Божественное творение
Прежде чем рассуждать о воде на Земле, обратимся к легенде о сотворении мироздания, которую поэты Древнего Египта сочинили пять тысяч лет назад. Согласно неё, задолго до появления неба и земли Вселенная, погружённая в густой мрак, была наполнена первичной водой. Этот океан назывался Нун, и он был холоден, мрачен и неподвижен, пока в один прекрасный день из его пучины не вышел могущественный бог Атун, сумевший создать сам себя из воды. Убедившись, что вокруг в буквальном смысле слова некуда ступить, а бездна тянет назад, новоиспечённое божество быстренько воспарило над океанской поверхностью и соорудило первый в будущем сухопутном мире холм Бен-Бен. Сидя в одиночестве на его вершине, Атун принял мудрое решение создать себе парочку детей. Так появились на свет бог ветра Шу, чтобы океан больше не замирал, и богиня дождя Тефнут, чтобы океан не иссякал и был управляем.
Новорождённые боги, как любые дети, оказались непоседами и мгновенно куда-то запропастились. Расстроенный родитель в отчаянии вырвал себе глаз и отправил его в океан Нун искать сорванцов. Поиск длился долгие столетия. За это время Атун создал себе новый орган зрения, но тут неожиданно появился старый в сопровождении найденных Шу и Тефнут. Убедившись, что его место занято, обиженный глаз обвинил Атуна в неблагодарности и потребовал сатисфакции. Счастливый папаша был готов на всё и предложил бездомному глазу место на лбу, но тот отказался и превратился в кобру, чтобы отомстить Атуну. Однако такой манёвр не испугал творца Мира, он спокойно взял разгневанную рептилию в руки и посадил себе на лоб. С тех пор глаз-змея украшает короны богов и фараонов Египта.
Далее дела на планете пошли как по маслу. Из вод океана Нун вырос прекрасный лотос, из его бутона вылетел бог солнца Ра с золотым диском над головой. Мир наконец-то наполнился живительным светом. Увидев Атуна и его очаровательных детишек, сентиментальный Ра заплакал от радости, и из его слёз, долетевших до земли, возникли люди.
В скором времени Шу и Тефнут поженились, и у них родились детки: бог земли Геб и богиня неба Нут, безумно любившие друг друга. Они даже появились на свет крепко обнявшись, поэтому в начале творения небо и земля были одним целым. Но богиня неба Нут оказалась очень прожорливой, предпочитая при этом закусывать своими детьми — звёздами, что возмутило Геба. Между супругами пошли нелады. Этим воспользовался папаша Шу: он вмешался в скандал в виде урагана, поднятого во всей Вселенной, и разрушил семью. После отделения неба от земли в океане Нун возникли острова и материки с горными хребтами, с которых потекли реки, а люди разбежались по сторонам с холма Бен-Бен и расселились по всему миру. Вот так-то! И как любил отмечать Аристотель в конце каждого своего произведения: „Kai para tauta uden“ — „А за этим больше ничего“.
Кругом вода
Вода Земли имеет внутрипланетарную природу. По оценкам отечественных и американских учёных, сделанных в 1950–1970-х годах, основная масса нынешней гидросферы сформировалась к началу палеозоя (570 млн. лет назад), но постоянный приток мантийных вод продолжается и ныне со скоростью 1 мм в 1000 лет. Сегодня общее количество воды в воздухе, на поверхности планеты и в её коре составляет, по оценкам разных авторов, от 2420 до 2720 млн. км3. Верхняя граница гидросферы располагается на высоте около 300 км и практически совпадает с верхней границей атмосферы. Вода здесь находится в виде пара, капельно-жидкой влаги (то есть облаков) и кристаллов льда. Запас влаги в атмосфере (0,013 млн. км3) составляет всего 0,0005% от её общего количества в гидросфере. Впрочем, легко плывущие по небу пушистые белые облака нельзя назвать невесомыми: один кубический километр этого „пуха“ содержит 2000 тонн чистейшей природной водицы!
Вода: в небе, на земле, под землёй:
По данным различных авторов, ежегодно во влагообмене на нашей планете участвует от 517 до 577 тыс. км3 воды — всего 0,04% от её общих запасов. При этом с поверхности морей и океанов испаряется 456–505, а с поверхности суши — 62–72 тыс. км3 воды. В виде осадков в океан возвращается 412–458, на сушу — 106–119 тыс. км3 влаги. Подземным путём (2,4 тыс. км3), из ледников (0,3 тыс. км3) и по рекам океан получает ещё 44–47 тыс. км3 воды в год.
Континентальный и морской круговороты обеспечивают довольно быстрое возобновление запаса пресных вод: в атмосфере — за 8 дней, в реках — за 10–20 дней, озёрах — за 7–10 лет, в почве — за год. В океанах вода обновляется за 3000 лет, а для воды, законсервированной в ледниках, цикл занимает 8–16 тысяч лет. Подземные воды в зоне активного водообмена (на глубине 0,3–0,5 км) обновляются за тысячи лет, в зоне замедленного водообмена (до 1,5–2 км) — за десятки и сотни тысяч лет, а глубже 2–5 км, в зоне пассивного водообмена, — за миллионы лет.
