Поверхностные воды
Льды и снега. Вода, образующая снежно-ледовые объекты, по количеству является одной из основных составляющих гидросферы. Она находится на поверхности Земли в твердом состоянии в виде постоянных или временных накоплений.
Основная масса льда заключена в ледниках и составляет примерно 2,6 • 107 млрд т воды; в Антарктическом ледниковом покрове сосредоточено 2,4 • 107 млрд т воды и порядка 0,2 • 107 млрд т — в Гренландском; остальная, незначительная часть воды — в горных и арктических ледниках, а также в других снежно-ледовых образованиях. Ошибка при оценке массы воды в ледниках приближается к 10 %.
Ледниковый лед в твердом состоянии обладает вязкопластическими свойствами, благодаря которым он течет со скоростью от 6 мм до 30 м в сутки. Из-за малой скорости темпы возобновления водозапасов в ледниках сравнимы с темпами возобновления воды в подземных водах глубоких горизонтов и определяются, в первую очередь, линейными размерами ледника.
Температура в ледниках с глубиной растет, и у дна часто достигает точки плавления при данном давлении, что, например, характерно для большей части донного льда Антарктики. Горные ледники в летнее время часто имеют температуру всей своей толщи, близкую к температуре плавления. На всех ледниках и ледовых покровах в летний сезон идет таяние льда.
Ледниковые льды имеют и свою «атмосферу», которая содержится в пузырьках с атмосферными газами, захваченными и захороненными на момент образования данного слоя льда. При этом часть газов может быть переведена в твердые формы путем соединения молекул газа с несколькими молекулами воды.
Почвенные воды. Они играют огромную роль в биосфере, так как обеспечивают влагой растительный покров и внутрипочвенные организмы. Благодаря воде, в тонком слое почвы идет интенсивная биогеохимическая работа, обеспечивающая ее плодородие. По интенсивности обмена с подземными водами и атмосферой эта малая составляющая гидросферы подобна поверхностным водам, по вмещающей среде и воздействию в основном капиллярных сил — подземным водам, а по содержанию растворенных веществ, газов, органического материала и организмов — это совершенно особая среда. Ее масса оценивается в (8—10) • 103 млрд т.
Реки. Они имеют наименьшее количество воды среди прочих малых составляющих гидросферы. Единовременно в руслах всех рек присутствует всего (1,2—2,0) • 103 млрд т. Однако реки являются быстрыми транспортерами воды, поэтому при сравнительно малом единовременном ее запасе в своих руслах реки за год доставляют к устьям 45 • 103 млрд т воды, что в 30— 40 раз больше, чем другие малые составляющие гидросферы.
Реки чрезвычайно разнообразны по размеру, глубине и скорости течения. Большая часть рек — это средние, малые и совсем небольшие речушки, длина которых может измеряться метрами. Крупных рек с длиной в тысячу километров и более на Земле немного — чуть больше полусотни. Общая протяженность их русел составляет 180 тыс. км, а площадь, с которой они собирают воду, — примерно половину площади суши.
Речные воды обычно пресные, их минерализация приведена в табл. 2.6, 2.7. Общая минерализация речных вод неустойчива, она меняется по территории и по времени года. На севере минерализация составляет около 50 мг/л, а на юге — 500 мг/л. Однако существуют реки с солоноватой и даже соленой водой, являющиеся редким исключением. На севере России есть река Солянка с такой водой. Минерализация речных вод в среднем почти в 200 раз меньше, чем у морской воды. Реки текут обычно по тектонически унаследованным понижениям рельефа. Однако порой они создают новые русла или даже меняют направление течения.
