Koloběh vody - Water cycle

Globální koloběh vody 

Koloběh vody , také známý jako hydrologického cyklu nebo hydrologického cyklu , je biogeochemický cyklus , který popisuje kontinuální pohyb vody na, nad a pod povrchem Země . Hmotnost vody na Zemi zůstává v průběhu času poměrně konstantní, ale rozdělení vody do hlavních zásobníků ledu , sladké vody , slané vody (slané vody) a atmosférické vody je proměnlivé v závislosti na široké škále klimatických proměnných . Voda se pohybuje z jedné nádrže do druhé, například z řeky do oceánu nebo z oceánu do atmosféry, fyzikálními procesy odpařování , kondenzace , srážení , infiltrace , povrchového odtoku a podpovrchového toku. Přitom voda prochází různými formami: kapalina, pevná látka ( led ) a pára .

Koloběh vody zahrnuje výměnu energie, která vede ke změnám teploty . Když se voda vypaří, odebírá energii ze svého okolí a ochlazuje životní prostředí. Když kondenzuje, uvolňuje energii a ohřívá životní prostředí. Tyto výměny tepla ovlivňují klima .

Odpařovací fáze cyklu čistí vodu, která pak zemi doplňuje sladkou vodou. Tok tekuté vody a ledu transportuje minerály po celém světě. Podílí se také na přetváření geologických rysů Země prostřednictvím procesů zahrnujících erozi a sedimentaci . Koloběh vody je také nezbytný pro zachování většiny životů a ekosystémů na planetě.

Popis

Slunce, které pohání koloběh vody, ohřívá vodu v oceánech a mořích. Voda se odpařuje jako vodní pára do vzduchu . Část ledu a sněhu sublimuje přímo do vodní páry. Evapotranspirace je voda transponovaná z rostlin a odpařená z půdy. Molekula vody H
2
O
má menší molekulovou hmotnost než hlavní složky atmosféry, dusík a kyslík, N.
2
a O.
2
, proto je méně hustý. Díky výraznému rozdílu v hustotě tlačí vztlak vlhký vzduch výše. S rostoucí nadmořskou výškou klesá tlak vzduchu a klesá teplota (viz plynové zákony ). Nižší teplota způsobuje, že vodní pára kondenzuje do drobných kapiček kapalné vody, které jsou těžší než vzduch, a klesá, pokud není podporována stoupavým proudem. Obrovská koncentrace těchto kapiček na velkém prostoru v atmosféře je viditelná jako mrak . Určitá kondenzace je blízko úrovně země a nazývá se mlha .

Atmosférická cirkulace pohybuje vodní párou po celém světě; částice mraku se srážejí, rostou a vypadávají z horních vrstev atmosféry jako srážky . Některé srážky padají jako sníh nebo kroupy, plískanice a mohou se hromadit jako ledové čepice a ledovce , které mohou uchovávat zmrzlou vodu po tisíce let. Většina vody padá zpět do oceánů nebo na souš jako déšť, kde voda teče po zemi jako povrchový odtok . Část odtoku vstupuje do řek v údolích v krajině, s proudem proudícím vodou směrem k oceánům. Odtok a voda vycházející ze země ( podzemní vody ) mohou být uloženy jako sladká voda v jezerech. Ne všechny odtoky se vlévají do řek; velká část se vsakuje do země jako infiltrace . Část vody pronikne hluboko do země a doplní zvodnělé vrstvy , které mohou dlouhodobě uchovávat sladkou vodu. Určitá infiltrace zůstává v blízkosti povrchu země a může proniknout zpět do útvarů povrchové vody (a oceánu) při vypouštění podzemní vody. Některé podzemní vody nacházejí otvory na povrchu pevniny a vycházejí jako sladkovodní prameny. V říčních údolích a nivách často dochází k plynulé výměně vody mezi povrchovou a podzemní vodou v hyporheické zóně . V průběhu času se voda vrací do oceánu, aby pokračovala ve vodním cyklu.

Recyklace hluboké vody

Cyklus vody odplyňováním a hlubokou recyklací prostřednictvím subdukčních zón. Dlouhodobá výměna vody mezi zemským nitrem a exosférou a transport vody vázané ve vodních minerálech.

