Эксклюзив
Садчиков Анатолий Павлович
21 апреля 2015
2742

Анатолий Садчиков: Круговорот воды в природе. Как это происходит?

Вся вода на Земле независимо, где она находится, на земле или в море, имеет общее родство. Из этого следует, что воды огромной реки Амазонки рано или поздно могут выпасть со снегом на территории нашей страны, в половодье попасть в Волгу и, в конечном счете, оказаться в Каспийском море. А вода из небольшой лужицы, скажем где-то под Рязанью, испарившись, может оказаться далеко от родных мест, в океане. И будет она там перебирать прибрежный песок какого-нибудь тропического острова. На нашей планете вода находится в постоянном движении, которое называется круговоротом воды в природе. А этот гигантский маховик приводит в движение теплые лучи нашего Солнца.

 В тиши густого леса журчал  ручеек. Его тонкая струйка, извиваясь, текла между корнями деревьев. Он пробился на поверхность земли у огромного камня в глубине оврага. Казалось,  какой-то великан сдвинул его и выпустил из темницы журчащую струйку. Ручеек громко на весь лес извещал всему живому, что принес в лес холодную и чистую воду и теперь никакая жара не страшна его обитателям.

  Вода ручьев (их еще называют родниками) обладает целебными свойствами. Она не только утоляет жажду, но и залечивает раны, исцеляет больных и придает силы здоровым. Вы, наверное, заметили? Стоит выпить немного холодной родниковой воды и усталость, как будто ее и не было вовсе. Поэтому все обитатели леса – больные и здоровые ежедневно приходили или прилетали к ручейку попить его водицы.

  Птицы просыпались рано, с первыми лучиками солнца. Они щебетаньем радостно приветствовали жизнерадостную струйку: «Здравствуй, ручеек. Какая прекрасная погода! Спасибо тебе за вкусную воду». Ручеек подставлял им свои струйки: «Пейте, пожалуйста, у меня воды много, на всех хватит». Затем он, не переставая, рассказывал им, как долго скитался по свету, прежде чем оказаться в их лесу. Его родина – огромный соленый океан, где порой бушуют сильные штормы и волны достигают высоты больших деревьев. Там простор, плавают большие корабли и много рыбы.

Ручеек продолжал рассказывать. Когда было жарко, он вместе с друзьями взбирался на серебристые облака и прыгал в родной океан. Это было здорово и весело. Маленькая капелька выпрыгивала из воды, ее подхватывал теплый ветер, и поднимал высоко вверх, пока она не достигала облаков. За это время капля постепенно уменьшалась в размере и становилась невидимой. Она превращалась в пар. Там, где находятся облака, несмотря на яркое солнце, очень холодно. Пар опять превращался в воду и с дождем падал в океан. Это увлекательное зрелище. Огромные корабли с такой высоты кажутся совсем маленькими, меньше тех корабликов, которые мальчишки пускают в ручейках. А еще приятнее с головокружительной скоростью падать вниз. Корабль, который был не больше булавочной головки, с огромной скоростью несется навстречу. Наконец,  капля со шлепком попадает в объятия друзей.

Конечно, такая игра очень опасная. Бывало, невесть откуда налетал сердитый ветер и уносил облака с находящимися там каплями воды. Ветер носил их по всему свету, а они крепко держались за облако, надеясь, что рано или поздно окажутся в родном океане, где опять будут резвиться на его просторах.

Нашему ручейку пришлось в жизни пережить много неприятностей. Однако, несмотря на это, оставался веселым, жизнерадостным и при любой возможности помогал окружающим. Причем, делая добро, он никогда не ожидал за это плату. Если его хвалили и благодарили, он радовался, а если не замечали, тоже не унывал. Хорошее дело всегда будет замечено и оценено. Ручеек понимал, делая добро другим, в первую очередь делаешь его себе, для собственного удовлетворения.

Ручеек рассказывал и рассказывал… Давайте и мы присядем на берегу ручейка, выпьем холодной водицы и послушаем его удивительную историю.

