Единый глобальный биогеохимический круговорот элементов. Учебный портал для студентов

Круговороты воды и СО 2 в глобальном масштабе представляют собой, вероятно, самые важные для человечества биогеохимические круговороты. Для обоих характерны небольшие, но весьма подвижные фонды в атмосфере, высокочувствительные с нарушениям, которые вызываются деятельностью человека и которые могут влиять на погоду и климат.

Несмотря на то, что вода участвует в химических реакциях, из которых слагается и фотосинтез, большая часть потока воды, проходящего через экосистему, связана с испарением, транспирацией (испарение растениями) и выпадением осадков.

Круговорот воды, или гидрологический цикл, как и любой другой круговорот, приводится в движение энергией. Поглощение световой энергии жидкой водой представляет собой главную точку, в которой источник энергии сопряжен с круговоротом воды. По оценкам, около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии затрачивается на приведение в движение круговорота воды.

Более 90 % имеющейся на земном шаре воды связано в горных породах, образующих земную кору, и в отложениях (льда и снега) на поверхности Земли. Эта вода вступает в происходящий в экосистеме гидрологический цикл очень редко: лишь при вулканических выбросах водяных паров. Таким образом, большие запасы воды, имеющиеся в земной коре, вносят весьма незначительный вклад в передвижение воды вблизи поверхности Земли, составляя основу резервного фонда этого круговорота.

Фонд воды в атмосфере невелик (составляет около 3%). Вода, содержащаяся в воздухе в виде пара в любой данный момент, соответствует в среднем слою толщиной 2,5 см, равномерно распределенному по поверхности Земли. Количество осадков, выпадающих за год, составляет в среднем 65 см, что в 25 раз больше того количества влаги, которое содержится в атмосфере в любой данный момент. Следовательно, водяные пары, постоянно содержащиеся в атмосфере, так называемый атмосферный фонд, ежегодно совершают круговорот 25 раз. Соответственно время переноса воды в атмосфере равно в среднем двум неделям.

Особое внимание следует обратить на следующие аспекты круговорота воды:

• 1. Море теряет из-за испарения больше воды, чем получает с осадками; на суше ситуация противоположная. Т.о. значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, в том числе большинство агроэкосистем, состоит из воды, испаренной из моря.
• 2. Важная, если не главная роль транспирации растений в общей эвапотранспирации (испарении) с суши. Влияние, оказываемое растительностью на движение воды, выявляется лучше всего при удалении растительности. Так экспериментальная вырубка всех деревьев в бассейнах небольших рек увеличивает сток воды в реки, дренирующие расчищенные участки, более чем на 200%. В нормальных условиях этот излишек в виде водяного пара траспирировался бы непосредственно в атмосферу.
• 3. Хотя поверхностный сток пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от них, эти величины имеют обратную зависимость. В результате деятельности человека (покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды материалами, создания водохранилищ на реках, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, сведения лесов и т.д.) сток увеличивается и пополнение столь важного фонда грунтовых вод сокращается. Во многих засушливых районах резервуары грунтовых вод сейчас быстрее выкачиваются человеком, чем пополняются природой.

6.1. Круговорот воды

Круговорот воды – один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ, включает переход воды из жидкого в газообразное и твердое состояние и обратно (рис. 9). Он обладает всеми основными чертами других круговоротов – также примерно сбалансирован в масштабе всего земного шара и приводится в движение энергией. Круговорот воды – самый значительный по переносимым массам и затратам энергии круговорот на Земле. Каждую секунду в него вовлекается 16,5 млн м 3 воды и тратится на это более 40 млрд МВт солнечной энергии.

Рис. 9. Круговорот воды в природе

Основные процессы, обеспечивающие круговорот воды, – инфильтрация, испарение, сток :

1. Инфильтрация – испарение – транспирация: вода впитывается почвой, удерживается в качестве капиллярной воды, а затем возвращается в атмосферу, испаряясь с поверхности земли, или же поглощается растениями и выделяется в виде паров при транспирации;

2. Поверхностный и внутрипочвенный сток: вода становится частью поверхностных вод. Движение грунтовых вод: вода попадает под землю и движется сквозь нее, питая колодцы и родники, вновь попадает в систему поверхностных вод.

