Cykl hydrologiczny, The water cycle, Polish Completed

Sources/Usage: Public Domain. View Media Details

Co rozumiemy pod pojęciem cyklu hydrologicznego? Można powiedzieć, że to "my" w każdej cząsteczce! Cykl hydrologiczny (obieg wody w przyrodzie) opisuje istnienie i ruch wody na, w i ponad powierzchnią Ziemi. Woda na Ziemi jest w ciągłym ruchu i zmienia swoje formy, od stanu ciekłego, poprzez gazowy do stałego i na odwrót. Obieg wody trwa od miliardów lat i całe życie na Ziemi jest od niego zależne.

Skąd pochodzi cała woda na Ziemi? Starożytna Ziemia była kulą stopionej magmy, ale cała magma zawiera wodę. Woda została uwolniona do atmosfery, gdy magma zaczęła się ochładzać. Z biegiem czasu środowisko stało się wystarczająco chłodne, aby woda mogła pozostać na powierzchni jako ciecz. Istnieją również teorie, że pewna ilość wody przybyła na Ziemię z asteroid i komet.

 

Sources/Usage: Public Domain. View Media Details

Sources/Usage: Public Domain. View Media Details

Obieg wody nie ma punktu początkowego, ale możemy prześledzić cały cykl poczynając od oceanu. Siłą napędową procesu obiegu wody jest Słońce. Podgrzewa ono wodę w oceanie, ta zaczyna parować i w postaci pary unosi się nad oceanem. Wznoszące prądy powietrzne przenoszą parę wyżej, do atmosfery, gdzie niska temperatura wywołuje proces kondensacji, powstają chmury. Poziome prądy powietrzne, z kolei, przenoszą chmury wokół globu ziemskiego. Drobne cząsteczki wody w chmurach zderzają się ze sobą, powiększają swoją masę i w końcu, w postaci opadu spadają na ziemię.

Opadem może być śnieg, który gromadząc się na powierzchni Ziemi z czasem przekształca się w pokrywę lodową i lodowce. Te ostatnie mogą zatrzymać zamrożoną wodę na tysiące lat. W cieplejszym klimacie pokrywa śnieżna zwykle wiosną roztapia się. Część wód opadowych i roztopowych spływa po powierzchni ziemi, tworząc odpływ powierzchniowy. Dociera do rzek i jako przepływ rzeczny podąża w stronę oceanu. Woda spływająca po powierzchni lub przesiąkająca w głąb zasila jeziora słodkiej wody. Znaczna część wody przesiąka, infiltruje do gruntu. Woda utrzymująca się stosunkowo blisko jego powierzchni tworzy odpływ gruntowy, zasilający wody powierzchniowe (i ocean).

Część wód gruntowych znajduje ujście na powierzchni Ziemi, gdzie pojawia się w postaci źródeł słodkiej wody. Płytkie wody gruntowe wykorzystywane są przez system korzeniowy roślin. W roślinach woda transpirowana jest przez powierzchnię liści i z powrotem przedostaje się do atmosfery. Część wody infiltrującej do gruntu przesiąka głębiej, zasilając warstwy wodonośne (nasycone wodą warstwy gruntu), które magazynują ogromną ilość słodkiej wody przez długi czas. Jednak po jakimś czasie woda ta dotrze do oceanu, gdzie cykl obiegu wody "kończy się".... och nie – gdzie się "rozpoczyna".

Elementy cyklu hydrologicznego:

U.S. Geological Survey (USGS) wyodrębnił 15 elementów obiegu wody w przyrodzie:

• Woda w oceanach
• Parowanie
• Woda w atmosferze
• Kondensacja
• Opad
• Woda w lodzie i śniegu
• Odpływ wód roztopowych
• Odpływ powierzchniowy
• Przepływ w rzekach
• Zasoby słodkiej wody
• Infiltracja
• Odpływ gruntowy
• Źródła
• Transpiracja
• Wody podziemne
• Światowe zasoby wodne

 

Woda w oceanach: Słona woda w oceanach i morzach śródlądowych

Ocean jast magazynem wody

Przeważająca ilość wody jest zmagazynowana w oceanach przez czas dłuższy niż ten potrzebny dla pełnego cyklu hydrologicznego. Ocenia się, że około 321,000,000 mi³ (1,338,000,000 km³) światowych zasobów wody (332,500,000 mi³, tj. 1.386,000,000 km³) znajduje się w oceanach. Stanowi to około 96.5% całkowitych zasobów. Szacuje się również, że oceany w około 90% zasilają proces parowania.

