Woda – obieg w przyrodzie

Woda stanowi najbardziej rozpowszechniony związek chemiczny na całej kuli ziemskiej, będąc jednocześnie podstawowym związkiem decydującym w zasadzie o istnieniu życia - wszystkich organizmów, wliczając w to również człowieka. Jej ona zarówno składnikiem budującym organizmy, jak i ich środowiskiem życia (np. dla ryb), składnikiem pożywienia, czy czynnikiem umożliwiającym przemianę materii. Jej funkcje są liczne i bardzo zróżnicowane.

Naturalnie woda może występować w trzech stanach skupienia, czyli ciekłym, gazowym i stałym. Woda w atmosferze pod postacią stałą przejawia się jako płatki śniegu lub kryształki lodowe w chmurach, natomiast na ziemi tworzy pokrywę śnieżną i lodową. Woda w postaci lodu może stać się składową częścią środowiska, ponieważ tworzy lodowe góry i pola na oceanach oraz pokrywę lodową na jeziorach, potokach, rzekach. Nieustanne jest wzajemne oddziaływanie: lód - ziemia - morza - atmosfera. Lód, pod postacią lodowców, dokonuje przekształceń wzniesienia lądów. Z atmosfery może zostać wydzielony dzięki procesowi sublimacji, natomiast z hydrosfery dzięki zamarzaniu, a ponownie w ośrodkach tych może znaleźć się parowaniu i topnieniu. Lód może ochładzać powietrzne i wodne środowisko, sam się przy tym nagrzewając.

Głównymi zbiornikami wody (pod postacią ciekłą) naszej planety są oceany, zajmujące więcej niż 70% obszaru Ziemi. Ponadto woda może występować w atmosferze, gdzie przyjmuje postać chmur oraz deszczu spadającego na ziemię, zaś na ziemi właśnie oraz w głębi ziemskiej skorupy może przyjąć postać różnego rodzaju strumieni, rzek, jezior oraz wód gruntowych (stając się również składnikiem litosfery).

Na Ziemi wody jest ogólnie rzecz biorąc bardzo dużo, jednakże zdecydowana większość jej zasobów jest zasolona, tworząc oceany i morza. Dostępna dla ludzi słodka woda stanowi tylko niewielki procent i zawiera się w atmosferze, wodach podziemnych, rzekach, jeziorach. Ilustruje to poniższa tabelka:

Obieg wody:

W przyrodzie ilość wody pozostaje stała, ale podlega ona nieustannemu krążeniu, ponieważ w naturalnych warunkach ma możliwość przechodzenia pomiędzy swoimi trzema stanami skupienia. Zdecydowaną większość wody gromadzą morza i oceany, natomiast lądy mogą wodę otrzymać z atmosferycznych opadów. Jeśli chodzi o wody opadowe, to część z nich wyparowuje, kolejna część na skutek powierzchniowego spływu może zasilić cieki wodne, by następnie znaleźć się ostatecznie w morzach i oceanach, natomiast reszta wsiąka do gruntów, zasilając w ten sposób wody gruntowe. Zatrzymywana w glebie woda powoduje zwiększenie jej wilgotności. Proces parowania wody, czyli tak zwana ewapotranspiracja, może zachodzić z powierzchni zbiorników wodnych, z gleby, ale również z żywych organizmów, szczególnie z roślin (proces transpiracji). Do atmosfery przedostaje się para wodna, natomiast do jej powrotu na ziemię dochodzi wraz z padającym deszczem (lub śniegiem). W ten sposób skrótowo przedstawić można cykl hydrologiczny, czyli krążenie wody zachodzące w przyrodzie.

Parowanie:

Charakterystykę obiegu wody rozpocząć można od momentu jej parowania do atmosfery, głównie z powierzchni oceanów, ale również, choć w mniejszym stopniu, z jezior, z rzek oraz wilgotnej gleby, jak również wskutek transpiracji roślin.

