Гидрология

Между водными объектами гидросферы — океанами, морями, реками, озерами, болотными и подземными водами земной коры — осуществляется непрерывный водообмен, благодаря которому утрачивается дискретный характер гидросферы. Круговорот воды связывает воедино все воды Земли (см. форзац 1). Механизм круговорота действует повсеместно и непрерывно. Энергетической основой его являются тепловая энергия Солнца и гравитационная энергия. Влияние тепла обусловливает испарение, конденсацию водяных паров и другие процессы, под действием силы тяжести происходит выпадение дождей, течение рек, движение почвенных и подземных вод. Под действием солнечной радиации с поверхности Мирового океана испаряется 505 тыс. км3 воды в год, а с суши — 72 тыс. км3 воды; всего с поверхности Земного шара в среднем испаряется 577 тыс. км3 воды за год. Вода, испарившаяся с поверхности океанов, большей частью конденсируется и возвращается в виде атмосферных осадков непосредственно в океан, совершая так называемый малый или океанический круговорот. Меньшая ее доля переносится воздушными течениями на сушу, принимая участие в большом или мировом круговороте. Большой круговорот представляет собой процесс перемещения, расходования и возобновления влаги на земной поверхности, в недрах Земли и атмосфере.

Атмосферные осадки, выпавшие на сушу, частично, просачиваются в почву, образуя грунтовые воды, частично стекают по земной Поверхности, образуя ручьи, реки, озера, болота, а остальная часть испаряется. Из этого общего круговорота может быть выде- местный или внутриматериковый круговорот. Влага, поступившая в атмосферу в результате испарения с поверхности суши и водных объектов, дополняет то количество ее, которое поступает с океана. Воздушными течениями она переносится в глубь материка и, выпадая в виде дождя и снега, орошает территории, более или менее отдаленные от океана. Выпавшие осадки вновь испаряются, просачиваются в почву, стекают по земной поверхности. Таким образом, в процессе внутриматерикового круговорота влага, принесенная с океанов и морей, делает несколько оборотов в пределах материка, прежде чем попасть в реки и стечь в Мировой океан, т. е. завершить большой круговорот воды в природе.

Часть вод объемом порядка 7,7 тыс. км3, стекающих по земной поверхности, не попадает в океаны и моря.

Замкнутые пространства, не имеющие связи с океаном, сток с которых не достигает океана называют бессточными (по отношению к океану) или областями внутреннего стока. Воды этих областей расходуются на испарение либобо по пути стока, либо с поверхности конечных замкнутых водоемов, куда они стекают.

Такая краткая характеристика является весьма схематизированной ввиду значительной сложности реального явления круговорота воды в природе, так как не раскрывает многие явления и процессы, связанные с круговоротом воды.

В круговороте воды выделяются следующие основные звенья: атмосферное, океаническое и материковое, включающее литогенное *, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйственное. Каждому звену присуща своя особая роль. Ни одно из них не существует обособленно, все они находятся в постоянном взаимодействии. Замкнутая система круговорота воды может быть отнесена лишь к Земному шару в целом, если не учитывать процессы диссоциации молекул воды в атмосфере и удаления атомов водорода в космос.

Для характеристики продолжительности смены всего объема воды составляющих звеньев в процессе круговорота введено понятие «активности водообмена». В атмосферном звене совершается перенос влаги в процессе атмосферной циркуляции воздуха и образование атмосферных осадков. Испарившаяся с поверхности океана вода объемом 47 тыс. км3 переносится на сушу и участвует в формировании водных ресурсов материков. Этот объем соответствует стоку речных и подземных вод суши в океан, причем на долю речного стока приходится около 45 тыс. км3, на долю стока подземных вод, не дренируемых реками,— около 2 тыс. км3. Единовременный запас влаги в атмосфере равен 14 тыс. км3. Объем осадков, выпадающих на поверхность Земли за год, в целом составляет 577 млн. км3, т. е. превышает запас влаги в атмосфере в 41 раз. Таким образом, влага атмосферы возобновляется примерно каждые 9 сут. Океаническое звено характеризуется непрерывным восстановлением запасов влаги в атмосфере путем испарения. За счет испарения с поверхности океана в атмосферу поступает более 86% общего количества испарившейся влаги и менее 14% за счет испарения с суши. Разделив объем вод океана 1338,5 млн. м3) на величину ежегодного испарения с поверхности Мирового океана 505 тыс. км3), получим продолжительность смены воды океана в процессе круговорота примерно через 2700 лет. Значительным разнообразием по активности участия его вод в процессе круговорота отличается материковое звено. Литогенное звено круговорота выражается в участии подземных вод, которое весьма различно по степени подвижности воды.

