6.3.2. Круговорот воды

Выше отмечалось, что Земля практически не обменивается с окружающим пространством веществом. Не является в этом отношении исключением и вода. Известен только один источник поступления воды в экосистему Земли в целом, дающий не более 0,25 км³воды в год. Это так называемая ювенильная вода, выделяющаяся при извержении вулканов. В верхних слоях атмосферы происходит разложение воды на водород и кислород под действием космических лучей. Водород при этом теряется в окружающем космическом пространстве. Это единственный известный расход воды, также весьма незначительный. В целом количество воды на Земле остается практически неизменным.

Следовательно, как и в случае с другими веществами, речь должна идти о круговороте воды в природе. Этот круговорот иногда называют еще гидрологическим циклом. В самых общих чертах круговорот воды включает в себя испарение воды с поверхности земли или воды и возвращение ее обратно в течение довольно небольшого периода времени в результате конденсации и выпадения осадков. Ежегодно в этом круговороте участвует 525100 км³воды (из них более 411000 км³с поверхности океана, из которых более 100000 км³выпадает затем на сушу в виде осадков), что составляет приблизительно 0,036 % всего ее количества. Это так называемыймалый круговорот воды, поскольку он не включает, например, воду, содержащуюся в ледниках и многолетнем снежном покрове или глубоко лежащие грунтовые воды, которые также участвуют в круговоротах, но со значительно большими характерными временами. Последние в совокупности с малым круговоротом образуютбольшой круговорот воды. Еще раз отметим, что источником энергии для круговорота воды является солнечная энергия. В таблице 6.8 приведены характерные времена водообмена для различных форм воды.

Таблица 6.8

Скорость водообмена

Форма воды	Скорость водообмена
Подземные воды многолетней мерзлоты	10000 лет
Полярные ледники и постоянный снежный покров	9700 лет
Мировой океан	2500 – 3000 лет
Ледники горных районов	1600 лет
Подземные воды	1400 лет
Вода озер	17 лет
Вода болот	5 лет
Почвенная влага	1 год
Вода в руслах рек	12 – 16 дней
Вода в атмосфере	8 – 10 дней
Вода в организмах	несколько часов

Рассмотрим более детально некоторые фазы круговорота воды.

Большой круговорот воды состоит из нескольких различных "петель", но практически все петли включают в себя газообразную фазу, образующуюся в результате испаренияводы с поверхности суши или воды, а также в результате процессатранспирации, т.е. выделения воды растениями. Сочетание испарения и транспирации называетсяэвапотранспирацией. Растения используют около половины атмосферных осадков, оставляя себе лишь ничтожную часть воды, а остальное выделяя обратно в атмосферу.

Так, например, за период роста пшеница откачивает из почвы в атмосферу с одного гектара 2000 т воды, кукуруза – 3200 т, капуста – 8000 т, рис – от 12000 до 20000 т. Один подсолнечник испаряет за лето 200 л воды, одна взрослая береза это же количество воды испаряет всего за один летний день, а ива в жаркие дни способна перекачать воды в 100 раз больше березы. Еще большей способностью к транспирации обладают эвкалипты, которые поэтому даже используют в теплых странах для осушения болот.

Концентрация водяного пара определяет влажность воздуха. Когда воздух, максимально насыщенный водяным паром, охлаждается, вода конденсируется – происходит образование мельчайших капель воды (при отрицательной температуре – кристалликов льда): образуется роса, "запотевают" другие твердые поверхности, в атмосфере образуются облака и туман. Когда эти капли или кристаллики становятся достаточно большими, они выпадают на поверхность Земли в виде осадков (дождь, снег, град).

Мы уже отмечали, что количество осадков – основной фактор, определяющий тип экосистемы на той или иной территории. Распределение осадков на Земле весьма неравномерно: от практически нуля до 3000 мм и более в год. Наибольшее количество осадков выпадает там, где в атмосфере преобладают восходящие воздушные потоки, поскольку, поднимаясь, воздух остывает. Наоборот, там, где доминируют нисходящие воздушные потоки или воздушная масса более или менее неподвижна, осадков выпадает меньше всего. Существуют две ситуации, когда образуются более или менее постоянные восходящие и нисходящие воздушные потоки.

Первая ситуация характерна для экваториальных районов, где солнечные лучи сильно нагревают земную поверхность и тем самым приповерхностные слои воздуха. Это создает мощные восходящие потоки воздуха. Восходящие потоки достаточно быстро остывают, т.к. низкое давление в верхних слоях атмосферы вызывает расширение воздуха и тем самым понижение его температуры. Воздух отдает тепло в окружающее космическое пространство, а содержащийся в нем водяной пар конденсируется и выпадает на поверхность Земли в виде осадков. Поэтому экваториальные области отличаются весьма большим количеством осадков. Но воздух, поднявшийся вверх над экваториальной областью, должен рано или поздно опуститься вниз. Это происходит в субэкваториальных областях (на 25 – 35 севернее и южнее экватора). Для этих областей характерно очень малое количество осадков, что способствует развитию в них пустынь, в частности, в этой области находится пустыня Сахара.