В Мировом океане содержится 1370 млн. км3, а в реках 50 тыс. км3, озёрах 176–275 тыс. км3, болотах 12 тыс. км3, водохранилищах 6 тыс. км3 — всего около 0,5 млн. км3 воды.
В морских льдах, материковых ледниках и снеге запасено 35,3 млн. км3. Суммарный ледниковый сток в океан составляет 3850 км3 в год, из них 76% дают отколовшиеся айсберги, а остальное — поверхностное и донное таяние. Суммарная площадь ледников и ледниковых покровов Земли — 16 млн. км2, или 11% поверхности всей суши (149 млн. км2). Из них 87% — площадь ледников Антарктиды (около 14 млн. км2), чуть менее 13% занимают ледники Северной Америки и Гренландии (2 млн. км2) и доли процентов достаются ледникам, покрывающим Исландию, Землю Франца-Иосифа, Новую Землю, острова Канадского Арктического архипелага, Скандинавию.
Общий объём современного обледенения континентов составляет 25,8 млн. км3, из которых 23,3 сосредоточено в Антарктиде, 2,4 млн. км3 — в Северной Америке и Гренландии. Около 1% объёма приходится на долю ледников Арктики и горно-долинных ледников остальных континентов. Меньше всего ледников в Океании (550 км3) и Африке (6 км3).
Поверхностные воды Земли, общим объёмом 1,45 млрд. км3, располагаются от максимальных глубин океана (Тихий океан, Марианский желоб, 11 022 м) до максимальных высот высокогорных снегов (Большие Гималаи, Эверест, 8848 м).
Немалая часть гидросферы находится в земле — это грунтовые (до глубины 0,1 км) и поровые (до 1,5–2 км) воды земной коры (66–100 млн. км3), которые пополняются за счёт поверхностных вод и вод атмосферы. На глубинах более 5–10 км начинается загадочное царство сверхкритической воды (подробный рассказ о которой будет в одном из следующих материалов этой рубрики. — Примеч. ред.), имеющей эндогенное происхождение.
Ещё в 1942 году В.И. Вернадский совершенно справедливо полагал, что общий объём вод в земной коре (в том числе, и в связанном состоянии — в минералах) сопоставим с объёмом вод всего Мирового океана. Земные недра до глубин 20–25 км по разным оценкам содержат 1–1,3 млрд. км3 влаги, а в слое 25–70 км её не менее 0,6 млрд. ;км3. Кроме того, в мантии Земли до глубин 2700 км может быть сосредоточено ещё 28 млрд. км3 воды.
Полагают, что на больших глубинах (до 60 км, а под зонами разломов в океане — до 100 км) вода из мантии поступает в астеносферу в виде летучих гидридов щелочных металлов и легкоплавких силикатов, которые затем дегидратируются в пары воды и задерживаются в зонах океанических разломов. Так в природе формируется подстилающая „дренажная оболочка“ — нижняя граница гидросферы, которая располагается глубоко в недрах нашей планеты. Мощность её под материками достигает 12–15 км, а под океанами — 3–5 км. По расчётам, под каждым квадратным метром суши содержится от 300 до 700 тонн водных растворов и пара, а под квадратным метром океана — в два-три раза меньше.
Как искали правду о воде
Над нашей планетой влага оказывается в результате глобального круговорота, который происходит под влиянием солнечной радиации и силы тяжести. Но для того чтобы в конце XIX века прийти к такому заключению, человеку понадобились многие тысячелетия. Путь этот был нелёгок. Гений античной мысли Аристотель, понимая несовершенство многих своих теорий, замечал: „Искать истину — и легко, и трудно, ибо очевидно, что никто не может ни целиком её постигнуть, ни полностью её не заметить, но каждый добавляет понемногу к нашему познанию природы, и из совокупности всех этих фактов складывается величественная картина“.
Так или иначе, но историки считают, что первый греческий астроном и математик, мудрец Фалес Милетский, основатель Ионийской школы философов, наслушавшись египетских жрецов и начитавшись Гомера, пришёл к выводу о том, что „Земля плавает на воде“ и „вода есть вещество изначальное, а следовательно, составляет материальную основу всех вещей“. Ему вторит Гераклит Эфесский — „Первое начало и сущность всего — вода. Нельзя дважды войти в одну и ту же реку, потому что тебя будут омывать всё новые и новые воды“.
Древние греки догадывались о существовании гидрологического цикла — именно им принадлежит концепция круговорота воды в природе, причём по мере накопления знаний она постоянно развивалась. Как утверждал Анаксимандр из Милета, осадки выпадают потому, что солнце вытягивает влагу из земли. Анаксимен полагал, что град возникает, когда дождь замерзает на лету, а снег — когда воздух попадает внутрь дождевой капли. Кроме того, этот учёный муж впервые высказал совершенно справедливую гипотезу о том, что чем вода горячее, тем она разрежённее, и наоборот — более холодная вода более плотная.
Аристотель в трактате „Метеорология“ пошёл значительно дальше: „Мы всегда ясно видим, что вода, поднявшаяся в воздух, опускается снова. Даже если то же самое количество не возвратится в течение года и именно в этой стране, то через определённый срок всё, что было унесено вверх, будет возвращено“. Ученик Аристотеля Теофраст, развивая идеи учителя, ближе всех подошёл к тайнам гидрологического цикла. Он полагал, что когда облака попадают в холод, то мельчайшие капельки воды, из которых они состоят вперемешку с воздухом, замерзают, и вместо дождя идёт снег. Пар отделяется от поверхности воды под действием ветра (!). И при этом — очередная наивность: „Есть только одна причина дождя, а именно — давление облаков на гору“.
