Реферат: Круговорот воды на земном шаре. Запасы воды на Земле и в России

Лекция 4. Круговорот воды на земном шаре. Запасы воды на Земле и в России

1.Основные гидрологические процессы

К числу основных гидрологических процессов на Земле относятся следующие:

Выделение воды в ювенильных процессах (извержение вулканов, гейзеры, фумаролы);

Испарение воды (физическое и биологическое);

Осаждение жидкой воды, льда и снега на поверхности земли, растений, внутри почвы и геологических пород (атмосферные осадки и конденсация);

Поступление воды за счет таяния льда и снега;

Перемещение снега под действием ветра;

Перемещение жидкой воды на поверхности, в почвах и горных породах под действием силы тяжести, сил поверхностного натяжения, термодинамического потенциала, ветрового воздействия, градиента плотности;

Перемещение льда под действием силы тяжести;

Перенос водяного пара в атмосфере, почве и горных породах.

В ходе извержения вулканов, гейзеров и фумарол на в атмосферу и поверхность земли поступает вода, содержащаяся в потоках лавы и раскаленных газов. Количественно она трудно поддается измерению. Большинство специалистов считает, что в данный период развития Земли роль этого источника незначительна. Однако на ранних этапах геологического развития данный источник мог быть основным в формировании гидросферы.

Испарение воды - физическое и биологическое (в процессе фотосинтеза) является основным источником поступления влаги в атмосферу, а оттуда - на поверхность земли, в почву и водоносные горизонты. Физическое испарение представляет собой итог двух процессов: отрыва молекул от жидкости и переноса ее в атмосферу и возвращение молекул в жидкость из приводного слоя. Преобладание того или иного процесса определяет величину испарения с поверхности воды и почвы. На величину физического испарения наибольшее влияние оказывает температура испаряющей поверхности, влажность воздуха и скорость ветра.

Биологическое испарение (транспирация) - представляет заключительный этап процесса фотосинтеза, в ходе которого водяной пар выходит через устьчные отверстия. На процесс биологического испарения влияют температура и влажность воздуха и влажность почвы. При оптимальном увлажнении почвы биологическое испарение может превысить испарение с водной поверхности.

Осаждение жидкой воды, льда и снега на поверхности земли, растений, внутри почвы и геологических пород создает условия для образования водных объектов на поверхности суши (водотоки, водоемы, ледники и снежный покров, болота) и внутри земли (почвенная влага, грунтовые и артезианские воды). Роль того или иного вида осадков зависит от климатических условий. Осаждение создает условия для поверхностного и подземного стекания, процессов эрозии и аккумуляции вещества, переноса растворенных веществ.

Поступление воды за счет таяния льда и снега играет большую роль в областях умеренного и полярного климата, горных районах. В холодные периоды здесь происходит процесс накопления воды в твердом виде. В теплый период эти осадки быстро тают, вызывая значительное увеличение расходов и уровней.

В этих же районах иногда значительную роль играет перемещение снега, вызывающее перераспределение запасов снега по территории в холодный период со снегонакоплением в депрессиях рельефа и лесных массивах и уменьшением на открытых пространствах. Особенно выражены эти процессы в районах лесостепи и степи.

Перемещение жидкой воды на поверхности, в почвах и горных породах под действием силы тяжести, сил поверхностного натяжения, термодинамического потенциала, ветрового воздействия, градиента плотности является очень важным гидрологическим процессом, позволяющим обеспечивать перераспределение влаги на поверхности и в толще горных пород и перенос веществ (нерастворимых и растворимых) на большие расстояния. Количественно процесс характеризуется величиной расхода и скорости потока воды.

Перемещение льда под действием силы тяжести является достаточно важным процессом в ледниковых районах, обеспечивающим поступление льда к местам таяния или уноса льда морскими течениями.

Перенос водяного пара в атмосфере, почве и горных породах обеспечивает перераспределение воды в атмосфере и перенос паров воды с океана на сушу и обратно.

Все гидрологические процессы на земле взаимосвязаны и образуют единый процесс круговорота воды на земле или гидрологический цикл.

2.Распределение суши и водной поверхности на земном шаре

Водное пространство земного шара, занятое океанами и морями, представляет собой единую поверхность, называемую Мировым океаном.