W okresach oziębienia klimatu na Ziemi znaczna część wody została uwięziona w różnych formach zlodowacenia (pokrywa lodowa, lodowce), zmniejszając tym samym dostępną objętość wody dla innych elementów cyklu. Zjawisko odwrotne było możliwe podczas okresów ocieplenia klimatu. W czasie ostatniej epoki lodowej prawie jedną trzecią powierzchni Ziemi pokrywały lodowce, a poziom oceanów był o około 400 stóp (122 m) niższy od dzisiejszego. Około 3 milionów lat temu, kiedy Ziemia była cieplejsza, oceany mogły być nawet 165 stóp (50 m) powyżej stanu dzisiejszego.

Oceany w ruchu

W oceanach występują prądy, które przemieszczają masy wody wokół Ziemi. Ruchy te mają ogromny wpływ na cykl hydrologiczny i pogodę na Ziemi. Prąd Zatokowy, dobrze znany ciepły prąd atlantycki, przemieszcza wodę z Zatoki Meksykańskiej, poprzez Atlantyk, w kierunku Wielkiej Brytanii. Z prędkością 60 mil (97 km) w ciągu doby Prąd Zatokowy niesie 100 razy więcej wody niż wszystkie rzeki Ziemi.

 

Parowanie: Woda zmienia postać z ciekłej na gazową (parę)

Dlaczego woda paruje?

Parowanie jest procesem, w którym woda zmienia postać z ciekłej na gazową. Jest to najważniejszy etap cyklu hydrologicznego, kiedy to woda pojawia się w atmosferze w postaci pary wodnej. Badania wykazały, że oceany, morza, jeziora i rzeki, parując, dostarczają około 90% wilgoci do atmosfery, podczas gdy pozostałe 10% dostaje się poprzez transpirację roślin.

Parowanie następuje po dostarczeniu wodzie ciepła (energii). Energia ta sprawia, że rozrywane są wiązania utrzymujące razem poszczególne molekuły wody – dlatego też woda łatwo paruje podczas gotowania (w temperaturze 212° F, 100° C) i zdecydowanie wolniej w temperaturze bliskiej zamarzaniu. Gdy wilgotność względna powietrza wynosi 100%, co jest stanem pełnego nasycenia, parowanie nie może wystąpić. W procesie parowania ciepło pobierane jest ze środowiska, i to dlatego woda parująca przez waszą skórę ochładza ją.

Parowanie jest siła napędową obiegu wody w przyrodzie

Parowanie z oceanów jest podstawowym sposobem przedostawania się wody do atmosfery. Wielkie powierzchnie oceanów (około 70% powierzchni Ziemi pokrywają oceany) stwarzają ogromne możliwości parowania. W skali globalnej objętość parującej wody jest tego samego rzędu co objętość wody docierającej do powierzchni Ziemi z opadami. Chociaż, trzeba zauważyć, że wygląda to różnie w różnych regionach geograficznych. Nad oceanami parowanie jest zdecydowanie większe niż opady, podczas gdy, nad lądami opady przewyższają parowanie. Większość wody parującej z oceanów wraca do nich z opadami. Tylko około 10% objętości wody parującej z oceanów przenoszona jest nad lądy aby tam spaść z opadem. Molekuły parującej wody spędzają około 10 dni w powietrzu zanim wrócą z powrotem na ląd czy ocean.

 

Woda w atmosferze: Para wodna, chmury i wilgotność powietrza

Atmosfera jest pełna wody

Mimo że atmosfera nie jest wielkim magazynem wody, jest "super autostradą", którą woda przemieszcza się wokół Ziemi. Woda w atmosferze występuje zawsze. Najlepiej widoczną formą jej obecności są chmury. Ale nawet przejrzyste powietrze w bezchmurny dzień zawiera wodę w postaci małych, niewidocznych gołym okiem cząsteczek. Objętość wody w atmosferze wynosi około 3,100 mi³ (12,900 km³). Gdyby cała woda zawarta w atmosferze spadła na Ziemi w jednej chwili, utworzyłaby na powierzchni warstwę o grubości 2.5 cm (1 cal).

 

Kondensacja: Proces, w którym woda zmienia swą postać z gazowej w ciekłą

Kondensacja jest procesem, gdzie para wodna zamienia się w ciekłą wodę. Jest to ważny element cyklu hydrologicznego, gdyż dzięki niemu powstają chmury. W chmurach mogą się tworzyć opady, które są głównym sposobem powrotu wody na Ziemię. Kondensacja jest procesem odwrotnym do parowania.

