Зміни вологообороту і водного балансу

Із всіх ланок вологообороту найбільшому цілеспрямованому перетворенню піддається стік; до непрямих змін здатні також випаровування і транспірація. Слід розрізняти дії на процеси формування стоку на водозборах і на, власне, водотоки. Перші безпосередньо зачіпають функціонування геосистем.

Один з найрадикальніших способів перетворення водного балансу наземних геосистем — штучне зрошування, на яке йде не менше 3/4 забраної з річок води. У світі штучно зрошується приблизно 2,2 млн км² (1,5% площі суші). У середньому на 1 га витрачається щорічно 12-14 тис. т³ води (1200-1400 мм).

Частина цієї води витрачається на інфільтрацію та непродуктивне (фізичне) випаровування і лише близько половини транспірується культурними рослинами.

Крім основного очікуваного ефекту – виробництва біомаси (як наслідку інтенсифікації вологообороту і біологічного круговороту речовин), у результаті іригації в тому або іншому ступені зачіпаються й інші, зв’язані функціональні ланки геосистем. У порівнянні з природними умовами у багато разів (у тропіках – до 20 разів) збільшується витрата тепла на випаровування і сильно зменшується його турбулентна віддача в атмосферу. З іншого боку, озеленення поверхні приводить до зменшення альбедо і скорочення ефективного випромінювання так, що в результаті радіаційний баланс зростає. Середня температура повітря ґрунту підвищується, але добова амплітуда зменшується на 10-12°С. Інтенсивна інфільтрація в умовах слабого дренажу може призвести до підняття рівня мінералізованих ґрунтових вод і вторинного засолення. У деяких ландшафтах можливе заболочування, в інших – посилення ерозії.

На богарних орних землях у ландшафтах з нестійким і недостатнім зволоженням (лісостепових, степових) агротехнічні заходи приводять не до таких радикальних, як в оазисах, перетворень стоку і водного балансу, але з широким радіусом дії. Примітивна агротехніка сприяє посиленню поверхневого стоку. Зяблева оранка підвищує інфільтраційну здатність ґрунтів і тим самим запаси ґрунтової вологи, скорочує поверхневий стік і збільшує живлення ґрунтових вод. Лісові смуги перехоплюють весняний стік з полів, затримують сніг, зменшують непродуктивне випаровування. Травосіяння також збільшує інфільтрацію і скорочує поверхневий стік. Додатковий ефект дає снігозатримання. Аналогічну дію надає терасування схилів. У цілому будь-які заходи з інтенсифікації землеробства і підвищення врожайності (а отже, і транспірування) ведуть до перебудови водного балансу у бік скорочення поверхневого стоку; разом з тим зменшується інтенсивність змиву ґрунтів та ерозії.

У зонах надмірного зволоження основним чинником дії на водний баланс служить осушувальна меліорація. Стік з осушених боліт спочатку, як правило, зростає, але надалі процес може відбуватися по-різному. Високопродуктивні сільськогосподарські угіддя на місці осушених боліт нерідко вимагають періодичного застосування штучного зрошування. У цілому вплив осушувальної меліорації на стік проявляється неоднозначно в різних ландшафтах.

Істотній трансформації піддається водний баланс і водний режим на території міст. Посиленню поверхневого стоку сприяють забудова, штучні покриття, водостоки, прибирання снігу. Відкачування підземних вод і зниження п’єзометричних рівнів на десятки і навіть сотні метрів можуть призвести до зменшення і навіть припинення ґрунтового живлення річок. Підпір ґрунтових вод, створюваний підземними спорудами, і ущільнення ґрунтів викликають підтоплення і затоплення підвалів, конденсацію вологи під будівлями.

Що стосується перетворення гідромережі і руслового стоку, то при сучасному рівні гідротехнічного будівництва це стало звичайною справою.

Зупинимося на ландшафтній ролі штучних водосховищ. Створювані для регулювання руслового стоку (у гідроенергетичних, меліоративних, транспортних та інших господарських цілях) водосховища прямо і непрямо впливають на наземні геосистеми.

