Прісні води гідросфери

Гідросфера

* * У тому числі близько 5 тис. км3 води у водосховищах.

** ** У тому числі близько 2 тис. км3 зрошувальних вод.

Увесь об'єм гідросфери, за сучасними підрахунками, дещо перевищує 1,4 млрд. км3. Точність сучасних уявлень про об'єм гідросфери коливається в межах близько 50 млн. км3, що відповідає 3% об'єму гідросфери. Така порівняно висока точність пов'язана з найбільш надійним визначенням об'єму Світового океану, що становить майже 94% усього об'єму гідросфери. Дійсно, за піввіковий період, з часу появи ехолота, проміри морських глибин набули настільки масового характеру, що досить точні обчислення об'єму навіть найбільш віддалених від суші частин океану не пов'язані з якими-небудь утрудненнями методологічного характеру. Тепер це вже більшою мірою стало питанням обчислювальної техніки. За останніми даними, об'єм води Світового океану трохи перевершує 1370 млн. км3 при його площі 361,3 млн. км3 і середній глибині 3790 м Близькі до цієї глибини були визначені в останній чверті минулого століття. Так, Дж. Меррей вже в 1888 р. визначив середню глибину океану лише на 14 м більше за сучасну, а наш співвітчизник А. Тилло (1889), відомий учений, що склав першу карту падіння річок Європейської Росії, в результаті ретельних вимірів оцінив середню глибину океану в 3803 м Об'єм води океану, точно відповідний встановленому нині, майже 80 років тому визначив Карстен (Федосеев, 1967). Потім більше за півстоліття назад такі ж дані отримав Э. Коссина (Kossinna, 1921). Як показали недавні опре-деления (Степанов, 1961), в яких вже були використані масові виміри глибин ехолотом, дані Э. Коссина були підтверджені майже без змін. Але паралельно з цими даними в літературі неодноразово з'являлися застарілі. Наприклад, у відомій книзі А. В. Огиевского (1951) об'єм води океану оцінений в 1 304 млн. км3, в роботах Р. Нейса (1964, 1968) - в 1 320 млн. км3, а в книзі Р. Фюрона (1966) - навіть в 1 200 млн. км3, т. е. на 170 млн. км3, або на 12%, менше за дійсне. Подібні розбіжності носять, звичайно, випадковий характер, і вони не міняють тих уявлень про об'єм води океану, які склалися протягом минулих десятиліть.

Сказане про надійність даних про об'єм води океану в якійсь мірі відноситься і до визначення маси льодовиків, уявлення про яку значно покращало останніми роками. Ще порівняно недавно на підставі усієї наявної інформації маса льодовиків оцінювалася рядом авторів, наприклад, Р. Нейсом (Nace, 1964), у тому числі і мною (Львович, 1964), в 29-30 млн. км3. Проте в результаті великої кількості промірів потужності полярних льодовикових щитів геофизичними методами було встановлено, що колишні уявлення про їх масу були перебільшені в основному із-за недостатньо повних уявлень про рельєф підлідної поверхні Землі. Під льодовиковим щитом Антарктиди виявилося значно більше височин і гір, чим представлялося раніше. В той же час в результаті досліджень за програмою останнього Геофизичного року покращали представлення і про потужність гірських льодовиків. Відомі розрахунки показали, що маса полярних і гірських льодовиків состав-ляет 2 398*1022 г (Shumskiy та ін., 1964; Шумский, Кренке, 1965), або з округленням 24 млн. км3. Цей об'єм льоду займає площу в 16,2 млн. км2. Отже, середня потужність покривних льодовиків дорівнює близько 1500 м На долю усіх інших льодів, за даними цих же авторів, доводиться близько 250 тис. км3, у тому числі приблизно 200 тис. км3 грунтового льоду (переважно зони багаторічної мерзлоти). Близько 35 тис. км3 морського льоду і айсбергів входять в об'єм води океану, а 1,6 тис. км3 атмосферного льоду - в об'єм пари атмосфери.

