Круговорот воды и содержащихся в ней веществ

По О. А. Алекину.

большие количества Na и К - в результате чего в воде появляются ионы Na и НСО₃. Могут они образовываться в некоторых случаях и при обмене Са на Nа, содержащийся в почвах или породах (например, глауконитах, щелочных глинах). Воды первого типа чаще всего мало минерализованы, но питаемые этими водами бессточные озера накапливают НСО₃ и СО₃ в очень больших количествах.

Второй тип характеризуется соотношением НСО₃ < Са + Мg < НСО₃ + S0₄. Генетически воды этого типа связаны с различными осадочными породами и продуктами выветривания коренных пород, являясь преимущественно смешанными водами. К этому типу относится большинство рек, озер и подземных вод малой и умеренной минерализации.

Третий тип характеризуется соотношением НСО₃ + SO₄< Са + Мg, или, что то же самое, Cl > Na. Генетически эти воды являются смешанными и подвергнувшимися значительным изменениям из-за катионного обмена, обычно Nа из раствора на Са или Мg из почв и пород. К этому типу принадлежат воды океана, морей, лиманов, реликтовых водоемов и многих сильно минерализованных подземных вод.

Четвертый тип характеризуется соотношением НСО₃ = 0 т.е. воды этого типа кислые. Поэтому в класс карбонатных вод этот тип не входит, а его воды находятся только в сульфатном и хлоридном классах, в группах Са и Мg, где нет первого типа.

Для обозначения в данной классификации существуют символы. Класс обозначается символом, выводимым из названия соответствующего аниона (С, S, Сl), а группа - своим химическим символом, который пишется в виде степени к символу класса. Принадлежность к типу обозначается римской цифрой внизу символа класса. Таким образом, в целом символы пишутся следующим образом: С^Ca_II (гидрокарбонатный класс, группа кальция, тип второй).

Общий объем воды на земном шаре 1,39×10⁹ км³. Распределение запасов воды между различными водными объектами представлено в табл.2.

Таблица 2.Запасы воды на земном шаре

Виды природных вод	Площадь	Объем, тыс. км^3	Доля мировых запасов, %	Средний период условного возобновления запасов воды
млн. км^3	% площади суши	от общих запасов воды	от запасов пресных вод
Вода на поверхности литосферы
Мировой океан		-		96,4	-	26500 лет
Ледники и постоянный снежный покров	16,3			1,86	70,3	9700 лет
Озера	2,1	1,4		0,013	-	17 лет
в том числе пресные	1,2	0,8		0,007	0,25	-
Водохранилища	0,4	0,3		0,0004	0,016	52 дня
Вода в реках	-	-		0,00014	0,005	19 дней
Вода в болотах	2,7	1,8		0,0008	0,03	5 лет
Вода в верхней части литосферы
Подземные воды	-	-		1,68	-	1400 лет
в том числе пресные	-	-		0,76	28,7	-
Подземные льды зоны многолетнемерзлых пород	2,1			0,022	0,82	10000 лет
Вода в атмосфере и организмах
Вода в атмосфере	-	-		0,001	0,04	8 дней
Вода в организмах	-	-		0,0001	0,003	Несколько часов
Общие запасы воды
Общие запасы воды	-	-			-	-
в том числе пресной	-	-		2,64		-

На долю поверхностных вод суши без ледников приходится только 0,014% от общего объема вод. Пресные воды составляют 2,64%, из них 99% сосредоточено в ледниках и подземных водоносных горизонтах. Доля объема вод в речной сети очень мала, но он возобновляется в среднем в течение 19 дней, следовательно, объем речной воды, стекающей за год, будет в 19 раз (365:19) больше. Средний период возобновления воды в остальных водных объектах намного больше.

Площадь Мирового океана занимает 71% земного шара, поверхностные воды суши – 4%, или 15% площади суши.

Наблюдается тенденция уменьшения запасов вод на суше и их увеличения в Мировом океане. За 1890-1990 гг. уровень Мирового океана повысился на 15 см.

В глобальном круговороте воды 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.;

– 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.

Оба звена связаны между собой переносом водяного пара с океана на сушу и поверхностным и подземным стоком с суши в океан.

