Хидролошки циклус

Хидролошки циклус

Глобал Wатер Цyцле

Дијаграм циклуса воде

Природни циклус воде

Циклус воде Земље

Како површинска вода Земље испарава, ветар премешта воду у ваздуху из мора на копно, повећавајући количину слатке воде на копну.

Водена пара претвара се у облаке који доводе свежу воду на земљу у облику кишног снега и суснежице

Падавине падају на земљу, али шта ће се догодити с том водом у великој мери зависи од географије земљишта на било ком одређеном месту.

Кружење воде у природи називамо хидролошким циклусом. Испаравањем са великих водених површина (океана, мора, језера, река и сл.), земље и биљака вода одлази у горње слојеве атмосфере где се кондензује у виду облака, да би се као атмосферске падавине (киша, снег) поново вратила на земљу.

На свом путу кроз атмосферу она раствара различите гасове присутне у ваздуху као што су кисеоник и угљен-диоксид, као и неке врло штетне гасове као што су сумпорни и азотни оксиди, а и скупља и разне нечистоће као што су честице чађи, прашине, бактерије и сл. Даље на свом путу кроз различите слојеве земље до неког водонепропусног слоја, она раствара различите соли као соли натријума, калцијума, магнезијума, гвожђа и мангана, а и неке органске материје, тако да се у природи никад не налази чиста.

Основни процеси кружења воде

• Основни процеси кружења воде у земљином хидролошком систему су:
  • Падавине - percipitation P
  • испаравање – evaporation E
  • отицање – outflow O
  • транспирација – transpiration T

при томе у једном тренутку вреди релација $\ P=E+O$ када је $\Delta H=0.$.

Залихе воде - значајне ретенције

Када причамо о кружењу воде као о хидролошком процесу логика нам налаже, а и природно је да се увек одређене количине воде задржавају на појединим за то погодним подручјима. I стога постоје океани, реке, природне и вештачке акумулације, ледењаци и слично. Највећа залиха воде или водени резервоар су мора и океани. Мора и океани заузимају $97\%=1.320x10^{6}km^{3}$ од укупне количине воде на земљи - $(1.360x10^{6}km^{3})$. Остатак је $3\%=40x10^{6}km^{3}$ и тај постотак заузима слатка вода.

Занимљиво је да од укупне количине слатке воде 75% заузимају лед и снег, 24,5% заузимају подземне воде и 0,5% заузимају остале воде.

Запремински удео укупне количине воде на земљи
односно водне залихе у једном циклусу кружења воде

Природно подручје ретенција	Запремински удео воде (106 км³)	Постотак од укупне количине воде на земљи.
Океани	1370	97.25
Ледене санте и глечери	29	2.05
Подземна вода	9.5	0.68
Језера	0.125	0.01
Влага у тлу	0.065	0.005
Атмосфера	0.013	0.001
Брзаци и ријеке	0.0017	0.0001
Биосфера	0.0006	0.00004

Скица приказује удео слане и слатке воде на земљи.

Водени баланс

Водени баланс је резултат анализе хидролошких процеса као делова хидролошких циклуса на одређеном простору у одређеном времену.

Водним билансом или балансом вода се квантитативно (количински) описује хидролошки циклус и његове компоненте, а заснива се на општем концепту одржања масе.

$\ dW=U-I.$

где је;

• $\ dW$- промена масе у ограниченом простору
• $\ U$ - маса која је ушла у тај простор у одређеном времену - представља падавине као улазну величину
• $\ I$ - маса која је изашла из тог простора у одређеном времену - представља испаравање и отицање као излазну величину
  • под простором се подразумева један део земљине површине, али горње поставке могу вредити на свим нивоима - од глобалног до локалног, од великих природних система нпр. Земља до појединачних воднопривредних система за трансформацију или/и кориштење вода.

Из горе наведеног вреди следећа једначина промене водних количина на неком простору:

$\ U-I=\pm \Delta H$

• • за случај када је промена водних количина на неком простору једнака нули, односно $\ \Delta H=0.$ тада вреди:
    $\ P=E+O_{1}+O_{2}.$

Где су $O_{1}$ и $O_{2}$ брзо и споро површинско отицање. Односно улазна вредност је једнака излазној. Тачно онолико колико је пало кише или дотекло воде толико је и отекло и/или испарило без задржавања.

Једначина водног баланса

$\ H+Q_{dd}+Q_{bd}-E-Q_{do}-Q_{bo}=\pm \Delta V$

где је:

• $\ H$- представља запремину укупних оборина
• $\ Q_{dd}$ - представља запремину укупног и директног дотока с других подручја - (брзи површински доток)
• $\ Q_{bd}$ - представља запремину укупног базног дотока с других подручја (спори подземни доток)
• $\ E$ - представља запремину укупног испаравања
• $\ Q_{do}$ - представља запремину укупног и директног отицања на друга подручја - (брзо површинско отицање)
• $\ Q_{bo}$ - представља запремину укупног и базног отицања на друга подручја - (споро подземно отицање)
• $\ \Delta V$ - укупна промена запремине воде

Графички приказ водног баланса.

