Круговорот воды в природе

Вода на земном шаре.

Круговорот большой, малый, звенья круговорота.

 
 
Круговорот большой, малый 
 
Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой (геологический), наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, биологический (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в непрерывном, циклическом, но неравномерном во времени и пространстве, и сопровождающийся более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации. 
 
Оба круговорота взаимно связаны и представляют как бы единый процесс. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, оборачивается через организмы (связывается при дыхании и высвобождается при фотосинтезе) за 2000 лет, углекислота атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 000 000 лет. 
 
Взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы сопровождается непрерывным круговоротом вещества между биотопом и биоценозом в виде чередующихся то органических, то минеральных соединений. Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы, называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом. 
 
Существование подобных круговоротов создает возможность для саморегуляции (гомеостаза) системы, что придает экосистеме устойчивость: удивительное постоянство процентного содержания различных элементов. Здесь действует принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов. 
 
 

Движущие силы круговорота воды

 
 
 
Чрезвычайно важное свойство круговорота  воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и биосферой, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды, атмосферную воду. 
 
Движущие силы круговорота воды - тепловая энергия и сила тяжести. Под влиянием тепла происходят испарение, конденсация водяных паров и другие процессы, а под влиянием силы тяжести - падение капель дождя, течение рек, движение почвенных и подземных вод. Часто эти две причины действуют совместно: например, на атмосферную циркуляцию влияют как тепловые процессы, так и сила тяжести. В круговороте воды выделяются следующие основные звенья: атмосферное, океаническое, материковое, включающее литогенное, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйственное. Каждое из этих звеньев играет в круговороте свою особую роль. 
 
Ни одно из перечисленных звеньев круговорота воды не представляет собой замкнутой системы. Замкнутая, но, учитывая процессы диссоциации молекул воды и диссипации атомов водорода в космос, не вполне строго, система круговорота воды относится лишь к земному шару в целом. Вместе с тем в практической работе принимается условно замкнутым водный баланс, например, для отдельных речных бассейнов или озер.  
Атмосферное звено 
 
Атмосферное звено круговорота характеризуется переносом влаги в процессе циркуляции воздуха и, как уже было сказано, образованием атмосферных осадков. Общая циркуляция атмосферы обладает замечательным свойством — сравнительной устойчивостью из года в год, но при существенной сезонной изменчивости. 
 
Расчеты показывают, что средний слой осадков составляет на суше 765 мм, в океане - 1140 мм, а в целом для всего земного шара - 1030 мм, т. е. немногим более 1 м. В объеме соответствующие величины равны: для суши - 113,5 тыс.км³ (22%), для океана - 411,6 тыс. км³ (78%), для всего земного шара — 525,1 тыс. км³. 
 
Эти объемы воды количественно характеризуют интегральный результат круговорота воды на Земле, но они слагаются из большого числа других процессов, участвующих в круговороте. 
 
Непосредственная роль циркуляции воздуха в круговороте воды заключается в перераспределении атмосферной влаги по земному шару. На материках осадков выпадает больше, чем атмосфера получает влаги за счет испарения с суши. Разница, приблизительно достигающая 40 - 43 тыс. км³ в год, восполняется за счет переноса влаги атмосферы с океана на сушу. Этот процесс имеет большое значение, так как он увеличивает водные ресурсы материков. Без такой прибыли влаги водные ресурсы, используемые человеком на суше, были бы значительно беднее.  
 
 

Океаническое  звено

 
Для океанического звена круговорота  наиболее характерно испарение воды, в процессе которого непрерывно восстанавливается содержание водяного пара в атмосфере. Достаточно сказать, что более 86% влаги поступает в атмосферу за счет испарения с поверхности океана и менее 14% - за счет испарения с суши. 
 
Расход воды на испарение распределяется неравномерно по акватории океана. Это можно хорошо видеть по разности между испарением и осадками. В экваториальной зоне расход воды на испарение из-за большой облачности меньше годовой суммы осадков. В умеренных широтах испаряется воды также меньше, чем выпадает осадков, но основная причина здесь другая - недостаток тепла. В тропической и субтропической зонах с поверхности океана испаряется влаги больше, чем выпадает. Происходит это потому, что в зоне пассатов облачность бывает реже, тепла здесь много, а осадков выпадает относительно меньше. 
Литогенное звено 
 
