Есть все основания полагать, что жизнь на Земле зародилась в гидросфере. Местом ее возникновения могли быть мелководные прибрежные зоны морей, а также первичные мелкие водоемы или влажные почвы. В настоящее время из 33 классов растений в гидросфере встречаются представители 18, из 63 классов животных - 60. В противоположность животным растения сравнительно богаче представлены на суше, причем преимущественно высшими формами, относящимися к типам покрытосеменных и голосеменных. Водная среда, будучи более опорной, чем воздух, позволяет мелким растениям находиться во взвешенном состоянии. Это создает возможность многоярусного расположения мелких растений в воде в основном мелкими водорослями, на долю которых приходится более 99% фитомассы гидросферы.

Мировой океан и его население.

Мировой океан населен древней флорой и фауной, в состав которых входит свыше 200 тыс. видов. Население суши в целом представляет собой геологически молодое производное от морского. О разнообразии морской фауны говорит тот факт, что из 63 классов животных в Мировом океане представлены 52, только морскими формами - 31. Несколько иная картина у растений: из 33 классов в морях встречаются 10, только в них - 5. Это связано с тем, что в водной среде растения могут успешно существовать во взвешенном состоянии без развития опорных и проводящих элементов. В результате эволюционное развитие растений в море практически остановилось на уровне водорослей. Роль цветковых растений в море очень невелика, причем все они - вторичные вселенцы подобно морским млекопитающим и рептилиям. К основным представителям морской флоры относятся одноклеточные водоросли (диатомовые, перидиниевые, кокколитофориды), в значительно меньшей степени - многоклеточные, обитающие в прибрежной зоне (зеленые, бурые и красные), и грибы. Во всей толще воды и донных отложениях в огромном количестве встречаются бактерии и актиномицеты. Из животных наибольшее значение имеют фораминиферы, радиолярии, губки, кишечнополостные, полихеты, моллюски, мшанки, ракообразные, иглокожие, рыбы и млекопитающие.

Суммарная биомасса Мирового океана равна приблизительно 3 - 4 млрд. т. Сухого вещества, из которой только 0,15 млрд. т., или около 5 %, приходится на долю растений. Для сравнения: биомасса суши - около 1800 млрд. т., причем на долю растений приходится 95%.

Континентальные водоемы и их население.

В подавляющем большинстве континентальные водоемы пресные, реже они бывают солоноватыми, солеными. Из 33 классов водных растений в пресных водах представлены13, из 63 классов животных - 19. Только или почти исключительно в пресных водах обитают представители трех классов растений и двух классов животных. Из растений в пресных водах наиболее обычны бактерии, грибы, сине-зеленые, диатомовые и зеленые водоросли, а также цветковые, из животных - простейшие, коловратки, олигохеты, брюхоногие и двустворчатые моллюски, ветвистоусые и веслоногие раки, личинки насекомых и рыбы.

Реки. Реки представляют собой водоемы, водная масса которых перемещается от истока к устью вследствие разницы их положения над уровнем моря, то есть под влиянием силы тяжести. Население рек характеризуется значительным видовым разнообразием, что связано с их большой биотопической расчлененностью. Из отдельных экологических группировок значительного обилия в реках достигает планктон, бентос и нектон, слабее представлен перифитон, а нейстон и плейстон вследствие турбулентного движения воды почти полностью отсутствуют.

Озера. Организмы, обитающие в озерах, называются лимнобионтами. По видовому составу и обилию население озер сильно варьирует в зависимости от их географического положения, происхождения, особенностей строения котловины и гидрологического режима. В частности, с изменением солености воды связан тот факт, что в РФ с продвижением с севера на юг до зоны степей и черноземной полосы население озер количественно обогащается, а в более низких широтах становится беднее. Наиболее благоприятные условия для существования озерного населения создаются при содержании солей от 0,1 до 1 г/л. Жизнь северных водоемов угнетается из-за недостаточной, а южных - из-за избыточной солености воды.

Болота. Население болот характеризуется бедностью видового состава и во многих случаях присутствием специфических форм. В низинных болотах оно напоминает население сильно эвтрофированных озер, в верховых - отличается большим своеобразием и исключительной бедностью. Это объясняется высокой кислотностью воды, исключающей существование форм с наружным известковым скелетом, и ее крайне слабой минерализацией из-за отсутствия контакта с грунтом (покрыт растительностью).

