Уравнение водного баланса для мирового океана

Водный баланс мирового океана

Общее уравнение многолетнего годового водного баланса Мирового океана может быть записано в виде

где x – осадки на поверхность океана (в среднем 1 270 мм в год, или

458 000 км3 в год; y – поверхностный сток 9124 мм, или 44 700 км3, из них

41 700 км3 приходится на реки, 3000 км3 – «ледниковый» сток Антарктиды и арктических островов); w – подземный сток (6 мм, или 2200 км3); z – испарение с поверхности океана (1400 мм, или 505 000 км3).

Если учитывать небольшие изменения уровня Мирового океана, то урав-

нение годового водного баланса должно быть записано следующим образом:

x + y + w + = z + Du,

где Du – изменение уровня (если члены уравнения представлены в вели- чинах слоя) или объема (если члены уравнения представлены в объемных еди- ницах).

В XX в. Du составляло 1,7 мм/год, или 610 км3/год. Повышение уровня

Мирового океана происходит в основном вследствие увеличения поступления вод в результате таяния ледников Антарктиды, Гренландии и арктических ост- ровов, увеличения атмосферных осадков, а также за счет увеличению объема океана в результате термического расширения воды.

Повышение температуры верхнего слоя океана в XX в дало скорость при-

роста его уровня в 0,6–1,0 мм/год. По оценкам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК-2001), в течении XX в уровень Ми-

рового океана в среднем повысился на 15 см, что дало прирост объема его вод на 54,2 тыс. км3, или на 0,004\%.

Атмосферные осадки дают 90,7\% приходной части водного баланса Ми- рового океана, а испарение – 100\% его расходной части. Для водного баланса Мирового океана характерно широтное изменение соотношения двух главных

составляющих уравнения водного баланса – осадков и испарения. Оно связано с общими закономерностями распределения на Земле тепла и влаги, которые определяют и закономерное изменение с широтой осадков на поверхность океана и испарение с его поверхности.

Основными особенностями распределения осадков, испарения и разности (x−z) следующие: 1) общее увеличение осадков и испарения от полярных рай- онов к низким широтам; 2) существование избытка осадков над испарением: в

высоких широтах Северного полушария (арктический, субарктический и час- тично умеренный климатические пояса, в высоких широтах Южного полуша- рия (антарктический, субантарктический и частично умеренный климатические

пояса) и низких широтах (экваториальный и субэкваториальный Северного по- лушария климатические пояса); 3) существование двух зон превышения испа- рения над осадками в обоих полушариях (тропический и субтропический кли- матические пояса).

Таким образом, в зонах, где x – z > 0, наблюдается разбавление морской воды пресной, уменьшение ее солености, причем избыток вод должен вызвать

отток поверхностных вод из этих районов океана; в зонах, где x – z

Водный баланс Земли

Трудно переоценить важность водных ресурсов на планете. Вода не только занимает основную часть поверхности земного шара, но и является важной составляющей всех живых организмов. Жизнь на Земле невозможна без этого вещества и его круговорота.

Круговоротом воды называется процесс ее перемещения между основными оболочками и сферами Земли. Суть его заключается в следующем: под действие солнца испаряются воды Мирового океана, воздушными течениями они распределяются по поверхности планеты, конденсируются и выпадают в виде осадков.

Мировой водный баланс – это количественное выражение круговорота воды. Он представляет собой соотношение объема воды, испарившейся с поверхности Земли и выпавшей в виде осадков за конкретный временной промежуток. Водный баланс учитывает все виды влаги на планете, к которым относятся:

• мировой океан;
• подземные воды;
• реки и озера;
• вода, содержащаяся в почве и атмосфере.

Определить аква баланс всей планеты за большой промежуток времени довольно просто: количество испарившейся с поверхности планеты воды равно количеству воды, содержащейся в выпавших осадках. Для расчета аква баланса суши и Мирового океана взятых в отдельности, необходимо учитывать речной сток. Дело в том, что количество испарившейся из Мирового океана воды, всегда превышает совокупные осадки, выпадающие на его поверхность. Часть воды переносится на материки и затем реки доставляют ее обратно в океан. Водный баланс характеризуется системой уравнений представленной в табл.1.

Данные уравнения используются для оценки ресурсов влаги, как на всей поверхности Земли, так и на отдельных ее территориях. Следует отметить, что если территория занимает небольшую площадь или требуется определить баланс влаги за короткий промежуток времени, учитываются дополнительные составляющие:

• приток подземных вод с соседней территории;
• вода, конденсирующаяся на поверхности в виде росы и инея;
• дополнительный перенос снега с прилегающих районов.

Оценка баланса влаги, используется для изучения водных ресурсов суши, Океана и планеты в целом. Анализ водного баланса также позволяет выделить приоритетные источники влаги в различные временные периоды на рассматриваемой территории.

Наибольшую трудность представляет расчет баланса влаги в Мировом океане, так как точно оценить объем осадков, приходящихся на его поверхность весьма затруднительно. Наблюдения обычно ведутся со станций, расположенных на островах, а также с судов. Обобщенные данные дают неполную картину и носят несовершенный характер. Сложно изучить и собрать точные сведения о подземных водах, стекающих в Океан, минуя реки. Существует еще множество пробелов в этой области, однако современные данные намного точнее и достовернее информации, используемой ранее.

Исследования доказали, что изменения климата сильно влияют на водный баланс как всей Земли, так и отдельных ее участков. В периоды понижения температуры, уровень водного баланса материков увеличивается, за счет увеличения ледников. Баланс влаги Мирового океана при этом становится отрицательным. Потепление климата увеличивает испарение, приводит к таянию ледников, уменьшению воды в озерах и увеличению объема воды, стекающей в Океан. В этом случае водный баланс суши становится отрицательным, а Океана – положительным. Изменение климата хотя бы на 1°С, может существенно повлиять на распределение влаги на планете.

В ХХ веке произошло изменение температуры в сторону увеличения, что вызвало дисбаланс водного пространства. Это привело к сильному испарению с поверхности суши и воды, увеличению количества осадков над Мировым океаном, но уменьшению их над континентальной сушей, интенсивному таянию ледников. Все эти изменения в итоге привели к повышению уровня воды в Океане.

Рассматривая водный баланс Земли, не совсем справедливо считать его замкнутым, так как вода может поступать на планету и исчезать с ее поверхности. Источников поступления может быть два: космос и земные недра. Из космоса влагу приносят метеориты, а также солнечные протоны. В верхних слоях атмосферы протоны становятся атомами водорода, которые трансформируются в воду, при соединении с атомами кислорода. Недра земли, посредством извержения вулканов также снабжают поверхность планеты водой, выбрасываемой в виде пара. Количество поступающей такими способами воды незначительно и точно его определить очень сложно. Утечка воды с планеты также происходит в небольшом количестве, в результате разрушения водяного пара в верхних слоях атмосферы.

Водный и солевой баланс

ГЛАВА 7. СОСТАВ МОРСКОЙ ВОДЫ И ЕЕ СОЛЕНОСТЬ

§ 22. Водный и солевой баланс

Изменения — солености в различных районах Мирового океана зависят от физико-географических, гидрометеорологических и оке­анологических факторов. Наибольшее значение имеют: испарение с поверхности моря, выпадение осадков, приток материковых вод, процессы, ледообразования — и таяния льдов. Кроме того, большое значение имеют и динамические факторы — вертикальное переме­шивание слоев и горизонтальный перенос водных масс течениями (адвекция солей).Приток пресных вод с материков, выпадение осадков, приток менее соленых вод из соседнего района океана или моря, а, также процесс таяния льдов опресняют морские воды, понижая их соленость. Процессы испарения и ледообразования, сопровождающиеся выпадением солей в рассол, а также приток более соленых вод, вносимых течениями, повышают соленость.

Изменения всего комплекса этих процессов во времени и в про­странстве определяют пространственное и вертикальное распреде­ление солености, сезонные, многолетние и другие изменения ее. Солевой баланс морей и океанов связан с изменением компонентов водного баланса.

Водный баланс

Приходную часть водного баланса составляют атмосферные осадки, выпадающие на поверхность моря, пресные воды, приносимые реками, воды от таяния морского льда и, наконец, приток воды из соседнего водоема. Расходную часть водного баланса этого же объема воды составляют потери воды на испарение, на образование льда и отток воды в соседние водоемы. Для некоторых морей учитывается расход воды на просачивание через дно.

Уравнение водного баланса можно записать в виде:

где О — количество осадков, выпадающих на поверхность водоема; S — количество вод берегового стока; F_пр — приток вод из соседнего бассейна; I — количество влаги, затраченной на испарение; F_от—отток воды в соседний бассейн за счет водообмена.

В этом уравнении O + S — I условно называют пресной состав­ляющей водного баланса или, короче, пресным балансом.

Если О + S>I, то пресный баланс положительный, т. е. величина осадков и вод берегового стока превышает потери на испарение. Если I>O+S, пресный баланс отрицательный. В первом случае происходит понижение солености воды в море, а во втором— повышение. Вот почему, например, в экваториальной зоне, где количество осадков превышает испарение, соленость несколько понижена по сравнению с пассатными зонами. В пассатных зонах высокое испарение не лимитируется выпадением осадков, поэтому соленость здесь высокая. В морях большое значение имеет и во­дообмен с соседним морем или океаном.

Солевой баланс

Все перечисленные факторы определяют режим и изменения солености вод океанов и морей. Так как соленость — наиболее кон­сервативное, установившееся свойство вод Мирового океана, то можно говорить и о балансе солей. Приходная часть солевого баланса слагается из поступления солей: а) с материковым стоком, б) с ат­мосферными осадками, в) из недр Земли в виде продуктов дегазации мантии, г) при растворении пород на дне океанов и морей.

Годовой сток растворенных веществ, поступающих с материко­выми водами в океан, примерно равен 3200 млн. т.

Продукты дегазации мантии поступают в океан при извержении подводных вулканов и с горячими источниками. В этих продуктах преобладают соединения углерода (СО₂ и СО), серы (SO_з, SO₂, S, H₂S), галогены (Сl, F) и водород (Н).

Если принять, что на поверхность океана выпадает атмосферных осадков 324 тыс. км 3 в год, то в океан попадает приблизительно 1,0—1,3 млрд. т солей.

Расход солей происходит при: а) выпадении солей в осадок, б) выкристаллизовывании солей из рассола солевых ячеек льда при низких температурах (до —55°С), в) испарении морской воды в районах с жарким климатом в закрытых и полузакрытых морях, г) выносе солей при разбрызгивании воды ветром и других менее эффективных процессах.

Из всех компонентов прихода и расхода солей наибольшее значение имеют приток с материковым стоком и из недр Земли за счет дегазации мантии, а также выпадение солей из морской воды в осадок, компенсирующие друг друга. Общее количество солей, растворенных в морской воде, достигающее примерно (47/56)*10 15 т, настолько велико, что изменения, связанные с приходом и расходом, а также влиянием различных факторов, не отражаются на общем солевом составе морской воды.

В течение длительных отрезков времени — геологических эпох — солевой состав вод Мирового океана можно считать установив­шимся. Это связано с тем, что приход солей балансируется расходом и, кроме того, количество солей, поступающих или выпадающих из состава морской воды, настолько незначительно по сравнению с солевой массой, находящейся в ее растворе, что требуются очень большие промежутки времени (200 000—160 000 лет) для того, чтобы соленость изменилась на 0,02—0,01‰.

Источник: Общая гидрология, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1973