На суше выделяют области внешнего (80% территории) и внутреннего (20%) стока. Сток в океан происходит только с территории первой области. Вторая область включает обширные бессточные территории, встречающиеся на всех материках кроме Антарктиды. В круговороте воды эти территории связаны с остальной частью суши только атмосферным переносом влаги.

Осадки на любом участке суши складываются из “внешних” осадков, сконденсировавшихся из водяного пара, принесенного извне, и “внутренних” (или “местных”) осадков, сконденсировавшихся из влаги, испарившейся с поверхности данного конкретного участка суши. Этот многократно повторяющийся процесс называется внутриматериковым влагооборотом. Часть выпавших осадков переходит в воды поверхностного и подземного стока. Суммарный сток с заданной территории равен разности между количеством влаги, принесенной на нее по воздуху извне, и унесенный за ее пределы.

С океана ежегодно испаряется в среднем 505 тыс. км³ воды. Возвращается в океан в виде атмосферных осадков 458 тыс. км³. Остальные 47 тыс. км³ переносятся на сушу в виде пара.

На поверхность суши в области внешнего стока выпадает 110 тыс. км³ осадков; из них 47 тыс. км³ за счет влаги принесенной с океана, и 63 тыс. км³ за счет влаги, испаряющейся с суши. В испарении с суши 42% приходится на транспирацию растений. В океан с суши стекает 47 тыс. км³, в том числе 42 тыс. км³ – речной сток, 3 тыс. км³ – сток льда и 2 тыс. км³ – сток подземных вод, не дренируемых реками.

На поверхность области внутреннего стока выпадает 9 тыс. км³ осадков и столько же испаряется. Принос влаги извне с воздушными массами равен ее выносу.

Отношение всех осадков, выпавших на данную территорию, к влаге, принесенной извне, называется коэффициентом влагооборота (К_вл).

Чем большее число раз влага, поступившая извне на данную территорию суши в воздушных массах, выпадет на ее поверхность и снова испарится, тем больше будет вклад местных осадков в их общую сумму, и, следовательно, К_вл будет выше. Отсюда наибольшие значения К_вл свойственны обширным территориям с высокой величиной испарения, что характерно для экваториального пояса. Для всей суши коэффициент влагооборота К_вл = 110/47 = 2,34. Для отдельных материков К_вл меняется от 1,14 (Австралия) до 1,68 (Южная Америка).

Соотношение между различными источниками поступления воды на выделенную поверхность (либо в выделенный объем суши или водного объекта), источниками удаления воды с этой поверхности (из этого объема) и изменением запасов воды на поверхности (в объеме) называется водным балансом выделенной поверхности (объема). Источники поступления (прихода) и удаления (расходования) воды называются составляющими, или элементами водного баланса.

Водный баланс может быть составлен для земного шара в целом, для суши, отдельных материков, стран, административных областей и районов, речных бассейнов, отдельных водных объектов и их частей. При составлении водного баланса суши в целом или для отдельных ее участков рассматривают обычно определенный слой литосферы, например, слой от земной поверхности до первого водоупора или до самого нижнего водоносного горизонта, участвующего в круговороте воды.

Водный баланс может определяться за год, отдельные сезоны, фазы водного режима, отдельные сутки в среднем за многолетний период или за отрезки времени конкретных лет.

Водный баланс может быть записан в виде уравнения, представляющего частный случай уравнения сохранения вещества. Основные природные составляющие водного баланса: атмосферные осадки, испарение, отток (сток) и приток воды поверхностным и подземным путем, изменение запасов воды в выделенном объеме (или площади).

Водный баланс может быть выражен в единицах объема (м³, км³) или в виде толщины слоя воды (в мм), получаемого путем деления объема на площадь рассматриваемой территории.