Водохранилища. Население водохранилищ по видовому составу и количественному богатству занимает как бы промежуточное положение между речным и озерным. В водохранилищах речного типа в верхнем участке сохраняются речные условия и речное население, в средней части флора и фауна носят промежуточный характер, а в приплотинной зоне приобретают озерные черты. В водохранилищах озерного типа население заметно отличается от речного и ближе по своему составу к озерному. На первых стадиях существования водохранилищ их население близко к имеющемуся в исходном водоеме. В дальнейшем оно приобретает специфический облик, зависящий главным образом от географического положения водоема.

Пруды. Пруды сооружаются для рыборазведения, водоснабжения населенных пунктов, полива полей, водопоя скота и ряда других целей. Население прудов отличается видовым однообразием, хотя по своей численности и биомассе оно часто богаче озерного. Ведущую роль в фауне прудов играют вторичноводные организмы.

Круговорот воды.

На земном шаре непрерывно происходит круговорот воды, который, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и биосферой, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды, атмосферную воду.

Рис.2.1 Круговорот воды.

1 - осадки; 2 - водопроницаемые породы; 3 - слабопроницаемые породы; 4 - непроницаемые породы; 5 - источник; 6 - направление движения воды и водяных паров.

Различают несколько видов круговорота воды в природе:

Большой, или мировой, круговорот - водяной пар, испарившийся с поверхности океанов, переносится ветрами на материки, выпадает в виде атмосферных осадков и возвращается в океан со стоком.

Малый, или океанический, круговорот - водяной пар, испарившийся с поверхности океанов, выпадает в виде атмосферных осадков снова в океан.

Внутриконтинентальный круговорот - вода, испарившаяся с поверхности суши, вновь выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.

Движущие силы круговорота воды - тепловая энергия и сила тяжести. Под влиянием тепла происходят испарение, конденсация водяных паров и другие процессы, а под влиянием силы тяжести - падение капель дождя, течение рек, движение почвенных и подземных вод. Часто эти две причины действуют совместно: например, на атмосферную циркуляцию влияют как тепловые процессы, так и сила тяжести. В круговороте воды выделяются следующие основные звенья: атмосферное, океаническое и материковое, которое включает в себя литогенное, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйственное звенья. Каждое из них играет в круговороте свою особую роль.

Ни одно из перечисленных звеньев круговорота воды не представляет собой замкнутой системы. Только круговорот воды на земном шаре, связывающий в единое целое все части гидросферы, может рассматриваться как замкнутая система. Вместе с тем в практической работе принимается условно замкнутым водный баланс, например, для отдельных речных бассейнов или озер.

Атмосферное звено.

Атмосферное звено круговорота характеризуется переносом влаги в процессе циркуляции воздуха и, как уже было сказано, образованием атмосферных осадков. Общая циркуляция атмосферы обладает замечательным свойством - сравнительной устойчивостью из года в год, но при существенной сезонной изменчивости.

Расчеты показывают, что средний слой осадков составляет на суше 765 мм, в океане - 1140 мм, а в целом для всего земного шара - 1030 мм, т.е. немногим более 1 м. В объеме соответствующие величины равны: для суши - 113,5 тыс. км³ (22%), для океана - 411,6 тыс. км³ (78%), для всего земного шара - 525,1 тыс. км³.

Непосредственная роль циркуляции воздуха в круговороте воды заключается в перераспределении атмосферной влаги по земному шару. На материках осадков выпадает больше, чем атмосфера получает влаги за счет испарения с суши. Разница, приблизительно достигающая 40 - 43 тыс. км³ в год, восполняется за счет переноса влаги атмосферы с океана на сушу. Этот процесс имеет большое значение, так как он увеличивает водные ресурсы материков. Без такой прибыли влаги водные ресурсы, используемые человеком на суше, были бы значительно беднее.

Океаническое звено.

мировой океан биосфера экосистема

Для океанического звена круговорота наиболее характерно испарение воды, в процессе которого непрерывно восстанавливается содержание водяного пара в атмосфере. Достаточно сказать, что более 86% влаги поступает в атмосферу за счет испарения с поверхности океана и менее 14% - за счет испарения с суши.

Испарение - физический процесс образования паров при отрыве молекул жидкости от ее свободной поверхности. Влагу испаряют не только океаны, моря и другие водоемы, но и смоченная почва, растения, поверхность подземных вод. Этот процесс возвращает в атмосферу в виде паров воды в среднем около 2/3 осадков.