В отличие от греческих учёных-теоретиков, увлекавшихся объяснениями явлений природы, связанных с водой, представители римской цивилизации были в большей степени „инженерами-практиками“ и предпочитали изящным теориям строительство не менее изящных, но реальных гидротехнических сооружений — акведуков, трубопроводов, портов. В плане же научных концепций римляне по сравнению с греками были явно не на высоте.
Тем не менее между 27 и 17 гг. до н. э. в Риме вышла работа архитектора-неудачника Марка Витрувия Поллио „Десять книг об архитектуре“, посвящённая императору Цезарю. В восьмой книге речь идёт о воде — архитектура тогда считалась всеобъемлющей наукой, требующей широкого кругозора. Кроме рекомендаций, как найти воду в обычных условиях, как строить акведуки и канализационные системы, автор изложил теорию круговорота воды в природе, очень близкую к современной. Следуя Гиппократу и Аристотелю, он полагал, что испаряются только самые лёгкие, разреженные частицы воды, а также утверждал, что горные долины получают больше осадков и снег задерживается там благодаря густым лесам, а при его таянии воды „просачиваются глубоко сквозь жилы земли и достигают самого подножия гор, откуда, изливаясь, выбиваются струи родников“. Природа горячих источников, по мнению Витрувия, состояла в том, что в недрах земли огонь, воспламеняя квасцы, горную смолу или серу, „разгорячает землю над ними“ и нагревает протекающую поблизости подземную воду. Наконец, когда облака наталкиваются на горы, то вследствие удара и „по причине полноты и тяжести“ облаков выпадают осадки, питающие реки. При этом в горах осадков бывает больше, чем на равнинах.
Древнеримского поэта Тита Лукреция Кара музы вдохновляли не только на прекрасные строки — он был и талантливым естествоиспытателем. В поэме „О природе вещей“ („De rerum natura“) он в стихотворной форме тонко заметил, что влага под влиянием солнечного жара особенно интенсивно поднимается с поверхности моря. Облака накапливают её подобно шерстяному руну, впитывающему росу.
Тучи, собравшись „большою толпою“, изливаются на землю дождём, „словно бы топится воск над огнём и стекает по каплям“. На втором этапе гидрологического цикла, по мнению поэта:
Морская вода проникает сквозь
почву, и жидкость
В землю сочится назад,
стекая к источникам водным,
После чего по земле возвращается
пресным потоком
Там, где дорогу для волн
она влажной пятою пробила.
Таким образом, причина образования рек, по Кару, состоит не в атмосферных осадках, а в инфильтрации морской воды. Они не могут переполнить море, поскольу их объём по сравнению с размерами морей — „не более как капля“.
Воспитатель императора-изверга Нерона философ Луций Анней Сенека в работе „Вопросы природы“ („Quaestiones naturales“) делает вывод о том, что град — это лёд, находящийся в воздухе во взвешенном состоянии, а снег — иней в таком же состоянии. Кроме того, философ категорически отверг дождевое происхождение рек и источников. По этому вопросу он придерживался взглядов Аристотеля (превращение под землёй воздуха и самой земли в воду), а происхождение воды даже не считает нужным обсуждать, так как „она сама является одной из четырёх составных частей природы“.
Наконец, римский писатель, учёный Гай Секунд Плиний Старший, заплативший жизнью за своё любопытство во время извержения Везувия, в монументальном труде „Естественная история“ о происхождении рек и источников писал следующее: „Земля открывает свои недра, и вода пропитывает всю землю изнутри, снаружи, сверху; её жилы расходятся во всех направлениях, как связующие звенья, и достигают самых возвышенных гор; там, подгоняемая воздухом и выталкиваемая тяжестью земли, вода с силой выплёскивается как из трубы“.
В мрачную эпоху Средневековья немногие пытались высказывать своё мнение о природе вод. Только благодаря Леонардо да Винчи учение о круговороте воды в природе получило существенное развитие. По сути дела, он сформулировал основные положения современной концепции гидрологического цикла, но неверно представлял путь воды из океана на вершины гор — не в процессе испарения и переноса с облаками, а по „земным жилам“.
Используя множество высказанных, но нереализованных идей Леонардо да Винчи, в XVI веке в науке о воде отличился Джироламо Кардано: исключив огонь, он упростил структуру Вселенной до трёх элементов. По его мнению, причина образования подземных вод — их просачивание с поверхности и конденсация подземного пара, который получается из-за нагрева просочившихся вод жаром горящего в недрах земли асфальта. Но в это же время работали и сторонник идей Аристотеля — Георг Агрикола, а также Бернар Палисси, не веривший, что в недрах земли воздух превращается в воду. Он был уверен, что „ручьи, спускающиеся с гор, не очень велики, они постепенно увеличиваются в размерах и умножаются в числе благодаря помощи со всех сторон…“. Наконец, в 1569 году профессор из Орлеана Жак Бессон практически верно сформулировал суть гидрологического цикла, заключив при этом, что „морская вода солёная с самого момента своего сотворения, а значит, никакое объяснение здесь не нужно!“
В следующем веке монах-иезуит Атанасиус Кирхер в книге „Подземный мир“ (1656) изложил теорию вулканизма и циркуляции подземных вод, а также предложил очередную модель круговорота воды в природе. Согласно ей, в недра земли (пустоты, рассеянные в коре) вода поступает со дна океанов через воронки, образуя при этом на морской поверхности огромные круговороты. Далее из пустот она под давлением земли выносится реками обратно в море.
