Содержание
Возникновение науки о воде
Круговорот воды на Земле
Океанический круговорот воды
Континентальный круговорот воды
Потребность человека в воде
Транспирация
Библиографический список
Возникновение науки о воде
Наука о воде — древнейшая из наук. Она возникла вместе с искусственным орошением. Американский гидролог Р. Нейс считает, что гидрология существует 5 тыс. лет.
Первые представления о круговороте воды появились в Китае, затем в Индии, где стали использовать дождемеры — приборы для определения количества осадков, т. е. 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).
Леонардо да Винчи интересовали, скорее, вопросы гидравлики, чем гидрологии, но в некоторых своих сочинениях он высказал мысли, которые созвучны современным научным представлениям о круговороте волы. Он указывал на значение водопроницаемых геологических пород, образующих водоносные слои в Альпах, объяснял, как происходит восполнение подземных вол и как низинные источники питаются водой. Другие ученые значительно расширили его идеи, но это произошло гораздо позже. Более полные представления о круговороте изложил в книге, изданной в 1580 г. во Франции, Б. Палисса (1510 — 1589). 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 Э. Дарвин (1731 — 1802), дед Ч. Дарвина, объяснил механизм круговорота воды и доказал, что атмосферные осадки обеспечивают ток воды в реках и часть влаги поступает на сушу с моря. Английский астроном Э. Галлей (1655 — 1742) первым рассчитал величину испарения с поверхности океана.
Большой вклад в изучение круговорота воды внес российский ученый А. И. Воейков (1842 — 1916), слова которого «реки можно рассматривать как продукт климата» стали признанным положением.
вода циркуляция планета человек
Круговорот воды на Земле.
Круговорот воды на Земле, или глобальный гидрологический цикл, — это непрерывный процесс циркуляции воды на планете, обмен водой между всеми составляющими гидросферы. В нем участвуют поверхность земного шара, недра, толща воды и атмосферы.
Главный энергетический двигатель круговорота воды — Солнце. Солнечные лучи нагревают воду, и она интенсивно испаряется. Молекулы воды оказываются в атмосфере, причем половина их сосредоточена в нижнем полуторакилометровом слое воздуха. С высотой температура воздуха постепенно падает, поэтому пары воды на определенной высоте насыщаются и конденсируются в капельки воды или кристаллы снега, формируя облака. Облака проливаются дождем или выпадают в виде снега. Этот процесс идет непрерывно. Испарившаяся вода находится в атмосфере всего 8 — 9 дней, затем снова возвращается в океан, озеро, болото, реку или недра Земли.
Круговорот воды на Земле возник при образовании гидросферы. Океан стал основным поглотителем солнечного тепла и поставщиком водяного пара. Часть пара воздушными течениями переносится на сушу и после конденсации выпадает в виде дождей и снегопадов. Потоки дождевой и талой воды стекают к руслам рек, а затем по рекам к океану. На этом цикл водообмена между сушей и океаном заканчивается, но сам процесс бесконечен.
Глобальный круговорот воды не замкнут, так как через рифтовые трещины идет дополнительный приток воды из недр планеты, увеличивающей объем гидросферы ежегодно на 0,25 км. А часть паров воды, попадая в верхние слои атмосферы под действием солнечного излучения, разлагается на водород и кислород и уходит в космос. За счет круговорота идет непрерывный водообмен в реках, озерах, морях, т. е. непрерывное обновление воды. Так. в Мировом океане вода полностью сменяется за счет испарения за 2400 лет, а речной сток требует 31 тыс. лет В полярных ледниках, которые питаются атмосферной влагой, а сами, подобно рекам, стекают в океан, выбрасывая в него айсберги, смена льда происходит примерно за 10 тыс. лет. В подземных же водах это происходит в среднем за 5 тыс. лет, а в реках — всего за 12 дней. Таким образом, круговорот обеспечивает доставку воды буквально во все уголки земного шара. В результате вода пронизывает все, поддерживая на Земле жизнь.
Каждый живой организм можно рассматривать как часть гидросферы, участвующей в круговороте воды. Благодаря воде в организмах происходят реакции, необходимые для поддержания жизни, и формируется само тело организма. Поэтому любой организм должен пропускать через себя воду, осуществлять свой собственный круговорот воды. Как писал русский исследователь В. Г. Богоров (1904 — 1971), «никакой воды, которая бы не соприкасалась с живыми существами, в океане нет». Можно добавить — и на суше тоже нет. Практически вся масса воды на суше проходит через растительность и почвенные организмы, а это означает, что биота суши весь объем гидросферы планеты пропускает через себя примерно за 20 тыс. лет. В океане, где вода — это среда обитания, источник пищи и кислорода, морские организмы пропускают через себя весь объем Мирового океана всего за полгода.