***

Вся вода на Земле независимо, где она находится, на земле или в море, имеет общее родство. Из этого следует, что воды огромной реки Амазонки рано или поздно могут выпасть со снегом на территории нашей страны, в половодье попасть в Волгу и, в конечном счете, оказаться в Каспийском море. А вода из небольшой лужицы, скажем где-то под Рязанью, испарившись, может оказаться далеко от родных мест, в океане. И будет она там перебирать прибрежный песок какого-нибудь тропического острова. На нашей планете вода находится в постоянном движении, которое называется круговоротом воды в природе. А этот гигантский маховик приводит в движение теплые лучи нашего Солнца.

На нашей планете содержится 1,5 млрд. кубических километров воды, причем около 97% ее находится в океане. Остальная вода сконцентрирована во льдах Антарктиды,  Гренландии и на суше. Пресная вода, пригодная для питья, составляет менее 1% мировых запасов воды, большая часть которых сосредоточена в озерах и реках, которые несут свои воды опять же в моря и океаны.

Повсюду на Земле вода течет сверху вниз, и только в газообразном состоянии, в виде водяного пара, она поднимается вверх. Под жаркими лучами солнца воды Мирового океана (а он занимает две трети поверхности Земли) испаряются. В среднем с одного квадратного километра поверхности океана испаряется в год около 1000 тонн воды. В тропиках, где немилосердно печет солнце, эта величина возрастает в 2-3 раза. Там над безбрежными просторами океана в воздухе собирается огромное количество невидимых паров воды. Оттуда начинаются ветры, ураганы, тайфуны, которые разносят водяной пар по всему земному шару, в том числе на сушу. Именно океанская вода в виде пара обеспечивает водоснабжение суши. Водяные пары в атмосфере – пожалуй, единственный источник воды суши.

Чем выше температура воздуха, тем больше скорость испарения. Это мы хорошо знаем, так как летом лужи после дождя высыхают очень быстро. В то же время испарение ускоряется при усилении ветра. Ветер относит увлажненный воздух от испаряющейся поверхности и заменяет его более сухим. Чем суше воздух, тем сильнее испарение. Испаряется не только вода, но и лед, снег. Скорость  испарения льда во влажном воздухе невелика, но в сухом климате приближается к скорости испарения воды. Теперь понятно, почему быстро сохнет на морозе мокрое белье?

Нагретый воздух вместе с невидимым паром поднимается высоко вверх. А там очень холодно. Температура в атмосфере убывает на 6,5оС на каждый километр высоты. На больших высотах температура воздуха опускается до  – 30-40оС и более (давайте вспомним сообщение стюардессы, когда летим на самолете). По мере охлаждения воздуха в нем образуются мельчайшие капельки водяного пара, которые становятся видимыми. Так образуется облако. Из законов физики известно, при парообразовании происходит потребление тепла, а при конденсации пара (при его превращении обратно в воду) это тепло выделяется и нагревает окружающий воздух, заставляя его подниматься еще выше. Если поверхность океана непрерывно продолжает подавать водяной пар в верхние слои атмосферы, облако растет в вышину. Оно может достичь 10 километров и более.

 Наконец, на некоторой большой высоте этот, насыщенный водяными парами,  воздух резко охлаждается с выделением большого количества тепла. За счет перепада температуры и давления  происходит перемещение воздушных масс, т.е. образуется ветер. Мощные перепады приводят к образованию ураганов. В этих холодных слоях происходит образование кристалликов льда непосредственно из водяного пара. В результате выпадает уже не дождь, а снег и град.

При кажущейся легкости и воздушности облака содержат большие количества воды, от 1 до 10 граммов в кубическом метре. Поскольку объемы облаков велики (десятки кубических километров), то даже одно облако  может содержать в виде капель или кристалликов льда сотни тонн воды. Эти гигантские водные массы непрерывно переносятся воздушными потоками над поверхностью земли, приводя к перераспределению не только воды, но и тепла.

Большая часть дождя (до 90%) проливается здесь же над водами океана. Часть облаков ветер гонит на сушу, где эти тучки проливаются дождем. Вот что писал М.Ю.Лермонтов о них:

«Тучки небесные, вечные странники!...

...Вечно холодные, вечно свободные...»

Однако для конденсации находящегося в облаке пара (превращения в мельчайшие капельки воды или кристаллики льда) недостаточно одного только охлаждения. Для этого необходимы ядра конденсации – твердые частицы. А их в атмосфере много – пыль, дым, пыльца растений, споры грибов (над сушей), крупинки соли (над океаном). Они настолько малы, что свободно парят в воздухе. Морской воздух буквально насыщен мельчайшими частицами соли. Такой воздух, соответственно, обладает целебными свойствами. По свидетельству выдающегося ученого В.И.Вернадского среднее содержание солей в облаке составляет около 34 мг на один литр воды. Так что дождевая вода, еще находясь в облаке уже, содержит некоторое количество солей.

На поверхности твердых частиц осаждаются первые мельчайшие капельки воды. Восходящие воздушные потоки устремляют капельки вверх. В этом вихре они сталкиваются, слипаются и укрупняются. Это хорошо заметно на лобовом стекле автомобиля. Наконец, капли становится настолько тяжелыми, что воздушный поток уже не может удержать их в воздухе, они начинает падать. Так начинается дождь. У моросящего дождя размер капель не превышает 0,1 мм, а при ливне капли достигают 6 мм. Такой дождь, соответственно, приносит значительно больше влаги. Не удивительно, что жадный синьор Помидор, управляющий графинь Вишен, пытался установить арендную плату за дождь: за простой – 100 лир, а за ливень – 200 лир (Джанни Родари «Приключения Чиполлино»).

Чтобы искусственно вызвать дождь, на самолетах в облаке распыляют различные соли, твердую углекислоту, мельчайшие пылевые частицы. В результате в этом месте проливается дождь, а дальше по пути следования облака дождя чаще всего не бывает.

Нахождение капель воды в облаке чем-то сходно с удерживанием шарика воздушным потоком в занятной игрушке. На конце изогнутой трубки имеется небольшая «корзинка», в которой находится шарик. Когда мы дуем в трубку, воздушный поток поднимает шарик и удерживает его на некотором расстоянии от трубки. Однако, как только мы перестаем дуть в трубку, шарик падает. То же самое происходит и с каплями. Теплый воздух, поднимающийся с поверхности земли, удерживает во взвешенном состоянии небольшие капли воды. Когда восходящий поток ослабевает, скопившаяся в воздухе масса вода низвергается на землю. В результате выпадает сильный и короткий ливень. Если восходящий поток достаточно силен, он может поддерживать во взвешенном состоянии не только капли воды, но и тяжелые градины.

Образование снега и града происходит аналогичным образом. В этом случае переохлажденные капли превращаются в кристаллики льда, из которого формируются снежинки. Град образуется в вихре мощных восходящих потоков, когда капли воды то поднимаются в холодные слои воздуха, где они замерзают, то опускаются в более теплые, где они покрываются новыми каплями воды. И так много раз. Если градину распилить, то срез будет походить на годовое кольцо дерева.

Полная смена воды в атмосфере происходит всего за полторы недели. Часть воды оказывается на суше, однако и в этом случае дождевая вода рано или поздно попадет в реки, которые отдают свои воды морям и океанам. Так, одна только Амазонка в Южной Америке выносит в Атлантический океан около 20% всего мирового речного стока. А крупных рек, которые отдают свои воды тому или иному океану достаточно много: Северный Ледовитый океан питают Обь, Енисей, Лена, Тихий океан – Хуан Хе, Янцзы, Амур, Индийский океан – Тигр, Евфрат, Ганг, Атлантический океан – Конго – с одной его стороны, а Амазонка и Миссури – с другой. А сколько более мелких рек несут пресные воды в моря и океаны – не счесть.

Самое неприятное для дождевых  капель, когда они выпадают в виде снега в районах полюсов или в горах. Там они превращаются в лед и надолго теряют связь с океаном. Около ¾; всех пресных вод содержится в полярных шапках (Антарктиде, Арктике, Гренландии) и ледниках высоко в горах. Возраст некоторых из них сотни, а то и тысячи лет. Вторая неприятность – это когда вода попадает в грунт и тогда она надолго теряет связь не только с океаном, но и с белым светом.

Нашему ручейку не повезло, он оказался высоко в горах. Это случилось,  когда

       ...«Ночевала тучка золотая

       На груди утеса-великана;

       Утром в путь она умчалась рано,

       По лазури весело играя;»

                                       (Утес. М.Ю.Леромонтов)

Тучка уплыла, а ручеек превратился в холодную ледышку. «Все – подумал ручеек – теперь я надолго останусь здесь и неизвестно когда попаду домой». Однако когда он немного пообвык, узнал, что из каждой неприятности имеется выход. Ручеек выяснил, что снежинки в горах прессуются и превращаются в лед, а он пластичен и текуч. Поэтому ледники, как реки, текут в ущельях среди гор. Сходство настолько велико, что по краям ледника лед движется медленнее, чем посередине, подобно тому, как в реке скорость течения у берегов меньше, чем на стрежне реки.

Чтобы проверить это, проведем простой опыт. Заморозим в пластиковой бутылке воду, перевернем ее и срежем дно. Сверху положим небольшой груз. Через некоторое время из отверстия будет вытекать лед, как зубная паста из тюбика.

Крупные реки текут со скоростью в среднем около 100 км в сутки, тогда как скорость движения ледников не превышает нескольких сотен метров в год. Так, ледники в Альпах текут со скоростью 180 метров в год,  ледник Федченко в горах Таджикистана движется со скоростью немногим более 200 м/год. Скорость движения некоторых гигантских ледников в Центральной Азии достигает 800 м/год. Ледники Антарктиды, сползающие в море, движутся со скоростью 500 м/год. Скорость движения ледников во многом зависит от перепада высот; чем круче склон, тем быстрее текут эти замерзшие реки.

Проходит достаточно много времени, прежде чем ледник сползает в долину и начинает таять. За время  пути ледник покрывается пылью и обломками скал. Снизу ледник несет с собой гальку, песок, глину. Ведь он, как плуг, выпахивает себе борозду в самых твердых породах и, как жерновами, перетирает обломки скал. Подстилка из измельченного материала облегчает движение ледника, а пыль и грязь на поверхности способствуют его быстрому таянию.

И вот, далеко внизу, в долине, из-под застывшей ледяной глыбы, весело журча, начинают бежать холодные струйки воды. Они постепенно набирают силу и превращаются в грозные горные потоки, которые все крушат и сметают на своем пути. Помните стихотворение М.Ю.Лермонтова «Дары Терека»?:

«Терек воет, дик и злобен,

Меж утесистых громад,

Буре плач его подобен,

Слезы брызгами летят».

В умеренном климате таяние снега начинается весной и в это же время наблюдается половодье. Таяние высокогорных ледников происходит летом, поэтому разлив рек, которые питаются талыми ледниковыми водами, чаще всего происходит во второй половине лета.

Итак, наш «ручеек» грозно понесся в долину, неся с собой валуны, гальку и песок. «Наконец-то, – радостно вздохнул он – скоро я буду дома и увижу своих родных». Еще немного, и он встретится с морскими водами. Однако судьба еще раз сыграла с ним злую шутку.

В долине течение замедлилось. Валуны, которые воды безжалостно перемалывали и перекатывали с места на место, остались далеко позади. Река успокоилась, и ничто не указывало на ее когда-то буйный нрав. Одни только глинистые частицы в водах выдавали ее. Когда до моря оставалось совсем немного, ручеек попал в отводной канал, из которого берут воду для полива растений. Такую воду стараются использовать как можно экономнее, чтобы большая ее часть досталась растениям. Однако, несмотря на это, много воды  теряется, – испаряется или просачивается в почву.