Интенсивность испарения с поверхности воды обуславливается процессами диффузии и тепловой конвекцией. Молекулы воды из слоя воздуха, прилегающего к воде и уже насыщенного водяным паром, перемещаются вверх. На их место поступают молекулы из воды. Такая форма испарения называется диффузионной. Тепловая конвекция возникает за счет разности в температурах воды и воздуха и в температурах воздуха у поверхности воды и выше. Если температура воздуха непосредственно у воды выше, чем температура воздуха вышерасположенных слоев, то воздух нижних слоев, будучи более легким, поднимается вверх. Воздух более холодный, а, следовательно, более тяжелый, но менее насыщенный водяным паром из верхних слоев перемещается вниз. В результате возникает тепловая конвекция, обуславливающая испарение, называемое конвекционным. Хорошо прогреваемые участки почвы, насыщенные влагой, или лужи обеспечивают скорость испарение примерно на 50% выше, чем более холодная (из-за лучшего массо - и теплообмена) поверхность водоема глубиной в несколько метров. Такого же порядка в природных условиях и влияние ветра. Ветер способствует замене относительно насыщенного парами воздуха у водной поверхности менее насыщенным из верхних слоев. Например, при скорости ветра 20 м/с скорость испарения увеличивается примерно в полтора раза по сравнению с безветрием.

Испарение со снега и льда определяется теми же факторами, что и с поверхности воды. По опытным данным, испарение со снега в десятки раз меньше испарения с водной поверхности. В средних широтах оно не превышает 20 - 30 мм за зиму. Весной при положительных температурах воздуха испарение со снега существенно возрастает. Отличительная особенность испарения со снега и льда заключается в том, что переход воды из твердого состояния в газообразное совершается, минуя твердую фазу. Этот процесс называется возгонкой.

Каждую минуту на испарение с поверхности океана уходит 2 10¹⁸ Дж солнечной энергии. Но это тепло не потеряно для планеты. При конденсации пара в верхней части тропосферы тепло, затраченное на испарение, вновь выделяется. Водяной пар выступает как теплоноситель, перемещающий тепло Солнца, для излучения которого атмосфера прозрачна, от поверхности океана и увлажненной поверхности суши к уровню конденсации в атмосфере. Мощные импульсы тепла, возникающие при конденсации, служат одним из двигателей циркуляции атмосферы и, возможно, источниками энергии тропических ураганов.

Пары воды в атмосфере играют и другую, не менее важную роль: они перехватывают и поглощают тепловое (инфракрасное) излучение Земли, создавая парниковый эффект. Роль водяного пара в парниковом эффекте, как уже говорилось, значительно существеннее, чем роль углекислого газа. Атмосферную влагу можно сравнить с теплым одеялом, окутывающим нашу Землю.

Расход воды на испарение распределяется неравномерно по акватории океана. Это можно хорошо видеть по разности между испарением и осадками. В экваториальной зоне расход воды на испарение из-за большой облачности меньше годовой суммы осадков. В умеренных широтах испаряется воды также меньше, чем выпадает осадков, но основная причина здесь другая - недостаток тепла. В тропической и субтропической зонах с поверхности океана испаряется влаги больше, чем выпадает. Происходит это потому, что в зоне пассатов облачность бывает реже, тепла здесь много, а осадков выпадает относительно меньше.

Океаническим течениям принадлежит большая климатообразующая роль, поэтому их влияние на круговорот воды в основном сказывается через климат. Морские течения переносят воды на три порядка больше, чем все реки мира, а обусловленный ими водообмен в 50 раз интенсивнее водообмена, вызванного атмосферными осадками, выпадающими на поверхность океана, и испарением. По этой причине внутренний океанический водообмен гораздо интенсивнее внешнего, обусловленного круговоротом пресной воды.

Литогенное звено.

Литогенное звено круговорота воды, другими словами, участие подземных вод в круговороте воды, весьма разнообразно. Глубинные подземные воды, главным образом рассолы, крайне слабо связаны с верхними слоями подземных вод и с другими звеньями круговорота воды. Накопление глубинных подземных вод в некоторых областях происходило в течение многих миллионов лет. Весьма медленно просачиваясь вглубь и пополняясь за счет дегазации мантии, на глубинах (чаще всего более 1 - 2 км) образовались огромные скопления воды. Но их участие в круговороте воды выражено весьма слабо. Глубинные подземные воды, если сравнивать с круговоротом воды - явлением природы весьма динамичным, практически стабильны. Их объем весьма незначительно меняется в течение коротких периодов времени. Они обычно сильно минерализованы, вплоть до крепких рассолов, что и служит главным признаком слабого обмена.

Явлению естественного дренажа подземных вод принадлежит исключительно важная роль в круговороте. Благодаря ему одно из звеньев круговорота приобретает регулирующие свойства - реки получают устойчивое питание. Без этого источника водный режим рек был бы еще более изменчив - вода в реках появлялась бы лишь во время дождей или при снеготаянии, а в остальное время реки пересыхали бы.

Почвенное звено.