Dzięki kondensacji tworzą się mgły. To za jej sprawą nasze okulary pokrywają się mgiełką gdy wychodzimy z chłodnego pomieszczenia na zewnątrz w upalny dzień. Kondensacja sprawia, że dni są wilgotne, że na wychłodzonej szklance z napojem pojawiają się kropelki wody, że w chłodne dni okna w naszych domach pokrywają się od wewnątrz warstewką wody.

Kondensacja w powietrzu

Nawet w bezchmurny dzień woda pod postacią pary stale jest obecna w powietrzu, ale kropelki są zbyt małe aby je dostrzec. Molekuły wody łącząc się z drobinami kurzu, soli i dymu tworzą większe kropelki – w efekcie na niebie pojawiają się chmury. Jeśli  kropelki wody w chmurach nadal będą się łączyć, chmury będą się rozbudowywać i może pojawić się opad.

Chmury powstają w atmosferze w wyniku wznoszenia się i ochładzania powietrza zawierającego parę wodną. Istotną częścią tego procesu jest nagrzewanie się powietrza w pobliżu powierzchni Ziemi na skutek promieniowania słonecznego. Powodem ochładzania się atmosfery wraz z wysokością jest ciśnienie powietrza. Powietrze ma pewien ciężar. Na poziomie morza ciśnienie kolumny powietrza na każdy cal kwadratowy naszych głów wynosi około 14.5 funta (32 kg). Ciśnienie to, nazywane ciśnieniem barycznym, jest wynikiem gęstości powietrza. Na wyższych wysokościach mniej jest powietrza nad naszymi głowami i mniejszy jest jego nacisk. Na znacznych wysokościach ciśnienie baryczne jest niższe a powietrze rzadsze, w efekcie powietrze staje się zimniejsze.

 

Opad: uwolnienie się wody z chmur w postaci ciekłej lub stałej

Opad to uwolnienie się wody z chmur w postaci deszczu, deszczu ze śniegiem, śniegu czy gradu. Jest to podstawy sposób powrotu wody na Ziemię. Wśród opadów przeważa deszcz.

Jak tworzą się kropelki deszczu?

Chmury przepływające nad naszymi głowami zawierają parę wodną. Kropelki wody w chmurach są jednak zbyt małe aby mogły spaść na Ziemię w postaci deszczu ale dostatecznie duże aby je dostrzec jako chmury. W powietrzu nieustannie przebiega proces parowania i kondensacji wody. Jeśli znaleźlibyśmy się bardzo blisko chmury moglibyśmy dostrzec, że pewne jej części znikają (w procesie parowania) a inne rozbudowują się (w procesie kondensacji). Przeważająca część wody skondensowanej w chmurach nie spada na Ziemię w postaci deszczu za sprawą prądów pionowych utrzymujących małe cząsteczki wody w powietrzu. Aby wystąpił deszcz najpierw maleńkie cząsteczki wody zderzają się i łączą ze sobą, tworzą coraz większe i cięższe, aż w końcu są na tyle duże, że opuszczają chmurę i opadają na Ziemię. Potrzeba milionów cząsteczek aby utworzyć jedną kroplę deszczu.

Nierównomierny rozkład opadów w przestrzeni i czasie

Opady w różnych częściach świata różnią się wielkością, nawet w jednym państwie czy jednym mieście mogą się znacznie różnić. Dla przykładu, w Atlancie w Georgii (USA), podczas letniej burzy opad na jednej ulicy może wynieść 1 cal lub więcej, podczas gdy w promieniu kilku kilometrów wokół nie wystąpił w ogóle. Ale, z kolei, wielkość miesięcznych opadów w Georgii jest często wyższa niż w Las Vegas w Newadzie w ciągu całego roku. Światowy rekord średniego rocznego opadu należy do Mt.Waialeale na Hawajach, 1,140 cm (450 cali). Wyjątkowo wysoki opad, 1,630 cm (642 cale), zanotowano tu w ciągu innego okresu 12-miesięcznego (ponad 5 cm, t.j. 2 cale każdego dnia!). Dla porównania, wyjątkowo niskie opady występują w Arica w Chile, gdzie przez 14 lat nie padało.

Poniższa mapa pokazuje średnie roczne opady na świecie (w milimetrach i calach). Jasnozielonym kolorem oznaczono obszary "pustyń". Widzimy, że Sahara w Afryce jest pustynią, ale czy przypuszczaliśmy, że większa część Grenlandii i Antarktydy to również pustynie?

