Круговорот воды в природе

Круговорот воды в природе — циклический процесс, благодаря которому условия жизни на Земле являются комфортными. Стабильность экосистем и разнообразие живых организмов на планете полностью зависят от этого удивительного явления.

Не менее важной функцией круговорота является обмен тепловой энергией — вода попеременно охлаждает и нагревает окружающую среду, способствуя благоприятному климату на большей части суши. В этой статье мы разберем основные этапы круговорота воды в природе, оценим значение этого явления для жизни и поговорим о том негативном воздействии, которое оказывает на круговорот воды деятельность человека.

Что такое круговорот воды в природе?

Круговорот воды в природе (иди гидрологический цикл) представляет собой ее непрерывное движение на поверхности, в атмосфере и верхней части литосферы Земли. Жидкая вода в океанах, морях, реках и других водоемах испаряется и поднимается в воздух в виде водяного пара. В газообразном состоянии она конденсируется (образуются облака) и перемещается посредством воздушных потоков, после чего возвращается на поверхность планеты в виде осадков.

В более развернутом варианте гидрологического цикла в нем также участвуют ледяные и снежные массивы. Благодаря процессам таяния и сублимации, о которых мы поговорим подробнее в соответствующем разделе, на планете пополняется запас воды в жидком и газообразном состоянии, а замерзая, она переходит обратно в твердые формы.

При определении круговорота воды в природе нельзя не упомянуть и о стоках. Во время естественного движения по поверхности вода частично испаряется, но в большей мере пополняет подземные источники. Грунтовые воды в свою очередь питают наземные водоемы, предотвращая их пересыхание. Кроме того, они доставляют воду растениям, которые забирают питательные вещества и возвращают в атмосферу пар.

История изучения круговорота воды

Основной принцип круговорота воды в природе был описан еще в ранней античности. На стыке VIII и VII веков до н.э. древнегреческий поэт Гесиод в своей поэме «Труды и дни» писал, что пар из рек поднимается бурями на большую высоту, после чего собирается в густые облака и превращается в дождь. Похожее описание есть и в Ветхом Завете. В Книге Иова, написанной между VI и IV веками до н.э., сказано, что в дождевые облака превращается туман.

Приблизительно в то же время в индуистском эпосе Рамаяна было описано, как бог Солнца сначала нагревает и поднимает воду, а затем возвращает ее в виде дождя. Древнекитайские ученые, основываясь на собственных наблюдениях, определили соответствие между количеством осадков и объемом сточных вод.

В 1580 году французский инженер Бернар Палисси первым предположил, что количества выпадающих осадков хватает для восполнения русел рек. Спустя 100 лет эту гипотезу экспериментально подтвердили его соотечественники Пьер Перро и Эдм Мариотт. Им удалось с высокой степенью точности рассчитать количество осадков в Париже и расход воды в Сене, а также установить взаимосвязь между этими показателями.

Современная концепция круговорота воды в природе была повсеместно принята в научном сообществе только в XX веке. Значительный вклад в понимание гидрологического цикла сделал советский ученый Игорь Шикломанов, который рассчитал, сколько времени требуется для полного восполнения различных источников воды. Например, в реках объем воды способен полностью возобновиться за 16 дней, а в ледниках этот же процесс затянется на 10 000 лет.

Физические процессы, участвующие в круговороте

В общей сложности в круговороте воды в природе участвуют 13 основных процессов. Кроме того, выделяют 2 связанных процесса, которые являются следствием гидрологического цикла. Сейчас мы подробнее рассмотрим каждый из них, а также определим значение физических процессов в круговороте.

Основные процессы:

• испарение. При изменении окружающей температуры посредством солнечного излучения молекулы воды на ее поверхности переходят в газообразное состояние. Так как их масса ниже, чем у молекул кислорода и азота, водяной пар имеет меньшую, чем у воздуха, плотность и поднимается вверх;
• конденсация. Поднимаясь в верхнюю часть тропосферы, скопления водяного пара охлаждаются и снова переходят в жидкое состояние. Таким образом, конденсация — это процесс, обратный испарению. Мы можем наблюдать результат конденсации в виде тумана или облаков, состоящих из мельчайших дождевых капель или снежинок;
• адвекция. Сконденсированные капельки или кристаллики воды сталкиваются с воздушными потоками, которые переносят их на большие расстояния. Формирующиеся шлейфы, которые называют атмосферными реками, способны перемещать воду на несколько тысяч километров. Благодаря процессу адвекции вода, испаряемая в океанах, со временем достигает суши;
• осадки. Сконденсированный водяной пар постепенно накапливает массу. Так как дождевые капли, снежинки или крупинки града становятся тяжелее, в какой-то момент сила гравитации начинает превосходить силу восходящих потоков, и на Землю выпадают осадки;
• таяние и замерзание. Эти естественные процессы напрямую влияют на количество воды, участвующей в круговороте. В последние годы из-за глобального потепления на Земле таяние ледников и вечной мерзлоты преобладает над замерзанием;
• сублимация и десублимация. При отрицательной температуре и пониженном атмосферном давлении молекулы воды теряют связь, из-за чего она переходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую форму. Сублимация льда происходит наиболее интенсивно при температуре около 0 °C, которой все еще недостаточно для таяния. Обратный процесс называют десублимацией — мы можем наблюдать его в виде инея, который образуется из охлаждающегося водяного пара при высоком атмосферном давлении;
• транспирация. Еще одним источником поступления водяного пара в атмосферу являются растения. На их листьях, стеблях и цветках расположены небольшие отверстия — устьица. Открываясь и закрываясь, растения избавляются от излишков или накапливают воду, поддерживая ее количество на необходимом для жизнедеятельности уровне;
• сток. Так называют любое движение воды по поверхности от высоких участков к более низким. Выделяют поверхностные и русловые стоки. Первые возникают из-за обильных осадков, таяния снега или человеческой деятельности (каждый раз, когда мы открываем кран с водой, пополняется сток). Русловые стоки образуются при устойчивых потоках воды, способных менять рельеф местности (реки и ручьи);
• инфильтрация. Часть воды, которая выпадает в виде осадков или перемещается в стоках, скапливается в почве, постепенно уменьшая ее прочность. Со временем верхние слои почвы теряют способность удерживать воду и начинают впитывать ее. Иными словами, при инфильтрации повышается влажность почвы;
• перколяция и подземный поток. После инфильтрации продолжающая поступать вода просачивается через почву под воздействием гравитации. Вследствие этого образуются подземные (грунтовые и почвенные) потоки, которые питают растения и пополняют близлежащие наземные водоемы. Пропускная способность почвы напрямую зависит от ее пористости и плотности. Если этот показатель находится на низком уровне, вода не достигает резервуаров, что приводит к их пересыханию.

Связанные процессы:

• биогеохимический цикл. Круговорот воды вносит значительный вклад в круговороты других веществ. Например, минеральные соли на суше растворяются в сточных водах и попадают в океан, придавая ему соленость. В некоторых прибрежных зонах вода полностью испаряется, и соль снова оказывается на суше;
• потери воды. Молекулы воды, которым удается достичь стратосферы, распадаются на водород и озон. Озон образует слой, защищающий нашу планету от ультрафиолета, а некоторые молекулы водорода, движущиеся в разреженной среде, достигают скорости убегания и навсегда покидают планету. Важно отметить, что потери воды вследствие этого процесса ничтожны и принципиально ее общий объем на нашей планете в результате его не меняется.

Количественные показатели и скорость круговорота

Каждый день с поверхности Земли испаряется в среднем 1 400 км³ воды, что эквивалентно 1,4 * 10¹⁵ литрам. И хотя это значение кажется огромным, за год из всех водоемов планеты испаряется всего 0,03% от общего объема воды (около 510 000 км³). При этом 86% испаряющейся воды — это вода из наземных источников, а 14% — из почвенных резервуаров. Благодаря адвекции из океанов на сушу ежегодно переносится 37 000 км³ воды.

Важно отметить, что указанные выше значения являются приблизительными. Гидрологи рассчитывают их по сложным формулам, которые учитывают следующие показатели.

• Коэффициент удельной всасывающей силы атмосферы.
• Упругость и парциальное давление водяного пара.
• Скорость и силу ветра.
• Влажность воздуха.
• Температуру атмосферы и испаряющей поверхности (воды или почвы).

Среди интересных количественных показателей можно отметить «возраст» воды — среднее время ее пребывания в определенной среде. Специалисты Университета Британской Колумбии в 2006 году провели исследование, по результатам которого определили, как долго хранится вода в разных местах нашей планеты.

• Атмосфера — 9 дней.
• Почва — 1,5 месяца.
• Реки — 4 месяца.
• Озера — 75 лет.
• Грунтовые воды — 150 лет.
• Океаны — 3 000 лет.
• Ледники в приполярных областях— 10 000 лет.
• Льды Антарктиды — 20 000 лет.

Разнообразие видов круговорота воды

В зависимости от региональных особенностей выделяют 3 вида круговорота воды в природе.

• Большой — вода, испаряемая из океанов, пополняет стоки, водоемы, почвенные и грунтовые воды, а также испаряется обратно в атмосферу.
• Малый — вода из океанов возвращается обратно в океаны, не принимая участия в процессах, проходящих на суше.
• Внутриконтинентальный — вода, испаряемая на суше, возвращается на сушу в виде дождя, снега и тумана.

Отдельного упоминания заслуживают замкнутые системы круговорота, когда вода испаряется и конденсируется в пределах ограниченной локации, отделенной от внешнего мира. Часто такие условия создаются в процессе движения литосферных плит, когда заполненные водой пласты горных пород уходят глубоко под землю. Важно отметить, что в замкнутых системах вода не остается навсегда, так как со временем породы размягчаются и в них образуются трещины.

Значение круговорота воды в природе

Вода — это лучший из известных растворителей, поэтому она несет в себе питательные вещества и минералы, распространяя их на большие расстояния. Кроме того, осадки и подземные потоки увлажняют почву, чем также поддерживают ее плодородность. Благодаря круговороту постоянно пополняются источники пресной воды, необходимые для питания всех живых существ на нашей планете.

Гидрологический цикл влияет на нашу жизнь и на более масштабном уровне. Во время испарения вода поглощает энергию из атмосферы, охлаждая окружающую среду, а при конденсации, напротив, — отдает тепловую энергию и нагревает атмосферу. Совокупность этих двух процессов во многом определяет климатические изменения на Земле.

Влияние человека на круговорот воды

Одним из главных результатов воздействия человека на гидрологический цикл является глобальное потепление. Развитие промышленного производства, сжигание ископаемого топлива и неконтролируемый сброс мусора способствуют накоплению парниковых газов в атмосфере и постепенному повышению температуры. Важно отметить, что большинство атмосферных рек направлено от экватора к полюсам. Поэтому из-за повышенной интенсивности круговорота засушливые регионы теряют и без того малочисленные запасы воды, а в умеренные области она поступает в избытке, что выражается в проливных дождях и наводнениях.

Деятельность человека также влияет на круговорот воды на региональном уровне. Ниже несколько наиболее распространенных примеров такого воздействия.

• Строительство городов. При урбанизации повышается доля водонепроницаемых покрытий и одновременно снижается растительный покров. В результате значительная часть воды с поверхности испаряется, обедняя грунтовые воды и подпитываемые ими источники.
• Вырубка лесов. Скопления деревьев, покрывающие большие участки почвы, снижают ее нагрев и объемы испарений. После вырубки лесов почва стремительно теряет влагу, что приводит к сокращению количества осадков и тормозит циркуляцию питательных веществ.
• Строительство водохранилищ. Создание крупных искусственных резервуаров приводит к изменению русел рек, а также к заболачиванию и подтоплению близлежащих областей. Ослабление объема стоков ведет к повышению концентрации солей, то есть сокращает количество доступной пресной воды.

Интересные факты о круговороте воды

• Вследствие круговорота воды происходит ее опреснение, так как при испарении соли и другие тяжелые элементы остаются в океане.
• С декабря 2022 по январь 2023 года над Калифорнией последовательно образовалось 9 атмосферных рек, что привело к превышению среднемесячной нормы осадков на 200%. Однако у этих штормов были и позитивные последствия, ведь благодаря им уменьшилась засушливость в регионе.
• Человечество оказывает не только негативное, но и положительное воздействие на гидрологический цикл, создавая очистные сооружения, оросительные системы и устойчивые каналы подачи питьевой воды.
• Процесс сублимации льда часто используется в пищевой промышленности. Замороженные продукты помещают в вакуумные камеры, из которых откачивают водяной пар. Так специалистам удается сушить продукты, не размораживая их.
• Когда воздух охлаждается ниже точки росы (температуры предельного насыщения воздуха водяным паром), испарения конденсируются в нижней части атмосферы и образуется туман.

***

Как мы смогли увидеть, круговорот воды является фундаментальным процессом в природе, который связывает разные части гидросферы в единую систему. Благодаря гидрологическому циклу водные ресурсы распределяются по поверхности нашей планеты, оказывая влияние на устойчивость экосистем, поддержание плодородности почвы и стабильности климата. От хрупкого равновесия круговорота воды в природе напрямую зависит жизнь на Земле. Каждый человек способен внести свой вклад в будущее, сокращая ежедневное потребление и предотвращая загрязнение пресной воды.

Изображение на обложке: Freepik