К литогенному звену относится также и почвенное, поскольку почвенная вода связана с самой верхней частью земной коры. Вместе с тем имеются все основания для выделения почвенных вод, или, как чаще принято называть, почвенной влаги, в особое звено круговорота. Почвенная влага отличается от подземных вод некоторыми особенностями. Во-первых, почвенная влага связана с биологическими процессами в гораздо большей мере, чем подземные воды. Почвенный покров, к которому приурочена почвенная влага, представляет не чисто минеральную массу, слагающую горные породы, а содержит большее или меньшее количество гумуса. Во-вторых, почвенная влага в большей мере, чем подземные воды, связана с характером погоды. Во время дождей или при снеготаянии происходит инфильтрация, обогащающая почву влагой, но в сухое время она быстро расходуется на испарение. По этой причине содержание влаги в почве на большей части суши бывает неустойчивым. Испарение происходит не только с поверхности почвы; почвенная влага расходуется также на транспирацию, которая представляет исключительно важный процесс жизнедеятельности растений, причем корни растений поглощают влагу с той глубины, на которую они распространяются. Таким образом, почвенная влага представляет собой один из важных факторов жизнедеятельности растений.

Хотя единовременный объем почвенной влаги относительно невелик, но она быстро сменяется и, как мы видели, играет большую роль в круговороте воды, в биогенных процессах и в хозяйственной жизни. Почвенное звено круговорота оказывает большое влияние не только на формирование подземных вод, но также и на водоносность и водный режим рек. Одним словом, почва - своего рода посредник между климатом, метеорологическими факторами, с одной стороны, и явлениями гидрологического режима (подземных вод, рек и озер) - с другой.

Речное звено.

Речное звено круговорота воды изучено лучше других. И это не случайно. Человек издавна селился вдоль рек, продвигался по рекам в неведомые страны, пил речную воду, ел рыбу, выловленную в реках. С развитием производительных сил человек стал использовать речные воды для орошения, а в дальнейшем - в качестве источника энергии, сначала возводя на них примитивные мельничные колеса, а затем гидроэлектростанции вплоть до современных мощностью в несколько миллионов киловатт.

Вместе с водой реки переносят растворенные в ней вещества. Сток растворенных веществ определяется степенью минерализации сточных вод и количеством жидкого стока, зависящих от вида питания реки. Сток растворенных веществ - это количество неорганических и органических веществ, выносимых реками в ионно-молекулярном или коллоидном состоянии с данной территории за определенный период времени. Основную массу выносимых растворенных веществ составляет ионный сток.

Ионный сток рек характеризует химическую эрозию и служит связующим звеном в солевом обмене суши и океана. Наибольший ионный сток приходится на поверхность Северного Ледовитого океана, наименьший - на бассейн Тихого океана.

Сток остальных растворенных веществ (органическое вещество, минеральные коллоиды, микроэлементы, неорганические биогенные элементы) достигает 102 млн. т. в год или 20% общего стока растворенных элементов. Первое место среди них занимают органические вещества (79 млн. т. в год или 16%общего стока растворенных веществ).

По соотношению стока взвешенных наносов и ионного стока резко различаются равнинные и горные реки. Благодаря значительной кинетической энергии горных рек механическая эрозия их бассейнов происходит более интенсивно, чем химическая. Значительная доля питания водами осадочных пород при относительно умеренной механической эрозии создает преобладание ионного стока равнинных рек над стоком взвешенных наносов.

Роль рек в процессе круговорота заключается в возвращении океану той части воды, которая переносится в виде пара атмосферой с океана на сушу. По этой причине с океана испаряется больше воды, чем выпадает в виде осадков, на величину, соответствующую годовому стоку всех рек в океан. В то же время с суши испаряется в целом меньше воды, чем выпадает атмосферных осадков на ее поверхность.

Озерное звено.

Озерное звено круговорота воды неразрывно связано с речным. Озер, не связанных с реками, очень мало: они либо проточны, либо в них впадают реки. Что наиболее характерно для озер как для одного из звеньев круговорота воды? Во-первых, испарение, которое с поверхности озер больше, чем с суши, их окружающей. Происходит это потому, что бывают периоды, когда почва на поверхности суха, и влага, расходуемая на испарение, отсутствует. Вода же в озерах всегда есть, и испарение с них не прекращается. Атмосфера получает ежегодно примерно 500-600 км³ дополнительной воды за счет испарения с озер, но в сравнении с общим количеством воды, расходуемой на испарение, эта добавка весьма незначительна.

