4 года назад
Нету коментариев

Один из важнейших процессов в географической оболочке — круговорот воды. Движения воды в различных формах сопровождаются разрушением неровностей земной поверхности, переносом большого количества тепловой энергии и минеральных веществ. Поступление воды с океанов на поверхность суши обеспечивает сложившиеся здесь физико-географические условия: существование рек, рост и развитие растений и животных, формирование почв, в конечном счете существование и нормальное развитие природных комплексов.

Гидросфера, как уже говорилось, возникла благодаря выделению воды из мантии при гравитационной дифференциации вещества Земли. Этот процесс продолжается. Считают, что масса воды на земной поверхности увеличивается на протяжении геологической истории, несмотря на некоторые потери. Часть воды (соответствующая примерно стосорокаметровому слою воды в океане) была изъята в процессе создания органического вещества и захоронения его в недрах. Другая часть воды потеряна в процессе диссипации составляющих ее элементов, в первую очередь водорода, в Космос. На высоте 70—100 км наблюдается диссоциация молекул воды на Н+ и ОН-. Водород как наиболее легкий газ затем улетучивается в Космос. Количественные оценки этого процесса, произведенные разными учеными, различаются на несколько порядков, поэтому оценка роли этого процесса в планетарном водном балансе пока затруднительна.

В географической оболочке перемещение воды совершается в различных формах (см. II. 4. 2). Все водоемы связаны между собой. В них происходит постепенная смена воды. Скорость водообмена неодинакова. Она зависит от множества причин, среди которых важную роль играет агрегатное состояние воды и характер водовмещающей среды. Ниже приведены периоды возобновления запасов воды на Земле (по кн.: Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли, 1974):

Sh_3

Наиболее быстро обмен воды происходит в организмах — за несколько часов. Смена влаги в атмосфере и руслах рек осуществляется за несколько дней. Для смены воды, находящейся в озерах и болотах, требуется несколько лет. В остальных водных системах этот процесс длится сотни и тысячи лет. Правда, в океанах за счет внутреннего водообмена (океанических течений) полная смена вод происходит гораздо быстрее — за 63 года. Особенно медленно процесс смены воды протекает в ледниках и подземных льдах зоны многолетней мерзлоты.

В круговороте воды можно выделить три основных звена: материковое, океаническое и атмосферное.

Материковое звено круговорота воды. Сложную цепь переходов претерпевает вода на суше. Попадая на поверхность суши в виде атмосферных осадков, вода частично просачивается в почвогрунты, частично стекает по поверхности, формирует поверхностный и речной сток, а затем вливается в озера, моря и океаны (рис. III.9). Просочившаяся в почвогрунты вода частично поднимается по корневой системе и стеблям растений, а также по почвенным капиллярам к поверхности и испаряется. Испарение воды через листья растений называется транспирацией. Другая часть просочившейся в грунт влаги перемещается в виде внутрипочвенного стока и подземных вод более глубоких горизонтов. Она выходит на земную поверхность на склонах (источники), в руслах рек или на дне озер и морей. Перемещение влаги в почвогрунтах совершается гораздо медленнее, чем в атмосфере или при поверхностном стоке, поэтому почвогрунты сглаживают резкие всплески притоков воды в виде атмосферных осадков, которые, как известно, выпадают неравномерно.

Круговорот воды

Круговорот воды

Особый характер имеет динамика ледников. В ледниках сосредоточена большая часть запасов пресной воды земного шара. Особенно большие запасы воды в материковых ледниках, мощность которых до 4 км. Они характерны для Антарктиды и Гренландии. Под действием собственной тяжести ледники растекаются по краям. В результате создается динамическое равновесие: поступающие новые порции снега постепенно в результате самоуплотнения переходят в фирновый лед. В итоге возникает избыток массы по сравнению с равновесной фигурой вязкого ледяного тела. Начинается движение льда к краям покрова, стремящееся восстановить фигуру равновесия (рис. III. 10). Скалывающиеся глыбы льда на краях ледниковых покровов образуют айсберги. Скорость движения материковых льдов колеблется от нескольких сантиметров (в центре) до нескольких километров (у края) в год.

Схема бюджета материковой массы льда

Схема бюджета материковой массы льда

Горные ледники движутся от области питания к области абляции в виде языков. Края ледников располагаются на таком уровне, где поступление льда сверху оказывается равным количеству растаявшего и испарившегося льда. Этот уровень соответствует снеговой линии. Скорость движения горных ледников от единиц метров небольших ледников до нескольких сотен метров в год у крупных.