Para wodna jest niewidzialną, gazową formą wody i w tej właśnie postaci występuje najobficiej w atmosferze. Do powietrza dostaje się ona wskutek parowania wody słonej i słodkiej oraz w wyniku transpiracji z roślin, natomiast opuszcza ten ośrodek kondensując się do postaci rosy, szronu, bądź też tworzących chmury cząsteczek, a te z kolei opadają na ziemię pod postacią deszczu lub śniegu. Do przejścia ciekłej fazy w gazową (dzięki parowaniu) potrzebny jest wkład energetyczny, np. pod postacią ciepła (zwanego w tym przypadku ciepłem parowania). Parowaniu wody towarzyszy więc pobieranie z powietrza lub z wody ciepła, ulegają one więc przez to ochłodzeniu. W parze zapas ciepła zostaje zachowany jako utajone ciepło parowania. Podczas procesu kondensacji (wskutek zbliżania się do siebie nawzajem cząsteczek) już skroplona woda oddaje zapas przedtem pobranego na parowanie ciepła. Bierze ono następnie udział przy ogrzewaniu powietrza, bowiem pobierane jest ono od otaczających ciał przez wodę (parującą), a zwracane jest poprzez proces kondensacji.

Rocznie do atmosfery całej planety dopływa pary wodnej tyle, ile znajduje się w wodnej warstwie o 100 centymetrowej grubości. Obliczone to zostało dzięki łatwemu równaniu (powierzchnia * średnia wartość parowania), korzystającemu z poniżej przedstawionej tabeli, brane również było pod uwagę to, że oceany zajmują około 70% całkowitej powierzchni Ziemi.

Zasadniczo parowanie zachodzi przede wszystkim na obszarze równikowym i zwrotnikowym, zwłaszcza w okolicy 20o szerokości geograficznej północnej i południowej. W pasach tych pojawiają się półstałe antycyklony. Osiadanie w nich przenosi suche ciepłe powietrze w dół, natomiast w atmosferze parę wodną do góry przenosi turbulencja oraz konwekcyjne prądy. W poziomie przemieszcza się ona na spore odległości dzięki wiatrom. Jeśli występuje wystarczająco silny oraz długotrwały prąd wstępujący, to mogą powstać chmury oraz opady, dzięki czemu wyparowana woda może powrócić na powierzchnię ziemi.

Istnieje pewna równowaga pomiędzy ilością wody parującej a opadowej, na czym opiera się tak zwany bilans wodny. Jest to nic innego, jak zrównoważenie przybytków oraz ubytków wody pojawiających się na pewnej określonej przestrzeni oraz w określonym czasie. Taki bilans może zostać sporządzony zarówno dla kontynentu w całości, jak i dla poszczególnych elementów: dla lądu, morza, zlewni, dorzecza, administracyjnych obszarów. Bilans wodny może zostać wykonany dla wielu lat, natomiast najkrótszy okres bilansowy to jeden rok, ale jest to tak zwany rok hydrologiczny (trwający od 1 listopada do 31 października).

Bilans Pencka jest podstawowym typem bilansu:

Istnieje również poszerzony bilans:

Średnia zawartość w atmosferze pary wodnej nie podlega w zasadzie żadnym zmianom, dlatego rocznie średnia suma opadów musi równać się średniej wartości procesu parowania. Roczne opady (średnie) wynoszą jakieś 1000 mm, a ilość ta znacznie przekracza ilość pary wodnej znajdującej się w jakimś punkcie atmosfery w jakimś dowolnym momencie. Procesy parowania oraz oddychania zasilają atmosferę w wodę, przy czym 84% bierze swoje pochodzenie z oceanów, natomiast z kontynentów - pozostałe 16%.

