Водный цикл (или гидрологический цикл или гидрологический цикл ) — это биогеохимический цикл , который включает в себя непрерывное движение воды на поверхности Земли, над ней и под ней . Масса воды на Земле остается довольно постоянной с течением времени. Однако распределение воды по основным резервуарам льда , пресной воды , соленой воды и атмосферной воды является изменчивым и зависит от климатических переменных . Вода перемещается из одного резервуара в другой, например, из реки в океан или из океана в атмосферу. Процессами, которые управляют этими перемещениями, являются испарение , транспирация , конденсация , осаждение , сублимация , инфильтрация , поверхностный сток и подземный поток. При этом вода проходит через различные формы: жидкую, твердую ( лед ) и паровую . Океан играет ключевую роль в водном цикле, поскольку является источником 86% мирового испарения. [2]
Водный цикл включает обмен энергией, что приводит к изменению температуры . Когда вода испаряется, она забирает энергию из окружающей среды и охлаждает ее. Когда она конденсируется, она высвобождает энергию и нагревает окружающую среду. Эти теплообмены влияют на климатическую систему .
Фаза испарения цикла очищает воду, поскольку она оставляет соли и другие твердые частицы, собранные во время цикла. Фаза конденсации в атмосфере пополняет землю пресной водой. Поток жидкой воды и льда переносит минералы по всему земному шару. Он также изменяет геологические особенности Земли посредством таких процессов, как эрозия и седиментация . Водный цикл также необходим для поддержания большинства форм жизни и экосистем на планете.
Действия человека оказывают значительное влияние на водный цикл. Такие виды деятельности, как вырубка лесов , урбанизация и добыча грунтовых вод , изменяют природные ландшафты ( изменения в землепользовании ), и все это влияет на водный цикл. [3] : 1153 Вдобавок к этому, изменение климата приводит к интенсификации водного цикла . Исследования показали, что глобальное потепление вызывает сдвиги в характере осадков, увеличение частоты экстремальных погодных явлений и изменения в сроках и интенсивности осадков. [4] : 85 Эти изменения водного цикла влияют на экосистемы , доступность воды , сельское хозяйство и человеческие общества.
Водный цикл питается энергией, излучаемой солнцем. Эта энергия нагревает воду в океане и морях. Вода испаряется в виде водяного пара в воздух . Часть льда и снега сублимируется непосредственно в водяной пар. Эвапотранспирация — это вода , испаряемая растениями и испаряемая почвой. Молекула воды H
2O имеет меньшую молекулярную массу , чем основные компоненты атмосферы, азот ( N
2) и кислород ( O
2) и, следовательно, менее плотный. Из-за значительной разницы в плотности, плавучесть поднимает влажный воздух выше. С увеличением высоты давление воздуха уменьшается, а температура падает (см. Газовые законы ). Более низкая температура заставляет водяной пар конденсироваться в крошечные жидкие капли воды, которые тяжелее воздуха и которые падают, если не поддерживаются восходящим потоком. Огромная концентрация этих капель на большой площади в атмосфере становится видимой как облако , в то время как конденсация вблизи уровня земли называется туманом .
Циркуляция атмосферы перемещает водяной пар по всему земному шару; частицы облаков сталкиваются, растут и выпадают из верхних слоев атмосферы в виде осадков . Некоторые осадки выпадают в виде снега, града или мокрого снега и могут накапливаться в ледяных шапках и ледниках , которые могут хранить замороженную воду в течение тысяч лет. Большая часть воды выпадает в виде дождя обратно в океан или на сушу, где вода течет по земле в виде поверхностного стока . Часть этого стока попадает в реки, а поток переносит воду к океанам. Сток и вода, выходящая из-под земли ( грунтовые воды ), могут храниться в виде пресной воды в озерах. Не весь сток впадает в реки; большая его часть впитывается в землю в виде инфильтрации . Часть воды просачивается глубоко в землю и пополняет водоносные горизонты , которые могут хранить пресную воду в течение длительных периодов времени. Некоторая инфильтрация остается близко к поверхности земли и может просачиваться обратно в поверхностные водоемы (и океан) в виде сброса грунтовых вод или поглощаться растениями и переноситься обратно в атмосферу в виде водяного пара путем транспирации . Некоторые грунтовые воды находят выходы на поверхность земли и выходят на поверхность в виде пресноводных источников. В речных долинах и поймах часто происходит непрерывный водообмен между поверхностными водами и грунтовыми водами в гипорейной зоне . Со временем вода возвращается в океан, чтобы продолжить круговорот воды.
