Тарасов В.И. "Гидросфера": Учебное пособие.

Уссурийский госпединститут, 2004 г.

В книге изложено современное представление о гидросфере. Показаны ее основные свойства. Рассмотрены отдельные части гидросферы.

Учебное пособие полностью соответствует программе курса "Общее землеведение" и может быть полезно не только студентам, но и учителям географии и биологии.

Предисловие

Глава I. Общие сведения о гидросфере

1.1. Происхождение и формирование гидросферы

1.2. Важнейшие свойства природных вод

1.3. Круговорот воды на Земле

2.7. Структура и водные массы Мирового океана

2.8. Океан как среда жизни

2.9. Природные ресурсы океана

3.1. Подземные воды

3.1.1 Виды подземных вод

3.1.2. Классификация подземных вод по условиям залегания в земной коре

Приложение 6.

Предисловие

Учебное пособие “Гидросфера” является частью курса “Общее землеведение”, изучаемого на географических факультетах педагогических институтов. По своей сути “Общее землеведение” представляет собой теоретический фундамент всех физико-географических дисциплин, и поэтому постановка этого курса в вузе в значительной мере определяет результаты всего последующего обучения студентов.

Учебное пособие полностью соответствует программе курса “Общее землеведение” и может быть полезно не только студентам, но и учителям.

Понятие “гидросфера” постоянно трансформировалось. В настоящее время гидросферой принято называть водную оболочку Земли, включающую всю несвязанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную. Нижняя граница гидросферы принимается на уровне поверхности мантии (поверхности Мохоровичича), а верхняя проходит в верхних слоях атмосферы. Гидросфера включает в себя Мировой океан, воды суши — реки, озера, болота, ледники — атмосферную влагу, а также подземные воды, залегающие всюду на материках, на дне озерных и морских впадин и под толщей вечных льдов.

Таблица 1. Мировые запасы воды

Вода — одно из самых удивительных соединений на Земле — давно уже поражает исследователей необычностью многих своих физических свойств.

Только вода в нормальных земных условиях может находиться в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. Это обеспечивает вездесущность воды, она пронизывает всю географическую оболочку Земли и производит в ней разнообразную работу.

Переход воды из одного состояния в другое сопровождается затратами (испарение, таяние) или выделением (конденсация, замерзание) соответствующего количества тепла. На таяние 1 г льда необходимо затратить 677 кал, на испарение 1 г воды — на 80 кал меньше. Высокая скрытая теплота плавления льда обеспечивает медленное таяние снега и льда.

Вода — универсальный растворитель, поэтому в природе не бывает химически чистой воды. Эта способность воды обеспечивает перенос веществ в географической оболочке, лежит в основе обмена веществами между организмами и средой, в основе питания.

Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое высокое поверхностное натяжение и поверхностное давление. В силу этого капля воды стремится принять форму шара, а при соприкосновении с твердыми телами смачивает поверхность большинства из них. Именно поэтому она может подниматься вверх по капиллярам горных пород и растений, обеспечивая почвообразование и питание растений.

Вода обладает высокой термической устойчивостью. Водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород только при температуре выше 1000° С.

Химически чистая вода является очень плохим проводником электричества. Вследствие малой сжимаемости в воде хорошо распространяются звуковые и ультразвуковые волны.

Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и температуры. Так, при росте давления температура кипения воды повышается, а температура замерзания, наоборот, понижается. С повышением температуры уменьшаются поверхностное натяжение, плотность и вязкость воды и возрастают электропроводность и скорость звука в воде.

Существование неопределенных электронных пар определяет возможность образования двух водородных связей. Еще две связи возникают за счет двух водородных атомов. Вследствие этого каждая молекула воды в состоянии образовать четыре водородные связи.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей. Этим объясняется высокая теплоемкость воды.

Водородные связи между молекулами воды полностью разрушаются при переходе воды в пар.

Удивительные свойства воды позволили возникнуть и развиться жизни на Земле. Благодаря им вода может играть незаменимую роль во всех процессах, совершающихся в географической оболочке.

Большой круговорот воды на Земле можно представить следующим образом. Вода, испарившаяся с поверхности Мирового океана, переносится воздушными потоками на сушу, выпадает на нее в виде осадков и частично стекает обратно в Мировой океан, частично аккумулируется в области внутреннего стока, обычно в крупных бессточных озерах. Испаряясь с поверхности этих озер, влага в общем потоке водяных паров вновь попадает в Мировой океан.

водного баланса будет иметь вид:

,

Таблица 2. Периоды возобновления запасов воды на Земле

Мировой.океан 2500 лет

Подземные воды 1400 лет

Почвенная влага 1 год

Полярные ледники и постоянно залегающий

снежный покров 9700 лет

Ледники горных районов 1600 лет

Подземные льды зоны многолетней мерзлоты 10 000 лет

Запасы воды в озерах 17 лет

Воды болот 5 лет

Воды в руслах рек 16 дней

Биологическая вода несколько часов

Атмосферная влага 8 дней

Некоторые элементы круговорота воды поддаются управлению человеком. Искусственное воздействие на процессы влагообмена в подземном слое воздуха применяют довольно широко: накопление воды в водохранилищах; уменьшение (увеличение) испарения; искусственное вызывание дождя; меры, способствующие задержанию воды (создание лесонасаждений, воздействие на почву) и т.д. Цель таких преобразований круговорота воды — сделать водные ресурсы доступными для хозяйственного использования, направить воду туда, где она более необходима. Однако следует иметь в виду, что вторжение в природу должно быть минимальным, так как гидросфера едина и всякое изменение ее в одном месте обязательно приводит к изменениям в других.

Условно Мировой океан разделяют на более или менее самостоятельные крупные части — океаны, сообщающиеся между собой.. Впервые деление Мирового океана на части было выполнено в 1650 году, голландским ученым Б.Варениусом. Он выделил пять океанов Северный Ледовитый, Атлантический, Тихий, Индийский и Южный. Этого деления придерживаются и сейчас во многих странах мира. В Советском Союзе согласно классификации, принятой для Атласа Океанов, выделяют четыре океана, Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый (табл.3). Существование Южного океана, с учетом физических, химических, биологических и динамических особенностей южных частей Индийского, Атлантического и Тихого океанов, многими советскими учеными признается. Однако в действующую у нас классификацию океанов он не внесен из-за недостаточной изученности и неопределенности границ.

Каждый океан имеет свои ответвления — моря и заливы.

Морем называется часть океана, так или иначе ограниченная берегами материков, островами и повышениями дна (порогами), отличающаяся от соседних частей особенностями физических и химических свойств, экологических условий, а также характером течений и приливов.

По морфологическим и гидрологическим признакам моря подразделяются на окраинные, средиземные (внутриматериковые и межматериковые) и межостровные.

Та б л и ц а 3 Основные морфометрические характеристики океанов

Моря, приуроченные к материковым отмелям (шельфовые моря), мелководные. Например, максимальная глубина Желтого моря 106 м. Моря, расположенные в переходных зонах, имеют глубины до 3500—4000 м (Берингово, Охотское, Японское).

Средиземные моря глубоко вдаются в сушу и с океаном соединяются одним или несколькими сравнительно узкими проливами. Некоторая обособленность средиземных морей, затрудненность их водообмена с океаном сформировали особый гидрологический режим этих морей, отличный от океанического.

Внутриматериковые моря оконтурены берегами одного и того же материка (Балтийское, Белое, Черное и др.) и лежат на участках с материковой корой. Обычно мелководны. Например, наибольшая глубина Балтийского моря 470 м, Белого — 350 м, Азовского — 13 м.

Межостровные моря отделяются от океана более или менее тесным кольцом отдельных островов или островными дугами (Филиппинское, Фиджи, Банда, Сулу и др.). К межостровным морям относят и Саргассово море, не имеющее выраженных границ, но обладающее ярко выраженным специфическим гидрологическим режимом и особыми видами животных и растительных форм.

Заливы — части океана (моря), вдающиеся в сушу, но не отделенные от него подводным порогом. В зависимости от происхождения, строения берегов и формы заливы имеют различные, зачастую местные названия: фьорды, бухты, лагуны, лиманы, губы.

Исторически сложилось, и это надо учитывать, что некоторые моря отнесены к заливам (Персидский, Мексиканский, Бенгальский, Гудзонов), а заливы — к морям, хотя по своему режиму должны быть названы заливами (море Бофорта, море Линкольна и др.).

2) колебания уровня, вызванные изменением атмосферного давления. При повышении атмосферного давления на 1 мб уровень моря понижается на 10 мм и наоборот;

3) колебания уровня вследствие неравномерностей в процесс влагооборота. Кратковременные резкие подъемы уровня моря могут вызвать ливневые дожди. Сильное испарение в некоторых районах юдит к значительным понижениям уровня моря;

1. колебания уровня вследствие изменений плотности воды. При увеличении плотности уровень понижается, и наоборот;
2. колебания уровня, вызванные прохождением цунами — огромных волн, образующихся в океанах (морях) под действием подводных землетрясений или вулканических взрывов. Волны цунами имеют длины, измеряемые десятками и сотнями километров, скорости, измеряемые сотнями километров в час, и высоты у берегов, измеряемые несколькими метрами, а иногда и десятками метров.

Так как уровень Мирового океана изменяется непрерывно и неодинаково в разных местах, общая картина его изменений очень сложна, и даже многолетние данные более чем полутора тысяч постов не позволяют вычислить средний уровень океана. Поэтому средние многолетние уровни вычисляют в каждой точке отдельно. Эти уровни являются исходными для определения абсолютных высот и глубин морей. В каждой стране за стандарт принята одна такая точка. В СССР отсчеты глубин и высот ведутся от уровня Финского залива в Кронштадте (нулевой уровень Кронштадского футштока). В Западной Европе все отсчеты производятся от уровня Северного моря.

Теоретически не растворимых в воде веществ не существует,
поэтому в морской воде содержатся почти все элементы таблицы
Менделеева. Правда, некоторые элементы находятся в столь малых
количествах, что их присутствие обнаруживается только в морских
организмах, собирающих эти элементы из окружающей их морской
воды. Таковы, например, кобальт, никель и олово, найденные в
крови голотурий, омаров, устриц и других животных. Присутствие некоторых других элементов доказывается лишь их наличием в морских отложениях.

Для планетарного обмена веществ весьма важно то обстоятельство, что хлористые соединения, преобладающие в морских водах, находятся в реках в очень малом количестве (табл. 4). Напротив, карбонаты, в основном формирующие солевой состав речных вод, почти отсутствуют в океане.

Установлено, что состав веществ (их соотношение), определяющий соленость морской воды, почти одинаков и постоянен во всех точках, как на поверхности, так и на глубинах Мирового океана. При изменении общего количества растворенных солей (солености) их

процентное соотношение не изменяется. Поэтому для определения солености морской воды достаточно измерить количество одного какого-нибудь химического элемента (обычно хлора, как наиболее легко определяемого) и по нему вычислить общую соленость и количество всех остальных элементов. Эмпирическое соотношение между соленостью океанической воды и содержанием хлора выражается формулой:

Число 1,81 носит название хлорного коэффициента.

Некоторые внутриматериковые моря могут иметь несколько отличный солевой состав, и поэтому для них эта формула непригодна и соотношения между солями устанавливаются для каждого моря отдельно.

Распределение солености по вертикали различно в различных широтных зонах. Так, в полярных широтах до глубины 200 м соленость быстро возрастает, затем остается почти неизменной. В умеренных широтах соленость с глубиной изменяется мало. В субтропических — она уменьшается до глубины 1000 м, глубже соленость постоянная. В экваториальных широтах соленость постепенно возрастает, и под слоем поверхностных вод на глубине 100—150 м прослеживается слой высокосоленой воды (выше 36%о), переносимой с запада глубинными противотечениями, питающимися водами, поступающими из тропиков. Глубже этого слоя соленость убывает, а начиная с глубины 1000—1500 м становится почти постоянной.

Следует заметить, что ниже глубин порядка 1500 м соленость остается практически неизменной (34,7—34,9°/оо), а ее изменения по широтным зонам несущественны.

Газы в воде океана. Вода поглощает (растворяет) газы, с которыми она соприкасается. Поэтому в океанической воде содержатся все атмосферные газы, а также газы, приносимые водами рек, выделяющиеся при химических и биологических процессах, при подводных извержениях. Общее количество растворенных в воде газов невелико, но они играют решающую роль в развитии всей органической жизни морей и океанов.

Особое значение имеет кислород. Содержание его изменяется, как и содержание всех других газов, в зависимости от солености и температуры воды, от степени перемешивания поверхностных вод и т.д. Чем выше температура и соленость воды, тем меньше кислорода может в ней раствориться. Поэтому содержание его от экватора к полюсам возрастает

Азот проникает в воду из атмосферы и образуется при распаде органического вещества. Содержание его в воде изменяется мало, так как он плохо вступает в соединения, редко и в небольших количествах потребляется. Только некоторые придонные бактерии превращают его в нитраты и аммиак. Большой роли в океане он не играет.

Углекислый газ, в отличие от кислорода и азота, находится в воде океана в основном в связанном виде, в виде углекислых соединений — карбонатов и бикарбонатов. Запасы углекислоты в океане поддерживаются дыханием организмов и растворением известковых пород дна и берегов, а также современных органогенных отложений (скелетов, раковин и т. д.). Значительные количества углекислого газа поступают в океан при подводных вулканических извержениях. Как и кислород, углекислый газ растворяется быстрее в холодной воде. При повышении температуры вода отдает углекислый газ атмосфере, при понижении — поглощает его, поэтому в тропиках вода выделяет углекислый газ в атмосферу, в полярных широтах, наоборот, углекислый газ из атмосферы поступает в воду.

Растворимость углекислого газа в воде в десятки и сотни раз превышает растворимость кислорода, поэтому океан его содержит в 60 раз больше, чем атмосфера. Расходуется углекислота на фотосинтез растений и на образование организмами скелетов и раковин.

В воде морей количество и распределение газов может быть существенно иным, чем в океанах. На дне некоторых морей при разложении органических веществ и в результате жизнедеятельности микроорганизмов образуется сероводород. Это очень ядовитое вещество. Главное условие его образования — слабое вертикальное перемешивание и, как следствие его, отсутствие кислорода на глубинах. Присутствие сероводорода отмечено в некоторых глубоких фьордах Норвегии, в Каспийском, Черном, Красном и Аравийском морях. Не исключена возможность сероводородного заражения океанов.

Физические свойства дистиллированной воды зависят только от двух параметров: температуры и давления. Физические же свойства морской воды зависят, кроме того, еще и от солености, которая составляет наиболее характерную ее особенность. С соленостью связано наличие таких свойств морской воды, которых нет у дистиллированной (осмотическое давление, электропроводность).

Давление и сжимаемость. Вода значительно плотнее воздуха. Поэтому изменение давления с увеличением глубины в океане происходит гораздо быстрее, чем в атмосфере. На каждые 10 м глубины давление увеличивается на 1 атм. Нетрудно подсчитать, что на глубинах порядка 10 км давление достигает 1 тыс. атм.

Однако воздействие давления воды на живые глубоководные организмы незаметно, так как чрезвычайно мало сжатие воды, т. е. Уменьшение ее удельного веса.

Интересно отметить, что, несмотря на малую сжимаемость морской воды, уровень реального Мирового океана расположен примерно на 30 м ниже того уровня, который он бы занимал при условии несжимаемости воды.

Оптические свойства морской воды. Лучистая энергия Солнца, проникая в толщу воды, рассеивается и поглощается. От степени ее рассеивания и поглощения зависит прозрачность воды. Под прозрачностью воды понимают глубину, на которой белый стандартный диск диаметром 30 см (диск Секки) перестает быть видимым с поверхности моря. В Саргассовом море эта глубина достигает 67 м, в Средиземном — 50 м, в Черном — 25 м, в Азовском — Зм. Прозрачность зависит от содержания взвешенных частиц в морской воде. Поэтому наименьшая прозрачность наблюдается в прибрежной части, особенно после штормов. Значительно уменьшается прозрачность воды в период массового развития планктона, а также во время таяния льдов.

Совокупным действием отражения и рассеивания света в воде обусловливается ее цвет. Поток световой энергии, исходящий из глубин моря, вызывает голубой или синий цвет, который и является собственным цветом чистой воды. Особенности цвета воды каждого моря зависят от содержания в воде взвешенных частиц органического и минерального происхождения, растворенных газов и прочих примесей. Вот почему в наиболее “чистых” тропических водах цвет моря темно-голубой и даже синий, в шельфовых морях — зеленоватый, а в мутных прибрежных морях — имеет желтые оттенки.

Говоря об оптических свойствах морской воды, следует упомянуть и о таких явлениях, как свечение и цветение моря.

Свечение поверхности моря в ночное время объясняется светом, излучаемым морскими организмами (планктоном и особыми видами бактерий)

Цветение моря обусловливается массовым скоплением особей какого-либо вида, способных окрасить поверхность моря в один из цветов: желтый, красный, зеленый и т. д.

Основным источником тепла, получаемого океаном, служит солнечная радиация (прямая и рассеянная). Воды океана получают также тепло при поглощении длинноволнового излучения атмосферы (встречная радиация), часть тепла приносят реки и осадки, выпадающие на поверхность океана. Тепло высвобождается при конденсации влаги, льдообразовании, химико-биологических процессах в толще океана. На температуру глубоких слоев океана влияет внутреннее тепло Земли и адиабатическое нагревание опускающейся воды.

В умеренных широтах южного полушария суши очень мало и широтное распределение температуры (от 0° С на 60° ю. ш. до 10° С на широте 40°) почти не нарушается. В северном полушарии умеренные широты океана несколько теплее, изотерма 10° С доходит в августе до полярного круга. Здесь важную роль играют теплые течения, благодаря которым температура океана выше у восточных берегов.

