Круговорот воды в природе

Концепция ювенильных вод также подверглась резкой критике. В частности, швейцарский геолог JI. Брун (1911 г.) обосновал положение о безводности вулканов, точнее он приписывал воде вулканического происхождения вторичный генезис, обусловленный ее захватом из вмещающих горных пород. Г. Гёфер (1925 г.) полагал, что ювенильна не вода, а только ее теплота. Многочисленные попытки исследователей отыскать ювенильную воду в природе пока не увенчались успехом. По последним данным В. И. Ферронского и В. А. Полякова, основанным на изотопных данных водорода и кислорода, доля ювенильной воды в вулканах не превышает 5%.

 

В отличие от ювенильной гипотезы все большее значение приобретает учение о возрожденных водах, развитое русским ученым А.М. Овчинниковым (1904- 1969). Возрожденные воды образуются при метаморфизме осадочных или магматических горных пород из связанных вод» которые в условиях перекристаллизации породы переходят в свободные и включаются в геологический круговорот. Источником возрожденных вод являются воды конституционные, кристаллизационные, цеолитные, гигроскопические, пленочные, капиллярные и частично свободные тонких пор и капилляров.

 

В 30-е годы наиболее выдающиеся работы, без всякого сомнения, созданы  одним из наиболее гениальных людей XX в. — русским ученым В.И. Вернадским (1863-1945 гг.). Его труд "История природных вод", опубликованный в 1933-1936 гг.|по широте и глубине охвата гидрогеологических проблем намного превосходит все когда-либо - издававшиеся работы и занимает выдающееся место в науке в целом. В этой работе В.И. Вернадский наиболее полно показал значение подземных вод в геологической истории Земли. На основании большого количества эмпирических фактов он обосновал положение о единстве природных вод, что является крупнейшим вкладом в мировую науку. Он же первый обосновал принцип постоянства химического состава вод в определенную геологическую эпоху и создал целое новое направление в изучении природного равновесия: вода—горная порода—газы—живое вещество.

В. И. Вернадский первый показал связь химического состава вод с развитием жизни на Земле и поэтому по праву считается основоположником особой отрасли знаний — гидрогеохимии, которая изучает природные воды как подвижные системы, находящиеся в равновесии с другими составляющими земной коры.

Идеи В. И. Вернадского, хотя и получили широкое признание  во всем мире, но они до сих пор  осознаны не полностью и не все  из них вошли в обиход повседневной научной работы. Его книга "История  природных вод" — современная  энциклопедия по геологии воды признается важнейшим трудом, завершающим становление  современной гидрогеологии. В СССР идеи В. И. Вернадского наиболее полно  развивали крупные ученые Н.Н. Славянов, Б.Л. Личков, А.М. Овчинников, Н.И. Толстихин, Е.В. Пиннекер, А. И. Перельман, И. К. Зайцев, Е.А. Басков, П.А. Удодов и многие другие.

Распределение воды на Земле  и её круговорот

Вода в атмосфере

Тропосфера является нижним слоем атмосферы. Она прилегает непосредственно к земной поверхности./Положение ее верхней границы изменяется под влиянием центробежного ускорения Земли от полюсов к экватору. Над полюсами и в средних широтах высота тропосферы составляет 8—12 км, а в экваториальной зоне достигает 17—18 км. Температура воздуха в тропосфере в различных географических зонах неодинакова, имеет сезонные и суточные колебания. Однако от поверхности земли вверх температура, как правило, понижается на 0,6° С на каждые 100 м.

Для тропосферы характерно непрерывное  горизонтальное и вертикальное перемещение  воздушных масс.

В тропосфере заключен почти весь водяной пар, следовательно, только здесь возможны процессы конденсации  водяного пара с образованием облаков  и осадков. На процессы, протекающие  в тропосфере, сильно влияет земная поверхность.

В вышележащем слое — стратосфере— также имеют место восходящие и нисходящие воздушные токи, но они ограничиваются только нижней частью стратосферы. Перемешивание частей воздуха происходит здесь значительно слабее по сравнению с тропосферой. В этом слое атмосферы воздух сильно разрежен. Водяного пара в стратосфере очень мало, поэтому дождевые облака и осадки в ней не формируются.

Еще выше расположена ионосфера, выделяемая по особым электрическим свойствам. Нижняя граница ее пролегает примерно на высоте 80 км, а верхняя удалена от поверхности земли на расстояние 1000—2000 км.

