Одним из основных вопросов, возникающих в начале настоящего исследования, является определение понятия «влагооборот» и установление его значения в природе и преобразующей деятельности человека.
В отличие от широко распространенного представления о влагообороте как об интенсивности влагообмена между атмосферой, с одной стороны, и океаном и сушей, с другой, представляется необходимым расширить это понятие ввиду накопления новых материалов, характеризующих сложные связи геосфер между собой и с Космосом.
С. П. Хромов (1952) одним из первых стал рассматривать влагооборот как самостоятельный фактор образования климата. В исследованиях М. И. Будыко (1956) большое внимание уделено тесной связи теплового баланса, водного баланса и влагооборота суши. К. И. Кашин и X. П. Погосян (1950) акцентировали внимание на циркуляции атмосферы как факторе сильного воздействия на влагооборот атмосферы. О. А. Дроздов (1952, 1963) придает большое значение в формировании влагооборота атмосферы как циркуляции, так и состоянию и свойствам подстилающей поверхности.
На смену прежним воззрениям о влагообороте как одном из проявлений круговых процессов или круговоротов, вольно или невольно исключающих развитие в природе, появилась необходимость разработать новое понимание существа протекающих при этом процессов. Достоверно можно сказать, что в природе не существует замкнутых круговоротов. Любой круговорот разомкнут и вместе с тем сомкнут, что в полной мере относится и к понятию о влагообороте. Так, вода, испарившаяся с поверхности океана, частично выпадает снова на его поверхность в виде жидких или твердых осадков, что представляет собой частичный круговорот; в то же время часть ее переносится в виде паров на сушу, откуда полностью она никогда не поступает обратно в океан, так как некоторую массу ее растения связывают и разлагают безвозвратно. Изменяется также биохимический состав выпавших на сушу атмосферных осадков. Эта вторая ветвь влагооборота не повторяется, являясь, таким образом, разомкнутой.
Рассмотренный пример приводит к выводу о неполноценности термина влагооборот (в обычном понимании), с чем нельзя не согласиться. Однако замена его каким-либо другим термином, например, словом «обмен» или «взаимообмен», к сожалению, ничего не меняет, так как новый термин не отражает развития в природе.
Очевидно, нет острой необходимости прибегать к новому термину. В дальнейшем мы будем пользоваться, когда это необходимо, общепринятым термином «влагооборот», вкладывая в это понятие сложные процессы направленного влагообмена между атмосферой Земли и Космосом, с одной стороны, между атмосферой и другими геосферами Земли, с другой.
Все эти процессы влагообмена в нашем понимании можно объединить под названием общего влагообмена, или общего влагооборота. Они характеризуют суммарный итог влияния многих противоречивых процессов на общий объем, массу, мобильность всей гидросферы и отдельных ее видов в геологическом аспекте.
Интенсивность общего влагооброта, осуществляемого через атмосферу, зависит не только от условий в Космосе и солнечной активности, что не подлежит сомнению, но также от состояния и свойств других геосфер, с которыми атмосфера находится в постоянном взаимодействии.
Изолированных геосфер не существует в природе, так как все они взаимно проникают друг в друга, хотя их качественное обособление очевидно. Гидросфера, например, без которой не может быть влагооборота, представлена не только скоплением воды в океанах и морях, реках, озерах, где она находится в свободном состоянии, но также и подземными водами литосферы, где большая часть ее существует в связанном состоянии и во влагообороте участия не принимает. От соотношения свободной и связанной воды гидросферы в каждом геологическом периоде зависит интенсивность общего влагооборота. В этом отношении большое влияние на влагооборот могут оказывать масштабы оледенения.
Воды гидросферы пронизывают всю биосферу и всю атмосферу до значительных высот.
Как будет показано дальше, масса гидросферы не остается постоянной во времени. Она непрерывно изменяется за счет поступления воды из межпланетного пространства и утечки ее в обратном направлении, а также за счет поступления летучих соединений, в том числе воды, из глубоких недр Земли на ее поверхность. Изменение массы гидросферы влияет на соотношение площадей океана и суши, что в свою очередь влияет на интенсивность влагооборота.