Попав в отводной канал, наш ручеек предполагал, что попадет в растение, и станет его соком. Это его устраивало, так как знал, что около 90% потребленной растениями воды испаряется и, в конечном счете, оказывается в облаке. Однако ему и на этот раз не повезло, он начал постепенно просачиваться в почву ...

***

А теперь мы на время оставим нашего ручейка в покое и расскажем как вода попадает в землю, в темницу. Чаще всего это случается с дождевыми водами, и с такими невезучими, как наш ручеек. Для этого нам придется попутешествовать вместе с ней, спуститься под землю, где постоянный мрак, и тогда мы увидим много  интересного, если, конечно, не побоимся этого.

Большая часть выпавшей с дождем воды испаряется или стекает по поверхности  земли, образуя большие и малые реки, озера, пруды. Избыточная вода (а это наименьшая ее часть) по щелям и трещинам просачивается вглубь земли.

Почва изобилует пустотами, которые представляют собой своеобразный лабиринт. Они, как пещеры с темными нависшими сводами и мрачными тупиками, переплетаются в сложном узоре и расходятся в разные стороны. Кроме того, почва пронизана ходами дождевых червей и других почвенных животных, которые способствуют проникновению в нее влаги.

Вода, просачиваясь в почву, способствует  почвенному дыханию; она заполняет пустоты и вытесняет из них застоявшийся воздух, богатый углекислым газом, метаном и другими газами. Это выдох. Когда почва высыхает или почвенная влага стекает вниз, в пустоты устремляется свежий богатый кислородом воздух. Это вдох.

Грунт – это своего рода сосуд, хотя он не имеет ни стенок, ни дна. Однако, несмотря на это, может вместить только строго определенный объем воды, ни грамма больше, ни грамма меньше. Это свойство, которое называется влагоемкостью грунта, зависит от вида грунта и его состава. Вы, наверное, замечали, песчаные почвы легко впитывают воду, тогда как глинистые – значительно хуже. Не успеет пройти дождь, как песчаная почва уже сухая, а там где глина – надолго остаются лужи.

Мелкие капли воды (в виде моросящего дождя или полива) легко просачиваются в почву и увлажняют ее, тогда как сильный ливень (или струя воды из шланга при поливе) уплотняет почву, образует на ее поверхности плотную корку, которая препятствует просачиванию в нее воды. Плотные почвы накапливают мало влаги, тогда как в хорошо разрыхленных и структурированных почвах количество влаги  значительно больше и она хорошо усваивается растениями. Накоплению воды в почве способствует находящийся там гумус. Он впитывает воду, затем постепенно отдает ее корням растений.

Воде не надо искать путь в запутанном лабиринте почвенных пустот. Уклон служит ей своеобразным компасом. Где-то просачиваясь в узкие щели, где-то свободно протекая маленьким ручейком, капли медленно и безостановочно продвигаются вглубь почвы.

Вначале вода заполняет верхний слой почвы. Если ее много, она все глубже и глубже проникает в грунт, пока не достигнет водоупорных слоев из глины или горных пород. Этот плотный слой не пропускает воду вглубь. Дальше вода начинает течь по склону над этим водоупорным слоем более или менее широким фронтом.  Двигаясь все дальше и дальше, она сливается с другими каплями, струйками, постепенно прекращается в своеобразный поток.

Как же стекает вода по этому склону? Проведем небольшой опыт. На наклонную доску положим губку, и будем понемногу лить на нее воду. Губка вначале будет впитывать ее, а уже потом, по мере насыщения, вода постепенно будет стекать по наклонной плоскости. Подобным образом текут подземные воды. Так образуются подземные ручьи, а если воды много – то и реки. Если на их пути встречается своеобразная чаша, окаймленная водонепроницаемыми породами, то образуется подземное озеро.

