Obieg wody w przyrodzie

Woda jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych związków chemicznych na ziemi, a zarazem związkiem podstawowym decydującym o życiu organizmów w tym i człowieka.
Woda wchodzi w skład organizmów, pełni funkcję środowiska życia (ryby), jest składnikiem pożywienia oraz umożliwia przemianę materii.
W warunkach naturalnych woda występuje w 3 stanach skupienia:
· gazowym
· Stałym
· Ciekłym
W atmosferze woda w postaci stałej występuje w postaci płatków śniegu bądź lodowych krzyształków w chmurach, na ziemi pojawia się jako pokrywa śnieżna i lodowa. Lód może stanowić składową część środowiska tworząc góry lodowe i pola lodowe na oceanach jak również pokrywę lodową jezior, potoków, rzek. Wzajemne oddziaływanie pomiędzy lodem, globem ziemskim, morzami i atmosferą nigdy nie ustaje. Lód w postaci lodowców przekształca wzniesienia lądów, wydziela się z atmosfery dzięki sublimacji, z hydrosfery zaś wskutek zamarzania, by następnie powracać do tych ośrodków drogą parowania i topnienia. Lód ochładza środowisko powietrzne i wodne sam zaś się nagrzewa.
Ponad 70% powierzchni ziemi ukrywa się pod wodami oceanów, które stanowią główne zbiorniki wody w stanie ciekłym na naszej planecie. Wodę znajdujemy również w powietrzu w postaci chmur i spadającego deszczu, na powierzchni zaś ziemi i w głębi skorupy w postaci jezior, strumieni, rzek i wód gruntowych, a również jako skład litosfery.


Tabela: Źródła wody na Ziemi
Wody oceanów 97,24%
Woda w lodowcach, górach lodowych i wiecznych zmarzlinach 2.14%
Woda gruntowa 0.61%
Woda w jeziorach 0.009%
Woda mórz wewnątrz lądowych 0.008%
Woda w postaci pary wodnej 0.005%
Woda w atmosferze 0.001%
Woda rzek 0.0001%

Chociaż na ziemi mamy bardzo dużo wody, większa jej część jest zasolona i tworzy oceany. Najważniejsze, stosunkowo niewielkie, zasoby wody dostępne dla ludzkości są zawarte w rzekach, jeziorach, wodach podziemnych i atmosferze.
Oceany zajmują objętość 1385684 tys.km3 i zajmują powierzchnie 510000 tys.km2 a dla porównania wody słodkie zajmują objętość równą 34729 tys.km3 i zajmują powierzchnie 148800 tys.km2.

Jak wpływa woda na organizm ludzki i do czego jest człowiekowi właściwie potrzebna obrazuje poniższy rysunek



I OBIEG WODY W PRZYRODZIE

Całkowita ilość wody w przyrodzie jest stała. Dzięki właściwości występowania w warunkach naturalnych w trzech stanach skupienia woda podlega stałemu krążeniu. Większość wody jest zgromadzona w morzach i oceanach. Lądy otrzymują wodę z opadów atmosferycznych. Część wód opadowych wyparowuje, część w wyniku spływu powierzchniowego dostaje się do cieków wodnych, a z nimi do mórz i oceanów, reszta wsiąka w grunt zasilając wody gruntowe; woda zatrzymana w glebie zwiększa jej wilgotność. Parowanie wody (ewapotranspiracja) odbywa się zarówno z powierzchni wód, gleby jak i z innych organizmów a w szczególności roślin(transpiracja). Para wodna przedostaje się do atmosfery a tam wraz z deszczem ponownie powraca do ziemi. Tak pokrótce można by scharakteryzować cykl hydrologiczny jednak ja w swojej pracy będę starała się szczegółowo opisać poszczególne jego etapy.