Литогенное звено круговорота воды, другими словами, участие подземных вод в круговороте воды, весьма разнообразно. Глубинные подземные воды, главным образом рассолы, крайне слабо связаны с верхними слоями подземных вод и с другими звеньями круговорота воды. Накопление глубинных подземных вод в некоторых областях происходило в течение многих миллионов лет. Весьма медленно просачиваясь вглубь и пополняясь за счет дегазации мантии, на глубинах (чаще всего более 1-2 км) образовались огромные скопления воды. Но их участие в круговороте воды выражено весьма слабо. Глубинные подземные воды, если сравнивать с круговоротом воды — явлением природы весьма динамичным, практически стабильны. Нх объем весьма незначительно меняется в течение коротких периодов времени. Они обычно сильно минерализованы, вплоть до крепких рассолов, что и служит главным признаком слабого обмена. 
 
Пресные подземные воды залегают преимущественно в зоне активного водообмена, в верхней части земной коры, дренируемой речными долинами, озерами и морями. Именно благодаря интенсивному водообмену, относительно частым переходам через фазу конденсации атмосферной влаги эти воды слабо минерализованы, практически пресны. 
 
Явлению естественного дренажа подземных вод принадлежит исключительно важная роль в круговороте. Благодаря ему одно из звеньев круговорота приобретает регулирующие свойства - реки получают устойчивое питание. Без этого источника водный режим рек был бы еще более изменчив - вода в реках появлялась бы лишь во время дождей или при снеготаянии, а в остальное время реки пересыхали бы. Реки с таким режимом распространены в зоне сухой степи и в пустыне. Здесь подземные воды получают очень слабое питание, быстро иссякают и их участие в питании рек весьма незначительно. Поэтому такие сравнительно большие реки, как Малый и Большой Узень в Заволжье, текут лишь непродолжительное время весной. По этой же причине вади Сахары, омурамбо пустыни Калахари и крики Австралии в течение нескольких лет бывают сухими и превращаются в стремительные потоки во время редко выпадающих здесь интенсивных ливней. Использование водных ресурсов таких рек возможно лишь путем создания водохранилищ большой емкости, собирающих паводочные воды и в какой-то мере заменяющих подземные воды, обладающие, как правило, высокой естественной регулирующси способностью. 
 
Распределение подземных вод по территории и интенсивность их возобновления связаны с геологическим строением и географической зональностью. Оба этих фактора тесно переплетаются, и не всегда возможно разделить их влияние. Комплекс компонентов природы (климат, почвенный покров, рельеф, растительность) оказывает существенное влияние на формирование подземного стока.  
 
Геологическое строение заметно влияет на местный круговорот воды и на водный баланс при существенных его отклонениях от обычных условий. Большое влияние оказывает карст. В закарстованных районах горные породы (обычно известняки или гипсы) интенсивно выщелачиваются, в результате чего создаются пустоты, подземные туннели, пещеры, в которых свободно циркулирует вода, просочившаяся с поверхности. 
 
В условиях полностью закарстованной, легко проницаемой территории вода быстрее просачивается вглубь, в меньшем объеме задерживается в верхних слоях горных пород и тем самым лучше сохраняется от испарения. Это способствует повышению стока в основном за счет устойчивой части подземного происхождения.  
 
Примерно такое же влияние на водный баланс, особенно на литогенное звено круговорота воды, оказывают хорошо проницаемые для воды вулканические туфы. Армянское нагорье, сложенное такими горными породами, отличается почти полным отсутствием поверхностного стока, так как при выпадении осадков и при снеготаянии вся вода быстро просачивается вглубь и питает подземные воды. В этих условиях формируются обильные источники подземных вод.  
 
Речное звено 
 
Речное звено круговорота воды изучено лучше других. И это не случайно. Человек издавна селился вдоль рек, продвигался по рекам в неведомые страны, пил речную воду, ел рыбу, выловленную в реках. С развитием производительных сил человек стал использовать речные воды для орошения, а в дальнейшем - в качестве источника энергии, сначала возводя на них примитивные мельничные колеса, а затем гидроэлектростанции вплоть до современных мощностью в несколько миллионов киловатт. 
 
Древние культуры многих народов неразрывно связаны с реками: египетская - с Нилом, ассирийская и вавилонская - с Евфратом и Тигром, индийская - с реками Инд и Ганг. 
 
