Водный баланс земного шара уравнение

Уравнения водного баланса

Для водного объекта или замкнутого контура суши и для любого интервала времени уравнение сохранения вещества можно записать в виде уравнения водного баланса: для любого объема пространства, ограниченного некоторой произвольной поверхностью, количество воды, вошедшее внутрь этого объема, за вычетом количества воды, вышедшего наружу, должно равняться увеличению (или соответственно уменьшению) количества ее внутри данного объема.

Это равенство справедливо для любого промежутка времени и для любого произвольно взятого пространства, ограниченного замкнутой поверхностью.

Пользуясь методом водного баланса, возможно производить сопоставление отдельных источников поступления влаги в различные периоды времени в пределы изучаемой территории и устанавливать степень их влияния на общий ход формирования водного режима изучаемого объекта.

Наконец, метод водного баланса позволяет косвенным путем определить по разности между изученными величинами тот из компонентов баланса влаги (сток, осадки, испарение, фильтрация и т. д.), который в данных условиях трудно измерить, но знание которого бывает необходимо или для решения чисто инженерных задач, или для выяснения общих закономерностей влагооборота к пределах рассматриваемого пространства.

Все это определило весьма широкое распространение этого метода в гидрологии, поэтому рассмотрим уравнение водного баланса более подробно.

Составим уравнение водного баланса для произвольно взятой части земной поверхности:

Контур, ограничивающий рассматриваемую часть земной поверхности, в общем случае пересекает входящие и выходящие водотоки. Через этот контур мысленно проведем вертикальную поверхность, которая будет являться боковой поверхностью выделяемого объема.

Эту боковую поверхность продолжим до горизонта, ниже которого воды не проникают (например, до водонепроницаемого слоя). Учтем все возможные пути поступления и расходования влаги в рассматриваемом объеме.

Приходную часть баланса влаги в рассматриваемом объеме будут составлять:

1) осадки х, выпавшие за рассматриваемый период времени на поверхность выделенного объема (их учитывают как в жидком, так и твердом состоянии);

2) количество влаги z₁, конденсирующейся в почве и на ее поверхности;

3) количество воды w₁, поступившей путем подземного притока;

4) количество воды у₁, поступившей на данную площадь через поверхностные водотоки (русловой и склоновый сток).

Расходование влаги из рассматриваемого объема может осуществляться следующими путями:

1) испарение z₂ с поверхности воды, снега, почвы, растительного покрова и транспирация;

2) отток воды w₂ путем подземного стока (приток или отток поверхностных и подземных вод может осуществляться как естественным, так и искусственным путем, например, при подаче воды из-за пределов объекта, заборе поверхностных вод, откачке или закачке подземных вод);

3) стекание воды у₂ поверхностными водотоками (русловой и склоновый сток).

Превышение приходной части баланса над расходной будет вызывать увеличение запасов влаги в рассматриваемом объеме. Наоборот, превышение расходной части баланса над приходной может произойти только за счет уменьшения запасов влаги.

Таким образом, чтобы получить равенство приходной и расходной частей уравнения баланса, нужно в левую (приходную) часть уравнения добавить величину и₁, характеризующий убыль запасов влаги за рассматриваемый период, а в правую (расходную) часть — член и₂, характеризующий прибыль запасов влаги.

Все величины, входящие в уравнение баланса, выразим не в виде объема воды, поступившей в пределы, ограниченные заданным контуром, или, наоборот, вышедшей за пределы контура, а в виде слоя воды, т.е. объема, деленного на площадь рассматриваемой территории.

В соответствии с принятыми обозначениями общее уравнение баланса влаги для произвольного контура и произвольного промежутка времени напишется в виде (2):

(2)

_∆и – изменение объема воды в пределах объекта (эту величину определяют соотношением приходной и расходной частей уравнения водного баланса: если приход больше расхода, то происходит накопление воды, т.е. повышение уровня в пределах объекта и _∆и>0; если же приход меньше расхода, то идет сработка запасов накопленной ранее воды, т.е. понижение уровня в пределах объекта и _∆и 3 воды. Объем влаги, испарившейся с периферийной части суши составляет около 62 тыс. км 3 в год, а замкнутой части округленно 7 тыс. км 3 в год.

Большая часть атмосферных осадков, выпадающих на поверхность Мирового океана, равна приблизительно 412 тыс.км 3 в год. На поверхность суши выпадает 106 тыс.км 3 в год для ее периферийной части и округленно 7 тыс.км 3 – для замкнутой. И, наконец, сток речных вод в Мировой океан, включая сток подземных вод непосредственно в Мировой океан, а также воды и льда с полярных ледников, составляет 44 тыс.км 3 воды в год.