 

Woda w lodzie i śniegu: Słodka woda w formie zamrożonej w lodowcach oraz pokrywie lodowej i śnieżnej

Pokrywa lodowa na Ziemi

Woda zmagazynowana przez długi okres  w lodzie, śniegu i lodowcach jest częścią cyklu hydrologicznego. Ogromna ilość lodu, prawie 90%, pokrywa Antarktydę. Lód zgromadzony na Grenlandii stanowi zaledwie 10% całkowitej masy lodu. Pokrywa lodowa Grenlandii jest interesującym elementem cyklu hydrologicznego Ziemi. Jej objętość oceniana jest  na 2.5 mln km³ ( 600,000 mi³). Lód narastał przez wieki w wyniku dużych opadów śniegu. Średnia grubość lodu zgromadzonego na Grenlandii wynosi około 1,500 m (5,000 stóp), ale miejscami może dochodzić do 4,300 m (14,000 stóp). Lód jest tak ciężki, że ląd znajdujący się po nim odkształca się, przybierając formę misy.

Lód i lodowce w ciągłym ruchu

Klimat w skali globalnej zmieniał się zawsze, ale nie  w sposób dostatecznie szybki aby mogło to być zauważone przez człowieka. W przeszłości było wiele okresów ciepła, takich jak ten 100 mln lat temu, kiedy żyły dinozaury. Było też wiele okresów ochłodzenia, np.  20,000 lat temu. Podczas ostatniej epoki lodowej większa część półkuli północnej była pokryta lodem: prawie cała Kanada, większa część północnej Azji i Europy, a także niektóre stany obecnych USA.

Niektóre fakty związane z lodowcami i pokrywą lodową

• Lodowce pokrywają 10-11% powierzchni wszystkich lądów.
• Gdyby dzisiaj stopiły się wszystkie lodowce poziom mórz i oceanów podniósł by się o około 70 m (wg National Snow and Ice Data Center).
• Podczas ostatniego zlodowacenia poziom mórz był o około 122 m (400 stóp) niższy od obecnego a lodowce pokrywały prawie jedną trzecią lądów.
• Podczas ostatniego ocieplenia, 125,000 lat temu, powierzchnia mórz utrzymywała się o około 5.5 m (18 stóp) wyżej niż dzisiaj. Około 3 mln lat temu poziom mórz mógł być wyższy nawet o 50.5 m (165 stóp).

 

Odpływ wód roztopowych: Odpływ wody z topniejącego lodu i śniegu do rzeki

Jeśli mieszkasz na Florydzie czy na Riwierze Francuskiej nie musisz się martwić tym, w jaki sposób woda z topniejącego śniegu uczestniczy w obiegu wody w przyrodzie. Trzeba jednak pamiętać, że przeważająca część tej wody bierze udział w cyklu hydrologicznym. W klimacie chłodniejszym zasilanie rzek i strumieni w większości pochodzi z topniejącego śniegu i lodu. Prócz zagrożenia powodziowego nagłe topnienie pokrywy śnieżnej może powodować obsunięcia stoków i przemieszczanie się ogromnych mas rumowiska skalnego.

Dobrym sposobem zrozumienia jak woda z topniejącego śniegu wpływa na przepływ w rzekach jest analiza hydrogramu zamieszczonego na poniższym rysunku. Pokazuje on średni dobowy przepływ (średni przepływ każdego dnia) w ciągu 4 lat w rzece North Fork American, w pobliżu zapory North Fork w Kalifornii. Wysokie przepływy są wynikiem topnienia śniegu. Zauważmy, że najniższy średni dobowy przepływ w marcu 2000 wynosił 1,200 stóp³/s, podczas gdy w sierpniu był rzędu 55-75 stóp³/s.

Odpływ wody roztopowej zmienia się w ciągu sezonu i lat. Porównajmy najwyższe przepływy w roku 2000 ze znacznie niższymi w roku 2001. Te ostatnie wyglądają tak, jakby w roku 2001 Kalifornię ogarnęła susza. Brak wody zmagazynowanej w pokrywie śnieżnej odbija się zwykle niedostatkami wody w pozostałej części roku. Może to mieć wpływ na objętość wody gromadzonej w zbiornikach wodnych położonych w dole rzeki, co z kolei, odbije się niekorzystnie na systemach nawadniających i zaopatrujących miasta w wodę.