Таким образом, круговорот воды можно представить в виде двух энергетических путей: верхний путь (испарение) приводится в движение солнечной энергией, нижний (выпадение осадков) – отдает энергию озерам, рекам, заболоченным землям, другим экосистемам и непосредственно человеку, например на ГЭС. Деятельность человека оказывает огромное влияние на глобальный круговорот воды, что может изменять погоду и климат. В результате покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды материалами, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, уничтожения лесов и т. п. сток воды в океан увеличивается и пополнение фонда грунтовых вод сокращается. Во многих сухих областях эти резервуары выкачиваются человеком быстрее, чем заполняются. В России для водоснабжения и орошения земель разведано 3 367 месторождений подземных вод. Эксплуатационные запасы разведанных месторождений составляют 28,5 км 3 /год. Степень освоения этих запасов составляет в РФ не более 33 %, а в эксплуатации находится 1 610 месторождений.

Особенность круговорота в том, что из океана испаряется воды больше (примерно 3,8·10 14 т), чем возвращается с осадками (примерно 3,4·10 14 т). На суше, наоборот, осадков выпадает больше (примерно 1,0·10 14 т), чем испаряется (суммарно около 0,6·10 14 т). В связи с тем, что из океана воды испаряется больше, чем возвращается, значительная часть осадков, используемых экосистемами суши, в том числе и агроэкосистемами, производящими пищу для человека, состоит из воды, испаряющейся из моря. Излишки воды с суши стекают в озера и реки, а оттуда снова в океан. По существующим оценкам, в пресных водоемах (озерах и реках) содержится 0,25·10 14 т воды, а годовой сток составляет 0,2·10 14 тонн. Таким образом, время оборота пресных вод составляет примерно один год. Разность между количеством осадков, выпадающих на сушу за год (1,0·10 14 т), и стоком (0,2·10 14 т) составляет 0,8·10 14 т, которые испаряются и поступают в подпочвенные водоносные горизонты. Поверхностный сток частично пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от них.

Атмосферные осадки являются основным звеном влагооборота и во многом определяют гидрологический режим экосистем суши. Их распределение по территории, особенно в горах, неравномерно, что связано с особенностями атмосферных процессов и подстилающей поверхности. Так, например, для лесотундровых редколесий Путоранской лесорастительной провинции Средней Сибири годовая сумма осадков составляет 617 мм, для северотаежных лесов Нижне-Тунгусского лесорастительного округа – 548, а для южнотаежных лесов Приангарья она уменьшается до 465 мм (табл. 2).

Таблица 2

Эвапотранспирация лесных экосистем Енисейского меридиана

Округ, провинция	Запас древостоев, м 3 /га *	Осадки, мм **	Испарение, мм ***
			перехваченных осадков
Притундровые леса
Путоранская лесорастительная провинция
Северная тайга
Туруханский лесорастительный округ
Южная тайга
Приангарский лесорастительный округ

* – Ведрова и др. (из кн. Лесные экосистемы Енисейского меридиана, 2002);

**, *** – Буренина и др.(там же).

Испарению принадлежит одно из ведущих мест. С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к физическому явлению превращения воды в пар добавился процесс биологического испарения, связанный с жизнедеятельностью растений и животных – транспирация . Наряду с осадками и стоком эвапотранспирация, включающая испарение перехваченных осадков, транспирационный расход влаги растениями и подпологовое испарение, является основной расходной статьей водного баланса, особенно в лесных экосистемах. Например, в тропическом влажном лесу количество воды, испаряемой растениями, достигает 7000 м 3 /км 2 в год, тогда как в саванне на той же широте и высоте с той же площади оно не превышает 3000 м 3 /км 2 в год.