Поява водосховища – це перш за все заміна наземних геосистем водним природним комплексом, і така заміна здійснена вже приблизно на 0,3% площі суші. Частина цієї площі характеризується своєрідним «земноводним» режимом: під час пониження рівня в меженний період оголюється значна частина площі дна (у рівнинних водосховищ до 50%).

Проблемі впливу штучних водосховищ на навколишню територію присвячені численні дослідження. Відзначимо лише основні вторинні процеси: переробка берегів (розмивання, активізація осувів, обвали, провали); підпір ґрунтових вод, підвищення їх рівня і підтоплення знижених ділянок, а звідси – заболочування лісів, сільськогосподарських та інших угідь; деяка зміна місцевого клімату (вирівнювання температурного режиму, збільшення вологості повітря, зміна швидкості і напрямку вітру). Ефект цих дій і їх просторові межі залежать від структури прилеглих ландшафтів і від параметрів самого водосховища. Практично значущий кліматичний вплив найкрупніших рівнинних водосховищ відчувається на відстані до 1-3 км від берегів, хоча прилади можуть зареєструвати його на відстані в 10 і навіть 30-45 км. Підтоплення поширюється частіше на сотні метрів або перші кілометри від берегів водосховища.

У нижньому б’єфі водосховища через припинення заплавного режиму часто деградують заплавні геосистеми вздовж десятків і сотень кілометрів. Крім того, дія крупних гідровузлів позначається на віддалених внутрішніх водоймищах, рівень яких знижується внаслідок забору води з річок і водосховищ на зрошування та інші господарські потреби. У водосховищах відкладається частина наносів, внаслідок чого скорочується твердий стік річок, порушується рівновага між надходженням і видаленням твердого матеріалу в гирловій зоні морського узбережжя, відбувається руйнування берегів, скорочується збільшення дельт.

6.3 Порушення біологічної рівноваги і біологічного круговороту речовин. Біота надзвичайно чутлива до людської дії і піддалася найсильнішому перетворенню.Багато біоценозів зазнають перебудови, інші повністю заміщені штучними співтовариствами. Зміна біоценозів викликає порушення в інших ланках функціонування геосистем. Особливо велике стабілізуюче значення лісів, що підтримують нестійку рівновагу між компонентами в умовах розчленованого рельєфу, багаторічної мерзлоти, екстремального клімату (з недостатністю або надлишком тепла і вологи). Площа лісів на Землі в результаті господарської діяльності скоротилася не менше ніж на 30 млн км² і продовжує скорочуватися. Це зумовило порушення гравітаційної рівноваги і водного балансу в багатьох ландшафтах. Аналогічні наслідки викликає порушення трав’яного і чагарникового покриву, а також мохово-лишайникового (у тундрі), головним чином, через перевантаження пасовищ. Нераціональне скотарство прискорило процес природної аридизації Сахари.

Перетворення рослинного покриву як головної частини біоценозу і продуцента первинної біомаси веде до серйозних порушень геохімічних функцій геосистем. Біологічний метаболізм виконує найважливішу роль у круговороті вуглецю, кисню, азоту, фосфору і ряду інших елементів. Заміна природних біологічних співтовариств культурними, як правило, веде до зменшення загальної біологічної продуктивності і відповідно інтенсивності біологічного метаболізму. З урожаєм культурних рослин щорічно з ґрунту відчуджуються сотні мільйонів тонн зольних елементів і азоту. Так, з урожаєм пшениці виноситься (у кг на 1 га): азоту – 70, фосфору – 30, калію – 50, кальцію – 30; з урожаєм картоплі – відповідно 90, 40, 160, 76.