Сущность и значение большого круговорота воды в природе впервые понял знаменитый английский астроном Эдмунд Галлей, дав ему название „Великое явление природы“. Но только в конце XIX века австрийский геолог Эдуард Фридрих Зюсс верно объяснил происхождение подземных вод выделением их из расплавленной магмы.
Наконец, в работе выдающегося русского климатолога и географа А.И. Воейкова „Климаты земного шара“ было сформулировано основное положение о природе речных вод: „При прочих равных условиях, страна будет тем богаче текучими водами, чем обильнее осадки и чем менее испарение как с поверхности почвы и вод, так и растений. Таким образом, реки можно рассматривать как продукт климата“.
Великое явление природы
Трудно не заметить, что в ходе развития представлений о природе воды на Земле исследователи были единодушны в одном: эта жидкость обладает удивительным даром настоящего географа, постоянно путешествует или совершает глобальный круговорот. Согласно современным представлениям, вода путешествует по четырём основным направлениям: испарение с поверхности суши и океана, влагоперенос в атмосфере, атмосферные осадки и влагоперенос на суше — сток речных, поверхностных, подземных вод.
Продолжительность полного цикла в системе „океан-атмосфера“, если его рассматривать как отношение объёма воды в Мировом океане к скорости испарения с его поверхности, составляет 4000 лет. Если бы вдруг в течение года Мировой океан не получал пресную воду в виде осадков и континентального стока, то за это время в результате испарения его уровень мог бы снизиться более чем на один метр. С поверхности океанов влаги испаряется в семь раз больше, нежели с поверхности суши, а осадков над океаническими акваториями выпадает в четыре раза больше, чем над материками.
Как мы уже упоминали, запасы воды в мантии и коре Земли, по современным оценкам, в 25 раз превышают её количество в гидросфере планеты. В базальтовых породах мантии, например, содержится 5–7% воды. После её дегазации при вулканической деятельности, выветривании пород, выходе ювенильных вод из рассолов на дне океана в гидросферу может попасть до 7% воды из недр планеты (эти воды так и называют — эндогенные воды). При этом предполагают, что столько же воды должно пропадать в результате фотолиза — разложения в высоких слоях атмосферы молекул воды под действием солнечного излучения на более тяжёлые молекулы кислорода, возвращающиеся в атмосферу, и лёгкие молекулы водорода, уходящие в космос. Таким образом, ещё в середине XX века были высказаны предположения о том, что наша планета представляет собой не замкнутую, а открытую термодинамическую систему.
С позиций альтернативной гипотезы замкнутого гидрологического цикла, причина наблюдаемого сегодня роста уровня Мирового океана со скоростью 1,5 мм/год, или ежегодного увеличения объёма его вод на 540 км3 (более двух годовых стоков Дуная), состоит в сокращении водных запасов континентов: 67% — вследствие уменьшения массы ледников, 22% — за счёт падения уровня подземных вод и 10% — за счёт сокращения объёма вод бессточных озёр.
Однако уже в конце 1980-х годов были обработаны новые результаты многолетнего морского глубоководного бурения (1968–1989 гг.) американского судна „Гломар Челенджер“ (600 скважин): в осадках и базальтах дна Атлантического, Индийского и Тихого океанов найдены разновозрастные (от 140 до 5 млн. лет) образования на глубинах 300–1000 м ниже дна, или на 1800–5000 м ниже уровня моря (186 скважин), характерные только для мелководных районов океана. Некоторые исследователи считают это открытие бесспорным свидетельством грандиозного опускания дна океанов за прошедшие 70–140 млн. лет. Его рассчитанная скорость составила 0,605 мм/год, а так как катастрофического осушения континентов за это время не произошло, то есть основания полагать, что в рассмотренный период такой же была и скорость поступления эндогенных вод. Таким образом, получается, что за последние 60 млн. лет на поверхность планеты из её недр поступило 2,2 млрд. км3 воды. Из них 0,1 млрд. км3 ушёл на увлажнение морских осадков и биосферы, а 0,5 млрд. км3 — разница с современным объёмом гидросферы — утрачена при фотолизе, скорость которого, как полагает автор гипотезы океанизации Земли В.В. Орлёнок, составляет 7,2 км3/год.
В рамках гипотезы открытого гидрологического цикла, современный рост уровня вод Мирового океана связан не только с таянием снегов и ледников из-за потепления климата — оно даёт прирост уровня лишь 0,7 мм/год, но и с эндогенным поступлением воды в виде продуков вулканизма и в других формах (0,78 мм/год, или 370 км3). Этот фактор, будучи по величине годового вклада в круговорот воды весьма незначительным, в геологическом масштабе времени всё же определяет направление эволюции земной гидросферы. Таким образом, есть надежда, что гипотетический новый „Всемирный потоп“ на Земле в результате глобального потепления в ближайшее время нереален.