Главная роль проточных озер в круговороте воды - регулирование речного стока, его выравнивание во времени. Примерами могут служить р. Нева, сток которой хорошо зарегулирован целой системой озер, в том числе крупнейшими в Европе - Ладожским и Онежским. Однако водорегулирующее значение еще в большей степени имеют искусственные озера - водохранилища.

Важная особенность озер и водохранилищ состоит в том, что они представляют собой более или менее замкнутые экологические системы, в которых протекает сложный комплекс взаимосвязанных процессов: механического характера (течение, волнение, движение наносов), физического (термические, ледовые явления), химического и биологического. В водоемах высокой степени проточности эти процессы приближаются к условиям рек. Но большие озера с относительно слабой проточностью (например, такие, как Байкал, Ньяса, Танганьика, Виктория, Верхнее, Мичиган), имеющие больший объем водной массы по сравнению с ее притоком, отличаются своеобразием экосистем.

Биологическое звено.

Общеизвестно, что в жизни животных и растений вода имеет огромное значение. Они в большей своей части состоят из воды. Много воды требуется людям для питья (2,5-3 л). Если принять эту норму, то на удовлетворение физиологической потребности одного человека расходуется около 1м³ воды в год, а на всех людей - 3,3 км³. В сумме все живые организмы суши расходуют для питья не более 50 км³ в год. Эта величина очень невелика в сравнении с любым элементом водного баланса Земли. Нужно еще учесть, что почти вся вода, потребляемая людьми и животными, в конце концов испаряется и возвращается в общий круговорот воды. Независимо от объема потребляемой воды физиологическое значение этой статьи расходования водных ресурсов в жизни людей и животных исключительно велико. К биологическому звену круговорота воды относятся и водные животные и растения, для которых моря, озера, реки - среда существования.

Важнейший биологический процесс, обеспечивающий существование на Земле всего органического мира, - фотосинтез происходит при участии воды. В результате этого процесса растения из углекислоты и воды синтезируют крахмал, белки, жиры, которые в свою очередь служат пищей для людей и животных. В процессе фотосинтеза входящий в состав воды водород вместе с углеродом, поглощаемым из воздуха, образуют питательные вещества, а растения отдают в воздух кислород. Обогащение кислородом атмосферы происходит не только за счет растительности суши, но и за счет океанического фитопланктона.

Хозяйственное звено.

Использование водных ресурсов, их преобразования, направленные на улучшение их как одного из компонентов среды, окружающей людей, также происходят в процессе круговорота воды.

Иногда, а в последнее время все чаще высказывается мнение о том, что вода, используемая для хозяйственных нужд, снова попадает в круговорот воды. Это, конечно, верно и вполне соответствует высказанной выше закономерности, если речь идет о глобальном круговороте, поскольку система этого процесса замкнута лишь в масштабе земного шара в целом. Но следует ли из этого положения вывод о том, что водные ресурсы неисчерпаемы, что, сколько бы их ни расходовали, они снова возвращаются в то же место или в тот же район, где водные ресурсы изъяты из данного источника. Такое понимание возврата воды в процессе круговорота слишком упрощенно и не соответствует характеру этого процесса в природе. Все дело в том, что вода, испарившаяся в процессе использования для хозяйственных нужд и поступившая в атмосферу в парообразном состоянии, вовсе не обязательно снова выпадет в виде осадков в том же районе. Чаще всего атмосферная влага переносится на большие расстояния и может сконденсироваться и выпасть в виде осадков далеко от района, где она поступила в атмосферу. Если, например, вода, испарившаяся в результате орошения в Средней Азии, даст осадки в Гималаях, где и без того вода в избытке, то для Средней Азии эта вода будет потеряна. А если эта атмосферная влага сконденсируется в виде осадков на акватории океана, то в таком случае она уже оказывается утраченной для суши в целом.

Роль воды в формировании земной поверхности.

Действуя как мощный геологический фактор, вода преобразует облик земного шара. Лучше всех из современных мыслителей роль и всеобъемлющее значение воды в природе и в формировании земной поверхности определил академик В.И. Вернадский; "Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с нею по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества - минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество ею проникнуто и охвачено".

Изо дня в день, непрерывно в течение многих миллиардов лет поверхностные воды в союзе со зноем, холодом и ветром разрушают самые твердые горные породы, размывают горы и возвышенности, смывают почвенный покров, образуют широкие долины, глубокие овраги и ущелья, перемещают огромные массы рыхлого обломочного материала. Необозримые равнины, иногда тянущиеся на тысячи километров с севера на юг и с запада на восток, в основании своем в большинстве случаев имеют осадочные породы. Мощность их может достигать фантастических величин - в Прикаспийской низменности, например, 15 - 20 км. И все это создала природная вода.