Глубинные подземные воды, главным образом рассолы (глубина более 2000 м), практически стабильны. Период их возобновления достигает нескольких миллионов лет. Период возобновления свободных подземных вод земной коры до уровня 2000 м составляет 1400 лет. Подземные воды, залегающие вблизи земной поверхности до уровня дренирования речной сетью, являются источником питания рек. Продолжительность их обмена колеблется от месяца до нескольких лет.

Литогенное звено включает и почвенное, в котором осуществляется обмен влагой как с атмосферой, реками и озерами, так и с нижележащими грунтовыми водами. Возобновление и расходование запасов почвенных вод происходит примерно в течение года.

Речное звено круговорота имеет особенное значение. По речным руслам возвращается в океан большая часть воды, которая поступила на сушу в процессе круговорота. Единовременные объемы воды, содержащейся в руслах рек, возобновляются, по данным разных авторов, за 12... 25 сут. В реках с проточными озерами интенсивность водообмена замедляется до трех лет.

Время возобновления запасов воды в озерах колеблется от года для малых озер в засушливых областях до нескольких лет для больших озер со слабой проточностью.

Незначительна и степень подвижности воды в болотах, расходующих запасы влаги в основном на испарение с водной поверхности, транспирацию (испарение) болотной растительностью и небольшими объемами на фильтрацию в русла рек.

Большие массы воды законсервированы в ледниках. В результате медленного движения льда период возобновления запасов воды 1 ледниках, по данным разных авторов, колеблется от 1600 до 15000 лет.

Самой активной формой водообмена обладают воды, входящие в состав живых организмов, которые возобновляются в течение нескольких часов. Биологическая вода расходуется на траспирацию и фотосинтез. На транспирацию приходится 40% суммарного испарения со всей суши и 7% испарения с поверхности Земли.

Хозяйственное звено круговорота, заключающееся в использовании водных ресурсов Земли, их преобразование занимают особое место.

1.4. ВОДНЫЙ БАЛАНС

Соотношение за какой-либо промежуток времени (год, месяц, декаду и т. д.) прихода, расхода и аккумуляции (изменение запаса) воды в целом для всей поверхности Земли или для ее крупных регионов называют водным балансом. Понятие «водный баланс» используется для количественной оценки процесса круговорота воды в природе и вместе с тем служит основой для получения представления о водных ресурсах Земли.

В водном балансе Земли основными элементами являются атмосферные осадки, испарения и сток (табл. 1.4).

1.5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Солнце является основным источником тепла для поверхности нашей планеты, верхнего слоя почвы, Океана и атмосферы.

Различают прямую и рассеянную солнечную радиацию. Часть ее отражается земной и водной поверхностями, часть излучается в атмосферу и межпланетное пространство.

На поверхности раздела водная поверхность — атмосфера, а также в толще воды непрерывно происходят процессы, изменяющие тепловое состояние вод. Некоторые процессы сопровождаются

Поглощением тепла и приводят к повышению температуры воды, другие приводят к потере тепла и понижению температуры. Для количественной оценки закономерностей развития тепловых и динамических процессов, происходящих под влиянием теплообмена Между водными объектами и окружающей средой, применяют уравнение теплового баланса.