Круговоро́т воды́ в приро́де (гидрологи́ческий цикл) , влагооборо́т — процесс циклического перемещения воды в земной биосфере . Состоит из испарения воды, переноса паров воздушными течениями, их конденсации , выпадения в виде осадков (дождь, снег и т. д.) и переноса воды реками и другими водными объектами. Вода испаряется с поверхности суши и водоёмов (рек, озёр, водохранилищ и т. д.), однако бо́льшая часть воды испаряется с поверхности Мирового океана . Круговорот воды связывает воедино все части гидросферы .

Масса воды на Земле остается довольно постоянной с течением времени, но количество воды в виде льда, пресной воды, соленой воды и атмосферной воды меняется в зависимости от широкого диапазона климатических переменных. Круговорот воды включает обмен энергией, что приводит к изменению температуры. Когда вода испаряется, она забирает энергию из окружающей среды и охлаждает окружающую среду. Когда она конденсируется, он выделяет энергию и нагревает окружающую среду. Этот теплообмен влияет на климат. Испарительная фаза цикла очищает воду, которая затем пополняет землю пресной водой. Поток жидкой воды и льда переносит полезные ископаемые по всему миру. Он также участвует в изменении геологических особенностей Земли посредством процессов, включая эрозию и седиментацию. Круговорот воды также необходим для поддержания большинства видов жизни и экосистем на планете.

История открытия

В Библии уже несколько тысяч лет назад было записано простое описание круговорота воды в природе:

«Он собирает капли воды, Из тумана они превращаются в дождь, Проливаются из облаков, Щедро льются на людей»

— Иов. ,

«Ветер несётся на юг, а потом возвращается на север. Он кружит и кружит, постоянно движется по кругу. Все реки текут в море, но море не переполняется. Туда, где реки берут начало, они и возвращаются, чтобы снова течь»

— Еккл. ,

Представления о круговороте воды также появились в Китае , затем в Индии , где стали использовать дождемеры — приборы для определения количества осадков, то есть 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). В некоторых своих сочинениях он высказал мысли, которые созвучны современным научным представлениям о круговороте воды. Он указывал на значение водопроницаемых геологических пород, образующих водоносные слои в Альпах , объяснял, как происходит восполнение подземных вод и как низинные источники питаются водой. Другие учёные значительно расширили его идеи, но это произошло гораздо позже. Более полные представления о круговороте изложил в книге, изданной в 1580 году во Франции, Бернар Палисси . 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 Эразм Дарвин (1731—1802), дед Чарльза Дарвина , объяснил механизм круговорота воды и доказал, что атмосферные осадки обеспечивают ток воды в реках и часть влаги поступает на сушу с моря. Сущность же и значение большого круговорота воды в природе впервые понял знаменитый английский астроном Эдмунд Галлей (1656—1742), дав ему название «Великое явление природы». Он первым рассчитал величину испарения с поверхности океана.

Большой вклад в изучение круговорота воды внёс российский учёный Александр Иванович Воейков (1842—1916), слова которого «реки можно рассматривать как продукт климата » стали признанным положением.

Описание

Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше — положение обратное. Около 84 % общего испарения происходит с поверхности океанов, а над океанами выпадает около 74 % общего количества осадков . Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом её общее количество остаётся неизменным.

Три четверти поверхности земного шара покрыты водой. Водную оболочку Земли называют гидросферой . Большую её часть (97 %) составляет соленая вода морей и океанов, а меньшую — пресная вода озер , рек , ледников , грунтовые воды и водяной пар . В круговороте задействовано менее 1 % всей воды, а большая часть остальной сохраняется в виде льдов и снега . Общая сумма осадков, выпадающих на поверхность Земли, примерно равна испарению — 519 тыс. км ³ воды . Вынос влаги, испарившейся с поверхности суши, воздушными массами в океан незначителен .

На земле вода существует в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Без воды невозможно существование организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции , без которых не могут жить организмы . Вода является самым ценным и самым необходимым веществом для жизнедеятельности живых организмов.

Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, передвижения водяного пара в атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока, получил название круговорота воды в природе. Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водоемы, частично — просачиваются в землю и образуют подземные воды .

Круговорот воды происходит под влиянием солнечной радиации и сил тяжести . Солнце нагревает воду в океанах и морях, и она испаряется , преобразуясь в водяной пар. Параллельный процесс происходит и на суше: вода испаряется с нагретой Солнцем поверхности Земли или испаряется растениями в результате транспирации . В процессе адвекции водяной пар перемещается с воздушными массами, пока в конце концов не оказывается в зоне с низкой температурой. Это вызывает конденсацию влаги в облаках. Облака продолжают перемещаться вместе с воздухом, в то время как сконденсированные капельки воды в них перемешиваются, слипаются и растут в размерах. В итоге вода выпадает в виде осадков над сушей или океаном; при этом океан испаряет больше влаги в атмосферу, чем приобретает от осадков, а суша — наоборот, получает с осадками больше, чем с неё испаряется.