Океан играет ключевую роль в круговороте воды. Океан содержит «97% всей воды на планете; 78% мировых осадков выпадает над океаном, и он является источником 86% мирового испарения». [2]
Важные физические процессы в круговороте воды включают (в алфавитном порядке):
Время пребывания водоема в гидрологическом цикле — это среднее время, которое молекула воды проведет в этом водоеме ( см. таблицу ). Это мера среднего возраста воды в этом водоеме.
Подземные воды могут находиться под поверхностью Земли более 10 000 лет, прежде чем уйти. [17] Особенно старые подземные воды называются ископаемыми . Вода, хранящаяся в почве, остается там очень недолго, поскольку она распределена тонким слоем по всей Земле и легко теряется при испарении, транспирации, речном потоке или пополнении подземных вод. После испарения время пребывания в атмосфере составляет около 9 дней, прежде чем она конденсируется и выпадает на Землю в виде осадков.
Основные ледяные щиты – Антарктида и Гренландия – хранят лед в течение очень длительных периодов. Лед из Антарктиды был надежно датирован 800 000 лет назад, хотя среднее время пребывания короче. [18]
В гидрологии время пребывания можно оценить двумя способами. [ необходима цитата ] Более распространенный метод основан на принципе сохранения массы ( водный баланс ) и предполагает, что количество воды в данном водохранилище примерно постоянно. При использовании этого метода время пребывания оценивается путем деления объема водохранилища на скорость, с которой вода либо поступает в водохранилище, либо покидает его. Концептуально это эквивалентно измерению того, сколько времени потребуется водохранилищу, чтобы наполниться из пустого, если вода не будет уходить (или сколько времени потребуется водохранилищу, чтобы опустеть из полного, если вода не будет поступать).
Альтернативный метод оценки времени пребывания, который набирает популярность для датирования грунтовых вод, — это использование изотопных методов. Это делается в подотрасли изотопной гидрологии .
Водный цикл описывает процессы, которые управляют движением воды по гидросфере . Однако гораздо больше воды находится «в хранилище» (или в «бассейнах») в течение длительных периодов времени, чем фактически перемещается по циклу. Хранилищем для подавляющего большинства всей воды на Земле являются океаны. По оценкам, из 1 386 000 000 км 3 мирового запаса воды около 1 338 000 000 км 3 хранится в океанах, или около 97%. Также по оценкам, океаны поставляют около 90% испаряемой воды, которая поступает в водный цикл. [20] Ледяные шапки Земли, ледники и постоянный снежный покров хранят еще 24 064 000 км 3, что составляет всего 1,7% от общего объема воды планеты. Однако это количество воды составляет 68,7% от всей пресной воды на планете. [21]
Человеческая деятельность может изменить водный цикл на местном или региональном уровне. Это происходит из-за изменений в землепользовании и почвенном покрове . Такие изменения влияют на «осадки, испарение, наводнения, грунтовые воды и доступность пресной воды для различных целей». [3] : 1153
Примерами таких изменений в землепользовании являются преобразование полей в городские районы или вырубка лесов . Такие изменения могут повлиять на способность почв впитывать поверхностную воду. Вырубка лесов имеет как локальные, так и региональные эффекты. Например, она снижает влажность почвы, испарение и количество осадков на местном уровне. Кроме того, вырубка лесов вызывает региональные изменения температуры, которые могут повлиять на характер распределения осадков. [3] : 1153
Снижение или перерасход водоносного слоя и откачка ископаемой воды увеличивают общее количество воды в гидросфере. Это происходит потому, что вода, которая изначально находилась в земле, теперь стала доступной для испарения, поскольку теперь она находится в контакте с атмосферой. [3] : 1153