Procesy

Procesy vedoucí k pohybům a fázovým změnám ve vodě
Srážky
Zkondenzovaná vodní pára dopadající na zemský povrch. Nejvíce srážek se vyskytuje ve formě deště , ale také zahrnuje sníh , kroupy , mlha kapání , graupel a plískanice . Přibližně 505 000 km 3 (121 000 cu mi) vody padá jako srážky každý rok, z toho 398 000 km 3 (95 000 cu mi) nad oceány. Déšť na souši obsahuje 107 000 km 3 (26 000 cu mi) vody za rok a sněží jen 1 000 km 3 (240 cu mi). 78% globálních srážek se vyskytuje nad oceánem.
Subdukce a minerální hydratace
Mořská voda prosakuje do oceánské litosféry prostřednictvím zlomenin a pórů a reaguje s minerály v kůře a plášti za vzniku vodnatých minerálů (například serpentin), které ukládají vodu ve svých krystalových strukturách. Voda je transportována do hlubokého pláště pomocí vodních minerálů v subdukčních deskách. Během subdukce může být řada minerálů v těchto deskách, jako je serpentin …, stabilní při různých tlacích v geotermách desek a může transportovat značné množství vody do nitra Země. Jak se desky potápí a zahřívají, uvolněné tekutiny mohou vyvolat seismicitu a indukovat tavení v subdukované desce a v překrývajícím se plášti. Tento typ tavení selektivně koncentruje těkavé látky a transportuje je do překrývající se desky. Pokud dojde k erupci, cyklus pak vrátí těkavé látky do oceánů a atmosféry
Zachycení baldachýnu
Srážky, které jsou zachyceny listy rostlin, se nakonec vypaří zpět do atmosféry, než aby spadly na zem.
Tání sněhu
Odtok způsobený tajícím sněhem.
Odtok
Různé způsoby, kterými se voda pohybuje po zemi. To zahrnuje jak povrchový odtok, tak odtok kanálu . Jak teče, voda může prosakovat do země, vypařovat se do vzduchu, skladovat se v jezerech nebo nádržích nebo být extrahována pro zemědělské nebo jiné lidské účely.
Infiltrace
Proud vody z povrchu země do země. Jakmile se voda infiltruje, stane se půdní vlhkostí nebo podzemní vodou. Nedávná globální studie využívající ve vodě stabilní izotopy však ukazuje, že ne všechna půdní vlhkost je stejně dostupná pro doplňování podzemní vody nebo pro transpiraci rostlin.
Podpovrchový tok
Tok vody pod zemí, ve vadózním pásmu a zvodně . Podpovrchová voda se může vrátit na povrch (např. Jako pramen nebo čerpáním) nebo nakonec prosáknout do oceánů. Voda se vrací na zemský povrch v nižších nadmořských výškách, než kde infiltrovala, pod gravitační silou nebo gravitačním tlakem. Podzemní voda má tendenci se pomalu pohybovat a pomalu se doplňuje, takže může zůstat ve zvodněních po tisíce let.
Vypařování
Transformace vody z kapalné na plynnou fázi při jejím pohybu ze země nebo vodních útvarů do nadzemní atmosféry. Zdrojem energie pro odpařování je především sluneční záření . Odpařování často implicitně zahrnuje transpiraci z rostlin , ačkoli společně jsou specificky označovány jako evapotranspirace . Celková roční evapotranspirace činí přibližně 505 000 km 3 (121 000 cu mi) vody, z toho 434 000 km 3 (104 000 cu mi) se vypařuje z oceánů. 86% celosvětového odpařování probíhá nad oceánem.
Sublimace
Stav se mění přímo z pevné vody (sníh nebo led) na vodní páru průchodem kapalného stavu.
Depozice
To se týká změny vodní páry přímo na led.
Advekce
Pohyb vody atmosférou. Bez advekce by se voda, která se vypařila nad oceány, nemohla vysrážit po souši.
Kondenzace
Transformace vodní páry na kapalné vodní kapky ve vzduchu, vytváření mraků a mlhy.
Transpirace
Uvolňování vodní páry z rostlin a půdy do vzduchu.
Perkolace
Voda vlivem gravitace svisle proudí půdou a horninami .
Tektonika desek
Voda vstupuje do pláště subdukcí oceánské kůry. Voda se vrací na povrch vulkanismem.

Cyklus vody zahrnuje mnoho z těchto procesů.