Ґрунт із середнім вмістом мінеральних речовин може бути повністю виснажений у результаті вилучення урожаю протягом 15-150 років. Найбільш нестійкий баланс мінеральних речовин ґрунтів, що формуються в умовах вологого клімату і інтенсивного вилуговування, тобто підзолистих і особливо ґрунтів вологих тропічних і екваторіальних лісів. У природних умовах баланс підтримується лісовою рослинністю, здатною накопичувати величезну фітомасу і здійснювати інтенсивний круговорот речовин. Вирубка лісів, а також корчування пнів, знищення підстилки ведуть до вилучення з локального круговороту великої кількості азоту, кальцію, фосфору та інших елементів і до виснаження ґрунту.

З метою компенсувати нестачу елементів мінерального живлення рослин застосовуються хімічні добрива. Проте внесення в ґрунт добрив не може заповнити всі втрати. У деяких сильно еродованих районах з полів змивається в 100 разів більше азоту, калію і фосфору, ніж вноситься з добривами. Крім того, оскільки добрива не можуть повністю засвоюватися рослинами, до 40—50 % кількості (що становить десятки і навіть сотні кг/га), що вноситься в ґрунт, вимивається з полів і залучається до неконтрольованої водної міграції.

Особливі проблеми виникають у зв’язку із все більшим застосовуванням пестицидів. Потрапляючи в харчові ланцюги, вони прогресуючим чином накопичуються у тканинах організмів у міру переходу від нижчих ланок ланцюга до вищих. Ця властивість визначає можливість їх поширення (наприклад, в організмі птахів) далеко за межі тієї ділянки, де вони були застосовані.

Багато рослин характеризуються виборчою здатністю до поглинання тих або інших техногенних речовин, зокрема радіоактивних (лишайники, наприклад, здатні захоплювати їх безпосередньо з повітря), і тим самим сприяють подальшій передачі їх харчовими ланцюгами або накопиченню в геосистемах.

Найглибші зміни функцій геосистем, викликані порушенням біологічної рівноваги і біологічного круговороту речовин, виявляються в локальних масштабах. Проте деякі непрямі наслідки подібних порушень можуть поширюватися на обширніші простори через стік, транспортування і акумуляцію наносів, трофічні зв’язки і водну міграцію хімічних елементів.

6.4 Техногенна міграція хімічних елементів у геосистемах. Техногенний геохімічний круговорот – один із найбільш специфічних і важко контрольованих проявів сучасного втручання людини у функціонування геосистем. У процесі виробництва створюються тисячі нових сполук, багато з яких у природних умовах не утворюються. Частина з них призначена для цілеспрямованої дії на природне середовище (добрива, пестициди), але більшість вводиться в геохімічний круговорот ненавмисно – у вигляді відходів виробництва, використаних промислових виробів. Серед елементів земної кори, залучених у техногенний круговорот, на першому місці стоїть вуглець, далі слідують Са, Fe, Al, Cl, Na, S, N, Р, До, Сі, Zn та ін.

Багато техногенних елементів розпочинають міграцію у повітряному середовищі. Основну масу викидів в атмосферу становить діоксид вуглецю СО₂ (не менше 10-15 млрд т щорічно) – головний продукт спалювання палива: його супроводжують інші гази – оксид вуглецю СО (основне джерело надходження – двигуни внутрішнього згорання, а також нафтопереробні підприємства), сірчистий ангідрид SО₂ (утворюється при спалюванні і переробці нафти та вугілля, сланців, виплавці кольорових металів, виробництві сірчаної кислоти, цементу, целюлози і т.д.), оксиди азоту, вуглеводні (ті й інші в основному входять до складу вихлопних газів автомобілів) та ін. Окрім газів, в атмосферу потрапляють тверді продукти згорання палива і пил, що надходить з багатьох галузей промисловості (цементної, вугільної, абразивної та ін.), а також пиловими бурями. Головний компонент пилу – кремнієвий ангідрид SiO₂, крім того, у ньому можуть знаходитися Pb, Zn, As, Ni, Co, Sb та ін. Крупні пилові частинки підіймаються лише на сотні метрів і досить швидко осідають під дією сили тяжіння. Невеликі частинки вимиваються атмосферними опадами або місяцями знаходяться в зваженому стані, а найдрібніші (<1 мкм) поширюються майже по всій тропосфері і впродовж років не випадають на поверхню.

