8.4: Гідрологічний цикл

Основними водоймами на Землі є океани, льодовики, грунтові води, річки та озера. Вода проводить різну кількість часу в різних водоймах. Основними факторами, які контролюють кількість часу перебування води у водоймі, є кількість води у резервуарі та те, наскільки швидко вода рухається всередину та назовні. Гідрологічний цикл (кругообіг води) являє собою безперервну глобальну циклічність води з одного водойми в інший (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Цикл води в глобальному масштабі показує, що вода рухається через всі основні водосховища, включаючи океанічне водосховище (джерело https://science.nasa.gov/earth-scien...an-water-cycle).

Щоб глибше оцінити кругообіг води, давайте простежимо за молекулою води через кругообіг води. Починаючи в океані (довільна відправна точка) молекула води може стати частиною води, яка перетворюється в пару і потрапляє в атмосферу. Теплова енергія від сонця, яка рухає кругообіг води, нагріває воду в океанах і викликає випаровування. Випаровування - це процес, за допомогою якого вода змінюється з рідини на газ або пар. Випаровування - це основний шлях, який вода бере з рідкого стану назад у водний цикл як атмосферна водяна пара. Майже 90% вологи в атмосфері надходить від випаровування, а решта 10% надходить від транспірації. Транспірація - це процес, за допомогою якого волога переноситься через рослини від коренів до дрібних пір (стоми) на нижній стороні листя, де вона змінюється на пар і виділяється в атмосферу. Транспірація - це, по суті, випаровування води з листя рослин. Піднімаються повітряні потоки забирають пари вгору в атмосферу разом з водою від випаровування, що представляє собою комбінацію води, отриманої з рослин і випаровуваної з грунту. Пара піднімається в повітря, де більш прохолодні температури змушують його конденсуватися в хмари. Конденсація - це процес, за допомогою якого водяна пара перетворюється з газоподібного стану назад в рідкий стан. Хмари можуть в кінцевому підсумку вирости більшими і досить вологими, щоб випустити молекулу води у вигляді опадів. Опади - це вода, що падає з хмар в атмосфері у вигляді льоду (сніг, мокрий сніг, град) або рідини (наприклад, дощ, мряка). Опади, що випадають як сніг, можуть накопичуватися як крижані шапки та льодовики.

Чи знаєте ви, що найбільшим льодовиком на Землі є крижана шапка острова Північний в Російській Арктиці?

Опади, які випадають як рідина, зазвичай закінчуються поверхневим потоком та потоком потоку. Поверхневий стік - це опади, які рухаються по поверхні ґрунту до найближчого каналу потоку. Потік потоку - це рух води в природному руслі, наприклад, в річці. Більшість опадів випадає безпосередньо на океан і повертає молекулу води назад, щоб перезапустити подорож. Це справедливо і для поверхневого стоку, більша частина води в кінцевому підсумку повертається в океан через потік потоку. Це також повертає молекулу води назад в океан, щоб почати подорож знову.

Частина води, яка випадає як опади, може потрапити в озера, де вона може випаровуватися назад в атмосферу, конденсуватися і знову впасти як опади. Вода в озері також може бути захоплена рослинами і потрапляє назад в атмосферу. Частина води, яка випадає як опади, може проникнути в грунт і стати частиною грунтових вод. Інфільтрація - це процес, за допомогою якого вода потрапляє в надра гравітаційним тягою. Частина води проникає в грунт і заповнює водоносні горизонти (насичені підземні породи), які зберігають величезну кількість прісної води протягом тривалого періоду часу. Деяка інфільтрація залишається близько до поверхні суші і може просочуватися назад у поверхневі водойми (і океан) як скидання підземних вод, а деякі підземні води знаходять отвори на поверхні землі і з'являються як прісноводні джерела. Коріння рослин поглинають ще більше грунтових вод, щоб закінчитися випаровуванням з листя. Однак з часом вся ця вода продовжує рухатися, і більша частина її потрапляє в океан.

Складові гідрологічного циклу

Більшість опадів випадає у вигляді дощу, але є й інші форми, такі як сніг, град та мокрий сніг. Після того, як він працює достатньо, поверхневий стік води утворюється, коли грунт насичений або непроникний. Поверхневі води є основним компонентом гідрологічного циклу, з яким ми взаємодіємо дуже регулярно. У неї входять озера, заболочені угіддя, зливовий стік (сухопутний стік), ставки, вибоїни, річки і струмки.