Прежде чем рассуждать о воде на Земле, обратимся к легенде о сотворении мироздания, которую поэты Древнего Египта сочинили пять тысяч лет назад. Согласно неё, задолго до появления неба и земли Вселенная, погружённая в густой мрак, была наполнена первичной водой. Этот океан назывался Нун, и он был холоден, мрачен и неподвижен, пока в один прекрасный день из его пучины не вышел могущественный бог Атун, сумевший создать сам себя из воды. Убедившись, что вокруг в буквальном смысле слова некуда ступить, а бездна тянет назад, новоиспечённое божество быстренько воспарило над океанской поверхностью и соорудило первый в будущем сухопутном мире холм Бен-Бен. Сидя в одиночестве на его вершине, Атун принял мудрое решение создать себе парочку детей. Так появились на свет бог ветра Шу, чтобы океан больше не замирал, и богиня дождя Тефнут, чтобы океан не иссякал и был управляем.
Новорождённые боги, как любые дети, оказались непоседами и мгновенно куда-то запропастились. Расстроенный родитель в отчаянии вырвал себе глаз и отправил его в океан Нун искать сорванцов. Поиск длился долгие столетия. За это время Атун создал себе новый орган зрения, но тут неожиданно появился старый в сопровождении найденных Шу и Тефнут. Убедившись, что его место занято, обиженный глаз обвинил Атуна в неблагодарности и потребовал сатисфакции. Счастливый папаша был готов на всё и предложил бездомному глазу место на лбу, но тот отказался и превратился в кобру, чтобы отомстить Атуну. Однако такой манёвр не испугал творца Мира, он спокойно взял разгневанную рептилию в руки и посадил себе на лоб. С тех пор глаз-змея украшает короны богов и фараонов Египта.
Далее дела на планете пошли как по маслу. Из вод океана Нун вырос прекрасный лотос, из его бутона вылетел бог солнца Ра с золотым диском над головой. Мир наконец-то наполнился живительным светом. Увидев Атуна и его очаровательных детишек, сентиментальный Ра заплакал от радости, и из его слёз, долетевших до земли, возникли люди.
В скором времени Шу и Тефнут поженились, и у них родились детки: бог земли Геб и богиня неба Нут, безумно любившие друг друга. Они даже появились на свет крепко обнявшись, поэтому в начале творения небо и земля были одним целым. Но богиня неба Нут оказалась очень прожорливой, предпочитая при этом закусывать своими детьми — звёздами, что возмутило Геба. Между супругами пошли нелады. Этим воспользовался папаша Шу: он вмешался в скандал в виде урагана, поднятого во всей Вселенной, и разрушил семью. После отделения неба от земли в океане Нун возникли острова и материки с горными хребтами, с которых потекли реки, а люди разбежались по сторонам с холма Бен-Бен и расселились по всему миру. Вот так-то! И как любил отмечать Аристотель в конце каждого своего произведения: „Kai para tauta uden“ — „А за этим больше ничего“.
Кругом вода
Вода Земли имеет внутрипланетарную природу. По оценкам отечественных и американских учёных, сделанных в 1950–1970-х годах, основная масса нынешней гидросферы сформировалась к началу палеозоя (570 млн. лет назад), но постоянный приток мантийных вод продолжается и ныне со скоростью 1 мм в 1000 лет. Сегодня общее количество воды в воздухе, на поверхности планеты и в её коре составляет, по оценкам разных авторов, от 2420 до 2720 млн. км3. Верхняя граница гидросферы располагается на высоте около 300 км и практически совпадает с верхней границей атмосферы. Вода здесь находится в виде пара, капельно-жидкой влаги (то есть облаков) и кристаллов льда. Запас влаги в атмосфере (0,013 млн. км3) составляет всего 0,0005% от её общего количества в гидросфере. Впрочем, легко плывущие по небу пушистые белые облака нельзя назвать невесомыми: один кубический километр этого „пуха“ содержит 2000 тонн чистейшей природной водицы!
Вода: в небе, на земле, под землёй:
По данным различных авторов, ежегодно во влагообмене на нашей планете участвует от 517 до 577 тыс. км3 воды — всего 0,04% от её общих запасов. При этом с поверхности морей и океанов испаряется 456–505, а с поверхности суши — 62–72 тыс. км3 воды. В виде осадков в океан возвращается 412–458, на сушу — 106–119 тыс. км3 влаги. Подземным путём (2,4 тыс. км3), из ледников (0,3 тыс. км3) и по рекам океан получает ещё 44–47 тыс. км3 воды в год.
Континентальный и морской круговороты обеспечивают довольно быстрое возобновление запаса пресных вод: в атмосфере — за 8 дней, в реках — за 10–20 дней, озёрах — за 7–10 лет, в почве — за год. В океанах вода обновляется за 3000 лет, а для воды, законсервированной в ледниках, цикл занимает 8–16 тысяч лет. Подземные воды в зоне активного водообмена (на глубине 0,3–0,5 км) обновляются за тысячи лет, в зоне замедленного водообмена (до 1,5–2 км) — за десятки и сотни тысяч лет, а глубже 2–5 км, в зоне пассивного водообмена, — за миллионы лет.
В Мировом океане содержится 1370 млн. км3, а в реках 50 тыс. км3, озёрах 176–275 тыс. км3, болотах 12 тыс. км3, водохранилищах 6 тыс. км3 — всего около 0,5 млн. км3 воды.