Могучим регулятором интенсивности общего влагооборота является биосфера, в особенности фитосфера. Растения постоянно или периодически пополняют массу водяных паров атмосферы. Они же увеличивают количество свободного кислорода и водорода в атмосфере, разлагая воду в процессе фотосинтеза, что уменьшает массу гидросферы. Первый процесс (поступление водяных паров) способствует увеличению, второй — уменьшению интенсивности общего влагооборота.
На интенсивность влагооборота оказывает влияние также изменение массы зоосферы и численности населения. Увеличение плотности населения и животных на Земле, наряду с другими процессами (метаморфизм, вулканизм, почвенные процессы, сжигание топлива в промышленности и в быту), способствуют увеличению СО2 в атмосфере и гидросфере.
Увеличение СО2 в атмосфере может с течением времени изменить альбедо Земли, что в свою очередь должно увеличить «оранжерейный эффект» и соответственно повысить температуру тропосферы и интенсивность общего влагооборота.
Изменение соотношения суши и океана может оказывать прямо противоположное действие на интенсивность влагооборота в зависимости от того, в каком направлении оно протекает.
При наращивании суши и увеличении ее компактности и соответственно сокращении площади океана общий влагооборот неизбежно будет убывать за счет ослабления океанизации климата.
Можно было бы привести и другие примеры влияния теллурических факторов на интенсивность общего влагооборота, например влияние океанических течений.
С другой стороны, такие крупные процессы общепланетарного масштаба, как накопление осадочных отложений, образование коры выветривания и почв, фотосинтез и фоссилизация органического вещества в виде углей, битуминозных сланцев, нефти и природного горючего газа, оледенения переводят свободную воду гидросферы в связанное состояние, что в ряде случаев неизбежно должно было привести к уменьшению интенсивности общего влагооборота.
Аналогичное влияние может оказывать увеличение мощности земной коры в целом и ее проницаемость для летучих соединений.
В количественном выражении интенсивность общего влагооборота может быть оценена как частное от деления общего объема выпадающей за год воды из атмосферы на всю поверхность Земли на среднее содержание воды в атмосфере в газообразном и жидком виде:
где и — интенсивность влагооборота, w3 — общий объем (км3) атмосферных осадков, выпадающих за год на Землю, wа — общий объем (км3) воды в газообразном и жидком виде в атмосфере Земли. Приняв среднюю сумму атмосферных осадков за год для всей Земли в целом равной 1000 мм и поверхность Земли равной 5∙1018 см2, получим ш3 равным 500 000 км3. По сводке А. Польдерварта (1957), wа приблизительно равно 13 000 км3.
При этих исходных данных интенсивность общего влагооборота в современную эпоху характеризуется числом 38. По другим вычислениям она колеблется от 38 до 42.
Очевидно, чем больше число, характеризующее влагооборот, тем больше его интенсивность. Уменьшение числа будет указывать на уменьшение интенсивности влагооборота.
Если интенсивность общего влагооборота для всей Земли в целом (и = 38) принять за единицу (или за 100%), то интенсивность влагооборотов по широтам северного полушария будет иметь следующие значения:
Из этих данных видно, что минимальные значения интенсивности широтных влагооборотов соответствуют субтропическому и максимальные умеренному поясу, где сказывается большое влияние западно-восточного переноса воздушных масс.
К сожалению, далеко не всегда удается оценить влагооборот количественно, чаще всего приходится довольствоваться качественной оценкой, ограничивая исследование установлением основных тенденций развития общего влагооборота и отдельных его типов. Однако в недалеком будущем по мере накопления знаний пробелы в познании влагооборота на Земле будут несомненно заполнены, и решение крупных задач прикладного значения будет опираться на всесторонне обоснованную теорию влагооборота.