Через рухливість повітряного середовища атмосферні забруднення (зокрема радіоактивні) здатні поширюватися на тисячі кілометрів. Частина повітряних мігрантів потрапляє в ґрунт, розчиняється в поверхневих і ґрунтових водах, залучається до харчових ланцюгів, деякі з них поглинаються безпосередньо водами Світового океану, інші переходять у водну ланку круговороту з атмосферними опадами, виносяться з річковим стоком в океан, де закінчують свою міграцію.

Серед техногенних повітряних мігрантів найбільше фізико-географічне значення може мати діоксид вуглецю. За деякими даними, його концентрація в атмосфері зросла лише за одне десятиліття на 13 %. Щодо балансу СО₂ в атмосфері поки що багато залишається нез’ясованим. Відомо, що частина її надлишку розчиняється у водах океану (але поглинають її тільки холодні води, тоді як теплі – виділяють). Крім того, підвищення концетрації вуглекислоти в повітрі стимулює фотосинтез, і можна очікувати посилення її вилучення у міру збільшення інтенсивності землеробства_. З підвищенням парціального тиску СО₂ пов’язане також збільшення її концентрації в поверхневих водах (що знаходить локальний прояв у посиленні розчинної дії водних розчинів на вапняк, доломіт, а також на бетон). Основний передбачуваний глобальний ефект зростаючої концентрації СО₂ в атмосфері – це її можливий вплив на тепловий баланс Землі (див. нижче).

Оксид вуглецю через свою легкість поширюється по всій товщі тропосфери. Його середня концентрація незначна, але локально (у великих містах) може зростати в 200-300 разів. Деяка частина СО поглинається водами океану або окиснюється в озоновому шарі атмосфери до СО_2.

Сірчистий ангідрид шкідливо впливає на деревну рослинність (з ним пов’язують, зокрема, масову загибель ялиці у деяких районах Західної Європи). Лишайники гинуть вже при концентрації SO₂ 0,01-0,02 на 1 млн. Згубний вплив SO₂ позначається також на ґрунтових мікроорганізмах. На частинках диму сірчистий ангідрид каталітично окиснюється до сірчаного ангідриду SO₃, який, розчиняючись у воді, перетворюється на сірчану кислоту, яка виділяється з опадами («кислотні дощі»).

Ефект атмосферних забруднень найінтенсивніше виявляється в безпосередній близькості від їх джерел, головним чином у великих містах і промислових центрах. Під дією сірчаної кислоти стіни будівель піддаються хімічному вивітрюванню, у результаті якого утворюється порівняно легко розчинний гіпс. Смог, що утворюється над містами, містить сотні різних сполук, нерідко небезпечних для здоров’я (зокрема канцерогенних). Смог зменшує надходження сонячної радіації (особливо її ультрафіолетової частини) на 30-40 %, а підвищений вміст ядер конденсації і сублімації в повітрі викликає локальне збільшення хмарності та опадів (на 5-10 %) і особливо туманів.

Більшість техногенних викидів проходить через водний цикл міграції. Деякі з них потрапляють безпосередньо в річки і водоймища через каналізацію. Це переважно промислові і побутові стоки, які відносно легко враховувати і контролювати. У промислових водах містяться різні кислоти, феноли, сірководень, аміак, ртуть, свинець, фтор, миш’як, кадмій та деякі інші токсичні речовини, відпрацьовані технічні масла, нафтопродукти. З побутовими стоками в річки і водоймища потрапляють детергенти, які характеризуються високою біохімічною активністю і створюють рясну піну. Чинниками прямого забруднення водотоків і водоймищ служать також водний транспорт і мілевий сплав.