Наочне уявлення про величезну масу льодовиків дають наступні цифри. Якби увесь лід розтанув, то рівень океану підвищився б на 64 м, а їх площа зросла б на 1,5 млн. км2, а площа суші відповідно зменшилася б на 1%.

Об'єм озерної води, здавалося б, вичислити не складно: великі озера - кожне окремо, малі - приблизно, загальним числом. Проте сучасні уявлення про об'єм води озер не можна вважати цілком надійними. Частково це пов'язано з відсутністю систематизованих даних про глибини і площу великих озер, важко також врахувати об'єм води в малих озерах (хоча останні складають невелику частину загального об'єму, тому неточності в їх визначенні несуттєво вплинуть на виводи). Крім того, об'єм озер, особливо безстічних, - це величина, що істотно змінюється. Наприклад, площа оз. Эйр в Австралії в багатоводні періоди досягає декількох тисяч квадратних кілометрів, а в сухий час воно перетворюється на невеликий солончак; дуже мінливий об'єм оз. Чад; площа Каспійського моря в останні десятиліття зменшилася більше ніж на 50 тис. км 2, а його об'єм - приблизно на 800 км3. Але неточності пов'язані також і з недостатньо повним статистичним обліком озер.

Останні дані Р. Нейса (Nace, 1964), що визначив об'єм прісних озер в 125 тис. км3 і солоних - в 105 тис. км3, ймовірно, дещо зменшені. Слідує, повидимому, прийняти об'єм в 275 тис. км3, у тому числі близько 150 тис. км3 води доводиться на проточні прісні озера і 125 тис. км3 - на солоні. Крім того, необхідно врахувати і об'єм штучних озер - водосховищ. Як початкова величина для визначення їх об'єму прийняті дані по водосховищах світу місткістю більше 100 млн. м3, вона склала 4100 км3 (Авакян, Овчинникова, 1971). Якщо врахувати неповноту даних, неминучу при використанні літературних джерел, а також об'єм малих водосховищ, то не буде, ймовірно, істотної помилки, якщо прийняти об'єм усіх водосховищ в 5 тис. км3.

У зв'язку із збільшенням озерної частини гідросфери цікаво визначити, за рахунок яких інших її частин здійснюється цей процес. Сучасний об'єм гідросфери стаціонарний, стійкий, якщо не рахувати вступу в гідросферу в середньому до 1 км3 води в рік за рахунок дегазації мантії Землі - процесу виключно важливого для походження гідросфери в гео-логическом аспекті часу. Проте цей об'єм не має практичного значення для тих періодів, які нас цікавлять у зв'язку з процесом кругообігу і використанням вод в порівняно недалекому минулому і через десятиліття в майбутньому. Таким чином, зміна об'єму однієї її частини не може статися без впливу на об'єм інших.

Водосховища наповнюються водою річкового стоку, який не досягає океану. Звідси витікає, що зростання об'єму озерної частини гідросфери відбувається за рахунок океану, що втрачає відповідний об'єм. Тому 5 тис. км3 води, зібраної у водосховищах, вирішують важливі водогосподарські завдання людства, але не впливають скільки-небудь помітно на океанічну частину гідросфери.

Що стосується об'єму води в руслах річок, то точно його визначити неможливо. Це вода в річках Землі протягом в мільйони кілометрів з розмірами русел від декількох метрів до багатьох десятків кілометрів. В результаті наближених розрахунків, які були вироблені на підставі загальної протяжності річкової мережі, а також ширини і глибини річок, розділених на три групи, я визначив в 1940 р. загальний об'єм води в річкових руслах в 1200 км3 (Львович, 1945). Відносно малі розміри "стаціонарного" запасу води в річках здивували мене і багато інших гідрологів. До цієї прикидки представлялося, що води в річках значно більше - до сотень тисяч кубічних кілометрів. Це стало свого роду відкриттям в гідрології, особливо цікавим і важливим при зіставленні з річковим стоком, в 30-40 разів більшим одноразового запасу води в руслах річок. Об'єм руслових вод в 1200 км3 згодом був прийнятий Р. Нейсом (Nace, 1968). Правда, Г. П. Калинин (1968) вважає за можливе і об'єм руслових вод в 2 тис. км3. Але зразкові прикидки переконують мене, що раніше прийнята мною величина навряд чи помітно зменшена, хоча я не заперечую можливості її уточнення. Істотне значення має порядок величини, встановлений загалом правильно.