Говоря о подземных водах, мы иногда называем их реками, ручьями, озерами, однако необходимо иметь в виду, что это не совсем обычные реки и озера. Они совершенно не похожи на те, к которым мы привыкли, хотя у них есть много общих свойств. У подземных рек есть дно из водоупорных слоев глины и горных пород, есть берега, текут они по наклонной плоскости. Скорость во многом зависит от перепада высот. В них нет рыбы, но обитают живые существа – бактерии, простейшие,  примитивные черви, рачки. Эти животные имеют небольшие размеры, чтобы иметь возможность «протискиваться» через поры среди песчинок.

Подземные реки заполнены песком, галькой, валунами, сквозь которые медленно просачивается вода. Воды в буквальном смысле профильтровываются через них. Поэтому скорость потока зависит не только от наклона плоскости, но и от характера грунта. Наиболее проницаемы для грунтовых вод рыхлые речные и ледниковые отложения. Величина частиц грунта определяет объем пор, которые в песке, гальке или среди валунов сильно различаются. В пористом грунте, например, гравии, вода течет быстрее, в песке – медленнее, а в глине остается почти неподвижной.

Какова же скорость течения подземных вод?  Ее можно измерить с помощью деревенского колодца. Давайте полностью вычерпаем из него воду; через некоторое время  колодец заполнится вновь. Если скорость подземного потока высокая, колодец заполнится быстро, а если низкая – то медленно. Используя несколько таких колодцев, можно определить скорость течения подземных рек. Деревенские колодцы раз в несколько лет чистят, убирают муть, которая забивает поры и не дает воде свободно просачиваться через водоносную породу.

Ученые установили, что подземные реки текут очень медленно – от нескольких миллиметров до десяти метров в сутки. В галечниках скорость потока около 10 метров в сутки, на песчаниках и супесях 0,1-1 м/сут., а в глинах – менее 1 мм/сутки. Если вода оказывается на глубине 1-2 км, то она остается там чуть ли на десять тысяч лет; скорость ее течения не превышает одного метра в год. Специалисты считают, что такие глубинные воды накапливаются веками и возобновляются (т.е. обмениваются с поверхностными водами) не ранее чем через 8-10 тысяч лет. Теперь понятно, почему наш ручеек загрустил, когда оказался в царстве Аида.

Если в глубине земли водоносные слои пересекаются и соединяются, то давление в одном из них повышается. Так образуются напорные грунтовые воды. Если пробурить скважину до их уровня, то вода под давлением поднимется на поверхность. Это и есть артезианский колодец. Аналогичное, происходит и с обычным деревенским колодцем. Давление в колодце несколько ниже, чем в водоносном слое, поэтому уровень воды в нем выше, чем глубина самого водоносного слоя. Изменение атмосферного давления влияет на наполняемость колодца. Во время ненастья (а его приносит циклон) атмосферное давление, как правило, понижается. Из-за этого уровень воды в колодце повышается. При низком атмосферном давлении из почвы, болот, водоемов выходят накопившиеся там газы. Так что изменение атмосферного давления способствует вентиляции почвы и сказывается на наполняемости колодца.

Если водоносный пласт выходит на склоне холма, оврага или обрыва, из него вытекает ручей, что и произошло с нашим ручейком. Подземные воды чаще всего хорошо отфильтрованы и в большинстве случаев отличаются кристальной чистотой и приятным вкусом. А качество воды и ее химический состав во многом зависит от грунта, в котором она протекает.

 
А.П.Садчиков,
профессор МГУ имени М.В.Ломоносова,
вице-президент Московского общества испытателей природы (http://www.moip.msu.ru ).

 

Рейтинг всех персональных страниц

Избранные публикации

Как стать нашим автором?
Прислать нам свою биографию или статью

Присылайте нам любой материал и, если он не содержит сведений запрещенных к публикации
в СМИ законом и соответствует политике нашего портала, он будет опубликован