W momencie, gdy zawartość średnia wody w powietrzu atmosferycznym od razu spadłaby jako deszcz, wywołałoby to opad światowy wynoszący 2,5 cm, a to jest zapas opadów dziesięciodniowy. Również średnia długość pobytu w atmosferze jednej cząsteczki wody trwa dziesięć dni. Pozwala to od razu wskazać, że szybkość obiegu całego cyklu opadów, spływu powierzchniowego i parowania jest taka, że 30 razy większa jest roczna ilość opadów na powierzchnię lądów od zawartości w danej chwili w powietrzu wilgoci nad tymi lądami.

Jeżeli rozpatruje się większość z zasobów wodnych, to można stwierdzić, iż opady na lądy stanowią krytyczny składnik ekosystemu, ponieważ znakomita większość wody słodkiej znajduje się w oceanach, gdzie nie może zostać zgromadzona. Na lądach nierównomiernie są rozłożone różne postaci opadów. Dają się jednak zaobserwować cztery podstawowe (na skalę światową) cechy tego rozkładu:

* istnieje maksimum równikowe, odchylone nieco w stronę północnej półkuli;

* środkowe szerokości geograficzne cechują się pojawianiem regularnych opadów (zachodnie wybrzeża kontynentów);

* istnieją komory wysokiego ciśnienia na wypalonych terenach podzwrotnikowych, deszcze padają tu niezmiernie rzadko, wręcz sporadycznie, nawet nie każdego roku się pojawiają;

* istnieje strefa podbiegunowa, w której, w wyniku małej ilości pojawiających się opadów oraz nagromadzenia się w rejonie tym zimnego, suchego powietrza, powstała pustynia arktyczna.

Powstawanie deszczy:

Chmury złożone są z miliardów wręcz kropelek wody oraz kryształków lodu. Taka pojedyncza chmura może w sobie zawierać całe tony wilgoci. Jedynie w warunkach sprzyjających ku temu pewna część z tej wilgoci może spaść na ziemię pod postacią deszczu. Tworzące chmurę kropelki pojawiają się w momencie, gdy ciepłe i wilgotne powietrze na skutek swojej wędrówki do góry stanie się chłodnie wystarczająco do skroplenia zawartej w nim pary wodnej. Początkowo niewielkie kropelki zaczynają zbierać się wokół tak zwanych jąder kondensacji, którymi mogą być ziarna kurzu, czy jakieś inne mikroskopijne cząstki. Kiedy wznoszą się razem z prądem powietrza, kropelki mogą się ze sobą zderzać i łączyć, dzięki czemu stopniowo powstają coraz to większe krople. Następnie, po upływie pewnego czasu, stają się na tyle duże, że wystarcza to do spadnięcia ich pod postacią deszczu.

Jednak niektóre z kropel deszczowych mogą powstać również innym sposobem. Początkowo pod postacią kryształków lodu, bądź śniegu przebywają w zimnej, górnej części chmur, a następnie po przedostaniu się do zalegającego niżej ciepłego powietrza, topnieją spadając na ziemię w formie deszczu. Najprawdopodobniej przynajmniej połowa padających deszczów powstaje w ten właśnie sposób.

Najmniejsze powstające krople deszczu określane są nazwą mżawka. Na ziemię opadają one tak wolno, że zdają się wisieć nieruchomo w powietrzu. Tymczasem największe krople deszczowe mają średnicę nawet 6 milimetrów, a potrafią spadać na ziemię osiągając prędkość 8 m/s. Wbrew krążącemu przekonaniu, bez zależności od rozmiaru, nigdy nie posiadają one podobnego do łez kształtu. Zdecydowana większość kropel jest okrągła, a jedynie największe mogą mieć spłaszczoną dolną część.

