Введение в гидрологию материков

ГЛОБАЛЬНЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ЦИКЛ

Определение понятий структурной гидрологии

С позиций структурной гидрологии глобальный гидрологический цикл — это важнейшая составная часть общепланетарного обмена веществ и энергии, представляющая собой перемещение водных масс и их трансформацию в процессе круговорота воды на Земле.

Водные массы в этом определении — генетически и качественно единые объемы воды, образующиеся в определенных районах гидросферы и распространяющиеся из этих очагов своего формирования в процессе круговорота воды как единое целое. Таким образом, это — разнокачественные объемы природной воды из-за различного состава и концентрации в ней растворенных и взвешенных минеральных и органических веществ и водных организмов.

Итак, глобальный гидрологический цикл (ГГЦ), если так понимать термин «водные массы», — это гораздо более общее понятие, чем просто влагооборот или круговорот воды на Земле, поскольку ГГЦ включает и перенос с водой других веществ, организмов с заключенной в них энергией. В отличие от традиционной гидрологии, в которой обычно рассматриваются раздельно круговороты воды, солей, газов и наносов, а поверхностные воды гидросферы подразделяют на морфологически различные водные объекты, образующие гидрографическую сеть [10], в структурной гидрологии поверхностные воды гидросферы — это совокупность взаимодействующих и трансформирующихся водных масс. А воздушные массы, из которых состоит атмосфера, рассматриваются в качестве газообразной модификации океанических и континентальных водных масс, по-разному претерпевших метаморфизм в процессе испарения воды в очагах формирования генетически и качественно различных воздушных масс. Они отличаются от водных масс многократно меньшей плотностью и большей подвижностью, иным соотношением в своем составе N₂, 0₂, С0₂ и других газов, содержанием воды в виде пара, капель и ледяных кристаллов, минеральных и органических микрочастиц аэрозоля. Таким образом, и водные, и воздушные массы имеют генетически обусловленную вещественную структуру, т. е. индивидуальное для каждой массы соотношение составляющих ее веществ.

Закономерное размещение этих масс в гидросфере и атмосфере образует обычно весьма изменчивую пространственную структуру обеих геосфер подобно тому, как разнообразные по происхождению и составу почвы и породы — гораздо более стабильную структуру литосферы Земли. Части пространства, разделяющие в гидросфере водные массы (а в атмосфере воздушные массы), в которых происходит взаимодействие и смешение соседних водных (воздушных) масс, называют фронтальными зонами. Эти зоны характеризуются существенно большими пространственными градиентами физических и химических характеристик воды (воздуха) по сравнению с ядрами водных (воздушных) масс. Находящаяся внутри таких зон граница водных масс называется гидрологическим фронтом, воздушных масс — атмосферным фронтом. Наряду с водными массами фронтальные зоны представляют собой важные пространственные элементы гидрологической структуры разнообразных водных объектов гидросферы.

Термин «глобальный гидрологический цикл» введен в физическую географию основоположником отечественной гидрологии В. Г. Глушковым. В предисловии к книге Я. М. Гельмана «Гидрология», изданной в 1924 г., он так определил это понятие: «Явления гидрологического цикла представляют собой перемещение водных масс из одной комбинации в другую»^[1]. Девятью возможными комбинациями (3×3) им названы три физических состояния, в которых может находиться вода: в виде пара, в виде жидкости и в твердом виде (лед и снег) в трех средах: в атмосфере, на земной поверхности и в литосфере. «Перемещение воды из одной среды в другую, — писал В. Г. Глушков, — происходит преимущественно под влиянием силы тяжести, перемена состояния — под влиянием теплоты. Возможность обращаться в легкий пар сводит на нет результаты работы силы тяжести, и вода снова поднимается на высоту, чтобы оттуда начать новый путь своего снижения. Таким образом, явления гидрологии в некоторой своей части представляют собой вечную борьбу двух сил — силы тяжести и теплоты: вода, являясь могучим конденсатором тепловой энергии, получаемой от солнца, расходует громадные количества ее или в форме отдачи теплоты, или в форме работы против силы тяжести».

Водяной пар очень легкий по сравнению с воздухом. При температуре О °С плотность водяного пара примерно в 300 раз меньше, чем плотность сухого воздуха. При 20 °C это различие меньше, но все равно остается очень большим, порядка 70 раз. Вода — превосходный аккумулятор тепловой энергии. Это еще одно из физических свойств воды связано с ее очень большой теплоемкостью. Теплоемкость воды более чем в 3000 раз превышает теплоемкость воздуха. Чтобы нагреть в Мировом океане на 1 °C слой воды толщиной 1 м, нужно затратить столько же теплоты, сколько ее требуется для нагревания слоя воздуха толщиной 3 км, т. е. практически почти всю массу воздуха в тропосфере. Но свойство поглотителя тепловой энергии у воды резко увеличивается в момент ее фазового превращения из твердого состояния в жидкое и еще больше (примерно в 7 раз) — при ее переходе в пар. Таковы основные тепловые свойства воды в ее трех агрегатных состояниях, имеющие определяющее значение в энергетике ГГЦ.

Используемый в определении ГГЦ термин «водная масса» как объем воды со специфическими физическими и химическими свойствами введен в общую гидрологию в 1929 г. австрийским метеорологом и океанологом А. Дефантом при исследовании смешения двух или трех разнокачественных водных масс. Так назвал он «однородный ограниченный или неограниченный водный объект, характеризующийся вполне определенными физико-химическими свойствами» по аналогии с «воздушными массами» — термином, возникшим несколькими годами ранее в норвежской синоптической метеорологии, ведущим теоретиком которой был в то время В. Бьеркнес. В современной океанологии, по А. Д. Добровольскому, «водной массой следует называть некоторый, сравнительно большой объем воды, формирующийся в определенном районе Мирового океана — очаге, источнике этой водной массы, обладающей в течение длительного времени почти постоянным и непрерывным распределением физических, химических и биологических характеристик, составляющих единый комплекс, и распространяющийся как одно, единое целое» [10].

Именно глобальный обмен водными массами имел в виду С. Д. Муравейский, предложивший в 1934 г. понятие «мировой сток»: «…— это сложный процесс, определяющий взаимоотношения между океаном и водами суши, процесс обмена водных масс океана и суши, процесс исторический, в котором факторы геологические, географические, физические, химические, биологические не только определяют сам обмен и его характер, но и обусловливают круговорот веществ во всем процессе стока и в каждом водоеме (водном объекте) в частности. Следовательно, каждый водоем со своей качественной специфичностью представляет собой одну из фаз (частей) этого процесса стока, следовательно, и круговорот веществ в данном водоеме является в основном функцией круговорота веществ в результате процесса стока в целом». И далее: «Итак, гидрология — это наука о процессах стока (мирового)» [11].

В настоящее время стоком принято называть только континентальный этап глобального круговорота воды и веществ. Поэтому если в приведенном выше определении С. Д. Муравейского заменить «мировой сток» на термин глобальный гидрологический цикл, то получим практически современное понимание этого важнейшего гидроэкологического явления в географической оболочке Земли.

По существу, такой же смысл имеет термин «гидрологический цикл» и в документах ЮНЕСКО (Technical Papers in Hydrology. 7. Paris, UNESCO, 1971), где предлагают обозначать им «распространение и движение всех видов вод вместе с растворенными и переносимыми включениями над поверхностью земли, по ней и под ней» [9, с. 26].

• [1] Глушков В. Г. Вопросы теории и методы гидрологических исследований. —М.: Изд-во АН СССР, 1961.