Подобно общему влагообороту можно количественно оценить интенсивность влагооборота любой природной зоны или провинции, если не ставить перед собой задачу установления доли внешних и внутренних атмосферных осадков во влагообороте, что не всегда бывает необходимо и является предметом специального исследования, не рассматриваемого в данной работе.
Влагооборот каждой природной зоны, взаимодействующий с общим влагооборотом Земли, представляет собой один из многих частных влагооборотов, испытывающих на себе влияние географического положения данной зоны, переменных по сезонам физических свойств подстилающей поверхности и общего влагооборота через атмосферную циркуляцию.
К числу частных влагооборотов мы относим влагообороты между атмосферой и литосферой, между атмосферой и биосферой. Частными являются влагообороты более мелкого масштаба, например влагообмен между почвой и атмосферой или растительным сообществом и атмосферой и т. д. Следовательно, влагообороты могут быть разных порядков и сложности. Все они развиваются не изолированно, а во взаимодействии друг с другом.
В геологическом аспекте по мере дифференциации и обособления геосфер изменялись и усложнялись типы влагооборотов, среди которых в дальнейшем будут выделены следующие.
а. Геокосмический влагооборот, возникновение которого связано с началом образования Земли как планеты. Этот тип влагооборота характеризует водообмен между Землей и Космосом, поступление воды и составляющих ее элементов из межпланетного пространства на Землю вместе с метеоритной и космической пылью, и обратно — из сферы притяжения Земли в Космос путем диссипации водорода или частичного ухода атомов в зодиакальное облако.
б. Атмосферно-океанический влагооборот, становление и развитие которого началось, по-видимому, с архея, когда образовался первичный мелководный океан, а суши почти не было, или она была представлена единичными небольшими островами.
в. Атмосферно — континентально — океанический. Этот тип влагооборота стал развиваться по мере становления материков. Это новая стадия развития атмосферно-океанического влагооборота. Однако этот последний в отдельных регионах продолжает развиваться и в современную геологическую эпоху, несмотря на то что с появлением материков он утратил общепланетарное значение.
г. Атмосферно-литосферно-биологический или атмосферно-почвенно-биологический. Появление влагооборота этого типа связано с возникновением и развитием биосферы, с обособлением педосферы, фитосферы и зоосферы, влияние которых на прочие геосферы постепенно приобретало общепланетарное значение, в особенности после выхода растений на сушу.
В нашем представлении фотосинтез в геологической истории выступает не только как космический процесс, на что в свое время не раз указывал К. А. Тимирязев, имея в виду изменение состава атмосферы и образование органического вещества путем сложных превращений солнечного и земного вещества и энергии.
Фотосинтез необходимо рассматривать также как процесс регулирования массы и объема гидросферы, так как часть воды, принимающей участие в фитохимических реакциях, он разлагает безвозвратно.
В дальнейшем мы неоднократно будем пользоваться термином безвозвратные потери воды, имея в виду разложение воды в результате ряда сложных процессов, в первую очередь фотосинтеза, с последующей частичной диссипацией водорода, связанного в органических соединениях, а также освобождаемого в процессе синтеза в коре выветривания минералов и в процессе фотодиссоциации воды в верхней атмосфере под действием солнечного ультрафиолетового излучения.
Мы разделяем взгляды В. И. Мороза (1967), X. Юнге (1965), Г. Д. Голланда (Holland, 1964), А. П. Виноградова (1962) и других о преобладающем воздействии фотосинтеза на процесс разложения воды с выделением кислорода. И хотя водород при этом оказывается связанным в синтезированном органическом веществе, однако в последующем он вновь высвобождается, поступая в атмосферу как в чистом виде, так и в виде СН4, NH3, H2S и других соединений.
Все это, однако, не исключает частичной рекомбинации воды в результате повторного соединения водорода с кислородом.