Средняя температура на поверхности всего Мирового океана равна 17,4° С, т. е. превышает на 3° С среднюю температуру воздуха на земном шаре. Самый теплый океан — Тихий, у которого средняя температура воды на поверхности равна 19,1° С. В Индийском она равна 17,6° С, в Атлантическом — 16,9° С, а в Северном Ледовитом— 0,75° С. Самая низкая температура (—1,7° С) наблюдалась в феврале в Северном Ледовитом океане, самая высокая ( + 32° С) в августе на поверхности Тихого океана. В среднем в году поверхность океана в южном полушарии холоднее, чем в северном за счет охлаждающего воздействия вод Антарктики.

Суточные амплитуды температуры в открытом океане обычно не превышают 1° С. Годовые амплитуды среднемесячных температур в низких и высоких широтах невелики (1° С и 2° С), и только в умеренных широтах они достигают 10° С и более. Суточные и годовые колебания температуры оказывают существенное влияние на химические и биологические процессы в океане.

Температура воды с увеличением глубины понижается. Но процесс этот в разных широтах происходит неодинаково, так как глубина проникновения солнечной радиации в разных зонах неодинакова. Кроме того, на перераспределение тепла в толще океанической воды оказывают влияние адвективные факторы.

В приполярных районах температура воды понижается до глубины 50—100 м. Ниже она растет за счет приноса более теплых и соленых вод из умеренных и субтропических широт, достигая максимума в слое 200—500 м. Под этим слоем температура снова понижается, и на глубине 800 м она равна 0° С. Средняя температура Мирового океана в целом +3,8° С.

В высоких и средних широтах летом под нагретым поверхностным слоем располагается слой резкого скачка температуры — сезонный термоклин. Глубина залегания слоя скачка и величина градиента температуры в нем зависят от интенсивности прогрева поверхностного слоя и перемешивания. В умеренных широтах он обычно располагается на глубинах от 10—16 до 50 м и ниже при значениях вертикального градиента температуры от долей градуса до нескольких градусов на метр.

От экватора до 50—60° С с. и ю. ш. слой скачка на глубинах от 300 до 1000 м существует постоянно (главный термоклин). Так как слой температурного скачка — слой изменения плотности, в нем всегда скапливаются живые организмы. Резко выраженный слой скачка плотности препятствует опусканию взвешенных в воде предметов. Например, подводная лодка может лежать на слое скачка как на грунте, откуда и произошел термин “жидкий грунт”.

Если рассматривать температурный режим не только открытых частей океанов, но и морей, то и здесь ярко проявляется зависимость температуры от широты, хотя влияние суши, водообмен с океаном и другие причины вносят коррективы в эту связь. Самая высокая температура отмечена на поверхности внутриматериковых тропических морей (в Красном море до +32° .С). Самая низкая температура в полярных морях не опускается ниже —2° С.

Вертикальное распределение температуры воды в морях зависит, в первую очередь, от водообмена с соседними частями океана. В морях, отделенных от океана порогом, распределение температур зависит от глубины порога, солености моря, температуры на его поверхности. Так, в Средиземном море температура воды у дна (4400 м) +13° С. Окраинные моря, свободно сообщающиеся с океаном, по характеру распределения температур не отличаются от открытых частей океана.

Ледовый режим Мирового океана определяется тем, что на преобладающей части его площади температура воды в течение всего года выше точки замерзания, поэтому льдообразование наблюдается только в полярных и субполярных широтах. В умеренной зоне лишь очень в немногих, преимущественно мелководных морях на короткое время устанавливается ледовый покров. Значительное отодвигание границы зимнего льдообразования в сторону полюсов определяется также соленостью, поскольку соленая вода замерзает при более низкой температуре, чем пресная.

Пресная вода, как известно, при охлаждении достигает наибольшей плотности при -)-4° С, а начинает замерзать только при 0° С. Процесс замерзания солоноватых вод (до 24,7°/оо) происходит так же, как и в пресной воде: вода сначала достигает температуры наибольшей плотности при данной солености, а затем точки замерзания.

Морской лед по сравнению с пресноводным отличается большой пластичностью и вязкостью, но обладает меньшей прочностью.

В высоких широтах из-за короткого и холодного лета образовавшиеся за зиму льды не успевают растаять полностью, поэтому в этих районах встречаются льды разного возраста — от однолетних до многолетних. Многолетние (квазипостоянные) льды, мощность которых может достигать десять и более метров, называют паковыми.

Кроме собственных морских льдов в океанах и морях встречаются речные и материковые (глетчерные) льды. Речные пресные льды выносятся реками во время ледохода, часто имеют желтоватую окраску, летом тают или вкрапливаются в льды морского происхождения. Материковые льды тоже пресные, голубоватые, обычно большой мощности. Они представляют собой обломки материкового или шельфового льда, сползающие в океан, и называются айсбергами.

Ледяное кольцо вокруг Антарктиды имеет ширину от 280 до '00 миль. Основная масса морских льдов формируется с марта апрель преимущественно в морях Уэддела, Беллинсгаузена Росса, а также вблизи материка.

Мощность ледовых образований на морях, характер и распространение ледяного покрова, а также его продолжительность зависят от температурного и ветрового режима зимы и запаса тепла, накопленного водой в течение весны и лета. Сроки появления льда и замерзания, время вскрытия и очищения ото льда могут для одних и тех же пунктов меняться год от года в значительных пределах.

Наибольшего развития ледяной покров в Арктике достигает в апреле—мае, в Антарктиде — зимой.

Средняя граница льдов в северной части Атлантического океана проходит около 72° с. ш., в южной части она доходит до 50° ю. ш. В Тихоокеанском и Индийском секторах южного полушария она поднимается до 55—60° ю. ш. Далеко за пределы распространения плавучих льдов заходят айсберги. Места зарождения айсбергов: шельфовые ледники Антарктиды, побережье Гренландии, берега Шпицбергена, Земли Франца-Иосифа, Новой Земли, Северной Земли и отдельные острова Канадского архипелага.

Ледовый покров оказывает огромное влияние на климат всей Земли, на жизнь в океане.

Льды в океанах и особенно в морях затрудняют судоходство и морской промысел. Для наблюдения за льдами и изучения их режима организуются специальные ледовые службы. С целью оповещения судов и прогнозирования скорости и направления движения айсбергов создан Международный ледовый патруль.

Одна из главных особенностей Мирового океана — непрерывное движение его вод. Движение вод происходит не только на поверхности, но и в глубинах, вплоть до придонных слоев; перемещение водных масс наблюдается как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Это обеспечивает постоянное перемешивание воды, перераспределение тепла, солей и газов.

Формы движения в океане очень разнообразны: волны и зыбь, течения и приливы, конвективные токи и т. д.

Волны представляют собой периодические колебания частиц воды около положения их равновесия (вверх и вниз от среднего уровня).

Волнение водной поверхности океанов, морей и озер — частный случай ритмических колебательных движений в природе. При движении одной жидкой или газовой массы по другой на плоскости их соприкосновения в результате трения неизбежно возникают волны.

Главная причина волнений на поверхности океана — ветер. При малых скоростях ветра (около 0,25 м/с) от трения воздуха воду возникает рябь — система мелких равномерных волн. Они появляются при каждом порыве ветра и мгновенно затухают. При усилении ветра вода испытывает не только трение, но и удары, и при скорости ветра больше 1,0 м/с устанавливаются ветровые волны.

Волнения могут быть вызваны также резким изменением атмосферного давления (анемобарические волны), землетрясениями, извержениями вулканов (сейсмические волны — цунами), приливообразующими силами (приливные волны). Движущиеся суда создают особые — корабельные волны.

По изменчивости элементов волн во времени выделяют установившиеся волны, которые не изменяют своих элементов, и неустановившиеся, развивающиеся или, наоборот, затухающие, изменяющие свои элементы во времени.

Волны, образованные на поверхности и в самом верхнем слое воды, называются поверхностными в отличие от внутренних волн, возникающих на некоторой глубине и незаметных на поверхности моря.

По перемещению формы волны выделяют волны поступательные, видимая форма которых перемещается в пространстве, и стоячие, видимая форма которых в пространстве не перемещается. На форму волны и скорость ее распространения влияет глубина моря. В связи с этим различают короткие волны, у которых длина волны значительно меньше глубины в месте их распространения, и длинные, у которых, напротив, длина волны значительно больше глубины моря. Волны характеризуются следующими элементами (рис. 4):

гребень — наиболее высокая часть волны, выступающая над уровнем свободной поверхности;

ложбина — часть волны, находящаяся ниже уровня спокойной водной поверхности;

склон волны — часть волны между гребнем и подошвой;

крутизна — угол между ее склоном и горизонтальной плоскостью;

быстрота продвижения волн характеризуется их скоростью и периодом.

Линия, проходящая вдоль гребня волны и перпендикулярная к направлению перемещения волн, называется фронтом волны.

Однако профиль ветровых волн отличается от трохоиды, так как частицы воды под воздействием ветра испытывают не только колебательные, но и поступательные движения. А трохоида может возникнуть лишь при отсутствии поступательного движения. Поэтому вершины ветровых волн заострены, подошвы более тупые, чем у трохоиды.

Размеры ветровых волн находятся в прямой зависимости от скорости ветра, продолжительности его воздействия на водную поверхность, размеров и глубины водного пространства, охваченного ветром. Высота ветровых волн обычно не превышает 4 м; реже образуются волны высотой 8—10 м и более. Наибольшие ветровые волны наблюдаются в южном полушарии, где океан непрерывен и где западные ветры постоянны и сильны. Здесь волны достигают 25 м высоты, их длина составляет несколько сотен метров.

В морях волны значительно меньше, чем в открытом океане. Так, в Черном море зафиксирована максимальная высота волны — 12 м.

При сильном ветре на вершинах волн возникают острые гребни, которые, опрокидываясь, образуют пенистые “барашки”. Под влиянием ветра волны растут одновременно в высоту и в длину, при этом увеличиваются период и скорость. Когда скорости ветра и волны сравниваются, волны теоретически достигают наибольшей высоты. В действительности они бывают наиболее высокими, когда ветер начинает стихать и уже не срывает их гребней.

С уменьшением скорости ветра волнение начинает затухать. Сначала исчезают мелкие, а затем крупные волны, и остаются очень длинные пологие волны — мертвая зыбь. Волны зыби растягиваются на сотни метров (до 850 м) и при незначительной высоте (3—4 м) в открытом океане почти незаметны. Но распространяясь с большой скоростью, они обрушиваются на берега за тысячи километров от места своего возникновения. Так как в океане всегда где-нибудь возникают ветровые волны, океанский прибой почти не прекращается.

С глубиной волнение быстро затухает. Диаметр орбит, по которым движутся частицы воды, на глубине уменьшаются, уменьшается и высота волны. На глубине, равной длине волны, волнение практически прекращается. Высота волн стремится к нулю, хотя длина волн, их скорость и период с глубиной не изменяются.

Усиление трения о дно замедляет движение частиц воды, находящихся у подошвы, на гребне они движутся быстрее, и гребень начинает нагонять подошву впереди идущей волны. В дальнейшем гребень все больше наклоняется и, наконец, опрокидывается и разрушается. На пологий берег набегают уже мелкие, вторичные волны, образуя прибой. При подходе волны к крутому берегу она трансформируется меньше, и вся ее энергия обрушивается на берег, при этом часто образуется взброс воды, высотой до 60 м и более. Опрокидывание и разрушение волн на некотором удалении от берега над отмелью или рифами называется буруном. При буруне разбивающиеся волны создают пенистый вал, хорошо заметный с берега и с судов. Бурун служит предупреждением для мореплавателей о наличии в этом районе рифов и других подводных опасностей.

Волны разрушают и одновременно переносят и откладывают продукты разрушения, формируя рельеф побережья. Проблему использования энергии волн человечеству еще предстоит решить в будущем.

Внутренние волны. Толща морской воды неоднородна. Она имеет в общем слоистое строение, поскольку вертикальный перенос воды — очень медленный процесс, и в каждый данный момент мы не наблюдаем выравнивания свойств воды во всей толще. Менее плотные слои лежат на более плотных. Слои разной плотности отличаются разной степенью вязкости, скорости их горизонтального движения относительно друг друга различны. Все это неизбежно должно вызывать на граничных между слоями поверхностях волновые возмущения (внутренние воды), подобные тем, которые возникают на граничной поверхности между воздухом и морем.

Внутренние волны, как показывают наблюдения, имеют амплитуду, обычно значительно большую, чем поверхностные ветровые волны. Даже в приповерхностных слоях их “высота” весьма велика. Правда, скорость их распространения и орбитальные скорости гораздо меньше, чем у поверхностных вод, и. следовательно, энергия внутренних волн гораздо меньше, чем у поверхностных волн той же амплитуды. Наблюдения показывают, что высота внутренних волк может достигать 20—30 м. Отмечались случаи, когда поплавок, уравновешенный в слое скачка на глубине 30—35 м, появлялся на поверхности моря. Некоторые исследователи (например, Нансен) указывают на высоты внутренних волн порядка 100 м.

Внутренним волнам в при поверхностном слое обычно приписывают образование бликов на поверхности моря. Замечено, что блики— полосы совершенно спокойной водной поверхности— приурочены к ложбинам внутренних волн.

Внутренние волны возникают под действием приливообразуюших сил Луны и Солнца, ветра и атмосферного давления, т. е. действием причин, вызывающих поверхностные волны. Поэтому поверхностные волны можно рассматривать как частный случай внутренних волн. Внутренние волны могут быть короткими и длинными, стоячими и поступательными.

Внутренние волны привлекают к себе внимание не только океанографов, но и ученых других специальностей. Это объясняется тем, что внутренние волны переносят питательные вещества, оказывавают влияние на распространение звука в воде, воздействуют на гидротехнические сооружения в открытом океане, на судовождение кораблей с глубокой осадкой и подводных аппаратов.

Сейсмические волны (цунами). Цунами образуются в результате подводных землетрясений или извержений вулканов. Поэтому волны цунами называют морскими сейсмическими волнами.

Непосредственной причиной образования цунами являются изменения рельефа дна, происходящие в результате землетрясения:| оползни, провалы, сбросы, поднятия и другие подобные явления, возникающие практически мгновенно на огромных участках океана. Причем механизм возникновения цунами зависит от характера изменения рельефа дна. Так, при образовании цунами в момент возникновения провала на дне океана вода устремляется к центру образовавшейся впадины, заполняет ее, затем под действием инерционных сил переполняет, формируя невысокий, но громадный по объему холм воды на поверхности океана. Под действием тяжести эта выпуклость начинает совершать колебательные движения относительно уровня океана, соответствующего состоянию покоя — образуется цунами.

При резком поднятии дна на поверхности океана сразу же образуется выпуклость, которая под действием силы тяжести приходит в колебательное движение, и это тоже приводит к возникновению цунами и т.д.

Наступлению волн цунами на берег обычно предшествует понижение уровня моря. В течение нескольких минут вода отступает от берега на сотни метров, а при небольшой глубине и на километры. После этого приходят волны цунами. За первой крупной волной, как правило, приходит еще несколько волн с интервалом от 20 до мин 1—2 час. Скорость распространения цунами колеблется от 150 км/ч до 900 км/ч.

Приближаясь к берегу, волны замедляют свое движение и резко увеличивают высоту (до 20—30 м).

Особенно высокие волны образуются в узких, воронкообразных ивах с крутыми берегами.

В настоящее время появление цунами у побережий можно предсказать. Прогнозы цунами основываются на регистрации происходящих в океане процессов во время землетрясения тремя способами: сейсмическими наблюдениями на ряде станций, наблюдениями над уровнем с помощью мареографов и акустическими наблюдениями. Заблаговременность предупреждения обеспечивается тем, что сейсмические волны от землетрясений, порождающих цунами, распространяются гораздо быстрее, чем морские волны, и могут быть зафиксированы сейсмическими станциями раньше, чем подойдет волна цунами. Это позволяет своевременно принять меры безопасности.

Периодические колебания уровня моря, возникающие под действием сил притяжения Луны и Солнца, называются приливными явлениями. Фазы подъема и спада уровня называют собственно приливом и отливом.

Приливообразующие процессы, обусловленные силами тяготения, вызывают колебательные движения всей массы вод Мирового океана. Эти движения сопровождаются изменениями уровня морей и океанов и течениями периодического характера. Т. е. возникают поверхностные и внутренние волны под действием Луны и Солнца.

Приливообразующая сила Луны в среднем в 2,17 раза больше приливообразующей силы Солнца. Поэтому основные черты приливных явлений определяются главным образом взаимным положением-

Луны и Земли.

Вследствие непрерывного изменения взаимного положения Земли, Луны и Солнца изменяются и величины приливообразующих сил Луны и Солнца. Они могут действовать в одной и той же точке как в противоположных направлениях, так и в одном и том же. Это отражается на характере и величине наблюдаемых приливов и вызывает их изменения.

Существенное влияние на величину и характер приливов оказывают физико-географические условия моря (океана): очертания берегов, размеры, глубины, наличие островов и т. д. Если бы океан покрывал Землю сплошь слоем одинаковой глубины, приливы на одной и той же широте были бы одинаковыми и не зависели бы только от приливообразующих сил Луны и Солнца. Однако, как известно, приливные колебания уровня на одной и той же широте меняются в весьма широких пределах. Так, в заливе Фанди (Канада) приливные колебания уровня составляют 16 м, а в Балтийском море, расположенном на той же широте, они практически отсутствуют.

Во время прилива уровень воды постепенно повышается и достигает наивысшего положения (полная вода).

При отливе уровень постепенно падает до наинизшего положениям (малая вода). Промежуток времени, в течение которого уровень поднимается, называется продолжительностью роста уровня; промежуток времени, в течение которого уровень понижается, - продолжительностью падения уровня.

При приливах и отливах возникают поступательные движения воды — приливные течения. Во время прилива они направлены к берегу, а при отливе — от берега. Расстояние по вертикали между уровнями полной и малой воды называется величиной прилива. Половина величины прилива — амплитуда прилива. Величину прилива не следует смешивать с высотой прилива, которая понимается как положение уровня в данный момент над каким-либо другим уровнем, условно принятым за нуль.

Промежуток времени между двумя последовательными полными или малыми водами называется периодом прилива (за это время наблюдаются один прилив и один отлив).

