Круговорот воды в природе

Вода испаряется, выпадает в виде осадков, стекает или уходит в грунт.

После дождя лужа исчезает, но её вода не пропадает. Одни её частицы уходят в воздух, другие просачиваются в почву, третьи попадают в ручей. Проследим все эти пути: так привычная схема из учебника станет понятной картой того, что происходит у вашего дома.

В статье вы узнаете:

• Куда вода уходит после дождя и снегопада
• Как она возвращается в воздух и выпадает с осадками
• Почему путь воды разветвляется
• Как перевести миллиметры дождя в литры

Круговорот воды можно начать изучать с обычной лужи

Представьте ливень над городом. У подъезда образовалась лужа, по бордюру побежал поток, а на газоне земля потемнела. Это три разных судьбы одной и той же дождевой воды. Часть лужи испарится, когда поверхность нагреется и воздух над ней станет суше. Поток уйдёт в ливневый сток и дальше в водоём или очистную систему. Вода на газоне просочится между частицами почвы; часть её возьмут корни, часть может пройти глубже.

Слово «круговорот» означает постоянный обмен водой между местами, где она находится. Главные запасы находятся в океане, льде, подземных водах, озёрах и реках; совсем небольшая по сравнению с океаном доля находится в атмосфере. Вода переходит из одного запаса в другой. Для этого она то становится паром, то снова жидкостью, то превращается в снег или лёд. Источник энергии для большой части этих перемещений - Солнце, а сила тяжести помогает воде падать и течь вниз.

На рисунке важно смотреть не только вверх и вниз. После осадков есть развилка: вода может стекать, впитываться, задерживаться в снежном покрове или быстро вернуться в атмосферу. Поэтому удобнее читать схему как сеть путей, а не как круговую стрелку вокруг облака. Геологическая служба США описывает круговорот именно как потоки между запасами воды, включая подземные воды и живые растения. [USGS, Water Cycle]

Куда уходит вода, когда дождь закончился

По поверхности. С крыши и асфальта вода стекает почти сразу. Плотная глина пропускает её медленнее, и при сильном дожде тоже появляется поверхностный сток. Так возникают ручейки, реки и паводковый поток. В городе часть воды попадает в ливневую канализацию; куда она идёт дальше, зависит от местной сети. В лесу или на рыхлой почве поверхностного стока может быть меньше при том же дожде.

В почву. Капли проходят в поры между её частицами. Это называется инфильтрацией, проще говоря, впитыванием. Часть воды задерживается в верхних слоях, доступных корням. Другая просачивается глубже и, если достигает зоны, где все поры заполнены водой, пополняет подземные воды. Они движутся медленно и могут выйти наружу родником либо подпитывать реку снизу, в том числе спустя время после дождя.

В растения и воздух. Корни берут воду из почвы. Часть нужна самому растению, а значительная часть возвращается через листья водяным паром. Этот процесс называется транспирацией. Прямое испарение с мокрой земли, воды и листьев тоже возвращает влагу в воздух.

В снег и лёд. Если осадки выпали снегом, вода задержится в снежном покрове; часть многолетнего снега может стать ледниковым льдом. При таянии вода уходит в ручьи, реки и почву. Значит, вода после одного ливня может вернуться в реку уже сегодня, а другая часть проведёт под землёй гораздо дольше. После снегопада сроки будут иными. Универсального «времени одного круга» нет.

Какой путь окажется главным, зависит от поверхности и самого дождя. Если сухая рыхлая почва успевает принимать воду, больше влаги войдёт внутрь. Если дождь сильный, грунт промёрз или сверху сплошное покрытие, поток по поверхности вырастет. Даже на одной улице газон и парковка дадут разные результаты. USGS отдельно показывает, как уклон, тип почвы, растительность и интенсивность осадков меняют впитывание. [USGS, Infiltration]

Как вода поднимается в воздух без кипения

Мокрая футболка высыхает при комнатной температуре. Лужа делает то же самое: отдельные молекулы воды уходят с поверхности в воздух. Для испарения не нужно доводить всю воду до кипения. Тепло, ветер, сухость воздуха и открытая площадь поверхности влияют на скорость, но испарение возможно и в прохладный день.

Водяной пар невидим. Белая «струйка пара» над чайником состоит главным образом из крошечных капель, которые образовались, когда горячий влажный воздух остыл. Настоящий водяной пар вокруг нас можно не видеть вовсе. Это важное различие: в воздухе бывает вода, даже когда небо чистое.

Море и океан дают большую часть водяного пара в атмосферу, но источники есть и на суше: озёра, влажная почва и растения. Растение не «выталкивает» дождь вверх. Оно берёт жидкую воду корнями и выпускает часть её в атмосферу через листья. Ветер затем переносит влажный воздух, иногда далеко от места испарения.

Тепло при испарении переходит в водяной пар, а при последующей конденсации выделяется в окружающий воздух. Поэтому круговорот переносит между местами не только воду, но и энергию. Для понимания обычной лужи это дополнительная деталь; для погоды и климата она существенна.

Как из невидимого пара получается облако и дождь

Влажный воздух может подняться над нагретой землёй или вдоль склона горы. Во время подъёма он расширяется и обычно охлаждается. Когда охлаждения достаточно, часть невидимого водяного пара превращается в мельчайшие капли на частицах в воздухе. Видимое облако состоит из капелек воды, кристаллов льда или их смеси. Сам по себе невидимый пар белым облаком не выглядит.

Капельки в облаке очень малы. Чтобы осадки дошли до земли, частицы должны вырасти; в разных облаках это происходит через столкновения капель и рост ледяных кристаллов. Облако может пройти над вами и не дать дождя, а ветер способен перенести влагу на другой склон или к морю. Подробный путь от облачной капли до ливня мы разобрали в статье «Как образуется дождь».

Осадки возвращают воду на землю в виде дождя, снега, града и других форм. Но возвращают её не обязательно туда, откуда она испарилась. Вода может испариться над морем, выпасть снегом в горах, весной уйти в реку и через неё вернуться к морю. Этот маршрут занимает больше времени и проходит через несколько разных запасов.

Почему море солёное, а дождь обычно нет

Когда морская вода испаряется, в воздух уходят главным образом молекулы воды. Растворённые соли преимущественно остаются в море. Так устроено и получение соли в испарительных бассейнах: вода уходит, соль остаётся. Поэтому облако, образовавшееся из испарившейся морской воды, не состоит из «солёного пара».

Дождь при этом не следует называть абсолютно чистой дистиллированной водой. По пути капли взаимодействуют с воздухом, собирают растворённые газы и частицы. Ветер также может занести к ним морской аэрозоль. Для питья или опыта, где нужна чистая вода, дождевые капли требуют отдельной оценки и очистки. Почему в самом море соли накапливаются, а река кажется пресной, объясняем в статье «Почему море солёное».

Этот пример помогает не перепутать путь воды и путь растворённых в ней веществ. Вода способна многократно менять состояние и место, а соль часто остаётся в водоёме или породе, пока её не перенесёт река, брызги и другой процесс.

Почему схема из одного круга полезна, но не полна

В учебнике часто рисуют океан, стрелку к облаку, дождь над горами и реку обратно к океану. Такая схема верно показывает главные переходы, но одна молекула воды не обязана пройти все станции по порядку. Она может много раз испариться и выпасть над океаном. Может застрять в снегу. Может просочиться в почву и вернуться в воздух через растение, так и не попав в реку.

Нельзя назначить одной капле точное расписание. В атмосфере вода обычно задерживается намного меньше, чем в ледниках или некоторых подземных водах. Даже в одном водоносном слое есть быстрые и медленные пути. Поэтому фраза «дождь сейчас вернулся из океана» звучит красиво, но реальную биографию отдельных капель без специальных измерений не восстановить.

Люди тоже меняют развилки. Асфальт и крыши уменьшают место для впитывания и могут ускорять поверхностный сток. Водохранилища задерживают воду, водозабор направляет её в дома и поля, а насосы поднимают воду из подземных слоёв. Всё это остаётся частью того же круговорота, но меняет, где и когда доступна вода. Климат влияет на испарение, осадки, снег и лёд; последствия различаются по регионам, поэтому для конкретного места нужны наблюдения, а не только общая схема.

Сколько воды означает 10 мм дождя

Когда прогноз сообщает «10 мм дождя», речь идёт о слое воды высотой 10 мм на горизонтальной поверхности, если бы вода не стекала и не впитывалась. Один миллиметр на одном квадратном метре равен одному литру: 0,001 м × 1 м² = 0,001 м³ = 1 л. Поэтому 10 мм дают 10 л на квадратный метр.

Возьмём крышу, горизонтальная проекция которой составляет 80 м². После дождя в 10 мм на неё теоретически попадёт 80 × 10 = 800 л воды. Это уже не крошечные капли из схемы, а восемьсот литров, которые куда-то должны уйти. В природе похожий вопрос решается стоком, впитыванием и испарением. У дома вода может уйти в желоб и трубу.

Если хочется собрать её для полива, 800 л не равно гарантированному объёму в бочке. Часть воды потеряется на мокрой поверхности, брызгах, первом сбросе загрязнений и переливе, если бак мал. В калькуляторе сбора дождевой воды можно ввести площадь крыши 80 м² и осадки 10 мм, а затем отдельно учесть потери и объём бака. Он покажет ожидаемый сбор и перелив. Сначала сверяйте площадь именно горизонтальной проекции, а не сумму площадей скатов: дождь измеряют на горизонтальной поверхности.

Как показать часть круговорота дома

Возьмите прозрачную банку с небольшим количеством тёплой, но не горячей воды. Закройте её прозрачной крышкой или плёнкой и положите сверху пакет со льдом так, чтобы талая вода не попадала внутрь. Через некоторое время на внутренней стороне крышки появятся капли. Вода снизу испаряется, невидимый пар встречает холодную поверхность и превращается обратно в жидкость. Если капли вырастут, они стекут или упадут вниз.

Не ставьте закрытую стеклянную банку на нагреватель и не наливайте кипяток: для наблюдения это не нужно. Лучше смотреть при хорошем свете сбоку и записать, на какой стороне крышки появились капли. Если они снаружи, это могла быть влага комнатного воздуха, а не вода из банки.

Опыт показывает испарение и конденсацию. Он не воспроизводит настоящую атмосферу: там воздух движется, облачные капли растут разными путями, а дождевая вода затем стекает или уходит под землю. Для всей картины нужно снова вернуться к схеме и к лужам после дождя.

Частые вопросы

Круговорот воды когда-нибудь останавливается? В масштабах Земли обмен между запасами идёт постоянно, хотя в конкретном месте сегодня может не быть ни дождя, ни заметного испарения. Вода может задерживаться в снегу, озере или под землёй, а потом продолжить путь.

Может ли лужа исчезнуть без солнца? Да. Вода испаряется и в пасмурный день; ветер и сухой воздух помогают ей уходить. Часть может впитаться в почву или стечь через щели и уклон.

Вся ли вода из дождя возвращается в море? Не сразу и не обязательно по поверхности. Часть испарится на суше, часть пройдёт через растения, часть окажется под землёй или в снеге. На больших временных масштабах водные запасы связаны, но отдельная порция может многократно менять путь.

Откуда у реки вода между дождями? Её могут поддерживать подземные воды, талый снег и притоки выше по течению. У конкретной реки источники и их доли меняются по сезону.

Круговорот воды состоит не из одной дорожки от моря к облаку и обратно. После дождя вода разбегается по поверхности, уходит в грунт и растения или возвращается в воздух; после снегопада часть надолго задерживается в снежном покрове. Посмотрите на дождь у собственного дома: где он течёт, где впитывается и какая часть могла бы заполнить бак. Это и есть круговорот, который можно увидеть без глобуса.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.