Крім вказаних причин забруднення вод існують значно складніші і такі, що важче піддаються вимірюванню і контролю шляхи водної міграції різних господарських і побутових викидів. Джерелами їх служать сільськогосподарські землі (зокрема зрошувані), забруднені добривами і отрутохімікатами, тваринницькі ферми і пасовища, рекреаційні угіддя, відвали і терикони, звалища промислових і побутових відходів. З цих джерел різні органічні і мінеральні речовини (серед них є хімічно дуже активні і часто токсичні) залучаються до водної міграції за допомогою площинного змиву (переважно талими сніговими і зливовими водами), а також інфільтрації. До цього слід додати ту частину атмосферних мігрантів, які осідають у вигляді пилу або в розчиненому вигляді з атмосферними опадами, про що вже згадувалося раніше. Площинні стоки важко локалізувати та ізолювати від біологічного круговороту на суші, тому частина техногенних водних мігрантів може бути залучена в біологічний метаболізм.

Природними колекторами забруднених поверхневих і ґрунтових вод, як і каналізаційних, є річки, внутрішні водоймища і моря. Деяка частина забруднюючих речовин накопичується на річковому дні, але основна функція рік – транзитна. Завдяки проточності рік їх забруднення – процес оборотний. У річковій воді відбувається часткове самоочищення: частина органічних домішок руйнується і мінералізується у результаті життєдіяльності мікроорганізмів і водоростей.

У гіршому положенні внутрішні водоймища, що характеризуються сповільненим вологооборотом (усереднена швидкість вологообороту біля озер Землі в 230 разів менше, ніж біля річок). Тому в озерах і водосховищах умови самоочищення значно гірші, ніж в річках, в багатьох з них різко змінився гідрохімічний і гідробіологічний режим, деякі з них перетворилися на «мертві водоймища». За останні десятиліття значно поширилося явище техногенної евтрофікації водоймищ, обумовлене збільшенням концентрації у воді азоту і особливо фосфору.

Кінцева ланка водної міграції техногенних викидів – Світовий океан. Його прогресуюче забруднення обумовлене не тільки речовинами, що надходять з річковим стоком, але і безпосередніми викидами нафтопродуктів (при аваріях на танкерах і нафтопромислах) і промислових відходів, а також техногенними опадами з атмосфери. Процес забруднення океану в основному необоротний. Глобальне географічне значення цього процесу визначається визначною роллю Світового океану у формуванні структури всієї епігеосфери, її теплового балансу, вологообороту, газообміну. Так, утворення нафтової плівки призводить до порушення газового, теплового і водного обміну океану з атмосферою.

Поведінка елементів, що беруть участь у техногенній міграції, умови їх накопичення або видалення з геосистем залежать від характеру останніх. Наведемо лише декілька прикладів. Замкнуті улоговини (зокрема внутрішньогірські) сприяють формуванню стійких вогнищ атмосферного забруднення. Температурні інверсії, штилі, тумани також сприяють концентрації техногенних викидів в атмосфері. Слабкі дощі ефективніше осаджують атмосферні домішки, ніж зливові. Клімат впливає на утворення різних типів смогу. Негативні дії атмосферних забруднень на рослинність посилюються при сильній освітленості, підвищеній вологості повітря і помірній температурі, оскільки за цих умов відкриваються продихи листя.

Суттєве значення мають ґрунти. Кислі ґрунти, наприклад, інтенсивніше акумулюють різні шкідливі сполуки, ніж нейтральні. Високий вміст кальцію в ґрунті сприяє скороченню винесення різних елементів (зокрема, що містяться в хімічних добривах). Токсичні речовини швидше видаляються з фацій, що формуються на легкому сухому субстраті із слабо розвиненою підстилкою. Пестициди в умовах холодного клімату з тривалою зимою, в ґрунтах кислих і гумусованих розкладаються повільніше, ніж у теплому кліматі і в ґрунтах лужних і малогумусних. Велику роль у техногенному геохімічному круговороті виконують рослини-концентратори окремих елементів.

Зміни теплового балансу

Різноманітний техногенний вплив на тепловий баланс земної поверхні і атмосфери має ненавмисний характер і є побічним результатом господарської діяльності. Техногенні енергетичні чинники можна розділити на чотири групи.

