Круговорот воды
Самым значительным по переносимым массам и по затратам энергии круговоротом на Земле является круговорот воды, образующий основу большого и малого круговоротов. Круговорот воды играет основополагающую роль в создании географической оболочки Земли. За год в него вовлекается 0,04 % массы гидросферы, но это соответствует 16,5 млн. м3 за секунду. Вода – самое распространенное в биосфере вещество. Океаны, полярные шапки льдов, ледники, озера, реки, почва и атмосфера содержат 1,4 млрд. км3 воды в различных ее формах. Физические свойства воды в большинстве своем либо уникальны, либо резко выражены по сравнению с такими же свойствами других веществ. Необычные физические свойства в свою очередь обусловливают уникальный химизм воды. Именно особенности физико-химических свойств воды определяют ее биологическое значение.
Хотя основная масса воды на Земле представлена солеными водами (97,5 %), но и объемы пресных вод колоссальны. Они равны 35 млн. км3.
Таким образом, почти три четверти запасов пресной воды хранится в твердом виде в ледниках и вечных снегах. Измерить количество этой воды очень трудно, и разброс в оценках неизбежен. Если растопить все льды и равномерно распределить воду по Земле, высота столба воды составит по усредненным оценкам около 50 м (максимальная оценка 120 м). Другой крупный резервуар пресной воды – подземные воды – тоже трудно поддается измерению. Если их распределить по всей поверхности Земного шара, то высота водного столба по весьма усредненным оценкам может составить примерно 15 м. Вся вода озер при равномерном распределении примерно составит от 0,4 до 1 м. Среднее содержание водяного пара в атмосфере соответствует толщине слоя воды 30 мм. Эта, как видно, очень малая часть общего запаса играет исключительно важную роль в определении климата и круговорота воды на Земле.
Содержание водяных паров в воздухе зависит от географической широты и времени года. Больше всего водяных паров в области экватора. Если воздух здесь выжать досуха, получилось бы около 44 мм осадков, в средних широтах, скажем, от 40 до 50 °С, осадков набралось бы летом до 20 мм, а зимой до 10 мм. Конечно же, эти цифры зависят от географических условий и погоды. В полярных областях в атмосфере содержится зимой около 2, а летом около 8 мм воды.
Водяные пары поступают в атмосферу при испарении (сюда входит и транспирация растений). Вполне понятно, что главным источником пара в атмосфере служит поверхность океана. Уходит вода из атмосферы в виде дождя или снега, а поскольку выпадение осадков может произойти и вблизи места испарения и за тысячи миль от него, то время пребывания воды в атмосфере может составлять от нескольких часов до нескольких недель. В среднем эта величина составляет 9–10 суток.
При неизменности уровня Мирового океана водный баланс Земли складывается следующим образом. Выпадающие на планете осадки уравновешиваются испарением. Обе величины близки к 577 000 км3 в год. При этом испарение с океана превышает осадки на 47 000 км3. Эта влага и возвращается в океан за счет речного стока.
В настоящее время мировой водный баланс сдвинут в сторону океана. Последний получает больше воды, чем ее испаряется на 430–550 км3 в год. Результатом этого является постепенное повышение уровня океана (примерно на 14 см за последнее столетие). Считается, что около 75 % этой дополнительной влаги океан получает в результате таяния ледников, 18 % – за счет расходования запасов подземных вод и 7 % дают озера.
Считается, что недоиспарение осадков на суше (47 000 км3) связано в основном не с дефицитом тепла (он характерен только для высоких широт), который позволил бы испариться всем осадкам, а с регулирующей ролью экосистем.
Соотношение между объемом выпавших осадков и объемом испарения воды лежит в основе подразделения на гумидную и аридную зоны.
Количество воды, содержащейся во всем живом веществе биосферы, небольшое. Если пересчитать эту воду на осадки, как приведено выше, то ее, очевидно, хватило бы, чтобы покрыть всю земную поверхность слоем в 1 мм. Это на порядок меньше содержания водяных паров в атмосфере, а распределение этой воды варьирует в пространстве и во времени еще сильнее. При богатом урожае в полностью созревшей пшенице (Северная Америка) или сахарной свекле (Северо-Западная Европа) содержится запас воды, равный 5 мм, причем в летний период этот запас обновляется за 2–3 дня. Отсюда можно рассчитать, сколько воды необходимо, чтобы поддерживать оптимальные условия для роста.
За незначительными исключениями основой всей жизни на Земле является фотосинтез, осуществляемый зелеными растениями. Это не только физический процесс, при котором улавливается солнечная энергия, но и химический процесс, приводящий к связыванию воды и двуокиси углерода с образованием углеводов и других, более сложных химических соединений. Вода присутствует в растениях в двух формах: свободной и связанной. Количество связанной воды может составлять менее одной пятой свободной воды.
Круговорот воды, особенно поверхностный и подземный сток на суше определяют гидрогенную миграцию веществ, которая, помимо переноса, состоит из множества процессов растворения, ионного обмена, окислительно-восстановительных реакций, кристаллизации, осаждения и т. п.
Общие запасы воды на Земле оценивается в 1354 млн км3. Если все воды гидросферы равномерно распределить по поверхности планеты, слой ее будет иметь толщину около 2,5 км. В пределах Мирового океана, который занимает примерно 2/3 поверхности Земли, средняя глубина составляет 3,96 км при максимальной 11 022 м (Марианская впадина). Эти огромные запасы воды распределены следующим образом:
1) соленая вода морей и океанов – 97,5 %;
2) воды ледников и постоянных снегов – 1,74 % (почти 70 % всей пресной воды);
3) подземные воды – 0,76 %;
4) озера – 0,007 %;
5) атмосферная влага – 0,001 %;
6) почвенная влага – 0,001 %;
7) реки – 0,0002 %;
8) вода организмов – 0001 %.