Круговорот воды. Глобальный круговорот воды

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. И. 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 СОг, ШО 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.)

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

* – 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).

В глобальном масштабе биохимические круговороты воды и углекислого газа имеют, на наш взгляд, самое важное значение для человечества. Для биохимических круговоротов характерно наличие в атмосфере небольших, но подвижных фондов.

Атмосферный фонд СО 2 в круговороте, по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры, относительно невелик.

С наступлением научно-технического прогресса сбалансированные прежде потоки углерода между атмосферой, материками и океанами начинают поступать в атмосферу в количестве, которое не полностью может связаться растениями.

Существуют разные оценки влияния деятельности человечка на обогащение атмосферы CO 2 однако все авторы сходятся во мнении, что основными накопителями углерода являются леса, так как в биомассе лесов содержится в 1,5 раза, а в гумусе, содержащемся в почве, - в 4 раза больше СО 2 , чем в атмосфере.

Растения - хороший регулятор содержания CO 2 в атмосфере Для большинства растений характерно увеличение интенсивности фотосинтеза при повышенном содержании диоксида углерода в воздухе

Фотосинтезирующий "зеленый пояс" Земли и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень СО 2 в атмосфере. Однако стремительное увеличение потребления горючих ископаемых, а также уменьшение поглотительной способности "зеленого пояса" приводят к тому, что содержание CO 2 в атмосфере постепенно растет. Предполагают, что если уровень СО 2 в атмосфере будет превышен вдвое (до начала активного влияния человека на окружающую среду он составлял 0,29 %), то не исключено повышение глобальной температуры на 1,5 - 4,5 °С. Это может привести к таянию ледников и как следствие - к повышению уровня Мирового океана, а также к неблагоприятным последствиям в сельском хозяйстве. В настоящее время в США существует национальная научно-исследовательская программа по ведению сельского хозяйства на случай потепления или похолодания климата.

Помимо СО 2 в атмосфере в небольших количествах присутствуют оксид углерода СО - 0,1 части на миллион и метан СН 4 - 1,6 части на миллион. Эти углеродные соединения активно включены в круговорот и поэтому имеют небольшое время пребывания в атмосфере: СО - около 0,1 года, СН 4 - 3,6 года, а СО 2 - 4 года. Оксид углерода и метан образуются при неполном или аэробном разложении органического вещества и в атмосфере окисляются до СО 2 .

Накопление СО в глобальном масштабе не представляется реальным, но в городах, где воздух застаивается, имеет место повышение концентрации этого соединения, что негативно влияет на здоровье людей.

Метан образуется при разложении органического вещества в болотистых местностях и мелководных морях. По мнению некоторых ученых, метан выполняет полезную функцию - он поддерживает стабильность озонового слоя, который предохраняет все живое на Земле от гибельного воздействия ультрафиолетового излучения.

Фонд воды в атмосфере, как показано на рисунке 11, невелик, и скорость ее оборота выше, а время пребывания меньше, чем CO 2 . Как и на круговорот CO 2 , деятельность человека оказывает влияние на круговорот воды.

С энергетической точки зрения можно выделить две части круговорота СО 2: "верхнюю", которая приводится в движение Солнцем, и "нижнюю", в которой выделяется энергия. Как уже отмечалось, около 30 % всей энергии Солнца, поступающей на поверхность Земли, затрачивается на приведение в движение круговорота воды.

В экологическом плане особое внимание следует обратить на два аспекта круговорота воды. Во-первых, море за счет испарения теряет больше воды, чем получает с осадками, то есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, в том числе и агроэкосистемы, состоит из воды, которая испарилась с поверхности моря. Во-вторых, в результате деятельности человека возрастает по верхностный сток и сокращается пополнение фонда грунтовых вод. Уже сейчас имеются территории, на которых используются грунтовы воды, накопившиеся в предыдущем столетии. Следовательно, в этом случае вода - невозобновимый ресурс. После истощения грунтовых вод ее будут доставлять с других территорий, что потребует вложения дополнительного количества энергии.

• Абиотические факторы воздушно-наземной среды .
• Абиотические факторы почвенного покрова .
• Абиотические факторы водной среды .
• Биотические факторы .
• Некоторые законы и понятия экологии .
• Закон ограниченности природных ресурсов . (правило одного процента)
• Понятие об экологической нише .
• Правило обязательного заполнения экологических ниш .
• Адаптация живых организмов к экологическим факторам .
• Популяция, ее структура и динамика .

• Структура водной и наземной экосистем .
• Гомеостаз и сукцессия экологической системы .
• Законы термодинамики .
• Антропогенные воздействия на экосистемы .

• Круговорот воды.
• Эвтрофикация и меры борьбы с нею .
• Атмосферные процессы.
• Кислотные осадки.
• Круговорот углерода. «Парниковый» эффект
• Круговорот азота.
• Круговорот серы.
• Круговорот фосфора.
• Круговорот радионуклидов.
• Круговорот токсичных элементов.

• Глобальные экологические проблемы.
• Загрязнения окружающей среды.
• Загрязнение гидросферы.
• Экологическая надежность и безопасность.

Круговорот воды.

• 458 тыс. км ³ попадает в океан в виде осадков;
• 47 тыс. км ³ переносится ветром и выпадает на поверхность континентов.

Рис. 12 Схема круговорота воды.

• инфильтрация (впитывание в почву)
• поверхностный сток (стекание по земле).

1. часть воды удерживается в почве (капиллярная вода) и возвращается в атмосферу путем эвапотранспирации;
2. гравитационная вода, увлекаемая силой тяжести, стекает или просачивается по порам и трещинам в земле.

1. поверхностный сток (вода становится частью поверхностных вод);
2. испарение-транспирация (вода впитывается почвой, удерживается в качестве капиллярной, а затем возвращается в атмосферу при испарении, или поглощается растениями и выделяется в виде паров при транспирации);
3. инфильтрация до уровня грунтовых вод (вода попадает под землю, движется сквозь нее, питая колодцы и родники, и таким образом вновь попадает в систему поверхностных вод).

Рис. 13 Круговорот поверхностных вод.

Схема 1. Движение загрязнителей в круговороте воды.

• атмосферными осадками - в виде вымываемых из воздуха загрязнителей (поллютантов) и особенно после смыва их при стекании по городским улицам и промышленным площадкам;
• городскими сточными водами - фекалиями, бытовыми стоками - моющими средствами (детергентами), микроорганизмами;
• промышленными сточными водами - различными компонентами жидких отходов: реакционные воды (исходными веществами и продуктами реакции), свободные и связанные воды, содержащиеся в сырье, промывные воды (после промывки сырья, оборудования), водные экстрагенты и абсорбенты, охлаждающие воды, бытовые воды (из прачечных, столовых и др.), атмосферные стоки с промышленных предприятий;
• сельскохозяйственными стоками - ядохимикатами, удобрениями, органическими веществами, мочевиной, азотом, фосфором и др.