1. Перетворення підстилаючої (субаеральної) поверхні. Сюди слід віднести вирубування лісів, створення оазисів, осушення боліт, створення водосховищ і штучних покриттів у містах, запилення поверхні снігу і льоду, утворення нафтової плівки в океанах та ін. Усі ці чинники впливають на радіаційний і тепловий баланс через зміну відбивної здатності і випаровування. Локальний, рідше регіональний (на нижніх ступенях) ефект буває досить істотним, наприклад, оазисів, що вже наводився. Створення водосховищ приводить до деякого збільшення радіаційного балансу, причому в гумідних районах основна частина цього приросту витрачається на турбулентний обмін з атмосферою, а в аридних – на випаровування. Осушувальні меліорації ведуть до збільшення потоку тепла від земної поверхні в атмосферу. У містах на тепловий режим впливає різке скорочення випаровування і акумуляція сонячного тепла каменем, бетоном, цеглою, асфальтом.

2. Викиди тепла в атмосферу у результаті виробництва енергії. Вся енергія, що виробляється, врешті решт перетворюється на тепло і розсіюється в просторі, причому не менше 2/3 енергії, що міститься в споживаному паливі, не використовується у виробництві через низький ККД і безпосередньо йде в атмосферу у вигляді тепла. Одним із джерел тепла служить нагріта вода, використовувана для охолоджування на теплових і атомних електростанціях. Глобальний ефект всього техногенного тепла може бути виражений підвищенням середньої температури повітря біля земної поверхні приблизно на 0,01°С, але в розвинених індустріальних країнах і районах цей ефект повинен бути значно сильнішим. У великих містах кількість тепла, що викидається в атмосферу, дорівнює величині сумарної сонячної радіації або навіть перевищує її.

3. Збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері. Роль цього чинника служить предметом дискусій. Багато авторів надають йому особливо велике значення, оскільки він повинен підсилювати парниковий ефект і, отже, вести до прогресивного підвищення температури повітря в глобальних масштабах. Проте цей процес повинні супроводжувати деякі процеси з протилежним температурним ефектом (зокрема, зміна хмарності). Крім того, до цього часу відсутні надійні способи кількісної оцінки балансу СО₂ в атмосфері.

4. Збільшення вмісту аерозолю в атмосфері. Запорошеність повітря сприяє утворенню хмар і підвищує величину відбитої сонячної радіації, але в той же час пилові частинки поглинають довгохвильове випромінювання і тим самим підсилюють парниковий ефект. Співвідношення цих протилежних тенденцій ще не досить зрозуміле.

Сумарний тепловий ефект техногенних чинників найвідчутніше виявляється в локальних масштабах, особливо в містах, де діють всі чотири групи чинників, причому визначальне значення має безпосередній викид тепла. У результаті середні річні температури у великих містах на 1-2°С вище, ніж на околицях, зимові можуть бути вищими на 6-7°С, а мінімальні – на ще більшу величину. Постійне надходження техногенного тепла в атмосферу повинне було б викликати підвищення температури повітря у великих містах на десятки градусів, але циркуляція повітряних мас рятує міста від перегріву і згладжує локальні контрасти в тепловому балансі. Але тим самим кумулюється дія окремих техногенних вогнищ, і створюється глобальний ефект.

Існують припущення, згідно з якими при сучасних темпах зростання виробництва енергії через 150 років середня температура може підвищитися більш ніж на 3°С, що приведе до танення льодовикових покривів і підвищення рівня Світового океану. Проте подібні прогнози поки ненадійні, оскільки кількісна оцінка різних складових техногенної дії на тепловий баланс дуже неточна і часто суперечлива; механізм виникаючих при цьому атмосферних процесів, зокрема зворотних зв’язків, не вивчений; нарешті, ми ще погано знаємо характер кліматичних коливань, що відбуваються через природні причини, унаслідок цього важко відділити техногенний внесок у тенденції зміни терміки атмосфери.