Doba pobytu

Průměrné doby zdržení nádrže
Nádrž Průměrná doba pobytu
Antarktida 20 000 let
Oceány 3 200 let
Ledovce 20 až 100 let
Sezónní sněhová pokrývka 2 až 6 měsíců
Vlhkost půdy 1 až 2 měsíce
Podzemní voda: mělká 100 až 200 let
Podzemní voda: hluboká 10 000 let
Jezera (viz retenční čas jezera ) 50 až 100 let
Řeky 2 až 6 měsíců
Atmosféra 9 dní

Doba zdržení nádrže v hydrologickém cyklu je průměrný čas, který molekula vody stráví v této nádrži ( viz sousední tabulka ). Je to míra průměrného stáří vody v této nádrži.

Podzemní voda může strávit pod zemským povrchem více než 10 000 let, než odejde. Obzvláště stará podzemní voda se nazývá fosilní voda . Voda uložená v půdě tam zůstává velmi krátce, protože se tence šíří po Zemi a snadno se ztrácí odpařováním, transpirací, prouděním nebo doplňováním podzemní vody. Po odpaření je doba pobytu v atmosféře asi 9 dní, než kondenzuje a padá na Zemi jako srážky.

Hlavní ledové pláty - Antarktida a Grónsko - uchovávají led po velmi dlouhou dobu. Led z Antarktidy byl spolehlivě datován do doby před 800 000 lety, i když průměrná doba pobytu je kratší.

V hydrologii lze doby pobytu odhadnout dvěma způsoby. Běžnější metoda se opírá o princip zachování hmoty ( vodní bilance ) a předpokládá, že množství vody v dané nádrži je zhruba konstantní. U této metody jsou doby zdržení odhadovány vydělením objemu nádrže rychlostí, kterou voda vstupuje do nádrže nebo z ní vystupuje. Koncepčně je to ekvivalentní načasování, jak dlouho by trvalo, než by se nádrž naplnila z prázdné, pokud by neodešla žádná voda (nebo jak dlouho by trvalo, než by se nádrž vyprázdnila z plného, ​​kdyby do ní nevnikla žádná voda).

Alternativní metodou odhadování dob pobytu, která získává na popularitě při datování podzemních vod, je používání izotopových technik. To se provádí v podoblasti izotopové hydrologie .

Změny v průběhu času

Časově průměrné srážky a odpařování jako funkce zeměpisné šířky simulované verzí aqua-planet atmosférického GCM (GFDL's AM2.1) s homogenní spodní hranicí „deska-oceán“ (nasycený povrch s malou tepelnou kapacitou), vynucené roční průměrné sluneční záření.
Globální mapa ročního průměrného výparu minus srážky podle zeměpisné šířky a délky

Cyklus vody popisuje procesy, které řídí pohyb vody v celé hydrosféře . Mnohem více vody je však „skladováno“ po delší dobu, než se ve skutečnosti pohybuje cyklem. Skladištěm drtivé většiny veškeré vody na Zemi jsou oceány. Odhaduje se, že z 332,500,000 mi 3 (1,386 miliardy km 3 ) dodávky vody na světě, asi 321,000,000 mi 3 (1,338 miliardy km 3 ) je uložena v oceánech, nebo o 97%. Odhaduje se také, že oceány dodávají asi 90% odpařené vody, která vstupuje do vodního cyklu.

V chladnějších klimatických obdobích se vytváří více ledovců a ledovců a jako led se hromadí dostatek globálních zásob vody, aby se snížilo množství v jiných částech vodního cyklu. V teplých obdobích to platí naopak. Během poslední doby ledové pokrývaly ledovce téměř jednu třetinu zemské masy Země, což mělo za následek, že oceány byly asi o 122 m (400 stop) nižší než dnes. Během posledního globálního „teplého kouzla“, asi před 125 000 lety, byla moře asi o 5,5 m (18 stop) výše než nyní. Asi před třemi miliony let mohly být oceány až o 50 m (165 stop) vyšší.