Растительность в целом играет значительную роль в испарении воды, влияя тем самым на климат регионов. Интенсивность эвапотранспирации зависит от радиационного баланса и различной продуктивности растительности. Как видно из табл. 2, при увеличении надземной фитомассы вследствие большего испарения перехваченных осадков и транспирационного расхода влаги суммарное испарение возрастает.

Кроме того, высшая растительность выполняет очень важную для наземных экосистем водоохранную и водорегулирующую функцию: смягчает паводки, удерживая влагу в почвах и препятствуя их иссушению и эрозии. Например, при вырубке леса в одних случаях увеличивается вероятность затопления и заболачивания территории, в других – прекращающийся процесс транспирации может привести к «осушению» климата. Обезлесение негативно влияет на подземные воды, снижая способность местности задерживать осадки. В некоторых местах леса помогают пополнять водоносные слои, хотя в большинстве случаев леса как раз истощают их.

Таблица 3

Долевое соотношение пресных и соленых вод на Земле

Общие запасы воды на Земле оцениваются приблизительно от 1,5 до 2,5 млрд км 3 . Соленая вода составляет около 97 % объема водной массы, на Мировой океан приходится 96,5 % (табл. 3). Объем пресных вод, по разным оценкам, составляет 35–37 млн км 3 , или 2,5–2,7 % общих запасов воды на Земле. Большая часть пресных вод (68–70 %) сосредоточена в ледниках и снежном покрове (по Реймерсу, 1990).

Предыдущая

Тема № 5. Глобальные круговороты основных биогенных веществ

Вопросы:

1. Глобальный и местный круговорот воды.

2. Круговорот углерода. Изменение баланса углекислого газа во времени: многолетние тренды и сезонные колебания.

3. Круговорот кислорода.

4. Круговорот азота. Роль микроорганизмов в поддержании круговорота азота: аммонифицирующие бактерии, нитрифицирующие бактерии.

5. Круговорот фосфора, его малая замкнутость. Фосфор как лимитирующий фактор.

6. Круговорот серы. Роль микроорганизмов в поддержании круговорота серы. Загрязнение водоемов сероводородом.

Цель: формирование представлений о трансграничном переносе основных биогенных веществ (вода, углерод, кислород, азот, сера, фосфор).

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, биологический (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в непрерывном, циклическом, но неравномерном во времени и пространстве, и сопровождающийся более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации.

Самый значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на Земле – это планетарный гидрологический цикл – круговорот воды.

В жидком, твердом и парообразном состояниях вода присутствует во всех трех главных составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере, литосфере. Все воды объединяются общим понятием «гидросферы». Составные части гидросферы связаны между собой постоянным обменом и взаимодействием. Вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образует малый круговорот. Когда водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. При этом часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая – питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоками, завершая тем самым большой круговорот.

Под биотическим (биологическим) круговоротом понимается циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. По определению Н. П. Ремезова, Л. Е. Родина и Н. И. Базилевич, биотический (биологический) круговорот – это поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их обратно в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы.

2. Круговорот углерода. Изменение баланса углекислого газа во времени: многолетние тренды и сезонные колебания

Миграция СО 2 в биосфере протекает двумя путями.

Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием глюкозы и других органических веществ, из которых построены все растительные ткани. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых существ экосистемы. Следует заметить, что вероятность отдельно взятого углерода «побывать» в течение одного цикла в составе многих организмов мала, потому что при каждом переходе с одного трофического уровня на другой велика возможность, что содержащая его органическая молекула будет расщеплена в процессе клеточного дыхания для получения энергии. Атомы углерода при этом вновь поступают в окружающую среду в составе углекислого газа, таким образом, завершив один цикл и приготовившись начать следующий. В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы в процессе фотосинтеза поглощается в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием СО 2 .