Parowanie wody

Woda rozpoczyna swój obieg dostając się do atmosfery wskutek parowania - głównie oceanów, następnie jezior, rzek i wilgotnej gleby, a także za pośrednictwem transpiracji roślin.
Czym jest para wodna( efekt parownia ) - jest to niewidzialna gazowa faza wody. Pod tą [postacią jest ona najobficiej reprezentowana w atmosferze. Para wodna dostaje się do powietrza dzięki parowaniu wody morskiej i słodkiej oraz wskutek transpiracji roślin, opuszcza je natomiast kondensując się w postaci szronu, rosy, bądż cząsteczek tworzących chmury , które następnie opadają w postaci śniegu lub deszczu. Zamiana fazy ciekłej w gazową tzn. parowanie wymaga wkładu pewnej ilości energii, np. w postaci ciepła któremu nadaje się miano ciepła parowania. Tak więc procesowi parowania wody towarzyszy proces pobierania ciepła z powietrza bądż z wód- które ulegają jednocześnie ochłodzeniu. Ten zapas ciepła pozostaje zachowany w parze w postaci utajonego ciepła parowania. Gdy para wodna ulega kondensacji w wyniku wzajemnego zbliżenia się cząsteczek, skroplona woda oddaje cały zapas ciepła pobranego przedtem na parowanie. Ciepło to bierze udział w ogrzewaniu powietrza. Ciepło bowiem jest pobierane przez parującą wodę od ciał otaczających a zwracane w procesach kondensacji.
Roczny dopływ pary wodnej do atmosfery na całej planecie odpowiada średnio warstwie wody o grubości 100cm. Wartość tę można obliczyć z danych zawartych w poniższej tabeli, zważywszy że oceany pokrywają około 70% powierzchni ziemi.
Otrzymujemy łatwe równanie :
0,7(powierzchnia oceanów) * 125cm*rok (średnie parowanie oceanów) + 0,3 (pozostała powierzchnia lądów) * 41cm*rok (średnie parowanie dla kontynentów) = 100cm*rok.



Wyszczególnienie Parowanie Opady Odpływ całkowity
Ocean atlantycki 104 78 -26
Ocean Indyjski 138 101 -37
Ocean spokojny 114 121 7
Morze arktyczne 12 24 12
Razem oceany 125 112 -13
Europa 36 60 24
Azja 39 61 22
Ameryka Pln. 40 67 27
Ameryka Płd. 86 135 49
Afryka 51 67 16
Australia 41 47 6
Antarktyda 0 3 3
Stany Zjednoczone 56 76 20
Razem kontynenty 41 72 31


Większość parowania zachodzi na ciepłych obszarach równikowych i zwrotnikowych, szczególnie około 20º szer. geogr. pd. i pn. Są to pasy półstałych antycyklonów w których osiadanie przenosi w dół ciepłe suche powietrze. Parę wodną w atmosferze przenoszą w górę turbulencja i prądy konwekcyjne, a w poziomie na duże odległości wiatry. Przy wystarczająco silnym i długotrwałym prądzie wstępującym mogą powstać chmury i opady. Wskutek tego woda wyparowana wraca na powierzchnie ziemi.

Na założeniu równowagi między ilością wody parującą i opadową oparto pojecie BILANSU WODNEGO.
Bilans wodny-to zrównoważenie przybytków i ubytków wody w określonej przestrzeni i czasie. Bilans można sporządzać dla całego kontynentu, a także osobno dla mórz, lądów, dorzecza, zlewni, obszarów administracyjnych.
Bilans wodny można wykonać dla wieloleci, najkrótszym okresem bilansowym jest ROK HYDROLOGICZNY (od 01.11 do 31.10)
Podstawowym bilansem jest BILANS PENCKA

P = H + S + dR
P - opad
H - odpływ
S - straty
dR - różnica retencji na początku i na końcu okresu bilansowego