Грунтова волога відрізняється від грунтових і підземних вод тіснішою залежністю від умов погоди. У вологі сезони вологи в грунті міститься багато, в сухі сезони вона швидко витрачається на випар. Крім того, розподіл і режим грунтової вологи пов'язані з біологічними процесами тісніше, ніж грунтові і підземні води. Одна з хара-терных особливостей складу грунту - зміст в ній органічних речовин, які сильно впливають на водні властивості грунтового покриву. Вода входить до складу грунту і разом із змістом гумусу є одним з елементів, характери-ующих її родючість. Тому біологічна продуктивність території значною мірою залежить від змісту вологи в грунті. Надлишок грунтової вологи призводить до заболочування грунту, внаслідок чого культурні рослини і ліси знаходяться в пригноблюваному стані.

Наближений об'єм грунтової вологи раніше я оцінював в 65 тис. км3, потім на підставі змісту вологи в грунті в різних зонах - в 75 тис. км3 (Львович, 1964). Для цієї мети була використана обмежена інформація, виправдана завданням приблизної оцінки. Згодом результати цих розрахунків уточнювалися в результаті вивчення водного балансу суші, і в 1970 р. я її оцінював в 82 тис. км3 (Львович, 1970), а в 1971 р., узагальнюючи нові результати досліджень ма-териков земної кулі, дійшов висновку, що вона близька до 85 тис. км 3 (Lvovitch, 1971). Важливо, що і цей елемент гидро-сферы уперше отримав загалом правильну оцінку, що змінювалася в процесі удосконалення розрахунків в межах від 65 до 83 тис. км3, не рахуючи збільшення грунтової вологи за рахунок зрошування. Можна вважати, що для істотних подальших уточнень залишилося тепер менше можливостей, хоча не слід забувати, що оцінка запасів грунтової вологи, отримана воднобалансовым методом, залежить від атмосферних опадів, кількість яких останнім часом піддається уточненням, пов'язаним з різноманітністю конструкції осадкомеров в різних країнах і поправками на втрату з них води на змочування посудин, випар і видування, особливо снігових опадів. При розрахунках запасів грунтової вологи враховувалося, що обмін цієї частини гідросфери триває один рік. Це допущення цілком виправдано, оскільки грунтова волога знаходиться в безпосередньому обміні з атмосферою і легко схильна до випару, чому сприяє і її витрачання на транспірування. Що стосується витрачання частини поч-венной вологи на живлення підземних вод, то воно складає близько 14% її запасів і, як ми побачимо, добре ув'язується з іншими елементами водного балансу.

При рівномірному розподілі грунтової вологи на площі суші шар її дорівнює близько 570 мм. Ця величина реальна, якщо врахувати, що в природі вона коливається в дуже великих межах - від декількох міліметрів в грунті пустель до декількох метрів в болотах. Тут йдеться про природні запаси грунтової вологи. Але на зрошування, яке слідує расматривать як множення ресурсів грунтової вологи, в настщее час витрачається близько 2 тис. км3 головним чином річкових і частково підземних вод. Таким чином, загальний об'єм грунтової вологи, включаючи воду, що витрачається на зрошування, складає 85 тис. км3. Але, можливо, збільшення об'єму грунтової вологи в результаті зрошування відбувається за рахунок ка-ой-либо іншої частини гідросфери? Це могло статися тільки у тому випадку, якщо для зрошування бралися б стаціонарні запаси підземних вод, не поновлювані в процесі кругообігу. Такі підземні води використовуються на зрошування в деяких районах, але об'єм їх вилучень для цієї мети невеликий.