В морских льдах, материковых ледниках и снеге запасено 35,3 млн. км3. Суммарный ледниковый сток в океан составляет 3850 км3 в год, из них 76% дают отколовшиеся айсберги, а остальное — поверхностное и донное таяние. Суммарная площадь ледников и ледниковых покровов Земли — 16 млн. км2, или 11% поверхности всей суши (149 млн. км2). Из них 87% — площадь ледников Антарктиды (около 14 млн. км2), чуть менее 13% занимают ледники Северной Америки и Гренландии (2 млн. км2) и доли процентов достаются ледникам, покрывающим Исландию, Землю Франца-Иосифа, Новую Землю, острова Канадского Арктического архипелага, Скандинавию.
Общий объём современного обледенения континентов составляет 25,8 млн. км3, из которых 23,3 сосредоточено в Антарктиде, 2,4 млн. км3 — в Северной Америке и Гренландии. Около 1% объёма приходится на долю ледников Арктики и горно-долинных ледников остальных континентов. Меньше всего ледников в Океании (550 км3) и Африке (6 км3).
Поверхностные воды Земли, общим объёмом 1,45 млрд. км3, располагаются от максимальных глубин океана (Тихий океан, Марианский желоб, 11 022 м) до максимальных высот высокогорных снегов (Большие Гималаи, Эверест, 8848 м).
Немалая часть гидросферы находится в земле — это грунтовые (до глубины 0,1 км) и поровые (до 1,5–2 км) воды земной коры (66–100 млн. км3), которые пополняются за счёт поверхностных вод и вод атмосферы. На глубинах более 5–10 км начинается загадочное царство сверхкритической воды (подробный рассказ о которой будет в одном из следующих материалов этой рубрики. — Примеч. ред.), имеющей эндогенное происхождение.
Ещё в 1942 году В.И. Вернадский совершенно справедливо полагал, что общий объём вод в земной коре (в том числе, и в связанном состоянии — в минералах) сопоставим с объёмом вод всего Мирового океана. Земные недра до глубин 20–25 км по разным оценкам содержат 1–1,3 млрд. км3 влаги, а в слое 25–70 км её не менее 0,6 млрд. ;км3. Кроме того, в мантии Земли до глубин 2700 км может быть сосредоточено ещё 28 млрд. км3 воды.
Полагают, что на больших глубинах (до 60 км, а под зонами разломов в океане — до 100 км) вода из мантии поступает в астеносферу в виде летучих гидридов щелочных металлов и легкоплавких силикатов, которые затем дегидратируются в пары воды и задерживаются в зонах океанических разломов. Так в природе формируется подстилающая „дренажная оболочка“ — нижняя граница гидросферы, которая располагается глубоко в недрах нашей планеты. Мощность её под материками достигает 12–15 км, а под океанами — 3–5 км. По расчётам, под каждым квадратным метром суши содержится от 300 до 700 тонн водных растворов и пара, а под квадратным метром океана — в два-три раза меньше.
Как искали правду о воде
Над нашей планетой влага оказывается в результате глобального круговорота, который происходит под влиянием солнечной радиации и силы тяжести. Но для того чтобы в конце XIX века прийти к такому заключению, человеку понадобились многие тысячелетия. Путь этот был нелёгок. Гений античной мысли Аристотель, понимая несовершенство многих своих теорий, замечал: „Искать истину — и легко, и трудно, ибо очевидно, что никто не может ни целиком её постигнуть, ни полностью её не заметить, но каждый добавляет понемногу к нашему познанию природы, и из совокупности всех этих фактов складывается величественная картина“.
Так или иначе, но историки считают, что первый греческий астроном и математик, мудрец Фалес Милетский, основатель Ионийской школы философов, наслушавшись египетских жрецов и начитавшись Гомера, пришёл к выводу о том, что „Земля плавает на воде“ и „вода есть вещество изначальное, а следовательно, составляет материальную основу всех вещей“. Ему вторит Гераклит Эфесский — „Первое начало и сущность всего — вода. Нельзя дважды войти в одну и ту же реку, потому что тебя будут омывать всё новые и новые воды“.
Древние греки догадывались о существовании гидрологического цикла — именно им принадлежит концепция круговорота воды в природе, причём по мере накопления знаний она постоянно развивалась. Как утверждал Анаксимандр из Милета, осадки выпадают потому, что солнце вытягивает влагу из земли. Анаксимен полагал, что град возникает, когда дождь замерзает на лету, а снег — когда воздух попадает внутрь дождевой капли. Кроме того, этот учёный муж впервые высказал совершенно справедливую гипотезу о том, что чем вода горячее, тем она разрежённее, и наоборот — более холодная вода более плотная.
Аристотель в трактате „Метеорология“ пошёл значительно дальше: „Мы всегда ясно видим, что вода, поднявшаяся в воздух, опускается снова. Даже если то же самое количество не возвратится в течение года и именно в этой стране, то через определённый срок всё, что было унесено вверх, будет возвращено“. Ученик Аристотеля Теофраст, развивая идеи учителя, ближе всех подошёл к тайнам гидрологического цикла. Он полагал, что когда облака попадают в холод, то мельчайшие капельки воды, из которых они состоят вперемешку с воздухом, замерзают, и вместо дождя идёт снег. Пар отделяется от поверхности воды под действием ветра (!). И при этом — очередная наивность: „Есть только одна причина дождя, а именно — давление облаков на гору“.