Ионосфера характеризуется распространением весьма рассеянных ионизированных частиц и нейтральных молекул, движущихся с огромными скоростями. Ионосфера  постепенно переходит в космическое  пространство.

Атмосферные осадки.

При подъеме и охлаждении воздуха  водяной пар конденсируется, образуя  капельки воды или кристаллики льда, из которых состоят облака (слоистые, кучевые и грозовые). Эти мельчайшие частицы (капельки) воды перемещаются в воздухе в виде облаков и  тумана. При определенных условиях они выпадают в виде атмосферных  осадков.

Атмосферные осадки бывают двух типов: образующиеся при конденсации водяного пара (вследствие понижения температуры  воздуха) непосредственно на поверхности  земли и наземных предметов (роса, иней, изморозь, гололед);

выпадающие на поверхность земли  из облаков в виде дождя, мороси, снега, крупы, града.

Количество атмосферных осадков  измеряется высотой слоя воды в миллиметрах. Их интенсивность определяется высотой  слоя осадков, выпавших за 1 мин.

Осадки, выпадающие из облаков, подразделяются на три типа: обложные, моросящие  и ливневые.

Осадки в твердом состоянии— снег, крупа — выпадают в холодное время года. Твердые осадки могут питать подземные воды только после их перехода в жидкую фазу, т, е. главным образом весной, когда происходит таяние накопившегося за зиму снежного покрова. К твердым осадкам относится также град, который в отличие от снега и крупы обычно достигает поверхности земли в тёплое время года.

Испарение с водной поверхности  и суши

Поверхностные воды находятся в  жидком и твердом состояниях. С  поверхности океанов и морей, рек, озер, влажной почвы, листьев  растений и с поверхности - снега  и льда непрерывно происходит испарение  воды и поступление водяного пара в атмосферу. Испарение с поверхности  подземных вод происходит лишь на участках неглубокого их залегания  от поверхности земли.

Различают два понятия “испарение”  и “испаряемость”.

Испарением называется средняя  величина фактического испарения влаги  с земной поверхности в данном районе.

 

 

 

Под испаряемостью понимается величина испарения с водной поверхности при данных условиях.

В среднем за год с поверхности  земного шара испаряется 525,0 тыс. км³ воды. На это испарение расходуется около 25% солнечной энергии, поступающей в течение года на Землю.

 

Скорость испарения определяется количеством воды, испаряющейся с  единицы поверхности в единицу  времени. Количество испарившейся воды принято выражать, так же как и  атмосферных осадков, в миллиметрах  водяного столба. Величина испарения  или определяется при помощи специальных  приборов, или приближенно вычисляется  по эмпирическим формулам. При испарении  с водной поверхности эта величина зависит от температуры испаряющей поверхности, дефицита влажности воздуха, скорости ветра и атмосферного давления.

 

Наиболее сложен процесс испарения  влаги растениями, который происходит путем транспирации. Транспирация— процесс физиологический, связанный с ростом тканей. Он заключается в том, что растения, всасывающие в вегетационный период влагу из почвы, задерживают только её небольшую часть, остальная влага испаряется.

 

Понятие о поверхностном и подземном  стоках

Под стоком подразумевается  передвижение дождевой и талой воды по земной поверхности (поверхностный  сток) и в толщах горных пород (подземный  сток).

Атмосферные осадки расходуются на поверхностный сток, испарение и  поглощение горными породами. Поверхностный  сток создается водами, текущими по поверхности земли под влиянием силы тяжести со стороны водораздельных пространств — от более высоких  участков к пониженным. Речной сток зависит от нескольких факторов.

 

1.  размеры и форма водосборных бассейнов
2. климатические условия и вид осадков
3. рельеф местности
4. характер и состояние склонов
5. водопроницаемость горных пород, а также искусственные мероприятия

 

Выделяют  следующие виды питания рек поверхностными водами: дождевое, снеговое, ледниковое и смешанное. Кроме того реки питаются подземными водами.

Подземные воды участвуют в питании  вследствие дренирования их речными  руслами.

В зависимости от строения рельефа, степени его расчлененности и  геоструктурных условий соотношения между бассейнами поверхностного и подземного стока могут быть самыми разнообразными. В некоторых районах они совпадают, в других — бассейны поверхностного стока превышают площади подземных водосборных бассейнов, а иногда бассейны подземного стока значительно превышают наземную водосборную площадь.

 

Количество воды, протекающей в  единицу времени через поперечное сечение русла реки, называется расходом воды. Большие расходы воды обычно измеряются в метрах кубических в  секунду, а малые — в литрах в секунду.

