История открытия

Первые представления о круговороте воды появились в Китае, затем в Индии, где стали использовать дождемеры — приборы для определения количества осадков, то есть там, где установили связь между осадками и стоком воды в реках. В Древней Греции, Древнем Египте, на Ближнем Востоке эта связь не осознавалась, поскольку дожди, питавшие, например, Нил, выпадали где-то в его верховьях, а использовалась вода в засушливых низовьях — в Древнем Египте. На Ближнем Востоке дожди и талые воды Тигра и Евфрата также формировались далеко в горах. В Греции распространен карст, и поэтому Аристотель (384—322 гг. до н. э.) считал, что реки образуются в подземных пустотах.

В Европе о круговороте воды узнали только 500 лет назад, и первые соображения по этому поводу высказал Леонардо да Винчи (1452—1519). В некоторых своих сочинениях он высказал мысли, которые созвучны современным научным представлениям о круговороте воды. Он указывал на значение водопроницаемых геологических пород, образующих водоносные слои в Альпах, объяснял, как происходит восполнение подземных вод и как низинные источники питаются водой. Другие учёные значительно расширили его идеи, но это произошло гораздо позже. Более полные представления о круговороте изложил в книге, изданной в 1580 году во Франции, Бернар Палисси. Он впервые указал на дождевые осадки как основной источник питания рек.

Основоположником учения о круговороте воды считают француза П. Перро (1611—1680), который более известен как строитель водопровода для Лувра — королевского дворца в Париже. Гораздо позже Эразм Дарвин (1731—1802), дед Чарльза Дарвина, объяснил механизм круговорота воды и доказал, что атмосферные осадки обеспечивают ток воды в реках и часть влаги поступает на сушу с моря. Сущность же и значение большого круговорота воды в природе впервые понял знаменитый английский астроном Эдмунд Галлей (1656—1742), дав ему название «Великое явление природы». Он первым рассчитал величину испарения с поверхности океана.

Большой вклад в изучение круговорота воды внёс российский учёный Александр Иванович Воейков (1842—1916), слова которого «реки можно рассматривать как продукт климата» стали признанным положением.

Описание

Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше — положение обратное. Около 84 % общего испарения происходит с поверхности океанов, а над океанами выпадает около 74 % общего количества осадков. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом её общее количество остаётся неизменным.

Три четверти поверхности земного шара покрыты водой. Водную оболочку Земли называют гидросферой. Большую её часть (97 %) составляет соленая вода морей и океанов, а меньшую — пресная вода озер, рек, ледников, грунтовые воды и водяной пар. В круговороте задействовано менее 1 % всей воды, а большая часть остальной сохраняется в виде льдов и снега. Общая сумма осадков, выпадающих на поверхность Земли, примерно равна испарению — 519 тыс. км3 воды. Вынос влаги, испарившейся с поверхности суши, воздушными массами в океан незначителен.

На земле вода существует в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Без воды невозможно существование организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции, без которых не могут житьорганизмы. Вода является самым ценным и самым необходимым веществом для жизнедеятельности живых организмов.

Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, передвижения водяного пара в атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока, получил название круговорота воды в природе. Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водоемы, частично — просачиваются в землю и образуют подземные воды.

Круговорот воды происходит под влиянием солнечной радиации и сил тяжести. Солнце нагревает воду в океанах и морях, и она испаряется, преобразуясь в водяной пар. Параллельный процесс происходит и на суше: вода испаряется с нагретой Солнцем поверхности Земли или испаряется растениями в результате транспирации. В процессе адвекции водяной пар перемещается с воздушными массами, пока в конце концов не оказывается в зоне с низкой температурой. Это вызывает конденсацию влаги в облаках. Облака продолжают перемещаться вместе с воздухом, в то время как сконденсированные капельки воды в них перемешиваются, слипаются и растут в размерах. В итоге вода выпадает в виде осадков над сушей или океаном; при этом океан испаряет больше влаги в атмосферу, чем приобретает от осадков, а суша — наоборот, получает с осадками больше, чем с неё испаряется.

Некоторые осадки выпадают в виде снега или града, дождя со снегом, и могут накапливаться в ледяных шапках и ледниках, которые хранят замороженную воду в течение от нескольких месяцев до десятков тысяч лет. Но даже в таком виде незначительный обмен льдов с атмосферой сохраняется: действует сублимация. В то время, когда температура в зоне отложений повышается, начинается таяние, и вода активно исходит из этих источников.

