2.1. Природные процессы в гидросфере

При рассмотрении процессов накопления, сохранения и динамики воды в земном пространстве три понятия являются центральными и неразрывно связаны друг с другом: гидросфера, круговорот воды и водный баланс. Суть этих понятий: 1) гидросфера — одна из геосфер Земли, объединяющим веществом которой является несвязанная вода; 2) круговорот воды (влагооборот или водообмен) — это динамическая характеристика гидросферы, совокупность процессов, присущих гидросфере и связывающих её воедино; 3) водный баланс — количественное выражение круговорота воды.

В ходе геологической истории Земли формировались следующие круговороты воды, или влагообороты.

Геокосмический круговорот возник с началом образования Земли как планеты. Он представляет собой водообмен между Землёй и Космосом. Поступление воды и составляющих её элементов из межпланетного пространства на Землю происходит вместе с метеоритным веществом и космической пылью, и обратно — из сферы притяжения Земли в Космос путём диссипации водорода (в сильно разрежённой верхней атмосфере под действием ультрафиолетовых лучей, когда скорость движения атомов водорода превышает 1/4 второй космической скорости: 11,2 : 4 = 2,8 км/сек).

Атмосферно-океанический круговорот существует, по-видимому, с архея, когда произошло разделение поверхности Земли на первичный мелководный океан и отдельные острова суши. Этот круговорот в основном слагался из процессов: испарения влаги с поверхности океана, переноса её с облаками и выпадения осадков снова преимущественно в океан. Такой тип круговорота продолжается и ныне: мы наблюдаем его, когда влагооборот осуществляется, не покидая акватории океанического пространства.

Атмосферно-континентально-океанический круговорот стал развиваться по мере становления и развития материков. Такой круговорот слагается из процессов: испарения влаги с поверхности океана и материков, облакообразования, переноса облаков, выпадения осадков в других местах суши или океана и стока (поверхностного и подземного) с суши в океан. Такой круговорот, в ранние геологические эпохи господствовавший на планете, ныне наблюдается в регионах, где развит ледниковый покров, а органический мир лишь начинает развиваться.

Атмосферно-литосферно-биосферно-океанический круговорот стал зарождаться с началом формирования органического мира и особенно после выхода растительности из океана на сушу. С развитием биосферы стало возрастать её участие в процессе круговорота воды, и в настоящее время этот тип круговорота воды на планете имеет доминирующее значение. Он представляет собой непрерывный процесс перемещения воды на Земле, происходящий под воздействием солнечной энергии и силы гравитации, и охватывает гидросферу, атмосферу, литосферу и живые организмы.

Скорость влагооборота в разных участках гидросферы различна. В атмосфере водяной пар заменяется 40 раз в год, или каждые 9 суток, здесь наблюдается наиболее высокая скорость обмена влаги. На испарение годового количества выпадающих из атмосферы осадков затрачивается 20% поступающей на Землю энергии, но столько же выделяется при конденсации соответствующего количества водяного пара. Поэтому круговорот влаги сопровождается круговоротом тепловой энергии.

Общее количество воды в реках меняется каждые 16 дней; в болотах — 5 лет; в озёрах — 17 лет; в подземных водах — 1400 лет; в океанах и морях — каждые 2600–3000 лет, причём полное перемешивание воды происходит за 63 года.

Наиболее медленно протекает обмен воды в ледниках: в горных районах каждые 1600 лет, а в ледниковых щитах — каждые 15000–20000 лет.

Интенсивность влагооборота представляет собой частное от деления общего количества выпадающей за год воды на всю поверхность Земли на среднее содержание воды в атмосфере в газообразном, жидком и твёрдом виде. Интенсивность общего влагооборота Земли в современную эпоху характеризуется числом 38. Если принять эту величину за единицу, то по широтам северного полушария интенсивность влагооборотов будет иметь следующие значения:

Отсюда видно, что минимальные значения интенсивности влагооборотов на разных широтах характерны для тропического и субтропического поясов (в связи с уменьшением годового количества осадков в этих широтах) и максимальные — для умеренного пояса (благодаря увеличению годового количества осадков и влиянию западно-восточного переносов воздушных масс) и экваториального пояса (большое количество осадков при значительном испарении).

Водный баланс Земли представляет собой равенство, связывающее количество воды в виде осадков, поступающих на земную поверхность, и количество воды, испаряющееся с поверхности суши и Мирового океана за определённый промежуток времени, чаще всего в среднем за многолетний период (рис.3).

Рис. 3. Схема круговорота воды на Земле

Цифры на рисунке — значения соответствующих элементов мирового водного баланса в мм, без скобок — в км³; 1 — атмосферные осадки; 2 — поверхностные воды; 3 — испарение

В процессе циркуляции атмосферы осуществляется перенос влаги, что является причиной образования атмосферных осадков и способствует глобальному перераспределению атмосферной влаги.

Основной процесс, происходящий над океаном — испарение воды, за счёт чего поддерживается на определённом уровне содержание водяного пара в атмосфере. При этом более 86% влаги поступает в атмосферу вследствие испарения её с поверхности Мирового океана и только 14% — за счёт испарения с суши. Важной особенностью океанического звена круговорота воды является перенос огромных её масс морскими течениями, которые имеют существенное влияние на климат соответствующих акваторий и участков суши, вблизи которых они протекают. Эти течения переносят воды на три порядка больше, чем все реки суши. Связанный с течениями водообмен в 50 раз интенсивнее водообмена, обусловленного атмосферными осадками, выпадающими на поверхность океана.

Круговорот воды на материках протекает с участием вод рек, озёр и болот, ледников, а также подземных вод. Реки возвращают в океан ту часть воды, которая переносится атмосферой с океана на сушу. Подземные воды играют важную роль в формировании речного стока, так как благодаря им реки получают устойчивое питание, и это обеспечивает относительную стабильность их водного режима и бесперебойность действия материкового звена круговорота воды. Подземные воды вовлекают в круговорот также литосферу. С речным звеном тесно связано и озёрное, поскольку на Земле мало крупных озёр, не связанных с реками. За счёт испарения воды с поверхности озёр атмосфера ежегодно получает около 500-600 км³ дополнительной воды, что составляет около 3% общего расхода воды на испарение с суши. Ледники и снежники покрывают около 16 млн. км² земной поверхности и также играют важную роль в водном балансе земного шара.

К биологическим процессам, имеющим значение в круговороте воды, относится транспирация. В среднем расход на транспирацию составляет почти половину суммарного испарения с суши (около 30–35 тыс. км³ в год), что равно почти 7% от испарения с земной поверхности, включая и Мировой океан.