Масса ледников на Земле не остается постоянной. В течение геологической истории географическая оболочка пережила несколько крупных материковых оледенений. В периоды великих оледенений большие массы воды изымались из океана и сосредотачивались в виде полярных материковых покровов. Периоды оледенений сменялись более продолжительными периодами, в которые полярные ледники вообще отсутствовали на Земле. Изменение массы ледниковых покровов приводит к изменению структуры влагооборота, к изменению соотношения площадей суши и океана и, естественно, влечет за собой целую цепь изменений в природном облике большинства районов земного шара. Подсчитано, например, что полное таяние ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии вызовет повышение уровня Мирового океана на 60 м. Это приведет к увеличению площади водной поверхности на 20 млн. км2. Влияние ледников на природу земной поверхности хорошо изучено в пределах последних нескольких миллионов лет геологической истории.

Океаническая циркуляция. Океан более устойчив, чем атмосфера. Он нагревается главным образом сверху за счет поглощения солнечной радиации и теплового излучения атмосферы. Геотермический поток, идущий к океаническому дну из земных недр, незначителен и не оказывает существенного влияния на его тепловой режим. Нагревание сверху делает океан гидростатически устойчивым (верхние слои прогреваются, а нижние оказываются холодными), поэтому вертикальные движения в океане выражены гораздо слабее, чем в атмосфере. На замедление обмена в океане оказывает влияние и более высокая плотность воды (по сравнению с воздухом).

Общая совокупность перемещений воды в океане складывается из движений и круговоротов различных пространственных и временных масштабов. Периоды движений колеблются от секунд (и менее) до многих сотен лет, а пространственные масштабы течений — от миллиметров до тысяч километров: турбулентность, поверхностные и внутренние волны, приливы и отливы, океанические меандры и вихри, океанические течения и др. В этом спектре движений особый интерес с позиций общего землеведения представляет общая циркуляция океанических вод — устойчивая крупномасштабная система движений.

В соответствии с зональным распределением солнечной энергии по поверхности планеты и в океане, и в атмосфере создаются однотипные и генетически связанные циркуляционные системы. Перемещение и водных, и воздушных масс определяется общей для атмо-и гидросферы закономерностью: неравномерным нагреванием и охлаждением поверхности Земли. От этого в одних районах возникают восходящие токи и убыль масс, в других — нисходящие токи и увеличение масс (воды, воздуха). Рождается импульс движения.

Среди факторов возникновения океанической циркуляции различают механические и термохалинные. Важнейший механический фактор — ветровое трение о поверхность воды, благодаря которому океан получает механическую энергию от атмосферы. Ветер вызывает дрейфовые течения, которые обусловливают сгон воды в одних районах и нагон в других. Возникают разности уровней воды и соответствующий градиент давления, которые вызывают течения, называемые градиентными (стоковые и сгонные). Все течения такого рода называют ветровыми, поскольку в основе их возникновения находится движение воздуха.

Некоторое значение в качестве механического фактора имеет неравномерное распределение атмосферного давления, вызывающее понижение уровня океана в областях высокого давления и повышение в областях низкого давления.

Термохалинные факторы (получение и отдача тепла, атмосферные осадки, испарение, приток воды с материков) влияют на температуру и соленость воды и тем самым определяют ее плотность. Более плотные воды опускаются (особенно эффективен процесс испарения, который делает воду более холодной и одновременно более соленой), что приводит к вертикальному перемешиванию. Вертикальные движения вызывают горизонтальные. Следовательно, циркуляция, вызванная термохалинными факторами, дополняет ветровую.

Система океанических течений напоминает кровеносную систему гигантского существа. Многие ученые образно сравнивали водные потоки Земли с кровью. И это справедливо. Течения переносят значительное количество тепловой энергии, солей, питательных веществ, т. е. выполняют примерно те же функции, что и кровеносная система.