Некоторые осадки выпадают в виде снега или града, дождя со снегом, и могут накапливаться в ледяных шапках и ледниках, которые хранят замороженную воду в течение от нескольких месяцев до десятков тысяч лет. Но даже в таком виде незначительный обмен льдов с атмосферой сохраняется: действует сублимация . В то время, когда температура в зоне отложений повышается, начинается таяние, и вода активно исходит из этих источников.

Большая же часть воды возвращается из атмосферы в виде дождя. Часть выпавших осадков перехватывается листвой растений, не достигнув почвы. Попав на сушу, вода перетекает по земле в виде рек, двигаясь к океанам.

Часть из этой воды впитывается в грунт в результате инфильтрации , проникает глубоко в землю и пополняет водоносные горизонты грунтовых вод, которые также аккумулируют в себе пресную воду в течение длительного времени. Под землёй, как и на её поверхности, тоже существует движение водяных масс, и вода движется, меняя своё местоположение. Грунтовые воды обмениваются водой с поверхностью в виде родников и артезианских скважин (разгрузка грунтовых вод). Эта, а также небольшая часть впитавшейся в землю, но не достигшей уровня водоносных горизонтов воды, попадает назад в поверхностные водные объекты и океан.

Доля воды отводится из почвы, опять же, растениями.

Со временем вода возвращается в океан, чтобы продолжить круговорот.

Виды образования от разных изменений

Различают два вида круговоротов воды в природе :

1. Большой круговорот — водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, конденсируется, выпадает в виде осадков на сушу и распределяется по трём основным направлениям: одна часть идёт на поверхностный сток; вторая часть просачивается в грунт (подземный сток), а третья часть снова испаряется в атмосферу .
2. Малый (океанический) круговорот — вода, которая испарилась над поверхностью суши или океана, опять выпадает в океан в виде атмосферных осадков .

Кроме того, различают местный, или внутриматериковый, круговорот, при котором испарившаяся с поверхности суши вода выпадает на сушу в виде атмосферных осадков . Для замкнутых межгорных котловин характерен внутренний круговорот влаги . В конце концов, осадки в процессе движения опять достигают Мирового океана .

Количественные показатели

В течение календарного года на поверхность планеты выпадает примерно 577 000 км³ осадков, что даёт среднюю высоту их слоя 1130 мм. Из них над просторами суши — 119 000 км³ , что даёт среднюю высоту слоя 800 мм, а над Мировым океаном проливается 458 000 км³ при высоте слоя 1270 мм. В процентном соотношении это означает, что Мировому океану достаётся 79 % осадков, хотя он занимает по площади только 71 % площади Земли. Таким образом сумма осадков, достающихся суше, равна 21 %. Обеим полярным шапкам достаётся только 4 % осадков, почти половина от их общего количества распределяется между широтами ± 20° к северу и югу от экватора. Величина речного стока в океаны составляет 47 000 км³ , что даёт увеличение их уровня на 130 мм. Учитывая вклад рек получается, что с поверхности океана испаряется в год примерно 1400 мм воды .

Скорость

Среда	Среднее время обновления
Океаны	3 200 лет
Ледники	от 5 до 10 лет
Сезонный снежный покров	от 2 до 6 месяцев
Почвенная корка	от 1 до 2 месяцев
Грунтовые воды: паводковые	от 100 до 200 лет
Грунтовые воды: глубинные	10 000 лет
Озера	от 15 до 17 лет
Реки	от 17 до 19 дней
Атмосфера	10 дней

Скорость переноса различных видов воды изменяется в широких пределах, так и периоды расходов, и периоды обновления воды также разные. Они изменяются от нескольких часов до нескольких десятков тысячелетий. Атмосферная влага, которая образуется при испарении воды из океанов, морей и суши, и существует в виде облаков, обновляется в среднем через восемь дней.

Воды, входящие в состав живых организмов, восстанавливаются в течение нескольких часов. Это наиболее активная форма водообмена. Период обновления запасов воды в горных ледниках составляет около 1600 лет, в ледниках полярных стран значительно больше — около 9700 лет.

Полное обновление вод Мирового океана происходит примерно раз в 2700 лет.