Таблица 2.6. Крупнейшие реки мира
| Название реки | Длина, км | Площадь бассейна, тыс. км | Расход воды в устье, м3/с | Континент |
| Амазонка (с Мараньоном) | 200 000 | Южная Америка | ||
| Миссисипи (с Миссури) | Северная Америка | |||
| Нил | Африка | |||
| Янцзы | Азия | |||
| Обь (с Иртышом) | То же | |||
| Хуанхэ | » » | |||
| Меконг | » » | |||
| Амур | » » | |||
| Лена | » » | |||
| Конго | Африка |
Таблица 2.7. Среднее содержание ионов в водах некоторых пресных наземных водотоков и водоемов
| Название реки, водоема | Содержание ионов, мг/л | |||||
| Са2+ | Мg2+ | Nа+, К+ | НСО3- | SO42- | С1- | |
| Амур (около Хабаровска) | 9,4 | 2,1 | 2,4 | 17,3 | 3,6 | 3,2 |
| Волга (пос. Поляна) | 48,9 | 10,1 | 11,9 | 63,7 | 61,9 | 14,9 |
| Москва (около Звенигорода) | 41,3 | 9,4 | 2,3 | 79,4 | 7,7 | 4,4 |
| Урал | 76,7 | 14,1 | 20,7 | 83,9 | 42,5 | 53,0 |
| Нил | 15,8 | 8,8 | 11,8 | 84,6 | 46,7 | 3,4 |
| Нева | 7,8 | 2,5 | 2,8 | 13,9 | 5,0 | 4,6 |
| Байкал | 15,2 | 4,2 | 6,1 | 59,2 | 4,9 | 1,8 |
Как правило, южные реки характеризуются большим содержанием взвеси. Так, в низовьях Сырдарьи содержание взвешенных веществ достигает 12 - 14 г/л. Высокой концентрацией взвеси в воде отличаются реки Хуанхэ, Амазонка, Инд, Ганг, Миссисипи и др. Содержание солей в речных водах достигает 1,5 г/л и более. Минимальное содержание солей характерно для северных рек с поверхностным питанием (Нева, Северная Двина, Лиелупе), а максимальное - для южных, которые питаются подземными водами (Кура, Терек, Риони). По виду растворенных солей реки подразделяются на несколько классов, например гидрокарбонатные (Волга, Кама, Днепр), сульфатные (Дон, Сев. Донец), хлоридные (Эмба, Ишим). Содержание органических веществ в речных водах достигает 180 мг/л и более (северные реки). В воде озер содержание солей варьируется от 30 (Ладожское) до 5 820 мг/л (Иссык-Куль) и выше. Количество органических веществ в них достигает 100 мг/л и более. Состав воды водохранилищ зависит от условий формирования и источников питания. Как правило, вода водохранилищ характеризуется значительным содержанием органических веществ, наличием планктона и повышенной минерализацией в придонных слоях.
Возобновляемый ежегодный мировой полный речной сток составляет более 38 тысяч км3, в нашей стране около 4,7 тысяч км3, из которых 330 км3 притекает из зарубежных стран, а за пределы страны уходит около 30 км3. Наиболее устойчивая величина стока, которая может быть использована для практических целей без регулирования рек водохранилищами, составляет около 1,6 тысяч км3 в год, или 34 % водных ресурсов.
На территории России протекает примерно 2,9 млн рек различной величины. Большая часть речных вод (77 %) сосредоточена в 32 крупных реках со средним расходом воды более 500 м3 /с.
Для равнинных рек в районах избыточного увлажнения, где осадки превышают испарение, максимальная величина водных ресурсов в бассейне совпадает с их величиной в устье. Сток рек, формирующихся в зоне избыточного увлажнения и переходящих затем в аридные районы, в устье меньше его величины в бассейне вследствие естественных потерь на испарение и фильтрацию. Потери стока в южных районах европейской части страны составляют примерно 35 км3 в год. Наиболее значительные потери стока в бассейнах Амударьи и Сырдарьи, общая величина их составляет 60 км3 в год. Общая величина учтенных естественных потерь стока в руслах рек - более 100 км3 в год, т. е. примерно 2 % суммарных водных ресурсов стран СНГ.
В бассейнах отдельных рек ежегодные колебания стока могут достигать значительных величин. Степень колебания стока рек зависит от общей увлажненности района. В равнинных избыточно или достаточно увлажненных районах сток рек в многоводные годы достигает 130 - 150 % его среднего значения, а в маловодные годы снижается до 50 - 70 %. В сухих и засушливых районах в многоводные годы сток увеличивается в 2 - 4 раза, а в маловодные снижается до 3 - 4 % среднего многолетнего значения.
Атмосферная влага. Из водяного пара в атмосфере Земли образуются облака, туманы, росы, изморозь, а также жидкие и твердые осадки. Все эти явления объединяют гидросферу с атмосферой.
Единовременно в атмосфере присутствуют 14,0·103 млрд т воды, но эта часть гидросферы постоянно возобновляется и «течет» вместе с воздушными потоками быстрее, чем вода в реках (нередко со скоростью в десятки метров в секунду), что позволяет водяному пару обогнуть земной шар всего за несколько дней. Масса атмосферной воды мала, но ее значение для гидросферы и биосферы в целом очень велико.
Атмосферная вода всегда пресная, так как она образуется в результате испарения с водной или увлажненной поверхности, а также при транспирации воды растениями. При этом в воздухе всегда содержится некоторое количество примесей, в число которых входят и водорастворимые вещества. Образующиеся в воздухе капельки растворяют одни и захватывают другие (нерастворимые) примеси, поэтому возможно выпадение дождей различного химического состава, наиболее известными из которых являются кислотные дожди, частой причиной образования которых является присутствие в атмосфере SO2, NOx, HCl.
До середины XX в. считалось, что выше тропосферы атмосфера сухая. Позже спектрографические исследования показали, что в слое от высоты 10,5 км и до верхней границы атмосферы воды содержится столько же, сколько и в двухкилометровом приземном слое. При этом в высоких слоях атмосферы важно не просто количество воды, а ее роль в протекающих разнообразных химических реакциях, определяющих стабильность структуры и термического режима в атмосфере.
На больших высотах в атмосфере вода существует либо в твердом состоянии, либо в виде отдельных молекул, что соответствует ее состоянию в космосе.
Многократное повторение цикла влагооборота приводит к тому, что ежегодно конденсируется и выпадает в виде осадков примерно в 40 раз больший объем (525 100 млрд т) воды, чем ее одновременно присутствует в атмосфере, т. е. среднее время оборота составляет около 9—10 суток.
Биологическая вода. Масса воды, содержащаяся в живых организмах, оценивается в 1,1 • 103 млрд т, т. е. меньше, чем содержат русла всех рек мира. Биоценоз биосферы, заключая в себе относительно малое количество воды, тем не менее интенсивно прогоняет ее через себя. Особенно интенсивно это происходит в океане, где вода является и средой обитания, и источником питательных веществ и газов.
Основную массу биоценоза планеты составляют продуценты. В водных экосистемах это водоросли и фитопланктон, а в наземных — растительность. В водной среде растения непрерывно фильтруют воду через свою поверхность, а на суше они, как правило, извлекают воду корнями из почвы и удаляют (транспирируют) наземной частью. Так, для синтеза одного грамма биомассы высшие растения должны испарить около 100 г воды.
Наиболее мощные системы транспирации на суше — это леса, которые способны прокачать через себя всю массу воды гидросферы за 50 тыс. лет; при этом планктон океана профильтровывает всю воду океана за год, а морские организмы все вместе — всего за полгода.
В биосфере работает сложный фильтр фотосинтеза, в процессе которого вода разлагается и вместе с диоксидом углерода используется при синтезе органических соединений, необходимых для построения клеток организмов. Всю массу воды гидросферы фотосинтезирующие живые организмы могут разложить примерно за 5—6 млн лет, а другие организмы примерно за такой же срок восстанавливают потерянную воду из отмирающей органической массы. Таким образом, биосфера, несмотря на ничтожный объем заключенной в ней воды, оказывается самым мощным и сложным фильтром гидросферы на Земле.
Каскад биологических фильтров пропускает через себя массу воды, равную массе всей гидросферы за время от полугода до миллионов лет. Поэтому можно утверждать, что гидросфера — это продукт живых организмов, среда, которую они создали сами для себя. Академик В. И. Вернадский выразил это тезисом: «Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему».