В настоящее время хорошо изучена циркуляция поверхностных вод. Она захватывает верхние сотни метров. Внимательное изучение картины поверхностных течений (рис. III. 11) позволяет увидеть большое сходство системы течений в различных океанах, несмотря на различия очертаний берегов океанов и рельефа их дна. Характерная черта системы — замкнутые циркуляционные образования — круговороты. В Атлантическом океане тропический круговорот в северном полушарии включает следующие течения: Северное Пассатное, Гольфстрим, Североатлантическое, Канарское; в южном полушарии — Южное Пассатное, Бразильское, Южноатлантическое, Бенгельское. Характер движения в течениях, образующих круговороты в тропических областях, антициклонический, т. е. течения движутся по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой — в южном. Тропические океанические круговороты примерно соответствуют стационарным атмосферным антициклонам (сравни рис. III. 11 и карты Физико-географического атласа мира, с. 40— 41).

Основные течения на поверхности Мирового океана

Основные течения на поверхности Мирового океана

В умеренных и субполярных широтах северного полушария течения образуют круговороты, направленные против часовой стрелки. Характер вращения в них циклонический. Эти круговороты примерно соответствуют климатическим минимумам атмосферного давления, т. е. областям, в которых в течение года преобладает циклоническая циркуляция. В южном полушарии систем течений такого рода нет. На этих широтах океаны в южном полушарии не разделены материками (там располагаются воды, выделяемые некоторыми исследователями в Южный океан). Вследствие этого образуется мощное Антарктическое циркумполярное течение (течение западных ветров), направленное с запада на восток, и слабо выраженное противотечение, направленное вдоль берегов Антарктиды в противоположную сторону.

Антициклонические и циклонические круговороты в каждом полушарии связаны между собой таким образом, что один из потоков входит одновременно в оба круговорота. Например, Североатлантическое течение является северной ветвью тропического круговорота и одновременно южной ветвью циклонического круговорота умеренных и субполярных широт. Благодаря этому круговороты взаимодействуют между собой.

Круговороты океанических течений являются отражением всеобщего процесса динамического равновесия, наблюдающегося в океане: убыль массы воды в любой точке компенсируется ее поступлением, и наоборот. Такую природу имеет одно из самых великих течений земного шара — Гольфстрим. Оно возникает главным образом вследствие накопления водных масс в западной части Атлантического океана, приносимых Северным Пассатным и Гвианским течениями.

Следовательно, поверхностная циркуляция Мирового океана представляет собой систему гигантских, чередующихся в пространстве циклонических и антициклонических круговоротов, главные звенья которых примерно соответствуют средним движениям в атмосфере: пассатам, западным ветрам и др. Зональные движения в океане, как и в атмосфере, доминируют, меридиональные течения (Гольфстрим, Куросио, Канарское, Калифорнийское, Перуанское, Бразильское и др.) представляют собой замыкающие звенья в условиях расчленения океанов материками.

Кроме систем течений, образующих циклонические и антициклонические круговороты, следует назвать экваториальные межпассатные противотечения. Они направлены с запада на восток между северными и южными пассатными течениями и в значительной мере являются компенсационными — переносят часть избытка масс, создающегося за счет мощных восточно-западных пассатных течений в западных частях океанов.

Противотечения широко распространены в подповерхностных и глубинных слоях. Хорошо они изучены в экваториальной зоне, где захватывают значительную часть водного слоя (от 50 до 300 м) и направлены на восток. В Тихом океане экваториальное подповерхностное противотечение было названо в честь его исследователя Т. Кромвелла течением Кромвелла, в Атлантическом — в честь М. В. Ломоносова течением Ломоносова.

Поверхностные воды связаны с глубинными и вертикальным обменом. Хотя вертикальные движения на 3—5 порядков меньше горизонтальных (в атмосфере, как указывалось выше, вертикальные движения также значительно уступают по интенсивности горизонтальным), их роль велика, поскольку благодаря им происходит обмен поверхностных и глубинных вод энергией, солями, питательными веществами. Наиболее интенсивный вертикальный обмен осуществляется в зонах конвергенции (сходимости) и дивергенции (расходимости) потоков водных масс. В зонах конвергенции наблюдается погружение водных масс, в зонах дивергенции — подъем их к поверхности, называемый апвеллингом. Зоны дивергенции формируются в областях циклонических круговоротов, где центробежные силы разносят воды от центра к периферии и возникает подъем вод в центральной части круговорота. Дивергенция возникает и у берегов, там, где преобладает ветер с суши (сгон поверхностных вод). В антициклонических системах и в тех прибрежных зонах, где преобладает ветер с океана, происходит опускание вод.