Струмки та річки

Річка утворюється з води, що рухається з більшої висоти на меншу висоту, під дією сили тяжіння. Коли на землю випадає дощ, він або випаровується, просочується в землю або стає стоком (вода стікає по поверхні). Коли вода протікає по поверхні землі, вона зазвичай сходиться, коли рухається до нижньої висоти. Сходяться стік може концентруватися в окремих каналах транспортування, які називаються струмками, струмками або річками. Зазвичай вони починаються як невеликі рибки та річечки, які б приєдналися вниз до більших потоків і струмків, які також можуть приєднатися вниз за течією, щоб сформувати ще більші річки. Струмки і річки, які з'єднуються, утворюючи більшу річку, називаються притоками, рис\(\PageIndex{2}\). Площа суші, осушена річкою і всіма її притоками, називається вододілом або водозбірним або річковим басейном.

Територія, прилегла до річки, яка часто заплавається, називається заплавою. Заплави - це райони, які річки використовують для тимчасового зберігання надлишку води під час штормових подій і часто містять дуже родючі ґрунти. Це історично спонукало людей переїжджати в заплави та використовувати їх для сільського господарства, що призвело до зменшення здатності заплави діяти як тимчасове сховище надлишку води під час штормових подій, спричиняючи посилення шкідливих повеней нижче за течією. Правильно функціонуючі заплави зменшують негативний вплив повеней (за рахунок зменшення тяжкості паводків), а також сприяють фільтрації зливових вод та захисту якості води річок. Вони також виступають в ролі районів підживлення грунтових вод.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Річкові системи. (А) Річка з невеликою притокою (Б) Звивиста річка зі зрілою заплавою (С) Супутникове зображення річкової системи з декількома притоками (Джерело USGS)

У США є численні річки, які проходять по всьому ландшафту країни. Підраховано, що США мають понад 200 000 річок, а річка Міссісіпі є найбільшою за обсягом, незважаючи на те, що вона є лише другою довшою. Річка Міссурі - найдовша річка в США. Більшість держав мають хоча б одну важливу річку. У Грузії основними річками є Флінт, Очлоконі, Сувані, Сент-Меріс, Сатілла, Огічі, Альтамаха, Оконі, Саванна, Чаттахучі, Таллапуса, Куза, Окмулгі і Теннессі (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Великий вододіл Грузії, що представляє основні річки держави. (Джерело Грузія Відділ охорони навколишнього середовища: georgiaadoptastream.com)

Ці річки дуже важливі для постачання водою міст і населення держав. Річки також містять важливі біологічні спільноти та надають можливості для відпочинку, таких як плавання, риболовля та рафтинг. Річки настільки важливі і багато в чому контролюють схеми поселень у всьому світі. Великі міста, громади, заводи, промисловості та електростанції розташовані вздовж річок. Тому дуже важливо захищати якість та цілісність річок у всьому світі.

На жаль, більшість річок у світі занадто забруднені, щоб підтримувати певну діяльність людини, особливо плавання, риболовлю та пиття. Близько половини річок у США були визнані занадто забрудненими для підтримки плавання та риболовлі. Багато річок також були спрямовані, днопоглинені або заточені дамбами, які зруйнували їх здатність підтримувати багато людської та біологічної діяльності. Підраховано, що в США було завалено понад 600 000 річкових миль. Переваги дамб для людини включають забезпечення джерелом води (водойми і ферми ставків), рекреаційними водами та зменшення місцевих повеней. З іншого боку, греблі також можуть мати негативний вплив на людей та навколишнє середовище. Вони можуть призвести до посилення сильних повеней нижче за течією греблі, особливо під час сильних опадів.

Скупчення можуть затримувати потокові відкладення, що призводить до зменшення подачі осаду нижче за течією, а також збільшення осадження за дамбою. Цей зсув потоку відкладень може порушити та пошкодити водні середовища існування та може збільшити ерозію нижче за течією через відсутність постачання осаду. Скупчення також можуть запобігти мігруванню певних водних організмів вгору або вниз за течією, тим самим зменшуючи їх діапазон та здатність пережити зміни навколишнього середовища, а також відсікати їх від нерестових районів. Будівництво дамб також може призвести до переміщення місцевого населення та втрати традиційних земель та культурної історії. За цими водоймами зазвичай утворюються водосховища і ставки.