Bilans poszerzony:
Pa + Pu + Z + R1 =Hp + Hg + Ep + Eg + T + G + R2
Pa - opad atmosferyczny ( opad pionowy: deszcz, śnieg )
Pu - opad utajniony ( opad poziomy: rosa, szadź, )- kondensacja pary wodnej w strefie aeracji
Z - dopływ z zewnątrz
R1 - retencja na początku okresu bilansowego
Hp - odpływ powierzchniowy
Hg - odpływ podziemny
Eg - parowanie z powierzchni gruntu ( ewapotranspiracja )
Ep - parowanie z powierzchni wody
T - transpiracja
G - bezzwrotne zużycie wody przez gospodarkę
R2 - retencja na końcu okresu bilansowego


Średnia zawartość pary wodnej w atmosferze podlega niewielkim zmianom, toteż średnia roczna suma opadów na ziemi musi być równa średniej wartości parowania. W związku z tym średnie roczne opady wynoszą około 1000mm; jest to ilość znacznie przekraczająca zawartość pary wodnej w dowolnym punkcie w atmosferze i w dowolnym momencie.
Parowanie i oddychanie są żródłem zasilania atmosfery w wodę: 84% pochodzi z oceanów, a 16% z kontynentów.
Gdyby średnia zawartość wody w atmosferze spadła od razu w postaci deszczu, spowodowałoby to światowy opad o wartości 2,5cm a jest to dziesięciodniowy zapas opadów. Dziesięć dni trwa również średni czas pobytu cząsteczki wody w atmosferze. Wskazuje to od razu na szybkość obiegu cyklu parowania spływu powierzchniowego i opadów: roczne opady na powierzchnię samych lądów są 30-krotnie większe niż zawartość wilgoci w powietrzu nad lądami w dowolnej chwili.
Rozpatrując większość zasobów wodnych można stwierdzić, że opady na powierzchnie lądów są krytycznym składnikiem ekosystemu gdyż większość słodkiej wody wpada do oceanów, gdzie nie można jej gromadzić. Rozkład różnych postaci opadów na lądach jest nierównomierny i możemy jedynie obserwować cztery główne jego cechy w skali światowej: pierwsza to istnienie maximum równikowego, odchylonego w stronę półkuli północnej; druga, w środkowych szerokościach geograficznych, to występowanie regularnych opadów na zachodnich wybrzeżach kontynentów; trzecia , to istnienie komór wysokiego ciśnienia w wypalonych obszarach podzwrotnikowych, gdzie nie tylko deszcze padają rzadko, ale też występują sporadycznie, i to nie w każdym roku; w końcu czwarta to istnienie strefy podbiegunowej, która staje się pustynią arktyczną, wskutek małej ilości opadów z powodu nagromadzenia się zimnego i suchego powietrza w tych regionach.


Jak powstają deszcze?

Chmury składają się z miliardów maleńkich kropelek wody i kryształków lodu. Pojedyncza chmura może zawierać wiele ton wilgoci. Tylko w sprzyjających warunkach część tej wilgoci spada na ziemię w postaci deszczu.

Kropelki tworzące chmurę powstają wtedy, gdy wilgotne i ciepłe powietrze staje się w wyniku wędrówki ku górze na tyle chłodne, że zawarta w nim para wodna ulega skropleniu. Kropelki, początkowo małe, zbierają się wokół ziaren kurzu oraz innych mikroskopijnych cząstek zwanych jądrami kondensacji. Wznosząc się wraz z prądami powietrza, zderzają się i łączą ze sobą, tworząc stopniowo coraz większe krople. Po pewnym czasie mogą stać się wystarczająco duże, by spaść w postaci deszczu.

Niektóre krople deszczu powstają w inny sposób. Początkowo znajdują się w górnej, zimnej części chmur, gdzie mają postać śniegu lub kryształków lodu, po czym, gdy znajdą się w zalegającym niżej ciepłym powietrzu, topnieją i spadają na ziemię jako deszcz. Prawdopodobnie co najmniej połowa opadów deszczu powstaje w ten sposób.