Распределение зон конвергенции и дивергенции однотипно в различных океанах. Оно показано на рис. III. 12 для идеализированного океана и характеризуется следующими закономерностями. Несколько севернее экватора располагается экваториальная конвергенция. По обе стороны от нее по ложбинам тропических циклонических систем протягиваются тропические дивергенции, затем по осям субтропических антициклонических систем — субтропические конвергенции. Высокоширотным циклоническим системам соответствуют полярные дивергенции, гребню арктического круговорота воды — арктическая конвергенция.

Идеализированная схема циркуляции поверхностных вод океана

Идеализированная схема циркуляции поверхностных вод океана

Циркуляция более глубоких слоев Мирового океана изучена хуже. Непосредственное их изучение связано с определенными техническими трудностями, поэтому большее значение в изучении глубинной циркуляции приобретают теоретические методы. На глубине интенсивность движений уменьшается, возрастает значение меридиональных переносов. Они по величине становятся равными зональным. Масштаб циркуляционных форм на глубине уменьшается, направление и характер движений становятся менее упорядоченными. Характерно, что циркуляция нижней сферы Мирового океана (глубже 4000 м) в разных океанах неодинакова, что в значительной степени объясняется индивидуальными особенностями водных масс, очертаний берегов и рельефа дна. Предполагают, что большая часть придонных вод Мирового океана образуется при опускании вод в северной и южной частях Атлантического океана (несколько южнее Гренландии и недалеко от Антарктиды, восточнее шельфового ледника Ларсена в море Уэдделла). Эти холодные воды полярных областей заполняют нижние слои океанов, определяя их низкую температуру.

В целом с глубиной циркуляция все меньше связана с процессами, происходящими в зоне контакта основных геосфер, подобно тому как в атмосфере главные особенности процессов у земной поверхности находят отражение лишь в тропосфере.

Картина океанических течений получена в результате осреднения (как и картина атмосферной циркуляции). Реальная ситуация гораздо сложнее, ибо течения меняют свою скорость, интенсивность, а иногда и направление. Некоторые течения временами исчезают. Океанические потоки имеют сложную структуру. Подобно рекам они меандрируют, подобно воздушным потокам образуют завихрения. Океанические вихри в последние десятилетия активно изучаются. Большой вклад в их изучение, как и в изучение всех основных процессов в Мировом океане, вносят советские исследователи.

Структура поверхностных океанических течений, захватывающих верхние сотни метров, в основных чертах совпадает со структурой атмосферной циркуляции (см. рис. III. 8 и карты Физико-географического атласа мира, с. 50—51). Исключение составляют западные течения, замыкающие круговороты и идущие не обязательно по ветру, и межпассатные противотечения. Возникает естественное желание связать океанические течения с ветром и сделать вывод о наличии простой причинно-следственной цепи ветер — океанические течения, приняв при этом, что поверхностные воды смещаются с места под действием касательного трения о водную поверхность. В действительности существуют более сложные связи атмосферы и океана. Атмосфера возбуждает основные океанические течения, но большую часть энергии она получает от океана (причем 80 % за счет скрытой теплоты испарения). Распределение энергии в значительной степени зависит от структуры океанических течений (больше всего теплоты океан передает атмосфере в районе Гольфстрима и Куросио). В результате атмосферные движения вынуждены приспосабливаться к структуре океанических течений, поэтому океанические и воздушные течения образуют единую систему, возникающую в результате приспособления их друг к другу.

Следует также отметить, что океан обладает большой тепловой и динамической инерцией. Его реакции на воздействия атмосферы запаздывают и их взаимодействие приобретает сложный характер. Океан, по образному выражению А. С. Монина, является своего рода «запоминающим устройством», хранящим «отпечатки» атмосферных возмущений за некоторый предшествующий период.

Атмосферное звено круговорота воды. Следующее звено круговорота воды на земле — атмосферное. Содержание воды в атмосфере невелико. При осаждении всей воды, содержащейся в атмосфере, на земную поверхность образуется слой всего лишь в 25 мм. Но атмосфера выполняет важные функции в интеграции всех водных резервуаров в единую систему влагооборота.