Vědecký konsenzus vyjádřený v souhrnu mezivládního panelu pro změnu klimatu (IPCC) pro tvůrce politik z roku 2007 je, aby se koloběh vody v 21. století nadále zintenzivňoval, i když to neznamená, že ve všech regionech bude přibývat srážek. V subtropických oblastech půdy - místech, která jsou již relativně suchá - se podle předpovědí sníží srážky v průběhu 21. století, což zvyšuje pravděpodobnost sucha . Předpokládá se, že sušení bude nejsilnější v blízkosti pólových okrajů subtropů (například Středozemní pánve, Jižní Afrika, jižní Austrálie a jihozápadní Spojené státy ). Očekává se, že roční množství srážek se zvýší v blízkých rovníkových oblastech, které v současném podnebí bývají vlhké, a také ve vysokých zeměpisných šířkách. Tyto rozsáhlé vzorce jsou přítomny téměř ve všech simulacích klimatických modelů prováděných v několika mezinárodních výzkumných centrech jako součást 4. hodnocení IPCC. Nyní existuje dostatek důkazů, že zvýšená hydrologická variabilita a změna klimatu má a bude mít i nadále hluboký dopad na vodní odvětví prostřednictvím hydrologického cyklu, dostupnosti vody, poptávky po vodě a přidělování vody v globálním, regionálním, povodí a na místní úrovni. úrovně. Výzkum publikovaný v roce 2012 v časopise Science založený na slanosti povrchových oceánů v letech 1950 až 2000 potvrzuje tuto projekci intenzivnějšího globálního koloběhu vody se slanými oblastmi, které se v průběhu období stávají stále slanějšími a čerstvějšími oblastmi:

Základní termodynamika a klimatické modely naznačují, že suché oblasti se stanou suššími a mokré oblasti budou vlhčí v reakci na oteplování. Snahy o detekci této dlouhodobé reakce při pozorování srážek a vypařování na řídkém povrchu zůstávají nejednoznačné. Ukazujeme, že vzorce slanosti oceánů vyjadřují identifikovatelný otisk zesilujícího vodního cyklu. Naše 50leté pozorované globální změny slanosti povrchu v kombinaci se změnami z globálních klimatických modelů představují spolehlivé důkazy o zesíleném globálním koloběhu vody rychlostí 8 ± 5% na stupeň oteplování povrchu. Tato míra je dvojnásobkem reakce předpokládané klimatickými modely současné generace a naznačuje, že v budoucím 2 ° až 3 ° teplejším světě dojde k podstatné (16 až 24%) intenzifikaci globálního koloběhu vody.

Nástroj nesena SAC-D satelit Aquarius, která byla zahájena v červnu 2011, měří globální mořské hladině salinity .

Ústup na ledovci je také příkladem měnícího se koloběhu vody, kde zásobování vodou ledovci ze srážek nedokáže držet krok se ztrátou vody z tání a sublimace. Ústup ledovce od roku 1850 byl rozsáhlý.

Lidské činnosti, které mění vodní cyklus, zahrnují:

Účinky na klima

Koloběh vody je poháněn sluneční energií. 86% globálního odpařování probíhá z oceánů, což snižuje jejich teplotu odpařovacím chlazením . Bez chlazení by účinek odpařování na skleníkový efekt vedl k mnohem vyšší povrchové teplotě 67 ° C (153 ° F) a teplejší planetě.

Aquifer čerpání nebo overdrafting a čerpání fosilních vody zvyšuje celkové množství vody v hydrosféře, a předpokládá, že přispívá k vzestupu hladiny moře.

Účinky na biogeochemické cyklování

Zatímco vodní cyklus je sám o sobě biogeochemickým cyklem , tok vody nad a pod Zemí je klíčovou součástí cyklování jiných biogeochemických látek. Odtok je zodpovědný za téměř veškerý transport erodovaného sedimentu a fosforu z pevniny do vodních toků . Slanost oceánů je odvozen od eroze a transport rozpuštěných solí z půdy. Kulturní eutrofizace jezer je způsobena především fosforem, který se v nadbytku aplikuje na zemědělská pole v hnojivech , a poté se přepravuje po souši a po řekách. Při přepravě dusíku z pevniny do vodních toků hraje významnou roli jak odtok, tak i tok podzemní vody. Mrtvá zóna při výstupu z řeky Mississippi je důsledkem dusičnanů z hnojiva probíhají off zemědělských oblastech a proudil dolů do říčního systému do Mexického zálivu . Odtok také hraje roli v uhlíkovém cyklu , opět transportem erodované horniny a půdy.