Чтобы определить расход воды Q в том или ином сечении русла реки, необходимо знать среднюю скорость V и площадь сечения S речного потока

Расход воды в общем виде определяется по формуле 

Q=VS, м³/с

Для определения скорости течения  и расхода воды в речном русле  разбивают гидрометрические створы.

Сток может быть выражен следующими характеристиками: модулем стока, нормой стока, коэффициентом стока.

Режим питания  реки, распределение стока в течение  года, а также величину подземного стока можно определить путем  анализа гидрографа реки. Гидрографом называется график изменения во времени расхода воды за год или часть года (сезон, половодье или паводок).

Водный баланс территории

 

Количественное выражение процесса климатического круговорота воды и  его отдельных звеньев может  быть охарактеризовано с помощью водного баланса. Водный баланс какой-либо территории, т.е. накопление и расходование воды в ее пределах за те или иные интервалы времени, зависит от климатических факторов и характера подстилающей поверхности. Соотношение элементов водного баланса — осадков, испарения, поверхностного и подземного стоков в определенных физико-географических условиях для многолетнего периода в среднем является практически

постоянным и определяет средние расходы рек и водные ресурсы конкретного региона.

Закономерность изменения запасов  вод обычно выражается уравнением водного баланса. В общем случае это уравнение для любой территории за любой промежуток времени имеет следующий вид

X+K+Y, -Y₂ Z+W, +W₂ + Ur- U₂= О,

где X — количество осадков: К —  конденсация влаги; Yi — приток речных вод из других районов; У₂ — сток рек за пределы рассматриваемой территории (включая водозабор); Z— испарение; Wj —* изменение запасов подземных вод; W₂ — изменение влагозапасов на поверхности водосбора; Uj — приток подземных вод из смежных районов;Х1₂— сток подземных вод в соседние районы ниже уровня дренирования их речными руслами.

Современные представления о круговороте  воды

Учение о круговороте воды в  земной коре имеет долгую историю, анализ которой показывает, что в течение  продолжительного времени это важное природное явление рассматривалось  односторонне, только с гидрологических  позиций, которые механизм круговорота  сводят к перемещению воды под  действием тепловой энергии солнца (испарение и перемещение в  атмосфере) и силы тяжести (движение дождя, снега, воды рек и подземных  вод).

Второй, менее известный, но не менее  важный круговорот воды связан с процессами осадкообразования: вместе с осадочным  веществом в эпиконтинентальных морях, лагунах, озерах захороняются седиментационные воды. В дальнейшем, после регрессии морей, захороненные воды остаются на территории материков и принимают участие в формировании водоносных горизонтов или в ходе дальнейшего развития земной коры участвуют в метаморфических процессах, проходят стадию связывания горными породами, затем в процессе разрушения кристаллической решетки последних переходят в свободное состояние и по зонам тектонических нарушений направляются к дневной поверхности. Этот механизм движения воды обусловлен геологическими процессами, такими, как осадконакопление, тектонические движения, вулканизм, метаморфизм, гранитизация горных пород и др. Этот тип круговорота воды получил название геологического.

Климатический (гидрологический) круговорот воды

Одно из главных свойств воды на поверхности земли, к которому мы привыкли, — это способность воды изменять в термодинамических условиях земной коры свое фазовое состояние.

 

 

 

Попав в атмосферу, вода вместе с  воздухом вовлекается в сложную  систему воздушных течений. В  определенных условиях пар начинает конденсироваться, собираться в капли  воды, которые падают на землю в  виде дождя или снега, а на охлажденных  участках — ив виде так называемых "горизонтальных осадков": инея, изморози, росы. Количество выпадающих осадков  и их форма также зависят от конкретных географических условий: удаленности  от берега моря, высоты местности, положения  поднятий рельефа относительно воздушных  течений, приносящих влагу, и многих других факторов.

 

Большая часть атмосферных осадков, выпадающих на материки, под влиянием силы тяжести, группируясь в струйки, ручьи и реки, стекает снова  в океан, замыкая цикл кругооборота. (Гак совершается одно из наиболее могучих явлений природы, определяющих в итоге климат, а значит, и лик Земли в целом. При этом интенсивность и масштабы этого явления целиком определяются количеством солнечной энергии, поступающей на Землю, которая через сложный механизм движения водных масс определяет климат того или иного участка Земли. Поэтому этот круговорот воды называют климатическим.