С середины XX века антропогенное изменение климата привело к заметным изменениям в глобальном водном цикле. [4] : 85 В Шестом оценочном докладе МГЭИК за 2021 год прогнозируется, что эти изменения будут продолжать значительно расти на глобальном и региональном уровне. [4] : 85 Эти выводы являются продолжением научного консенсуса, выраженного в Пятом оценочном докладе МГЭИК от 2007 года и других специальных докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата , в которых уже говорилось, что водный цикл будет продолжать усиливаться в течение XXI века. [3]
Влияние изменения климата на водный цикл является глубоким и описывается как интенсификация или усиление водного цикла (также называемого гидрологическим циклом). [23] : 1079 Этот эффект наблюдается по крайней мере с 1980 года. [23] : 1079 Одним из примеров является то, что сильные дожди становятся еще сильнее. Влияние изменения климата на водный цикл имеет важное негативное влияние на доступность ресурсов пресной воды , а также других водных резервуаров, таких как океаны , ледяные щиты , атмосфера и влажность почвы . Водный цикл необходим для жизни на Земле и играет большую роль в глобальной климатической системе и циркуляции океана . Ожидается, что потепление нашей планеты будет сопровождаться изменениями в водном цикле по разным причинам. [24] Например, более теплая атмосфера может содержать больше водяного пара, который влияет на испарение и осадки .
Основной причиной усиления круговорота воды является увеличение количества парниковых газов в атмосфере, что приводит к потеплению атмосферы за счет парникового эффекта . [24] Фундаментальные законы физики объясняют, как давление насыщенного пара в атмосфере увеличивается на 7% при повышении температуры на 1 °C. [25] Это соотношение известно как уравнение Клаузиуса-Клапейрона .
Сила водного цикла и его изменения с течением времени представляют значительный интерес, особенно по мере изменения климата. [26] Гидрологический цикл представляет собой систему, в которой испарение влаги в одном месте приводит к выпадению осадков (дождя или снега) в другом месте. Например, испарение всегда превышает количество осадков над океанами. Это позволяет атмосфере переносить влагу из океанов на сушу, где осадки превышают эвапотранспирацию . Сток с суши впадает в ручьи и реки и сбрасывается в океан, что завершает глобальный цикл. [26] Водный цикл является ключевой частью энергетического цикла Земли через испарительное охлаждение на поверхности, которое обеспечивает скрытое тепло атмосфере, поскольку атмосферные системы играют основную роль в перемещении тепла вверх. [26]В то время как водный цикл сам по себе является биогеохимическим циклом , поток воды над и под Землей является ключевым компонентом круговорота других биогеохимических веществ. [27] Сток отвечает за почти весь перенос эродированных осадков и фосфора с суши в водоемы . [28] Соленость океанов является результатом эрозии и переноса растворенных солей с суши. Культурная эвтрофикация озер в первую очередь обусловлена фосфором, который в избытке вносится на сельскохозяйственные поля в удобрениях , а затем переносится по суше и вниз по рекам. Как сток, так и поток грунтовых вод играют важную роль в переносе азота с суши в водоемы. [29] Мертвая зона в устье реки Миссисипи является следствием того, что нитраты из удобрений выносятся с сельскохозяйственных полей и сбрасываются вниз по речной системе в Мексиканский залив . Сток также играет роль в углеродном цикле , снова через перенос эродированной породы и почвы. [30]
Гидродинамический ветер в верхней части атмосферы планеты позволяет легким химическим элементам, таким как водород, перемещаться к экзобазе , нижней границе экзосферы , где газы могут затем достичь скорости убегания , попадая в космическое пространство , не влияя на другие частицы газа. Этот тип потери газа с планеты в космос известен как планетарный ветер . [31] Планеты с горячими нижними слоями атмосферы могут привести к образованию влажных верхних слоев атмосферы, которые ускоряют потерю водорода. [32]
В древние времена было широко распространено мнение, что суша плавает на поверхности воды, и что большая часть воды в реках берет свое начало под землей. Примеры этого убеждения можно найти в произведениях Гомера ( ок. 800 г. до н. э. ).