Naturalnie w przyrodzie są dwa procesy prowadzące do powstania cząsteczek opadów. Koagulacja jest pierwszym z nich, a jest to nic innego, jak zderzanie się oraz zlewanie kropel wody, które spadają z przeróżną prędkością. Proces ten zachodzi, ponieważ większe krople szybciej spadają niż małe kropelki, niekiedy więc z nimi się zderzają. Od rozmiarów kropli (wzajemnego ich stosunku) zależy prawdopodobieństwo zderzenia. Częstość zderzeń rośnie wraz ze wzrostem ilości dużych kropelek. W małych (stosunkowo) konwekcyjnych chmurach zbierających się nad oceanami w międzyzwrotnikowej strefie deszcz powstaje wyłącznie dzięki koagulacji. Często obserwowane są deszcze pochodzące z chmur mających podstawę nawet 600 metrową i wierzchołek 3 kilometrowy, gdzie panuje + 7oC temperatury. Koagulacja ma swój udział również w powstawaniu opadów w innego typu chmurach, ale trudnym jest dokonanie oceny znaczenia tego zjawiska, ponieważ mogą działać tu również jakieś inne procesy.

Powstawanie śniegu:

Opady atmosferyczne na Ziemi mają postać albo śniegu, albo deszczu, który powstaje w wyniku stopienia zawartego w powietrzu śniegu. Zbadano śniegowe śnieżynki i okazało się, że są to duże kryształki lodu lub zrosty takich kryształków. Powstawanie ich to tak zwany proces zlodzenia chmur. Oparty on jest na fakcie współistnienia lodowych kryształków oraz kropelek wody (przechłodzonej), przy ujemnej temperaturze kryształki rozrastają się, natomiast kropelki wyparowują. Dzieje się tak, ponieważ prężność nasyconej pary jest większa nad wodą niż lodem (przy takiej samej ujemnej temperaturze). W wyniku tego pojawia się siła ciśnienia, która z kropelek przenosi cząsteczki wodnej pary na kryształki. Przechłodzone chmury to zjawisko częste w atmosferze. Stabilność takiej chmury zostaje gwałtownie naruszona w momencie pojawienia się w niej, dzięki pośrednictwu działających efektywnie jąder zamarzania, kryształków lodu. Rosną one szybko, natomiast kropelki parują. Po osiągnięciu wystarczającej wielkości duże kryształki zaczynają spadać poprzez chmurę, dochodzi do zderzania się ich z innymi kryształkami oraz przechłodzonymi kropelkami. Kryształki po zetknięciu z lodem mogą zlepiać się, natomiast kropelki - zamarzać. Dzięki temu powstają płatki śniegu. Jeśli jest dostatecznie niska temperatura powietrza, takie śnieżynki mogą osiągnąć grunt. Jednak często powietrze napotykane przez nie po drodze jest ciepłe na tyle, by spowodowało stopnienie śnieżynek, powodując opady deszczu. Często obserwowanym w górach zjawiskiem jest śnieg w wyższych partiach, natomiast deszcz w niższych. Powstające płatki śniegu mogą, w zależności od wilgotności powietrza oraz temperatury, przybierać przeróżne kształty. Powietrze to na ogół 90% masy śnieżynek, dlatego są one doskonałymi izolatorami oraz rewelacyjnie tłumią dźwięk. Ilość wody zawierająca się w 10 cm warstwie śniegu równa się ilości zawartej w 1cm deszczu. Pomimo tego śnieg w niektórych rejonach świata jest ważnym źródłem wody słodkiej.

Retencja:

Kiedy opad przybiera postać śniegu, występuje przerwa między jego spadnięciem i rozprowadzeniem, która trwa aż do stopnienia śniegu. Na skalę światową okres marca i kwietnia charakteryzuje się największą retencją wody, wtedy to na północnej półkuli jest rozległa pokrywa śnieżna, natomiast rzeki oraz jeziora są zamarznięte. Natomiast październik to miesiąc, w którym o 1 - 2 cm podnosi się poziom morza. Na lądzie woda przeważnie pozostaje od 10 do 100 dni, bądź jeszcze dłużej, jeśli włącza się do krążenia wód gruntowych. Istnieje wielki australijski basen wód artezyjskich, w którym woda niektórych zbiorników znajduje się tam najprawdopodobniej już od 20 tysięcy lat (ale znajdywane były również i starsze, i młodsze zbiorniki).

