Круговорот воды в природе

Круговорот воды в природе

Круговорот воды в природе (гидрологи́ческий цикл), влагооборо́т — непрерывное перемещение воды на Земле (в её атмосфере, гидросфере и земной коре), сопровождающееся её фазовыми превращениями и имеющее более или менее выраженный циклический характер. Круговорот воды состоит из испарения воды с подстилающей поверхности, переноса её с места испарения воздушными течениями, конденсации водяного пара и выпадения осадков и перемещения вод в водоёмах, по поверхности суши и внутри земной коры. Основная масса воды испаряется с поверхности Мирового океана и на неё же выпадает, меньше переносится воздушными течениями с океана на сушу. Вынос влаги, испарившейся с поверхности суши, воздушными массами в океан незначителен. Количественно круговорота воды характеризуется водным балансом.

В зависимости от места испарения воды и выпадения осадков, а также от путей её переноса различают малый круговорот: море (океан) $\longrightarrow$ атмосфера $\longrightarrow$ море (океан) и большой круговорот: океан $\longrightarrow$ атмосфера $\longrightarrow$суша $\longrightarrow$ океан. На континентах влага многократно испаряется, переносится в атмосфере, конденсируется, вновь выпадает в виде осадков и вновь испаряется. Этот комплекс процессов называется внутриматериковым круговоротом. Для замкнутых межгорных котловин характерен внутренний круговорот влаги. Круговорот воды на Земле — часть общего комплекса процессов круговорота веществ на Земле.

Круговорот воды — непрерывный замкнутый процесс циркуляции воды, происходящий под влиянием солнечной радиации и сил тяжести; часть круговорота веществ на Земле. Включает испарение воды с поверхности суши, рек, озёр, водохранилищ, морей, океанов, перенос водяного пара воздушными потоками, конденсацию пара и выпадение атмосферных осадков, просачивание выпавшей воды — инфильтрацию, пространственное перемещение в виде поверхностного и подземного стока, течения в морях, водоёмах суши. Связывает воедино все части гидросферы.

История открытия

Некоторые представления о том, что в природе имеет место круговорот воды, существовали в Индии и Китае. Здесь люди обнаружили определенную связь между речными стоками и осадками. В других странах и областях данная связь была неочевидной. Например, в Древнем Египте источником воды служил Нил. Однако наполнялся он за счет дождей, выпадавших в верховьях реки. То же самое касается таких рек, как Евфрат и Тигр, которые питались талыми водами и осадками, выпадающими в горах. На территории Европы Леонардо да Винчи стал первым исследователем, который выразил свое предположение о круговороте воды в природе около 500 лет назад. Бернар Палисси из Франции первым заявил о том, что именно дожди питают реки. В дальнейшем этот вопрос был подробнее изучен такими учеными, как П. Перро, Э. Дарвин, Э. Галлей.

Виды образования от разных изменений

Круговорот воды

Различают два вида круговоротов воды в природе:

1. Большой круговорот — водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, конденсируется, выпадает в виде осадков на сушу и распределяется по трём основным направлениям: одна часть идёт на поверхностный сток; вторая часть просачивается в грунт (подземный сток), а третья часть снова испаряется в атмосферу.
2. Малый (океанический) круговорот — вода, которая испарилась над поверхностью суши или океана, опять выпадает в океан в виде атмосферных осадков.

Кроме того, различают:

1. Внутриконтинентальный круговорот. Весь процесс происходит над материковой частью, вода, испарившись над континентальной частью Земли, на нее же и возвращается в виде осадков. Во внутриконтинентальном круговороте участвует 119 000 км3.
2. Геологический круговорот воды — включает в себя непрерывный взаимо обмен водами между океанами, сушей и недрами Земли. Происходит как правило в районе трещин расположенных на границах литосферных плит.
3. Глобальный круговорот воды — является не замкнутым циклом, поскольку общий объем вод участвующих в нем постоянно пополняется из недр Земли — ежегодно 0,25 км3.