Средний годовой водный баланс Земли в целом и отдельно для Мирового океана и суши приведен в табл. 3

Таблица 3. Средний годовой водный баланс Земли

Часть Земли	Площадь, млн. км^2	Осадки x	Испарение z	Сток
тыс. Км^3	мм	тыс. км^3	мм	речной ур	ледниковый ул	подземный w
тыс. км^3	мм	тыс. км^3	мм	тыс. км^3	мм
Весь земной шар
Мировой океан						41,7		3,0		2,2
Суша в том числе:						41,7		3,0		2,2
область внешнего стока						41,7		3,0		2,2
область внутреннего стока

Уравнение водного баланса: для всего земного шара x = z, для Мирового океана x_ок + у_р + у_л + w = z_ок,, для всей суши x_c = y_р + y_л + w + z_с, для внешней области стока х_с ¢ = у_л + у_л + w + z_с ¢, для области внутреннего стока x_c ² = z_c ². Здесь x, x_ок , x_с, х_с ¢, х_с ² – соответственно осадки на всю поверхность земного шара, океана, всю сушу, область внешнего и внутреннего стока; z, z_ок, z_с, z_с ¢, z_с ² – аналогичное значение испарения, у_р, у_л, w – сток в океан соответственно рек, льда, подземных вод.

Водный баланс участков суши, с учетом хозяйственной деятельности, кроме указанных составляющих, может включать безвозвратный забор воды из водных объектов, переброску стока из других территорий. Земледелие, вырубка лесов, создание водохранилищ также влияют на соотношение природных составляющих водного баланса.

Круговорот наносов. Наносы – это твердые вещества, содержащиеся в водных объектах и переносимые водой во взвешенном или влекомом состоянии. Основной источник поступления наносов в водные объекты - смыв почвы с поверхности водосборов талыми и дождевыми потоками (эрозия) и в меньшей мере размыв дна и берегов водных объектов под действием течения и волн. Реками наносы выносятся в океан. Здесь они дополняются продуктами размыва морских берегов и взмучивания дна волнами на мелководье, а также частицами растительных и животных организмов.

Годовой сток взвешенных наносов рек мира 15,7 млрд. т. в год. Сток влекомых наносов рек мира 5-10% общего твердого стока.

Круговорот солей. Подземные воды при своем движении растворяют горные породы и являются основными источниками формирования солевого состава рек и водоемов суши. С речными водами в Мировой океан выносится 3,1 млрд. т. солей за год, 1,2 млрд. т. солей поступает в него непосредственно с подземными водами, 0,2 млрд. т. образуется в результате растворения речных взвесей.

С поверхности океана с испаряющимися частицами воды, а также с брызгами ежегодно уходит 5 млрд. т. солей, из которых 4,5 млрд. т. тут же возвращается обратно, а 0,5 млрд. т. уносится на сушу. Таким образом, запас солей в океане ежегодно пополняется на 4 млрд. т., т.е. около одной десятимиллионной доли их общего количества в нем.

Круговорот газов. Из газов, участвующих в круговороте веществ в природе, наибольшее значение имеют кислород О ₂ и диоксид углерода (углекислый газ) СО ₂. Важнейший фактор круговорота этих газов – процесс фотосинтеза:

6 СО ₂ + 6 Н ₂ О С ₆ Н ₁₂ О ₆ + 6 О ₂,

в результате которого поглощается СО ₂, создается органическое вещество (продукция) и выделяется О ₂. Вследствие жизнедеятельности фитопланктона океана продуцируется 154 млрд. т. в год (примерно столько же, сколько растительностью суши). Расходование О ₂ происходит в результате биохимического и химического разложения (окисления) органического вещества (деструкция), сопровождающегося выделением СО _2.

С дождевыми и речными водами в океан поступает 3,6 млрд. т. О ₂. На окислительные процессы в океане, а также потребление живыми водными организмами расходуется 151 млрд. т. О _2. . Избыток в 6,6 млрд. т. океан ежегодно отдает атмосфере.

Источниками поступления СО ₂ в океан кроме процесса разложения органических веществ служат речные и дождевые воды, дыхание водных организмов, извержение подводных вулканов. В океане в высоких широтах СО _2, благодаря повышенной растворимости при низких температурах воды, поглощается из атмосферы. При перемещении этих вод в низкие широты, вследствие повышения температуры воды, океан отдает СО ₂ в атмосферу. Заметным фактором поступления СО ₂ в атмосферу является хозяйственная деятельность.

Дата добавления: 2014-11-16