 

Odpływ powierzchniowy: Ta część opadu, która po powierzchni gruntu spływa do najbliższego strumienia

Odpływ powierzchniowy to część opadu spływającego po powierzchni

Wiele osób ma dość uproszczone wyobrażenie o opadzie spadającym na powierzchnię lądu, spływającym po jego powierzchni do rzek, by rzekami dopłynąć do oceanu. "Uproszczone", gdyż rzeki na swej drodze zasilane są również wodami gruntowymi oraz tracą wodę, oddając ją do gruntu. Ciągle jednak przeważająca część wody w rzekach pochodzi z odpływu powierzchniowego.

USGS)" class="picleft">Zwykle część opadu przesiąka przez glebę. Gdy woda ta dotrze do warstw wodonośnych lub nieprzepuszczalnych zaczyna spływać w dół zgodnie z nachyleniem warstw skalnych. Podczas intensywnego deszczu można zauważyć wiele maleńkich strumyczków spływających w dół po stoku. Woda w gruncie zachowuje się podobnie - spływa kanalikami w kierunku rzeki. Fotografia obok pokazuje przykład jak spływ powierzchniowy (tu spływ z powierzchni drogi) dociera do małego strumienia. W tym przypadku woda porwała cząsteczki "gołej" gleby i odprowadziła je do rzeki (obniżając jakość wody). Woda, która dotarła do tego strumienia rozpoczęła swoją wędrówkę ku oceanowi.

Wszystkie procesy obiegu wody w przyrodzie są wynikiem interakcji pomiędzy opadem a odpływem powierzchniowym. Wszystkie one zmieniają się w czasie i przestrzeni. Podobne burze w Amazonii i na pustyni Południowego Zachodu Stanów Zjednoczonych wywołają różniący się zasadniczo odpływ powierzchniowy. Wielkość takiego odpływu jest związana zarówno z czynnikami meteorologicznymi, jak i charakterem fizyczno-geograficznym i topograficznym obszaru. Zaledwie jedna trzecia opadów na lądy dociera do strumieni czy rzek i powraca do oceanów. Pozostałe dwie trzecie paruje, transpiruje lub wsiąka w grunt. Człowiek dla własnych potrzeb zmienia również wielkość i kierunek odpływu powierzchniowego.

 

Przepływ w rzece: Ruch wody w naturalnych kanałach i rzekach

U.S. Geological Survey (USGS) używa terminu "przepływ" dla określenia ilości wody w rzekach i strumieniach.

Znaczenie rzek

Rzeki są ważne nie tylko dla człowieka ale dla życia w ogóle. Są nie tylko wspaniałym miejscem zabaw i wypoczynku dla ludzi (i ich psów) ale stanowią również główne źródło zaopatrzenia w wodę. Dostarczają wody dla melioracji, produkcji energii elektrycznej, transportu towarów. Są przyczyną powodzi. Pozwalają utrzymać odpowiedni poziom wód gruntowych dzięki zjawisku przesiąkania wody rzecznej do gruntu. No i oczywiście, oceany są pełne wody dzięki dopływającym rzekom.

Zlewnie i rzeki

Myśląc o rzece istotne jest pamiętać również o zlewni rzecznej. Czym jest zlewnia?  Jeśli staniemy w miejscu i rozejrzymy się wokół, wszystko co widzimy zawiera się w obrębie zlewni. Zlewnia jest obszarem, z którego woda spływa w kierunku jednego punktu. Zlewnia może być tak mała jak ślad stopy odciśnięty w błocie oraz tak duża, jak obszar, z którego woda spływa do Mississippi i dalej do Zatoki Meksykańskiej. Mniejsze zlewnie zawierają się w większych. Znaczenie zlewni jest duże z uwagi na to, że jakość wody w rzece czy strumieniu zależy od tego jakie działania prowadzi człowiek na obszarze zlewni położonym "powyżej" ujścia rzeki.

Zmienność przepływu

Przepływ zmienia się z dnia na dzień, a nawet z minuty na minutę. Oczywiście na zmienność przepływu w rzece najbardziej oddziałuje opad na obszar zlewni. Opad sprawia, że rzeki wzbierają. Poziom wody w rzece podnosi się nawet wtedy, gdy opad spadnie bardzo daleko od jej koryta - pamiętajmy, że opad na zlewnię rzeczną ostatecznie  dociera do jej ujścia. Wielkość rzek zależy przede wszystkim od wielkości zlewni. Duże rzeki mają ogromne zlewnie. Rzeki różniące się wielkością odmiennie reagują na opad. Duże rzeki przybierają i opadają znacznie wolniej niż rzeki małe. W małych zlewniach woda w rzece wzbiera i opada w ciągu godzin a nawet minut. Duże rzeki potrzebują dni aby ich poziom podniósł się lub opadł, a powódź może trwać wiele tygodni.