Количественные показатели

Количество выпадающих осадков и их распределение по сезонам влияют на растительный покров и земледелие. От распределения и колебания количества осадков зависят также условия стока, режим рек, уровень озёр и другие гидрологические явления. В течение календарного года на поверхность планеты выпадает примерно 577 000 км³ осадков, что даёт среднюю высоту их слоя 1130 мм. Из них над просторами суши — 119 000 км³, что даёт среднюю высоту слоя 800 мм, а над Мировым океаном проливается 458 000 км³ при высоте слоя 1270 мм. В процентном соотношении это означает, что Мировому океану достаётся 79 % осадков, хотя он занимает по площади только 71 % площади Земли. Таким образом сумма осадков, достающихся суше, равна 21 %. Обеим полярным шапкам достаётся только 4 % осадков, почти половина от их общего количества распределяется между широтами ± 20° к северу и югу от экватора. Величина речного стока в океаны составляет 47 000 км³, что даёт увеличение их уровня на 130 мм. Учитывая вклад рек получается, что с поверхности океана испаряется в год примерно 1400 мм воды.

Физические процессы

Круговорот воды включает следующие процессы:

• Адвекция — движение воды через атмосферу в горизонтальном направлении. Без адвекции вода, испаряющаяся над океанами, не могла бы выпадать в осадок над сушей. Примером адвекции являются атмосферные реки, которые перемещают большие объёмы водяного пара на большие расстояния.
• Перехват воды — осадки, перехваченные листвой растений, в конечном итоге испаряются обратно в атмосферу, а не падают на землю.
• Конденсация — превращение водяного пара в жидкие капли воды в воздухе, создание облака и тумана.
• Десублимация — превращение водяного пара непосредственно в лёд, минуя жидкое состояние.
• Испарение — превращение воды из жидкой фазы в газообразную по мере её движения из земли или водоёмов в вышележащую атмосферу. Источником энергии для испарения является прежде всего солнечное излучение. Испарение часто неявно включает транспирацию растений, хотя вместе они называются эвапотранспирацией. Общая годовая эвапотранспирация составляет примерно 505 000 км³ воды, из которых 434 000 км³ испаряется из океанов. Океан является источником 86 % глобального испарения.
• Инфильтрация — проникновение воды с поверхности земли в землю. После проникновения вода становится почвенной влагой или грунтовыми водами. Однако недавнее глобальное исследование с использованием стабильных изотопов воды показывает, что не вся почвенная влага в равной степени доступна для подпитки грунтовых вод или транспирации растений.
• Перколяция — протекание вода вертикально через почву и скалы под действием силы тяжести.
• Осадки — конденсированный водяной пар, выпадающий на поверхность Земли. Большинство осадков выпадает в виде дождя, но также включает снег, град, капли тумана, мокрый снег. Приблизительно 505 000 км³ воды выпадает в виде осадков каждый год, 398 000 км³ из них над океанами. Осадки в виде дождя составляют 107 000 км³ воды в год, а снег только 1000 км³. 78 % глобальных осадков выпадает над океаном.
• Сток — движение воды по суше. Сюда входят как поверхностный, так и русловой сток. По мере течения вода может просачиваться в землю, испаряться в воздух, накапливаться в озёрах или водохранилищах или извлекаться для сельскохозяйственных или других нужд человека.
• Таяние снега — образование стока за счёт таяния снега.
• Сублимация — переход воды из твердого состояния (снега или льда) в состояния водяного пара, минуя жидкое состояние.
• Подземный поток — поток воды под землёй, в аэрационной зоне и водоносных горизонтах. Подземные воды могут возвращаться на поверхность (например, в виде родника или в результате перекачки) или, в конечном счёте, просачиваться в океан. Вода возвращается на поверхность земли на более низкой высоте, чем там, где она просочилась, под действием силы тяжести или гравитационного давления. Подземные воды имеют тенденцию двигаться медленно и медленно пополняться, поэтому они могут оставаться в водоносных горизонтах в течение тысяч лет.
• Транспирация — выделение водяного пара из растений и почвы в воздух.

Ускорения круговорота воды из-за глобального потепления

С середины XX века изменение климата, вызванное деятельностью человека, привело к наблюдаемым изменениям в мировом круговороте воды. Шестой оценочный доклад МГЭИК за 2021 год прогнозирует, что эти изменения будут продолжатся как на глобальном, так и на региональных уровнях.. Полученные результаты исходят из научного консенсуса, сформулированного на пятом оценочном отчете МГЭИК от 2007 года и других специальных докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата, в которых уже говорилось, что круговорот воды будет продолжать «ускоряться» в течение XXI века.