В зависимости от периода различают полусуточные приливы, имеющие средний период, равный половине лунных суток (12 ч 25 мин); суточные со средним периодом, равным лунным суткам (24 ч 50 мин); смешанные, у которых в течение половины лунного месяца период меняется с полусуточного на суточный. Приливы одинаковой амплитуды и равной продолжительности роста и падения уровня называют правильными, но в действительности такие приливы почти не встречаются.

Отклонение времени наступления полных и малых вод и величин прилива от их средних значений для данного места называется неравенствами прилива.

Неравенства приливов вполне закономерны и связаны с изменением положения Луны, Солнца и Земли.

Выделяют следующие основные виды неравенств в явлении приливов: суточные, полумесячные, месячные (параллактические) и длиннопериодные.

Суточное неравенство создает склонение Луны и характеризуется неравенством по высоте двух смежных полных и малых вод в течение суток и неравенством во времени падения и роста.

Полумесячные неравенства подразделяются на два вида: неравенства, связанные с изменением фаз Луны, и неравенства, связанные с изменением склонения Луны в течение месяца.

Неравенства в зависимости от склонения Луны характерны для суточных приливов. Они заключаются в том, что приливы достигают наибольшей величины при наибольшем склонении Луны. Такие приливы носят название тропических. При склонении Луны, равном нулю (рис. 6 б), величины приливов наименьшие и носят название равноденственных или экваториальных.

Месячные (параллактические) неравенства создаются вследствие изменений расстояний от Земли до Луны и Солнца. Пр1-наименьших расстояниях между светилами приливы наибольшие а при наибольших — наименьшие. Кроме высоты приливов он; проявляются и в изменении лунных промежутков. Месячные неравенства называют также параллактическими, потому что для количественной оценки расстояния от Земли до Луны служит угловой показатель — горизонтальный параллакс Луны.

Длиннопериодные неравенства приливов обусловлены пpeжде всего изменениями склонения Солнца и расстояния от Земли Солнца в течение года. С изменением склонения- Солнца связаны полугодовые изменения величин тропических и экваториальных приливов, а также суточных неравенств.

Изменения расстояния — параллакса Солнца определяют годовое солнечное параллактическое неравенство.

Кроме полугодовых и годовых неравенств в практике принимается во внимание медленное, с периодом 18,61 года, изменение склонения Луны — вследствие наклона лунной орбиты к плоскости эклиптики. Многолетний лунный прилив изменяет уровень поверхности океана, формирует астрономические изменения скорости течений в океанах.

Наблюдаемые у берегов Мирового океана приливы отличаются значительным разнообразием и чрезвычайной сложностью.

Объяснение явления приливов дал впервые Ньютон. В основу статической теории Ньютона положены допущения, что континенты отсутствуют, а глубина океана одинакова во всех точках. При этом в любой физический момент времени действующая на массы воды приливообразующая сила уравновешивается силой тяжести. Согласно статической теории момент наступления полной воды должен совпадать с моментом прохождения Луны через меридиан места. В действительности из-за ограниченности глубины океана полная зола не совпадает с моментом кульминации Луны на некоторый промежуток времени, называемый лунным промежутком. Лунные промежутки периодически изменяются, но их отклонения от среднего значения не превышают ±1 ч

Наибольшая величина приливов во время сизигий также запаздывает на 2—3 суток. Отрезок времени от момента сизигии до наиболее высокой полной воды называется возрастом прилива.

Исходя из этой теории, Лаплас впервые получил уравнение движения приливов в океане постоянной глубины с учетом приливных сил как внешней силы. Эти уравнения позволили объяснить некоторые особенности приливов, и в том числе происхождение фазовых и тропических неравенств. Важный вывод, полученный Лапласом, состоял в том, что им было показано решающее значение влияния характера рельефа дна на приливы.

Приливные волны распространяются вверх по некоторым рекам, вызывая колебания уровня на большом расстоянии от устья. Это расстояние зависит от уклона дна реки и скорости ее течения. Так, на реке Амазонке приливы ощущаются на расстоянии 1400 км от устья, на реке Святого Лаврентия — 700 км, на реке Хатанге — 700 км, на реке Ганг — 250 км и т. д.

Приливообразующая сила сказывается не только на гидросфере. Приливы проявляются в атмосфере в виде периодических изменений атмосферного давления с амплитудой 1,25 мбар Приливы, вызванные притяжением Луны и Солнца, оказывают тормозящее воздействие на вращение Земли. С этим связано уменьшение угловой скорости Земли и удлинение земных суток (0,001 за каждые 1000 лет), а также превращение механической энергии торможения вращения Земли в тепловую.

Горизонтальный перенос масс воды из одного места океана ил! моря в другое называется течением. Эти посту нательные движения воды играют огромную роль в жизни Мирового океана: способствуют обмену вод, перераспределению тепла, изменению береге переносу льдов, а также оказывают большое влияние на циркуляцию атмосферы и на климат различных частей Земли.

Всe огромное разнообразие по следующим признакам:

5. По физико-химическим свойствам. 1. По происхождению течения делятся на фрикционные, градиентные и приливно-отливные.

Фрикционные течения, вызванные временными ветрами, называются ветровыми, в отличие от дрейфовых, вызванных постоянными (господствующими) ветрами.

Приливно-отливные течения создаются горизонтальной составляющей приливообразующих сил. Наибольшую скорость эти течения имеют в узких проливах (до 22 км/ч), в открытом океане она не превышает 1 км/ч.

После прекращения действия силы, вызвавшей течение, оно еще некоторое время может существовать как инерционное.

По устойчивости выделяют постоянные, периодические и временные течения.

Постоянными называют течения, всегда наблюдающиеся в одних же районах океана и мало меняющиеся по скорости и направлению за сезон или год. Примером таких течений являются пассатные течения океанов, Гольфстрим и др.

3. По глубине расположения можно выделить течения поверхностные, глубинные и придонные.

4. По характеру движения выделяют меандрирующие, прямолинейные и криволинейные течения. Последние можно подразделить на циклонические, представляющие собой круговые течения против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке — в южном, и антициклонические, движущиеся наоборот. 5. По физико-химическим свойствам различают течения теплые, холодные и нейтральные, соленые и распресненные. Характер течений определяется соотношением температуры или соответственно солености масс воды, формирующих течение, и окружающих вод. Если их температура выше температуры окружающих вод, течения называют теплыми, а если ниже — холодными Аналогично определяются соленые и распресненные течения. Все главнейшие течения можно считать дрейфовыми, т. е. обусловленными постоянным воздействием движущихся воздушных масс на подстилающую водную поверхность. Изучение дрейфовых течений позволило вывести ряд закономерностей (законы Экмана), которым эти течения подчиняются:

2. На направление течения влияет конфигурация берегов — приближаясь к берегу, течение раздвигается, причем, если течение подходит под косым углом, то большая ветвь следует в сторону тупого угла.

4. Вследствие течения движение воды, вызванное ветром на поверхности, постепенно передается расположенным ниже слоям.

Скорость течения при этом убывает в геометрической прогрессии, а направление течения (под влиянием вращения Земли) все более отклоняется и на некоторой глубине оказывается противоположным поверхностному. Эта глубина называется глубиной трения. Скорость здесь, согласно теории, составляет 1/23 скорости на поверхности. Таким образом, даже самые постоянные ветры создают движение воды только в поверхностном слое (слой Экмана) мощностью до 200 м, а суммарный перенос в нем направлен вправо от вектора ветра в северном полушарии и влево — в южном, причем величина отклонения от направления ветра достигает 90°. Чтобы течение распространялось до глубины трения, нужно около 5 месяцев.

Пассаты в Северном полушарии обусловливают возникновение пассатного течения севернее экватора, которое под действием силы Кориолиса приобретает широтное направление и пересекает океан с востока на запад. В южном полушарии южнее экватора устанавливается такое же пассатное течение. У западного берега океана северное пассатное течение под влиянием конфигурации берега отклоняется к северу, а южное — к югу. В пределах 30—40° с. ш это течение под действием силы Кориолиса приобретает широтное направление и пересекает океан с запада на восток. У восточного берега оно раздваивается. Южная ветвь течения устремляется вдоль берега, обеспечивая принос более холодных вод в тропические районы и постепенно отклоняясь к западу, вливается в северное пассатное течение, замыкая таким образом северное циркуляционное кольцо верная ветвь, также распространяясь вдоль берега, образует теплое течение, поскольку здесь происходит перенос более теплых вод с юга. Отклоняясь к западу под воздействием конфигурации Северно-Американского материка, в Тихом океане эта ветвь образует второе северное циркуляционное кольцо, значительно меньшее, чем первое. В Атлантическом океане подобное кольцо также имеется, но севернее его, благодаря сложному распределению пространств суши и моря, здесь образуется еще одно небольшое циркуляционное кольцо в пределах Норвежского моря.

В Южном полушарии картина аналогичная, но второго кольца течений нет. На юге, там где расположено сплошное водное пространство, существует мощное дрейфовое течение западных ветров (круговое антарктическое), соединяющее воды трех океанов воедино.

Поверхностные течения, возбуждаемые ветром, заметны только в верхнем слое в несколько десятков метров, поэтому долго считали, что в глубинах океана нет перемешивания воды течениями.

Южное пассатное течение пересекает Атлантический океан вдоль экватора и у берегов Бразилии разделяется на Гвианское и Бразильское течения. Гвианское вместе с Северным пассатным течением несут воду на север в Карибское море и Мексиканский залив Бразильское — идет на юг, постепенно отклоняясь влево и около 40° ю. ш. сливаясь с течением Западных ветров. Небольшая часть Бразильского течения продолжает двигаться вдоль берега материка, прижимаясь к нему.

Навстречу Бразильскому течению с юга движется холодное Фолклендское течение, поворачивающее после соединения с Бразильским течением на восток. У берегов Африки от течения Западных ветров к северу отходит Бенгельское. Им замыкается южное субтропическое антициклоническое кольцо течений в Атлантическом океане.

Межпассатное противотечение в Атлантическом океане на всем протяжении выражено летом; с декабря по март оно сохраняется только на востоке. Продолжение противотечения — Гвинейское течение, соединяющееся с южным экваториальным течением.

Тихий океан. К северу от экватора, между 10 и 22° с. ш., расположено Северное пассатное течение. В западной части океана возле Филиппинских островов оно делится на три ветви: одна вливается в межпассатное противотечение, вторая уходит к Зондским островам, а третья, самая мощная, образует теплое течение Куросио.

Близ острова Кюсю от Куросио отделяется Цусимское течение, проникающее в Японское море через Цусимский пролив. Пройдя вдоль берегов Японии, Куросио поворачивает на восток и образует поперечное Северотихоокеанское течение. У берегов Северной Америки из него образуются Калифорнийское и Аляскинское течения. Калифорнийское холодное течение направляется на юг и замыкает северное кольцо течений в Тихом океане. Аляскинское течение, следуя вдоль берегов Аляски и Алеутских островов, частично проникает в Берингово море и Северный Ледовитый океан, частично поворачивает на юг и юго-восток, образуя небольшое кольцо.

Вдоль берегов Камчатки и Курильских островов с севера на юг движется холодное Курило-Камчатское течение. С продвижением к югу оно формирует течение Ойясио, а затем постепенно погружается под теплые воды Куросио и переходит в глубинное течение.

Межпассатное противотечение в Тихом океане существует весь год. Летом большая часть противотечения поворачивает на север.

Южное пассатное течение более устойчивое, чем северное, идет на запад около 5е ю. ш. Возле берегов Новой Гвинеи оно раздваивается. Одна часть вливается в экваториальное противотечение, меньшая образует Восточноавстралийское течение. Оно создает круговое движение воды в Тасмановом море, а затем присоединяется к течению Западных ветров. У берегов Южной Америки, от течения Западных ветров на север, на соединение с Южным пассатным течением, идет мощное Перуанское течение (течение Гумбольдта), замыкающее кольцо тихоокеанских течений в Южном полушарии.

В некоторых морях, например, в Белом, хорошо выражены приливо-отливные течения. В Мексиканском заливе, Северном, Саргассовом морях существует сложная система круговых течений, направленных по часовой стрелке и связанных с системой общеокеанских течений.

В проливе течение может быть направлено как в реке в одну сторону (проточные проливы) или перемещаться в двух противоположных направлениях (обменные проливы). Причем в обменных проливах обмен потоков воды может осуществляться как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях.

В процессе планетарного обмена веществами и энергией в атмо- и гидросфере формируются свойства вод Мирового океана. Энергия движения воды, приходящая с солнечной радиацией, в океан поступает сверху. Естественно поэтому, что в вертикальном разрезе толща воды распадается на большие слои, аналогичные слоям атмосферы, их тоже называют сферами. Принято выделять четыре сферы: верхнюю, промежуточную, глубинную и придонную.

Верхняя сфера — слой мощностью 200—300 м, характеризующийся перемешиванием, проникновением света и колебаниями температуры.

Промежуточная сфера простирается до глубин 1500—2000 м. Ее воды образуются из поверхностных при их опускании. При этом они охлаждаются и уплотняются, а затем перемещаются в горизонтальных направлениях, преимущественно с зональной составляющей.

Глубинная сфера не доходит до дна примерно 1000 м. Ей свойственна гомогенность (однородность) воды. В этой сфере толщиной не менее 2000 м заключена почти половина всей воды океана.

Придонная сфера — толщиной около 1000 м от дна. Ее воды образуются в холодных поясах, в Антарктиде и Арктике и перемещаются на огромных пространствах по глубоким (свыше 4000 м) котловинам и желобам. Они воспринимают тепло из недр земли и химически взаимодействуют с дном океана. Поэтому значительно трансформируются.

В Мировом океане выделяются следующие зональные типы водных масс: экваториальные, тропические и субтропические, умеренные, полярные.

Фронтальные зоны — это зоны конвергенции (сходимости). При конвергенции вода накапливается, уровень океана повышается, увеличивается давление и плотность воды, и она опускается.

Мировой океан и атмосфера образуют единую систему. Океан — главный аккумулятор тепла на Земле, гигантский преобразователь лучистой энергии в тепловую. Почти все тепло, получаемое нижними слоями атмосферы, является скрытым теплом конденсации, заложенным в водяном паре. При этом более половины этого тепла поступает из тропических районов. Скрытая энергия, поступающая в атмосферу с водяными парами, частично преобразуется в механическую энергию, обеспечивающую перемещение воздушных масс и возникновение ветра Ветер передает энергию водной поверхности, вызывая волнения и океанические течения, переносящие тепло из низких широт в более высокие.

Наряду с энергетическим обменом, взаимодействие океана и атмосферы сопровождается и обменом веществами (водяные пары, газы, соли) Процессы взаимодействия двух подвижных оболочек Земли чрезвычайно сложны, и изучение их очень важно Это прежде всего необходимо для понимания сложной картины формирования погоды и климатов на Земле, для удовлетворения практических требований специалистов по прогнозу погоды, промысловой океанологии, навигации, подводной, акустике и т. д.

растений, каждый из которых исчисляется миллиардами экземпляров.

Нектон представлен такими активно плавающими животными, какими являются рыбы, кальмары и осьминоги, морские звери и киты, морские змеи и черепахи.

Бентос объединяет растения и животных, населяющих дно и другие твердые основания, к которым организмы могут прикрепляться (скалы, подводные горы, различные портовые сооружения, днища судов и т. п.). Одни из них никогда не отделяются от основания, подобно водорослям, кораллам, некоторым моллюскам. Другие свободно покидают дно, как это делают камбалы и скаты. Третьи закапываются в грунт, что свойственно многим моллюскам, ракообразным и червям. Благодаря интенсивному развитию жизни в прибрежных районах И соответственно наибольшему количеству органических остатков, оседающих на материковой отмели, здесь сосредоточено свыше 99% всех видов бентонических организмов.

Мировой океан обладает огромными биологическими ресурсами. Общая биомасса составляет примерно 35 млрд т. При этом на долю животных приходится 32,5 млрд т., а водорослей — 1,7 млрд т. То обстоятельство, что биомасса животных в два десятка раз больше растительной, объясняется исключительно высокой продукцией одноклеточных планктонных водорослей. Например, одна диатомовая водоросль за месяц способна дать 10 млн экземпляров. К тому же одноклеточные водоросли отличаются высокой питательностью. В водорослях содержится в 2—4 раза больше белков, чем в сене, и примерно столько же жиров. Места обильного развития фитопланктона — места повышенного плодородия в океане, богатые жизнью вообще. Распределение биомассы в Мировом океане подчинено в общем тем же закономерностям, что и на суше. Вместе с тем имеется ряд особенностей, присущих только океану.

В океане, как и на суше, прослеживается чередование поясов с повышенной и пониженной фито- и зоомассой. Но если на суше распределение численности животных организмов зависит прежде всего от температуры и количества осадков и имеет зональный характер, то в океане биомасса того или иного района зависит прежде всего от скорости поступления питательных веществ с восходящими движениями воды. Поэтому в океане величина биомассы связана в первую очередь с типом циркуляции. Вторая особенность жизни в океане — ее концентрация в шельфовой зоне, что также связано с интенсивностью вертикального перемешивания. Наименее продуктивными районами Мирового океана являются акватории, в пределах которых располагаются антициклонические циркуляционные системы. Это обширнейшие океанические пустыни, где в условиях преобладания нисходящих движений количество биогенных элементов оказывается предельно низким.

Изучение экологических условий и их влияния на фауну и флору океана имеет не только важное научное, но и огромное практическое значение. Эти сведения необходимы для рациональной организации промысла, поисков путей управления биологической продуктивностью и создания морского фермерства.

Крайне недостаточно используются морские растения. Из известных науке 15 тыс. видов морских растений человеком освоено только 70. Все промысловые водоросли подразделяются на три основные группы: красные, бурые водоросли и морские травы. В отличие от фитопланктона, не имеющего пока промыслового значения, эти крупные водоросли, корнями закрепляющиеся ко дну, относятся к фитобентосу. Они произрастают в прибрежной зоне на глубинах до 20—40 м, поэтому собирать их несложно.