У зрошуваному землеробстві витрачаються головним чином підземні води, води, що беруть активну участь в кругообігу, і поновлювані в його процесі. Наприклад, в Індії, як це автор спостерігав під час його поїздок по цій країні, зрошування підземними водами виробляється переважно в тих випадках, коли вони живляться не лише за рахунок фільтрації опадів, але також і зрошувальної води. У таких випадках використання підземних вод, що вимагає їх відкачування, дозволяє уникнути заболочування зрошуваних полів. Для боротьби з цим несприятливим явищем було б потрібно штучний дренаж з густою мережею осушувальних канав. Але замість нього цілком обгрунтовано практикується відкачування грунтових вод з використанням їх для зрошування.

В цілому за рахунок підземних вод, поновлюваних в процесі кругообігу, витрачається на зрошування близько 10-15%, а 85-90% зрошувальних вод черпається з річок, озер і водосховищ.

З усього сказаного виходить висновок про те, що зростання ресурсів грунтової вологи відбувається головним чином за рахунок інтенсифікації процесу водообміну.

Найскладніше визначити об'єм підземних вод. Інформація про геологічну будову земної кори до глибини 2-4 тис. м, а в деяких випадках і глибше нині є для значних частин суші, і вона, ймовірно, могла б послужити основою для достовірніших розрахунків, ніж ті, які зараз вироблені. Проте опубліковані геологічні карти далеко не завжди містять необхідні для цієї мети відомості, а спеціальні гидрогеологические карти складені лише для порівняно невеликої частини суші і дуже часто не містять даних для розрахунків, що цікавлять нас.

По А. П. Виноградову (1959), в усій мантії Землі міститься 0,5% води, або 13-15 млрд. км3, т. е. приблизно в 10-12 разів більше, ніж у Світовому океані. Ці води, хімічно і фізично пов'язані з мінералами і гірськими породами, служать джерелом живлення вод земної кори і поверхневих вод.

За розрахунками Ф. А. Макаренко (1948, 1966), можливий приплив глибинних вод в земну кору і на поверхню за рахунок мантії Землі досягає в середньому 1 км 3 в рік. Оскільки абсолютний вік земної кори дорівнює приблизно 3,5 млрд. років, увесь об'єм поверхневих вод і вод, що містяться в земній корі, повинен скласти близько 3,5 млрд. км3.

В. І. Вернадський оцінював усі води земної кори в 1,3 млрд. км3, що приблизно відповідає об'єму води в океані. Але значна маса цієї води знаходиться в змозі, хімічно пов'язаному з мінералами, т. е. входить до складу мінералів. Об'єм хімічно незв'язаних вод верхньої частини земної кори він оцінював приблизно в 60 млн. км 3.

Сучасні розрахунки Ф. А. Макаренко показують, що в п'ятикілометровій товщі земної кори в межах суші об'єм води складає 12% об'єму цієї товщі, або 84,4 млн. км3. Виключаючи хімічно пов'язану воду, загальний об'єм гравітаційних вод в цій же товщі земної кори в межах суші, по А. Ф. Макаренко, складає 60 млн. км3, що відповідає об'єму, раніше отриманому В. І. Вернадським.

Гідролог Р. Нейс (Nace, 1964, 1968) визначив запаси підземних вод в 2 млн. миль 3 (8100 тис. км3), що в 7-8 разів менше, ніж дали розрахунки згаданих авторів. Половину цього об'єму Р. Нейс відносить до глибини до 0,5 милі (800 м) і половину - до глибших частин земної кори. Загальна кількість підземних вод, за цими розрахунками, поза сумнівом, зменшено, але оцінка підземних вод до глибини 800 м, мабуть, близька до дійсності. Я її приймаю, округлюючи в межах точності розрахунку до 4 млн. км 3, і відношу до зони активного водообміну.

