4.4. Круговорот воды на земном шаре

Круговорот воды на земном шаре – замечательная особенность гидросферы Земли и природных условий планеты в целом. Круго­ворот воды создает основной механизм перераспределения на Зем­ле вещества и энергии, объединяет в единое целое не только вод­ные объекты, но и разные части планеты. Круговорот воды на Земле – основа возобновляемости водных ресурсов.

Физической причиной круговорота воды на земном шаре слу­жат солнечная энергия и сила тяжести. Солнечная энергия – это причина нагревания и последую­щего испарения воды. Неравномерное распределение по Земле солнечной энергии приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, вызывает воздушные потоки – ветры, пе­реносящие испарившуюся влагу (водяной пар) и создающие ветро­вые течения в океане. Неравномерное распределение солнечной энергии приводит также к неравномерному распределению плотно­сти воды в океане и, как следствие, к возникновению плотностных течений.

Сила тяжести вынуждает сконденсировавшуюся в атмосфере при благоприятных условиях влагу выпадать в виде атмосферных осадков, а также все поверхностные и подземные воды стекать сначала к дренирующим местность рекам, а, в конечном счете, к океану. Естественно, что стекание вод под действием силы тяже­сти объясняется наклоном поверхности Земли и слоев в земной коре, что, в свою очередь, создается тектоническими и геоморфо­логическими процессами.

Глобальный круговорот воды (гидрологический цикл). В глобаль­ном круговороте воды (рис. 2) выделяют два звена: океаническое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности океана – перенос водяного пара над оке­аном – осадки на поверхность океана – океанические течения – испарение и т.д. (рис. 2, А); материковое звено, представляю­щее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверх­ности суши – перенос водяного пара – осадки на поверхность су­ши – поверхностный и подземный сток – испарение и т.д. (рис. 2, Б и Б'). Оба звена связаны между собой переносом водяного пара с океана на сушу и, наоборот, поверхностным и подземным стоком с суши в океан.

С океана ежегодно испаряется в среднем 505 тыс км³, возвра­щается в океан в виде атмосферных осадков 458 тыс км³. Испаря­ется с океана, таким образом, больше, чем возвращается с осадками.

Рис. 2. Схема глобального круговорота воды

Разность в 47 тыс км³ составляют воды, которые переносятся с океана на сушу в виде водяного пара. Таким образом, в океани­ческое звено круговорота воды на Земле вовлечено 458 тыс км³ воды в год.

На поверхность суши ежегодно выпадает в среднем 119 тыс км³ атмосферных осадков. Они слагаются из воды, испарившейся с по­верхности суши (72 тыс км³), и влаги, принесенной с океана (47 тыс км³). Таким образом, в материковом звене круговорота воды на Земле принимает участие 72 тыс км³ в год. Важно отме­тить, что из 72 тыс км³ испаряющейся ежегодно с поверхности суши воды 30 тыс км³ (42 %) приходится на транспирацию расти­тельным покровом.

Водообмен между сушей и океаном составляет, как уже указы­валось, 47 тыс км³ в год. Переносимая с океана влага возвращается в него с равным ей по величине материковым стоком. Материко­вый сток (47 тыс км³ воды в год) слагается из поверхностного (44,7 тыс км³ в год) и подземного, не дренируемого реками (2,2 тыс км³ в год). Поверхностный сток, в свою очередь, включа­ет водный сток рек, впадающих в океан (41,7 тыс км³ в год), и ледниковый сток (3,0 тыс км³ в год). Наибольшую часть ледникового стока дает Антарктида (2,3 тыс км³ в год).

При исследовании гидрологических процессов на суше очень важно учитывать, что суша подразделяется на две ча­сти – области внешнего стока, откуда выпавшие атмосферные осад­ки так или иначе поступают в Мировой океан, и области внутрен­него стока (бессточные области), не дающие стока в Мировой океан. На долю областей внешнего стока приходится 80 % площади суши, на долю областей внутреннего стока (бессточных) – 20 %.

