Единство природных вод Земли. Гидросфера.
Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Единство природных вод Земли. Гидросфера.





Лекция по курсу «Гидрогеология»

 

В.И.Вернадский писал о распространении воды в земной коре: «Вода охватывает всю земную кору, проникает насквозь – как пленчатая губка и как пар всегда и везде, где бы мы ни стали проникать в Земную кору, ни стали бурить, мы встретим, в конце концов, воду в капельно-жидких ее массах». В самом деле, в земной коре нельзя найти горные породы, которые не заключали бы в себе воду. Вода находится во всех геосферах земной коры, каждая из которых характеризуется определенным равновесием молекул и атомов, стремящихся принять то или иное устойчивое динамическое состояние. В различных оболочках встречаются агрегатные состояния воды, обусловленные соответствующими температурами и давлениями. В условиях земной коры температура изменяется от – 93 0С (минимальная зафиксированная в Антарктиде) до приблизительно 12000С (температура магматического расплава). А давление от сотых долей в верхних слоях тропосферы до 3000 МПа на нижней границе земной коры. Поэтому вода встречается в различных агрегатных состояниях: жидком, газообразном, твердом, физически или (и) химически связанном с горными породами, в виде диссоциированных молекул.

В.И.Вернадским на фактах наличия воды (в различных видах) практически во всех оболочках Земли (мантия, земная кора, атмосфера, биосфера) и принципиальной возможностью постоянного водообмена между смежными оболочками Земли было сформулировано принципиальное научное положение о единстве природных вод Земли. В соответствии с этим положением гидросфера планеты должна рассматриваться как единая динамическая система, открытая в сторону космоса и внутренних областей Земли (мантия, ядро). Гидросфера играла и играет основополагающую роль в геологической истории Земли, в формировании физической, химической, а, следовательно, и геологической среды, климата, в возникновении и развитии жизни на Земле.



Природные воды Земли едины, но единство их противоречиво. Подземная гидросфера, охватывающая континентальную и океаническую земную кору, содержит воду в различных фазах (жидком, твердом, газообразном) и состояниях (свободное, связанное), в виде растворов различной минерализации и температуры. Подземная гидросфера формируется и функционирует при взаимодействии противоположных начал: поверхностных (экзогенных) и глубинных (эндогенных) факторов, определяющих устойчивость состояния и изменчивость гидросферы.

Поверхностные (экзогенные) факторы: количество и состав атмосферных осадков, величина их испарения, температурный режим на поверхности земли (например, при отрицательных температурах почвенного покрова инфильтрация жидких атмосферных осадков в недра прекращается). Эндогенные факторы: пары воды из мантийных глубин поднимаются по направлению к земной поверхности, вода, выделяющаяся при дегидратации минералов, вода из магматических расплавов.

Взаимодействием эндогенных и экзогенных факторов определяется устойчивость, изменчивость и динамичность гидросферы. В историко-геологическом смысле единство и борьба этих противоположностей составляет основу внутреннего развития подземной атмосферы, является источником ее самодвижения и саморазвития.

Изменения подземной гидросферы могут быть незначительными количественными (например, скорость движения подземных вод уменьшается с увеличением глубины, а минерализация увеличивается) и коренными качественными (например, переход вещества из жидкого в твердое). Но в целом для ПГ характерны скачкообразные изменения-переходы количественных изменений в качественные. Они могут быть резкими (вода-лед, вода-пар) и постепенными (изменение солевого и газового состава)

Многообразие форм перехода количественных изменений в качественные отражает характер и пути развития подземной гидросферы.

Развитие ПГ циклично и поступательно. Цикличность процессов выражается в водообмене подземной гидросферы с наземной (половодье, межень), в замещении магматогенных и седиментационных вод инфильтрогенными, в переходе ПВ из одной фазы или состояния в другое и обратно. Каждый следующий цикл или круговорот отрицает предыдущий при сохранении определенной приемственности. Формируется качественно новая и более высокая ступень развития гидросферы, происходящая по спирали. Это отражает диалектический закон отрицания отрицания, а также историческую преемственность в развитии подземной гидросферы.

Под гидросферой понимают водную оболочку Земли, объединяющую воды Мирового океана, подземные воды (содержащиеся в земной коре), а также поверхностные воды суши (реки, озера, болота, включая снежный покров и ледники).При этом верхняя граница гидросферы является одновременно нижней границей атмосферы, а нижняя граница гидросферы совпадает с границей земной коры и мантии.

Основными внутренними процессами гидросферы являются круговороты воды и водообмен, происходящие на различных ее уровнях и в различных масштабах.

 

Круговорот воды - сложный процесс, состоящий из испарения, переноса водяных паров воздушными потоками, выпадения атмосферных осадков, поверхностного и подземного стока вод суши в Мировой океан.

Природные воды при изменении внешних условий (температура, давление) изменяют свои физические свойства, состояние и могут переходить из одной геосферы в другую. Ежегодно 22% солнечной энергии расходуется на испарение влаги с поверхности гидросферы, суши, растительного покрова.

Образующиеся при испарении пары попадают в атмосферу и в иной термодинамической обстановке при наличии ядер конденсации, конденсируются и выпадают на земную поверхность в виде атмосферных осадков.

Выпавшие осадки частично испаряются, частью стекают в реки и моря, частью проникают в литосферу. Такова общая схема круговорота воды в природе.

