Гидросфера, ее воды и Резервуарная модель

ЛЕКЦИЯ 2
ГИДРОСФЕРА, ЕЕ ВОДЫ И РЕЗЕРВУАРНАЯ МОДЕЛЬ
Часть А Понятие о гидросфере и ее резервуарной модели
Часть Б Общие сведения о водах гидросферы (воды Мирового океана,
криосферы, влага атмосферы)
Часть А Понятие о гидросфере и ее резервуарной модели
Понятие о гидросфере
Гидросфера – с латинского – водная оболочка. Впервые понятие
гидросферы было введено в научную литературу Э. Зюссом в 1875 году,
который понимал под ней единую водную оболочку планеты, в основном
состоящую из вод Мирового океана. В 1910 г более широкая трактовка
представлена Дж. Мерреем, он включил в гидросферу воды рек и озер,
атмосферы, криосферы и биосферы. Столь широкое толкование гидросферы
не
было
безусловно
принято
исследователями.
Различия
между
последующими определениями гидросферы касались, в основном, ее
непрерывности, нижней и верхней границ ее распространения, возможности
отнесения к ней химически и биологически связанных вод.
Наиболее
физически
обоснованным
является
определение
И.А. Федосеева: в широком смысле гидросфера – сплошная оболочка
земного шара, простирающаяся вниз до верхней мантии, где в условиях
высоких температур и давления наряду с разложением молекул воды
непрерывно проходит их синтез, а вверх – примерно до высоты тропопаузы,
выше которой молекулы воды подвергаются фотодиссипации (разложению).
Можно привести более узкое определение: гидросфера – сплошная оболочка
Земли, содержащая воду во всех трех агрегатных состояниях в пределах
Мирового океана, криосферы, литосферы и атмосферы, принимающую
непосредственное
участие
в
планетарном
(гидрологическом цикле (ГЦ)).
1
круговороте
влаги
В общем смысле ГЦ представляет собой непрерывный процесс
циркуляции и перераспределения всех видов природных вод между
отдельными
частями
гидросферы,
устанавливающий
определенные
соотношения между ними при различных масштабах осреднения. ГЦ
обеспечивает взаимосвязь и единство гидросферы.
Гидросфера и ГЦ – единая саморегулирующаяся система, состоящая из
четырех резервуаров: океан, криосфера (оболочка Земли, содержащая воду в
твердой фазе), литосфера (поверхностные и подземные воды суши) и
атмосфера.
Резервуарная модель гидросферы Земли
Все четыре резервуара гидросферы (океан, материки, криосфера и
атмосфера) взаимосвязаны посредством непрерывного процесса циркуляции
и перераспределения природных вод (Рисунок 1).
VA
13 км3
0.001%
PAC (2,5)
PAL (113,5)
ELA (69,0)
EOA (509)
PAO (462)
VC
VL
24,4*106 км3
1,76 %
31,14*106 км3
2,475 %
VO
1386*106 км3
96,5 %
I (2,5)
R (44,5)
Рисунок 1 - Резервуарная модель гидросферы Земли
Стрелками
показаны
потоки
влаги
между
резервуарами.
Р
(precipitation) – осадки, E (evaporation) – испарение, R (run off) – материковый
сток, I (ice) – айсберговый сток, а цифры - их объем в 103 км3/год и доля от
общих запасов вод на Земле в %. Самый большой резервуар – Мировой
2
океан, самый малый – атмосфера, но атмосферная влага, как будет показано,
чрезвычайно важна для ГЦ.
Общие запасы воды на Земле (ОЗВ) составляют 1386*10
6
км 3. ОЗВ
(суммарный объем всех четырех резервуаров) в течение периода времени,
измеряемого геологическими эпохами, практически не изменяются, так как
поступление воды из земных недр и космического пространства на
поверхность Земли очень мало и практически компенсируется безвозвратной
потерей воды вследствие фотодиссипации водяного пара в верхних слоях
атмосферы. Следовательно, гидросфера – квазизамкнутая система, для
которой:
Vo + Vc + Vl + Va = const
Здесь Vo, Vc, Vl , Va – суммарные запасы воды в Мировом океане, криосфере,
материках и атмосфере соответственно.
Не смотря на замкнутость системы, в ней постоянно происходит
перераспределение вод между резервуарами, приводящее
к изменению
запасов вод в каждом отдельном резервуаре во времени.
Часть Б Общие сведения о водах гидросферы
Воды Мирового океана
Площадь поверхности Земли составляет 510 млн км2. Мировой
океан (МО) занимает 71% поверхности Земли, суша – 29%. Еще в 1914 г.