Атомы углерода возвращаются в атмосферу и при сжигании органического вещества. Важная и интересная особенность круговорота углерода состоит в том, что в далекие геологические эпохи, сотни миллионов лет назад, значительная часть органического вещества, созданного в процессах фотосинтеза, не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась в литосфере в виде ископаемого топлива: нефти, угля, горючих сланцев, торфа и др. Это ископаемое топливо добывается в огромных количествах для обеспечения энергетических потребностей нашего индустриального общества. Сжигая его, мы в определенном смысле завершаем круговорот углерода.

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где СО 2 переходит в Н 2 СО 3 , HCO 3 , CO 2 . С помощью растворенного в воде кальция (или магния) происходит осаждение карбонатов (СаСО 3) биогенным и абиогенным путями. Образуются мощные толщи известняков. По А. Б. Ронову, отношение захороненного углерода в продуктах фотосинтеза к углероду в карбонатных породах составляет 1:4. Существует наряду большим круговоротом углерода и ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

Как известно, все структурные компоненты биосферы тесно взаимосвязаны между собой сложными биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии. Процессы взаимообмена и взаимодействия протекают на разных уровнях: между геосферами (атмо-, гидро-, литосферой), между природными зонами, отдельными ландшафтами, их морфологическими частями и т. д. Однако повсюду господствует единый генеральный процесс обмена веществом и энергией, процесс, порождающий явления разного масштаба - от атомарного до планетарного. Многие элементы, пройдя цепь биологических и химических превращений, возвращаются в состав тех же самых химических соединений, в которых они находились в начальный момент. При этом главной движущей силой в функционировании, как глобального, так и малых (а также локальных) круговоротов, являются сами живые организмы.
Роль биогеохимических круговоротов в развитии биосферы исключительно велика, поскольку они обеспечивают многократность одних и тех же органических форм при ограниченном объеме исходного вещества, участвующего в круговоротах. Человечеству остается лишь поражаться тому, как мудро устроена природа, которая сама же подсказывает «непутевому Homo sapiens», как следует организовать так называемое безотходное производство. Заметим, однако, что в природе нет полностью замкнутых круговоротов: любой из них одновременно сомкнут и разомкнут. Элементарный пример частичного круговорота представляет собой вода, которая, испарившись с поверхности океана, частично снова попадает туда.
Между отдельными малыми круговоротами существуют сложные взаимосвязи, что в конечном итоге приводит к постоянному перераспределению вещества и энергии между ними, к устранению своего рода асимметричных явлений в развитии круговоротов. Так, в литосфере в избытке оказались в связанном состоянии кислород и кремний, в атмосфере в свободном состоянии азот и кислород, в биосфере - водород, кислород и углерод. Нельзя не отметить также, что основная масса углерода сконцентрировалась в осадочных породах литосферы,
где карбонаты аккумулировали основную массу углекислого газа, поступившего в атмосферу с вулканическими извержениями.
Нельзя забывать и о том, что между космосом и Землей существует теснейшая связь, которую с известной долей условности следует рассматривать в рамках глобального круговорота (поскольку, как уже отмечалось, он не является замкнутым). Из космоса на нашу планету попадает лучистая энергия (солнечные и космические лучи), корпускулы Солнца и других звезд, метеоритная пыль и т. д. Особенно важна роль солнечной энергии. В свою очередь, Земля отдает обратно часть энергии, рассеивает в космос водород и т. д.
Многие ученые, начиная с В. Вернадского, рассматривая глобальный биогеохимический круговорот элементов в природе как один из важнейших факторов поддержания динамических равновесий в природе, различали в процессе его эволюции две стадии: древнюю и современную. Есть основания полагать, что на древней стадии круговорот был иным, однако из-за отсутствия многих неизвестных (названий элементов, их массы, энергии и т. д.) смоделировать круговороты прошлых геологических эпох («былые биосферы») практически невозможно.
К этому следует добавить, что основную часть живого вещества составляют С, О, Н, N, главными источниками питания растений являются СО2, Н2О и другие минеральные вещества. С учетом значимости для биосферы углерода, кислорода, водорода, азота, а также специфической роли фосфора кратко рассмотрим их глобальные круговороты, получившие название «частных» или «малых». (Существуют еще локальные кругообороты, ассоциирующиеся с отдельными ландшафтами.)