Люди зависели от режима рек - страдали от их наводнений и вместе с тем использовали разливы для орошения полей. Но все это служило толчком к познанию свойств и закономерностей водного режима. Уже в XX в. до н.э. в Древнем Египте проводились наблюдения над уровнями воды Нила. В Асуане сохранился древнейший нилометр. Нилометр более позднего времени существует на о-ве Рода в черте г. Каира. Эти сооружения находились в ведении жрецов, вещавших народу, какой ожидается урожай. Такая связь между уровнями воды в реке и урожаем не случайна: при высоких паводках разлив реки распространялся на большую площадь и был более продолжительным, что сулило высокий урожай, при низких паводках урожай снижался. С начала мусульманской эпохи на каирском километре ежегодно отмечалась высота паводка. Так сохранились сведения о паводочных подъемах уровней Нила почти за 12 столетий. 
 
Роль рек в процессе круговорота заключается в возвращении океану той части воды, которая переносится в виде пара атмосферой с океана на сушу. По этой причине с океана испаряется больше воды, чем выпадает в виде осадков, на величину, соответствующую годовому стоку всех рек в океан. В то же время с суши испаряется в целом меньше воды, чем выпадает атмосферных осадков на ее поверхность. 
 
Все источники питания рек делятся на две группы: поверхностные и подземные. Поверхностный сток, или вода, стекающая в русла рек по поверхности почвы, может быть разного происхождения. От таяния снежного покрова образуется снеговой сток, при выпадении дождей - дождевой. В особую группу выделяется высокогорный снеговой (т. е. от таяния многолетних снегов) и ледниковый сток. На окраинах полярных ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды образуются своеобразные реки, текущие среди ледяного поля в руслах изо льда. Они появляются на период короткого полярного лета и питаются за счет абляции поверхности ледяных щитов.  
 
Все виды поверхностного стока образуют на реках паводки, продолжительность которых меняется в значительных пределах.  
 
С точки зрения интересов человека поверхностный сток с территории полей, лугов, лесов больше отрицательное явление, чем положительное. Во-первых, он источник безвозвратных потерь воды для сельскохозяйственных полей, что особенно ощутимо в районах недостаточного увлажнения. Во-вторых, в процессе отекания воды по поверхности происходит смыв почвы, образуются промоины и овраги; в горах возникают грозные грязе-каменные потоки - сели; эрозия наносит огромный вред хозяйству. В-третьих, поверхностный сток, как уже было сказано, образует паводки, вызывающие разливы рек и наводнения, наносящие большой ущерб хозяйству. 

Круговорот воды. Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека – по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки поглощаются почвой или стекают в моря и океаны.

Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса (рис. 1.3):

• перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков, это – физическое испарение;
• транспирация – биологическое испарение воды растениями, но не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т. е. экосистемная. Растения, потребляя около 40% общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;
• инфильтрация – просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней коллодоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;
• сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.

Отличие циклов углерода и  азота от круговорота воды состоит  в том, что в экосистемах два  названных элемента накапливаются  и связываются, а вода проходит через  экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на формирование биомассы 1% воды, выпавшей в виде осадков.

Под действием солнечного тепла вода испаряется с поверхности  водоемов. Водяной пар поднимается  в атмосферу, где из него образуются облака. Воздушные течения переносят  облака на большие расстояния. Водяные  пары конденсируются, образуются капельки воды, происходит выпадение осадков.

При этом влага впитывает  и растворяет атмосферные газы, в  основном углекислый газ, образуется раствор  углекислоты. Поэтому дождевая вода немного кислая. А над промышленными  районами дождевая вода ещё более  кислая, потому что там содержание углекислоты в воздухе выше, плюс в воздухе часто содержатся сернистые  газы – образуется серная кислота.

Стекая по склонам, кислая дождевая вода растворяет соли кальция  и магния, из которых состоят мягкие горные породы. Воду с высоким содержанием  этих солей называют жёсткой.

Различают временную жёсткость воды и постоянную.

Временная жёсткость воды образуется за счет присутствия в воде карбонатов и гидрокарбонатов кальция и магния. Эти соли растворимы в воде, и они будут растворены в ней до тех пор, пока изменение давления или температуры не сделает раствор перенасыщенным. Тогда произойдет выпадение солей с образованием твердой корки накипи на нагретых или на неровных поверхностях, таких как трубы, теплообменники и нагревательные элементы.

Постоянная жесткость  обусловлена в основном присутствием в воде сульфатов кальция и  магния. Эти соли не так чувствительны  к изменениям давления и температуры, однако если вода будет испарена, они  также образуют твердую корку  накипи.