Важное значение имеет большая подвижность атмосферы, благодаря которой идет интенсивный влагообмен. За год атмосферная влага сменяется примерно 45 раз (т. е. примерно один раз за 8 дней). В результате на земную поверхность выпадает слой осадков высотой примерно 1,1 м. Поступление влаги в атмосферу происходит за счет испарения. Ежегодно с поверхности земного шара испаряется 577-1012 м3 воды, причем 505-1012 м3 из них испаряется с поверхности океана. В атмосфере на уровне облаков водяной пар конденсируется, причем зачастую до этого он переносится на большие расстояния.

Вместе с водяным паром переносится энергия, перешедшая в скрытую форму при испарении. Общая величина этой энергии составляет более 80 % радиационного бюджета. Выделение в атмосферу скрытого тепла при конденсации — важнейший энергетический источник атмосферных движений. Вот почему водяной пар иногда образно называют «основным топливом атмосферы».

Влагооборот в системе Мировой океан-атмосфера-суша

Влагооборот в системе Мировой океан-атмосфера-суша

Мировой водный баланс. На поверхность Мирового океана выпадает 458-1012 м3 воды, т. е. на 47-1012 м3 меньше испарившейся с него влаги. Эта разность в конечном счете переносится на сушу и вместе с водой, испарившейся на суше, формирует атмосферные осадки (119-1012 м3). Часть выпавшей над сушей влаги снова вовлекается в испарение (72-1012 м3), другая часть формирует сток (реки, ледники, подземные воды и др.), который в конечном счете направляется в океан, компенсируя превышение атмосферных осадков над испарением (рис. III. 13, табл. III. 2). Общую схему круговорота воды на поверхности Земли можно описать двумя уравнениями водного баланса:

для поверхности Мирового океана — Е0 = Х0 + f,

для поверхности суши — Хс = Ес + f,

где Ео— испарение с поверхности океана, Ес — испарение с поверхности суши, Хо — атмосферные осадки над океаном, Хо — атмосферные осадки над сушей, f — сток с континентов (приток в океан).

T_3_2

Однако не всюду на океанах испарение превышает осадки. В умеренных и полярных областях, а также в приэкваториальной зоне осадков выпадает больше, чем испаряется (рис. III. 14).

Влагооборот океан-атмосфера

Влагооборот океан-атмосфера

Хозяйственное звено круговорота воды. Круговорот воды в хозяйственных системах по объему переносимой воды значительно уступает трем основным звеньям, но имеет важное значение для баланса пресной воды во многих районах земного шара. Основными потребителями пресной воды являются сельское хозяйство, промышленность и население.

В сельском хозяйстве наибольшее количество воды расходуется на орошение (1,9-1012 м3 в начале семидесятых годов), причем около 80% этой воды безвозвратно покидает речную сеть. Безвозвратным потреблением называют такое использование воды, при котором она связывается в химических соединениях или расходуется на испарение. Все больше возрастают потери воды на испарение с поверхности водохранилищ. В 1970 г. эта величина составила на земном шаре 0,07-1012 м3, в то время как в 1950 г. она была равна всего 0,004-1012 м3.

Суммарный водозабор на промышленные нужды в 1970 г. составил 0,5-1012 м3, из них 5—10% изъято безвозвратно. Главнейший потребитель воды в промышленности — теплоэнергетика, где вода используется для производства пара и охлаждения агрегатов. На нужды населения в 1970 г, использовалось около 0,12-1012 м3, причем 0,02-1012 м3 из них относится к безвозвратному потреблению.

По отношению к речному стоку всей Земли количество используемой воды невелико. Однако речной сток распределен по земной поверхности очень неравномерно. Также неравномерно распределено и водопотребление. Особенно оно велико в густонаселенных районах. Поэтому в наиболее густонаселенных районах уже существует дефицит водных ресурсов и он растет с каждым годом. Проблема дефицита вынуждает все шире осуществлять территориальное перераспределение воды.

К 2000 г. ожидаются следующие величины водопотребления: в коммунальном хозяйстве — 0,44-1012 м3/год, в промышленности — 1,9-1012, в сельском хозяйстве —3,4-1012, испарение с поверхности водохранилищ — 0,24-1012 м3/год. В сумме водопотребление составит примерно 6-1012 м3/год, или около 13% стока суши. Причем объем безвозвратного водопотребления должен составить 3Х 1012 м3/год.

Другая проблема — загрязнение вод. Объем сточных вод превышает 0,45-1012 м3/год. На обезвреживание этого объема расходуется около 6-1012 м3 речной воды, или примерно 40% всех мировых ресурсов устойчивого стока.