Биогеохимические круговороты отдельных элементов. Как известно, три химических элемента - кислород, углерод и водород - составляют 98% общей массы живого вещества, при этом на первый из них приходится 70%, на второй - 18 и на третий - 10%. В отличие от большей части кислорода и водорода, присутствующих в организмах в виде водной субстанции (являющейся растворителем и средой для протекания биохимических реакций), углерод является, в сущности, структурообразующим компонентом. В науке хорошо известна его способность легко образовывать углерод-углеродные связи, при этом получаются полимерные цепи и кольца, служащие основой для получения разнообразных органических соединений.
В ходе длительной эволюции биосферы в распределении углерода произошли значительные изменения. Огромное количество углерода оказалось сконцентрированным на дне океана в виде малорастворимого карбоната кальция, а также в карбонатах осадочной толщи литосферы в виде каустобиолитов! и т. д. Много углерода сосредоточено в биомассе суши и в организмах моря, в атмосфере, в гумосфере. Движущей силой современного глобального круговорота углерода является биологический круговорот, протекающий по следующей схеме: «биоассимиляция углерода из атмосферы, водной или наземной среды растениями, потребление органических соединений животными и людьми, окисление органических веществ до углекислого газа в процессе дыхания и разложения отходов, возврат углекислого газа в атмосферу».
Круговорот углерода на суше и в океане неодинаков: на суше он преимущественно возвращается обратно в атмосферу, в океане остается в основном в растворе. Известно, что океан является полу автономной системой в газообмене с атмосферой, что указывает на медленный обмен углекислым газом в системе «океан - атмосфера». Что же касается системы «суша - океан», то здесь преобладает односторонняя миграция углерода в виде выноса этого элемента с суши в карбонатных и органических соединениях.
Громадный научный интерес представляет кругооборот кислорода - одного из важнейших элементов в природе, отчасти в связи с растущим его потреблением на промышленные и другие нужды. Существует мнение, что человечество в первую очередь столкнется с дефицитом именно кислорода, поскольку оно ежегодно сжигает примерно четвертую часть этого элемента, продуцируемого наземной растительностью.
Начало интенсивного накопления кислорода в атмосфере связывается с распространением фотосинтезирующих элементов около 2 млрд лет тому назад. В процессе длительной эволюции глобального круговорота кислорода наибольшая часть этого элемента осталась в атмосфере, другая часть оказалась растворенной в океане, третья была зафиксирована в земной коре в виде сульфатов, карбонатов, различных окислов.
Сравнительно хуже изучен глобальный круговорот азота главным образом в связи с трудностями оценки составляющих круговорота. До сих пор точно неизвестно, какие конкретно организмы способны фиксировать азот, переводить его в такие химические соединения, которые могут использоваться живыми организмами. Между тем в биологическом круговороте из огромного запаса азота в атмосфере и осадочной оболочке литосферы принимает участие только фиксированный азот, усваиваемый живыми организмами суши и океана. В целом в естественных условиях процессы связывания и высвобождения азота уравновешивают друг друга.
Определенный интерес представляет осадочный круговорот фосфора - довольно редкого элемента в биосфере (в земной коре его содержание не превышает 1%). Схема круговорота фосфора на суше выглядит следующим образом: «поглощение растениями неорганического фосфора, перевод его в состав живого вещества растений и животных (а также людей), возвращение органических фосфатов вместе с трупами, отходами и экскрементами живых существ в землю, переработка фосфатов микроорганизмами».
Совсем иная картина имеет место в водоемах, что связано с осаждением отмерших организмов на дне и накоплением их в донных отложениях. Известно, что разложение органики вблизи дна часто происходит в замедленном режиме вследствие недостаточного притока кислорода. В итоге минерализованный фосфор образует нерастворимый комплекс с трехвалентным железом и таким образом оказывается уже недоступным для усвоения водными организмами. Однако это не единственный способ «изъятия» фосфора из глобального круговорота. Большое его количество выносится в Мировой океан, скорость же обратного переноса (птицами и продуктами рыбного промысла) составляет значительно меньшую величину. Пример глобального круговорота фосфора показывает, какую опасность представляют любые малообдуманные воздействия человека на естественный ход био- геохимических процессов в биосфере.
Рассмотренные нами некоторые круговороты особо важных для биосферы элементов показывают огромную важность поддержания сложившихся динамических равновесий в едином глобальном биогеохимическом круговороте.