Каждый последующий тип влагооборота развивался на основе предыдущих, но это не следует понимать как их отрицание и полную замену новым более сложным типом влагооборота. В этом легко убедиться, если последовательно рассмотреть, какие типы влагооборота существуют на современной стадии развития природы Земли. Так, например, геокосмический влагооборот, один из древнейших типов влагооборота осуществляется между Землей и Космосом и в современную эпоху, хотя физико-химические условия этого процесса непрерывно изменялись за геологическую историю, вследствие изменения состава атмосферы, плотности и мощности земной коры массы и свойств воды гидросферы, возникновения и развития биосферы. К аналогичному выводу можно прийти, рассматривая историю развития других типов влагооборота.
Исследование процессов и явлений, определяющих развитие влагооборота в природе, тесным образом связано с задачами и нуждами хозяйственной деятельности человека. Эта органическая связь вытекает из преобразования человечеством природы, в результате чего образуется географическая среда, отличная от девственного состояния природы.
Без преувеличения можно сказать, что все без исключения виды преобразовательной деятельности человека не могут развиваться без участия воды. При этом особенно велика потребность в пресной воде, масса которой во всем объеме гидросферы составляет очень малую долю. С некоторым приближением ее можно принять равной 2% от всей массы гидросферы, включая поверхностные и подземные воды в свободном и связанном состояниях. Если расчет вести исходя из учета только поверхностных вод (масса воды в океанах и атмосфере, ледяных покровах, в реках и озерах), то и в этом случае пресная вода составляет только 3—4%. В абсолютных единицах масса ее равна приблизительно 0,6ХЮ1023 г.
Из этого небольшого количества на долю свободных пресных вод приходится очень мало воды. В основном это наиболее мобильная вода, принимающая участие во влагообороте между атмосферой и прочими геосферами, объем которой по неоднократным расчетам не превышает названную ранее цифру 500 000 км3.
К этому объему необходимо прибавить глубоко залегающие подземные пресные воды, запасы которых в несколько раз превышают запасы вод рек и озер. Мировой опыт эксплуатации подземных вод показывает, что возобновление их, по-видимому, протекает очень медленно, так как в подавляющем большинстве случаев запасы их довольно быстро истощаются. В этом отношении обнадеживающие результаты расчетов многих исследователей явно преувеличены и могут быть приняты во внимание при решении водохозяйственных проблем только при условии существенных поправок.
Большая часть пресной воды находится в связанном состоянии в ледяных покровах Антарктиды и Арктики, в нивальном поясе горных систем, в районах многолетней мерзлоты, где распространено подземное оледенение.
Суммарный объем ледниковых покровов, по современным расчетам, составляет около 25—35 млн. км3, что в 50—70 раз больше объема воды, принимающего участие во влагообороте. Это существенный для человечества резерв пресной воды, который неизбежно придется использовать в недалеком будущем более интенсивными темпами. А пока все основные водохозяйственные расчеты при проектировании преобразовательных мероприятий приходится основывать на свободных пресных водах, при участии которых в природе осуществляются разные типы влагооборота.
Понимание существа тенденций развития влагооборота в природе не безразлично для будущего человечества. Однако эта проблема очень сложна и осветить ее во всей полноте одному исследователю невозможно.
Количественные расчеты, выполненные автором для освещения отдельных сторон проблемы влагооборота, надо считать сугубо ориентировочными. Они дают некоторое представление о порядке величин и подлежат дальнейшему уточнению. В некоторых природных явлениях количественно оценить масштабы связывания или высвобождения воды пока не удается. Это задача будущих исследований.
Автор приносит глубокую благодарность д-ру геогр. наук проф. М. М. Ермолаеву, взявшему на себя большой труд по научному редактированию книги, а также сотрудникам библиотеки Всесоюзного географического общества, выполнившим кропотливую работу по подбору литературы. Особо автор благодарит своего неизменного многолетнего друга М. В. Алпатьеву за большую помощь и повседневную поддержку в работе над книгой. Автор будет признателен за все замечания и отзывы и примет их с благодарностью.
—Источник—
Алпатьев, А.М. Влагообороты в природе и их преобразования/ А.М. Алпатьев. – Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1969.– 323 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
