Obieg wody w przyrodzie.

Wstęp
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.

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.

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


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.

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 gruntowyIlość 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

Ciepło geotermalne

Energia towarzyszy człowiekowi od zarania dziejów. Zmieniły się tylko jej źródła i formy. Nasi praprzodkowie z biegiem czasu dokonywali coraz to nowych wynalazków. Wykorzystywali siłę wody, czy wiatru.
Wnętrze Ziemi jest gorące z dwóch powodów: pozostałość po procesie formowania się planety oraz naturalny rozkład pierwiastków promieniotwórczych we wnętrzu Ziemi. Wody geotermalne powstają w wyniku ogrzewania wód podziemnych przez magmę lub gorące skały. Temperatura zmienia się wraz z głębokością i bezpośrednio przy powierzchni rośnie o ok. 300C na każdym kilometrze. Ten przyrost temperatury, nazywany stopniem geotermicznym nie jest taki sam dla różnych rejonów geograficznych i może osiągać wartość znacznie mniejszą lub większą nawet do ok. 600 C/km.

Wody goetermalne uważane są powszechnie za odnawialne źródło energii. Jednak aby można było użyć takiego sformułowania musza być spełnione odpowiednie warunki użytkowania wód, tzn. woda po oddaniu ciepła musi być zatłaczana z powrotem, a tempo wydobycia i obniżania temperatury zbiornika nie powinno przekraczać szybkości ponownego ogrzania się wody we wnętrzu ziemi. Taki warunek spełniony jest wyłącznie w przypadku wód o bardzo wysokiej temperaturze.

Wykorzystanie ciepła geotermalnego ma ponad 1000-letnią historię. Już w IX wieku Islandczycy używali wód geotermalnych do gotowania posiłków. Wcześniej, bo w starożytności ciepłe wody wypływające na powierzchnię Grecy i Rzymianie wykorzystywali do kąpieli, z wiadomości pozytywnego wpływu balneologii na zdrowie. W okolicach Reykjaviku (Islandia) na zwiększoną skalę cierpł wodę używa się do ogrzewania domów i szklarni od 1930 roku. Obecnie ciepłownictwo geotermalne przybiera przemysłowa skalę m.in. we Francji, Włoszech, na Węgrzech, we wschodniej części Niemiec. W XX wieku po raz pierwszy ujarzmiono energię geotermalną i rozpoczęto jej wykorzystanie na dużą skalę zarówno do produkcji energii elektrycznej, jak i do zastosowań bezpośrednich.

polskich warunkach geologicznych wypływające na powierzchnię wody geotermalne spotyka się rzadko i mają one nieco ponad 200°C, konieczne staje się, więc sięganie po zasoby zalegające na większych głębokościach. Wody geotermalne występują w przestrzeni porowej lub szczelinowej skał. Zwykle skały te, to piaskowce, mułowce, wapienie i dolomity. Kompleksy takich skał zwane są zbiornikami geotermalnymi.

Zasoby wód geotermalnych w Polsce są ogromne, energia zawarta w wodach basenów geotermalnych na obszarze Polski odpowiada w przybliżeniu 33 miliardom ton ropy naftowej. Ujęcie jej jest możliwe i może być opłacalne na 80-90% powierzchni kraju.

Rozkład zbiorników geotermalnych i potencjalnych złóż energii geotermalnej oraz ich zasoby zostały przez geologów rozpoznane w stopniu pozwalającym wytyczać kierunki i wyznaczać najlepsze miejsca rozwoju energetyki opartej o to odnawialne źródło energii. Wyniki badań zestawione są w postaci różnych zagadnieniowych map geologicznych

4

---