Рассеянная в атмосфере, погребенная в земной коре либо составляющая собственно гидросферу вода играет исключительную роль в функционировании всей географической оболочки как динамической системе, находящейся в непрерывном движении.

Круговорот воды - это непрерывный процесс циркуляции влаги, охватывающий атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу. Он происходит по условной схеме: выпадение атмосферных осадков, поверхностный и подземный сток, инфильтрация, испарение, перенос водяного пара в атмосфере, его конденсация, повторное выпадение атмосферных осадков. Движущей силой глобального круговорота воды служит солнечная энергия, вызывающая испарение с поверхности океанов и суши. Основной источник поступления влаги в атмосферу (85%) - поверхность Мирового океана, а с поверхности суши поступает около 14%. В процессе круговорота вода может переходить из одного агрегатного состояния в другое. Выделяют круговороты воды в атмосфере, между атмосферой и поверхностью Земли, между земной поверхностью и недрами литосферы, внутри недр литосферы, в гидросфере.

Вот как описывает круговорот воды в природе С.Калесник: «Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение атмосферных осадков на поверхности океана образуют малый круговорот. Но когда водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот воды становится сложнее. Часть осадков, выпавших на поверхность суши, испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая часть наземными и подземными путями стекает в понижения рельефа и питает реки и стоячие водоемы. Процесс испарения воды и выпадение осадков на сушу может повторяться многократно, но, в конце концов, влага, принесенная на сушу воздушными течениями с океана, вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая свой большой круговорот» .

Круговорот воды не замыкается только на Земле. Молекулы водяного пара, поднятые в высокие слои атмосферы, подвергаясь фотодиссоциации под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, распадаются на атомы кислорода и водорода. Вследствие высоких температур в термосфере скорость частиц водорода превышает космическую, и он уходит из атмосферы в межпланетное пространство - сайт. Очевидно, что ускользание одного атома водорода означает для Земли потерю одной молекулы воды. В свою очередь, и Космос снабжает Землю водой, которая содержится в метеоритном веществе и ледяных кометах. По некоторым оценкам, этим путем за сутки на Землю поступает около 80 м3 влаги, т.е. 25 - 30 тыс. т ежегодно.

В природном круговороте воды можно выделить три основных звена: материковое, океаническое и атмосферное.

Материковое звено круговорота воды

Попадая на поверхность суши в виде атмосферных осадков, вода либо просачивается в почву (инфильтрация), либо стекает по поверхности, формируя поверхностный и речной сток, и затем поступает в озера, моря и океаны.

Мировой объем круговорота воды за день, км 3

Часть воды испаряется, причем испарение происходит как непосредственно с поверхности почвы, водоемов и надземных органов растений, так и из почвы, коры выветривания и горных пород после подъема по капиллярам к поверхности. Часть просочившейся в почву влаги перемещается в виде внутрипочвенного стока, а также грунтовых и подземных вод. Грунтовые и подземные воды иногда выходят на земную поверхность на склонах, в местах выклинивания водоносных горизонтов, а также в руслах рек. Часть подземных вод пополняет водные запасы глубоких подземных горизонтов и тем самым надолго выходит из активного водообмена.

