VI.L Основные особенности гидросферы [1]
Гидросфера - водная оболочка Земли, представляющая совокупность всех водных объектов планеты: океанов, морей, рек, озер, болот, ледников, снежного покрова, подземных вод. В состав гидросферы также входит вода в атмосфере, почвенная влага и вода живых организмов. В гидросфере представлены основные фазовые состояния воды - жидкое, твердое и газообразное. Это сплошная оболочка Земли, хотя иногда и невидимая, в случае когда она представлена только водяным паром или почвенной влагой.
Даже в сверхаридных пустынях суммарный запас воды в атмосфере и почве (даже без учета подземных вод) составляет 104 г/см[2], то есть 100000 мм. Суммарные запасы воды всех видов в различных точках мира очень сильно различаются: например, различие между океаном и пустыней составляет по крайней мере 10[3] раз.
"Невидимость" гидросферы в отдельных ее участках также совсем не означает, что ее роль пренебрежимо мала. Наоборот, водяной пар в атмосфере - необходимый участник важнейшего геоэкологического процесса: создания первичной биологической продукции, или фотосинтеза. А почвенная влага - практически обязательный компонент процесса создания растительной биомассы Земли. Кроме того, как водяной пар, так и почвенная влага играют важнейшую роль в глобальном гидрологическом цикле.
Пространственно гидросфера фактически совпадает с экосферой. Гидросфера проникает во все другие геосферы и играет важнейшую роль в глобальных процессах обмена веществом и энергией. Вода в природе принимает участие, часто решающее, во многих разнообразных природных процессах и, в соответствии с особенностями того или иного процесса, отличается весьма различной подвижностью.
Вода гидросферы играет важнейшую роль в глобальном цикле вещества, осуществляя эрозию и денудацию горных пород, перенос и отложение продуктов их разрушения.
Вода обладает чрезвычайно высокой растворяющей способностью. Дистиллированной воды в природе не бывает вовсе, и, наоборот, природные растворы разнообразнейшего содержания и различной концентрации встречаются всюду в экосфере и играют решающую роль в глобальных геологических и биогеохимических круговоротах веществ. По словам В.И.Вернадского, "... нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов".
Физические свойства воды весьма специфичны: большие величины скрытой удельной теплоты фазовых переходов (испарения, конденсации, таяния, сублимации), значительная теплоемкость, малая молекулярная теплопроводность, нетривиальная зависимость плотности от температуры и др. Эти специфические свойства оказывают серьезное влияние на те многие природные процессы, в которых участвует вода. В особенности значительную роль в глобальных процессах играет очень высокая величина скрытой удельной теплоты испарения-конденсации, потому что 84% солнечной радиации, поглощаемой поверхностью Земли, расходуется на испарение. Это, в свою очередь, обеспечивает влагоперенос и, в конечном итоге, круговорот воды, или гидрологический цикл. Тем самым, энергия Солнца как бы запускает и поддерживает глобальный круговорот воды.
Другое очень важное физическое свойство воды это ее высокая теплоемкость, определяющая многие природные процессы. Например, огромный теплозапас океанов оказывает решающее влияние на геоэкологическое состояние Земли.
Океаны и моря покрывают 71% общей площади Земли, а вместе с водными объектами суши (ледники, озера, водохранилища, болота и др.) общая покрытость Земли водой составляет почти 3/4. Это обстоятельство, вследствие высокой теплоемкости воды и значительной энергии ее фазовых переходов, имеет огромное значение для теплового и водного режима нашей планеты, а потому является решающим в формировании почв и растительности и, следовательно, всего облика Земли.
В Мировом океане содержится 96,4% общего объема гидросферы. Эта огромная масса состоит из двух слоев: верхнего, относительно теплого, и основного, холодного, с температурами 4°С и ниже. Океан играет важнейшую и весьма неоднозначную роль терморегулятора экосферы.
На суше основную массу воды содержат ледники (1,86% от общих запасов и 70,3% от запасов пресных вод), существенно влияющие, благодаря их высокой отражательной способности (альбедо), на формирование глобального теплового баланса атмосферы и поверхности Земли. Общий объем подземных вод составляет 1,68% гидросферы. Из них примерно половина - пресные воды.
Из весьма большого общего объема вод гидросферы (1338 млн. куб. км), пресных вод - всего лишь 2,64%, что составляет слой воды на поверхность суши мира равный приблизительно 240000 мм.
Мировой океан, ледники и подземные воды, то есть водные объекты замедленного водообмена, содержат 99,94% всей воды гидросферы. Реки - важнейший компонент гидросферы, отличающийся высокой скоростью водообмена. Суммарный объем воды в реках мира всего лишь 0,0002% от общих запасов воды и 0,005% от запасов пресных вод. Если распределить речную влагу, единовременно находящуюся в руслах рек мира, равномерно по всей неледниковой поверхности суши, то средний слой составит лишь 13 мм. Однако роль именно этой, "быстрой" влаги в функционировании экосферы и отдельных ее частей столь велика, что ее невозможно переоценить. Кроме того, именно эта вода - один из основных природных ресурсов, используемых человечеством, отличающийся к тому же высокой скоростью возобновления.
Важнейшим процессом в экосфере является глобальный круговорот воды, или, по другой терминологии, гидрологический цикл. Он служит основой единства географической оболочки, играя важнейшую роль во всемирном обмене веществом и энергией. Главным образом, под воздействием солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов и суши. Испарившаяся влага включается в процесс атмосферного влагопереноса. При этом часть атмосферного потока влаги выпадает в виде атмосферных осадков, снова испаряется, снова выпадает в виде осадков, и т.д. Так осуществляются влагообо- роты в пределах материков и океанов.
Глобальный круговорот воды состоит из океанического и материкового звеньев, взаимосвязанных обменом водяного пара между океаном и сушей, и стоком с суши в океан. Преобладающая часть выпадающих на сушу осадков испаряется, остальное стекает в океан, главным образом, в виде речного стока, а также стока подземных вод и отрыва ("отёла") ледников в море. На почти третьей части неледниковой поверхности суши речные воды не имеют стока в океан и заканчиваются в бессточных впадинах, часто заполненных озерами. Схема глобального круговорота воды приводится на рис. 13, а обозначения на стр. 159.
Состояние гидросферы Земли, а также и любой ее части, характеризуется ее водным балансом. С достаточной для большинства задач точностью можно принять, что общая масса гидросферы остается постоянной по крайней мере в течение кайнозоя, то есть последних десятков миллионов лет. Изменения гидрологического состояния Земли связаны не с изменениями общего мирового объема воды, а с пространственным перераспределением воды, в особенности с изменениями соотношения запасов воды в океанах и ледниковых покровах. При большем развитии оледенения на Земле вода гидросферы в большей степени концентрируется в ледниках, и уровень Мирового океана понижается. И наоборот, высокий уровень океана соответствует относительно малому объему ледниковых покровов. Проявления этого соотношения наблюдаются в настоящее время, как это уже обсуждалось в связи с последствиями изменения климата.
Уравнения водного баланса для океана и суши со стоком в океан и областей внутреннего стока (бессточных) выглядят следующим образом:
Для Мирового океана: Р0 + Rl - Ео - AW0
Для областей со стоком в океан: PL - El - Rl = AWL
Для областей с внутренним стоком: Рс - Ес = AWC
Здесь Р - осадки, Е - испарение, R - сток, AW - изменения запаса влаги в соответствующей области (о-в Мировом океане, L- в областях со стоком в Мировой океан, с - в областях с внутренним стоком).
Сложим почленно все три уравнения, одновременно объединяя однородные компоненты баланса:
(Р0+ Pl + Рс) - (Е0 + El+ Ее) - (Rl - RL) = AW0+ AWL + AWC.
Для Земли в целом (м = о + l + с) получим:
Рм - Ем = A Wm.
Поскольку, в соответствии со сказанным выше, объем воды на Земле практически постоянен (AWM = 0), то за многолетний период общемировые величины осадков и испарения должны быть равны:
Рм = Ем- 159
Е0 = P0 + R PL - El=r
Рис. 13. Схема глобального цикла воды
Все компоненты глобального водного баланса пока определяются с невысокой точностью, около 10-20%, и данные, приводимые различными авторами, заметно отличаются друг от друга.
Осадки на океанах и значительных частях суши измеряются в относительно немногих точках, что при высокой пространственной изменчивости осадков приводит к существенным погрешностям в определении их величин в мировом водном балансе.
Сток, при наличии достаточно продолжительных гидрометрических измерений, определяется с наибольшей, по сравнению с другими компонентами, точностью. Однако во многих районах мира регулярные гидрометрические измерения не проводятся. В особенности следует отметить необходимость, но и недостаточность регулярных наблюдений за стоком крупнейших рек мира.
| > Е = Р |
| океан |
| суша |
Испарение, как с суши, так и с водной поверхности, почти совсем не измеряется. Оно или рассчитывается для отдельных точек по физическим формулам, или же определяется как остаточный член вод-
ного баланса. Точность его определения для мира или крупных его частей, следовательно, невелика.
Изменения запаса воды также не определяются с высокой точностью. Для глобального водного баланса важнейшими составляющими являются изменения объема океана и покровных ледников. Как мы уже видели выше, измеряемые изменения уровня воды океана не полностью отражают колебания его объема из-за комплекса гидрометеорологических, геотектонических и геоморфологических факторов, из которых только первый отражает изменения объема воды. Что касается ледниковых покровов, то пока даже не удается надежно определить, увеличивается или уменьшается масса ледниковых покровов Гренландии и Антарктиды, не говоря уже о количественных оценках.
Задача более надежного определения компонентов водного баланса мира - одна из важнейших проблем гидрологии и геоэкологии. Есть основания надеяться, что проводящиеся исследования глобального гидрологического цикла в рамках международных программ исследований глобальных изменений принесут более точные результаты.
Величины некоторых компонентов глобального водного баланса за год выглядят следующим образом:
| Элементы водного баланса | Объем, тыс. куб. км | Слой, мм |
| Осадки, мир в целом: | ИЗО | |
| Испарение, мир в целом: | ||
| Осадки на поверхность суши: | ||
| Влагообмен между океаном и сушей, | ||
| в том числе речной сток в океан |
Отметим, что около 30 тыс. куб. км в год расходуется на транспи- рацию растениями, или 42% суммарного испарения с поверхности суши.
Влияние деятельности человека на компоненты мирового водного баланса пока затушевывается относительно невысокой точностью определения компонентов. Однако глобальные модели циркуляции климата показывают, что антропогенные изменения климата повысят интенсивность водообмена в глобальном гидрологическом цикле. Влияние изменения климата на гидрологическую ситуацию в отдельных регионах будет весьма значительным.