Najmniejsze krople deszczu, określane jako mżawka, opadają na ziemię tak powoli, że wydają się stać w powietrzu. Największe mają prawie 6 mm średnicy i spadają z prędkością 8 metrów na sekundę. Niezależnie od rozmiaru, nie mają one nigdy kształtu podobnego do łzy. Większość kropli jest okrągła i tylko największe bywają spłaszczone w dolnej części.
W przyrodzie istnieją dwa sposoby tworzenia się cząsteczek opadów . Pierwszy to proces koagulacji, przez który rozumie się zderzanie się i zlewanie kropelek wody spadających z różną prędkością . Zachodzi on dlatego, że większe krople spadają szybciej niż małe i niekiedy zderzają się z nimi . Prawdopodobieństwo zderzenia zależy od stosunków rozmiaru kropelek. Gdy w chmurze są kropelki o średnicy 40-60 ɱm, a większość kropelek ma średnice 20ɱm, częstość zderzeń jest znaczna i rośnie ze wzrostem kropelek dużych. Nie ma wątpliwości, że w stosunkowo małych chmurach konwekcyjnych nad oceanami strefy międzyzwrotnikowej deszcze tworzy się wyłącznie przez koagulacje. Obserwuje się często deszcze z chmur o podstawie około 600m i wierzchołku 3km gdzie temperatura wynosi około +7°C. Koagulacja bierze też udział w tworzeniu opadu w innych chmurach, lecz trudno jest ocenić jej znaczenie, ponieważ działać tu również mogą inne procesy.

Jak powstaje śnieg
Większość opadów atmosferycznych Ziemi ma postać śniegu lub deszczu powstałego ze stopionego śniegu w powietrzu. Badania śnieżynek dowiodły, że są one dużymi kryształkami lodu lub zrostami kryształków. Proces ich powstawania nazywamy inaczej procesem zlodzenia chmur. Opiera się on na warunku współistnienia kryształków lodu i kropelek przechłodzonej wody przy temperaturze ujemnej kryształki rosną kropelki zaś parują. Zachodzi to dlatego, że prężność pary nasyconej nad wodą jest większa niż nad lodem przy tej samej temperaturze ujemnej. Wskutek tego występuje siła ciśnienia przenosząca cząsteczki pary wodnej z kropelek na kryształki. Chmury przechłodzone są w atmosferze zjawiskiem częstym. Pojawienie się w takiej chmurze kryształków lodu, za pośrednictwem efektywnie działających jąder zamarzania, narusza gwałtownie stabilność chmury. Kryształki lodu szybko rosną, a kropelki parują. Duże kryształki po osiągnięciu odpowiedniej wielkości zaczynają spadać (przez chmurę) zderzając się z przechłodzonymi kropelkami i innymi kryształkami. Przez zetknięciu się z lodem kropelki mogą zamarzać a kryształki zlepiać się. W ten sposób tworzą się płatki śniegu . Przy dostatecznie niskiej temperaturze powietrza śnieżynki mogą osiągać grunt. Często jednak powietrze po drodze jest na tyle ciepłe że śnieżynki topnieją dając opad deszczu. W górach obserwujemy nieraz śnieg w ich wyższych partiach a deszcze w niższych. Tworzące się płatki mogą mieć, zależnie od temperatury i wilgotności powietrza, różne kształty. Powietrze stanowi na ogół 90 procent ich masy, dzięki czemu są doskonałymi izolatorami i świetnie tłumią dźwięk. Oznacza to także, że ilość wody zawarta w 10 - centymetrowej warstwie śniegu jest taka, jak w 1 centymetrze deszczu. Mimo to w wielu rejonach świata śnieg stanowi ważne źródło słodkiej wody.

Zjawisko Retencji
Gdy opad ma postać śniegu, następuje przerwa pomiędzy jego spadnięciem a rozprowadzeniem trwająca do momentu stopnienia śniegu. W skali światowej największa retencja wody na powierzchni ziemi jest w marcu-kwietniu, kiedy to na półkuli północnej występuje rozległa pokrywa śniegu a jeziora i rzeki są zamarznięte . W Pażdzierniku poziom morza podnosi się o 1-2cm gdyż jak ocenia się, w oceanach znajduje się dodatkowo 7,5*10 cm³ wody. Woda zazwyczaj pozostaje na lądzie 10-100 dni, chyba że włącza się w krążenie wód gruntowych i wówczas pozostaje znacznie dłużej. W wielkim australijskim basenie wód artezyjskich woda w niektórych zbiornikach pozostaje najprawdopodobniej od 20000 lat, chociaż znajdywano młodsze jak i starsze zbiorniki.
Retencja występuje w kilku postaciach. Jeśli woda jest zatrzymana na powierzchni ziemi, mówimy o retencji powierzchniowej. Jeśli zaś woda zatrzymuje się pod powierzchnią terenu mówimy o retencji podziemnej. Retencja powierzchniowa może występować w dwu postaciach. Jeśli opad atmosferyczny był w postaci stałej, a więc w postaci śniegu lub szadzi, pozostaje na powierzchni terenu aż do momentu stajania lodu i przekształcenia go w ciekłą wodę. Formą retencji są więc pokrywy śniegowe oraz wszelkie pokrywy lodowe na powierzchni ziemi. Woda spływająca po powierzchni ziemi natrafia niejednokrotnie na zapory, na wzniesienia terenu, które może pokonać dopiero po wypełnieniu obniżeń terenu aż do wysokości zapory. Woda gromadzi się więc na powierzchni ziemi tworząc jeziora lub okresowe rozlewiska w dolinach rzecznych.
Retencja podziemna polega na zatrzymaniu wody, która wsiąkła w podłoże i wypełniła pory i przestwory w skałach. Zatrzymanie wody jest zjawiskiem czasowym. Wcześniej czy póżniej woda powraca do obiegu.
Zdolność zatrzymywania wody przez określony obszar na powierzchni ziemi nazywamy jego retencyjnością. Stopień retencyjności zależy od rzeżby terenu, która może zarówno ułatwiać jak i utrudniać spływ wody, od przepuszczalności podłoża, od pokrycia terenu szatą roślinną, a w pewnej mierze od klimatu.
Proces wsiąkania wody
Duża część wody, która znalazła się na powierzchni lądów przedostaje się w płytsze lub głębsze poziomy litosfery czyli wsiąka w podłoże. Jest to możliwe dzięki mniejszej lub większej porowatości gleby i skał podłoża. Czynnikami ułatwiającymi wsiąkanie są: porowatość podłoża, jego przepuszczalność, równinność terenu. Czynnikami utrudniającymi wsiąkanie są: nieprzepuszczalność podłoża brak w nim wolnych przestworów, stromość stoków, po których woda łatwo spływa, bardzo bujna roślinność, poza tym gwałtowność opadów ich nadmiar, wysokie temperatury potęgujące tempo parowania przy małej wilgotności powietrza oraz zbyt niskie temperatury doprowadzające wodę do stanu stałego (zamarzanie). Wszystkie te cechy powodują to czy woda z powierzchni ziemi przedostanie się do wód gruntowych i podziemnych dalej ukierunkowując jej obieg w biosferze.

Wskażnikiem procesu wsiąkania ziemi do gruntu jest Infiltracja
INFILTRACJA-proces wsiąkania wgłąb, odpływ gruntowy
Ilość wody opadowej, która dociera do warstwy wodonośnej to INFILTRACJA EFEKTYWNA
WSKAŹNIK INFILTRACJI -Ie- dla Polski wynosi 17%
Ie=wi * P P-wysokość opadów [mm/rok]

wi-parametr bezwymiarowy lub wyrażony w % , mówi nam jaka część opadów tworzy Ie
Czynniki wpływające na wskaźnik infiltracji:
a) klimatyczne ( atmosferyczne )
ˇ wielkość opadów atmosferycznych (większe opady to wyższy Ie)
ˇ ilość opadów w czasie ( Ie jest wyższy gdy opad jest mniejszy ale trwa dłużej )
temperatura i wilgotność powietrza (duża wilgotność to mniejsze parowanie i wyższy Ie )
b) właściwości gruntu
ˇ przepuszczalność ( wyższa przepuszczalność to wyższa infiltracja
ˇ nachylenie powierzchni terenu (Ie wyższe im teren płaski )
ˇ roślinność
ˇ zabudowania (zmniejszają infiltrację )
ˇ grunt przemarznięty zmniejsza infiltrację
ˇ nasycenie wodą (zmniejsza Ie )
ˇ działalność człowieka
Do pomiaru infilracji służą IZYMETRY.

Czym jest transpiracja roślin
Jak już wspomniałam na początku na obieg wody w biosferze ma również wpływ transpiracja roślin i chciałabym przytoczyć czego ona dotyczy.
Transpiracja jest to wyparowywanie wody z rośliny. Odbywa się ona w różny sposób (głównie przez wakuolę). Rozwarcie aparatów szparkowych powoduje utratę wody. W Polsce rośliny najczęściej aparaty szparkowe mają otwarte w dzień, a w nocy zamknięte. W dzień przez aparaty szparkowe odbywa się pobieranie tlenu i wydzielanie dwutlenku węgla, a w nocy odwrotnie. Dlatego ruch aparatami szparowymi jest niezbędny.
Współczynnik T - to ilość wyparowanej (wytranspirowanej) wody na powstanie suchej masy roślinnej. Im mniej roślina pobiera wody tym mniej wody transpiruje.
PODSUMOWANIE
Cykl krążenia wód ma charakter wyodrębnionego zamkniętego procesu. Stale ten sam zasób wody odbywa obieg podlegając jednocześnie wszystkim przemianom fazowym. W ujęciu ogólnego bilansu Ziemi całkowita ilość wody zasilającej ją opadami jest średnio równa ilości wody parującej każdego roku z powierzchni globu. Chociaż roczny opad w zasięgu ogólnoplanetarnym równy jest rocznemu parowaniu to jednak dla poszczególnych miejscowości na ziemi prawidłowość ta przestaje być słuszna. Tak np. w niektórych obszarach oceanów opad przewyższa parowanie, podczas gdy w innych parowanie jest większe od opadów. To zjawisko nadmiarów i niedoborów wody jest wyrównane przez cyrkulacje wód oceanicznych na ich powierzchni bądż w postaci prądów głębinowych, tak że poziom morza jest niemal niezmienny. Różnice między opadem a parowaniem nazywamy odpływem całkowitym. Ujemna wartość odpływu oznacza, że parowanie jest większe niż opad. Nadmiar odpływu w jednym miejscu wyrównuje się jego niedoborem w innym także ogólny bilans całkowity jest równy 0. Na przykład na Morzu Arktycznym opady przewyższają parowanie i nadmiar wody przepływa do Atlantyku wyrównując tam jej deficyt. Na wszystkich kontynentach a szczególnie w Ameryce Południowej, opady przewyższają parowanie i odpływ całkowity wyrównuje deficyt na oceanach.
Ważnym czynnikiem światowego cyklu krążenia wody są jej zapasy nagromadzone w lodowcach. Tworzeniu się lodowców towarzyszy obniżenie się poziomu mórz, zaś ich topnieniu - podniesienie tego poziomu. Obecnie lodowce pokrywają około 10% powierzchni globu. Gdyby cała ta pokrywa lodowa stopniała i spłynęła do oceanów utworzyłaby warstwę wody o grubości 57m. Jednakże ze względu na możliwości izomatycznego przystosowania się wnętrza globu poziom wód morskich wzrósłby tylko o 38m.
Na obieg wody w biosferze swój wpływ ma również człowiek zanieczyszczając wody pozbawia się pewnych jej ilości co powoduje zmniejszenie naturalnych zasobów wodnych na ziemi

---