Із сказаного видно, що уявлення про кількість підземних вод носять поки що дуже наближений характер.

Хімічний склад підземних вод дуже різноманітний: від чистісіньких прісних вод до глибинних міцних розсолів, що містять більше 250 г солей в 1 л води. Переважають хлоридно-натриевые води, рідше натрієво-кальцієві і натрієво-магнієві. Прісні підземні води поширюються на великі глибини в окремих випадках. Як правило, на глибинах більше 1,5-2 км зустрічаються солоні води. У напівпустинних і пустинних районах солоні підземні води поширені і на невеликих глибинах, а на їх поверхні часто як би плавають лінзи прісних підземних вод дощового і снігового походження. Ці води просочуються з поверхні і завдяки меншій щільності не змішуються з солоними водами. В. Н. Кунин (1959), що багато років присвятив вивченню лінз прісних підземних вод в Каракумах, розробив наукові основи їх використання.

В межах поширення вічної мерзлоти, або, як тепер її вважають за краще називати, багаторічної мерзлоти, до глибини 500 м, а іноді і глибше підземні води знаходяться в твердому стані у вигляді льоду. Це явище поширене на півночі і північному сході Азіатської частини СРСР і в приполярній частині Північної Америки.

По мірі участі в кругообігу води підземні води діляться на декілька груп: від застійних вод, вік яких співвимірний з віком гірських порід, що вміщують їх, до так званої верховодки - сезонних грунтових вод, що утворюються у вологі періоди і зникаючих в сухі.

Залишається неоціненою ще одна частина гідросфери - пари атмосфери. Її об'єм був вичислений мною на підставі даних про вологість повітря в межах тропосфери, вище за яку волога практично відсутня. У екваторіальній зоні тропосфера досягає висоти 16-18 км, в помірних широтах - 10-12 км і в полярних - 7-10 км. Об'єм пари в перерахунку на воду склав 14 тис. км 3. Об'єм цієї частини гідросфери малий, але її значення надзвичайно велике, оскільки вона дає початок усім прісним водам на Землі. З невеликого стаціонарного об'єму пари атмосфери в результаті багатократного повторення Циклу вологообороту щорічно конденсується майже в 40 разів більший об'єм атмосферних опадів, випадних на поверхню океану і суші.

Підводячи підсумок тому, що зараз відомо про об'єм гідросфери і її окремих частин, слід підкреслити, що залишається немало питань, ще недостатньо точно вирішених. Але це в основному відноситься до тих її частин, зміни об'єму яких не можуть істотно вплинути на загальний об'єм гідросфери. Тепер необхідно розглянути запаси прісної води, що є особливим інтересом як води, найбільш доступної для задоволення потреб людства. Приблизне уявлення про прісноводу частину гідросфери дають ці таблиці. 2.

Таблиця 2.

Прісні води гідросфери

Лід, з якого складаються льодовики, через властивості твердої фази води є прісним. Але і по суті свого походження льодовики прісноводі, оскільки створені в результаті акумуляції і трансформації снігу. Проте використання льодовиків як джерела водних ресурсів залишається доки проблематичним, принаймні протягом найближчих десятиліть, хоча не виключено у віддаленішій перспективі.

Об'єм прісних озер і водосховищ приблизно оцінений на підставі сказаного вище. Грунтова волога, як правило, прісна, виключаючи вологу солонців і солончаків, яку можна приблизно оцінити не більше ніж в 2-3%, т. е. величиною в 2 тис. км3.

Прісноводий характер пари атмосфери не вимагає пояснень.