Из 510 млн. км2 всей поверхности земного шара 361,3 млн. км2, или 71%, приходится на Мировой океан и 149 млн. км2, или 29%,- на сушу. Таким образом, площадь поверхности Земли, занятой водами океанов и морей, почти в 2,5 раза превосходит площадь суши.

Мировой океан подразделяется на 4 океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый. Внутри каждого океана выделяют моря, заливы, бухты и проливы.

Суша земного шара разделена на 5 огромных массивов - материков или континентов - Евразию, Африку, Австралию, Америку, Антарктиду.

Большая часть суши расположена в северном полушарии, где она занимает 100 млн. км2, или 39%, а в южном полушарии на ее долю приходится всего 49 млн. км2, или 19%, поверхности этого полушария. Площадь поверхности, покрытой водой, в северном полушарии равна 155 млн. км2, или 61%; в южном же полушарии она составляет 206 млн. км2 или 81% (в пределах каждого полушария).

Распределение площадей суши и водного пространства земного шара приводится в табл. 1.

Таблица 1

Распределение суши и водной поверхности на земном шаре

Поверхность суши земного шара по условиям стока воды делится на две части: область внешнего стока и область внутреннего стока. Из 149 млн. км2 площади суши область внешнего стока занимает 119 млн. км2, или 80%, а остальные 30 млн. км3, или 20%, приходятся на область внутреннего стока. Кроме того, главный водораздел суши делит ее на две покатости: первая - со стоком в Атлантический и Северный Ледовитый океан и вторая - со стоком рек в Тихий и Индийский океаны.

С области внешнего стока суши воды поступают непосредственно в океаны или моря, соединенные с Мировым океаном.

Область внутреннего стока или бессточная область суши не имеет стока в океан, вода ее рек поступает в бессточные озера.

3. Круговорот воды на земном шаре

Вода на земном шаре находится в непрерывном движении, в процессе которого она переходит из одного состояния в другое. В этом вечном движении принимают участие воды океанов и морей, а также воды атмосферы и находящиеся в пределах суши.

Основной причиной круговорота воды является поступление коротковолновой солнечной энергии, поступающей на всю земную поверхность в количестве, равном 56,1·1020 Кдж/ год.

Солнечная энергия обусловливает все гидрологические процессы, происходящие в гидросфере: испарение, осадки, ветры, течения и пр., так и все явления органической и неорганической жизни на земле. Испарение воды и образование облаков, выпадение осадков в виде дождя и снега, таяние ледников и течение рек, высыхание почвы и водоемов, движение воды в подземных водоносных горизонтах представляют собой звенья общего круговорота воды на земном шаре.

Количество воды, испаряющейся в течение года с поверхности земного шара, составляет 577 тыс. км3. Большая часть (502,5 тыс. км3) приходится на Мировой океан и меньшая (74,9 тыс. км3)- на сушу. Для испарения этой огромной массы воды, участвующей в круговороте, требуется около 12,561020 кДж, что равно 22,4% всей достигающей поверхности земли солнечной энергии.

Под влиянием солнечного тепла с поверхности океанов и морей непрерывно испаряется большое количество воды. Эта масса влаги, поднимаясь в атмосферу в виде пара, переносится воздушными течениями за сотни и тысячи километров на материки.

Пары, попадая в атмосферу, при определенных условиях сгущаются (конденсируются), образуя облака, которые дают осадки, выпадающие на земную поверхность в виде дождя, снега, града и т. и. Выпавшие на сушу осадки просачиваются в почву и питают грунтовые воды, стекают по склонам местности, образуя ручьи и реки, а остальная часть их снова испаряется.

Атмосферные осадки, стекающие через реки и подземные потоки в моря и океаны, вновь испаряются с их поверхности; затем происходит перенос водяных паров и снова возвращение их на поверхность суши в виде различного рода осадков и т. д. (рис.1).

Рис. 1. Схема круговорота воды в природе.

1- испарение с океана, моря; 2 - осадки в океан, море; 3 - осадки на поверхности суши; 4 - испарение с поверхности суши; 5 - поверхностный сток в океан, море (бессточное море); 6 -подземный сток в океан, море (бессточное море); 7 - перенос влаги с океана, моря на сушу;. 8 - перенос влаги с суши в океан, море.

