в виде осадков и континентального стока, то в результате только испарения за это время его уровень мог бы снизиться более, чем на 1 м. С поверхности океанов влаги испаряется в 7 раз больше, нежели с поверхности суши, а осадков над океаническими акваториями выпадает в 4 раза больше, чем над материками.
Рис.2.4. Глобальный круговорот воды
Рис.2.5.Континентальный и океанический круговороты и водный баланс Земли
2.4. Водный баланс земли
Количественным воплощением круговоротов воды является водный баланс Земли, представляющий структуру и объемы его отдельных частей. Для условий закрытой термодинамической системы - постоянства общей водной массы на поверхности Земли и неизменной емкости океанических и морских впадин уравнения водного баланса для малых континентального (1) и океанического (2) круговоротов имеет вид:
Е1= P1+R и Е2= P2+R, где
Е1 и Е2 – испарение с поверхности суши и поверхности океана; P1 и P2 – осадки над континентами и океаном; R – речной, подземный и другие виды стока (ледниковый).
Для всего земного шара в целом существует один источник притока воды – атмосферные осадки и один источник ее расхода – испарение. За год меньше всего воды испаряется с поверхности Северного Ледовитого океана (75 мм), а больше всего – с северо-западной части Атлантики (3200 мм). Это связано со значительными различиями в количестве тепла, поступающего на поверхность океанов, и ветровых режимов над их акваториями. Наибольшее количество осадков получает экваториальная зона океана – в среднем 1600, а в отдельных случаях более 3200 мм в год. В тропических областях их количество составляет менее 50 мм в год.
По данным различных авторов ежегодно во влагообмене на нашей планете участвует от 517 до 577 тыс. км3 воды – всего 0,04% от ее общих запасов. При этом с поверхности морей и океанов испаряется 456-505, а с поверхности суши – 62-72 тыс. км3 воды. В виде осадков в океан возвращается 412-458, на сушу – 106-119 тыс. км3 влаги. Подземным путем (2.4 тыс. км3), из ледников (0.3 тыс. км3) и по рекам океан получает еще 44-47 тыс. км3 воды в год. Продолжительность полного цикла в системе океан – атмосфера, если его рассматривать как отношение объема воды в Мировом океане к скорости испарения с его поверхности, составляет 4000 лет.
Континентальный и морской круговороты обеспечивают довольно быстрое возобновление запаса пресных вод в атмосфере (8 дней), руслах рек ( 10-20 суток) и озерах (7-10 лет), в почве (один год). В океанах же вода обновляется за 3000 лет, подземные воды Земли до глубины 5 км - за 5000 лет, а для воды, законсервированной в виде ледникового льда этот цикл составляет по расчетам разных авторов 8-16 тыс. лет.
В середине ХХ века было высказано предположение о том, что наша планета является не замкнутой, а открытой термодинамической системой - «объем воды в океане не оставался одинаковым, а должен был нарастать от более ранней геологической эпохи к более поздней; именно нарастание, а не колебание объема то в сторону увеличения, то в сторону уменьшения количества воды – главный планетарный процесс эволюции водной массы океана»
Согласно современным представлениям, вода на Земле имеет внутрипланетарную природу. Она является продуктом эволюции протопланетарного вещества, выделившись из Земли в процессе разогрева, плавления и дифференциации (дегазации) ее мантии. Согласно мнению отечественных и американских ученых 1950-1970-х гг. объем такой, «изгнанной» из земных недр воды, может достигать 2-3 млрд. км3 . По этим же оценкам основная масса гидросферы сформировалась к началу палеозоя (570 млн. л.н.), но постоянный приток мантийных вод продолжается и сегодня со скоростью 1 мм в 1000 лет. Запасы же воды в мантии и коре Земли по оценкам тех лет в 1000 раз превышают ее количество в гидросфере планеты (по современным оценкам – около 30 млрд. км3 , превышение составляет 25 раз). В базальтовых породах мантии, например, содержится 5-7% воды. После ее дегазации при вулканической деятельности, выветривании пород, выходе ювенильных вод из рассолов на дне океана, гидросфера может получать до 7% воды из недр планеты в виде водяного пара или в жидкой фазе. При этом также предполагалось, что столько же воды «должно уходить в космическое пространство в процессе фотолиза (см. рис.2.4). Таким образом, При таких условиях общее уравнение водного баланса Земли принимает вид:
P+R+T-E-F = N (N 0), где
T - эндогенное поступление воды; F - потери воды на фотолиз (разложение в высоких слоях атмосферы молекул воды под действием солнечного излучения на более тяжелые молекулы кислорода, возвращающиеся в атмосферу и легкие молекулы водорода, уходящие в космос).
Полвека назад авторы такого заключения признавали, что «мы не можем привести каких-либо цифр, характеризующих соотношение между приходом воды из недр Земли и ее выносом в космическое пространство». Но в конце 1980-х гг. были обработаны результаты многолетнего морского глубоководного бурения (1968-1989 гг) американского судна «Гломар Челенджер» (600 скважин), обнаружившие в осадках и базальтах дна Атлантического, Индийского и Тихого океанов мелководные разновозрастные (от 140 до 5 млн. лет) образования на глубинах 300-1000 м ниже дна или 1800-5000 м ниже уровня моря (186 скважин), являющиеся «бесспорным свидетельством грандиозного опускания дна этих океанов за прошедшие 70-140 млн. лет». Его рассчитанная скорость составила 0.605 мм/год, а так как катастрофического осушения континентов за это время не произошло, то автор оценок полагает, что в это время такой же была и скорость поступления эндогенных вод. Таким образом, получается, что за последние 60 млн. лет на поверхность планеты из ее недр поступило 2.2 млрд. км3 воды из которых 0.1 млрд. км3 ушел на увлажнение морских осадков и биосферы, а 0.5 млрд. км3 – разница с современным объемом гидросферы, как полагает В.В.Орленок, утрачена при фотолизе (7.2 км3/год).
Согласно гипотезе открытого гидрологического цикла, современный рост (1.5 мм/год) уровня вод Мирового океана определяется в основном не потеплением климата (таяние снегов и ледников) – этот фактор дает только 0.7 мм/год, а эндогенным поступлением воды с продуктами вулканизма и в других формах (0.78 мм/год или 37 км3). Указанные факторы, оказываясь по порядку ежегодного вклада в Мировой круговорот воды весьма незначительными, в геологическом масштабе времени оказываются определяющими при оценке общей направленности эволюции земной гидросферы.
Причина наблюдаемого сегодня роста уровня Мирового океана со скоростью 1.5 мм/год, что соответствует ежегодному увеличению объема его вод на 540 км3, с позиций гипотезы замкнутого гидрологического цикла состоит в сокращении водных запасов континентов – на 67% вследствие уменьшения массы ледников, 22% за счет падения уровня подземных вод и на 10% за счет сокращения объема вод бессточных озер.