Круговорот воды с течением времени меняется и количественно, и качественно, т.к. распределение суши и Мирового океана не остается постоянным, изменяется климат и количество осадков.

В настоящее время выделяют малый и большой круговорот воды, включающий внутриматериковый круговорот.

 

Количественным выражением круговорота воды в природе является водный баланс, который математически описывается уравнением водного баланса. Основными элементами (параметрами) водного баланса являются:

испарение – Z, осадки – Х, сток – Y=Yпов-ти+Yподзем.

Уравнение водного баланса для внутреннего (малого) круговорота: ZББ (б – бессточные области).

Уравнение водного баланса для большого круговорота (на суше): ZСС - Y (с – суша).

Т.е., согласно этой формуле, кол-во воды, испаряющейся с суши, и имеющей сток в Мировой океан, соответствует осадкам за вычетом стока.

Уравнение водного баланса для большого круговорота (для Мирового океана): ZММ + Y (м – мир. океан)

Уравнение водного баланса для всего земного шара: ZМ+ ZС+ ZБМ + ХС+ ХБ

Уравнение водного баланса для участка поверхности земли (суша), ограниченного произвольным контуром: X + K ± ∆Y – Z1 – Z2 ± ∆W = ± ∆U, где

X – атмосферные осадки, К – конденсация, ± ∆Y – разность притока и оттока поверхностных вод, Z1 – испарение с водной поверхности, Z2 – суммарное испарение с поверхности суши (в том числе транспирация растительностью), ∆W – разность между просачиванием поверхностных вод через поверхность земли и притоком подземных вод на поверхность земли, ∆U – изменение запасов воды по площади балансового участка.

 

Во внутриматериковом круговороте (который является частью большого) учитывается поступление «местных» атмосферных осадков за счет испарения с поверхности рассматриваемого участка суши. По расчетам М.И.Будыко количество «местных» атмосферных осадков суши составляет 14% от общей суммы осадков. Основную роль в формировании осадков на суше играет испарившаяся океаническая влага.

Помимо рассмотренных круговоротов существуют и другие типы. Например,

Океан – испарение – осадки – инфильтрация - подземный сток – реки - океан.

Океан - иловая вода - вода в осадочной породе - трещиноватая подземная вода - источник с ранее погребенной водой.

Океан - иловая вода - вода стратосферы – метаморфизм - кристаллические метаморфические породы.

Характеристика основных элементов водного баланса:

Х – атмосферными осадками называют жидкие или твердые продукты конденсации паров воды в атмосфере, выпадающие на земную поверхность в виде дождя, снега и града или осаждающиеся в виде росы, инея и измороси. Количество атмосферных осадков, поступивших на поверхность за определенный промежуток времени, выражается объемом воды (см3, л, м3) или слоем (мм, см, м). Количество осадков, которое выпало на какую-нибудь поверхность в течение года, называется годовой суммой осадков (мм/год).

Для того чтобы сравнить количество осадков по разным территориям, вводят величину – норму годовых осадков – это среднее значение годовых сумм за многолетний период такой продолжительности, когда дальнейшее увеличение периода наблюдений существенно не меняет ее значений:

n

Σ Хi

Х0=---------

N

Где Х0 - норма годовой суммы осадков (мм/год); Хi – годовые суммы осадков конкретных лет (мм/год); N – число лет наблюдений.

Результатом является построение карт изогиет (изогиеты- линии, соединяющие точки с одинаковым количеством осадков).

К - Конденсацияобразуется, если число молекул, поглощенных поверхностью,превышает число молекул, оторвавшихся от нее. Величина, обратная испарению.

Z – под испарением воды понимают процесс перехода молекул Н2О при достижении скорости, достаточной для преодоления сил молекулярного притяжения с поверхности жидкости или твердого тела в атмосферу (переход вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное). При расчетах водного баланса поверхности суши рассматривается 3 основных вида испарения: испарение с водной поверхности, транспирацию (отбор влаги корнями растений) суммарное испарение с поверхности суши (оно включает в себя испарение с почвы, транспирацию растительности, испарение с листьев и стеблей).

Величина испарения обычно выражается слоем воды (мм), испарившимся с рассматриваемой поверхности за единицу времени (мм/сут, мм/мес, мм/год) или объемом воды. Распределение величин испарения по поверхности земного шара зависит от климатических зон. Суммарное испарение с поверхности суши тесно связано со степенью увлажнения земной поверхности, которое характеризуется коэффициентом увлажнения:

 

Х0

Ку=----------

Z0

Где Х0 - норма суммы осадков; Z0– максимально возможное испарение (испаряемость).

Y – поверхностный сток – это процесс движения воды, происходящий в форме ее стекания по земной поверхности. Существуют следующие виды: склоновый, тальвеговый (балки, лога), речной сток. При воднобалансовых исследованиях суши обычно рассматривается суммарный сток.

Количественно речной сток может быть охарактеризован в любом поперечном русле реки объемом воды, прошедшим за определенный период времени (м3, км3) или расходом воды (л/с, м3/с). Величина речного стока может быть охарактеризована модулем стока – это расход стока (л/с) с 1 км2 площади водосбора.

Где Q – расход воды (м3/с); F – площадь водосбора (л/с * км2)

 

Также может быть охарактеризован слоем стока:

Где Y – слой стока (мм/год), Q – объем стока (м3/год); F – площадь водосбора (м2).

 









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.