Дж.
Грегори
в
своей
работе
«Образование
Земли»
писал,
что
фундаментальная разница между Северным и Южным полушариями есть
наиболее бросающаяся в глаза «черта в плане Земли». И действительно,
прежде всего сама фигура Земли асимметрична, причем северная полуось на
70-100 м длиннее южной, поэтому полярное сжатие Северного полушария
меньше, чем Южного. Асимметричность Северного и Южного полушарий
заключается в том, что суша в Северном полушарии составляет 39 % , а в
Южном - 19 %. Неравномерность распределения воды и суши влияет на
многие планетарные процессы, влечет за собой асимметричность в
3
распределении компонентов географической оболочки и, следовательно, и
биосферы.
Дж. Грегори заметил, что в 19 из 20 случаев напротив суши на
противоположной стороне Земли – вода. Воды много! Наша планета, голубая
из космоса (из-за воды), должна было бы быть названа планета Вода. Однако,
при средней глубине МО 3704 м и диаметре Земли 12 756 км ее слой
составляет всего 0,03 % от диаметра Земли. (Наглядный пример: диаметр
футбольного мяча 222 мм, а 0,03 % от него составляет всего 0,07 мм –
пленка!)
Воды Мирового океана образуют непрерывное водное пространство, со
всех сторон окружающее разобщенные им материки. Понятие Мировой
океан ввел Ю.М. Шокальский. В 1928 г Международное гидрографическое
бюро приняло деление МО по ряду признаков на четыре океана:
Атлантический, Индийский, Тихий и Северный
Международный океанографический
Ледовитый. Второй
конгресс счел возможным выделить
пятый океан – Южный.
Самую значительную площадь, составляющую почти половину всей
площади МО и превышающую площадь всех материков и островов, имеет
Тихий океан. Он же является и самым глубоким океаном. В 1957 г участники
советской
экспедиции
на
научно-исследовательском
судне
“Витязь”
измерили наибольшую глубину ТО в Марианском желобе – 11 022 м.
Самым малым является Северный Ледовитый океан, площадь которого
в 12 раз меньше площади ТО. СЛО – единственный океан, находящийся
полностью в полярной области, и имеющий в связи с этим специфический
гидрологический режим.
Доля небольших глубин (до 500 м) составляет только 9,6% всей
акватории МО, причем на долю шельфа (глубины до 150 – 200 м) приходится
менее 7 % . На 73,8 % площади МО преобладают глубины 3000 – 6000 м.
В каждом океане можно выделить моря – достаточно большие районы
океана, ограниченные берегами материков, островами, повышениями дна и
4
обладающие собственным гидрологическим режимом. Площадь морей
составляет 10 % площади МО, а объем воды в них – около 3 % объема МО.
Самое большое
– Коралловое море, самое малое – Мраморное. Самое
глубокое (по средней глубине) - море Сулавеси, а абсолютно наибольшую
глубину имеет Коралловое море (10 038 м). Самое мелкое море – Азовское
(средняя глубина 7 м, а максимальная – 13 м.
По своему расположению и физико-географическим условиям моря
делятся на три основные группы: внутренние, окраинные и межоcтровные.
Воды криосферы
Ледниковые покровы
Самые большие запасы воды в твердой фазе на Земле содержатся в
ледниках Антарктиды и Гренландии, называемых ледниковыми покровами.
Это огромные сплошные массы материкового льда, нависающие над
океаном. Средняя толщина ледяных щитов около 2 000 метров, в Гренландии
она достигает 3000 м, а в Восточной Антарктиде – 4000 м.
Ледниковый покров Антарктиды (28 млн км3) делится на 2 части:
Восточно-Антарктический (единый ледяной купол, 24,7 млн км3) и ЗападноАнтарктический (несколько куполов) ледяные щиты. Потоки льда от
ледоразделов движутся к краю щита и образуют шельфовые ледники и
айсберги. Средняя скорость движения льда у края составляет 100-400 м/год.
Гренландский ледяной щит содержит 2,7 млн км3 льда. Средняя
скорость движения льда составляет около 20 м/год. Гренландский ледяной
щит сформировал характерный рельеф ложа. Центральная часть острова под
тяжестью льда опустилась ниже уровня моря (до -40 м). На юге ложе имеет
абсолютные отметки до 1000 м.
Главное различие между двумя современными ледяными щитами
состоит в том, что в Антарктиде поверхностная аккумуляция почти
полностью компенсируется айсберговым стоком, в то время как на
поверхности Гренландского щита существует область интенсивного таяния.