По расчетам известного гидролога М.И. Львовича все реки земного шара ежегодно выносят в океан 22 млрд. т. твердых веществ (ила, песка и т.п.), в том числе реки России - 600 млн. т. Выщелачивая горные породы, поверхностные воды еще добавляют в океан ежегодно 3 млрд. т. растворенных веществ. Под действием подземных вод возникают оползни, растворяются известняки и другие горные породы, создаются карстовые воронки и провалы. Геологи подсчитали, что если бы отсутствовали непрерывные тектонические движения земной коры, то поверхность суши при нынешних темпах ее разрушения ветром и водой сравнялось бы с уровнем Мирового океана за весьма непродолжительный по геологическим масштабам промежуток времени - 110 млн. лет. По истечении этого срока Земля представляла бы собой печальное зрелище - идеально гладкий каменный шар.

Эрозионно-аккумулятивные процессы.

Стекающая по склонам земной поверхности и по русловой сети вода производит работу, часть которой затрачивается на отрыв частиц грунта от общей массы почвогрунта и перенос их вниз по течению. При определенных условиях происходит отложение частиц грунта. Разрушение почвогрунта активизируется дождевыми каплями при их разбрызгивании. Процесс разрушения, перемещения и отложения почвогрунта и горной породы под воздействием дождя и движущейся воды называется водной эрозией. Так как водная эрозия способствует сглаживанию рельефа земной поверхности, ее, как и ветровую эрозию, относят к процессам денудации. Твердые частицы - продукты эрозии водосборов и русел, а также абразии берегов водоемов, переносимые водотоками, а также течениями в озерах, морях и водохранилищах и формирующие ложе водоемов, называются наносами.

Водная эрозия и сток наносов - необратимый однонаправленный процесс, так как продукты разрушения не могут быть восстановлены в их первоначальных формах.

Эрозионная деятельность водных потоков отличается большим разнообразием. В соответствии с видами стока различают эрозию склоновую и русловую. Эрозия поверхности начинается со смыва дисперсных частиц, утративших связь с основным массивом грунта. Унос частиц грунта прекращается или ослабевает после образования выступов шероховатости. С увеличением скорости движения воды происходит подмыв с тыловой стороны выступа, обуславливающий возрастание лобовой и подъемной силы потока. Подъемная сила возникает в результате несимметричного обтекания потоком частиц грунта. Пульсирующие лобовая и подъемная силы вследствие турбулентности потока отрывают частицы грунта от дна. Однако процесс водной эрозии нельзя свести только к механическому взаимодействию потока и грунта. В действительности проявляется совокупность гидромеханических, физико-химических и биологических процессов.

Классификация видов эрозии Г.И. Швебса:

Эрозия разбрызгивания. Возникает при разбрызгивании дождевых капель, падающих на поверхность почвогрунта. Скорость падения капель увеличивается с ростом их диаметра, а диаметр капель увеличивается с усилением интенсивности дождя.

Поверхностный смыв. Происходит при образовании поверхностного стока в микроструктурах почвогрунта при глубине потока, соизмеримой с размерами частиц, перемещаемых водой.

Струйчатая эрозия. Проявляется при образовании струй и ручьев в поверхностном стоке.

Овражная эрозия. Образуется в результате концентрации потока на крутых склонах, сложенных легкоразмываемыми грунтами. В результате формируется глубокий врез в грунт, вызывающий обвалы, оползание и оплывание склонов.

Русловая эрозия. Русловая эрозия - размыв водными потоками, протекающими в руслах, коренных пород дна и берегов русла и склонов долин. Она обусловлена динамикой руслового потока и эрозионными процессами на водосборе и в русле.

Селевый поток. Сель - стремительный поток большой разрушительной силы, состоящий из смеси воды и рыхлых обломочных пород и возникающий внезапно в бассейнах небольших горных рек в результате интенсивных дождей или бурного таяния снега, а также прорыва завалов и морен.

Подземная эрозия. Проявляется в деформации трещин и ходов в почвогрунтах и горных породах под действием потока, развивается в условиях интенсивного выщелачивания и карстообразования.

Эрозия сопровождается процессом аккумуляции наносов, продуктов разрушения в понижениях рельефа, в русловой сети, водохранилищах и др. Поэтому в гидрологии эрозионно-аккумулятивные явления рассматриваются как единый процесс.

Продукты эрозионной работы транспортируются речными потоками в виде взвешенных и влекомых наносов и в виде растворов. Взвешенные наносы - мелкие минеральные частицы (диаметр не более 3 мм), переносимые водным потоком во взвешенном состоянии. Более крупные наносы перемещаются влечением по дну. В больших реках на долю влекомых наносов приходится в среднем менее 5% (от взвешенных). Сток влекомых наносов малых горных рек, впадающих в моря, составляет 50 - 90 % от стока взвешенных наносов. Размер стока взвешенных наносов больших рек - достоверный критерий интенсивности процесса водной эрозии на определенной части суши.