Специфический элемент континентального звена круговорота воды составляют ледники. Масса ледников на Земле в течение геологической истории испытывала большие колебания. Несколько раз на планете происходили крупные материковые оледенения, когда огромные массы воды изымались из океана и сосредотачивались в виде ледниковых покровов на суше (в основном в околополярных областях). В такие периоды уровень Мирового океанам снижался на 100 м и более. Напротив, в межледниковые эпохи; ледники исчезали почти полностью, что приводило к повышению; уровня океана.

Океаническое звено круговорота воды

Океан нагревается главным образом сверху за счет поглощения солнечной радиации и теплового противоизлучения атмосферы. Геотермический поток, идущий к океаническому дну из земных недр, невелик и не оказывает значительного влияния на тепловой режим океана, кроме его самой глубоководной зоны. Нагревание воды океана сверху сообщает ей гидростатическую устойчивость (нагревающиеся верхние слои имеют меньшую плотность, чем нижележащие более холодные), вследствие чего вертикальные движения в океане выражены слабее, чем в атмосфере. Этому способствует и более высокая плотность воды по сравнению с воздухом.

Совокупность перемещений воды в океане складывается из движений и круговоротов различных пространственных и временных масштабов. Периоды движений колеблются от нескольких секунд до сотен лет, а пространственные (горизонтальные и вертикальные) масштабы - от нескольких миллиметров до тысяч километров. Помимо морских течений, составляющих общую циркуляцию океаносферы, в океаническом звене участвуют также турбулентные явления, поверхностные и внутренние волны, приливные явления (колебания уровня и приливо-отливные течения), меандры и вихри, явления апвеллинга и даунвеллинга, переносящие энергию воды в горизонтальном и вертикальном направлениях.

В соответствии с зональным распределением солнечной энергии по поверхности планеты, в океане и атмосфере создаются генетически взаимосвязанные циркуляционные системы, образованные однотипными водными и воздушными массами. Важнейшим механическим фактором возникновения океанической циркуляции является ветровое трение о поверхность воды, благодаря чему океан получает механическую энергию от атмосферы. Ветер вызывает дрейфовые течения, которые обусловливают сгон воды в одних районах и нагон в других, в результате чего возникают градиентные течения.

Образованию течений способствуют также термохалинные факторы: получение и отдача теплоты, атмосферные осадки, испарение, приток воды с материков влияют на температуру и соленость воды, а тем самым на ее плотность. Более плотные слои опускаются, что приводит к вертикальному перемешиванию, а затем и к горизонтальному переносу (адвекции).

дной из характерных особенностей циркуляции поверхностных вод Мирового океана является система круговоротов отдельных элементов. Из рисунка видно, что морские течения образуют в каждом океане циркуляционные системы. Исключение составляет Антарктическое циркумполярное течение (течение Западных Ветров, или Великий Восточный дрейф), образующее непрерывный ток воды вокруг земного шара в средних широтах Южного полушария, у которого нет аналога в Северном полушарии.

Поверхностные течения Мирового океана: центральный круговорот северной части Тихого океана: 1 - Куросио; 2 - Северо-Тихоокеанское; 3 - Калифорнийское; 4 - Северное Пассатное; центральный круговорот южной части Тихого океана: 5 - Восточно-Австралийское; 6 - Западных Ветров (часть Антарктического циркумполярного течения); 7 - Гумбольдта (Перуанское); 8 - Южное Пассатное; центральный круговорот Северной Атлантики: 9 - Гольфстрим; 10 - Северо-Атлантическое; 11 - Канарское; 12 - Северное Пассатное; центральный круговорот Южной Атлантики: 13 - Бразильское; 14 - Западных Ветров (часть Антарктического циркумполярного течения); 15 - Бенгельское; 16- Южное Пассатное; центральный круговорот Индийского океана: 17 - Мыса Игольного; 18 - Западных Ветров (часть Антарктического циркумполярного течения); 19 - Западно-Австралийское; 20 - Южное Пассатное; субарктический круговорот северной части Тихого океана: 21 - Аляскинское; 22 - Аляскинский поток; 23 - Склоновое течение Берингова моря; 24 - Камчатское; 25 - Ойясио; субтропический круговорот Северной Атлантики: 26 - Ирмингера; 27 - Восточно-Гренландское; 28 - Лабрадорское; другие элементы циркуляции: 29 - Межпассатное противотечение; 30 - Сомалийское течение.