Физические процессы

Круговорот воды включает следующие процессы:

• Адвекция — движение воды через атмосферу в горизонтальном направлении . Без адвекции вода, испаряющаяся над океанами, не могла бы выпадать в осадок над сушей. Примером адвекции являются атмосферные реки, которые перемещают большие объёмы водяного пара на большие расстояния .
• Перехват воды — осадки, перехваченные листвой растений, в конечном итоге испаряются обратно в атмосферу, а не падают на землю.
• Конденсация — превращение водяного пара в жидкие капли воды в воздухе, создание облака и тумана .
• Десублимация — превращение водяного пара непосредственно в лёд, минуя жидкое состояние.
• Испарение — превращение воды из жидкой фазы в газообразную по мере её движения из земли или водоёмов в вышележащую атмосферу . Источником энергии для испарения является прежде всего солнечное излучение. Испарение часто неявно включает транспирацию растений, хотя вместе они называются эвапотранспирацией. Общая годовая эвапотранспирация составляет примерно 505 000 км ³ воды, из которых 434 000 км ³ испаряется из океанов . Океан является источником 86 % глобального испарения .
• Инфильтрация — проникновение воды с поверхности земли в землю. После проникновения вода становится почвенной влагой или грунтовыми водами . Однако недавнее глобальное исследование с использованием стабильных изотопов воды показывает, что не вся почвенная влага в равной степени доступна для подпитки грунтовых вод или транспирации растений .
• Перколяция — протекание вода вертикально через почву и скалы под действием силы тяжести.
• Осадки — конденсированный водяной пар, выпадающий на поверхность Земли. Большинство осадков выпадает в виде дождя, но также включает снег, град, капли тумана, мокрый снег . Приблизительно 505 000 км ³ воды выпадает в виде осадков каждый год, 398 000 км ³ из них над океанами . Осадки в виде дождя составляют 107 000 км ³ воды в год, а снег только 1000 км ³ . 78 % глобальных осадков выпадает над океаном .
• Сток — движение воды по суше. Сюда входят как поверхностный, так и русловой сток. По мере течения вода может просачиваться в землю, испаряться в воздух, накапливаться в озёрах или водохранилищах или извлекаться для сельскохозяйственных или других нужд человека.
• Таяние снега — образование стока за счёт таяния снега.
• Сублимация — переход воды из твердого состояния (снега или льда) в состояния водяного пара, минуя жидкое состояние .
• Подземный поток — поток воды под землёй, в аэрационной зоне и водоносных горизонтах. Подземные воды могут возвращаться на поверхность (например, в виде родника или в результате перекачки) или, в конечном счёте, просачиваться в океан. Вода возвращается на поверхность земли на более низкой высоте, чем там, где она просочилась, под действием силы тяжести или гравитационного давления. Подземные воды имеют тенденцию двигаться медленно и медленно пополняться, поэтому они могут оставаться в водоносных горизонтах в течение тысяч лет.
• Транспирация — выделение водяного пара из растений и почвы в воздух.

Изменения, вызванные человеком

Ускорения круговорота воды из-за глобального потепления

С середины XX века изменение климата , вызванное деятельностью человека, привело к наблюдаемым изменениям в мировом круговороте воды. ^:85 Шестой оценочный доклад МГЭИК за 2021 год прогнозирует, что эти изменения будут продолжатся как на глобальном, так и на региональных уровнях. ^:85 . Полученные результаты исходят из научного консенсуса, сформулированного на от 2007 года и других специальных докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата , в которых уже говорилось, что круговорот воды будет продолжать «ускоряться» в течение XXI века.

Отступление ледников также является примером изменяющегося водного цикла, когда поступление воды в ледники за счет осадков не может соответствовать потерям воды в результате таяния и испарения . Данный процесс происходит с 1850 года и стал достаточно обширным. ^:1273

Изменения, связанные с другой человеческой активностью

Деятельность человека, кроме той, которая приводит к глобальному потеплению из-за , также может изменить круговорот воды. В шестом оценочном отчете МГЭИК говорится о существовании «многочисленные доказательства того, что изменения в землепользовании и почвенном покрове изменяют круговорот воды на глобальном, региональном и локальном уровнях за счет изменения осадков, испарения, затопления, подземных вод и доступности пресной воды для различных целей.». ^:1153

Примерами изменений в землепользовании являются преобразование полей в городские районы или вырубка лесов . Такие изменения могут повлиять на способность почв поглощать поверхностные воды . Вырубка лесов также может «не только непосредственно уменьшить влажность почвы, испарение и количество осадков на местном уровне, но и вызвать региональные изменения температуры, которые влияют на характер осадков». ^:1153 Сброс водоносного горизонта или перерасход и увеличивает общее количество воды в гидросфере, потому что вода, которая «ранее находилась в земле, теперь находится в непосредственном контакте с атмосферой, будучи доступной для испарения». ^:1153

Примечания