Формирование русла определяют донные наносы, поэтому их часто называют руслоформирующими. Относительно крупные зерна, двигаясь в наиболее насыщенной наносами придонной области, постоянно сталкиваются и касаются друг друга. Движение донных наносов и характеристика речного потока тесно взаимосвязаны. Существующие неровности дна, в том числе шероховатость, образуемая донными наносами, генерируют повышенную турбулентность потока. В свою очередь локальные турбулентные импульсы усиливают неравномерность перемещений наносов и связанные с этим неровности дна. В результате взаимодействия потока с дном в русле рек возникают гряды донных наносов. Гряды постепенно перемещаются вниз по течению. Повороты русла, поперечная циркуляция и другие причины приводят к местным скоплениям наносов. Характер их образования и перемещений определяет тип русла: прямолинейное, извилистое, разбросанное.

Русловые процессы.

Русловой процесс представляет собой постоянно происходящие изменения морфологического строения русла водотока и поймы, обусловленные действием текучей воды. Русловой процесс является результатом сложного, саморегулирующего взаимодействия между потоком и руслом. Русловые процессы подразделяются на необратимые и обратимые.

Рис.2.2 Типы русловых процессов рек.

1 - ленточно-грядовой тип; 2 - побочневый тип; 3 - ограниченное меандрирование; 4 - свободное меандрирование; 5 - незавершенное меандрирование; 6 - русловая многорукавность; 7 - пойменная многорукавность.

Необратимые русловые процессы обусловлены однонаправленным изменением водного режима водотока. Они выражают медленный процесс развития морфологических характеристик реки, относящихся главным образом к продольному профилю реки. К однонаправленным процессам также изменения морфологического строения русла, вызванные воздействием гидротехнических сооружений на речное русло, рассчитанных на длительный срок службы.

К обратимым русловым процессам относятся сезонные изменения рельефа дна реки на перекатах и плесах, перемещения песчаных гряд, побочней, осередков, подмывы и намывы берегов, меандрирование, возникновение проток и их отмирание. Обратимые изменения формы дна потока рассматриваются как внешнее проявление движения наносов за счет их переотложения в русле и пойме и поступления в реку с водосборного бассейна.

Русловый процесс имеет дискретную структуру, в которой выделяются структурные элементы разных размеров с присущими им закономерностями формирования. К структурным элементам относятся:

Отдельные твердые частицы.

Микроформы - мелкие песчаные гряды.

Мезоформы - средние русловые формы, представляющие собой сравнительно крупные подвижные русловые формы (побочни, осередки, большие гряды).

Макроформы - речные излучины.

Определенная схема деформации русла и поймы реки, возникающая в результате сочетания особенностей водного режима и стока наносов, обуславливают тип руслового процесса. Различают следующие типы руслового процесса рек:

Ленточно-грядовой тип. В русле происходит движение системы гряд, искривленных в плане под влиянием придонных скоростей. Расстояние между вершинами (гребнями) гряд в направлении движения потока, называемое шагом гряд, существенно больше ширины русла. Русло малоизвилистое, движение гряд происходит в основном при повышенной водности.

Побочневый тип. По сравнению с предыдущим типом гребни гряд перекошены, направления перекосов смежных гряд чередуются.

Ограниченное меандрирование. Для этого типа руслового процесса характерна сравнительно слабая извилистость русла; могут возникать отдельные пойменные массивы. Пойменный массив - участок поймы, ограниченный участками русла реки; в своих крайних точках он соприкасается со склоном долины. Ограниченное меандрирование наблюдается там, где развитие меандр ограниченно склонами долин, уступами древних террас и береговыми валами, сложенными неразмываемыми породами.

Свободное меандрирование. Русло реки сильно меандрирует в широкой пойме со староречьями. После прорыва перешейка между смежными излучинами начинает развиваться новая излучина.

Незавершенное меандрирование. При этом типе руслового процесса излучина еще не перешла в состояние петли, а спрямляющая протока пропускает еще значительную часть расхода воды реки.

Русловая многорукавность. Возникает при больших расходах донных наносов. Появление рукавов сопровождается образованием широкого распластанного русла. Транспортирующая способность потока полностью реализована, и наносы аккумулируются в русле. Донные наносы перемещаются в виде системы больших разобщенных гряд, образующих в межень небольшие острова, между которыми расположены короткие протоки. Такой тип также называют осередковым.