Большая же часть воды возвращается из атмосферы в виде дождя. Часть выпавших осадков перехватывается листвой растений, не достигнув почвы. Попав на сушу, вода перетекает по земле в виде рек, двигаясь к океанам.

Часть из этой воды впитывается в грунт в результате инфильтрации, проникает глубоко в землю и пополняет водоносные горизонты грунтовых вод, которые также аккумулируют в себе пресную воду в течение длительного времени. Под землёй, как и на её поверхности, тоже существует движение водяных масс, и вода движется, меняя своё местоположение. Грунтовые воды обмениваются водой с поверхностью в виде родников и артезианских скважин (разгрузка грунтовых вод). Эта, а также небольшая часть впитавшейся в землю, но не достигшей уровня водоносных горизонтов воды, попадает назад в поверхностные водные объекты и океан.

Доля воды отводится из почвы, опять же, растениями.

Со временем вода возвращается в океан, чтобы продолжить круговорот.

Виды образования от разных изменений

Различают два вида круговоротов воды в природе:

1. Большой круговорот — водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, сконденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан и распределяется по трем основным направлениям: одна часть идет на поверхностный сток; вторая часть просачивается в грунт (подземный сток), а третья часть испаряется в атмосферу.
2. Малый (океанический) круговорот — вода, которая испарилась над поверхностью суши или океана, опять выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.

Кроме того, различают местный, или внутриматериковый, круговорот, при котором испарившаяся с поверхности суши вода выпадает на сушу в виде атмосферных осадков. Для замкнутых межгорных котловин характерен внутренний круговорот влаги. В конце концов, осадки в процессе движения опять достигают Мирового океана.

Скорость

Среда	Среднее время обновления
Океаны	3 200 лет
Ледники	от 5 до 10 лет
Сезонный снежный покров	от 2 до 6 месяцев
Почвенная корка	от 1 до 2 месяцев
Грунтовые воды: паводоковые	от 100 до 200 лет
Грунтовые воды: глубинные	10 000 лет
Озера	от 15 до 17 лет
Реки	от 17 до 19 дней
Атмосфера	10 дней

Скорость переноса различных видов воды изменяется в широких пределах, так и периоды расходов, и периоды обновления воды также разные. Они изменяются от нескольких часов до нескольких десятков тысячелетий. Атмосферная влага, которая образуется при испарении воды из океанов, морей и суши, и существует в виде облаков, обновляется в среднем через восемь дней.

Воды, входящих в состав живых организмов, восстанавливаются в течение нескольких часов. Это наиболее активная форма водообмена. Период обновления запасов воды в горных ледниках составляет около 1 600 лет, в ледниках полярных стран значительно больше — около 9 700 лет.

Полное обновление вод Мирового океана происходит примерно раз в 2 700 лет.

Круговорот воды в природе. Мировой водный баланс

Круговорот воды в природе – это непрерывное перемещение воды под воздействием солнечной энергии и силы тяжести. Значение круговорота воды велико, так как он не только объединяет все части гидросферы, но и связывает между собой все оболочки Земли (атмосферу, литосферу, биосферу и гидросферу).

Вода во время круговорота может быть в трех состояниях: жидком, твердом, газообразном. Она переносит огромное количество веществ, необходимых для жизни на Земле.

Под действием солнечных лучей Мировой океан и суша нагреваются. В результате этого вода переходит из жидкого состояния в газообразное (пар) и поднимается вверх. Океан поставляет 86 % влаги в атмосферу, и лишь 14 % парообразной влаги образуется за счет испарений с суши. Вода, испаряющаяся с поверхности океана, является пресной. Таким образом, океан можно считать колоссальной фабрикой пресной воды, без которой невозможно существовать жизни на Земле. Известно, что с высотой температура в атмосфере понижается. Пары воды, встречаясь со всеми более холодными слоями воздуха, начинают остывать и образовывать облака. На суше испарение воды идет не только с поверхности ручьев, рек и озер. Пары воды попадают в атмосферу и в результате вулканической деятельности, и испаряются поверхностью растений.

Часто воды, испарившиеся с океана, возвращаются в него в виде осадков, которые выпадают из облаков, расположенных над морями и океанами. Так происходит малый круговорот воды в природе (рисунок 1).

Рис. 1. Схема малого круговорота воды

При большом круговороте воды в природе часть облаков под воздействием ветра переносится на материк (рисунок 2).

Там из них тоже могут выпадать осадки в жидком или твердом виде. Часть атмосферных осадков попадает в реки. Они, впадая друг в друга, в конечном счете, несут воды в моря Мирового океана или в замкнутые водоемы типа Каспийского или Аральского морей, восполняя их потери при испарении. Другая часть воды, выпавшая на землю в виде атмосферных осадков, просачивается вниз с поверхности суши и с подземными водами стекает опять в Мировой океан или реки. Это очень важный этап в круговороте воды, так как он регулирует речной сток во времени. Если бы его не было, вода в реках была бы лишь в кратковременные периоды выпадения осадков или таяния снегов.

Третья часть воды, выпавшая на землю в виде осадков, может проникать в почву, а оттуда подниматься по корням растения и испаряться через листья. Этот этап круговорота очень важен для растений, так как с водой из почвы через корни поступают растворенные минеральные вещества, необходимые для жизнедеятельности растений.

Рис. 2. Схема большого круговорота воды

На приведенных схемах (рис. 1, 2):

z – слой испарения (индекс «о» – относится к океану, индекс «с» – относится к суше), представляющий собой отношение полного объема испарившейся воды ( ) к площади земного шара ( ), мм.

, (1)

х, y – обозначают, соответственно, слои осадков и стока, которые рассчитываются также через отношение объемов к площади земного шара.

Уравнение водного баланса для океана:

zo = xo + y (2)

Уравнение водного баланса для суши:

xc = zc + y (3)

Решая совместно уравнения 2 и 3 можно получить уравнение мирового водного баланса:

zo + zc = xo + xc (4)

При исследованиях гидрологических процессов на суше важно учитывать, что суша подразделяется на две области:

— область внешнего стока (80 % суши), откуда осадки поступают в Мировой океан и которая дренируется крупнейшими реками мира.

— область внутреннего стока (20 %), являющаяся бессточной, не дающей стока в Мировой океан, например: бассейны Каспия, Арала, Балхаша, пустыни Гоби, Сахара, Калахари, и т.д. Есть там и крупные реки: Волга, Амударья .

Главный водораздел земного шара делит всю сушу на два склона:

1) со стоком в Атлантический и Северный Ледовитый океаны (60% суши) и

2) со стоком в Тихий и Индийский океаны.

Водораздел проходит по Америке от мыса Горн по Андам до Берингова пролива, затем по восточному нагорью Азии в широтном направлении и продолжается вдоль восточной окраины Африки и её южной оконечности .

Не вся вода возвращается с суши в океан одновременно. В процессе круговорота воды в природе происходит постепенное обновление вод во всех частях географической оболочки:

— подземные воды обновляются за сотни, тысячи и миллионы лет;

— покровные ледники – за несколько тысяч лет (в Антарктиде – за десятки миллионов лет);

— воды Мирового океана – за 2,5-3 тыс. лет;

— замкнутые бессточные озера – за 200-300 лет;

— проточные озера – за несколько лет;

— реки – за 12-15 суток;

— водяной пар атмосферы – за 8 суток;

— вода в организмах – за несколько часов.

Существенную роль в круговороте воды в природе с недавних пор стала играть деятельность человека. Уничтожение лесов, осушение и орошение земель, создание водохранилищ и плотин, расходование воды на хозяйственные нужды – все это в значительной мере изменило гидрологические процессы на Земле. И хотя хозяйственная деятельность мало повлияла на общий объем гидросферы, она заметно влияет на отдельные ее части. Сток одних рек уменьшился, других – увеличился, изменилось внутригодовое распределение стока.

В результате изъятия воды из вод суши во многих районах мира возросло испарение, потому что именно на испарение идет значительная часть воды, изымаемой человеком из источников. Часть воды, которую потребляет человек и которая входит в состав производимой им продукции, надолго выпадает из всеобщего круговорота, поэтому ее называют «безвозвратно изъятой». Этот термин, конечно, достаточно условен, так как эта вода не исключается полностью, но ее возвращение может произойти с большой задержкой во времени и на совершенно другой территории.

Другой проблемой является загрязнение большого объема вод в результате хозяйственной деятельности человека. Именно угроза загрязнения водных масс представляет сейчас главную опасность, гораздо большую, чем угроза физической нехватки воды. Загрязненная вода, поступающая в ходе круговорота воды в Мировой океан ведет к гибели живых организмов и нарушению биологического равновесия.

