2.1 Magazynowanie wody w hydrosferze
Hydrosfera obejmuje te części Ziemi, które składają się głównie z wody, takie jak oceany, pokrywy lodowe, jeziora i rzeki. Różne części hydrosfery można zobaczyć na Rysunku 2.1. Oceany są niebieskie, śnieg i lód są białe w czapach lodowych na Antarktydzie i w wysokich górach, takich jak góra Kilimandżaro. (Żółte i brązowe obszary to pustynie, a roślinność jest szaro-zielona.)
Woda przemieszcza się nad, na i przez Ziemię w ciągłym cyklu napędzanym przez Słońce i grawitację. Jest on znany jako cykl wodny lub cykl hydrologiczny (pokazany niebieskimi strzałkami na Rysunku 2.2) i obejmuje wodę w postaci ciekłej, stałej (lód i śnieg) i gazowej (para wodna). Woda może przebywać wiele różnych dróg w tym cyklu, ale całkowita objętość wody w cyklu wodnym pozostaje praktycznie stała. Istnieją dwa główne rodzaje wody w cyklu:
-
woda meteoryczna, czyli woda słodka pochodząca z kondensacji z atmosfery, która gromadzi się jako woda powierzchniowa (rzeki i jeziora słodkowodne) i podziemna;
-
woda słonawa, czyli woda morska oceanów i wielu jezior.
Niewielkie ilości wody magmowej z wnętrza Ziemi są dodawane do cyklu przez erupcje wulkaniczne. Z drugiej strony, woda uwięziona w porach osadów, woda formacyjna, jest, przynajmniej w krótkim okresie, odizolowana od cyklu wodnego. Może to być zarówno woda, która została pierwotnie uwięziona w osadach podczas ich formowania, jak i woda, która przesączyła się do skał później. Woda formacyjna jest zwykle słona, głównie dlatego, że większość osadów jest morska i woda uwięziona w osadach byłaby wodą morską.
Wszystkie części hydrosfery przechowują wodę tymczasowo i są nazywane zbiornikami. Tych naturalnych zbiorników hydrosfery nie należy mylić ze zbiornikami zbudowanymi przez człowieka, służącymi do przechowywania wody na lądzie: na przykład atmosfera jest zbiornikiem zawierającym 13 × 1015 kg wody. Badanie ruchu wody na i pod powierzchnią ziemi oraz fizyki i chemii wody nazywa się hydrologią.
Pytanie 3
Jakie są główne sposoby przenoszenia wody między różnymi zbiornikami hydrosfery pokazanymi na Rysunku 2.2?
Odpowiedź
Parowanie i transpiracja, opady atmosferyczne, spływy z lądu i podziemne spływy wody do oceanu.
Woda przebywa przez różną długość czasu w różnych zbiornikach. Średni czas przebywania wody w danym zbiorniku przed przejściem do innego nazywamy czasem przebywania w tym zbiorniku (tabela 2.1). Zbiornik hydrosfery opróżnia się i uzupełnia w tym samym tempie, a czas przebywania obliczany jest na podstawie tempa uzupełniania wody w stosunku do objętości zbiornika. Może być kilka sposobów, w jaki woda jest przenoszona do i ze zbiornika (Rysunek 2.2).
Na przykład czas przebywania dla rzek, przy założeniu, że jedynym znaczącym transferem z rzek jest odpływ:
Tabela 2.1 Czasy przebywania wody w obiegu wodnym.
| Zbiornik wodny | Procent całkowitej wody | Czas przebywania |
|---|---|---|
| ocean | 95.9 | około 4000 lat |
| czapy lodowe | 3.0 | około 800 lat |
| wody podziemne | 1.0 | kilka tygodni do ponad 10 000 lat |
| jeziora | 0,025 | kilka lat |
| wilgotność gleby | 0.005 | kilka tygodni do 1 roku |
| atmosfera | 0,001 | około 11 dni |
| rzeki | 0.000 07 | kilka tygodni |
Czas przebywania jest pojęciem, które można zastosować do każdego procesu cyklicznego, nie tylko do cyklu wodnego. Rysunek 2.2 pokazuje, że transfery w cyklu są w równowadze: w szczególności, woda tracona do atmosfery przez parowanie i transpirację jest równoważona przez wodę zwracaną przez opady. Czas przebywania wskazuje, jak szybko woda w zbiorniku hydrosfery może zostać odnowiona. Najkrótszy czas przebywania, 11 dni, dotyczy pary wodnej w atmosferze, która jest nieustannie odnawiana przez parowanie z oceanów i lądów, a tracona przez opady. Jest to szybki podcykl cyklu wodnego. Podcykle obejmujące oceany, pokrywy lodowe i wody podziemne są znacznie wolniejsze (Tabela 2.1).
Duża ilość słodkiej wody jest zamknięta w polarnych pokrywach lodowych (Tabela 2.1), ale znajdują się one daleko od skupisk ludności i krajów suchych, które jej potrzebują. Transport tej wody jest obecnie nieekonomiczny, ale może stać się taki w przyszłości.
Oprócz oceanów i czap lodowych, największe ilości wody znajdują się pod ziemią, zmagazynowane w porowatych skałach pod powierzchnią Ziemi. Płytsza woda podziemna dość szybko przechodzi przez obieg i jest wodą słodką, więc może być wykorzystywana do produkcji zasobów wodnych. Stanowi ona jednak tylko niewielką część całej wody podziemnej, a czas jej przebywania jest stosunkowo krótki – od kilku tygodni do kilku lat. Woda podziemna znajdująca się na głębokości poniżej kilkuset metrów przemieszcza się w cyklu wolniej, a czas jej przebywania jest znacznie dłuższy, nawet do dziesięciu tysięcy lat (tabela 2.1). Duża część tej wody jest słona, ponieważ miała czas na rozpuszczenie soli ze skał lub pochodzi z wody morskiej.
Światowe jeziora zawierają duże ilości wody (Tabela 2.1) i są bardziej dostępne niż polarne czapy lodowe. Jednak ponad połowa tych jezior jest zasolona (rysunek 2.3), a 80% wody w jeziorach słodkowodnych występuje tylko w 40 dużych jeziorach, w tym w Wielkich Jeziorach Ameryki Północnej (32 × 1015 kg) i w jeziorze Bajkał w Azji (22 × 1015 kg). Rzeki są bardzo użyteczne z punktu widzenia zasobów wodnych. Chociaż magazynują bardzo mało wody (tabela 2.1), woda w nich jest szybko odnawiana – jej czas przebywania wynosi zaledwie kilka tygodni.
Woda znajdująca się pod ziemią i w pokrywach lodowych, jeziorach i rzekach stanowi około 4% całości w obiegu wody; ale ponieważ głębsze wody podziemne, pokrywy lodowe i słone jeziora nie mogą być obecnie wykorzystywane jako źródła wody, ilość wody, która może być wykorzystana do zasobów wodnych jest znacznie mniejsza, tylko około 1% całości. Woda ta jest rozmieszczona bardzo nierównomiernie, co można docenić, gdy słyszymy o rozległych niedoborach wody i suszach w wielu częściach świata. Aby bardziej szczegółowo zrozumieć problemy dostępności i dystrybucji wody, przyjrzymy się teraz procesom w cyklu wodnym, które przenoszą wodę między zbiornikami hydrosfery.