Пойменная многорукавность. Этот тип руслового процесса возникает в широких поймах и характеризуется наличием множества рукавов, которые могут рассматриваться как самостоятельные реки, если их протяженность велика. Пойменная многорукавность является в то же время последующим развитием незавершенного меандрирования.

Многие русловые процессы на реках представляют собой промежуточные формы перечисленных процессов.

Регулятор климата.

Вода - гигантский аккумулятор и распределитель основного источника энергии на Земле - энергии Солнца. Водяные пары атмосферы жаркого пояса Земли частично поглощают солнечную энергию, которая затем воздушными массами под влиянием циклонов и антициклоном переносится в области с умеренным и холодным климатом. Здесь водяной пар переходит в жидкую или твердую фазу, отдавая окружающей среде около 2500 Дж тепловой энергии, при конденсации каждого грамма пара. Представьте теперь, какое гигантское количество тепла переносится водяным паром в атмосфере при ежегодном испарении с поверхности океанов и суши 577000 км³ воды.

Перенос тепла водяным паром в атмосфере - это только одна из планетарных "обязанностей" воды. Вторая "обязанность" водяных паров - защитить нашу планету от космического холода своеобразным тепловым одеялом. По расчетам известного ученого климатолога М.И. Будыко, при уменьшении содержания водяного пара в атмосфере только вдвое средняя температура поверхности Земли понизилась бы более чем на 5°С (с 14,3 до 9°С).

Другим мощным аккумулятором и распределителем солнечной энергии как во времени, так и в пространстве являются океаны и моря. Хорошо известно влияние на климат континентов теплых и холодных океанических течений. Например, для Европы и для всего Северо-запада России исключительным по своему значению является мощное теплое течение Гольфстрим. Оно зарождается в Мексиканском заливе, питается водами Северного и Южного экваториальных течений и по выходе из Флоридского пролива пересекает Атлантический океан с юго-запада на северо-восток. В начале образования ширина Гольфстрима равна 78 км, глубина - 800 м, скорость движения - до 9 км/ч, температура на поверхности воды - до 30°С. Далее, при движении вдоль берегов Северной Америки, его ширина увеличивается до 675 км, скорость течения уменьшается до 3 км/ч. На параллели 38° с. ш., где к Гольфстриму присоединяется Антильское течение, расход (количество воды, протекающее через поперечное сечение в 1 с) достигает 82 млн. м³/с, что в 22 раза больше расхода в месте его зарождения и в 60 раз больше суммарного расхода всех больших и малых рек земного шара. Если бы не было Гольфстрима, вся Скандинавия, подобно Гренландии, была бы покрыта льдом. По расчетам видного ученого С.В. Калесника, около половины переноса тепла из тропических районов в умеренные и полярные широты осуществляется морскими течениями.

Аккумуляторами и перераспределителями тепла являются каждое озеро, река, пруд, водохранилище, каждая капля воды. Даже в небольших водоемах суточные колебания температуры поверхностных слоев воды не выходят за пределы нескольких градусов, тогда как перепады температуры окружающего воздуха могут достигать 'десятков градусов.

Дождевые и снеговые воды, ежегодно выпадающие на Землю в количестве 577 000 км³, также способствуют созданию более равномерных климатических условий в разных ее частях. Не будь описанных выше процессов, климат многих районов земного шара был бы совершенно непригоден для жизни.

Влияние течений на климат Земли.

Циркуляция вод Мирового океана определяет обмен количеством вещества, тепла и механической энергии между океаном и атмосферой, поверхностными и глубинными, тропическими и полярными водами. Морские течения переносят большие массы воды из одних областей в другие, часто весьма в отдаленные районы. Течения нарушают широтную зональность в распределении температуры. Во всех трех океанах - Атлантическом, Индийском и Тихом - под влиянием течений возникают температурные аномалии: положительные аномалии связаны с переносом теплых вод от экватора в более высокие широты течениями, имеющими близкое к меридиональному направление; отрицательные аномалии вызваны противоположно направленными (от высоких широт к экватору) холодными течениями. Отрицательные аномалии температуры усиливаются, кроме того, подъемом глубинных вод у западных берегов континентов, вызванным сгонами вод пассатными ветрами.

Влияние течений сказывается не только на величине и распределении средних годовых значений температуры, но и на ее годовых амплитудах. Это особенно отчетливо проявляется в районах соприкосновения теплых и холодных течений, там, где границы их смещаются в течение года, как, например, в Атлантическом океане в районе соприкосновения Гольфстрима и Лабрадорского течений, в Тихом океане в районе соприкосновения течений Куросио и Курильского (Ойясио).