Структура и взаимосвязь различных звеньев гидрологического цикла

Гидрологический цикл удобно представить в виде системы из четырех взаимосвязанных резервуаров (океан, материки, криосфера, атмосфера), между которыми происходит непрерывный процесс циркуляции и перераспределения природных вод.

Рис 1.

Самым большим водным резервуаром является Мировой океан (МО), содержащий 96,5% общих запасов воды на Земле. Самым малым резервуаром, содержащим влагу, является атмосфера, где находится всего лишь 0,001% общих запасов природных вод. Несмотря на это, значение атмосферной влаги для гидрологического цикла, чрезвычайно велико.

В отличие от МО и атмосферы, на материках и в криосфере наблюдается большое многообразие видов природных вод. Так, материковые воды можно разделить на речные, озерные, болотные, почвенные, подземные (включая гравитационные и. капиллярные) и биологические. Суммарное. их количество оценивается в 2,475% общих запасов вод на Земле.

К криосфере Земли относятся материковые ледяные щиты, горные ледники, льды вечнои? мерзлоты, сезонныи? снежныи? покров и морские льды. Приближенно суммарныи? объем воды в криосфере можно оценить в 1,76% общего запаса природных вод.

По современным представлениям общие запасы природных вод в течение длительного периода, измеряемого геологическими эпохами, практически остаются неизменными, т. е. поступление воды из земных недр и космического пространства на поверхность Земли очень мало и почти компенсируется потереи? воды в космос вследствие рассеивания водяного пара в верхних слоях атмосферы.

Хотя ГГЦ является замкнутои? системои?, внутри нее между от дельными резервуарами постоянно происходит перераспределение вод, в результате которого запасы вод в каждом резервуаре меняются во времени. Эти колебания могут быть разного масштаба: короткопериодными, сезонными, многолетними, вековыми и много вековыми. Наиболее мощными являются сезонные и многовековые колебания.

Многовековые колебания в истории Земли связаны с эпохами оледенения, которые кардинально изменяли климатическии? и гидрологическии? режимы планеты. При этом происходило перераспределение природных вод. В ледниковые эпохи, когда океан от ступал, площадь криосферы значительно увеличивалась, и наобо рот, при потеплении происходила перекачка вод криосферы в МО.

Очевидно, все оценки межвековых колебании? в значительнои? степени гипотетичны. По-видимому, лучшим их индикатором является среднии? уровень МО. Естественно, что наиболее достоверными являются сведения от изменениях уровня в настоящую эпоху. Так, можно полагать, что за последние 20 тыс. лет уровень МО повысился по чти на 100 м, а в текущем столетии, за 1900— 1960 гг., он повысился на 12,5 см, что изменило его объем всего на 0,002%.

Каждыи? резервуар вместе со всеми видами вод, заключенными р нем, а также с потоками вод внутри него и на границах можно рассматривать в качестве самостоятельного звена ГЦ, т. е. процессы влагообмена для каждого звена ГЦ можно считать относительно независимыми друг от друга. Таким образом, имеем четыре звена ГЦ: океаническое, материковое (наземное), криосферное и атмосферное, которые будем считать основными структурными единицами ГЦ.

Учитывая, что все звенья ГЦ связаны между собои?, имеет смысл взаимодеи? ствующие звенья рассматривать как единые гидрологические системы (ГС). В результате имеем шесть таких ГС, из которых наиболее важными следует, очевидно, признать системы океан—-атмосфера и литосфера— атмосфера.

Одновременно с этим каждое из звеньев ГЦ можно разделить на более мелкие сравнительно однородные части (например, океаническое звено ГЦ разделяется на ГЦ отдельных океанов, мореи?, заливов, проливов и т. п.), которые назовем гидрологическими подсистемами (ГП). Самои? малои? частью ГП является единичная масса воды, льда, воздуха или почвы. Математическои? моделью ГЦ является уравнение водного баланса, которое отражает универсальныи? закон сохранения вещества и в самом общем виде в алгебраическои? записи может быть представлено следующим образом:

лед вода пар атмосфера Гдесумма аккумуляционных составляющих водного баланса, характеризующих изменение запасов вод во времени;

— сумма приходных компонентов водного баланса, означающих увеличение объема вод; -сумма расходных компонентов, характеризующих уменьшение объема вод. Для закрытой системы, какой является ГГЦ,, а правая часть обращается в очевидное тождество.

Из которого следует равенство глобальных оценок осадков (Pgl)и испарения (Egl). Все остальные гидрологические системы являются уже открытыми, а для них аккумуляционные составляющие могут обращаться в нуль лишь для средних многолетних условии? и то не во всех случаях.

С уменьшением пространственных масштабов уравнение водного баланса обычно усложняется, причем иногда члены уравнения (1.2) не могут быть количественно оценены.

Приведенная. схема ГЦ может быть представлена в более детальном виде, причем степень детальности будет зависеть прежде всего от целеи? исследования. Теоретически можно даже учесть все виды вод и их потоки для каждого резервуара, какими бы малыми они не были. Однако практически осуществить это в компактнои? форме вряд ли возможно.

Поэтому рассмотрим такую схему ГЦ, в которои?, по мнению автора, учтены лишь наиболее важные виды природ ных вод и наиболее важные процессы влагообмена. Первые из них помещены в прямоугольники, а вторыев овалы. Из даннои? схемы отчетливо видна центральная роль атмосферного звена ГЦ в системе глобального водного баланса. И это не случаи? но, так как атмосфера является единственным источником возобновления в природе пресных вод (испарение) и главным источником пополнения и перераспределения запасов вод (осадки) как между от дельными резервуарами, так и между различными частями одногои того же резервуара.

Атмосфера представляет собои? единственную оболочку планеты, содержащую воду во всех трех агрегатных состояниях (газообразном, твердом, жидком), из которых газообразное (водянои? пар) является важнеи? шим и не содержится более ни в однои? другои? оболочке. В атмосфере постоянно происходят фазовые пере ходы воды, из которых важнеи? шим является процесс конденсации, сопровождающии? ся выделением огромного количества тепла, 'которое в свою очередь играет весьма значительную роль для под держания общеи? циркуляции атмосферы (ОЦА).

Атмосфера является наиболее подвижным компонентом ГЦ. Так, характерная скорость переноса атмосфернои? влаги на поря док больше скорости движения речных вод и на два порядка— типичнои? скорости океанских течении?. В соответствии с этим период полного возобновления атмосфернои? влаги составляет 7—9 сут, что значительно меньше, чем в других резервуарах.

Разумеется, здесь перечислены далеко не все специфические особенности атмосферы, но даже они наглядно свидетельствуют о большом значении атмосферных процессов для познания внутренних закономерностей? движения воды в крупномасштабных гидрологических системах. Поэтому, рассматривая относительную значимость отдельных резервуаров, можно вполне определенно утверждать, что атмосферное звено играет центральную роль в ГЦ, а следовательно, проблема изучения атмосферного водного баланса является центральной? в крупномасштабных исследованиях ГЦ.

С другой? стороны, нельзя не отметить огромной? роли океана в поддержании ГГЦ. Он является самым большим резервуаром природных вод, главной? причиной? существования круговорота влаги на земном шаре и основным поставщиком энергии для атмосферы (через испарение). Кроме того, океан вследствие превышения испарения над осадками предопределяет существование водных ресурсов (речного стока) на континентах и ледникового стока с Антарктиды и Гренландии. Поэтому изучение водного баланса системы океан— атмосфера также следует отнести к числу главнеи? ших приоритетов в исследованиях ГГЦ.