В отличие от греческих учёных-теоретиков, увлекавшихся объяснениями явлений природы, связанных с водой, представители римской цивилизации были в большей степени „инженерами-практиками“ и предпочитали изящным теориям строительство не менее изящных, но реальных гидротехнических сооружений — акведуков, трубопроводов, портов. В плане же научных концепций римляне по сравнению с греками были явно не на высоте.
Тем не менее между 27 и 17 гг. до н. э. в Риме вышла работа архитектора-неудачника Марка Витрувия Поллио „Десять книг об архитектуре“, посвящённая императору Цезарю. В восьмой книге речь идёт о воде — архитектура тогда считалась всеобъемлющей наукой, требующей широкого кругозора. Кроме рекомендаций, как найти воду в обычных условиях, как строить акведуки и канализационные системы, автор изложил теорию круговорота воды в природе, очень близкую к современной. Следуя Гиппократу и Аристотелю, он полагал, что испаряются только самые лёгкие, разреженные частицы воды, а также утверждал, что горные долины получают больше осадков и снег задерживается там благодаря густым лесам, а при его таянии воды „просачиваются глубоко сквозь жилы земли и достигают самого подножия гор, откуда, изливаясь, выбиваются струи родников“. Природа горячих источников, по мнению Витрувия, состояла в том, что в недрах земли огонь, воспламеняя квасцы, горную смолу или серу, „разгорячает землю над ними“ и нагревает протекающую поблизости подземную воду. Наконец, когда облака наталкиваются на горы, то вследствие удара и „по причине полноты и тяжести“ облаков выпадают осадки, питающие реки. При этом в горах осадков бывает больше, чем на равнинах.
Древнеримского поэта Тита Лукреция Кара музы вдохновляли не только на прекрасные строки — он был и талантливым естествоиспытателем. В поэме „О природе вещей“ („De rerum natura“) он в стихотворной форме тонко заметил, что влага под влиянием солнечного жара особенно интенсивно поднимается с поверхности моря. Облака накапливают её подобно шерстяному руну, впитывающему росу.
Тучи, собравшись „большою толпою“, изливаются на землю дождём, „словно бы топится воск над огнём и стекает по каплям“. На втором этапе гидрологического цикла, по мнению поэта:
Морская вода проникает сквозь
почву, и жидкость
В землю сочится назад,
стекая к источникам водным,
После чего по земле возвращается
пресным потоком
Там, где дорогу для волн
она влажной пятою пробила.
Таким образом, причина образования рек, по Кару, состоит не в атмосферных осадках, а в инфильтрации морской воды. Они не могут переполнить море, поскольу их объём по сравнению с размерами морей — „не более как капля“.
Воспитатель императора-изверга Нерона философ Луций Анней Сенека в работе „Вопросы природы“ („Quaestiones naturales“) делает вывод о том, что град — это лёд, находящийся в воздухе во взвешенном состоянии, а снег — иней в таком же состоянии. Кроме того, философ категорически отверг дождевое происхождение рек и источников. По этому вопросу он придерживался взглядов Аристотеля (превращение под землёй воздуха и самой земли в воду), а происхождение воды даже не считает нужным обсуждать, так как „она сама является одной из четырёх составных частей природы“.
Наконец, римский писатель, учёный Гай Секунд Плиний Старший, заплативший жизнью за своё любопытство во время извержения Везувия, в монументальном труде „Естественная история“ о происхождении рек и источников писал следующее: „Земля открывает свои недра, и вода пропитывает всю землю изнутри, снаружи, сверху; её жилы расходятся во всех направлениях, как связующие звенья, и достигают самых возвышенных гор; там, подгоняемая воздухом и выталкиваемая тяжестью земли, вода с силой выплёскивается как из трубы“.
В мрачную эпоху Средневековья немногие пытались высказывать своё мнение о природе вод. Только благодаря Леонардо да Винчи учение о круговороте воды в природе получило существенное развитие. По сути дела, он сформулировал основные положения современной концепции гидрологического цикла, но неверно представлял путь воды из океана на вершины гор — не в процессе испарения и переноса с облаками, а по „земным жилам“.
Используя множество высказанных, но нереализованных идей Леонардо да Винчи, в XVI веке в науке о воде отличился Джироламо Кардано: исключив огонь, он упростил структуру Вселенной до трёх элементов. По его мнению, причина образования подземных вод — их просачивание с поверхности и конденсация подземного пара, который получается из-за нагрева просочившихся вод жаром горящего в недрах земли асфальта. Но в это же время работали и сторонник идей Аристотеля — Георг Агрикола, а также Бернар Палисси, не веривший, что в недрах земли воздух превращается в воду. Он был уверен, что „ручьи, спускающиеся с гор, не очень велики, они постепенно увеличиваются в размерах и умножаются в числе благодаря помощи со всех сторон…“. Наконец, в 1569 году профессор из Орлеана Жак Бессон практически верно сформулировал суть гидрологического цикла, заключив при этом, что „морская вода солёная с самого момента своего сотворения, а значит, никакое объяснение здесь не нужно!“
В следующем веке монах-иезуит Атанасиус Кирхер в книге „Подземный мир“ (1656) изложил теорию вулканизма и циркуляции подземных вод, а также предложил очередную модель круговорота воды в природе. Согласно ей, в недра земли (пустоты, рассеянные в коре) вода поступает со дна океанов через воронки, образуя при этом на морской поверхности огромные круговороты. Далее из пустот она под давлением земли выносится реками обратно в море.