Циркуляция поверхностных вод почти полностью повторяет сложившиеся в том или ином районе Мирового океана главные системы ветров, однако объяснять циркуляцию океана только процессами в атмосфере нельзя, поскольку существуют и другие источники, в том числе внеземного происхождения (Луна, Солнце).

Если рассчитать прибыль и убыль воды, обусловленные поверхностными течениями, то обнаружится дисбаланс: в одних районах воды поступает больше, чем убывает, в других - наоборот. Ответ следует искать в вертикальном обмене, который связывает поверхностные течения с глубинными. На глубине система течений отличается от поверхностной и во многих случаях наблюдаются глубинные противотечения, направленные в сторону, противоположную распространению поверхностных вод. Например, течение Кромвелла в Тихом океане на глубине 100-400 м движется с запада на восток под поверхностным Южным Пассатным течением, течение Ломоносова в Атлантическом океане также проходит под Южным Пассатным течением с запада на восток. Однако и в поверхностных системах формируются поверхностные противотечения, разграничивающие потоки одного направления (например, Межпассатные противотечения Тихого и Атлантического океанов).

В конкретные моменты времени поля течений, составляющие океаническое звено, будут отличаться от средней картины. Подобно рекам, они могут причудливо изменять направления (меандрировать) или образовывать завихрения, подобно воздушным или русловым потокам.

Океан обладает большой тепловой и динамической инерцией и его реакция на воздействие атмосферы запаздывает. Океан является своего рода «запоминающим устройством», хранящим «отпечатки» атмосферы за некоторый предшествующий период.

Атмосферное звено круговорота воды

Влага в атмосферу поступает за счет испарения. Ежегодно с земной поверхности испаряется 577· 10 12 м 3 воды, причем 505· 10 12 м 3 из них - с поверхности океана. На испарение затрачивается 80% радиационного бюджета. Столько же энергии выделяется при конденсации влаги в атмосфере на уровне облаков, причем водяной пар, перемещаясь на сотни и тысячи километров, переносит и большое количество тепла. Выделение в атмосферу скрытого тепла парообразования при конденсации - важнейший энергетический источник атмосферных процессов. Вот почему водяной пар называют «основным топливом атмосферы».

Обмен воздухом, содержащим влагу, между экватором и полюсами достигается в основном за счет горизонтального переноса воздушных масс. Вертикальные движения при этом не исключены, но скорость их намного меньше скорости горизонтальных.

Хозяйственное звено круговорота воды

Мнение о неограниченных запасах пресной воды на Земле основательно пересмотрено. Главными потребителями воды (обычно пресной) являются сельское хозяйство, промышленность и население. В сельском хозяйстве наибольшее (свыше 2· 10 12 м 3) количество воды расходуется на орошение, причем 80% ее безвозвратно покидает речную сеть в составе химических соединений или при испарении. Суммарный водозабор на промышленные нужды составляет 0,7· 10 12 м 3 /год, из них 5-10% изымаются безвозвратно для обеспечения технологических процессов. На нужды населения используется около 0,2· 10 12 м 3 /год, причем шестая часть воды не возвращается в речную сеть - сайт. Следует учитывать, что сточные воды практически для любого обезвреживания необходимо разбавлять чистыми, на что в настоящее время расходуется примерно 40% всех мировых ресурсов качественной воды.

По отношению к речному стоку названные объемы невелики. Однако в наиболее густонаселенных районах Передней и Средней Азии, Африки, в некоторых промышленных регионах России уже существует ощутимый дефицит водных ресурсов, который даже увеличивается. Чтобы его восполнить, прибегают к искусственному территориальному перераспределению стока и мелиорации, что в свою очередь не только создает многочисленные экологические проблемы, но и экономически не всегда оправдано.