Озера, водосховища та ставки

Якщо вода тече в місце, яке з усіх боків оточене вищою сушею, утвориться озеро (рис.\(\PageIndex{4}\)). Озеро, ставок або водосховище - це тіло стоячої води на поверхні землі. Коли люди будують греблі, щоб зупинити протікання річок, утворюються озера називаються водосховищами. За оцінками, понад 300 мільйонів водойм у світі - це озера, водосховища та ставки. Велика частина озер Землі (близько 60%) зустрічається в Канаді. Незважаючи на те, що озера та річки містять менше 1% води Землі, США отримують понад дві третини (70%) своєї води (для питної, промислової, зрошувальної та гідроелектроенергетики) з озер та водосховищ. Озера також є наріжним каменем прісноводної рибальської промисловості США і є основою державної туристичної галузі країни та рекреаційної діяльності на внутрішніх водах. (http://water.epa.gov/type/lakes/)

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Озеро Сінклер в округах Болдуін та Патнам (Фото Кредити: Лабораторія досліджень гідрології GCSU)

водно-болотних угідь

Водно-болотні угіддя - це територія, яка є домом для стоячої води для помітних частин року, насичує ґрунти протягом значної частини року та має рослини, яким потрібна велика кількість води для виживання. Водно-болотні угіддя включають болота, болота та болота. Водно-болотні угіддя ідентифікуються за трьома ознаками: грунти (присутні насичені водою грунти), гідрологія (мілководний рівень) і рослинність (водно-болотні рослини, пристосовані до районів, насичених водою протягом тривалого періоду часу). Водно-болотні угіддя є дуже важливими напрямками біологічного різноманіття та продуктивності. Це також важливі області, де послідовно відбуваються геохімічні та біологічні цикли/процеси. Наприклад, водно-болотні угіддя розглядаються як райони значного секвестрації (зберігання) вуглецю, що впливає на глобальні зміни клімату. Вони також виконують роль фільтрів для зливового стоку перед тим, як він потрапляє в річки та озера.

Океани

Як ви, напевно, вже здогадалися, океани є важливою складовою гідрологічного циклу, оскільки вони зберігають більшість всієї води на Землі (близько 95%). Велика частина великих річок стікає в них. П'ять океанів, що покривають поверхню Землі, - Атлантичний, Індійський, Тихий, Північний Льодовитий і Південний океани (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): П'ять океанів знайдені на планеті Земля. Тихий океан - найбільший. Джерело: Вудшира.ер.usgs.gov/проект... es/primer.html

Приблизно 90% води, яка випаровується в гідрологічний цикл, надходить з океану. Океани є важливою і великою частиною гідрологічного циклу, з великою кількістю біологічного різноманіття та багатьма формами рельєфу. D чи знаєте ви, що середня глибина океанів становить близько 3,6 км з максимальною глибиною, яка може перевищувати 10 кілометрів у районах, відомих як океанічні траншеї? Океан також є домом для багатьох форм життя, унікально пристосованих для виживання в цьому середовищі існування. На жаль, люди погіршили океани та їхнє життя через забруднення, перелов, підкислення вуглекислого газу та експлуатацію ресурсів. На малюнку 8.4.6 наведено кілька прикладів впливу людини на океанічне середовище.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Сміття вимивається на пляжі (A) і ущільнення сплутується вгору і бореться з пластиковим сміттям в океані (B).

Також дивіться відео з Житлова планета: Океани Відео vwww.learner.org/курси/envs... nit=3&secnum=1

Підземні води

Зберігання та потік

Майже 99% наявної прісної води знаходиться під поверхнею як грунтові води. Грунтові води не створюються деякими таємничими процесами під землею, а є частиною оборотної води в гідрологічному циклі. Коли випадають опади, частина води стікає на поверхню, а деяка проникає в землю. Грунтові води поповнюються, коли вода рухається з поверхні, через ненасичені породи або осад (ненасичені), аж до насичених частин (насичена зона) в процесі, званому інфільтрацією, і стає грунтовими водами (рис.\(\PageIndex{7}\)). Верх насиченої ділянки називається грунтом води, який є кордоном між насиченою і ненасиченою зоною.

Грунтові води знаходяться в водоносних горизонтах, які є тілами гірських порід або осаду, які зберігають (і дають) велику кількість корисної води в своїх порах. Продуктивність водоносного шару контролюється пористістю і проникністю. Пористість - це відсоток відкритого простору в гірській породі або осадовому тілі. Проникність - це здатність підповерхневого матеріалу пропускати рідини. Грунтові води знаходяться в насиченій зоні гірського тіла, де всі пори заповнені водою. Важливою концепцією є те, що поверхневі води завжди рухаються від більшої висоти до нижчої висоти, тоді як підземні води завжди рухаються від вищої енергії (гідравлічного напору) до нижчої енергії.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Модель системи підземних вод, що показує різні компоненти необмеженої системи підземних вод: water.usgs.gov/edu/earthgwaquifer.html

Грунтові води продовжуватимуть текти, поки не спливуть як джерело, або скидаються в поверхневі водойми на суші або в океан. Для утилізації грунтових вод буримо отвори (свердловини) в землю і відкачуємо воду.