Этот непрерывный замкнутый процесс обмена влагой между атмосферой и земной поверхностью называется круговоротом воды в природе. Отмечают два вида круговорота воды:

малый или океанический, круговорот, когда испарившаяся с поверхности океанов и морей влага не переносится на сушу, а, поднявшись вверх, конденсируется и возвращается непосредственно в моря и океаны в виде атмосферных осадков;

большой круговорот - это процесс перемещения воздушными течениями на материки водяных паров, не выпавших в виде осадков в океаны и моря; выпадающие на поверхности суши атмосферные осадки затем снова поступают в моря и океаны в виде стока рек.

Большой круговорот включает местный, или внутриматериковый влагооборот, происходящий непосредственно на суше, когда часть выпавших осадков испаряется и снова конденсируется (превращается в облака), затем опять выпадает в виде дождя или снега на поверхность земли. Эта влага, прежде чем вернуться в океан, совершает несколько оборотов, снабжая влагой территории, далеко отстоящие от океана.

Продвижение влаги внутрь материка можно проследить на примере Европейской территории России, Западной Сибири и южной части Казахстана, представляющих в климатическом отношении нечто целое. Весь этот район обеспечивается влагой, поступающей со стороны Атлантического океана и Балтийского моря. Западные и северо-западные ветры переносят водяные пары на юго-восток - в Нижнее Поволжье, Казахстан и на восток - в Западную Сибирь, причем чем дальше в глубь материка, тем меньше остается влаги в воздушном потоке. Некоторое пополнение влаги происходит за счет испарения с поверхности суши, где основная роль принадлежит лесу и земледельческим культурам, испаряющим в период вегетации сравнительно большое количество влаги. Водоемы суши (реки и озера) большой роли во внутриматериковом влагообороте не играют, так как они имеют незначительную общую площадь по сравнению с материком. Итак, поступление влаги в климатически «замкнутую» часть материка зависит от подачи влаги с океанов и морей и распределения этой влаги внутри самого материка под воздействием тех или иных метеорологических факторов, а также от распространения растительного покрова и наличия водоемов.

Круговорот воды в пределах бессточных областей суши является относительно самостоятельным, хотя и связанным с общим влагооборотом на земном шаре. Количество воды, участвующей в круговороте в пределах бессточных областей, составляет всего 8900 км3/год.

Незначительный влагообмен бессточных областей суши с Мировым океаном объясняется тем, что вода с бессточных областей попадает в него не путем непосредственного стока реками, а в результате переноса влаги в парообразном состоянии воздушными течениями в периферические области суши или непосредственно на моря и океаны.

Многолетние наблюдения за уровнем воды Мирового океана и стоком рек показали, что существенных изменений в их состоянии не произошло. Поэтому можно полагать, что между переносом влаги с океанов и морей на сушу и количеством воды, стекающей с поверхности суши в моря и океаны, имеется некоторое равновесие. А это означает, что чем больше испарившейся влаги, будет перенесено с океанов и морей на сушу, тем больше воды принесут реки в моря и океаны.

Таким образом, исходя из предположения, что в среднем для многолетнего периода ежегодная убыль воды из океанов и морей вследствие переноса испарившейся влаги на сушу покрывается прибылью воды, приносимой реками и подземным стоком, составим следующие два уравнения, выражающие условия равенства прихода и расхода воды: для океанов и морей

Z0 = X0 + Y0, (3.1)

для суши

Zc = Xc-Yс (3.2)

где Z0 - среднее годовое количество воды, испаряющейся с поверхности океанов и морей; Zc - среднее годовое количество воды, испаряющейся с поверхности суши; Х0 - среднее годовое количество осадков, выпадающих на поверхность океанов и морей; Хс - среднее годовое количество осадков, выпадающих на поверхность суши; Yс - средний годовой сток рек с поверхности суши.

Из уравнений следует, что: 1) с океанов и морей в среднем ежегодно испаряется количество воды, равное количеству выпадающих на них осадков плюс речной сток; 2) с суши в среднем ежегодно испаряется количество воды, равное количеству выпадающих на ее поверхность осадков минус речной сток.

Далее, сложив уравнения, получим общее уравнение водного баланса для всего земного шара

Z0 + ZC = X0 + XC, (3.3)

т. е. испарение воды с поверхности океанов, морей и суши равно сумме осадков, выпавших на их поверхность.

Обозначим: Z0 - количество воды, испаряемой океанами, морями и переносимой ветрами на сушу; Zc- количество воды, испаряемой сушей и переносимой ветрами на моря и океаны. Напишем зависимость