Таким образом, если подсчитать, то для земного шара в целом приходная часть водного баланса Земли (осадки) и его расходная часть (испарение) тождественно равны.

Закон сохранения энергии:

Закон сохранения тепловой энергии характеризует неизменность энергии в замкнутой (изолированной) системе с учетом возможного перехода одного вида энергии в другой. Применительно к открытым природным системам (какими являются водные объекты) закон сохранения тепловой энергии определяет условия баланса прихода и расхода теплоты и изменение теплосодержания объекта. Количественным выражением закона сохранения тепловой энергии применительно к любому объему воды (водному объекту) или любому замкнутому контуру суши служит уравнение теплового баланса, которое за некоторый интервал времени можно записать в виде:

, (8)

где — теплота, поступающая к данному объекту извне и выделяющаяся в пределах объекта при переходе части механической энергии в тепловую, а также при ледообразовании, конденсации водяного пара, разложении некоторых веществ; — теплота, удаляемая за пределы объекта, затрачиваемая в пределах объекта на испарение воды, плавление льда, химические и биохимические процессы; — изменение за время _∆t содержания теплоты в объекте, равное , где т – масса объекта, с_р – его удельная теплоемкость при постоянном давлении, _∆Т – изменение температуры Т_кон-Т_нач.

Единицами измерения членов уравнения служат единицы теплоты (Дж).

Закон сохранения механической энергии означает, что полная энергия какой-либо механической системы складывается из потенциальной и кинетической энергии и остается всегда постоянной с учетом потерь энергии на трение:

, (9)

где Е_дис – диссипация энергии (переход части механической энергии в тепловую в результате трения).

Закон сохранения механической энергии применительно к водным объектам определяет характер перехода потенциальной энергии (энергии покоящейся воды) в кинетическую энергию движущегося потока. Единицами измерения членов уравнения служат единицы теплоты (Дж).

Закон сохранения количества движения (импульса) гласит, что в пределах замкнутой механической системы количество движения остается неизменным: , где т – масса системы, — ее ускорение.

Но применительно к открытым системам, к которым относятся и все водные объекты, закон сохранения количества движения (импульса) трансформируется в закон изменения количества движения (импульса), который означает, что изменение количества движения (импульса) открытой системы равно сумме всех внешних сил, действующих на эту систему.

Закон изменения количества движения лежит в основе изучения динамики во всех водных объектах. Количественным выражением закона изменения количества движения (импульса) является уравнение движения, которое применительно к любому объему воды можно записать в виде , где т – масса выделенного объема, — изменение средней скорости движения этого объема; — сумма действующих на этот объем внешних объемных (массовых) и поверхностных сил.

Объемные (массовые) силы действуют на весь объем воды, а поверхностные – лишь на его грани. Единицами измерения членов уравнения служат единицы силы (Н или кг м/с 2 ).

Все процессы, протекающие в водных объектах и состоящие в изменении массы или объема воды, ее минерализации, химического состава, температуры, характеристик ледового режима, параметров движения водного потока и т.д., представляют собой реакцию водных объектов на изменение составляющих баланса вещества, тепловой и механической энергии и действующих сил под влиянием внешних и внутренних факторов.

Дата добавления: 2015-02-16 ; просмотров: 334 | Нарушение авторских прав

ВО́ДНЫЙ БАЛА́НС

ВО́ДНЫЙ БАЛА́НС, со­от­но­ше­ние ме­ж­ду при­хо­дом, рас­хо­дом и из­ме­не­ни­ем за­па­сов во­ды в пре­де­лах всей Зем­ли, ат­мо­сфе­ры, Ми­ро­во­го ок., кон­ти­нен­тов, час­ти су­ши или вод­но­го объ­ек­та за оп­ре­де­лён­ный ин­тер­вал вре­ме­ни. В. б. – это от­ра­же­ние за­ко­на со­хра­не­ния ве­ще­ст­ва, ко­ли­че­ст­вен­ное вы­ра­же­ние кру­го­во­ро­та во­ды на Зем­ле, ха­рак­те­ри­зуе­мое урав­не­ни­ем В. б. Стро­го го­во­ря, еди­ни­ца­ми из­ме­ре­ния со­став­ляю­щих урав­не­ния В. б. долж­ны быть еди­ни­цы мас­сы, од­на­ко обыч­но это урав­не­ние за­пи­сы­ва­ют в еди­ни­цах объ­ё­ма (км 3 ) или слоя во­ды (мм). До­пус­ти­мость за­ме­ны еди­ниц мас­сы еди­ни­ца­ми объ­ё­ма объ­яс­ня­ет­ся не­зна­чит. из­ме­не­ния­ми плот­но­сти во­ды при из­ме­не­нии её тем­пе­ра­ту­ры.

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.