«Ускорение круговорота воды имеет последствия как в океане, так и на континенте, где штормы могут становиться все более интенсивными. Это большее количество воды, циркулирующей в атмосфере, также может объяснить увеличение количества осадков, которое наблюдается в некоторых полярных районах, где тот факт, что вместо снега идет дождь, ускоряет таяние»Эстрелла Ольмедо

Потепление климата ускоряет глобальный круговорот воды на планете, что делает засушливые регионы еще более сухими, а во влажных приводит к наводнениям, и эта тенденция продолжает усиливаться, сообщается в статье в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Согласно выводам ученых, сделанным на основе 13 лет спутниковых наблюдений, потепление климата Земли приводит к усиленному испарению воды с поверхности океанов, что в свою очередь вызывает более обильные осадки, чем прежде, которые по руслам рек снова возвращаются в океан. Объем воды, циркулирующей в этом круговороте, ежегодно увеличивается на 1,5 %. «Величина в 1,5 % может показаться не столь значительной, однако в масштабе десятилетий это действительно много», — сказал профессор Калифорнийского университета в Ирвайне, США, Джей Фамиглиетти (Jay Famiglietti), ведущий исследователь в команде соавторов, слова которого приводит пресс-служба университета. За период с 1994 по 2006 год объемы пресной воды, ежегодно поступающие в океаны, увеличились на 18 %. «В целом для людей, чем больше пресной воды — тем лучше, однако проблема состоит в том, что далеко не все получают больше осадков, а те, кто получают, на деле в этом вовсе не нуждаются. То, что мы наблюдаем, полностью соответствует прогнозу Межправительственной комиссии по изменению климата — усиление осадков в тропиках и ужесточение штормов в арктическом регионе, тогда как полузасушливые регионы, где живут сотни миллионов людей, становятся еще более засушливыми», — добавил ученый. Упрощенно говоря, это является результатом ускорения глобального круговорота воды в природе. Отследить эту тенденцию ученым позволили долгосрочные космические спутниковые наблюдения за уровнем воды в морях, количеством осадков и испарений. Исследование, проведенное командой Фамиглиетти, является первым в своем роде, так как до сих пор большинство подобных работ опирались на моделирование и расчеты.

Отступление ледников также является примером изменяющегося водного цикла, когда поступление воды в ледники за счет осадков не может соответствовать потерям воды в результате таяния и испарения. Данный процесс происходит с 1850 года и стал достаточно обширным.

Изменения, связанные с другой человеческой активностью

Деятельность человека, кроме той, которая приводит к глобальному потеплению из-за выбросов парниковых газов, также может изменить круговорот воды. В шестом оценочном отчете МГЭИК говорится о существовании «многочисленные доказательства того, что изменения в землепользовании и почвенном покрове изменяют круговорот воды на глобальном, региональном и локальном уровнях за счет изменения осадков, испарения, затопления, подземных вод и доступности пресной воды для различных целей.».

Примерами изменений в землепользовании являются преобразование полей в городские районы или вырубка лесов. Такие изменения могут повлиять на способность почв поглощать поверхностные воды. Вырубка лесов также может «не только непосредственно уменьшить влажность почвы, испарение и количество осадков на местном уровне, но и вызвать региональные изменения температуры, которые влияют на характер осадков». Сброс водоносного горизонта или перерасход и откачка подземных вод увеличивает общее количество воды в гидросфере, потому что вода, которая «ранее находилась в земле, теперь находится в непосредственном контакте с атмосферой, будучи доступной для испарения»

Фильмы

• Великая тайна воды (документальный фильм)

Литература

1. Круговорот воды // География. Современная иллюстрированная энциклопедия. — М.: Росмэн. Под редакцией проф. А. П. Горкина.
2. Круговорот воды // Экологический энциклопедический словарь. — Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И. И. Дедю. 1989.
3. Круговорот воды (влагооборот) в природе // Геологический словарь: в 2-х томах. — М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978.
4. С. П. Хромов, М. А. Петросянц. Водный баланс на Земном шаре // Метеорология и климатология. — 5-е. — М. : МГУ, 2001. — С. 323—324. — 528 с. — ББК 26.23. — УДК 551.5. — ISBN 5-211-04499-1.