Retencja może mieć kilka postaci. Retencja powierzchniowa to taka, w której woda zatrzymywana jest na powierzchni, natomiast podziemna jest wtedy, gdy zatrzymywana jest ona pod powierzchnią danego terenu. Powierzchniową retencję można podzielić znowuż na dwa typy. W momencie, gdy atmosferyczny opad miał postać stałą (śnieg lub szadź), wtedy pozostaje on na powierzchni danego obszaru aż do chwili stopnienia lodu, który dopiero wtedy przekształci się w wodę w stanie ciekłym. Pewną formą retencji są więc śniegowe pokrywy oraz różnorakie lodowe pokrywy występujące na powierzchni lądu. Spływająca woda może nierzadko natrafić na jakąś zaporę, np. wzniesienie terenu, którą pokonać może dopiero w przypadku wypełnienia się obniżenia terenu aż do poziomu tej zapory. Woda może więc gromadzić się na powierzchni lądu, powstają jeziora, bądź okresowe rozlewiska umiejscowione w rzecznych dolinach. Podziemna retencja jest to zatrzymywanie wody wsiąkającej w podłoże i wypełniającej wszelkie przestwory i pory w skałach. Takie zatrzymanie wody to zjawisko czasowe, ponieważ prędzej lub później ta woda powróci do obiegu.

Jakiś określony obszar powierzchni ziemi ma pewną określoną zdolność do zatrzymywania wody, nazywaną jego retencyjnością. Głównie od rzeźby i ukształtowania terenu zależy stopień jego retencyjności, ponieważ rzeźba ta może ułatwić lub utrudnić spływanie wody, także od przepuszczalności danego podłoża, pokrycia danego terenu roślinnością, a w pewnym stopniu zależny jest też od klimatu.

Wsiąkanie wody:

Część wody (dość duża), która się pojawia na powierzchni ziemi, może przedostawać się do płytszych, bądź głębszych poziomów litosfery, dochodzi więc do jej wsiąkania w podłoże. Możliwe to jest dzięki porowatości (większej lub mniejszej) gleby oraz skał podłoża. Ułatwiającymi wsiąkanie czynnikami są między innymi:

* porowatość podłoża;

* przepuszczalność podłoża;

* równinność terenu.

Utrudniającymi wsiąkanie czynnikami są między innymi:

* nieprzepuszczalność podłoża;

* zupełny brak wolnych przestworów w podłożu;

* stromość stoków (woda łatwo po nich spływa);

* bujna roślinność;

* gwałtowność i nadmiar opadów;

* wysokie temperatury (potęgują tempo parowania, jeśli jest również mała wilgotność powietrza);

* zbyt niska temperatura (doprowadza wodę do stałego stanu, czyli do procesu jej zamarzania).

Wymienione wyżej czynniki decydują o tym, czy z powierzchni lądu woda przedostanie się (przesiąknie) do gruntowych i podziemnych wód, czy nie, czyli jak będzie przebiegał w biosferze jej dalszy obieg.

Istnieje wskaźnik procesu wsiąkania wody do gruntu, czyli infiltracja. Jest to proces przemieszczania się powierzchniowych wód w głąb skorupy ziemskiej. Infiltracja efektywna (Ie) natomiast to ilość opadowej wody, która do wodonośnej warstwy rzeczywiście dociera. Dla Polski wskaźnik infiltracji efektywnej Ie równa się 17%.

Czynniki mające wpływ na infiltrację efektywną:

1. atmosferyczne (klimatyczne):

* wysokość atmosferycznych opadów (im wyższe, tym wyższa Ie);

* liczba opadów w danym okresie czasu (wyższa jest Ie, kiedy opady są mniejsze, ale za to dłużej trwają);

* temperatura oraz wilgotność powietrza (wyższa Ie, kiedy jest duża wilgotność, ponieważ wtedy mniejsze jest parowanie);

2. właściwości danego gruntu:

* przepuszczalność (wyższa jest Ie przy wyższej przepuszczalności);

* nachylenie powierzchni danego terenu (płaski teren to wyższa Ie);

* roślinność;

* zabudowania (ich obecność zmniejsza Ie);

* przemarznięcie gruntu (zmniejsza to Ie);

* stopień nasycenia wodą (zmniejszanie Ie przy wyższym nasyceniu);

* działalność ludzka.

Proces transpiracji:

Transpiracja to proces wyparowywania wody z roślin, który odbywa się na różne sposoby. Do utraty wody dochodzi po otwarciu aparatów szparkowych. Polskie rośliny najczęściej mają aparaty szparkowe w dzień otwarte (pobierają dzięki temu tlen, a wydalają dwutlenek węgla), a w nocy zamknięte. Ruch ten jest więc niezbędny. Im mniej wody może pobierać roślina, tym mniej jej transpiruje. Istnieje współczynnik T, określający ilość wyparowanej wskutek transpiracji wody w stosunku do suchej masy roślin. Transpiracja roślin ma więc także swój udział w krążeniu wody w przyrodzie.

Podsumowanie:

Krążenie wody to zamknięty proces. Stały zasób wody obiega biosferę jednocześnie podlegając przemianom fazowym. Ogólny bilans dla Ziemi stwierdza, że całkowita ilość zasilającej ją pod postacią opadów wody równa się (średnio) całkowitej ilości parującej z powierzchni ziemskiego globu wody. Pomimo że w skali ogólnoplanetarnej roczny opad jest taki sam jak roczne parowanie, to jednak prawidłowość ta w poszczególnych miejscach na Ziemi nie jest już słuszna. Przykładowo nad oceanami na niektórych obszarach opady przewyższają parowanie, natomiast w innych miejscach to parowanie przewyższa opady. Zjawisko nadmiaru i niedoboru wody wyrównywane jest przez cyrkulację oceanicznych wód nad ich powierzchnią, również dzięki prądom głębinowym, co powoduje to, iż poziom morza pozostaje nieomalże niezmienny. Odpływ całkowity jest to różnica pomiędzy opadami a parowaniem. Wartość ujemna odpływu znaczy, że opady są mniejsze niż parowanie. Nadmiar odpływu występujący w jakimś miejscu jest wyrównywany niedoborem jego w innym miejscu, także całkowity bilans ogólny wynosi zero. Przykładem jest Morze Arktyczne, gdzie parowanie jest mniejsze niż opady, ale pojawiający się nadmiar wody wyrównuje jej deficyty występujące gdzie indziej - przepływając do Atlantyku. Opady przewyższają proces parowania na wszystkich w zasadzie kontynentach (zwłaszcza tyczy się to Ameryki Południowej), a odpływ całkowity powoduje wyrównywanie deficytu wody na oceanach.

Istotnym czynnikiem w światowym cyklu obiegu wody są zgromadzone w lodowcach jej zapasy. Proces powstawania lodowców powoduje obniżanie poziomu morza, natomiast topnienie ich powoduje jego podnoszenie się. W chwili obecnej lodowce pokrywają jakieś 10% powierzchni naszego globu. W momencie stopnienia całej tej grubej pokrywy lodowej i spłynięcia jej do oceanów, powstałaby się z tego warstwa wody gruba na 57 metrów, ale realnie poziom morskich wód podniósłby się tylko o jakieś 38 metrów (z uwagi na możliwość przystosowania się izomatycznego wnętrza globu).

Znaczący wpływ na krążenie w biosferze wody ma człowiek, który przyczynia się do zanieczyszczania wód, pozbawiając się w ten sposób sporych jej ilości oraz zmniejszając przez to naturalne zasoby wodne na Ziemi.