 

Zasoby słodkiej wody: Woda słodka na powierzchni Ziemi

Jednym z elementów cyklu hydrologicznego, niezbędnym dla utrzymania życia na Ziemi, jest woda słodka zmagazynowana na lądach. Zapytajcie sąsiada, pomidora, pstrąga czy tego nieznośnego komara. Rzeki, stawy, jeziora, sztuczne zbiorniki wodne i słodkowodne mokradła tworzą wody powierzchniowe.

Objętość wody w naszych rzekach i jeziorach zmienia się zależnie od ilości wody dopływającej i odpływającej. Rzeki zasilane są przez opad, odpływ powierzchniowy i gruntowy, dopływy boczne. Woda z rzek paruje i zasila wody gruntowe. Również człowiek "zabiera" wodę dla swoich potrzeb. Ilość wody zmienia się w czasie i przestrzeni w sposób naturalny oraz za sprawą człowieka.

Woda podtrzymuje życie

Jak to widać na zdjęciu przedstawiającym deltę Nilu w Egipcie, życie może kwitnąć nawet na pustyni, jeśli dostępna jest tylko dostateczna ilość wody powierzchniowej czy gruntowej. Woda występująca na lądach umożliwia życie. Woda gruntowa istnieje za sprawą przesiąkającej przez grunt wody powierzchniowej. Woda słodka na powierzchni lądów występuje raczej w niedostatecznej ilości. Zaledwie 3% całkowitej objętości wody na Ziemi to woda słodka. Woda w jeziorach i bagnach stanowi zaledwie 0.29% zasobów słodkiej wody. Około 20% całkowitych zasobów wody słodkiej jezior znajduje się w jednym jeziorze, w Bajkale w Azji, kolejne 20% zasobów w Wielkich Jeziorach Ameryki Północnej (w Huron, Michigan i Superior). Rzeki niosą zaledwie 0.006% całkowitych zasobów słodkiej wody. Można więc zauważyć, że życie na Ziemi trwa dzięki zaledwie "kropli" całkowitych zasobów wodnych Ziemi!

 

Infiltracja: Pionowy ruch wody z powierzchni do gleby i gruntu

Wody gruntowe mają swoje źródło w opadzie

Wszędzie na świecie część wody, która dociera do powierzchni lądu w postaci deszczu czy śniegu, infiltruje w głąb gruntu. Ilość infiltrującej wody zależy od wielu czynników. Infiltracja opadu, który dotarł do pokrywy lodowej Grenlandii jest bardzo mała, podczas gdy np. w pokazanej na zdjęciu jaskini w Georgii (USA) strumień wody znika natychmiast, docierając bezpośrednio do wód podziemnych!

Część infiltrującej wody pozostaje płytko pod powierzchnią gruntu, skąd przesiąkając może zasilać strumienie i rzeki. Część wody może infiltrować głębiej, docierając do wód podziemnych. Jeśli warstwy wodonośne nie są zbyt głęboko możliwe jest uwalnianie zgromadzonej tam wody poprzez studnie, z których ludzie czerpią wodę dla swoich potrzeb. Woda w gruncie może pokonywać duże odległości i pozostawać w nim przez długi czas zanim zasili strumienie, rzeki czy oceany.

Woda podpowierzchniowa

Infiltrująca woda opadowa tworzy w gruncie dwie strefy, nienasyconą (aeracji) i  nasyconą (saturacji). W strefie aeracji może występować wolna woda ale grunt nie jest nią nasycony. W górnej części strefy nienasyconej mamy warstwę gleby. Jej struktura jest kształtowana przez system korzeniowy roślin. Woda z tej strefy jest wykorzystywana przez rośliny. Poniżej strefy nienasyconej znajduje się strefa nasycona, gdzie woda wypełnia całkowicie przestrzenie pomiędzy cząsteczkami gruntu. Wiercąc studnie ludzie docierają do tej właśnie strefy.

 

Odpływ gruntowy: Odpływ wody z gruntu

Każdego dnia widzimy wodę w jeziorach, rzekach, pokrywie  lodowej, w postaci padającego  deszczu lub śniegu. W przyrodzie jest jednak duża część wody, której nie dostrzegamy bezpośrednio – jest to woda utrzymująca się i poruszająca w gruncie. Stanowi ona główne źródło zasilania rzek i strumieni. Ludzie od tysięcy lat wykorzystywali tę wodę. Korzystają z niej również obecnie, głównie do picia i nawodnień. Życie na Ziemi zależy w równym stopniu od wód podziemnych i powierzchniowych.