Круговорот воды. Гидросфера отличается динамичностью, движущей силой которой служит круговорот воды. Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу оказывается весьма сложной системой, включающей частные круговороты и разветвленный каскад фильтров, в том числе биосферный, пройдя через который полностью или частично, вода в конце концов снова оказывается в основном поверхностном хранилище воды — Мировом океане.
В большинстве случаев для коротких промежутков времени (до десятков лет) можно считать, что обмен водой между основными составляющими гидросферы сбалансирован. Однако исследования изменений уровня Мирового океана за последние 100 лет выявили его подъем со скоростью 1 мм в год, что означает ежегодный прирост объема воды на 350 км3. Этот процесс может привести к серьезным последствиям — в исторически короткий срок (т. е. практически скачком) уровень океана может повыситься на 5—7 м.
Причин, вызывающих изменение уровня Мирового океана, много. Среди них как относительно понятные, так и малоизученные. Вероятно, есть и такие, о которых пока никто не догадывается, и их, следовательно, не учитывают. Одной наиболее явной причиной является постоянно усиливающийся «парниковый эффект»; другой достаточно известной причиной — рост массы гидросферы за счет кристаллизации магмы, поступающей из недр Земли в районах рифтовых зон и вулканизма, хотя увеличение объема воды в этом случае оценивается всего в 1 млрд т или 1 км3. В целом, рост массы гидросферы характерен для ее эволюции.
Рис. 2.11. Схема круговорота воды на Земле:
I — над океаном; II — над сушей; III — над сушей и океаном; IV— геологический круговорот; 1 — осадочные породы; 2 — граниты, 3 — базальты; 4 — водоупор; 5 — морские осадки; 6 — мантийное вещество
Круговорот воды — исключительно важное явление, ибо обеспечивает сушу пресной водой, которая все время возобновляется (рис. 2.11). Под воздействием солнечного тепла вода нагревается и испаряется с поверхности водоемов. Переносимые воздушными течениями пары воды затем конденсируются и выпадают в виде дождя и снега на сушу и поверхность водоемов.
Основная масса испарившейся воды, равная 4,5 • 105 млрд т/г, выпадает на поверхность Мирового океана, так и не попав на континенты. Эта часть круговорота почему-то называется малой, или океанической.
Океаны неодинаково активны во влагообороте. Много воды испаряется с поверхности Индийского океана, поскольку он преимущественно расположен в тропических и субтропических широтах. А в Тихом океане выпадают осадки, превышающие испарения с его поверхности.
Вынесенная на сушу часть испарившейся океанической влаги включается в круговорот воды на суше, где влага испаряется с поверхности всех водоемов — рек, озер, болот и т. д. Воду испаряют и растения, откачивая ее корнями из грунта. Порой с поверхности суши, покрытой растительностью, воды может испаряться больше, чем с водной поверхности. Так, эвкалипт при благоприятных условиях испаряет воды до 150 л/сут, а береза в умеренной полосе — только 20 л за тот же период.
На суше вода неоднократно выпадает в виде осадков, образуя местные круговороты. Благодаря круговороту воды, гидросфера является планетарной транспортной системой, которая перемещает продукты эрозии с более высоких на более низкие уровни и в конечном итоге с суши в океан и другие водоемы. Вместе с нерастворимыми продуктами эрозии вода переносит растворенные вещества и органику. За миллиарды лет транспортная система гидросферы вынесла с суши в океан на каждый килограмм воды почти 0,6 кг разрушенных горных пород.
Гидросфера служит также планетарным аккумулятором неорганических и органических веществ, которые приносятся в океан и другие водоемы реками, атмосферными потоками, а также образуются в самих водоемах.
Объем ежегодных мировых атмосферных осадков составляет 10 9400 км3, а на территории стран СНГ ежегодно выпадает 10 960 км3 осадков, из них 40 % формируют речной сток, основная часть которого стекает в океан и примерно 4 % - в крупные замкнутые водоемы.