Круговорот воды в природе — жизнь, может быть и есть, только там где есть вода …

Круговорот воды в природе — это непрерывное движение воды в гидросфере Земли. Про гидросферу Земли читайте в нашем отдельном материале — «Гидросфера — водная оболочка Земли».

Двигателем — донором энергии круговорота воды является Солнце, а главным «поглотителем» — акцептором энергии и поставщиком водяного пара в атмосферу Мировой океан.

Одним из главных факторов благодаря которому существует Круговорот воды в природе, является уникальная способность воды быть в естественных природных условиях в трех состояниях — твердом, жидком и парообразном.

Круговорот воды в природе так же называется гидрологическим циклом. Круговорот воды обеспечивает присутствие воды практически во всех уголках земного шара. Если кратко, то круговорот воды в природе (гидрологический цикл) можно описать так — вода, находящаяся в жидком состоянии, испаряется, поднимается в атмосферу, где конденсируется, образуя облака, а в дальнейшем снова возвращается на землю уже в жидком состоянии в виде дождя, росы … , либо через промежуточные твердые состояния – снег, иней, град. В атмосфере вода находится 8-9 дней.

В круговороте воды участвуют все водные ресурсы Земли, за исключением вод связанных в кристаллических решетках минералов и вод, погребенных в глубинах крупных ледников, но и это исключение лишь временное.

В круговороте воды, в то числе, активное участие принимают ледники, которые концертируют в себе значительные объемы воды в твердом состоянии (лед). В дальнейшем, какая то часть этих «запасов» вновь возвращается в жидкое состояний.

Круговорот воды в природе — типы и классификация

Основные типы круговорота воды в природе

• Большой круговорот воды или как еще его называют мировой. Вода, испаряясь над океанами и морями, в виде осадков выпадает на материковую часть Земли, и в дальнейшем, благодаря стокам, возвращается в мировой океан. При этом качественно меняется состав воды, удаляются загрязнения, вода очищается и приобретает новые свойства.
• Малый круговорот или океанический. Морская вода, испаряясь над океаном, конденсируется и выпадает опять же снова в океан в виде осадков. Ежегодно в океаническом круговороте участвует 458 000 км3 — а это, как пример, шесть каспийских морей, при этом испаряется с поверхности мирового океана 505 000 км3, разница — 47 000 км3 уходит на континент и распределяется там.
• Внутриконтинентальный круговорот. Весь процесс происходит над материковой частью, вода, испарившись над континентальной частью Земли, на нее же и возвращается в виде осадков. Во внутриконтинентальном круговороте участвует 119 000 км3
• Геологический круговорот воды — включает в себя непрерывный взаимо обмен водами между океанами, сушей и недрами Земли. Происходит как правило в районе трещин расположенных на границах литосферных плит.
• Глобальный круговорот воды — является не замкнутым циклом, поскольку общий объем вод участвующих в нем постоянно пополняется из недр Земли — ежегодно 0,25 км3.

Круговорот воды в природе. Обновление водных ресурсов

В природе происходит постоянное обновление всех водных ресурсов и «круговорот воды» принимает в этом процессе самое, что ни на есть активное участие.

В разных источниках указываются несколько различные значения среднего времени обновления водных ресурсов, поэтому, автор рекомендует читателю, при необходимости, более тщательно изучить этот вопрос. Ниже указаны опорные значения, которые могут стать для вас отправной точкой:

• Океаны: 3 200 лет*;
• Ледники: от 5 до 10 лет*;
• Сезонный снежный покров: от 2 до 6 месяцев*;
• Почвенная корка: от 1 до 2 месяцев*;
• Грунтовые воды, паводок: от 100 до 200 лет*;
• Грунтовые воды, углубленные: 10 000 лет*;
• Озера: от 15 до 17 лет*;
• Реки: от 17 до 19 дней*;
• Атмосфера: 9 дней;
• Горные ледники: 1600 лет;
• Живые организмы: несколько часов;
• Ледники полярных стран: 9700 лет;
• Полное обновление вод Мирового океана: примерно через 2 700 лет.

Круговорот воды в природе является жизненно важным для всей нашей планеты. К большому сожалению, деятельность человека оказывает существенное влияние на отдельные звенья этого процесса, что приводит к катастрофическим последствиям, таким как наводнения, паводки, засухи…