Глобални водни баланс за свет

• за део копна које се у море дренира водотоковима, евапотранспирација је $\ E_{TP}$.

$\ E_{TP}=P_{P}-R_{P}$. Где су: $\ P_{P}$ - падавине с тог дела копна, а $\ R_{P}$ - укупне протоке водотока с тог дела копна.

• за део копна који се не дренира евапотранспирација је $\ E_{TA}$.

$\ E_{TA}=P_{A}$. Где су: $\ P_{A}$ - падавине с тог дела копна

• за море евапотранспирација је $\ E_{M}$.

$\ E_{M}=P_{M}+R_{P}$. Где су: $\ P_{M}$ - падавине на мору

• • Из горе наведеног произлази да је за свет евапотранспирација $ET$ једнака палим оборинама $P$

$\ ET=E_{TP}+E_{TA}+E_{M}=P_{P}+P_{A}+P_{M}=P$

Глобалне вредности водненог баланса за свет

Испод су наведене просечне вредности. Приказани биланчни исказ је просечан и нису узете у обзир подземне воде и садржај влаге у тлу.

• за део копна који се дренира водотоцима у мора - $(116.800.000km^{2})$

оборине - 910мм - $(906.000km^{3})$

реке - 350 мм - $(41.000km^{3})$

евапотранспирација - 560 мм' - $(65.000km^{3})$

• за део копна који се непосредно не дренира у мора - $(32.100.000km^{2})$

падавине - 238мм - $(7.500km^{3})$

евапотранспирација - 238мм - $(7.500km^{3})$

• за светска мора - $(361.100.000km^{2})$

падавине - 1.140мм - $(411.600km^{3})$

доток рекама - 111мм - $(41.000km^{3})$

евапотранспирација - 560мм - $(65.000km^{3})$

• • За свет у целини - $(510.000.000km^{2})$

падавине - 1.030мм - $(525.100km^{3})$

евапотранспирација - 1.030мм - $(525.100km^{3})$

Време задржавања течности

Просечна времена задржавања воде

Ретенција	Просечно време задржавања
Океани	3,200 година
Ледењаци	20 то 100 година
Сезонски снег	2 то 6 месеци
Влага у тлу	1 то 2 месеца
Подземна вода: плитка	100 то 200 година
Подземна вода: дубока	10,000 година
Језера	50 то 100 година
Реке	2 то 6 месеци
Атмосфера	9 дана

Време задржавања водних количина је просечно време које је потребно да се догоди циклус измене течности. Ако се посматра једно језеро тако да је у једном тренутку сва вода која се налази тренутно у том језеру стара вода, а сва вода која у сваком следећем новом тренутку дотече нова вода. Тада је време задржавања течности оно које је потребно за потпуну замену старе течности новом, теоретски - до последњег молекула воде. С десне стране у таблици се могу видети времена задржавања течности за поједине медије, резервоаре или залихе воде на земљи.

Подземној води треба чак 1.000 година како би се догодио један циклус замене. Разлози због чега се вода у тлу дуго задржава су њена распршеност положаја по порама подземља земље, процеси евапорације и транспирације не постоје, а и ако постоје занемариви су, подземна вода не поседује способност бујичног тока, већ ако се креће, креће се брзинама од 1[м/дан] до 1[м/година]. Што се тиче воде на копну, како би се догодила падавина, вода треба да испари са тла, али тој истој води кад испари треба времена око 9 дана да се кондензује и поновно падне на тло.

Ефекти на климу

Кружни ток воде напаја се из соларне енергије. 86% глобалног испаравања долази из океана, смањујући њихову температуру евапоративним хлађењем. Без хлађења, утицај испаравања на ефекат стаклене баште довео би до знатно веће температуре површине од 67 °Ц (153 °Ф) и топлије планете.

Смањење или прекорачење аквифера и пумпање фосилне воде повећавају укупну количину воде у хидросфери, и претпоставља се да то доприноси порасту нивоа мора.

Ефекти на биогеохемијски циклус

Иако је сам водени циклус биогеохемијски циклус, проток воде изнад и испод Земље кључна је компонента циклуса осталих биогеохемикалија. Отицање је одговорно за готово сав транспорт еродираног седимента и фосфора са копна до водених тела. Салинитет океана потиче од ерозије и транспорта растворених соли са копна. Пољопривредна |еутрофикација језера првенствено је последица фосфора, који се у виду ђубрива примењује у прекомерним количинама на пољопривредна поља, а затим транспортује копном и низ реке. Отицање и проток подземне воде играју значајну улогу у транспорту азота са копна до водених тела. Мртва зона на излазу из реке Мисисипи последица је одвођења нитрата из ђубрива са пољопривредних поља и одвођења низ речни систем до Мексичког залива. Отицање такође игра улогу у циклусу угљеника, опет кроз транспорт еродиране стене и тла.

Спори губици током геолошког времена

Хидродинамични ветар у горњем делу атмосфере планете омогућава лаким хемијским елементима као што је водоник да се крећу до егзобазе, доње границе егзосфере, где гасови тада могу достићи излазну брзину, улазећи у свемир без утицаја на друге честице гаса. Ова врста губитка гаса са планете у свемир позната је као планетарни ветар. Планете са врућом нижом атмосфером могу произвести влажну горњу атмосферу што убрзава губитак водоника.