Woda gruntowa przepływa przez grunt

Część infiltrujących opadów tworzy wody gruntowe. W gruncie część wody przemieszcza się blisko jego powierzchni i stosunkowo szybko przedostaje się do rzek i strumieni. Za sprawą sił grawitacyjnych część wody wnika w głębsze warstwy grunt.

Diagram pokazuje, które czynniki charakteryzujące warstwy wodonośne i nieprzepuszczalne wpływają na kierunek i prędkość ruchu wody gruntowej. Objętość wody przemieszczającej się w głąb zależy od zdolności przepuszczających gruntu (od tego czy woda w gruncie porusza się z łatwością czy z trudem) oraz od jego porowatości (czy w gruncie istnieją wolne przestrzenie, nie wypełnione materiałem skalnym). Jeśli struktura gruntu pozwala na względnie łatwe przemieszczanie się wody, może ona pokonywać znaczące odległości w ciągu kilku dni. Ale woda może również przesiąkać do głębokich warstw wodonośnych, skąd dopiero po tysiącach lat powróci do środowiska.

 

Źródło: Miejsce, gdzie woda podziemna pojawia się na powierzchni

Czym jest źródło?

Źródło jest miejscem, gdzie warstwa wodonośna przecina powierzchnię grunt i skąd woda wypływa w sposób naturalny. Źródła mogą mieć różne wielkości, od małych, pojawiających się po intensywnym deszczu, do ogromnych, o wydajności setek milionów galonów wody dziennie.

Źródła mogą się tworzyć w skałach różnego rodzaju, ale najczęściej powstają w łamliwych wapieniach i dolomitach, łatwo rozpuszczanych przez kwaśne deszcze. W spękanych skałach tworzą się przestrzenie pozwalające na przepływ wody. Jeśli jest to przepływ poziomy  woda może dotrzeć do powierzchni gruntu i pojawić się w źródle.

Woda źródlana nie zawsze jest czysta

Woda w źródłach nie zawsze jest czysta. Niekiedy może mieć kolor "herbaty". Zdjęcie obok pokazuje naturalne źródło w na południowym zachodzie stanu Kolorado. Widoczne rdzawe zabarwienie jest powodowane przez minerały, z którymi woda miała kontakt w gruncie. Na Florydzie (USA) znaczna część wód powierzchniowych zawiera kwasy pochodzące z substancji organicznych zawartych w skałach podpowierzchniowych. Źródła mają tam specyficzny kolor. Źródła silnie zabarwione mogą świadczyć o tym, że woda szybko przepływa dużymi kanałami w warstwie wodonośnej i nie jest filtrowana przez wapienie.

Gorące źródła

Gorące źródła są zwyczajnymi źródłami, z tym tylko, że woda w nich jest ciepła, a niekiedy gorąca, tak jak  na przykład w bulgoczących źródłach błotnych w Parku Narodowym Yellowstone w Wyoming (USA). Większość gorących źródeł występuje w regionach o przeszłości wulkanicznej a woda podgrzewana jest przez rozgrzane skały, których temperatura wzrasta wraz z głębokością. Jeśli podgrzana woda dotrze do odpowiednio dużej szczeliny wyprowadzającej ją na powierzchnię, pojawia się tam w postaci gorącego źródła. Tego typu źródłami są znane Ciepłe Źródła w Georgii i Gorące Źródła w Arkansas. Trzeba stwierdzić, że źródła termalne rozrzucone są po całym świecie i mogą nawet występować w pobliżu gór lodowych, tak jak na Grenlandii.

 

Transpiracja: Proces, w którym para wodna uchodząc z roślin dostaje się do atmosfery

Transpiracja a liście roślin

Transpiracja jest procesem, w którym wilgoć przechodzi przez rośliny od korzeni do małych porów na spodniej stronie liści. Tam zamieniana jest w parę i uwalniana do atmosfery. Transpiracja jest szczególnym rodzajem parowania wody za pośrednictwem liści. Ocenia się, że około 10% wilgoci dostaje się do atmosfery dzięki procesowi transpiracji.

Transpiracja roślin jest prawie nie zauważalna – mimo, że woda paruje z roślin nie widzimy, że są one "spocone". W okresie wzrostu rośliny transpirują znacznie więcej wody niż same ważą. Jeden akr zboża uwalnia do atmosfery około 11,400 – 15,100 litrów (3,000 – 4,000 galonów) wody każdego dnia, a wielki dąb może transpirować 151,000 litrów (40,000 galonów) wody w ciągu roku.