Вторая ситуация реализуется в тех областях, где пассаты (ветры, дующие почти непрерывно в одном направлении) наталкиваются на высокие горные хребты. При этом влажный воздух поднимается вверх, что приводит, как и в первой ситуации, к обильному выпадению осадков на наветренных склонах гор. После того, как воздух "перевалит" через хребет, он начинает опускаться вниз, нагреваясь при этом. Способность воздуха удерживать влагу увеличивается, и поэтому на подветренных склонах образуются области с весьма малым количеством осадков – так называемая дождевая тень. Эта ситуация характерна, например, для тихоокеанского побережья Северной Америки: влажные западные ветры с Тихого океана наталкиваются на горный хребет Сьерра-Невада в Калифорнии, в результате на западных склонах хребта выпадает много осадков и произрастают пышные леса, а восточнее начинается так называемая Долина Смерти.

Вода, попавшая на поверхность земли, далее может следовать двумя путями (рис.6.1): впитаться в землю (инфильтрация) или стекать по ее поверхности (поверхностный сток). Через поверхностный сток вода попадает в ручьи, реки и далее в моря и океаны или в другие водоемы под открытым небом (пруды, озера и т.д.), где происходит ее испарение. Эти водоемы (исключая моря и океаны) называютсяповерхностными водоемами.

Рис.6.1. Малый круговорот воды

Вода, впитавшаяся в землю, также распределяется по двум направлениям. Во-первых, она может удерживаться в почве в количестве, зависящем от водоудерживающей способности почвы, – капиллярная вода. Во-вторых, под действием силы тяжести она может проникнуть на значительную глубину, превышающую толщину почвенного слоя, –гравитационная вода.

Капиллярная вода возвращается в атмосферу путем эвапотранспирации. Гравитационная вода рано или поздно достигает непроницаемого для нее слоя горной породы или плотной глины и накапливается над ним, заполняя все подземные поры, трещины и пустоты. Эти запасы воды называются грунтовыми водами, а их верхняя граница –уровнем грунтовых вод. В грунтовых водах сосредоточена основная масса пресной воды, по различным оценкам объем грунтовых вод превосходит объем всех поверхностных водоемов в 25 – 75 раз. Подземные слои породы часто залегают наклонно, что приводит к медленному движению (течению) грунтовых вод по слоям пористого материала –водоносным горизонтам. Место, где грунтовые воды поступают в водоносный горизонт, называетсязоной пополнения. Если зона пополнения располагается на большой высоте, то это приводит к тому, что в водоносном горизонте создается повышенное давление. В этом случае водоносный горизонт называетсяартезианским. При выходе водоносного горизонта на поверхность образуютсяродники(отметим, что зона пополнения и места выхода водоносного горизонта на поверхность земли могут быть удалены друг от друга на значительное расстояние). Таким образом, грунтовые воды снова становятся частью поверхностных и возвращаются в общий круговорот.

Круговорот воды в природе постоянно воспроизводит запасы пресной воды на Земле, поскольку с осадками выпадает практически пресная вода (мы не рассматриваем сейчас последствий вмешательства человека в круговорот воды и связанное с ним повышение кислотности осадков). Попавшая в поверхностный сток вода захватывает частицы почвы, детрит с питающимися им микроорганизмами и т.п. и поэтому может быть сильно загрязненной. Однако в естественных условиях лишь незначительная часть воды из осадков попадает в поверхностный сток. Основная часть воды просачивается в землю. При этом по мере прохождения через почву и нижележащие слои пористой породы из воды отфильтровываются частицы грязи, детрит и микроорганизмы. Результатом является то, что в естественных условиях грунтовые воды, как правило, представляют собой пресную воду очень высокого качества, вполне пригодную для питья. В ряде случаев при прохождении через слои породы гравитационная вода растворяет и вымывает некоторые минералы. Этот процесс называется выщелачиванием. В результате выщелачивания образуются подземные пустоты – так называемые карстовые пустоты. Так, во многих местах планеты образовались обширные карстовые пещеры в результате вымывания известняка (карбоната кальция). Как уже говорилось, в большинстве случаев грунтовые воды с растворенными в них в естественных условиях веществами безвредны, а иногда даже обладают лечебными свойствами.