Промене током времена

Глобална карта средњег годишњег испаравања минус падавине према географској ширини и дужини

Водени циклус описује процесе који покрећу кретање воде кроз хидросферу. Међутим, много више воде је „у складишту“ током дужег временског периода него што се заправо креће кроз циклус. Складишта за огромну већину све воде на Земљи су океани. Процењује се да је од 332.500.0000 ми³ (1.386.000.000 км³) светског водоснабдевања, око 321.000.000 ми³ (1.338.000.000 км^{3</суп) ускладиштено је у океанима, или око 97%. Такође се процењује да океани снабдевају око 90% испарене воде која улази у циклус воде.}

Током хладнијих климатских периода, формира се више ледених капа и глечера, а довољно глобалног снабдевања водом се акумулира као лед да би се смањиле количине у другим деловима циклуса воде. Обрнуто је током топлих периода. Током последњег леденог доба, глечери су покривали скоро једну трећину Земљине копнене масе, што је резултирало да су океани били око 122 m (400 ft) нижи него данас. Током последњег глобалног „топлог периода“, пре око 125.000 година, мора су била око 5,5 m (18 ft) виша него што су сада. Пре отприлике три милиона година океани су могли бити и до 50 m (165 ft) виши.

Научни консензус изражен у резимеу из 2007. Међувладиног панела о климатским променама (IPCC) за креаторе политике је да се циклус воде наставља да се интензивира током 21. века, иако то не значи да ће падавине порасти у свим регионима. У суптропским копненим подручјима – местима која су већ релативно сува – предвиђа се смањење падавина током 21. века, повећавајући вероватноћу суше. Предвиђа се да ће сушење бити најјаче у близини рубова субтропских подручја (на пример, Медитерански басен, Јужна Африка, јужна Аустралија и југозападне Сједињене Државе). Очекује се да ће се годишње количине падавина повећати у регионима близу екватора који су обично влажни у садашњој клими, као и на високим географским ширинама. Ови обрасци великих размера присутни су у скоро свим симулацијама климатских модела спроведених у неколико међународних истраживачких центара као део 4. процене ИПЦЦ-а. Сада постоји довољно доказа да повећана хидролошка варијабилност и климатске промене одвијају и да ће наставити да имају дубок утицај на сектор воде кроз хидролошки циклус, доступност воде, потражњу за водом и алокацију воде на глобалном, регионалном, сливном и локалном нивоу. Истраживања објављена 2012. у часопису Science заснована на површинском салинитету океана у периоду од 1950. до 2000. потврђују ову пројекцију интензивираног глобалног циклуса воде са сланим областима које постају сланије, а свежије области постају све свежије током овог периода:

Фундаментални термодинамички и климатски модели сугеришу да ће суви региони постати сушнији, а влажни региони постати влажнији као одговор на загревање. Напори да се открије овај дугорочни одговор у ретким површинским посматрањима падавина и испаравања остају двосмислени. Показујемо да обрасци салинитета океана изражавају препознатљив тренд интензивирајућег циклуса воде. Наша педесетгодишња посматрања глобалне промене салинитета површине, у комбинацији са променама из глобалних климатских модела, представљају чврсте доказе интензивираног глобалног циклуса воде са стопом од 8 ± 5% по степену загревања површине. Ова стопа је двоструко већа од одзива пројектованог у климатским моделима тренутне генерације и сугерише да ће до значајног (16 до 24%) интензивирања глобалног циклуса воде доћи у будућем 2° до 3° топлијем свету.

Инструмент који је носио сателит САЦ-D Акваријус, лансиран у јуну 2011, мерио је салинитет глобалне површине мора.

Глацијално повлачење је такође пример променљивог циклуса воде, где снабдевање глечера водом из падавина не може да прати губитак воде услед топљења и сублимације. Глацијално повлачење од 1850. било је опсежно.

Literatura

• Anderson, J. G.; Wilmouth, D. M.; Smith, J. B.; Sayres, D. S. (17. 8. 2012). „UV Dosage Levels in Summer: Increased Risk of Ozone Loss from Convectively Injected Water Vapor”. Science. 337 (6096): 835—839. Bibcode:2012Sci...337..835A. PMID 22837384. S2CID 206541782. doi:10.1126/science.1222978. CS1 одржавање: Формат датума (веза)

Spoljašnje veze

• The Water Cycle Архивирано на сајту Wayback Machine (15. март 2019), Унитед Статес Геологицал Сурвеy
• Тхе Wатер Цyцле фор Кидс Архивирано на сајту Wayback Machine (8. јануар 2019), United States Geological Survey
• The water cycle, from Dr. Art's Guide to the Planet.
• Water cycle slideshow, 1 Mb Flash multilingual animation highlighting the often-overlooked evaporation from bare soil, from managingwholes.com.
• Will the wet get wetter and the dry drier? – Climate research summary from NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory including text, graphics, and animations