Czynniki atmosferyczne wpływające na proces transpiracji

Wielkość transpiracji roślin zmienia się w czasie i przestrzeni. Istnieje wiele czynników wpływających na ten proces:

• Temperatura: Transpiracja wzrasta ze wzrostem temperatury, szczególnie w okresie rozwoju roślin.
• Względna wilgotność: Jeśli wilgotność względna w powietrzu otaczającym roślinę podnosi się, spada wielkość transpiracji. Łatwiej jest wodzie parować w powietrzu bardziej suchym niż wilgotnym.
• Wiatr i ruch powietrza: Intensywniejszy ruch powietrza wokół rośliny sprawia, że transpiracja wzrasta.
• Gatunek rośliny: Rośliny transpirują wodę w różnym stopniu. Rośliny z jałowych regionów, np. kaktusy, zatrzymują cenną wodę i transpirują jej mniej niż inne.
•  

Wody podziemne: Woda przebywająca pod powierzchnią Ziemi  przez długi czas

Woda zmagazynowana pod ziemią jest częścią cyklu hydrologicznego

Ogromna ilość wody jest zatrzymywana w gruncie. Porusza się tam znacznie wolniej, ale nadal jest elementem cyklu hydrologicznego. Większość wody w gruncie pochodzi od opadów infiltrujących przez jego powierzchnię. Górna warstwa gleby jest strefą nienasyconą, w której woda podlega zmianom, ale jej nie wypełnia. Poniżej znajduje się strefa nasycona, gdzie wszystkie wolne przestrzenie między cząsteczkami gruntu wypełnione są wodą. Obszar ten nazywany jest wodami podziemnymi lub warstwą wodonośną. Jest to olbrzymi magazyn wody na Ziemi, od którego zależy codzienne życie ludzi na całym świeci.

Aby znaleźć wodę, zajrzyj pod lustro... lustro wody

Mam nadzieję, że pozwolicie mi spędzić godzinę na rozgrzanej słońcem plaży, przy kopaniu dołka w piasku. To najlepszy sposób aby pokazać, że na pewnej głębokości grunt, który jest dostatecznie przepuszczalny, jest nasycony wodą. W wykopanym dołku pojawia się woda. Jej powierzchnię tworzy zwierciadło wody. Poziom wody w oceanie wpływa na  poziom wody w naszym dołku, jest on taki sam. Poziom wody zmienia się z minuty na minutę w rytm falowania oceanu. Jeśli woda w oceanie podnosi się lub opada, taki same ruchy wykonuje zwierciadło wody w wykopanym na plaży dołku.

Tak więc, nasz dołek działa jak studnia, do czerpania wód podziemnych. Gdyby była to woda słodka moglibyśmy wykorzystać ją do picia. Wiadomo, że jeśli za pomocą wiadra będziemy próbowali wybrać wodę, dołek napełni się ponownie i to bardzo szybko. Oznacza to, że piasek wokół jest tak przepuszczalny, że woda łatwo przezeń przepływa i nasza "studnia" ma "dużą wydajność". Aby dotrzeć do słodkiej wody ludzie wiercą głębokie studnie, sięgające warstw wodonośnych. Studnie mogą mieć głębokość nawet tysięcy stóp. Zasada jest jednak nadal taka sama jak w naszym "dołku" na plaży – docieramy do warstwy wodonośnej, gdzie wszystkie pory gruntu wypełnione są wodą.

 

Światowe zasoby wodne

Dla dokładnego wyjaśnienia gdzie i ile jest wody na Ziemi, spójrzmy na poniższy rysunek i dane. Zauważmy, że całkowita objętość wody na Ziemi wynosi około 1,386 mln km³ (332.5 mln mi³), z czego 96% to wody słone. Wody słodkie w 68% zmagazynowane są w lodach i lodowcach. Pozostałe 30% wód słodkich znajduje się pod ziemią. Powierzchniowe zasoby słodkiej wody, w rzekach czy jeziorach, wynoszą około 93,000 km³ (22,300 mi³), co stanowi zaledwie 1/150% całkowitych zasobów wodnych Ziemi. A mimo to rzeki i jeziora są podstawowym źródłem wody w codziennym życiu człowieka.

 

Sources/Usage: Public Domain. View Media Details

 

 

Tłumaczenie przez Malgorzata Mierkiewicz, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej.