Розвиток уявлень про водний баланс Землі
Атмосферна ланка
Атмосферна ланка кругообігу характеризується перенесенням вологи в процесі циркуляції повітря і, як вже було сказано, утворенням атмосферних опадів. Загальна циркуляція атмосфери має чудову властивість - порівняльну стійкість з року в рік, але при істотній сезонній мінливості.
Розрахунки показують, що середній шар опадів складає на суші 765 мм, в океані - 1140 мм, а в цілому для усієї земної кулі - 1030 мм, т. е. дещо більше 1 м В об'ємі відповідні величини рівні: для суші - 113,5 тис. км3 (22%), для океану - 411,6 тис. км3 (78%), для усієї земної кулі - 525,1 тис. км3.
Ці об'єми води кількісно характеризують інтегральний результат кругообігу води на Землі, але вони складаються з великого числа інших процесів, що беруть участь в кругообігу.
Безпосередня роль циркуляції повітря в кругообігу води полягає в перерозподілі атмосферної вологи по земній кулі. На материках опадів випадає більше, ніж атмосфера отримує вологу за рахунок випару з суші. Різниця, що приблизно досягає 40 - 43 тис. км3 в рік, заповнюється за рахунок перенесення вологи атмосфери з океану на сушу. Цей процес має велике значення, оскільки він збільшує водні ресурси материків. Без такого прибутку вологи водні ресурси, використовувані людиною на суші, були б значно бідніші.
Океанічна ланка
Для океанічної ланки кругообігу найбільш характерний випар води, в процесі якого безперервно відновлюється зміст водяної пари в атмосфері. Досить сказати, що більше 86% вологи поступає в атмосферу за рахунок випару з поверхні океану і менше 14% - за рахунок випару з суші.
Витрата води на випар розподіляється нерівномірно по акваторії океану. Це можна добре бачити по різниці між випаром і осіданнями. У екваторіальній зоні витрата води на випар із-за великої хмарності менше річної суми опадів. У помірних широтах випаровується води також менше, ніж випадає опадів, але головна причина тут інша - недолік тепла. У тропічній і субтропічній зонах з поверхні океану випаровується вологи більше, ніж випадає. Відбувається це тому, що в зоні пасатів хмарність буває рідше, тепла тут багато, а опадів випадає відносно менше.
Важлива риса океанічної ланки кругообігу води - перенесення величезних мас морських вод. В. Г. Корт (1962) розрахував кількість води, щорічно переносимої течіями четы-рех океанів. На підставі цих даних складена таблиця. 3.
Ці дані характеризують інтенсивність внутрішнього океанічного водообміну під впливом течій. Вичислені мною цифри останньої графи говорять про те, скільки років в середньому необхідно, щоб усі води цього океану і Світового океану в цілому перемішалися або змінилися. Для Світового океану на це вимагається приблизно 60 років; найменш інтенсивний водообмін Тихого океану (більше 100 років), для Атлантичного океану вимагається близько 50 років, для змішення вод Індійського - 40 років, стільки ж років в середньому вимагається і для повного перемешива-ния вод Північного Льодовитого океану.
Таблиця 3
Об'єм водних мас, які переносяться течіями в океанах, і інтенсивність їх водообміну
| Океани | Площа, млн. км2 | Об'єм, млн. км3 | Річна витрата водних мас, що переносяться млн. км3 | Інтенсивність водообміну ((число років) |
| Тихий Атлантичний Індійський Північний Льодовитий | 6,56 7,30 7,40 0,44 | |||
| Світовий океан | 21,70 |
Океанічним течіям належить велика кліматоформуюча роль, тому їх вплив на кругообіг води в основному позначається через клімат. Морські течії переносять води на три порядки більше, ніж усі річки світу, а обумовлений ними водообмін в 50 разів інтенсивніший за водообмін, викликаний атмосферними опадами, що випадають на поверхню океану, і випаровуванням. З цієї причини внутрішній океанічний водообмін набагато інтенсивніший за зовнішній, обумовленого кругообігом прісної води.
Літогенна ланка
Літогенна ланка кругообігу води, іншими словами, участь підземних вод в кругообігу води, дуже різноманітно. Глибинні підземні води, головним чином розсоли, украй слабо пов'язані з верхніми шарами підземних вод і з іншими ланками кругообігу води. Накопичення глибинних підземних вод в деяких областях відбувалося протягом багатьох мільйонів років. Дуже повільно просочуючись углиб і поповнюючись за рахунок дегазації мантії, на глибинах (найчастіше більше 1-2 км) утворилися величезні скупчення води. Але їх участь в кругообігу води виражена дуже слабо. Глибинні підземні води, якщо порівнювати з кругообігом води - явищем природи дуже динамічним, практично стабільні. Нх об'єм дуже трохи міняється протягом коротких періодів часу. Вони зазвичай сильно мінералізовані, аж до міцних розсолів, що і служить головною ознакою слабкого обміну.
Прісні підземні води залягають переважно в зоні активного водообміну, у верхній частині земної кори, дренованої річковими долинами, озерами і морями. Саме завдяки інтенсивному водообміну, відносно частим переходам через фазу конденсації атмосферної вологи ці води слабо мінералізовані, практично прісні.
Явищу природного дренажу підземних вод належить виключно важлива роль в кругообігу. Завдяки ньому одна з ланок кругообігу придбаває регулюючі властивості - річки отримують стійке живлення. Без цього джерела водний режим річок був би ще мінливіший - вода в річках з'являлася б лише під час дощів або при сніготаненні, а в решту часу річки пересихали б. Річки з таким режимом поширені в зоні сухого степу і в пустелі. Тут підземні води отримують дуже слабке живлення, швидко вичерпуються і їх участь в живленні річок дуже не-значно. Тому такі порівняно великі річки, як Малий і Великий Узень в Заволжье, течуть лише нетривалий час навесні. З цієї ж причини ваді Сахари, омурамбо пустелі Калахарі і крики Австралії протягом декількох років бувають сухими і перетворюються на стрімкі потоки під час рідко випадних тут інтенсивних злив. Використання водних ресурсів таких річок можливе лише шляхом створення водосховищ великої місткості, що збирають паводочные води і в якійсь мірі замінюючих підземні води, що володіють, як правило, високою природною регулирующси здатністю.
Розподіл підземних вод по території і інтенсивність їх відновлення пов'язані з геологічною будовою і географічною зональністю. Обидва ці чинники тісно переплітаються, і не завжди можливо розділити їх вплив. Комплекс компонентів природи (клімат, грунтовий покрив, рельєф, рослинність) чинить істотний вплив на формування підземного стоку.
Геологічна будова помітно впливає на місцевий кругообіг води і на водний баланс при істотних його відхиленнях від звичайних умов. Великий вплив робить карст. У закарстованных районах гірські породи (зазвичай вапняки або гип-сы) інтенсивно вилуговуються, внаслідок чого створюються порожнечі, підземні тунелі, печери, в яких вільно циркулює вода, що просочилася з поверхні.
В умовах повністю закарстованной, легко проникній території вода швидше просочується углиб, в меншому об'ємі затримується у верхніх шарах гірських порід і тим самим краще зберігається від випару. Це сприяє підвищенню стоку в основному за рахунок стійкої частини підземного походження.
Приблизно такий же вплив на водний баланс, особливо на литогенное ланку кругообігу води, роблять добре проникні для води вулканічні туфы. Вірменське нагір'я, складене такими гірськими породами, відрізняється майже повною відсутністю поверхневого стоку, оскільки при випаданні опадів і при сніготаненні уся вода швидко просочується углиб і живить підземні води. У цих умовах формуються щедрі джерела підземних вод.
Грунтова ланка
До литогенному ланки відноситься також і грунтове, оскільки грунтова вода пов'язана з самою верхньою частиною земної кори. В той же час є усі підстави для виділення грунтових вод, або, як частіше прийнято називати, грунтової вологи, в особливу ланку кругообігу. Грунтова волога відрізняється від підземних вод деякими особливостями. По-перше, грунтова волога пов'язана з біологічними процесами в набагато більшій мірі, чим підземні води. Грунтовий покрив, до якого приурочена грунтова волога, представляє не чисто мінеральну масу, що складає гірські породи, а містить більшу або меншу кількість гумусу. По-друге, грунтова волога більшою мірою, чим підземні води, пов'язана з характером погоди. Під час дощів або при сніготаненні відбувається інфільтрація, що збагачує грунт вологою, але в сухий час вона швидко витрачається на випар. З цієї причини зміст вологи в грунті на більшій частині суші буває нестійким. Випар відбувається не лише з поверхні грунту; грунтова волога витрачається також на транспірування, яке представляє виключно важливий процес життєдіяльності рослин, причому корені рослин поглинають вологу з тієї глибини, на яку вони поширюються. Таким чином, грунтова волога є одним з важливих чинників життєдіяльності рослин.
У тих випадках, коли грунтової вологи недостатньо, а інші компоненти родючості грунтового покриву, а також теплові ресурси атмосфери є в надлишку, застосовується штучне зрошування, завдання якого - забезпечити достаточ-ным кількістю грунтової вологи сільськогосподарські культури.
Грунтовою вологою, крім того, живляться підземні води. Просочування грунтової вологи углиб - друге джерело витрачання ресурсів грунтової вологи. Живлення підземних вод дуже інтенсивно відбувається в місцях великого зволоження грунту, особливо в лісах, де грунтовий покрив сильно розпушений кореневою системою рослин і тому має високі інфільтраційні властивості, що водопроводять.
Хоча одноразовий об'єм грунтової вологи відносно невеликий, але вона швидко змінюється і, як ми бачили, грає велику роль в кругообігу води, в біогенних процесах і в господарському житті. Грунтова ланка кругообігу чинить великий вплив не лише на формування підземних вод, але також і на водоносність і водний режим річок. Одним словом, грунт - свого роду посередник між кліматом, метеорологічними чинниками, з одного боку, і явищами гідрологічного режиму (підземних вод, річок і озер) - з іншою.
Річкова ланка
Річкова ланка кругообігу води вивчена краще за інших. І це не випадково. Людина здавна селилася уздовж річок, просувалася по річках в невідомі країни, пив річкову воду, їв рибу, вы-ловленную в річках. З розвитком продуктивних сил людина стала використовувати річкові води для зрошування, а надалі - як джерело енергії, спочатку зводячи на них примітивні млинові колеса, а потім гідроелектростанції аж до сучасних потужністю в декілька мільйонів кіловат.
Древні культури багатьох народів нерозривно пов'язані з річками: єгипетською - з Нілом, ассірійською і вавілонською - з Євфратом і Тигром, індійською - з річками Інд і Ганг.
Люди залежали від режиму річок - страждали від їх повеней і в той же час використовували розливи для зрошування полів. Але усе це служило поштовхом до пізнання властивостей і закономірностей водного режиму. Вже в XX ст. до н.е. в Стародавньому Єгипті проводилися спостереження над рівнями води Нілу. У Асуані зберігся прадавній нилометр. Нилометр пізнішого часу існує на ове Рода в рисі м. Каїра. Ці споруди знаходилися у веденні жерців, що віщали народу, який очікується урожай. Такий зв'язок між рівнями води в річці і урожаєм не випадковий: при високих паводках розливши річки поширювався на велику площу і був тривалішим, що обіцяло високий урожай, при низьких паводках урожай знижувався. З початку мусульманської епохи на каїрському кілометрі щорічно відзначалася висота паводку. Так збереглися зведення про паводочных підйоми рівнів Нілу майже за 12 століть.
Роль річок в процесі кругообігу полягає в поверненні океану тієї частини води, яка переноситься у вигляді пари атмосферою з океану на сушу. З цієї причини з океану випаровується більше води, чим випадає у вигляді опадів, на величину, відповідну річному стоку усіх річок в океан. В той же час з суші випаровується в цілому менше води, чим випадає атмосферних опадів на її поверхню.
Усі джерела живлення річок діляться на дві групи: поверхневі і підземні. Поверхневий стік, або вода, що стікає в русла річок по поверхні грунту, може бути різного походження. Від танення снігового покриву утворюється сніговий стік, при выпа-дении дощів - дощовий. У особливу групу виділяється високогірний сніговий (т. е. від танення багаторічних снігів) і льодовиковий стік. На околицях полярних льодовикових щитів Гренландії і Антарктиди утворюються своєрідні річки, поточні серед крижаного поля в руслах з льоду. Вони з'являються на період короткого полярного літа і живляться за рахунок абляції поверхні крижаних щитів.
Усі види поверхневого стоку утворюють на річках паводки, тривалість яких міняється в значних межах.
З точки зору інтересів людини поверхневий стік з території полів, лугів, лісів більше негативне явище, чим позитивне. По-перше, він джерело безповоротних втрат води для сільськогосподарських полів, що особливо відчутно в районах недостатнього зволоження. По-друге, в процесі набрякання води по поверхні відбувається змив грунту, утворюються промоїни і яри; у горах виникають грізні грязе-каменные потоки - сіли; ерозія завдає величезної шкоди господарству. По-третє, поверхневий стік, як вже було сказано, утворює паводки, що викликають розливи річок і повені, що завдають великого збитку господарству.
Озерна ланка
Озерна ланка кругообігу води нерозривно пов'язана з річковою. Озер, не пов'язаних з річками, дуже мало: вони або проточні, або в них впадають річки.
Що найхарактерніше для озер як для однієї з ланок кругообігу води? По-перше, випар, який з поверхні озер більше, ніж з суші, що їх оточує. Відбувається це тому, що бувають періоди, коли грунт на поверхні сухий, і волога, що витрачається на випар, відсутня. Вода ж в озерах завжди є, і випар з них не припиняється.
Наприклад, з Каспійського моря випаровується щорічно шар майже метрової потужності, а в прибережних районах, переважно посушливих, уся вода, що випала у вигляді опадів, 200-300 мм, т. е. у 3-5 разів менше, ніж з поверхні води. У районах краще зволожених (на півночі або в екваторіальній зоні, де в грунтовому покриві майже завжди є волога) різниця у кількості води, що випаровується з суші і з поверхні озер, зменшується.
Атмосфера отримує щорічно приблизно 500-600 км3 додаткової води за рахунок випару з озер, але порівняно із загальною кількістю води, що витрачається на випар, ця добавка дуже незначна.
Головна роль проточних озер в кругообігу води - регулювання річкового стоку, його вирівнювання в часі. Прикладами можуть служити р. Нева, стік якої добре зарегульований цілою системою озер, у тому числі найбільшими в Європі - Ладозьким і Онежським. Река Ангара майже ідеально зарегульована якнайглибшим у світі і найбільшим в Азії оз. Бай-ал. Інший класичний приклад - стік р. Святого Лаврентія, зарегульований системою Великих озер.
Проте водорегулююче значення ще більшою мірою мають штучні озера - водосховища. За новітніми даними, на земній кулі створено близько 1350 водосховищ, що мають об'єм більше 100 млн. м3.
Важлива особливість озер і водосховищ полягає в тому, що вони є більш менш замкнутими екологічними системами, в яких протікає складний комплекс взаємозв'язаних процесів, : механічного характеру (течія, хвилювання, рух наносів), фізичного (термічні, льодові явища), хімічного і біологічного. У водоймищах високої міри проточності ці процеси наближаються до умов річок. Але великі озера з відносно слабкою проточністю (наприклад, такі, як Байкал, Ньяса, Танганьика, Вікторія, Верхнє, Мічіган), що мають більший об'єм водної маси в порівнянні з її припливом, відрізняються своеоб-разием екосистем.
Біологічна ланка
Це ланка кругообігу води дуже складно і різноманітно. Я зупинюся на найбільш важливих його властивостях, безпосередньо пов'язаних з кругообігом.
Загальновідомо, що в житті тварин і рослин вода має величезне значення. Вони в більшій своїй частині складаються з води. Багато води потрібно людям для питва (2,5-3 л). Якщо прийняти цю норму, то на задоволення физиологи-ческой потреби однієї людини витрачається близько 1 м3 води в рік, а на усіх людей - 3,3 км3.
Більше води споживається домашніми тваринами, приймемо загальне річне споживання рівним 25 - 30 км3.
Невідомо, скільки води споживають дикі тварини, але, ймовірно, не більше, ніж усі домашні. У результаті усі живі організми суші витрачають для питва не більше 50 км3 в рік. Ця величина дуже невелика порівняно з будь-яким елементом водного балансу Землі. Треба ще врахувати, що майже уся вода, споживана людьми і тваринами, врешті-решт випаровується і повертається в загальний кругообіг води. Незалежно від об'єму споживаної води фізіологічне значення цієї статті витрачання водних ресурсів в житті людей і тварин виключно велике.
До біологічної ланки кругообігу води відносяться і водні тварини і рослини, для яких моря, озера, річки - середовище існування.
Найважливіший біологічний процес, що забезпечує існування на Землі всього органічного світу, - фотосинтез відбувається за участю води. В результаті цього процесу рослини з вуглекислоти і води синтезують крохмаль, білки, жири, які у свою чергу служать їжею для людей і тварин. В процесі фотосинтезу водень, що входить до складу води, разом з вуглецем, що поглинається з повітря, утворюють поживні речовини, а рослини віддають в повітря кисень. Збагачення киснем атмосфери відбувається не лише за рахунок рослинності суші, але і за рахунок океанічного фітопланктону.
До біологічних процесів, найбільш відчутних в кругообігу води, відноситься транспірування, що представляє складний, важливий для життєдіяльності рослин процес. При погло-ении грунтової вологи коренями рослин з водою в рослину поступають розчинені у воді мінеральні і органічні речовини - їжа рослин. Життєдіяльність рослин, приріст рослинної маси, урожай залежать від регулярності вступу води. Але процес транспірування важливий також і для регу-лирования температури рослини. У якихось межах цей процес регулюється самою рослиною. Таким чином, хоча транспірування - фізичний процес, але від звичайного випару з неживої речовини вона от-личается деякими можливостями регулювання самою рослиною. Тому процес транспірування в той же час є і фізіологічним процесом.
Кількість води, транспірованої різними рослинами, коливається у великих межах. У посушливих країнах поширені ксерофітні рослини, що мають здатність транспірувати відносна мала кількість води.
Транспіраційну здатність рослин часто оцінюють по коефіцієнту транспірування, що характеризує об'єм води, який повинен витратитися для утворення одиниці ваги сухої речовини рослини. Наприклад, для утворення 1 т наземної рослинної маси пшениці, т. е. зерна і соломи, витрачається 300 - 500 м3 води.
Витрата води на транспірування залежить від великого числа чинників : від характеру самої рослини (міри його ксерофитности), від умов погоди, від наявності вологи в грунті. У суху жарку погоду рослина потребує витрачання великої кількості води на транспірування.
Випар з грунту не можна розглядати ізольовано від транспірування. Під запоною лісу з поверхні грунту випаровується мало води, незалежно від її наявності на поверхні. Так відбувається тому, що сонячна радіація слабо проникає через крони дерев. Крім того, під запоною лісу швидкість руху повітря сповільнюється, і він більше насичений вологою. У цих умовах основна частина вологи, що випаровується, происхо-дит за рахунок транспірування.
Співвідношення між транспіруванням, яке по суті є продуктивним випаром, і випаром безпосередньо з грунту, - непродуктивним міняється від сезону до сезону залежно від фаз розвитку рослин.
В середньому витрата води на транспірування складає не менше половини сумарного випару з суші, т. с. близько 30-35 тис. км3 в рік. Ця величина рівнозначна майже 7% від випару з поверхні земної кулі, включаючи і океан.
Господарська ланка
Використання водних ресурсів, їх перетворення, спрямовані на поліпшення їх як одного з компонентів середовища, що оточує людей, також відбуваються в процесі кру-говорота води.
Іноді, а останнім часом все частіше висловлюється думка про те, що вода, використовувана для господарських потреб, знову потрапляє в кругообіг води. Це, звичайно, вірно і цілком відповідає висловленій вище закономірності, якщо йдеться про глобальний кругообіг, оскільки система цього процесу замкнута лише в масштабі земної кулі в цілому. Але чи виходить з цього положення висновок про те, що водні ресурси невичерпні, що, скільки б їх не витратили, вони знову повертаються в те ж місце або в той же район, де водні ресурси вилучені з цього джерела. Таке розуміння повернення води в процесі кругообігу занадто спрощено і не відповідає характеру цього процесу в природі. Вся річ у тому, що вода, що випарувалася в процесі використання для господарських потреб і що поступила в атмосферу в пароподібному стані, зовсім не обов'язково знову випаде у вигляді опадів в тому ж районі. Найчастіше атмосферна волога переноситься на великі відстані і може сконденсуватися і випасти у вигляді опадів далеко від району, де вона поступила в атмосферу. Якщо, наприклад, вода, що випарувалася в результаті зрошування в Середній Азії, дасть опади в Гімалаях, де і без того вода в надлишку, то для Середньої Азії ця вода буде втрачена. А якщо ця атмосферна волога сконденсується у вигляді опадів на акваторії океану, то у такому разі вона вже виявляється втраченою для суші в цілому.
Водний баланс землі
Характеристика якісних сторін процесу кругообігу води торкається походження різних джерел водних ресурсів, їх взаємозв'язку, але нічого не говорить про кількісну сторону кругообігу - про об'єми води, переносимі в процесі його дії. Водний баланс дозволяє кількісно представити цей грандіозний процес і в той же час служить первинною основою для оцінки водних ресурсів Землі.
Розвиток уявлень про водний баланс Землі
Я не претендую на вичерпну повноту цього огляду і бачу його мету в тому, щоб освітити шляхи, якими наука поступово прийшла до сучасних уявлень про водний баланс Землі, оскільки історичний аналіз дозволяє оцінити рівень сучасних представлень з проблеми, дає можливість краще відчути прогрес, досягнутий по цьому розділу гідрології.
Досить повне уявлення про історію досліджень водного балансу Землі можна отримати з дуже грунтовного огляду І. А. Федосеева (1967), а також з відомостей з цих питань, приведених в деяких моїх роботах (наприклад, Львович, 1945; Lvovich, 1971). У таблиці. 8 поміщені відомості про відомі розрахунки річкового стоку як елементу, водного балансу Землі.
Усю історію розрахунків світового річкового стоку можна розділити на три періоди.
1. До початку останньої третини минулого століття, коли визначення річкового стоку носили чисто оцінний характер і не виходили з яких-небудь конкретних даних. З відомих таких оцінок можна згадати оцінку, зроблену До. Джонсоном.
2. Остання третина минулого століття - перша третина поточного, що характеризується досить суб'єктивними оценочны, - мі даними для більшої частини суші, не вивченої в гідрологічному відношенні, В результаті висновки про світовий річковий стік коливалися у великих межах - від 192 до 320 мм.
Таблиця 8. Розвиток уявлень про розміри світового річкового стоку
| Автор (рік видання праці) | Річковий стік | |||
| км3 | мм | м3/сік | Примітка * | |
| Э. Реклю (1872) А. І. Воейков (1884) Дж. Меррей (1887) Э. Брикнер (1905) Р. Фрицше (Fritzsche, 1906) Г. Вюст (Wust, 1922) А. А. Каминский (1925) В. Хальбфас (Halbfass, 1934) В. Мейнардус (Meinardus, 1934) Г. Вюст (Wust, 1936) М. І. Львович (1945) Е. Рейхель (Reichel, 1957) М. І. Будыко і Л. І. Зубенок (1956) Ф. Альбрехт (Albrecht, 1960) М. І. Львович (1960) М. І. Львович (1964) И. Марчинек (Marcinec, 1964) Р. Нейс (Nace, 1968) М. І. Будыко і Л. І. Зубенок (1970) М. І. Львович (1971) | 31150 18800 25000 25000 30640 37100 30640 48000 36800 37000 37100 28800 33000 33500 35500 37300 36500 42600 36200 | 1160 1350 1150 1330 | I I II II III IV III IV IV IV III IV IV II IV III IV |
* * I - для периферійної частини суші без полярних льодовиків;
II - для периферійної частини суші з полярними льодовиками;
III - для усієї суші, виключаючи полярні льодовики;
IV - для усієї суші.
3. Починаючи з 40-х років поточного століття по теперішній час. Для цього періоду характерна поява складених автором світових карт річкового стоку, що служили для розрахунків стоку, а також застосування для цієї мети інших прийомів - розрахунків по випару (Будыко, Зубенок, Альбрехт) або за даними про річковий стік, згрупованими по п'ятиградусних широтних поясах (Марчинек). У минулому цей метод, застосований Реклю, Мерреем, Фрицше, грунтувався на досить мізерних даних про річковий стік, але Марчинек (Marcinec, 1964) використовував для цієї мети набагато повнішу інформацію. Проте за минулі три десятиліття величини світового стоку коливалися за результатами різних розрахунків в межах від 225 до 310 мм.
Слідує, проте, відмітити, що ці дані не цілком порівнянні між собою, оскільки частина з них відноситься не до усієї суші, наприклад виключаючи полярні льодовики. В деяких випадках автори не відмічають, яку частину суші характеризують їх висновки про стік, тому зроблене узагальнення не позбавлене услов-ности.
Цікаво, що з 20 розрахунків світового водного балансу, поміщених в таблицю. 8, половина усіх доводиться приблизно на сім десятиліть до першого розрахунку автора, причому три з них пов'язані з фундаментальними дослідженнями світового водного балансу. В той же час за минулі 25 років у пресі з'явилося десять розрахунків інших авторів, з яких шесть-семь відносяться до фундаментальних досліджень світового водного балансу, де стік розглядається як один з його елементів. Це свідчить про зростаючу увагу до кругообігу води і кількісної оцінки окремих його ланок. З моїх чотирьох варіантів, поміщених в таблицю. 8, до фундаментальних належить перший, завершений в 1941 р., другий, визначений в 1960 р. і опублікований у Фізико-географічному атласі світу в 1964 р., і, нарешті, четвертий, завершений в 1971 р. і публікований в справжній роботі. Усе ці три варіанти зажадали перерахунку усіх елементів водного балансу, причому найбільш трудомісткими і оригінальними були перший і останній. Оригінальність першого варіанту полягала в тому, що в його основу була покладена перша карта річкового стоку світу, а останнього - в застосуванні диференційованого методу вивчення водного балансу території, в основу якого покладена система рівнянь, що дозволили перейти від однієї карти повного річкового стоку до комплексу взаємопов'язаних карт, що включають генетично різні частини річкового стоку, а також характеристику ресурсів грунтової вологи.
Отже, по методу визначення річкового стоку усі варіанти розрахунків світового водного балансу діляться на три групи.
1. Розрахунки по широтних поясах, використовуючи ті, що все були на той час дані по стоку (Меррей, Фрицше, Вюст, Марчинек).
2. Розрахунки по різниці опади мінус випар, причому випар розраховувався спеціальними методами (Будыко, Зу-бенок, Альбрехт).
3. Розрахунки по картах, складених за даними спостережень стоку з використанням інтерполяційних залежностей для територій, слабо вивчених або невивчених в гидроло-ическом відношенні.
Останній метод при порівнянні з другим у меншій мірі залежить від точності спостережень над осіданнями і виключає погрішності, неминучі при розрахунках випару. Це особливо важливо, у зв'язку з тим що при обчисленні стоку по різниці опади мінус випар погрішність визначення річкового стоку (σR) пов'язана з погрішністю визначення випару (σE ) і коефіцієнтом стоку (КR) наступним співвідношенням:
Якщо, наприклад, помилка розрахунків випару по тепловому балансу складає 10%, що, поза сумнівом, слід визнати добрим результатом, то для стоку, визначеного по різниці опади мінус випар, помилка зросте в 2 рази, якщо коефіцієнт стоку дорівнює 0,5, в 3 рази при коефіцієнті стоку в 0,33 і в 4 рази при коефіцієнті в 0,25. Причому найчастіше коефіцієнти стоку бувають саме в цих межах.
Якщо врахувати, що коефіцієнт річкового стоку для усієї суші складає 0,37, то погрішність, допущена при розрахунках випару, збільшується по відношенню до стоку в 2,7 разу. До цього треба ще додати погрішність за рахунок неточностей визначення опадів.
Ще до першої чверті поточного століття, коли гідрологічних даних було мало, розрахунки стоку вироблялися шляхом обчислення випару. І хоча методи розрахунків випару були менш точні, чим сучасні, цей спосіб досить широко застосовувався через відсутність безпосередніх гідрологічних вимірів. Але у зв'язку з невигідним співвідношенням помилок відносно випару і стоку (помилки у величинах стоку, як показано вище, зростають обернено пропорційно до коефіцієнтів стоку) методи розрахунків стоку по випару в гідрології перестали застосовуватися, тим більше що в другій чверті поточного століття з'явилися гідрометричні дані для великої кількості річок. У тих же випадках, коли цих даних не було, їх заповнювали різні інтерполяційні методи, наприклад, за допомогою залежностей стоку від опадів і температури повітря, використаних мною при складанні першої карти річкового стоку, або інтерполяційних зави-имостей, заснованих на зональних структурних кривих водно-го балансу.
Світовий водний баланс
У основі сучасного методу розрахунків водного балансу Землі лежить система рівнянь, яку застосовував ще Э. Брикнер (1905). Ці рівняння наступні:
для периферійної частини суші -
Ep = Pp - Rp (1)
для областей, позбавлених виходу до моря (безстічних), -
Еа = Ра (2)
для Світового океану -
Em = Pm + Rp (3)
для усієї земної кулі -
E = Et + Em = P (4)
де Ер - випар з периферійної частини суші
Рр - атмосферні опади на периферійну частину суші
Rp - річковий стік з периферійної частини суші,
Еа і Ра - випар і опади в областях, позбавлених стоку в океан,
Ет і Рт - випар і опади Світового океану
Е і Р - випар і опади на усій земній кулі
Еt - випар з поверхні усієї суші.
Ця система рівнянь дозволяє найекономніше вирішувати завдання світового водного балансу. Так, з десяти елементів, що фігурують в рівняннях, досить мати в розпорядженні дані про чотирьох, щоб отримати усі інші. У варіантах розрахунків, вироблених різними авторами, в числі цих чотирьох початкових приймаються різні елементи. Так, водний баланс периферійної частини суші можна розрахувати, знаючи опади і стік або випар і опади. Як показано в попередньому розділі, перший з цих варіантів слід вважати за краще.
Для замкнутих областей суші треба знати один з двох елементів цього співвідношення - прийнятніше опади, по-скольку їх облік точніший, ніж випари.
Що стосується третього рівняння, то для океану атмосферні опади оцінюються дуже приблизно, оскільки острівні дощомірні станції є не скрізь і вони не завжди відбивають умови відкритого океану. Суднові ж спостереження, із зрозумілих причин, важко узагальнювати, не кажучи вже про їх неповноту. Так же недостатньо досконалий характер носять і розрахунки випару. Найбільш надійний облік припливу річкових вод в океан, який раніше оцінювався в 100 мм, а тепер в 110 мм, але цей елемент балансу складає менше 10% витрати води на випар з поверхні океану, і не від нього залежить точність розрахунків балансу цієї ланки кругообігу води. В цілому ж водний баланс океану вивчений ще недостатньо, але для оцінки достовірності його основних елементів не існує цілком твердих критеріїв. Надалі цілком можливі істотні уточнення даних про осідання, випадні в океані, а звідси і випари.
Слідує, проте, відмітити, що усі відомі дані з цієї проблеми нині несумірно надійніше, ніж у минулому. Істотну роль тут зіграла поява карт опадів і річкового стоку. Заслуговують також на увагу в цьому відношенні дослідження М. І. Будыко (1956, 1971), який у своїх розрахунках поєднує рішення теплового і водного балансу. Такий підхід служить для взаємного контролю елементів теплового і водного балансу, що в теоретичному відношенні переважно, хоча цей метод з вказаних вище причин не завжди забезпечує необхідну точність при визначенні річкового стоку, особливо якщо він відноситься до окремих частин суші.
Ці таблиці. 9 відбивають результати моїх останніх розрахунків світового водного балансу. Розрахунки вироблені по приведених чотирьом рівнянням. Опади для суші визначені по світовій карті, опублікованій під редакцією О. А. Дроздова (Кузнєцова і Шарова, 1964), з деякими доповненнями по матеріалах і картах для тих районів, на території яких опади були раніше найслабіше вивчені.
Порівняно з попереднім варіантом, опублікованим у Фізико-географічному атласі світу (1964 р.), найбільш суттєві зміни окремих елементів світового водного балансу торкнулися материкової ланки кругообігу води. В результаті використання нових даних для деяких районів дані про осідання для периферійної частини суші збільшилися на 5000 км3, або приблизно на 5%, що є досить істотним уточненням, особливо якщо врахувати, що в останні десятиліття опади для суші досить добре вивчені. При цьому збільшення даних про осідання не менше чим на 1000 км3 сталося за рахунок Антарктиди. Але виявилося також, що опадів випадає більше, ніж предпо-лагалось раніше, в Європі, Азії і Південній Америці. В той же час уявлення про осідання по Африці і Північній Амери-ке були дещо перебільшені. Збільшення даних про річковий стік периферійної частини суші трохи більше чим на 4400 км 3 сталося в основному (майже на 2500 км3) за рахунок нових, хоча ще і не цілком надійних даних по стоку Амазонки, майже на 1140 км3 - по стоку Антарктиди, приблизно на 1200 км3 з гаком - по стоку Європи (у тому числі за рахунок обліку стоку Ісландії і уточнення стоку на Скандинавському півострові), Азії і Північної Америки. В той же час дані про стік Африки зменшилися на 430 км3.
Усі ці уточнення в оцінці стоку сталися в результаті появи нових початкових даних, ретельнішого картографування, особливо в посушливих районах, де на додаток до раніше прийнятої мінімальної ізолінії стоку в 50 мм в останньому варіанті карти річкового стоку введені ізолінії 20 і 10 мм. Крім того, деякого уточнення величин стоку вдалося досягти в гірських районах, особливо в СРСР, в Альпах, частково в Скелястих горах і в Андах. Звичайно, нові дані представляють істотний крок вперед в розвитку уявлення про світовий водний баланс, але головний результат я бачу в тому, що в основі нового варіанту розрахунків світового стоку лежить комплексний метод, який дозволяє глибше проаналізувати походження і шляхи перетворення річкового стоку, по суті уперше отримати уявлення про возобно-вимых в процесі кругообігу підземних водах, а також про ресурси грунтової вологи. Усім цим питанням присвячена наступна глава.
Стік води і льоду в океан з Гренландії і Канадського Арктичного архіпелагу, за останніми розрахунками, виявився близьким до прийнятого мною в розрахунках 1940 і 1964 рр. Такий збіг не випадковий, оскільки вже в 30-х роках для Гренландії були досить повні уявлення про осідання. Якщо прийняти коефіцієнт стоку для цього району покривних ледни-ков в 0,9, то шар стоку вийде рівним 180 мм, а річний об'єм стоку - 700 км3.
Таблиця 9