2.1 Lagring av vatten i hydrosfären

Hydrosfären omfattar de delar av jorden som till största delen består av vatten, t.ex. oceaner, isar, sjöar och floder. Olika delar av hydrosfären kan ses i figur 2.1. Haven är blå, snö och is är vita i Antarktis isar och på höga berg som Kilimanjaro. (De gula och bruna områdena är öknar, och vegetationen framstår som grågrön.)

Figur 2.1 En vy av jorden från Apollo 17 1972. De blå områdena är hav, de vita virvlarna är moln och det enhetligt vita området är Antarktis platåglaciär.

Vatten rör sig över, på och genom jorden i en kontinuerlig cykel som drivs av solen och gravitationen. Det kallas vattencykeln eller den hydrologiska cykeln (visas av de blå pilarna i figur 2.2) och omfattar vatten i flytande form, fast form (is och snö) och gasform (vattenånga). Vatten kan ta många olika vägar genom kretsloppet, men den totala volymen vatten i vattenkretsloppet förblir praktiskt taget konstant. Det finns två huvudtyper av vatten i kretsloppet:

1. meteorvatten, som är färskvatten som härrör från kondensation från atmosfären och som ackumuleras som ytvatten (floder och sötvattensjöar) och underjordiskt vatten;

2. saltvatten, havsvattnet i oceanerna och många sjöar.

Figur 2.2 Vattenets, eller den hydrologiska, cykeln. Vatten rör sig (blå pilar) mellan reservoarer (rutor) i hydrosfären.

Små mängder magmatiskt vatten från jordens inre tillförs kretsloppet genom vulkanutbrott. Å andra sidan är vatten som är instängt i sedimentens porer, formationsvatten, åtminstone på kort sikt isolerat från vattencykeln. Det kan antingen vara vatten som ursprungligen fastnade i sedimenten under deras bildning eller vatten som senare trängde in i stenarna. Bildningsvattnet är vanligtvis salt, främst eftersom de flesta sediment är marina och det vatten som fångats i sedimenten skulle vara havsvatten.

Alla delar av hydrosfären lagrar vatten tillfälligt och kallas för reservoarer. Dessa naturliga reservoarer i hydrosfären ska inte förväxlas med de av människan byggda reservoarer som används för att lagra vatten på land: atmosfären är till exempel en reservoar som innehåller 13 × 1015 kg vatten. Studiet av vattnets rörelser på och under marken och vattnets fysik och kemi kallas hydrologi.

Vatten uppehåller sig olika länge i olika reservoarer. Den genomsnittliga tiden som vatten stannar i en reservoar innan det flyttas till en annan kallas uppehållstiden för den reservoaren (tabell 2.1). En reservoar i hydrosfären töms och fylls på i samma takt, och uppehållstiden beräknas utifrån fyllnadsgraden i förhållande till reservoarens volym. Det kan finnas flera sätt på vilka vatten överförs till och från en reservoar (figur 2.2).

Till exempel kan man beräkna uppehållstiden för floder, om man antar att den enda betydande överföringen från floder sker genom avrinning:

Residenstid är ett begrepp som kan tillämpas på vilken cyklisk process som helst, inte bara vattencykeln. Figur 2.2 visar att kretsloppets överföringar är i balans: särskilt vatten som förloras till atmosfären genom avdunstning och transpiration balanseras av vatten som återförs genom nederbörd. Residenstiden ger en indikation på hur snabbt vattnet i en reservoar i hydrosfären kan förnyas. Den kortaste uppehållstiden, 11 dagar, gäller för vattenånga i atmosfären, som ständigt förnyas genom avdunstning från hav och land och förloras genom nederbörd. Detta är en snabb delcykel av vattencykeln. Delcykler som involverar haven, inlandsisen och underjordiskt vatten är mycket långsammare (tabell 2.1).

Det finns en stor mängd färskvatten som är inlåst i polarisarna (tabell 2.1), men dessa ligger långt från befolkningscentra och de torra länder som behöver det. Det är för närvarande inte ekonomiskt lönsamt att transportera detta vatten, men det kan bli det i framtiden.

Bortsett från haven och inlandsisen finns den största vattenvolymen under jord, lagrad i porösa bergarter under jordytan. Det ytligare underjordiska vattnet rör sig ganska snabbt genom kretsloppet och är sötvatten, så det kan användas för vattenresurser. Men det utgör bara en liten del av det totala underjordiska vattnet, och dess uppehållstid är relativt kort, från några veckor till några år. Underjordiskt vatten på några hundra meters djup rör sig långsammare genom kretsloppet och uppehållstiden är mycket längre, upp till tiotusen år (tabell 2.1). Mycket av detta vatten är salt, antingen för att det har haft tid att lösa upp salter från bergarterna eller för att det kommer från havsvatten.

Världens sjöar innehåller stora vattenvolymer (tabell 2.1) och är mer lättillgängliga än polarisarna. Över hälften av dessa sjöar är dock salthaltiga (figur 2.3), och 80 % av vattnet i sötvattensjöarna förekommer i endast 40 stora sjöar, däribland de stora sjöarna i Nordamerika (32 × 1015 kg) och Bajkalsjön i Asien (22 × 1015 kg). Floder är mycket användbara som vattenresurser. Även om de lagrar mycket lite vatten (tabell 2.1) förnyas vattnet i dem snabbt – det har en uppehållstid på bara några veckor.

Figur 2.3 Döda havet, i Mellanöstern. Denna sjö innehåller stora mängder vatten, men är ännu saltare än havsvatten, så det är inte praktiskt möjligt att använda den som vattenresurs.

Vattnet som finns i underjorden och i platåglaciärer, sjöar och floder utgör cirka 4 % av den totala mängden i vattnets kretslopp; men eftersom det djupare underjordiska vattnet, platåglaciärerna och de saltsaltade sjöarna inte kan användas som vattenkällor för tillfället är den vattenmängd som kan användas för vattenresurser mycket mindre, endast cirka 1 % av den totala mängden. Detta vatten är mycket ojämnt fördelat, vilket kan uppskattas när vi hör om den omfattande vattenbristen och torkan i många delar av världen. För att förstå problemen med tillgång och fördelning av vatten mer i detalj ska vi nu titta på de processer i vattencykeln som överför vatten mellan hydrosfärens reservoarer.