Вода — идеальный растворитель, поэтому любая природная вода содержит растворенные газы и вещества, в том числе необходимые для жизни.
Потоки воды в реках, волны и течения в озерах и морях разрушают горные породы и переносят частицы и обломки на большие расстояния. Основная часть их в конце концов оказывается на дне морей и озер. Таким образом, вода формирует круговорот вещества в природе. Растения за счет воды, углекислого газа и солнечной энергии создают органическое вещество для поддержания жизни остальных организмов на планете, которые питаются этим органическим веществом. Для того чтобы создать массу органического вещества, требуется ежегодно около 1 тыс. км3 воды. Следовательно, можно утверждать, что гидросфера — это продукт живых организмов, среда, которую они создали сами для себя.
Вода нужна всем. Животные тоже участвуют в круговороте воды.
Глобальный круговорот воды разделяется на океанический и континентальный.
Океанический круговорот воды
Океанический круговорот воды — это непрерывный процесс испарения, перенос влаги воздушными течениями над океаном и выпадение ее в виде осадков на поверхность океана. За время существования планеты круговорот меняется в зависимости от площади океана и объема гидросферы. Сейчас ежегодно в океаническом круговороте участвует 458 тыс. км3 воды. Это почти шесть таких водоемов, как Каспийское море. Но испаряется с поверхности океана каждый год 505 тыс. км3. Разница в 47 тыс. км3 уходит на континенты, выпадая в виде дождя и снега на суше. Но благодаря этой небольшой части океанического круговорота воды на суше возник континентальный круговорот, положивший начало жизни на Земле, а затем и появлению человека.
Континентальный круговорот воды
Континентальный круговорот воды — это непрерывный процесс испарения с поверхности суши и ее водоемов, образование облаков, выпадение осадков, а также поверхностный и подземный сток воды. Не вся вода, принесенная с океана на сушу, выпадает в виде осадков — от 20 до 75% ее проходит над материками транзитом и снова уносится в океаны. Чем крупнее материк и выше на нем горы, тем больше он перехватывает океанической влаги. Поэтому максимальный перехват наблюдается в Евразии, а минимальный — в Австралии.
В континентальном круговороте ежегодно участвует 119 тыс. км3 воды. Из этой массы 47 тыс. км3 составляет влага, приносимая с океана, которая в процессе многократного выпадения в виде осадков и испарения на суше в сумме образует 119 тыс. км3 осадков. В процессе круговорота на суше ежегодно испаряется 72 тыс. км3 воды.
Осадки на суше выпадают неравномерно. Наибольшее количество осадков в виде дождей отмечается в тропиках, в среднем за год это составляет слой воды толщиной 1 м. На плато Шиллонг в Индии за год выпадает 12 м осадков, а на горе Маези (Гавайские острова) — 14 м. В 1861 г. на Черрапунджи (Индия) — 23 м осадков (семиэтажный дом!). В самом засушливом месте на Земле, в Арике (Чили), в среднем на год приходится всего 0,8 мм осадков.
Континентальный круговорот воды, как и океанический, за время своего существования варьировался в зависимости от изменения площади поверхности океана и объема гидросферы. Но в его геологическом прошлом (не столь отдаленном) произошли перемены, которые резко усилили этот круговорот.
Потребность человека в воде
Вода — ресурс, вода — энергоноситель, вода — транспортная система, вода — основа жизни. Поэтому подсчет запасов воды ведется давно. Разработаны способы определения площади и глубины водных объектов, созданы приборы для измерения скорости течения, других физических и химических характеристик. Все это позволяет оценить запасы воды на нашей планете.
Считается, что 70,8% поверхности земного шара покрыто водой. Поэтому нашу Землю можно назвать Планетой воды, или Планетой Океана. Действительно океан занимает 360 млн. км2 при общем размере поверхности планета 510 млн. км2. Но на самом деле гидросфера значительно больше. Так, ледники покрывают 16,3 млн. км2, или 11% суши. Озера и водотоки на суше занимают значительно меньшую территорию — 2,3 млн. км2, или 1,7% суши, болота и сильно увлажненные земли — 3 млн. км, или 2% суши. Поэтому на Земле постоянно покрыты водой не 360, а 380 млн. км2 поверхности, или 75%. Итак, правильнее считать, что ¾ земного шара постоянно покрыто водой. Однако не надо забывать и про зимний снежный покров. Самую большую площадь на суше занимает зимой снежный покров Северного полушария — 59 млн. км2. В этот период года площадь, занятая гидросферой, составляет 439 млн. км2, или 86% всей поверхности земного шара. Снег засыпает тропинки, дороги, тротуары, и люди вынуждены мириться с капризами и прихотями природы.
Человеку для жизни и производственных потребностей нужна пресная вода, но гидросфера — это в основном соленая вода. В соленой воде в 1 л содержится более I г растворенных веществ. Только ледники всегда содержат пресную воду. Даже реки бывают с соленой водой. Так, на севере России есть река Солянка: она протекает по району с выходами пластов солей на поверхность. А в Центральной Азии в озеро Балхаш впадает речка с солоноватой водой. Сбор данных ведется регулярно по мере накопления сведений о водных объектах. Они показывают, что доля пресной воды в общем объеме воды на Земле незначительна: она составляет всего 2%, или 32,1 млн. км3. Но основную долю в этом объеме — более 80% — составляют пресные воды ледников, которые малодоступны для использования не только потому, что вода в них находится в твердом виде, но и из-за удаленности от населенных территорий. Пресные воды ледников располагаются или в полярных районах, или высоко в горах.
Водопроводы, по археологическим данным, появились очень давно. Хорошо известен водопровод Экбатана в Ассирии VIII — VII вв. до н. э., построенный по приказу легендарной царицы Семирамиды; водопровод в Иерусалиме — VII — VI вв. до н. э. и Карфагене — IV — III вв. до н. э. В древних Афинах во времена Перикла (около 490 — 429 гг. до н. э.), когда население достигало 200 тыс. человек, существовало 18 водопроводов.
Первый водопровод в Риме был построен в 312 г. до н. э. В период правления императора Траяна (98 — 117 гг.), когда Римская империя достигла максимальных границ, а в Риме жило около 1 млн. человек, там работала сложная система водопроводов, подававшая на каждого жителя до 1000 л воды в сутки. (Сегодня же на одного жителя Рима приходится всего около 500 л.)
Большие достижения римлян в строительстве, в том числе водопроводов, стали возможны благодаря изобретению (или получению с Ближнего Востока) рецепта приготовления цемента, а также свинцовых и керамических труб. Вода в город подавалась из источников в горах по облицованным акведукам (в пер. с лат. «аква» — «вода» и «дуко» — «веду») — длинным каменным мостам-каналам.
Транспирация
Из 4 млрд. лет геологической истории Земли суша была безжизненной 3,4 млрд. лет, так как жизнь существовала только в океане. На сушу жизнь вышла около 600 млн. лет назад. Суша того далекого времени — это оголенное пространство с чередованием непроницаемых для воды поверхностей, скорее похожих на асфальтированные площади городов или высохшие глинистые участки, и территорий, проницаемых для влаги, типа песчаных пляжей, каменных осыпей или растрескавшихся твердых пород. После дождя или таяния снега вода по водонепроницаемым поверхностям быстро стекала в реки или уходила в поры и трещины. Испарение на безжизненной суше было невелико.
Живые существа, вышедшие из океана, не могли существовать в таких условиях, поэтому природа «океанизировала» сушу. Микроорганизмы создали на суше почву, которая обладает способностью задерживать воду. В этом «почвенном океане» на суше содержится 11,5 тыс. км3 воды, что соответствует очень мелкому океану, покрывающему сушу слоем воды в 10 см. Чтобы почва все время пополнялась влагой, необходимо большое испарение воды на суше. А для этого требуется увеличение площади испаряющей поверхности. Такую работу выполняют растения, листья которых через устьица интенсивно испаряют влагу, поступающую по корням из почвы. Этот вид испарения называется транспирацией. Листовая поверхность растений огромна. Площадь всех листьев в 3 — 4 раза больше площади всей суши, т. е. по величине она не меньше площади Мирового океана. Таким путем биота (совокупность всех организмов) на суше обеспечила более интенсивный круговорот воды. Контролирует континентальный круговорот растительность на суше.
Библиографический список
1.Карташов А. Г. Введение в экологию / А. Г. Карташов. – Томск : Водолей, 2005. – 391 с.
2.Экология : учебное пособие для вузов / под ред. Денисова В. В. – изд. 3 –е, испр. и доп. – М. : МАРТ, 2006. – 768 с.
3.Шилов И. А. Экология : учебник для вузов / И. А. Шилов. – 4 изд. стер. – М. : Высшая школа, 2005. – 512 с.
4.Данилов – Данильян В.И., Лосев К.С. Потребление воды: экологический, экономический, социальный и политический аспекты. – М.: Наука, 2006.
5.Фащук Д. Я. Мировой океан. История. География. Природа. – М.: Академ книга, 2005.
6.Лукьянова Т. С. Донная жизнь на картах Мирового океана. Природа. 2006 № 12.
7.Выживет ли человечество? // Вестник РАН. – 2007. – Т: 71. - № 11.
|