По подсчетам советских ученых только в Черном, Балтийском и дальневосточных морях можно ежегодно собирать более 10 млн т. растительной массы. Поэтому в ближайшем будущем водоросли должны стать одним из главных видов растительной пищи людей и важнейшей кормовой базой животноводства.

Широко известны также минеральные богатства, накапливающиеся в береговой зоне морей и океанов, в результате сепарирующей деятельности вод и прибоя, приводящей к формированию россыпей некоторых очень ценных видов полезных ископаемых (золота, алмазов, титаносодержащих минералов) в прибрежно-морских отложениях.

Из минеральных ресурсов глубоководных районов океана наибольшее внимание привлекают железомарганцевые конкреции.

Около 40 лет назад было обнаружено, что пространства шельфа богаты нефтегазовыми месторождениями, а сегодня эксплуатируются уже более 600 таких месторождений.

Несомненно, в изучении и использовании природных ресурсов Мирового океана усилия разных государств должны объединяться, бережного отношения к океану, его рационального использования требуют интересы будущего человечества.

Воды суши — воды, сосредоточенные в реках, озерах, водохранилищах, болотах, ледниках, в почве, в горных породах. Составляя всего 3,5% от общего объема гидросферы, они являются очень важным звеном Мирового влагооборота.

Воды суши, состоящие в основном из пресной воды, наряду с атмосферным воздухом и солнечной энергией,— необходимые условия жизни на Земле, существования человека, его хозяйственной деятельности.

Воды, находящиеся в порах, пустотах и трещинах горных пород в верхней части земной коры в жидком, твердом и газообразном состояниях, называются подземными водами.

По способу образования (происхождения) подземные воды принято делить на четыре группы:

2) конденсационные, образующиеся из водных паров атмосферного и почвенного воздуха;

3) седиментационные, формирующиеся в результате проникновения морских иловых вод в толщи пород на различных стадиях осадкообразования и позднее;

Подземные воды образуются и смешанным путем, что подтверждается их химическим и газовым составом и режимом. Воды смешанного происхождения в природе самые распространенные.

По способу продвижения в породу следует различать воды фильтрационные, медленно просачивающиеся через зернистые горные породы, и воды жильные, или флюационные, передвигающиеся в трещинах и крупных пустотах горных пород, подобно поверхностным потокам. Способ продвижения подземных вод определяется гидрогеологическими свойствами горных пород.

Горные породы по их отношению к воде можно разделить на две основные группы: водопроницаемые и водоупорные.

Рис.9 Схема различных состояний воды в почве

1,2 – гигроскопическая; 3,4 - пленочная; 5 - гравитационная

Вода в твердом состоянии распространена в областях сезонной многолетней мерзлоты. Общее количество таких вод громадно - 300 000 км3.

Почвенные воды залегают у самой поверхности и напитывают почву на очень небольшую глубину. Под влиянием солнечной радиации и транспирации растении почвенные воды испаряются, и поверхность земли становится совершенно сухой. В случае выпадения атмосферных осадков почвенные воды передвигаются вглубь, но водоупора не достигают. Поэтому их называют подвешенными.

Верховодка — безнапорный горизонт подземных вод, залегающий наиболее близко к земной поверхности над местным водоупором, и не имеющий сплошного распространения Она образуется в результате просачивания дождевых и талых вод Уровень верховодки подвержен колебаниям в зависимости от гидрометеорологических условий Эта вода легко загрязняется, исчезает в засушливое время года или промерзает зимой, поэтому использовать ее в бытовых целях нельзя.

Грунтовые воды — воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое, не перекрытом водонепроницаемой породой. Эти воды могут представлять неподвижный подземный водоем если их водоупорное ложе залегает чашеобразно, поверхность или зеркало грунтовых вод в таком случае лежит горизонтально (рис 10 а).

5) зона слабоминерализованных и глубокозалегающих вод тропических степей и саванн — грунтовые воды залегают на глубине от 15 до 50 м;

6) зона высокостоящих и пресных грунтовых вод экваториальных лесов — при избыточном атмосферном увлажнении и обилии поверхностных водоемов в зоне гилей грунтовые воды стоят высоко;

7) зона подземных вод областей многолетней мерзлоты Северной Азии и Северной Америки — определяющую роль играют специфические тепловые условия за последнее геологическое время, а не величина увлажнения территории.

Межпластовые воды отличаются от грунтовых тем, что межпластовый водоносный грунт перекрыт с поверхности водоупорной кровлей. Поэтому питание их атмосферными водами происходит только там, где верхний водоупорный пласт отсутствует. Межпластовые воды подразделяются на два типа: ненапорные (нисходящие) и напорные (восходящие).

Ненапорные межпластовые воды насыщают водоносный пласт частично и стекают по уклону так же, как и грунтовые.

Например, к востоку от побережья Флориды в Атлантическом океане известен участок с пресной водой, окруженной соленой. Капитаны судов пополняют запасы пресной воды прямо в море. Область распространения пресной воды в море имеет около 30 м в диаметре и отличается от окружающей соленой воды своим цветом и низкой температурой.

Глубокие минерализованные воды, или рассолы, накопились в процессе осадкообразования в эпохи морских трансгрессий разных геологических периодов. Они образуют зону высокоминерализованных вод, чаще хлоридного типа.

2) уровни вод в мелком карсте залегают высоко, а в глубоком — низко, вблизи меженного уровня рек. Междуречья обычно дренированы до уровня местного базиса эрозии;

.3) режим вод крайне неустойчивый, наблюдаются очень резкие колебания уровня, расхода и температур. Глубина водной поверхности изменяется от 30 до 100 м;

В карстовых массивах выделяют три яруса карстовых вод, различающихся режимом и условиями движения. От поверхности земли до уровня грунтовых вод расположен верхний ярус аэрации, сквозь который атмосферные воды проходят не задерживаясь. Ниже его находится промежуточный ярус сезонного колебания зеркала подземных вод: во влажный сезон он выше, в сухой ниже. Именно в этом ярусе формируются пещерные горизонты. В нижнем ярусе постоянного полного насыщения формируется горизонт взаимно связанных грунтовых вод. Здесь происходит питание некоторых рек и родников.

В соответствии с характером вертикального строения зоны многолетней мерзлоты подземные воды ее могут быть подразделены на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Надмерзлотные воды залегают на толще многолетней мерзлоты на водоупоре. Они часто встречаются на дне речных долин речных котловин, а также у подножий склонов; реже эти воды скапливаются на склонах и водоразделах

Подмерзлотные артезианские воды имеют широкое распространение. По минерализации они разнообразны —от пресных, используемых для водоснабжения (Якутск, Вилюйск), до рассолов.

Области питания вод удалены от областей циркуляции на сотни километров и представляют собой либо плоскогорья, либо сквозные талики под руслами больших рек и озер.

Надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды взаимодействуют под долинами крупных рек и в котловинах озер, т. е. там, где многолетняя мерзлота отсутствует.

Пресные межмерзлотные и подмерзлотные воды используются для водоснабжения, минерализованные, термальные подмерзлотные воды — в бальнеологии.

Восходящие родники представляют естественные выходы напорной воды, которая может подниматься либо под влиянием гидростатического давления, либо под влиянием газов и паров. Часто наблюдаются в зонах разломов и на склонах различных артезианских бассейнов и речных долин

По минерализации родники подразделяются на пресные, солоноватые, соленые и рассольные; по химическому составу — на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные; по газовому составу — на метановые, сероводородные, радоновые, углекислые, азотные и др.; по температуре — на холодные, теплые, термальные

По геоморфологическим и геоструктурным признакам различают родники: равнинных областей, предгорий и конусов выноса, горно-складчатых областей, областей многолетней мерзлоты, районов молодой вулканической деятельности.

Родники равнинных областей наблюдаются в долинах рек, на контактах пород различной проницаемости. Их часто называют эрозионными. Температура эрозионных родников изменяется от 5 до 8° С, дебит постоянный, минерализация вод небольшая.

Подземные воды играют громадную роль в природе, участвуя практически во всех физико-географических процессах, происходящих в литосфере. Благодаря их перемещению происходит перенос растворенных веществ, растения получают питательные соли и влагу. Подземные воды активно влияют на формирование рельефа: оползни, суффозия, карст, термокарст; вызывают при определенных условиях заболачивание. Они участвуют в питании рек и озер, являясь при этом самой устойчивой частью стока. Неоценимо ресурсное значение подземных вод. Во-первых, они используются для водоснабжения: почти 80% населения СССР пользуется пресными подземными водами. Во-вторых, из подземных вод извлекают многие тонны химического сырья: глауберовой соли, борной кислоты, буры и т. д.; получают металлы: цезий, литий, радий, актиний, торий. Разработана технология извлечения из подземных вод стронция, рубидия, мышьяка, вольфрама, калия, магния, бора. В-третьих, получает развитие использование термических ресурсов подземных вод. На тепловой энергии работают геотермальные станции в Италии, Новой Зеландии, Мексике, Конго, Исландии, Японии, Северной Америке. На Камчатке работает Паужетская и строится Мутновская электростанции. Термальные воды расходуются также на отопление жилых домов, обогрев теплиц и т. д. В-четвертых, в лечебных целях широко применяются минеральные воды.

Несмотря на то, что запасы подземных вод велики, возобновляются они очень медленно. Поэтому охрана подземных вод и их рациональное использование являются вопросами государственной важности. Для охраны пресных подземных вод выделяются особые участки—зоны санитарной охраны, на территории которых устанавливается строгий санитарно-эпидемиологический режим и осуществляются мероприятия по охране вод, водозабора и водопроводных сооружений от загрязнения. Различают несколько видов загрязнения. В химическом загрязнении выделяют неорганическое (появление в водах изотопов свинца, меди, цинка и т. д.) и органическое (фенолы, нитро- и аминопродукты).

Опасность для питьевых вод представляет радиоактивное загрязнение.

Бактеорологическое загрязнение связано со сбросом хозяйственно-бытовых нечистот отдельными предприятиями и животноводческими фермами, тепловое — со сбросом в реки отработанных вод с ГРЭС и АЭС.

Горно-геологическое загрязнение происходит преимущественно через шахты, нефтяные, газовые и водяные скважины.

Агрохимическое загрязнение связано с использованием избыточного количества минеральных и органических удобрений.

Разработка крупных месторождений полезных ископаемых (Курская магнитная аномалия, Кривой Рог, Казахстан и т. д.), привела к осушению местности — вода из некоторых колодцев з сельской местности исчезла.

Влияние откачек подземных вод и разработка недр могут вызывать опускание территорий, как это происходит в Токио •; Мехико. Для борьбы с истощением подземных вод необходимы строгие расчеты забора вод с учетом скорости восстановления уровня и экономное, рациональное использование их.

Рекой называется естественный водный поток, текущий по одному и тому же месту (руслу) постоянно или с перерывами на сухой сезон (пересыхающие реки).

Место, с которого появляется постоянное течение воды в русле,— исток, в большинстве случаев можно определить только условно. Истоком реки часто являются родник, болото, озеро или ледник, если река образуется путем слияния двух меньших рек, то место их слияния является началом этой реки, однако за исток следует принимать исток более длинной из слившихся рек.

Русло реки в пределах дельты ветвится на множество рукавов и проток. Дельты непрерывно растут.

Устья некоторых рек расширены в форме залива; они называются эстуариями и имеют собственное имя: Обская губа, например. Немноговодные пустынные реки оканчиваются слепыми устьями, не доходя до водоема.

Второстепенные водоразделы — это водоразделы бассейнов океанов Тихого, Атлантического, Индийского и Северного Ледовитого и областей с внутренним стоком или бессточных областей.

Водоразделы, отделяющие части суши, сток которых происходит в те или иные речные системы, называют водоразделами речных бассейнов.

Самое верхнее звено —ложбины стока —эрозионные образования, впоследствии занесенные толщей покровной породы. По ним происходит сток атмосферных осадков и плоскостной смыв частиц грунта.

Верхние звенья гидрографической сети — ложбины, лощины и суходолы, занимающие более 90% ее длины, являются областями формирования жидкого и твердого стоков постоянных и временных водотоков. А нижние звенья — различные типы речных долин — в основном являются путями транспорта жидкого и твердого стока.

Часть русловой сети, состоящая из отчетливо выраженных русел постоянных водотоков, называют речной сетью. Большая ее часть состоит из очень мелких (до 25 км) и малых (от 26 до 100 км) рек; больших и очень больших немного не только по числу, но и по длине. Согласно последним данным по гидрографии, на территории СССР протекают более 2,9 млн. рек, ручьев и временных водотоков длиной не менее 0,5 км, а их суммарная длина превышает 9,6 млн. км. Если водотоки длиной менее 10 км считать ручьями, то в СССР 150811 рек, суммарная длина которых около 4 млн. км.

Совокупность рек, сливающихся вместе и выносящих свои воды в виде общего потока, называют речной системой. Иначе говоря, речная система включает в себя главную реку и большое количество притоков, т. е. рек, впадающих в нее прямо или посредством других.

Притоки, непосредственно впадающие в главную реку, называются притоками первого порядка, их притоки — притоками второго порядка и т. д. Выделение главной реки должно основываться на ее многоводности, направлении, величине и характере долины, а также длине и площади бассейна. Часто главной рекой считается не гидрологически и морфологически основная, а та, которую люди так приняли при освоении территории. Так, в волжской системе гидрологически главной является Кама. Но поскольку освоение бассейна русскими шло от Москвы, за главную была принята верхняя Волга. Нередко реке, образовавшейся от слияния сравнительно одинаковых по величине притоков, присваивается новое название: после слияния Шилки и Аргуни река называется Амур.

исток и устье.

Морфометрические особенности речной сети существенно влияют на формирование стока, водность рек и их режим. Знание их необходимо для выполнения гидрологических расчетов при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений, проведении мелиоративных работ и т. д.

Руслом реки называется выработанное речным потоком ложе, по которому осуществляется сток речных вод без затопления поймы.

В плане русла рек имеют извилистую форму. Извилины (меандры) легко смещаются под воздействием размывающей деятельности потока в пределах дна долины; при этом происходит сближение центральных участков выше- и нижерасположенных излучин, которое завершается образованием узкого перешейка между ними и его прорывами. Образовавшаяся короткая спрямляющая протока с большим продольным уклоном быстро разрабатывается и обращается : основное русло, куда переходит весь сток реки, а отпавшая пучина превращается в староречье (старицу). В зависимости от извилистости русла закономерно изменяются и его глубины. Более глубокие места (плесы) расположены в петле излучины вогнутого участка берега, а более мелкие (перекаты) — на относительно прямолинейных участках русла между соседними плесами. Линия наибольших глубин (фарватер) в излучинах прижата к вогнутым подмываемым берегам, т. е. последовательно переходит от одного берега к другому.

В поперечном сечении русла рек в излучинах диссиметричны: глубокие у вогнутых берегов, где река эродирует, и мелкие у выпуклых, где откладывается песок. Форма и размеры поперечного сечения характеризуются площадью водного сечения, шириной реки, длиной смоченного периметра, средней и наибольшей глубинами, гидравлическим радиусом.

На гидрометрических створках, где измеряют расходы воды, помимо площади водного сечения, определяют площадь живого сечения, которая при наличии течения воды в пределах всего сечения будет равна ему, а при наличии в нем застойной зоны (мертвой) будет меньше площади водного сечения на величину площади мертвого пространства.

Смоченный периметр х — длина дна реки на профиле, заключенная между урезами воды.

Ширину и максимальную глубину получают путем непосредственных измерений.

Все элементы поперечного сечения реки изменяются в зависимости от высоты уровня воды. Одной из важнейших морфометрических характеристик русла является его продольный профиль.

Продольный профиль вырабатывается под влиянием большого числа факторов, главными из которых являются степень сопротивляемости пород и грунтов, слагающих русло реки, размыв, водоносность реки и уклон ее долины.

Как видно из табл. 6, средние уклоны равнинных рек невелики и мало меняются по территории, Значительно большие уклоны имеют реки горных районов.

Таблица 6. Средние уклоны некоторых рек СССР

Уклоны малых горных рек могут достигать десятков и сотен промилле.

По характеру движения воды реку зрелого возраста можно разделить на 3 участка: верховье с быстрым движением воды, среднее течение, где скорость средней величины, и нижнее течение, где вода движется медленно. И в поперечном разрезе скорости течения закономерно изменяются. Наибольшая скорость обычно наблюдается у поверхности. По мере приближения ко дну и к стенкам русла скорость уменьшается.

Представление о распределении скоростей в живом сечении дают линии равных скоростей — изотахи, которые вычерчиваются по данным измерений скоростей в отдельных точках. Характер изотах для открытого потока и при наличии ледяного покрова показан на рис. 14.

Линию, соединяющую наибольшие скорости на поверхности реки, называют стрежнем. На прямых плесах стрежень проходит по середине реки и подчиняется симметрии стрелы, а на излучинах он прижимается к вогнутому берегу, и течение резко диссимметрично. Симметрии или дисимметрии водного потока соответствует и форма русла: стрежень и фарватер совпадают.

Водоносность реки определяется ее питанием, которое в зависимости от физико-географических условий может быть дождевым, снеговым, ледниковым, подземным, озерным и болотным.

Уровень воды в реке зависит от расхода. Изменение во времени уровней и расходов воды в реках представляет собой водный режим реки.

Годовой цикл водного режима рек подразделяется на характерные фазы: половодье, паводки, межень (летняя и зимняя).

Половодье — ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон относительно длительное значительное увеличение количества воды в реке, обычно сопровождается выходом воды из русла и затоплением поймы. Оно вызывается весенним таянием снега на равнинах, ранним таянием снега и льда в горах. Время прохождения весеннего половодья зависит от географического положения водосбора. Так, на юге Европы оно проходит в среднем в марте—апреле, а на Севере — в мае—июле. Продолжительность половодья на малых реках колеблется в широких пределах и определяется интенсивностью снеготаяния; в нижнем течении больших рек она составляет два — три месяца.

Паводки — относительно кратковременные и непериодические подъемы уровня воды в реке, возникающие в результате быстрого таяния снега при оттепели, обильных дождях, попусках воды из водохранилищ. Обычно дождевые максимумы на средних и больших реках уступают по высоте максимума весенних половодий, но на реках с малыми водосборами, которые могут быть целиком охвачены интенсивными дождями, они значительно превосходят их. В районах с дождевым питанием рек (Дальний Восток), где доля талого стока в годовом цикле незначительна, максимальные расходы дождевых паводков независимо от размера реки превышают максимальные расходы половодий.

Межень — фаза водного режима продолжительностью не менее 10 дней, ежегодно повторяющаяся в одни и те же сезоны, характеризующаяся малой водностью. В умеренных и высоких широтах различают летнюю и зимнюю межень.

Меженный сток зависит как от климатических условий (осадков и испарения), так и, главным образом, от количества и характера грунтового питания рек.

Рис.15. Гидрографы рек умеренного типа:

а- континентальный; б- морской; в- мусонный; г- пустынный и полупустынный

Реки тропического типа отличаются малым стоком. Преобладает летнее дождевое питание, зимой осадков мало.

Реки экваториального типа имеют обильное дождевое питание в течение всего года. Реки всегда полноводные, уровень повышается к концу сезона дождей.

Главной характеристикой речного стока являются расходы воды. Наряду с экстремальными значениями (максимальными и минимальными) часто используются расходы воды, осредненные за различные периоды времени (сутки, месяц, сезон, год и т. д.).

Все остальные характеристики речного стока по сути являются производными от соответствующих расходов воды. Рассмотрим наиболее часто употребляемые характеристики речного стока.

31,5 — число миллионов секунд в среднем за год; 2,63 — число миллионов секунд в среднем за месяц.

Коэффициент стока — отношение слоя стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков, обусловивших возникновение стока,— определяется по формуле:

Годовой сток подсчитывается в умеренном климате не за календарный год, а за гидрологический, начинающийся осенью (1 октября или 1 ноября), когда запасы влаги в речных бассейнах, переходящие из одного года в другой, малы. При подсчете за календарный год сток и осадки не могут соответствовать друг другу, так как осадки, выпавшие в конце одного года, стекают весной следующего года.

Почвы как элемент географического ландшафта имеют зональное распределение. Различные почвы обладают неодинаковыми воднофизическими свойствами и, в частности, разной водопроницаемостью. Водопроницаемые почвы быстро поглощают атмосферные осадки, которые, просачиваясь в почву, менее подвергаются испарено и увеличивают подземную составляющую стока. На малопроницаемых почвах при прочих равных условиях выпавшая атмосферная влага задерживается на поверхности и более интенсивно испаряется. Таким образом, влияние почв отражается на стоке через испарение.

Озepa, испаряя накапливающиеся в них воды, уменьшают сток вместе с тем являются его регуляторами. Особенно велика в этом отношении роль больших проточных озер. Количество воды в реках, вытекающих из таких озер, почти не изменяется в течение года.

В естественных условиях энергия воды тратится на преодоление внутреннего сопротивления движению, обусловленного перемешиванием частиц воды, на трение о земную поверхность и ложе реки. Эта часть энергии рассеивается в потоке в виде тепла. Другая, меньшая часть энергии, расходуется на размыв грунта, взвешивание и перенос твердого и растворенного материала в более пониженные места.

Твердые частицы, образованные в результате эрозии водосборов и русел, переносимые водотоками и формирующие их ложе, называются речными наносами.

Речные наносы разделяют на взвешенные и влекомые или донные. Деление это условно, т. к. при изменении скорости течения одна категория наносов быстро переходит в другую. Чем больше скорость потока, тем крупнее могут быть взвешенные частицы. При уменьшении скорости более крупные частицы опускаются на дно, становясь влекомыми (движущимися скачкообразно) наносами.

Количество взвешенных наносов, проносимое через живое сечение реки за большой промежуток времени (сутки, месяц, сезон, год и т. д.),— сток взвешенных наносов.

Измерение расхода взвешенных наносов основано на определении мутности воды, т. е. весового содержания наносов в единице объема. Мутность выражается зависимостью:

Количество взвешенных наносов в реке зависит от скорости течения, и главным образом, от поступления наносов с водосборного бассейна.

Распределение взвешенных наносов в живом сечении потока неравномерное. Более насыщены наносами нижние слои, где преобладают более крупные частицы.

Взвешенные наносы составляют основную часть расхода наносов рек. На равнинных реках взвешенные наносы могут составлять до 90—95% всего количества наносов. Суммарный сток взвешенных наносов рек в океан со всей территории суши, за исключением областей внутреннего стока, составляет 15,7 млрд т в год (табл. 7).

При большой скорости влекомые наносы могут передвигаться слоем мощностью до нескольких десятков сантиметров. Передвижение их происходит очень неравномерно, так как скорость у дна резко изменяется. Поэтому на дне реки образуются песчаные волны.

Общее количество наносов (взвешенных и доенных), проносимое через живое сечение реки за большой промежуток времени (сутки, месяц, сезон, год и т. д.), называется стоком наносов.

Интенсивность эрозии и величина стока наносов определяется как климатическими компонентами географического ландшафта, так и прочими факторами подстилающей поверхности, в частности, характером рельефа, растительного покрова и почв. В связи с изменением этих факторов с севера на юг наблюдается и изменение стока наносов, т. е. обнаруживается его географическая зональность, что позволяет картировать характеристики стока наносов.

1) выщелачиваемые при химическом воздействии на изверженные и метаморфические породы;

2) растворяемые водой из осадочных пород и почв;

3) содержащиеся в атмосферных осадках;

4) вносимые в поверхностные воды технической, сельскохозяйственной и бытовой деятельностью человека.

Распределение речных вод различной минерализации и ионного состава по территории земного шара определяется комплексом физико-географических условий, в частности, климатом, характером растительности, типом почв, рельефом и поэтому подчиняется закону географической зональности.

Рассмотрим проявление зональности химических свойств речной воды на примере рек СССР.

Воды большинства рек Советского Союза относятся к гидрокарбонатному классу. Бассейны их занимают около 85% территории нашей страны.

Речные воды хлоридного класса встречаются в полупустынях Прикаспийской низменности, Западно-Сибирской равнины и Казахстана. Это главным образом временные водотоки. Воды хлоридного класса отличаются высокой минерализацией, свыше 1000 мг/л, достигающей в отдельных случаях 19000 мг/л (р. Тургай).

Количество растворенных веществ, проносимое через живое сечение реки за 1 сек, составляет расход растворенных веществ, а за большой промежуток времени (сутки, месяц, сезон, год и т. д.) — сток растворенных веществ. Расход измеряется в кг/с, сток — в тоннах (т/сут., т/мес., т/г. и т. д.).

Основную массу выносимых растворенных веществ составляет ионный сток, определяющийся минерализацией речных вод и жидким стоком (табл. 8).

Суммарный сток всех растворенных веществ с территории земного шара составляет около 3750 млн т/г.

Реки вместе с водой выносят в океаны, моря и внутренние водоемы не только твердые осадки и химические вещества, но и большое количество тепла. Тепловой режим реки определяется поглощением тепла прямой солнечной радиации, эффективным излучением водной поверхности, затратами тепла на испарение, его выделением при конденсации, теплообменом с атмосферой и ложем русла. Изменение составляющих теплового баланса реки в течение суток, сезона, года вызывает соответствующие колебания температуры воды в реках.

Суточный ход температуры наиболее четко выражен летом, когда днем вода нагревается под действием солнечного тепла, а ночью остывает в результате преобладания эффективного излучения. Амплитуда суточных колебаний температуры воды зависит от широты места, водности рек, погодных условий. Так, в северных районах она меньше вследствие меньшей длительности ночи (ночного выхолаживания). На реках с малыми расходами она больше, чем на полноводных реках; при ясной погоде амплитуда больше, чем при облачной.

Годовой ход температуры также тесно связан с изменением теплового баланса. После вскрытия реки температура воды растет. В период нагревания воды (в первую половину лета) она несколько ниже температуры воздуха, в период охлаждения, наоборот, выше.

Средняя годовая температура воды обычно выше средней годовой температуры воздуха, т. к. зимой в реке вода не охлаждается ниже 0° С, тогда как воздух может иметь отрицательную температуру.

Благодаря интенсивному турбулентному перемешиванию, обусловленному течением реки и сравнительно малым объемом воды в русле, изменения температуры в зависимости от глубины незначительны и не превышают десятых долей градуса, и только летом температуры у дна на 2—3° С ниже, чем у поверхности. В распределении температуры по ширине также существуют определенные закономерности. Температура воды большинства рек в период нагревания в прибрежной части выше, чем на стрежне, в период охлаждения — ниже.

Направление течения реки может обусловливать некоторое несоответствие термического режима и местных метеоусловий. Реки, текущие с севера на юг, в период нагревания могут выносить более холодную воду, а для рек, текущих с юга на север и пересекающих ряд климатических зон, в период остывания может наблюдаться обратная картина — температура воды может быть выше температуры воздуха из-за выноса теплых вод из южных районов.

На температуру воды рек, вытекающих из озер, большое влияние оказывает температура озерных вод, причем чем больше водная масса, тем на большее расстояние распространяется это влияние. Так, влияние холодных вод озера Байкал на температуру воды р. Ангары в теплый период года заметно на расстоянии 1170 км от истока.

Термический режим рек на отдельных участках в значительной мере может определяться хозяйственной деятельностью человека. Сброс в реки теплых промышленных вод нарушает их естественный тепловой режим. В соответствии с естественным тепловым режимом рек их можно разделить на 3 типа: 1) реки очень теплые, без сезонных колебаний температуры; 2) реки теплые, с заметным сезонным колебанием температуры, не замерзающие зимой; 3) реки с большими сезонными колебаниями температуры, замерзающие зимой.

Наиболее сложный режим у рек умеренных широт. Зимой при охлаждении воды несколько ниже температуры ее замерзания начинается процесс льдообразования. Первое ледовое явление на рейх — сало — плавающие на поверхности воды скопления смерзшихся ледяных игл в виде пятен или тонкого сплошного слоя, внешне напоминающие пятна жира.

При обильных снегопадах, при обрушении в воду масс снега с крутых высоких берегов, при сдувании снега со склонов на охлажденной водной поверхности образуется снежура в виде рыхлой несмерзшейся массы. Образование сала, скопление снежуры на участках с замедленными скоростями течения, наиболее интенсивное охлаждение потока на мелководных прибрежных участках приводят к тому, что почти на всех замерзающих реках вдоль берегов происходит образование заберегов — полос льда, смерзшихся с берегами при незамерзшей основной части водного пространства. Одновременно с появлением заберегов при свободной поверхности воды, охлаждаемой за счет потерь тепла в атмосферу, образуется внутриводный лед — скопление ледяных кристаллов в толще воды в виде губчатой непрозрачной массы. Скопление и рост подобных кристаллов на дне реки и на подводных предметах дают начало образованию донного льда.

Образование внутриводного льда создает большие затруднения при эксплуатации водопроводов, гидроэлектростанций.

Одна из весьма распространенных форм ледяных образований на реках, связанных с внутриводным льдом,— шуга. Шугой называется всплывший на поверхность внутриводный лед в виде комьев и подледных скоплений, в массе которого часто содержится снежура, сало и мелкобитый лед. На шугоносных реках нередко образуются зажоры — стеснение водного сечения массой внутриводного льда и шугой. Выше зажора уровень воды резко повышается, взламывая ледяной покров, и вызывает затопление прилегающих участков долины. Для борьбы с зажорными явлениями прибегают к взрывным и ледокольным работам.

В ледяном покрове иногда сохраняются участки открытой воды, называемые полыньями. Возникают они на участках с большими скоростями течения воды (более 0,6—0,7 м/с), в местах выходов грунтовых вод, сбросов промышленных стоков или, если реки вытекают из озера, вследствие притока более теплых вод озера.

На малых реках вскрытие может проходить без весеннего ледохода; на реках, вытекающих из озер, часто наблюдается два весенних ледохода — сначала идет речной лед, затем озерный.

Население рек характеризуется значительным видовым разнообразием, что связано с их большой биотопической расчлененностью. Из отдельных экологических группировок значительного обилия в реках достигает планктон (реопланктон), бентос и нектон, распределение которых в потоке зависит от уровенного режима, скорости тече-4ия, прозрачности, температуры и солевого состава воды, а для обитателей дна и характера грунтов.

Видовое разнообразие реопланктона возрастает от истоков к устью реки, особенно, если река питается ледниковыми, болотными или родниковыми водами. В этих случаях в своем истоке она почти лишена фито- и зоопланктона, в толще воды преобладает бактериопланктон. С продвижением к устью реки становится больше разновидностей реопланктона; появляются планктонные водоросли (диатомовые, зеленые, сине-зеленые и др.) и планктонные животные (инфузории, бесцветные жгутиковые, коловратки, ветвистоусые рачки и др.). Важнейшее значение в реопланктоне имеют бактерии, численность которых в равнинных участках рек обычно колеблется от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов экземпляров в 1 мл. Так, в Москве-реке их содержится в 1 мл 0,4—1,3 млн, в Волге близ Куйбышева — 1—3 млн, в Кубани - 1,5—5,8 млн.

Количество планктона в реках сильно меняется на протяжении )да, падая до минимума зимой и во время половодья (за исключением бактерий, максимум которых наблюдается во время паводка) и увеличиваясь к лету.

Распределение бентоса в реках характеризуется закономерным изменением его видового состава и биомассы как вдоль реки (от истока к устью), так и в поперечном сечении (от берегов к стрежню). Как правило, от истока к устью и от стрежня к берегам видовое разнообразие бентических организмов уменьшается, биомасса, наоборот, возрастает.

Бентос рек резко обедняется в период прохождения паводков, когда при высокой скорости течения воды из грунта вымываются и сносятся вниз по течению высшие раки, олигохеты, ручейники, поденки и многие другие организмы. После прохождения паводка по мере падения скорости течения, стабилизации грунтов и их заиления бентос постепенно обогащается.

Нектон в основном представлен рыбами, видовое разнообразие которых особенно велико в реках низких широт. Например, в Юконе насчитывается 14 видов рыб, в Печоре — 29, в Енисее — 39, в Волге — 59, а в Конго и Амазонке соответственно 400 и 748 видов. Из жилых рыб в реках СССР наиболее характерны стерлядь, форель, лещ, густера, щука, судак, налим, окунь, из проходных — белуга, осетр, севрюга, семга, дальневосточные лососи, из полупроходных — вобла, тарань, усач и др.

Речной поток, русло, животные и растения, населяющие реку, образуют единый природоаквальный комплекс, части которого, обладая известной автономией, взаимосвязаны и функционируют в тесном взаимодействии друг с другом. Любое изменение одного из компонентов этого комплекса непременно отразится на всех остальных. Так, изменение морфометрических характеристик русла приводит к изменению гидродинамики потока, физико-химических свойств воды, что в свою очередь отражается на населении реки, изменение которого влечет за собой цепь других преобразований компонентов природоаквального комплекса.

Естественные изменения речного комплекса совершаются непрерывно, но, как правило, очень медленно. Зато антропогенное влияние может сказаться очень быстро и, к сожалению, часто неблагоприятно.

Озера - естественные водоемы, представляющие собой заполненные водой углубления в земной поверхности с выработанным воздействием ветрового волнения и течений профилем береговой зоны и замедленным водообменом. От реки озеро отличается, как правило, отсутствием течения, обусловленного уклоном русла, от моря — отсутствием двусторонней связи с океаном.

Каждое озеро состоит из трех взаимно связанных составных частей: 1) котловины — формы рельефа земной коры, 2) воды и растворенных в ней веществ — части гидросферы и 3) растительного и животного населения водоема — части живого вещества планеты. Размеры и форма котловин определяются их происхождением, в зависимости от которого принято выделять восемь главных генетических типов озер:

1) тектонические озера, располагающиеся в трещинах, сбросах, грабенах и отличающиеся значительной глубиной и размерами. К ним относятся озера: Каспийское, Ладожское, Онежское, Байкал, Иссык-Куль, Севан, озера африканского грабена (Виктория, Ньяса, Танганьика и др.), американские Великие озера (Эри, Онтарио, Гурон, Мичиган, Верхнее);

2) вулканические озера, занимающие кратеры потухших вулканов или располагающиеся среди лавовых полей. Распространены они в районах современной или древней вулканической деятельности (Исландия, Италия, Япония, Камчатка, Закавказье и др.);

3) ледниковые эрозионные озера, возникшие в выпаханных ледниками котловинах на крупных кристаллических массивах (Кольский п-ов, Карелия, Скандинавия, Альпы, Кавказ), и ледниковые аккумулятивные озера, расположенные среди моренных, отложений областей древнего оледенения (Прибалтика, Канада, север США и др.);

4) гидрогенные озера, связанные с эрозионной и аккумулятивной деятельностью речных и морских вод. К ним относятся старицы, плесы пересыхающих рек, озера речных дельт, озера морских побережий: лагуны — отчлененные от моря наносами заливы, лиманы — устьевые участки рек, отделенные от моря косами или барами озера Кубанских плавней, лиманы Черноморского побережья и т. д.);

6) эоловые озера — водоемы, отгороженные песчаными дюнами или образованные в котловинах выдувания, созданных ветром (Казахстан);

7) запрудные (подпрудные) озера, возникающие обычно в горных системах в результате преграждения речных долин обвалами или оползнями. Примером может служить Сарезское озеро на Памире в долине р. Мургаб;

8) органогенные озера, образующиеся дамбами из растений внутри болот или среди коралловых построек (аттолов).

В особую группу выделяются озера антропогенного происхождения: пруды, водохранилища, а также озера, возникающие на месте копей, карьеров и т. п.

Многие котловины, сформированные под действием одного фактора, затем сильно видоизменяются деятельностью других. Так, например, тектонические котловины озер Балтийского кристаллического щита позже подверглись воздействию материкового оледенения.

Большинство крупных естественных озер имеет тектоническое или ледниковое происхождение.

Изрезанность береговой линии характеризует степень неправильности очертания берегов и определяется как отношение длины береговой линии озера к длине окружности круга, имеющего площадь, равную площади озера.

Батиграфическая кривая отображает зависимость между глубинами и площадями, оконтуренными изобатами, на соответствующих глубинах;

По батиграфической (гипсографической) кривой можно определить объем водной массы планиметрированием площади между осями координат и кривой (площадь фигуры Оа Нмах. на рис. 17а) и умножением ее на значение единицы площади в масштабе чертежа.

Объемная кривая отражает связь между объемом водной массы глубиной (уровнем). На линиях, соответствующих тем или иным глубинам, откладываются в масштабе объемы воды, находящиеся под изобатами (рис. 17 б)

Для расчета количества тепла, растворенных в воде элементов, взвесей используют объемную шкалу, по оси ординат которой откладываются в масштабе вниз объемы воды под изобатами в убывающем порядке, рядом выписываются соответствующие глубины по оси абсцисс — содержание того или иного элемента в единице объема (рис. 17 в). Площадь между осями координат и кривой распределения рассчитываемого элемента по глубине представляет масштабе общее количество данного элемента в водоеме.

В приложении 5 приведены значения некоторых морфометрических параметров крупнейших озер мира. Самым большим озером с соленой водой и по площади, и по объему является Каспийское море. Из озер с пресной водой самую большую площадь зеркала имеет оз. Верхнее, а по объему — оз. Байкал; оно почти в два раза больше оз. Верхнего. Максимальные глубины свыше 1000 м имеют всего три озера в мире и свыше 500 м — пять озер.

Водный баланс озера — соотношение за какой-либо промежуток времени (год, месяц, декаду и т. д.) прихода, расхода и аккумуляции (изменение запаса воды) воды.

По приходу и расходу водной массы озера подразделяются на сточные, бессточные и с перемежающимся стоком.

Бессточные озера, так же как и сточные, принимают притоки, но в отличие от вторых не имеют ни поверхностного, ни подземного стока и теряют воду практически только на испарение.

Озера с перемежающимся стоком занимают промежуточное положение между обеими группами. Они дают сток только в период высоких вод; в межень вытекающие из них водотоки высыхают

Особую группу бессточных образуют озера, не имеющие ни стока в виде рек, ни притока и питающиеся атмосферными осадками. Они носят название глухих или замкнутых озер.

Уравнение водного баланса сточного озера имеет следующий вид-

В режиме уровней озер четко выражены как внутригодовой ход, так и многолетние вековые колебания. Внутригодовой ход зависит в первую очередь от климатических условий.

В арктическом и субарктическом климатических поясах, где испарение минимально, ход уровней озер определяется режимом атмосферных осадков и стоком талых вод. Резкий подъем уровней здесь отмечается летом, осенью идет снижение, продолжающееся до следующего летнего подъема.

В режиме уровней озер умеренного пояса в условиях континентального климата с избыточным увлажнением отмечаются четко выраженный весенний подъем, плавный спад в течение лета и осени, нарушаемый дождевыми паводками, и минимальные уровни зимой.

В аридных районах умеренных широт снеговые воды являются часто единственным источником питания озер, поэтому после резкого весеннего подъема уровня здесь происходит спад вплоть до летнего пересыхания. Для озер, питающихся водой, приносимой реками с горных ледников, характерен летний максимум уровня.

Озера областей муссонного климата умеренных широт отличаются резкими подъемами уровней летом и осенью в период дождей.

В субтропическом и тропическом поясах максимальные уровни наблюдаются зимой, минимальные — летом. В экваториальном поясе в ходе уровней отмечаются два максимума (май—июнь и декабрь) и два минимума (февраль—март и октябрь—ноябрь), сливающихся от экватора к тропикам в один максимум и один минимум.

Уровень одного и того же озера в различные годы может сильно варьировать в зависимости от особенностей метеорологических условий отдельных лет.

В многолетних колебаниях уровней озер прослеживается цикличность, связанная с изменениями солнечной активности и сменами эпох атмосферной циркуляции. Продолжительность циклов изменения объема водной массы озер и связанных с ними колебаний уровня ограничивается периодами в 20—25 и 45—50 лет, редко выходя из этих пределов.

Озерные воды как по величине солености, так и по солевому составу отличаются от вод Мирового океана и речных вод. В них нет столь характерного для вод океана постоянства количества солей и соотношения между основными ионами. По сравнению с речными водами, соленость которых редко превышает 3—5%, минерализация озерных вод колеблется от 14 мг/л, т. е. от почти дистиллированной воды до огромных концентраций насыщенных и пересыщенных растворов (более 300 г/кг).

Минерализация и химический состав озер формируются и изменяются в результате воздействия природных и антропогенных факторов, причем роль последних с развитием техники и хозяйственным освоением территорий постоянно возрастает. Основной путь поступления в озера химических элементов — сток поверхностных и подземных вод. Часть химических элементов образуется в результате процессов, происходящих в самом озере: растворение пород дна, распад илов, выделение организмами и т. д. Некоторые элементы (газы) поступают из атмосферы.

Расходуются химические элементы в результате выноса стекающими из озер водами, садки солей в самом водоеме, удаления в атмосферу и потребления организмами.

В зависимости от степени солености озера делятся на пресные — до 1°/оо, солоноватые — от 1 до 24,7°/оо (точка совпадения температуры наибольшей плотности с температурой замерзания), соляные (минеральные) — от 24,7 до 47°/оо, рассолы — более 47°/оо.

Соленость воды озер и солевой состав не остаются постоянными, а изменяются по площади, глубине и во времени. При изменении комплекса природных условий пресное озеро может перейти в солоноватое, солоноватое — в соленое и наоборот. Солевой состав будет испытывать многократные изменения — метаморфизироваться.

Солевой состав озерных вод подчинен определенным закономерностям. Установлено, что озера, расположенные в определенных географических зонах, в основном имеют и определенный, соответствующий этой зоне солевой состав воды.

Одновременно со сменой преобладаюих ионов происходит изменение степени солености : от пресных в зоне тундры до соленых и сильносоленых в зоне пустынь и полупустынь.

Иногда возникают значительные отклонения солевого состава от типичных озерных вод для данной зоны. Как правило, азональны по солевому составу озера карстовых областей. В районах с поверхностным залеганием соленостных пластов соленость озер не зависит от природной зоны.

По преобладающим в составе рапы анионам минеральные озера принято подразделять на 3 основных типа: карбонатные (содовые), сульфатные (горько-соленые), хлоридные (соленые). При изменении природных условий один тип может переходить в другой.

По происхождению солевой массы минеральные озера могут быть морскими, образовавшимися на месте отделившихся от моря заливов и лиманов, и континентальными, солевая масса которых возникла за счет атмосферных осадков и стока вод суши.

Минеральные озера служат источником ряда ценных полезных ископаемых: поваренная и калийная соли, сульфат натрия и сода, хлористый магний и бор, бром и йод. Многие из них используются и в лечебных целях.

Из всех растворенных в воде озер газов особо важное значение для жизнедеятельности организмов имеют кислород, углекислый газ и сероводород.

Кислород поступает в воду из атмосферы и продуцируется при фотосинтезе водными растениями, расходуется при окислении органических соединений, дыхании водных организмов, а также выделяется в атмосферу или избытке его в верхнем слое воды.

Углекислый газ образуется более интенсивно у дна при окислении органических веществ и при дыхании водных организмов, расходуется главным образом в процессе фотосинтеза. Сероводород образуется в придонных слоях некоторых озер при разложении белковых веществ и восстановительных процессах и в анаэробной среде (без доступа кислорода).

Иной характер носит режим растворенных газов в мелких, хорошо прогреваемых озерах с интенсивно протекающими биологическими процессами. Летом содержание кислорода в поверхностных слоях мелких озер обычно выше нормального: интенсивно протекающий фотосинтез в воде поддерживает его избыток. Но в слое температурного скачка количество кислорода резко убывает и в гиполимнионе ощущается его дефицит. Содержание углекислого газа возрастает ко дну, где он образуется при биохимических процессах. Зимой подо льдом, без доступа кислорода и при непрерывном его потреблении содержание кислорода резко падает, часто до нулевых значений у дна, количество же углекислого газа возрастает. Нередко в воде появляется сероводород, выделяющийся из органического вещества при его распаде в отсутствии кислорода. Это приводит к замору рыб — их массовой гибели.

Цвет и прозрачность воды обусловлены избирательным поглощением и рассеиванием света. Часть рассеянных световых лучей отражается молекулами воды обратно к водной поверхности, выходит в атмосферу и воспринимается глазом наблюдателя. Эти лучи и придают воде тот или иной цвет. Из видимой части спектра сильнее всего поглощается длинноволновая красная и желтая Наиболее сильному рассеиванию в оптически чистой воде подвергаются коротковолновые синие лучи; часть их после рассеивания отражается молекулами воды вверх, они преобладают в потоке рассеянного света, выходящего из воды, и придают ей синий или голубой цвет.

Взвеси, содержащиеся в воде, рассеивают и поглощают свет сильнее, чем молекулы воды. В водоемах с мутной водой свет на большие глубины не проникает, т. к. взвеси подвергают рассеиванию зеленые и даже красные лучи, и вода приобретает зеленую, а при высокой мутности желтую и бурую окраску.

Помимо рассеивания света взвеси и планктон могут изменят: окраску воды в зависимости от собственного цвета. Например, гуминовые вещества и органические взвеси окрашивают воду в желто-бурый, бурый и коричневый цвета. Самые различные оттенки может приобретать вода в период массового развития планктона: бирюзовый при цветении сине-зеленых водорослей, желтый - диатомовых и т. д

Цвет воды в различных частях одного и того же озера может значительно разниться в связи с режимом взвесей, взмучиванием отложений со дна, стоком с бассейна, развитием органической жизни. Так, цвет воды в открытой части Байкала синий, у устья р. Селенги — черно-зеленый и бурый.

Изменение цвета воды в течение года связано с годовым ходом ее прозрачности. Прозрачность воды изменяется от нескольких десятков метров в крупных глубоких озерах (Байкал 40 м, Иссык-Куль 30 м) до 3—5 м и менее в мелких озерах с мутной водой, Годовой ХОД Прозрачности озерной воды связан с режимом стока и развитием планктона. Наименьшая прозрачность бывает весной и летом в связи с половодьем и паводками, а в ряде озер также в связи с цветением. Наибольшая прозрачность в большинстве озер — зимой подо льдом.

Термический режим озер обусловлен приходом и расходом тепла во времени и распределением его в водной массе и котловине. Накопление и расходование тепла в озере за некоторый промежуток времени можно выразить в виде уравнения теплового баланса. Отбросив несущественные, бесконечно малые по величине составляющие теплого баланса (тепло, выделяемое при биохимических процессах, при переходе механической энергии в тепловую и т. д.), можно представить уравнение теплового баланса для всего водоема (водной массы и донных отложений) в следующем виде:

Перенос тепла в глубины озера, а следовательно, и термический режим глубин, связаны с двумя видами перемешивания вод: конвективным — вертикальным обменом частиц воды, связанным с разностью плотностей этих частиц, и фрикционным, возникающим в результате движения водных масс, вызванного, главным образом, ветром.

В результате поступления и отдачи тепла через водную поверхность и перераспределения его в водной массе в озерах наблюдаются различные типы термического режима.

Рассмотрим особенности внутригодового распределения температуры в пресных озерах умеренного климата.

При весенней гомотермии вода озера легко перемешивается ветром и становится однородной не только по температуре, но и по минерализации, мутности, насыщению газами и т. д. Продолжительность и интенсивность весеннего перемешивания чрезвычайно важна для жизни в озере, т. к. в этот период глубинные слои его насыщаются кислородом. Устанавливаясь обычно при температуре 4° С. гомотермия может продолжаться (при сильных ветрах) и при более высоких температурах. Так, в мелководных озерах ветровое перемешивание может поддерживать ее в течение всего безледного периода.

Эпилимнион, металимнион и гиполимнион обладают не только специфическими термическими особенностями, но и, являются зонами, в которых резко различен химический, газовый и биологический режимы.

Зимой при обратной температурной стратификации в результате охлаждения поверхностного слоя ниже температуры замерзания на несколько десятых градуса озеро замерзает.

Процесс льдообразования на озерах начинается так же, как и на реках, с возникновения заберегов и сала. На малых озерах, где тепловой запас и перемешивание невелики, а охлаждение по площади происходит почти равномерно, сплошной ледяной покров может образоваться почти одновременно на всей площади за счет смыкания заберегов, продвигающихся от берегов к центру озера. Если похолодание сохраняется, то возникновение первой ледяной корки является и установлением ледостава.

На крупных глубоких озерах со сложной формой котловины, обладающих большим и неравномерно распределенным запасом тепла и подверженных сильному ветровому воздействию, установление ледостава происходит неодновременно по площади. Продолжительность интервала времени от появления первых ледяных образований до установления сплошного ледостава на отдельных участках может доходить до 20—45 суток, а общая продолжительность замерзания всего озера может доходить до трех месяцев (Байкал, Онежское, Ладожское озера). Вначале ледообразование идет в прибрежной зоне, где формируются сало и забереги. Сильный ветер, взламывая забереги, выносит лед в центральную часть озера, где он, смерзаясь со всплывшим донным льдом, образует ледяные поля. Постепенно размеры ледяных полей увеличиваются, и устанавливается ледостав. После образования сплошного ледяного покрова, при уменьшении потерь тепла в атмосферу, возможно вскрытие глубоководных участков за счет подтаивания льда снизу и повторное их замерзание, что может неоднократно повторяться, если зима неустойчивая, а теплозапас водной массы не израсходован.

Нарастание льда идет наиболее интенсивно в первый период после замерзания, причем процесс этот происходит одновременно и снизу и сверху. Поэтому для озерного льда в большинстве случаев характерна слоистая структура: поверх прозрачного водного льда лежит мутный и беловатый водно-снеговой и снеговой лед. К весне толщина льда на озерах может достигать 200 см. Лед и особенно покрывающий его снег делают практически невозможным теплообмен между водной массой и атмосферой.

Вскрытие озер происходит под влиянием притока тепла, механического воздействия ветра и колебаний уровня воды. Стаивание льда за счет притока тепла может происходить как с верхней, так и с нижней поверхности. На малых озерах вскрытие и очищение ото льда происходит почти исключительно за счет притока тепла, лед тает на месте. На больших озерах усиливается роль ветра, наблюдается дрейф льда (ледоход), а на сточных озерах часть льда выносится реками. Вскрытие озер происходит на 8—15 дней позднее, чем вскрытие рек.

На незамерзающих озерах охлаждение, особенно интенсивное, при ветровом перемешивании и циркуляции продолжается в течение всей зимы. Температура воды в них достигает минимума перед началом весеннего нагрева; на тех из них, глубина которых не очень велика, к концу зимы устанавливается гомотермия.

В очень глубоких озерах полного перемешивания не происходит. Например, в Байкале обратная стратификация устанавливается в слое 200—250 м, глубже — всегда прямая стратификация, и на глубине 1600 м вода имеет температуру наибольшей плотности. С увеличением давления температура наибольшей плотности воды понижается, поэтому на большой глубине в Байкале она равна 3° С.

Очень своеобразен термический режим минеральных (соляных) озер. При высокой солености конвективное перемешивание в них вызывается в большей мере различиями плотности, чем температуры.

В некоторых минеральных озерах в течение года может наблюдаться только прямая или только обратная температурная стратификация в зависимости от температуры наиболее минерализованной зоды, опускающейся на дно.

В глубоких высокоминерализованных озерах, расположенных в районах с холодной зимой, низкие (часто отрицательные) температуры придонных слоев рассолов сохраняются весь год. Это обусловлено сильным зимним выхолаживанием, сопровождающимся конвекцией, малой темплопроводимостью рассолов, отсутствием перевешивания в теплый период.

Полярные (холодные) характеризуются обратной температурной стратификацией и температурой ниже 4° С в течение всего года, Циркуляцией летом. К полярным относятся озера севера Канады и Сибири, а также озера высоких гор.

Умеренные (смешанные) озера летом характеризуются прямой температурной стратификацией и температурой выше 4° С, зимой— обратной температурной стратификацией и температурой ниже 4° С. К этой группе относятся многочисленные озера в умеренных широтах Европы, Азии, Северной Америки.

Движение озерных вод может быть колебательным (волны, сейши) или поступательным (течения).

Главная причина возникновения озерных волн, так же как и океанских,— ветер; от последних они отличаются размерами и формой. Максимальная высота волн на больших озерах не превышает 4—5 м, на малых — 0,5 м.

Озерные волны круче морских, т. к. значительно уступают им по длине; обычно они имеют неправильную форму. Как правило, гребни волн не образуют правильной линии фронта, как в океане, а располагаются как бы в шахматном порядке.

Кроме ветровых в озерах образуются стоячие волны или сейши (рис. 19).

Сейши могут быть одноузловыми и многоузловыми. На размеры сейш влияет рельеф дна, конфигурация берегов, более устойчивы они в глубоких водоемах, чем в мелких.

Колебания уровня при сейшах достигают 2—2,5 м, а период — от нескольких минут до десятков часов. При различии плотности воды озер по вертикали возникают внутренние сейши. Периоды их возрастают с увеличением разности плотностей слоев воды. В пресных озерах они возникают только летом при прямой температурной стратификации, в минеральных — связаны с различием солености по вертикали. Они могут продолжаться и после затухания сейш в поверхностных слоях воды и особенно заметны после штормов.

Сейши вызывают колебания температуры, содержания кислорода, взвесей на различных глубинах, перемещения значительных по объему водных масс, водообмен между открытыми и прибрежными районами.

Течения в озерах по причинам, их вызывающим, принято делить на градиентные и ветровые (дрейфовые).

Градиентные течения, в свою очередь, подразделяются на стоковые, сточные и плотностные.

Если объем озера невелик по сравнению со стоком рек, впадающих и вытекающих из него, то в озере может существовать течение, аналогичное речному, но с меньшими скоростями.

Сточные течения образуются при неизменной массе воды озера за счет перемещения вод из одной части озера в другую. Так, после прекращения ветра, создавшего повышение уровня у одного из берегов за счет нагона, могут возникать либо сейшевые колебания,

неравномерный прогрев толщи озера;

слияние вод с различной минерализацией, как это имеет место на устьевых участках рек;

содержащей меньшее количество наносов;

различие плотности за счет разной температуры воды при сбросе в водоемы теплых отработанных промышленных стоков и т, п,

Эти течения сильнее всего выражены в периоды нагревания и охлаждения озер, когда различия температуры центральных и прибрежных районов достигают максимума. Плотностной циркуляцией может быть охвачен слой воды до глубины 50 м. (Ладожское озеро) и даже до 100—150 м (Байкал). Скорости в поверхностных слоях Ладожского озера достигают 25—35 см/с, в Байкале — 50 см/с.

Дрейфовые течения возникают в результате трения ветра о водную поверхность и охватывают верхний слой воды. Скорость поверхностного дрейфового течения зависит не только от скорости ветра, но и от его направления и продолжительности действия, распределения глубин в озере, наличия островов, изрезанности берегов и их высоты, характера погоды в предшествующий период и т. д.

Слой температурного скачка препятствует распространению этих течений в глубину. Так, в Байкале при слабовыраженной стратификации они проникают на глубину 60—80 м, а при наличии температурного скачка — всего на 5—20 м, до слоя максимальных градиентов плотности. В глубинных слоях развиваются противоположные дрейфовым компенсационные течения со скоростью не более 10— 20 см/с.

Дрейфовые течения вызывают сгоны и нагоны — перемещение масс воды захватываемого им слоя от подветренного берега к наветренному и соответствующий наклон водной поверхности.

На формирование всех течений помимо факторов, перечисленных выше, оказывают влияние постоянные силы, сопровождающие движение воды и существующие в любом случае при возникновении течения. К ним относятся: сила внутреннего трения, инерция, сила Кориолиса и центробежная сила. Сила инерции имеет значение только при небольших скоростях течения. Отклоняющее действие вращения Земли в мелких озерах “перекрывается” силой трения, а в больших — способствует возникновению круговых течений (в северном полушарии — против часовой стрелки).

Все озера, за исключением соляных озер с концентрацией рапы, достигающей насыщения, и вулканических озер, богатых свободной серной кислотой, населены водными организмами, или гидробионтами. Видовой состав и количество гидробионтов тесно связаны с физико-химическими особенностями вод и режимом водных объектов и изменяются в зависимости от зональных и азональных факторов. Озер с энедемичной фауной мало. Уникальны в этом отношении Байкал, Танганьика, Охридское, существующие с миоцена и обладающие специфическими чертами природы. Из 1200 видов, обитающих в Байкале, 3/4 эндемичны.

Органический мир озер весьма разнообразен. Так же как и в океане в нем выделяются 3 основные группы: планктон, нектон и бентос. Условия жизни гидробионтов неоднородны как в разных водоемах, так и в разных участках каждого водоема. Однако в каждом водоеме существуют участки с однородными условиями жизни гидробионтов, называемые биотопами. Наиболее крупными биотопами являются: прибрежная мелководная область (литораль), глубоководная область (профундаль) и водная толща открытой части (пелагиаль), внутри которых выделяются биотопы второго порядка, например, дно открытых каменистых прибрежий, водные массы открытой части водоема и т. п.

В пелагиали обитают планктон и нектон. Планктон представлен различными видами водорослей, простейших, бактерий, ракообразных, личинками рыб и т. д. К нектону относятся рыбы: снеток, ряпушка, корюшка, уклея, чехонь, в Байкале — омуль.

Отмершие организмы всех биотопов, а также материал, сносимый в озеро, откладываются на дне и образуют гиттию — серо-коричневую органическую массу. Постепенно уплотняясь и смешиваясь с неорганическими осадками, гиттия переходит в сапропель, или “гнилостный ил”, богатый питательными веществами, Которые и использует бентос.

Основным фактором, определяющим жизнедеятельность гидробионтов, является их питание. По условиям питания или трофности (троффос по гречески — питание, корм) озера делятся на олиготрофные (малокормные), эвтрофные (многокормные), мезотрофные (среднекормные) и дистрофные (недостаточно кормные).

В воде олиготрофных озер содержится мало биогенных элементов, жизнь развита слабо. Вода прозрачна. Цвет ее — от синего до зеленого. Донные отложения минерализованы и не поглощают из воды кислород, содержание которого даже в придонных слоях не падает ниже 60—70% насыщения. Круговорот веществ наиболее полный по сравнению с другими группами озер. Олиготрофные озера располагаются обычно среди кристаллических горных пород, часто в высокогорье (Байкал, Телецкое, Иссык-Куль, озера Кавказа, Алтая и т. д.).

Эвторфные озера обладают хорошими условиями питания и жизни растений и животных. Они отличаются большим содержанием биогенных элементов и органического вещества, сильным развитием фитопланктона и прибрежных зарослей макрофитов. Круговорот веществ неполный, значительная часть органических остатков отлагается на дне, образуя мощные толщи илов, богатых органическим веществом. К эвтрофным относятся преимущественно мелкие, хорошо прогреваемые озера с недостаточно прозрачной водой, цвет которой изменяется от зеленого до бурого.

К дистрофным относятся преимущественно озера с заболоченными водосборами. В их воде много принесенного болотными ручьями и речками торфяного дитрита-гумуса в коллоидном состоянии. При кислой реакции воды он не разлагается, а плавает в воде, придавая ей черный цвет, и откладывается на дне в виде торфяного ила. В связи с его гниением образуется дефицит кислорода. Такие озера бедны планктоном и высшей растительностью, скуден их животных мир. С течением времени дистрофные озера обычно заторфовываются и превращаются в болота.

В процессе эволюции озер ведущая роль принадлежит растительности. В распределении ее наблюдается закономерность, выражающаяся в существовании нескольких растительных зон.

Ближе к берегу всю поверхность воды усеивают листья и цветы полупогруженных растений — белых кувшинок, водяной гречихи, плавающего рдеста. Эти растения могут укореняться до глубины 2,5—3,0 м. Закрывая поверхность воды и создавая тень, они препятствуют обмену газами между водой и атмосферой.

Еще ближе к берегу над водой возвышается зона надводных растений — тростника, камышей, рогозов. Своими стеблями тростники могут уходить под воду до 2 м, а возвышаться над ней на 3 м и более. Эти растения противостоят ударам волн и предохраняют берег от размыва. Отмирая, они дают грубые донные отложения.

Выше по дну развиваются невысокие земноводные растения, обычно не заходящие в воду глубже, чем на метр: хвощ, осоки, ежеголовка, желтый ирис, стрелолист, частуха. В этой зоне нерестится большинство рыб, рано мечущих икру в более прогретой воде мелководья.

Вблизи уреза воды располагаются влаголюбивые растения, затопляемые во время половодья, и живущие на суше после спада уровня. Кроме осок здесь растут незабудки, лютики, болотник и др.

Наряду с макрофитами в прибрежье велико значение микроскопических водорослей, стремительно размножающихся и пополняющих запасы органического вещества озер.

Отмирая, растения заполняют озерную котловину отложениями, что создает условия для постепенного перемещения всех растительных зон от берега в сторону глубокой части озера. Постепенно, по мере обмеления, одна растительная зона за другой исчезают, пока озерную растительность не сменит растительность болот (рис. 20).

Для борьбы с антропогенным эвтрофированием могут применятся различные способы очистки сточных вод, искуственная аэрация. Одновременно происходит заполнение котловины озера неорганическими наносами. Они поступают в озеро с суши из-за разрушения берегов, со стоком рек, с ветровым переносом. Смешиваясь с органическими осадками, постепенно уплотняясь, они превращаются в илы и заполняют озерную котловину. Наиболее благоприятные условия для накопления органических илов создаются в мелких (2—10 м), небольших по площади, слабопроточных, защищенных от ветра озерах лесной зоны. Отложения накапливаются в первую очередь в углублениях дна. По мере накопления отложений неровности дна сглаживаются, озеро мелеет, заболачивается. Изменения водного баланса могут ускорить или замедлить этот процесс. Озера сравнительно недолговечны. Каждое озеро возникает и развивается в определенной географической среде и взаимодействует с ней. Ведущая роль в формировании и эволюции озер принадлежит интегрирующим географическим факторам: рельефу, климату и стоку. Поэтому в распространении и режиме озер четко прослеживается географическая зональность.

В зоне тундры, в условиях избыточного увлажнения озера многочисленны, но размеры их невелики. Вода в них пресная и ультрапресная.

Лесная зона умеренных широт тоже избыточно увлажнена, что благоприятствует образованию озер. Регионы этой зоны различны по рельефу и его возрасту. Здесь отчетливо выделяется несколько озерных областей со свойственными им типами озер (Карельско-Канадский, Восточно-Сибирский и др.). Все озера этой зоны пресные.

В степной зоне климатические факторы не благоприятны для образования озер. Имеющиеся озера мелководны и чаще всего минерализованы.

В пустынях и полупустынях озера приурочены к предгорьям и питаются водой, приносимой с гор. Все эти озера бессточны, минерализованы.

В саванных и влажных тропических лесах озер сравнительно немного вследствие сильного развития речной сети. Образованию Великих африканских озер способствовали глубокие тектонические котловины. Озера здесь проточные, пресные.

Каждое озеро — своеобразный аквальный природный комплекс, в котором взаимные связи компонентов хорошо прослеживаются. Возникая и развиваясь под воздействием интегрирующих географических факторов (рельефа, климатами стока), озера воздействуют на ряд компонентов ландшафта.

Географическое значение озер проявляется в следующих основных направлениях:

Озера регулируют сток, задерживая в своих котловинах полые воды и отдавая эти воды рекам в период межени. В реках, берущих начало из крупных озер, колебания уровней сглажены.

Озера часто создают подпор грунтовых вод, вызывающий заболачивание близлежащих участков суши. Они активно воздействуют на рельеф — создают пластику дна и берегов, обрывы и террасы, переполняют илами, торфом, а то и солью свои котловины, превращая их в заболоченные равнины, солончаки и даже залежи солей.

Чрезвычайно велико значение озер в народном хозяйстве. На озерах широко развито рыбное хозяйство и рыбные промыслы, по озерам проходят транспортные пути, из озерных отложений добывают минеральное и органическое сырье. В ряде районов озера являются основными источниками водоснабжения. Вода озер используется для орошения и обводнения сельскохозяйственных угодий. Возрастает рекреационное значение озер.

Водохранилища отличаются друг от друга параметрами (площадью зеркала, объемом, длиной, шириной, глубиной), конфигурацией, характером регулирования, режимом сработки, назначением, характером и степенью воздействия на природу и хозяйство прилегающих районов, технико-экономическими показателями и т. п. Вместе с тем они имеют и общие черты: почти все водохранилища образуются путем подпора рек плотинами (лишь некоторая часть образована путем обвалования участков территории дамбами с самотечной или механической подачей воды извне); большинство водохранилищ предназначается для регулирования естественного стока рек в целях комплексного использования водных ресурсов; для всех водохранилищ (за исключением тех из них, в состав которых вошли крупные естественные озера) характерны возрастание глубины по направлению к плотине, весьма замедленные по сравнению с рекой водообмен и скорости течения воды, неустойчивость летней термической и газовой стратификации и некоторые другие особенности. По полному объему и площади зеркала принято делить водохранилища на шесть категорий (табл. 9).

Водохранилища создаются во всем мире как в промышленно-развитых, так и в развивающихся странах. 30 лет назад в Африке практически не было крупных водохранилищ, а сейчас четыре из пяти крупнейших водохранилищ мира находятся на этом материке. В США в ближайшие 20—30 лет предполагается удвоить полезный объем водохранилищ, хотя эта страна по их количеству занимает первое место в мире.

Сведения о крупнейших водохранилищах мира приведены в приложении 6.

По гидрохимическим и гидробиологическим особенностям водохранилища ближе к озерам, чем к рекам. Затопленные почвы, размыв берегов, торфяники, растительность пополняют воду водохранилищ азотом, фосфором, железом, органическими веществами. Вследствие обогащения воды органическими веществами увеличивается содержание углекислоты и уменьшается количество растворенного кислорода. Наблюдается тенденция к увеличению солености, связанная с режимом регулирования и с загрязнением сточными водами.

Большое содержание биогенных веществ в воде и в затопленных почвах и растениях способствует интенсивному развитию растительных и животных организмов.

С созданием водохранилищ изменяется режим движения наносов. Характер и размеры этих изменений зависят от многих факторов: размеров, очертания в плане, величины сработки и степени проточности водохранилища, количества и крупности наносов, приносимых рекой, масштабов переработки берегов, режима течений и волнения.

Крупные водохранилища рассчитываются на заиление в течение нескольких столетий, тем не менее в практике гидростроительства известны случаи очень быстрого их уничтожения наносами.

Бороться с заилением водохранилищ можно путем уменьшения эрозии и твердого стока в его бассейне и своевременного сброса наносов из водохранилищ через специальные грязеспуски.

Водохранилища — очень сложные объекты. С одной стороны, водохранилища нужны: для обеспечения орошения и обводнения новых земельных массивов и повышения водообеспеченности поливных земель; для водоснабжения промышленных предприятий, населенных пунктов, ТЭЦ, АЭС, для организации зон отдыха и спорта вблизи городов и курортов, для использования гидроэнергоресурсов, для предотвращения наводнений. С другой стороны, создание водохранилищ осложняется нежелательными последствиями, вносимыми ими в природу и хозяйство территорий, на которых они создаются.

Во-первых, водохранилища являются одним из крупных “потребителей” земли. В настоящее время только у нас в стране под водохранилища изъято 0,5% площади сельскохозяйственных угодий. В зону затопления попадают и леса, и недра, и населенные пункты.

Во-вторых, со строительством плотин изменяется не только гидрологический режим реки, о чем мы уже говорили, но и весь комплекс природных условий на прилегающих к водохранилищам территориях (повышается уровень грунтовых вод, понижаются летние и повышаются зимние температуры воздуха, усиливается ветровая деятельность, повышается влажность воздуха, изменяется растительность и животный мир и т. д.).

Поэтому при проектировании и обосновании народнохозяйственной целесообразности создания водохранилищ необходимо в полной мере учитывать все положительные и отрицательные последствия для природы и хозяйства не только в период заполнения и в первые годы эксплуатации водохранилищ, но и в прогнозируемой перспективе. Последствия создания водохранилищ должны учитываться и в прилегающих районах и на удаленных территориях. Это задача многих специалистов, в том числе и географов.

Болота — участки поверхности суши с избыточным увлажнением, покрытые влагообильной растительностью и характеризующиеся процессом образования торфа, слой которого имеет мощность не менее 30 см (в осушенном состоянии 20 см). Участки избыточного увлажнения с менее мощным слоем называются заболоченными землями.

Болота могут образовываться в результате зарастания озер и заболачивания суши. Процесс зарастания озер рассмотрен выше. Главной причиной образования болот на суше является постоянный избыток влаги в почве и на ее поверхности при условии слабой проточности вод и замедленном общем водообмене. Избыток влаги в почве и на ее поверхности, вызывая недостаток кислородного обмена и затрудняя доступ воздуха в поры почво-грунтов, обусловливает неполное окисление отмирающих остатков растений, образование гуминовых кислот и консервацию органического материала. Последний, постепенно уплотняясь и деформируясь под действием собственного виса и капиллярного давления влаги в порах, превращается в органическую породу — торф, отличающуюся большой водоудерживающей способностью и исключительно высоким содержанием воды.

Многочисленными исследованиями установлено, что торф в естественном состоянии содержит воды от 88 до 97% по объему, сухого вещества — от 10 до 2% и газов — от 1 до 7%. Но назвать болота водоемами нельзя, т. к. большая часть воды находится в связанном состоянии (осмотическая, адсорбированная, химически связанная, капиллярная).

Болотообразовательные процессы имеют место в условиях как холодного, так и теплого климата на равнинных территориях, в горах и на горных склонах. Однако интенсивность их в разных климатических и орографических условиях различна и зависит от двух основных причин: общей увлажненности территории и количества поступающего тепла. В климатической зоне избыточного увлажнения, где осадки значительно превышают возможное по теплоресурсам испарение, болота могут располагаться на любых элементах и формах рельефа: на водораздельных плато и на пологих склонах междуречий, на речных и озерных террасах и в поймах рек. В зоне недостаточного увлажнения они приурочены только к отрицательным формам рельефа: котловинам, понижениям, депрессиям, речным поймам, подножиям речных террас, где в балансе водного питания болот основную роль играют поверхностный и подземный притоки.

На заболачивание земель существенное влияние могут оказывать различные формы хозяйственной деятельности человека. Например, строительство плотин на реках и создание водохранилищ вызывает подъем грунтовых вод на прилегающих территориях, следствием чего является ухудшение естественного дренажа земель и отвода избытка влаги из почв. Крупные сплошные вырубки лесов при ровном рельефе местности, снижающие транспирацию влаги и ухудшающие инфильтрационную способность почво-грунтов, также могут стать причиной заболачивания почв. Аналогичное действие оказывают лесные пожары, прокладка различных коммуникаций с нарушением поверхностного и подземного стока и т. д. Благоприятные условия для развития болот существуют в области многолетней мерзлоты.

В зоне избыточного увлажнения выделяют 3 фазы центрально-олиготрофного хода развития болотных массивов. В первой фазе скорость торфонакопления в первичном очаге заболачивания неравномерна. В наиболее низкой части, где проточность наименьшая, растительные осадки разлагаются медленно, поэтому здесь скорость торфонакопления максимальная. В тех местах депрессии, где некоторое время сохраняется повышенная проточность, скорость торфонакопления ниже. Таким путем первоначальный вогнутый рельеф первичной впадины благодаря различной скорости торфонакопления постепенно выравнивается. Во второй фазе торфонакопления по всей территории болотного массива проточность очень мала и только в контактной зоне с окружающими минеральными почво-грунтамии вследствие сохранения здесь местных уклонов она остается повышенной. Поэтому скорость торфонакопления по всей площади массива выравнивается, за исключением краевых участков, где она остается наименьшей и где появляется сток воды, направленный за пределы болота. Появление проточности воды на периферии массива замедляет здесь торфонакопление. Благодаря этому поверхностность центральной части болота начинает постепенно возвышаться над его краями, и болотный массив постепенно принимает хорошо выраженную выпуклую форму рельефа. Болото вступает в третью фазу своего развития. Образование выпуклого рельефа в третьей фазе развития болотного массива резко дифференцирует водное питание различных его частей. Если в первых двух фазах развития водное питание складывается из атмосферных осадков, притока поверхностных и грунтовых вод с окружающих незаболоченных территорий, то с момента появления выпуклого рельефа вся основная часть массива начинает получать питание только за счет атмосферных осадков. Но на периферийные участки болота продолжают поступать поверхностные и подземные воды и с окружающих незаболоченных территорий. Поэтому периферийные участки оказываются наиболее увлажненными, и процесс наступления болота на минеральные почво-грунты ускоряется. Скорость вертикального торфонакопления, состав и распределение растительного покрова на большей части массива оказываются зависящими только от соотношения количества атмосферных осадков и интенсивности их стекания.

Для зоны недостаточного увлажнения характерны только первые две фазы развития болот. Образование выпуклого рельефа болотных массивов здесь невозможно, т. к. атмосферное питание в этих условиях всегда меньше испарения.

Каждая из трех основных фаз развития болотных массивов характеризуется не только определенными условиями водно-минерального питания, но и соответствующим экологическим типом растительности.

Низинные болота широко распространены в зоне полесий, на поймах больших рек западной Сибири и в других районах.

На первой стадии второй фазы, когда еще не сформировался выпуклый рельеф болотного массива, эвтрофная растительность сменяется мезотрофной, занимающей промежуточное положение в отношении требований к условиям питательности среды. Низинные болота трансформируются в переходные (мезотрофные). Для них характерна средняя обводненность и изменение проточности от слабой до значительной. Переходные болота- это осоково-сфагновые болота, как правило, лесные (сосна, береза, кустарники, осоки).

Переходные болота преобразуются в верховые (олиготрофные). Верховые болота характеризуются небольшим количеством видов растений. На слабообводненных массивах преобладают сфагновые мхи. На очень больших площадях верховых болот формируется сток внутри болот, что обусловливает появление грядово-мочажин-ных комплексов, образование озер и т. п.

Верховые болота преобладают в зоне избыточного увлажнения. Следует иметь в виду, что при центрально-олиготрофном ходе развития болотного массива смена эвтрофной растительности на мезотрофную и затем на олиготрофную происходит в начале в центральных частях, наиболее удаленных от границ болотного массива. На окраинах массива эвтрофная и мезотрофная растительность сохраняется часто до поздних стадий его развития.

При периферически-олиготрофном ходе развития массивов заболачивание и процесс накопления торфа идет в долинах и вытянутых понижениях, по тальвегу которых протекают ручьи и речки. В этом случае полоса болота, примыкающая к ручью, имеет меньшую скорость торфонакопления и лучшие условия естественного дренажа и водно-минерального питания, благодаря чему здесь дольше всего сохраняется эвтрофная или мезотрофная растительность. Переход из первой фазы вогнутого рельефа во вторую и затем в третью здесь выражается в том, что в обе стороны от ручья рельеф массива может меняться из вогнутого в ровный и затем в выпуклый, но с сохранением общего уклона поверхности в сторону ручья. При этом смена эвтрофной растительности на мезотрофную и олиготрофную происходит вначале на участках болота, удаленных от русла, а уже затем вблизи ручья, когда заторфовывается русло и проточность его и дренирующее действие снижаются.

При более или менее равнинном рельефе и в условиях достаточной влажности воздуха отдельные болотные массивы на различных стадиях развития объединяются. Образуются болотные комплексы с очень сложной внутренней и поверхностной гидрографической сетью. Кроме микроландшафтов, характерных для различных стадий развития отдельных массивов, здесь возникают новые ландшафтные образования в виде контактных топей, изолированных минеральных островов с характерными топями вокруг них, возникают болотные речки, дающие начало рекам и т. д.

Болота занимают около 10% территории СССР. Больше всего болот в зоне тундры и тайги. В тундре, при малом испарении и равнинном рельефе, заболоченность достигает 50% и более, но накопление торфа из-за низких значений температуры и короткого вегетационного периода идет медленно и мощность его мала. Наиболее благоприятные условия для образования болот (избыточное увлажнение земли, длительный и теплый вегетационный, период) в лесной зоне, благодаря чему здесь наибольшие площади болот и 80% запасов торфа, мощность которого 4—6, а местами 10 м и больше. Доминируют верховые (олиготрофные) болота, низинные играют подчиненную роль.

В лесостепной зоне заболоченность резко уменьшается, до 3— 5%; преобладают низинные (эвтрофные) болота. В степной зоне редки даже такие болота. В пустынях встречаются только заболоченные земли без торфа, избыточно увлажняемые при половодьях или паводках,

Торф осушенных болот применяют в качестве топлива для промышленности и электростанций Торф низинных болот — хорошее азотистое удобрение Прессованный торф может служить строительным материалом. Из мохового слоя верховых болот изготавливают картон, из него же можно получать винный спирт Планируется использование торфа в микробиологической промышленности

Однако при осушении болот должны быть предусмотрены все возможные его последствия Неумеренное осушение верхнего слоя освоенной торфяной залежи может привести к его развеванию и возникновению практически не пригодных земель Избежать этого можно при строительстве мелиоративных систем двойного регулирования, которые позволяют поддерживать оптимальную влажность почвы как в периоды избыточного, так и недостаточного увлажнения

Верховые болота наиболее целесообразно использовать в естественном состоянии как водоохранный гидрологический фактор, переходные для лесного и сельского хозяйства, низинные — для сельского хозяйства Планирование использования болот должно быть направлено на максимальное снижение торфодобычи на топливо и другие нужды

Ледники (глетчеры) — движущиеся многолетние толщи льда, возникшие на суше в результате накопления и постепенного преобразования твердых атмосферных осадков Движение, обусловленное свойствами самого льда, отличает ледники от снежников (остатки зимнего снегового покрова, сохраняющиеся в течение части теплового периода), от мертвого льда (бывших ледников) и от водных льдов, разносимых ветрами или течениями

Образование ледников возможно там, где твердых осадков выпадает больше, чем за это же время успевает растаять и испариться, т е там, где их баланс положителен С поднятием в горы количество осадков, выпадающих в твердом виде, будет больше, температура воздуха ниже и потребуется больше и солнечной энергии и времени, чтобы этот снег растаял. Чем выше местность над уровнем моря, тем больше проявляется такая закономерность. И наверняка на земной поверхности мы можем найти высоту над уровнем моря с таким сочетанием климатических и других факторов, где количество выпавших за зиму твердых осадков будет равно количеству их, израсходованных на таяние и испарение за теплый период. Это линия нулевого баланса, или снеговая линия. Среднее многолетнее положение этой линии называют климатической снеговой линией, среднее положение за сезон - сезонной, а положение в данное время - местной или истинной снеговой линией. Ниже снеговой линии твердых осадков выпадает меньше их возможного расхода, выше - приход больше расхода, но только до известной предельно! высоты, на которой вновь станет равным расходу; здесь находится верхний уровень нулевого баланса твердых осадков. Выше этого уровня количество твердых осадков опять становится меньше их возможного расходования.

Нижняя и верхняя границы нулевого баланса твердых атмосферных осадков, объемлющие земной шар со всех сторон, образуют оболочку неправильной, но в общем сферической формы, внутри которой возможно непрерывное накопление снега и, стало быть, зарождение ледников. Эта оболочка получила название хионосферы.

При благоприятных условиях рельефа (углубления, затемненные участки склонов) твердые осадки могут накапливаться ниже климатической снеговой линии, образуя постоянные снежники. Нижняя граница их распространения — орографическая снеговая линия; она может находиться на несколько десятков и даже сотен метров ниже климатической. Высота снеговой линии зависит главным образом от климата и рельефа подстилающей поверхности. В полярных областях она располагается практически на уровне океана, в сторону экватора поднимается, достигая максимальных высот (до 6400 м) близ субтропиков.

Выше снеговой линии расположено 10% суши. Верхней границы хионосферы не достигают даже самые высокие горы на Земле. Оказавшиеся выше нее вершины гор были бы бесснежными.

Основным источником питания ледников являются твердые атмосферные осадки, однако существуют и некоторые другие, второстепенные источники питания. К ним относятся:

1) нарастающие осадки — иней, изморозь;

2) наложенный лед — талые воды сезонного снега, попавшие внутрь ледника;

Приведенные примеры показывают только порядок величин, т к каждый ледник в разных своих точках, в разное время суток, в разные сезоны и в разные годы движется с различными скоростями.

Распределение скоростей в леднике сходно с их распределением в водном потоке Скорость движения льда постепенно, без скачков уменьшается от середины к краям и от дна к поверхности вследствие трения ледника о борта и ложе занятого им русла. Следует отметить, что хотя средние части ледника и движутся быстрее боковых, но максимальная скорость движения характеризует не ось ледника Линия наибольшей скорости — своего рода “ледниковый стрежень” — смещается то к правому, то к левому берегу, в зависимости от изгибов ледника, приближаясь к “подмываемому” берегу ледниковой долины На очень широких ледниках обнаруживается иногда несколько стрежней, между которыми продольно располагаются пояса с меньшей скоростью Линия наибольшей скорости совпадает с зоной наибольшего поднятия поверхности ледника

Весьма своеобразно распределение скоростей поверхности ледника по продольному профилю Обычно на обоих концах горного ледника скорости равны нулю, от головы ледника в сторону фирновой линии скорость увеличивается, достигает максимума несколько ниже фирновой линии и затем постепенно уменьшается к концу ледника В ледниковых щитах скорость движения увеличивается от центральных частей к периферическим

На некоторых выводных ледниках Гренландии скорость увеличивается к концу ледника.

Представление о распределении скоростей в леднике затруднено тем, что они со временем изменяются: днем и ночью, зимой. И летом ледник движется по-разному. Изменение скорости происходит также и от года к году, и эти колебания могут охватывать многолетние периоды.

Особое место занимают пульсирующие горные ледники, увеличивающиеся в длину за несколько месяцев на 3-5 км. Скорость движения достигает 100-200 м/сут. и более. Характерно, что период пульсаций (подвижек) у них постоянный. Причина больших скоростей пульсирующих ледников еще полностью не выяснена. Высказывается предположение о роли возникающего у дна слоя талой воды, действующей как смазка. Пульсирующие ледники характерны для горных районов Средней Азии, полярных островов. Только в нашей стране их обнаружено уже более 70.

Во время движения в леднике возникают напряжения, приводящие к образованию трещин, т е. вертикальных разломов В результате различия скоростей между осевой и боковой частями ледника образуются боковые трещины. При выходе ледника из узкого участка долины в расширенные в его теле появляются продольные трещины, направленные параллельно течению ледника, но иногда и радиально. При резком увеличении уклона льда (на 2—3° и более) лед раскалывается поперечными трещинами. На очень крутых перегибах продольного профиля образуются ледопады. Здесь трещины иногда настолько обильны, что площадь, охваченная ими, оказывается больше площади, занятой неразорванными массами льда.

Внутри Гренландии и Антарктиды трещин почти нет, но в окраинных областях ледниковых щитов их может быть очень много.

Длина трещин — от нескольких десятков до многих сотен метров, ширина исчисляется обычно метрами, реже — десятками метров, глубина — не более 60 м. Большинство трещин книзу смыкается.

Очевидно, что состояние ледника определяется соотношением в нем между накоплением и расходом вещества в целом. Соотношение это, т. е. разность между аккумуляцией и абляцией, называется балансом ледника. Равенство прихода и расхода говорит о стационарности ледника. Если приход превышает абляцию (баланс положительный), ледник может наступать. Если абляция превышает аккумуляцию (баланс отрицательный), ледник находится в стадии отступления. Наступление сопровождается увеличением скорости течения льда Количество трещин на леднике становится больше, учащаются ледопады и т. д. Иными словами, активность ледника

Ников (туркестанский тип), и ледники ущелий, текущие в очень узких долинах (их много на Кавказе). Концы некоторых ледников, имеющих обильное питание, по выходе из долины на предгорную равнину растекаются и образуют расширенный конец, наподобие дельты или конуса выноса. Это - ширококонечные ледники.

В результате объединения отдельных ледников образуются ледниковые комплексы. В них каждый ледник - часть целого, зависящая от всей системы. Наиболее простая форма связи осуществляется в так называемых переметных ледниках, которые залегают на двух противоположных склонах хребта, но соединяются верхними частями на гребне, К слабо расчлененным плоскогорьям с волнистой поверхностью приурочены ледники плато (скандинавский тип), На пространстве сотен квадратных километров эта поверхность погребена под снегом, фирном и льдом, По речным долинам, врезанным в окраины массива, стекают ледники типа долинных. Следовательно, в таком комплексе у всех ледников бассейн питания единый, а каналы стока раздельные.

Покровные ледники — обширные ледяные покровы большой мощности — перекрывают полярные острова и Антарктиду. Подледный рельеф на их поверхности не проявляется, и последняя представляет собой почти плоскую белую пустыню. Такие ледники называют ледяным щитом. Ледяные щиты, занимающие целиком небольшие острова, называют часто островным льдом (ледяной шапкой).

Типичные области материкового покровного оледенения — Гренландия, Антарктида; островной лед покрывает архипелаг Франца-Иосифа, отдельные ледяные шапки характерны для Исландии, Северной Земли и т. д.

Айсберги опасны для мореплавания. Столкновение с ними было причиной гибели многих судов (например, гибель “Титаника” в 1912 г).на - несколько десятков километров.

Каждая ледниковая эпоха совпадает с величайшими преобразованиями поверхности Земли. В это время активизируются движения земной коры, идет горообразование, регрессируют моря, изменяется береговая линия и т. д.

2) потери пресной воды вследствие сокращения водоносности рек и других причин;

3) загрязнение водоемов промышленными и бытовыми стоками, о росте потребления воды мы уже сказали. Заметим, что рост

потребления воды будет продолжаться, Поэтому, бережное, рациональное использование воды становится особенно важной задачей;

Представление о влиянии роста народонаселения на потребление воды дает табл. 13. Ее анализ показывает, что в связи с ростом населения в течение века (1850—1950 гг.) обеспеченность водными ресурсами на душу населения уменьшалась в 2,1 раза, а за последние 30 лет (1950-1980 гг.), т.е. за период, меньший в 3 раза, - в 1,7 раза, за два десятилетия до 2000 г. снижение обеспеченности населения водными ресурсами будет происходить еще быстрее, чем в течение 100 лет до 1950 г.

Потери пресной воды могут происходить по разным причинам,

Важное место в этом занимает явление сокращения водоносности рек, свойственное большинству рек стран мира. Связано оно с вырубкой лесов, распашкой лугов, осушением пойменных болот и т. д.

Более всего сказывается на недостатке пресной воды загрязнение водоемов промышленными и бытовыми стоками. Вода многих загрязненных рек и озер становится непригодной не только для питья, но и для других бытовых и промышленных нужд.

Масштабы загрязнения внутренних водоемов в настоящее время принимают угрожающие размеры. В большинстве стран Западной Европы и в США, например, наблюдается сильное загрязнение, по существу, всех крупных рек. По данным Всемирной организации здравоохранения 2 млрд человек не обеспечено питьевой водой надлежащего качества.

В США длина сильно загрязненных рек превышает 2000 км. Более 100 млн жителей страны пользуется питьевой водой из рек и озер, загрязненных сточными водами. На дне реки Потомак, на которой расположен Вашингтон, слой сложившихся отбросов достигает местами до 3 м. На реке запрещено даже катание на водных лыжах из опасения, что брызги, содержащие болезнетворные бактерии, могут привести к заболеванию спортсмена.

Сильное загрязнение водных источников приводит в ряде случаев к трагическим последствиям. Так, в г. Аламогордо (штат Нью Мексико) были отмечены случаи странной болезни, которая не щадила ни взрослых, ни детей. Исследованиями установлено, что у всех больных оказалось отравление

Американские экономисты указывают, что в США пресной воды хватит только до 2000 года. Самое дорогое сырье в Америке— это вода; стоимость поступающей в водопроводы воды ежегодно составляет не менее 5 млрд долларов.

Многие реки и озера подвергаются загрязнению и в нашей стране. Достаточно назвать широко обсуждающиеся проблемы загрязнения озер: Байкала, Ладожского, Ханки, Иссык-Куля, рек — ролги, Днепра, Амура, Дона и др.

Основными источниками загрязнения и засорения водоемов являются: 1) сточные воды промышленных коммунальных предприятий; 2) отходы производства при разработке рудных и нерудных ископаемых; 3) воды шахт, рудников, нефтепромыслов; 4) отходы древесины при заготовке, обработке и

Таблица 13. Эволюция годовой обеспеченности населения мира ресурсами стока (по М.И.Львовичу)

Приложение 1

Круговорот основного состава вод Мирового океана

Приложение 2

Баланс кислорода, фосфатов, растворенной кремнекислоты

Приложение 3

Индийский 76,17 3560 47 748 10 - -

Северный

Ледовитый 14,75 3100 210 - - 2040 138

Мировой 361,26 16410 45 4108 11 7840 22

Атлантич-й 91,66 10370 113 - - 570 6

Индий-й 76,17 - - 568 7 765 10

Северный

Тихий 178,68 1330 7 1800 10 975 5

Мировой 361,26 11700 32 2368 7 2310 6

Приложение 3*

П р и м е ч а н ие. Величина притока подземных вод, не дренируемых реками, для отдельных океанов оценена ориентировочно, исходя из длины береговой линии.

Приложение 4

Приложение 5

Крупнейшие озера