Сущность и значение большого круговорота воды в природе впервые понял знаменитый английский астроном Эдмунд Галлей, дав ему название „Великое явление природы“. Но только в конце XIX века австрийский геолог Эдуард Фридрих Зюсс верно объяснил происхождение подземных вод выделением их из расплавленной магмы.
Наконец, в работе выдающегося русского климатолога и географа А.И. Воейкова „Климаты земного шара“ было сформулировано основное положение о природе речных вод: „При прочих равных условиях, страна будет тем богаче текучими водами, чем обильнее осадки и чем менее испарение как с поверхности почвы и вод, так и растений. Таким образом, реки можно рассматривать как продукт климата“.
Великое явление природы
Трудно не заметить, что в ходе развития представлений о природе воды на Земле исследователи были единодушны в одном: эта жидкость обладает удивительным даром настоящего географа, постоянно путешествует или совершает глобальный круговорот. Согласно современным представлениям, вода путешествует по четырём основным направлениям: испарение с поверхности суши и океана, влагоперенос в атмосфере, атмосферные осадки и влагоперенос на суше — сток речных, поверхностных, подземных вод.
Продолжительность полного цикла в системе „океан-атмосфера“, если его рассматривать как отношение объёма воды в Мировом океане к скорости испарения с его поверхности, составляет 4000 лет. Если бы вдруг в течение года Мировой океан не получал пресную воду в виде осадков и континентального стока, то за это время в результате испарения его уровень мог бы снизиться более чем на один метр. С поверхности океанов влаги испаряется в семь раз больше, нежели с поверхности суши, а осадков над океаническими акваториями выпадает в четыре раза больше, чем над материками.
Как мы уже упоминали, запасы воды в мантии и коре Земли, по современным оценкам, в 25 раз превышают её количество в гидросфере планеты. В базальтовых породах мантии, например, содержится 5–7% воды. После её дегазации при вулканической деятельности, выветривании пород, выходе ювенильных вод из рассолов на дне океана в гидросферу может попасть до 7% воды из недр планеты (эти воды так и называют — эндогенные воды). При этом предполагают, что столько же воды должно пропадать в результате фотолиза — разложения в высоких слоях атмосферы молекул воды под действием солнечного излучения на более тяжёлые молекулы кислорода, возвращающиеся в атмосферу, и лёгкие молекулы водорода, уходящие в космос. Таким образом, ещё в середине XX века были высказаны предположения о том, что наша планета представляет собой не замкнутую, а открытую термодинамическую систему.
С позиций альтернативной гипотезы замкнутого гидрологического цикла, причина наблюдаемого сегодня роста уровня Мирового океана со скоростью 1,5 мм/год, или ежегодного увеличения объёма его вод на 540 км3 (более двух годовых стоков Дуная), состоит в сокращении водных запасов континентов: 67% — вследствие уменьшения массы ледников, 22% — за счёт падения уровня подземных вод и 10% — за счёт сокращения объёма вод бессточных озёр.
Однако уже в конце 1980-х годов были обработаны новые результаты многолетнего морского глубоководного бурения (1968–1989 гг.) американского судна „Гломар Челенджер“ (600 скважин): в осадках и базальтах дна Атлантического, Индийского и Тихого океанов найдены разновозрастные (от 140 до 5 млн. лет) образования на глубинах 300–1000 м ниже дна, или на 1800–5000 м ниже уровня моря (186 скважин), характерные только для мелководных районов океана. Некоторые исследователи считают это открытие бесспорным свидетельством грандиозного опускания дна океанов за прошедшие 70–140 млн. лет. Его рассчитанная скорость составила 0,605 мм/год, а так как катастрофического осушения континентов за это время не произошло, то есть основания полагать, что в рассмотренный период такой же была и скорость поступления эндогенных вод. Таким образом, получается, что за последние 60 млн. лет на поверхность планеты из её недр поступило 2,2 млрд. км3 воды. Из них 0,1 млрд. км3 ушёл на увлажнение морских осадков и биосферы, а 0,5 млрд. км3 — разница с современным объёмом гидросферы — утрачена при фотолизе, скорость которого, как полагает автор гипотезы океанизации Земли В.В. Орлёнок, составляет 7,2 км3/год.
В рамках гипотезы открытого гидрологического цикла, современный рост уровня вод Мирового океана связан не только с таянием снегов и ледников из-за потепления климата — оно даёт прирост уровня лишь 0,7 мм/год, но и с эндогенным поступлением воды в виде продуков вулканизма и в других формах (0,78 мм/год, или 370 км3). Этот фактор, будучи по величине годового вклада в круговорот воды весьма незначительным, в геологическом масштабе времени всё же определяет направление эволюции земной гидросферы. Таким образом, есть надежда, что гипотетический новый „Всемирный потоп“ на Земле в результате глобального потепления в ближайшее время нереален.
Обсуждения Сок жизни