Главный водораздел земного шара делит всю сушу на два склона: первый – со стоком рек в Атлантический и Северный Ледовитый океаны и второй – со стоком рек в Тихий и Индийский океаны.

В областях внешнего стока ежегодно выпадает 110 тыс км³ осадков, а испаряется 63 тыс км³. Разница (47 тыс км³) и состав­ляет материковый сток в океан. В областях внутреннего стока выпадает в общей сложности 9 тыс км³ осадков в год, и весь этот объем воды в конечном счете испаряется.

Внутриматериковый влагооборот. Осадки на любом участке суши складываются из "внешних", сконденсировавшихся из водяного пара, пришедшего извне, и "внутренних" (или местных), сконденсиро­вавшихся из влаги, испарившейся с поверхности данного конкрет­ного участка суши. Этот сложный многократно повторяющийся процесс называется внутриматериковым влагооборотом.

Рис.3. Схема внутриматерикового влагооборота

Составляющие влагооборота над ограниченным участком суши за интервал време­ни Δt будут заданы следующими величинами (рис. 3). С атмос­ферным воздухом поступает извне влага объемом А. Величина ис­парения с поверхности земли равна z. Осадки могут быть представ­лены как x = x_A + x_z, где х_А – внешние осадки из водяного пара, пришедшего извне, х_z – внутренние (местные) осадки. Часть осад­ков переходит в воды поверхностного у и подземного w стока.

За пределы участка будет вынесен водяной пар, количество которого С включает как часть влаги, пришедшей извне, так и часть испарившейся в пределах участка. Величина С может быть выраже­на уравнением:

C=A-x + z (18)

Важной характеристикой внутриматерикового влагооборота слу­жит отношение внешних и внутренних (местных) осадков x_A/x_z или отношение всех осадков к внешним осадкам х/х_А. Последнюю вели­чину называют коэффициентом влагооборота:

K_вл=1 + zL/(2ua) (19)

где z – испарение с рассматриваемого участка суши; L – длина участка; и – средняя скорость воздушного потока; а – среднее влагосодержание воздуха на наветренной стороне участка. Из этого уравне­ния следует, что интенсивность внутриматерикового влагообо­рота тем больше, чем больше размер территории и больше испа­рение, и тем меньше, чем больше влагосодержание приходящего извне воздуха. Для небольших по площади участков суши К_вл при­ближается к 1. Величина K_вл свидетельствует о возможностях вла-гообеспечения территории за счет местных ресурсов воды. В засуш­ливых районах К_вл меньше, в увлажненных – больше. В среднем для частей света получены следующие величины К_вл: Европа – 1,42; Азия – 1,62; Африка –1,42; Северная Америка – 1,54; Южная Америка – 1,68; Австралия –1,14.

Влияние антропогенного фактора на круговорот воды. Важная и новая задача современной гидрологии – это оценка влияния хо­зяйственной деятельности на процессы круговорота воды и водные ресурсы.

В минувшем столетии существенно возросли объемы безвоз­вратного водопотребления. Однако заметного влияния на кругово­рот воды в масштабах всей Земли или даже континентов эти объемы воды, по-видимому, не оказали. Поэтому применительно к континентам, а тем более к планете в целом термин "безвозвратные потери" может использоваться лишь условно. Конечно, безвозвратное (в традиционно понимаемом смысле) водопотребление существен­но влияет на водные ресурсы небольших регионов, отдельных реч­ных бассейнов и водоемов. Так, вследствие изъятия воды на оро­шение существенно сократился сток многих рек Индии, уменьшил­ся сток в устьях рек Днепра и особенно Амударьи, Сырдарьи, Терека.

Единственным антропогенным фактором, действительно ока­завшим влияние на круговорот воды и приведшим к изъятию из этого круговорота некоторого объема воды, было накопление воды в водохранилищах. Создание водохранилищ привело к уменьшению притока вод в океан и к некоторой задер­жке наблюдавшегося повышения его уровня.

Глобальное потепление климата, перераспределение вод между отдельными объектами гидросферы и повышение уровня Мирового океана, как полагает ряд ученых, также имеют в основном антропогенные причины.