В «Трудах и днях » (ок. 700 г. до н. э.) греческий поэт Гесиод излагает идею круговорота воды: «[Пар] извлекается из вечно текущих рек и поднимается высоко над землей бурей, и иногда он превращается в дождь к вечеру, а иногда в ветер, когда Фракийский Борей собирает густые облака».
На древнем Ближнем Востоке еврейские ученые заметили, что хотя реки впадали в море, море никогда не переполнялось. Некоторые ученые приходят к выводу, что водный цикл был полностью описан в это время в этом отрывке: «Ветер идет к югу и поворачивает к северу; кружится он беспрестанно, и возвращается ветер на круги свои. Все реки текут в море, но море не переполняется: к тому месту, откуда реки текут, они возвращаются туда» (Екклесиаст 1:6-7). [33] Кроме того, было также замечено, что когда облака были полны, они изливали дождь на землю (Екклесиаст 11:3).
В Адитьяхридаяме (религиозном гимне богу Солнца) Рамаяны , индуистского эпоса, датируемого 4 веком до н. э., в 22-м стихе упоминается, что Солнце нагревает воду и посылает ее в виде дождя. Примерно к 500 году до н. э. греческие ученые предполагали, что большую часть воды в реках можно отнести к дождю. Происхождение дождя к тому времени также было известно. Однако эти ученые придерживались убеждения, что вода, поднимающаяся через землю, вносит большой вклад в реки. Примерами такого мышления являются Анаксимандр (570 г. до н. э.) (который также размышлял об эволюции наземных животных из рыб [34] ) и Ксенофан Колофонский (530 г. до н. э.). [35] Китайские ученые периода Воюющих царств, такие как Чи Ни Цзы (320 г. до н. э.) и Лу Ши Чунь Цю (239 г. до н. э.), имели схожие мысли. [36]
Идею о том, что водный цикл является замкнутым циклом, можно найти в трудах Анаксагора из Клазомен (460 г. до н. э.) и Диогена из Аполлонии (460 г. до н. э.). И Платон (390 г. до н. э.), и Аристотель (350 г. до н. э.) размышляли о просачивании как части водного цикла. Аристотель правильно выдвинул гипотезу о том, что солнце играет роль в гидравлическом цикле Земли в своей книге «Метеорология» , написав: «Благодаря ему [солнцу] самая тонкая и сладкая вода ежедневно переносится вверх, растворяется в паре и поднимается в верхние области, где она снова конденсируется холодом и таким образом возвращается на землю», и считал, что облака состоят из охлажденного и конденсированного водяного пара. [37] [38] Подобно более раннему Аристотелю, восточноханьский китайский ученый Ван Чун (27–100 гг. н. э.) точно описал водный цикл Земли в своем труде «Луньхэн», но был отвергнут его современниками. [39]
Вплоть до эпохи Возрождения ошибочно предполагалось, что одних осадков недостаточно для питания рек, для полного круговорота воды, и что подземные воды, выталкивающиеся из океанов, являются основными источниками речной воды. Этой точки зрения придерживался Варфоломей Английский (1240 г. н. э.), а также Леонардо да Винчи (1500 г. н. э.) и Афанасий Кирхер (1644 г. н. э.).
Первым опубликованным мыслителем, утверждавшим, что одних только осадков достаточно для поддержания рек, был Бернар Палисси (1580 г. н. э.), которого часто считают первооткрывателем современной теории круговорота воды. Теории Палисси не были научно проверены до 1674 г., в исследовании, обычно приписываемом Пьеру Перро . Даже тогда эти убеждения не были приняты в официальной науке до начала девятнадцатого века. [40]
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite book}}
: |website=
проигнорировано ( помощь )