5
Крупных шельфовых ледников в Гренландии нет, поэтому лед, подошедший
к берегу, обрушивается в выводные ледники в виде айсбергов.
Горные ледники
Горные ледники
по
своему
объему
и
площади
составляют
сравнительно небольшую часть криосферы. Часть ледников расположена на
островах Арктики (запас воды 83 500 км3), а остальные представляют собой
непосредственно горное обледенение (40 000 км3). Ледники встречаются на
всех континентах, и высота их расположения зависит от широты местности.
Наиболее распространены горные ледники в Азии: Гималаи, Тибет,
Каракорум. В Северной Америке ледники есть на Аляске, в Южной Америке
– на огненной Земле, в Европе
- на Кавказе, в Альпах, в Африке – на
Калиманджаро. На ледниках берут начало горные реки, имеющие
своеобразный водный режим. Горные ледники чутко реагируют на
изменение климата.
Морской лед
Морской лед – это лед, непосредственно образовавшийся при
замерзании морской воды. В основном он распространен в Северном
Ледовитом океане, в морях, относящихся к северным частям Атлантического
и Тихого океанов и омывающих Антарктиду. Морские течения переносят лед
на сотни и тысячи километров от места образования. Лед является продуктом
взаимодействия океана и атмосферы и влияет на многие процессы в океане, а
через альбедо – на тепловой баланс атмосферы.
Зона многолетнемерзлых пород (вечная мерзлота) –
зона, в поверхностных горных породах которой находится замерзшая
вода. Вечная мерзлота, по разным оценкам, покрывает от 14 до 20 %
поверхности
суши
и
представляет
собой
рудименты
(остатки)
послеледниковых эпох. Основная часть вечной мерзлоты сосредоточена в
Северном полушарии, и лишь 1 млн км2 – в южном. Толщина мерзлых пород
изменяется от нескольких метров до 1 500 м. Максимальная мощность
многолетнемерзлых пород зафиксирована в Сибири – до 1 500 м и в
6
Северной Америке – до 600 м. Верхний слой, сезонно оттаивающий,
называется деятельным. Вечная мерзлота сформировалась в течение
последних тысячелетий и, одновременно, существенно зависит от изменений
климата и влияет на них. Однако ее реакция столь неоднозначна, что с
трудом поддается прогнозированию.
Сезонный снежный покров
Может, за редким исключением, наблюдаться почти повсеместно, но
продолжительность
его
залегания
различна.
Максимальная
площадь
сезонного снежного покрова 100 млн км2, в том числе примерно 64 млн км 2 в
Северном
млн км
2
полушарии
(
примерно
25%
его
площади)
и
36
в Южном (14,5%). Согласно спутниковым данным средняя
продолжительность залегания в Северном полушарии около 6, а в Южном –
около 8 месяцев. Снежный покров на только служит индикатором климата,
но и сам может существенно влиять на его колебания (в следствие изменения
альбедо суши).
Влага атмосферы
Атмосфера – единственная оболочка Земли, содержащая воду во всех
трех агрегатных состояниях. Наиболее важен водяной пар, которого нет ни в
одной другой оболочке. В атмосфере постоянно происходят фазовые
переходы воды (под действием солнечной энергии), из которых самый
важный – процесс конденсации, сопровождающийся выделением огромного
количества тепла, которое обеспечивает поддержание общей циркуляции
атмосферы. Образовавшаяся из водяного пара в процессе конденсации
жидкая вода выпадает на поверхность Земли в виде осадков. Следовательно,
основными движущими силами круговорота воды является солнечная
энергия и сила тяжести. Атмосфера играет центральную роль в ГЦ, это
самый подвижный его компонент: скорость переноса водяного пара на
порядок больше скорости движения речных вод и на два порядка выше
типичной скорости океанских течений. Самыми важными характеристиками
атмосферной влаги являются: влажность вблизи подстилающей поверхности
7
(приземная или приводная), интегральное влагосодержание столба воздуха
(осажденная вода) и облачность.
Вопросы на зачет
1 Понятие гидросфера, резервуарная модель гидросферы
2 Гидрологический цикл, его движущие силы
3 Общие сведения о водах Мирового океана
4 Общие сведения о водах криосферы
5 Общие сведения о влаге атмосферы
Использованные источники
1
Догановский
А.М.,
Малинин
В.Н.
Гидросфера
Земли.
–
СПб.,
Гидрометеоиздат, 2004.
2 Дж. Грегори. Образование Земли; пер. с англ. М.А. Энгельгардта. - СПб.:
Издание П.П. Сойкина, 1914.
8