Що стосується річкових вод, то вони хоча в якійсь мірі і мінералізовані, але, як правило, відносяться до прісних. Мінералізація річкової води більше 1 г/л, що служить межею для питної води, наприклад, по нормах, прийнятих в Радянському Союзі, зустрічається досить рідкісно і в основному відноситься до посушливих районів, де річки, як правило, невеликі і маловоді. Крім того, порівняно висока мінералізація характерна лише для межени, коли в річках таких районів залишається зовсім мало води, і дуже часто вона зберігається тільки в плесах, роз'єднаних між собою у зв'язку з прекра-щением стоку. Такі плеса по суті є невеликими озерами, в яких мінералізація збільшується у міру їх усихання. Але під час паводків і повені мінералізація води в таких річках різко зменшується. В окремих випадках порівняно висока мінералізація води в межень пов'язана з живленням річок джерелами грунтових вод, що утворюються в соленосних глинах. Таке явище автор спостерігав в Західному Казахстані. Але вплив солоних джерел у зв'язку з їх малим дебітом позначається на мірі мінералізації річкової води в межах невеликих ділянок і припиняється під час паводків. Бувають і інші випадки, наприклад живлення річок мінеральними джерелами. Це явище я спостерігав на північному схилі Кавказу, де щедрі нарзанові джерела при загальній мінералізації їх води в 2 г/л живлять невелику гірську річку Хасаут. Усі подібні випадки можливі і в інших місцях, але в цілому вони можуть служити більше для ілюстрації порівняно рідкісних виключень, чим характеризувати правило. В цілому сама природа річкових вод, їх виникнення відразу ж услід за процесом конденсації і випадання осіданням, дає почало прісним водам або що утворюється в результаті живлення активними підземними водами, циркулюючими в добре промитих пластах гірських порід, говорить про прісноводий їх характер. Ця обставина послужила основою для того, щоб віднести усі руслові річкові води до прісних.

В той же час не позбавлено умовності відсутність в таблиці. 2 морська вода, якась доля об'єму якої, безперечно, може бути віднесена до прісної. Це відноситься до пригирлових ділянок великих річок, особливо якщо вони впадають в неширокі затоки. Так, прісна вода характерна для східної частини Фінської затоки - "Маркизовой калюжі", що живиться ідеальними за якістю, дуже слабо мінералізованими водами річки Неви. Прісна вода поширюється на незначних частинах акваторії Атлантичного океану, прилеглих до гирл найбільших річок світу -Амазонке, Ла-платі, Конго. На величезних площах пригирлових частин цих річок прісна річкова вода відрізняється значною каламутністю і своїм кольором від океанічних вод. У Тихому океані подібне явище, але, ймовірно, ще яскравіше виражене, спостерігається при виході Амура не у відкрите море, а в Татарську протоку. Потужні сибірські річки опріснюють воду на великих площах Льодовитого океану. Ймовірно, не буде перебільшенням вважати, що мільйони квадратних кілометрів акваторії морів і океанів знаходяться у владі" річкових вод. Але ця "влада" дуже ефемерна, оскільки на великих просторах вона нестійка і непостійна в часі. Потужні морські течії швидко розсіюють річкові води, що вторглися в океан. А при потужних циклонах це явище посилюється вітром. З цієї причини поки що немає достатніх підстав враховувати прісну річкову воду в межах океану. Але в той же час цілком очевидна необхідність вивчення поширення і режиму прісних вод в океані.

Отже, загальний об'єм прісних вод на Землі досягає приблизно 28,25 млн. км3, що складає близько 2% загального об'єму гідросфери. Але якщо врахувати, що основна частина прісних вод, законсервованих в полярних льодовиках у вигляді льоду, недоступна для використання, то об'єм іншої частини прісних вод складає усього лише дещо більше 4,2 млн. км3, або 0,3% об'єму гідросфери. Цифра дуже вражаюча і говорить нібито про бідність Землі ресурсами води, в яких найбільш зацікавлено людство. Проте статичний підхід не може дати правильного уявлення про дійсні ресурси прісних вод. Необхідно взяти до уваги динамічні процеси, що відбуваються в гідросфері, і стаціонарні запаси прісних вод, що безперервно поновлюються. Саме тому кругообіг води є рушійною силою відновлення ресурсів прісних вод і є основним предметом вивчення гідрологічної науки.

Поиск по сайту: