Водний баланс Землі — кількісне вираження планетарного гідрологічного кругообігу, який зумовлює невичерпність водних ресурсів. Водний баланс Землі тісно пов'язаний з тепловим балансом і поряд з ним є одним із найважливих показників для характеристики природних зон. Жива речовина (сукупність всіх живих організмів, що мешкають на нашій планеті) відіграє активну роль у визначенні швидкості кругообігу води на Землі. Підраховано, що вся вода планети проходить через живу оболонку Землі за 2 млн років. Розрахунком складових водного балансу широко користуються в гідрології і в метеорології для вивчення водного режиму.
Водний баланс суші характеризується основною залежністю: кількість атмосферних опадів, що випадають на даній території, дорівнює сумі випаровування, стоку та накопичення (або витрати) води у верхніх шарах літосфери. Для всієї земної кулі за річний період і для середніх багаторічних умов його окремих територій останній член водного балансу дорівнює нулю.
Водний баланс атмосфери істотно залежить від умов атмосферного вологообороту, в ході якого водяна пара переноситься з одних районів в інші. Хоча випаровування з поверхні суші становить близько 2/3 від кількості опадів на континентах, фактично велика частина опадів, що випадають на суші, формується з водяної пари, принесеної повітряними течіями з океанів. Це пояснюється тим, що циркуляція атмосфери забирає із континентів на океани значну частину водяної пари, утвореної місцевим випаровуванням. Різниця між випаровуванням і опадами на континентах, рівна різниці між приходом і витратою водяної пари в атмосфері над континентами, одночасно дорівнює величині річкового стоку з континентів в океани.
Якщо розглядати водний баланс для всієї земної поверхні в цілому, так само як і для всієї атмосфери, то річна сума опадів дорівнює величині випаровування, яка відповідає, за сучасними даними, приблизно 100 см/рік (див. табл.).
Складові водного балансу: опади, випаровування та сток вимірюються на метеорологічних і гідрологічних станціях. Для визначення випаровування, стоку і інших членів водного балансу широко використовуються розрахункові методи.
Гідросфера Весь обсяг гідросфери, за сучасними підрахунками, дещо перевищує 1,4 млрд км3. Точність сучасних уявлень про обсяг гідросфери коливається в межах близько 50 млн км3, що відповідає 3% об'єму гідросфери. Така порівняно висока точність пов'язана з найбільш надійним визначенням обсягу Світового океану, що становить майже 94% всього об'єму гідросфери.
Частини гідросфери Об'єм води, тис. км3 % від загального об'єму Світовий океан 1370323 93,96 Підземні води 60000 4,12 Зокрема зони активного водообміну 4000 0,27 Льодовики 24000 1,65 Озера 2801 0,019 Ґрунтова волога 852 0,006 Пари атмосфери 14 0,001 Річкові води 1,2 0,0001 Всього 1454193 100
1 — в тому числі 5 тис. км3 води у водосховищах. 2 — в тому числі близько 2 тис. км3 зрошувальних вод.
Колообіг води Надзвичайно важлива властивість кругообігу води полягає в тому, що він, взаємодіючи з літосферою, атмосферою і біосферою, пов'язує воєдино всі частини гідросфери: океан, річки, ґрунтову вологу, підземні води, атмосферну воду. Завдяки круговороту води втрачається дискретний характер гідросфери. Всі води Землі єдині не тільки за їхнім походженням, але і в результаті постійно діючого їх кругообігу.
Механізм кругообігу води діє повсюдно і безперервно. Рушійні сили кругообігу води — теплова енергія і сила тяжіння. Під впливом тепла відбуваються випаровування, конденсація водяної пари і інші процеси, а під впливом сили тяжіння — падіння крапель дощу, течія річок, рух ґрунтових і підземних вод. Часто ці дві причини діють спільно: наприклад, на атмосферну циркуляцію впливають як теплові процеси, так і сила тяжіння.
У кругообігу води виділяються наступні основні ланки: атмосферна, океанічна, материкова, що включає літогенну, ґрунтову, річкову, озерну, льодовикову, біологічну та господарську. Кожна з цих ланок відіграє в круговороті свою особливу роль.
Жодна з перерахованих ланок кругообігу води не являє собою замкнутої системи.
Атмосферна ланка Атмосферна ланка круговороту характеризується переносом вологи в процесі циркуляції повітря і утворенням атмосферних опадів. Загальній циркуляції атмосфери притаманна чудова властивість — порівняльна стійкість з року в рік, але при істотній сезонної мінливості.
Розрахунки показують, що середній шар опадів становить на суші 765 мм, в океані-1140 мм, а в цілому для всієї земної кулі — 1030 мм, тобто трохи більше 1 м. В обсязі відповідні величини дорівнюють: для суші — 113, 5 тис. км3 (22%), для океану — 411,6 тис. км3 (78%), для всієї земної кулі — 525,1 тис. км3.
Ці обсяги води кількісно характеризують інтегральний результат кругообігу води на Землі, але вони складаються з великого числа інших процесів, які беруть участь у кругообігу.
Безпосередня роль циркуляції повітря в круговороті води полягає в перерозподілі атмосферної вологи по земній кулі. На материках опадів випадає більше, ніж атмосфера отримує вологи за рахунок випаровування з суші. Різниця, приблизно досягає 40-43 тис. км3 у рік, заповнюється за рахунок переносу вологи атмосфери з океану на сушу. Цей процес має велике значення, оскільки він збільшує водні ресурси материків.
Океанічна ланка Для океанічної ланки кругообігу найбільш характерно випаровування води, в процесі якого безперервно відновлюється вміст водяної пари в атмосфері. Досить сказати, що понад 86% вологи надходить в атмосферу за рахунок випаровування з поверхні океану і менше 14% — за рахунок випаровування з суші.
Витрата води на випаровування розподіляється нерівномірно по акваторії океану. Це можна добре бачити по різниці між випаровуванням і опадами. В екваторіальній зоні витрата води на випаровування через велику хмарність менше річної суми опадів. У помірних широтах випаровується води також менше, ніж випадає опадів, але основна причина тут інша — недостача тепла. У тропічній та субтропічній зонах з поверхні океану випаровується вологи більше, ніж випадає. Відбувається це тому, що в зоні пасатів хмарність буває рідше, тепла тут багато, а опадів випадає відносно менше.
Важлива риса океанічної ланки кругообігу води — перенос величезних мас морських вод у формі морських течій.
Обсяг водних мас, які переносяться течіями в океанах, і інтенсивність їх водообміну Океан Площа, млн км2 Об'єм, млн км3 Річні витрати перенесених водних мас, млн км3 Інтенсивність водообміну — відношення об'єму океану до річних витрат (кіль-сть років) Тихий 180 725 6,56 110 Атлантичний 93 338 7,30 46 Індійський 75 290 7,40 39 Північний Льодовитий 13 17 0,44 38 Світовий океан 363 1370 21,70 63
Океанічні течії відіграють велику кліматоутворюючу роль, тому їхній вплив на круговорот води в основному позначається через клімат. Морські течії переносять води на три порядки більше, ніж усі річки світу, а зумовлений ними водообмін в 50 разів інтенсивніше водообміну, викликаного атмосферними опадами, що випадають на поверхню океану, і випаровуванням. З цієї причини внутрішній океанічний водообмін набагато інтенсивніше зовнішнього, зумовленого круговоротом прісної води.
Літогенна ланка Літогенна ланка круговороту води, іншими словами, участь підземних вод в круговороті води, дуже різноманітна. Глибинні підземні води, головним чином розсоли, вкрай слабко пов'язані з верхніми шарами підземних вод і з іншими ланками кругообігу води. Накопичення глибинних підземних вод у деяких областях відбувалося протягом багатьох мільйонів років. Вельми повільно просочуючись углиб і поповнюючись за рахунок дегазації мантії, на глибинах (найчастіше більше 1-2 км) утворилися величезні скупчення води. Але їхня участь у кругообігу води виражено досить слабо.
Глибинні підземні води, якщо порівнювати з кругообігом води — явищем природи вельми динамічним, практично стабільні. Їхній обсяг досить незначно змінюється протягом коротких періодів часу. Вони зазвичай сильно мінералізовані, аж до міцних розсолів, що й служить головною ознакою слабкого обміну.
Прісні підземні води залягають переважно в зоні активного водообміну, у верхній частині земної кори, що дренується річковими долинами, озерами і морями. Саме завдяки інтенсивному водообміну, відносно частим переходам через фазу конденсації атмосферної вологи, ці води слабо мінералізовані, практично прісні.
Ґрунтова ланка До літогенної ланки відноситься також і ґрунтова, оскільки ґрунтова вода пов'язана з самою верхньою частиною земної кори. Разом з тим є всі підстави для виділення ґрунтових вод, або, як частіше прийнято називати, ґрунтову вологу, в особливу ланку круговороту. Ґрунтова волога відрізняється від підземних вод деякими особливостями. По-перше, ґрунтова волога пов'язана з біологічними процесами в набагато більшій мірі, ніж підземні води. Ґрунтовий покрив, до якого приурочена ґрунтова волога, представляє не чисто мінеральну масу, доданки гірських порід, а містить більшу або меншу кількість гумусу. По-друге, ґрунтова волога в більшій мірі, ніж підземні води, пов'язана з характером погоди. Під час дощів або при сніготаненні відбувається інфільтрація, що збагачує ґрунт вологою, але в суху пору вона швидко витрачається на випаровування. З цієї причини вміст вологи в ґрунті на більшій частині суші буває нестійким. Випаровування відбувається не тільки з поверхні ґрунту; ґрунтова волога витрачається також на транспірацію, яка представляє виключно важливий процес життєдіяльності рослин, причому коріння рослин поглинають вологу з тієї глибини, на яку вони поширюються. Таким чином, ґрунтова волога являє собою один з важливих факторів життєдіяльності рослин. Ось чому випаровування з суші не можна розглядати як марний процес. Він, як ми вже бачили, відіграє велику роль в круговороті води, так як збагачує атмосферу вологою. З цієї точки зору і випаровуванню з поверхні океану належить дуже важливе значення в процесах водообміну.
У тих випадках, коли ґрунтової вологи недостатньо, а інші компоненти родючості ґрунтового покриву, а також теплові ресурси атмосфери є в надлишку, застосовується штучне зрошення, завдання якого — забезпечити достатньою кількістю ґрунтової вологи сільськогосподарські культури. Ґрунтовою вологою, крім того, живляться підземні води.
Просочування ґрунтової вологи углиб — друге джерело витрачання ресурсів ґрунтової вологи. Живлення підземних вод дуже інтенсивно відбувається в місцях великого зволоження ґрунту, особливо в лісах, де ґрунтовий покрив сильно розпушений кореневою системою рослин і тому має високі інфільтраційні і водопроводячі властивості. Рясно живляться підземні води також і на ділянках, зайнятих озерами, водосховищами і під руслами річок. Такі місця, де ґрунтова волога і поверхневі води проникають всередину і живлять підземні води, відомий російський ґрунтознавець і гідролог Г. Висоцький назвав потускуламі. У посушливих районах потускулів мало і витрата води через них невелика, тому відновлювані запаси підземних вод в таких умовах менше, ніж у добре зволожених районах, де потускули займають значні простори і мають більшу водопропускну здатність. Головним чином з цим явищем пов'язана зональність підземних вод, про яку було сказано вище.
Хоча одноразовий об'єм ґрунтової вологи відносно невеликий, але вона швидко змінюється і, як ми бачили, відіграє велику роль в круговороті води, в біогенних процесах і в господарському житті. Ґрунтова ланка круговороту має великий вплив не тільки на формування підземних вод, але також і на водоносність і водний режим річок. Одним словом, ґрунт — свого роду посередник між кліматом, метеорологічними факторами, з одного боку, і явищами гідрологічного режиму (підземних вод, річок і озер) — з іншого.
Вплив ґрунтового покриву на кругообіг води і водний баланс суші досить різноманітний і суттєвий.
Ґрунтовий покрив, як ми бачимо, являє собою свого роду арену, на якій розгортаються багато процесів круговорота води: в процесі інфільтрації утворюється ґрунтова волога, вона витрачається на випаровування і транспірацію, а також живить підземні води.