Pomalá ztráta za geologický čas

Hydrodynamický vítr v horní části atmosféry planety umožňuje lehkým chemickým prvkům, jako je vodík , pohybovat se nahoru k exobázi , spodní hranici exosféry , kde plyny pak mohou dosáhnout únikové rychlosti a vstoupit do vesmíru bez dopadu na jiné částice plynu . Tento typ ztráty plynu z planety do vesmíru je znám jako planetární vítr . Planety s horkou nižší atmosférou by mohly mít za následek vlhké horní atmosféry, které urychlují ztrátu vodíku.

Historie teorie hydrologického cyklu

Plovoucí pevnina

Ve starověku se všeobecně předpokládalo, že pevnina plave na vodní hladině a že většina vody v řekách má svůj původ pod zemí. Příklady této víry lze nalézt v pracích Homera (kolem roku 800 př. N. L.).

Hebrejská bible

Na starověkém Blízkém východě hebrejští učenci pozorovali, že i když řeky tekly do moře, moře se nikdy nenaplnilo. Někteří učenci docházejí k závěru, že koloběh vody byl v této době v této pasáži zcela popsán: „Vítr jde směrem na jih a otáčí se na sever; neustále víří a vítr se opět vrací podle svých okruhů. Všechny řeky běžte do moře, ale moře není plné; na místo, odkud řeky přicházejí, se tam zase vracejí “( Kazatel 1: 6–7 ). Učenci se neshodují, pokud jde o datum Kazatele, ačkoli většina učenců poukazuje na datum v době krále Šalamouna , syna Davida a Betsabé, „před třemi tisíci lety existuje určitá shoda, že časové období je 962–922. Př. N. L. Dále bylo také pozorováno, že když byly mraky plné, vypouštěly na zemi déšť ( Kazatel 11: 3 ). Navíc v letech 793–740 př. N. L. Hebrejský prorok Amos uvedl, že voda pochází z moře a je vylita na zem ( Amos 5: 8 ).

V biblické knize Job , datované mezi 7. a 2. stoletím př. N. L., Je popis srážek v hydrologickém cyklu: „Neboť dělá malé kapky vody: slévají déšť podle své páry; což dělají mraky hojně padejte a destilujte na člověka “( Job 36: 27-28 ).

Srážky a perkolace

V Adityahridayam (zbožný hymnus boha Slunce) Ramayany , hinduistického eposu datovaného do 4. století př. N. L. , Je ve 22. verši uvedeno, že Slunce ohřívá vodu a posílá ji dolů jako déšť. Zhruba v roce 500 př. N. L. Řečtí učenci spekulovali, že velkou část vody v řekách lze přičíst dešti. Do té doby byl také znám původ deště. Tito učenci si zachovali přesvědčení, že voda stoupající vzhůru po Zemi velkou měrou přispívá k řekám. Mezi příklady tohoto uvažování patřil Anaximander (570 př. N. L.) (Který také spekuloval o vývoji suchozemských zvířat z ryb ) a Xenophanes z Colophonu (530 př. N. L. ). Čínští učenci jako Chi Ni Tzu (320 př. N. L.) A Lu Shih Ch'un Ch'iu (239 př. N. L.) Měli podobné myšlenky. Myšlenku, že vodní cyklus je uzavřený, lze nalézt v pracích Anaxagorase z Clazomenae (460 př. N. L. ) A Diogena z Apollonie (460 př. N. L.). Oba Plato (390 nl) a Aristoteles (350 nl) spekuluje o perkolací jako součást koloběhu vody.

Srážky samotné

Až do doby renesance se mělo za to, že samotné srážky nepostačovaly na zásobování řek po celý vodní cyklus a že podzemní voda tlačící se z oceánů vzhůru byla hlavní příčinou říční vody. Tento názor zastával i Bartoloměj z Anglie (1240 n. L.), Stejně jako Leonardo da Vinci (1 500 n. L.) A Athanasius Kircher (1644 n. L.).

Prvním publikovaným myslitelem, který tvrdil, že na udržování řek stačí pouze srážky, byl Bernard Palissy (1580 n. L. ), Který je často považován za „objevitele“ moderní teorie koloběhu vody. Palissyho teorie nebyly vědecky testovány až do roku 1674, ve studii běžně připisované Pierru Perraultovi . Dokonce i tehdy nebyly tyto víry přijaty v mainstreamové vědě až do počátku devatenáctého století.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy