Кіріспе

Жер бетіндегі, үстіндегі және астындағы судың үздіксіз қозғалысы. Су айналымы (немесе гидрологиялық цикл) – Жер бетіндегі, үстіндегі және астындағы судың үздіксіз қозғалысын қамтитын биогеохимиялық цикл. Жердегі судың жалпы мөлшері уақыт өте келе шамалы өзгеріп отырады. Дегенмен, судың мұз, тұщы су, тұзды су және атмосфералық су сияқты негізгі резервуарларға бөлінуі климаттық факторларға байланысты өзгеріске ұшырайды. Су бір резервуардан екіншісіне, мысалы, өзеннен мұхитқа немесе мұхиттан атмосфераға ауысады. Бұл қозғалыстарды қозғаушы процестер: булану, транспирация, конденсация, жауын-шашын, сублимация, сіңіру, жер бетінен ағып кету және жер асты ағыны. Осы процестер кезінде су әртүрлі күйлерде болады: сұйық, қатты (мұз) және газ (бу) түрінде. Мұхит жаһандық буланудың 86%-ын қамтамасыз ететіндіктен, су айналымында маңызды рөл атқарады. Су айналымы энергия алмасумен байланысты, бұл температура өзгерістеріне алып келеді. Су буланып келе жатқанда, қоршаған ортадан энергия жұтып алып, оны салқындатады. Ал конденсацияланғанда энергияны бөліп шығарып, қоршаған ортаны жылытады. Бұл жылу алмасуы климат жүйесіне әсер етеді. Судың булану фазасы оны тазартады, себебі цикл кезінде жиналған тұздар мен басқа да қатты заттар қалдырылады. Атмосферадағы конденсация фазасы жерді тұщы сумен қамтамасыз етеді. Сұйық су мен мұз ағыны минералдарды бүкіл планета бойынша тасымалдайды. Сонымен қатар, эрозия және шөгінділер сияқты процестер арқылы Жердің геологиялық ерекшеліктерін өзгертеді. Су айналымы планетадағы көптеген тіршілік пен экожүйелерді сақтау үшін де маңызды. Адамның қызметі су айналымына зор әсер етеді. Орманды кесу, қала құрылысы және жер асты суларын пайдалану сияқты шаралар табиғи ландшафтты өзгертеді (жер пайдаланудың өзгеруі), бұл су айналымына әсер етеді.

Жалпы процесс

Су айналымы күн сәулесінің энергиясымен қамтамасыз етіледі. Бұл энергия мұхит пен теңіздегі суды қыздырады. Су ауаға су буы ретінде буланады. Кейбір мұз бен қар тікелей су буына сублимацияланады. Эвапотранспирация – өсімдіктерден транспирация және топырақтан булану арқылы болатын судың булануы. Су молекуласы H2O, атмосфераның негізгі құраушылары – азот пен оттегіге қарағанда молекулалық массасы кішірек болғандықтан, тығыздығы төмен. Тығыздықтың айтарлықтай айырмашылығының арқасында ылғалды ауа жоғары көтеріледі. Биіктік артқан сайын ауа қысымы төмендейді және температура төмендейді (Газ заңдарын қараңыз). Төмен температура су буын ауадан ауыр, сұйық су тамшыларына конденсациялануына себеп болады, және жоғары ағым қолдамаса, олар құлайды. Атмосферадағы үлкен аумақта осы тамшылардың шоғырлануы бұлттар түрінде көрінеді, ал жер бетіне жақын конденсация тұман деп аталады. Атмосфералық айналым су буын бүкіл әлем бойынша жылжытады; бұлт бөлшектері соқтығысып, өсіп, атмосфераның жоғарғы қабаттарынан жауын-шашын түрінде құлайды. Кейбір жауын-шашын қар, бұрқасын немесе қырау түрінде түседі және мұздықтар мен мұз қабаттарында жиналады, олар мыңдаған жылдар бойы суды мұздай күйде сақтай алады. Судың көп бөлігі жаңбыр түрінде мұхитқа немесе құрлыққа түседі, онда су жер бетімен ағып өтеді. Бұл ағыстың бір бөлігі өзендерге құяды, ал өзен ағысы суды мұхиттарға қарай жылжытады. Ағыс сулары мен жер астынан шығатын сулар көлдерде тұщы су ретінде сақталуы мүмкін. Барлық ағыс сулар өзендерге құйылмайды, олардың көп бөлігі жерге сіңіп, инфильтрацияға ұшырайды. Кейбір сулар жерге терең сіңіп, жер асты суларын толықтырады, олар ұзақ уақыт бойы тұщы суды сақтай алады. Инфильтрацияның бір бөлігі жер бетіне жақын қалады және жер асты суларының ағыны ретінде жер бетіндегі су айдындарына (және мұхитқа) сіңіп кетуі немесе өсімдіктермен сіңіріліп, транспирация арқылы атмосфераға қайта берілуі мүмкін. Жер асты суларының бір бөлігі жер бетіндегі жарықтарды тауып, тұщы су бұлақтары ретінде пайда болады. Өзен аңғарлары мен су тасқыны алаңдарында жер үсті сулары мен жер асты сулары арасында гипорейлік аймақта су алмасу үздіксіз жүріп тұрады. Уақыт өте келе, су мұхитқа қайта оралып, су айналымын жалғастырады. Мұхит су айналымында маңызды рөл атқарады. Мұхит планетадағы барлық судың 97%-ын қамтиды; жауын-шашынның 78%-ы мұхит үстінде түседі және ол жаһандық буланудың 86%-ының көзі болып табылады. Адвекция болмаса, мұхиттарда буланып шыққан су құрлықта жаумайды. Атмосфералық өзендер, үлкен көлемдегі су буын ұзақ қашықтыққа жылжытады, адвекцияның мысалы болып табылады. Конденсация: Ауадағы су буының сұйық су тамшыларына айналуы, бұлттар мен тұманның пайда болуы. Булану: Судың сұйық күйден газ күйіне өтуі, ол жер бетінен немесе су айдындарынан атмосфераға көтеріледі. Булану үшін энергияның негізгі көзі күн сәулесі болып табылады. Булануға өсімдіктерден болатын транспирация да кіреді, бірақ олар бірге эвапотранспирация деп аталады. Жылдық жалпы эвапотранспирация шамамен судың, оның ішінде мұхиттардан буланатыны. Алайда, судың тұрақты изотоптарын пайдалана отырып жүргізілген жақындағы жаһандық зерттеулер, жер асты суларын толықтыруға немесе өсімдіктердің транспирациясына барлық топырақ ылғалдарының бірдей қолжетімді емес екенін көрсетті. Сырғалану: Судың жер тартылысының әсерінен топырақ пен тау жыныстары арқылы тік ағып өтуі. Жауын-шашын: Жер бетіне түсетін су буының конденсациясы. Жауын-шашынның көп бөлігі жаңбыр түрінде болады, сонымен қатар қар, бұрқасын, тұман тамшысы, граупель және қырау да жатады. Жыл сайын шамамен жауын-шашын түрінде судың, оның басым бөлігі мұхиттарда түседі. Жауын-шашынның 78%-ы мұхит үстінде түседі. Ағыс су: Судың жер бетінде әртүрлі жолдармен қозғалуы. Бұл судың беткі ағысын да, арнадағы ағысын да қамтиды. Ағып өтетін су жерге сіңіп, ауаға буланып, көлдерге немесе су қоймаларына жиналады, сондай-ақ ауыл шаруашылығы немесе басқа да мақсаттар үшін пайдаланылуы мүмкін. Жер асты ағыны: Жер астындағы су ағыны, вадозалық аймақта және су қоймаларында. Жер асты сулары жер бетіне (мысалы, бұлақ түрінде немесе сорғылау арқылы) немесе ақырында мұхиттарға сіңіп кетуі мүмкін. Су жер бетіне тартылыс күші немесе тартылыс әсерінен пайда болған қысымның әсерінен енген жерінен төменгі биіктікте қайта оралады. Жер асты сулары баяу қозғалады және баяу толықтырылады, сондықтан олар мыңдаған жылдар бойы су қоймаларында қалуы мүмкін. Транспирация: Өсімдіктер мен топырақтан ауаға су буының шығарылуы.

Су қоймалары

Су айналымы гидросферадағы судың қозғалысын қамтамасыз ететін процестерді сипаттайды. Дегенмен, су циклы арқылы қозғалатынына қарағанда, оның көп бөлігі ұзақ уақыт бойы "сақталыста" (немесе "қоймаларда") болады. Жердегі судың басым көпшілігі мұхиттарда жиналған. Әлемдік су қорының 1 386 000 000 км³ көлемінің шамамен 1 338 000 000 км³ немесе 97%-ы мұхиттарда сақталады. Сонымен қатар, мұхиттар су айналымына келіп түсетін будың 90%-ын қамтамасыз етеді деп есептеледі. Жердің мұз қаптары, мұздықтары және тұрақты қар жамылғылары тағы 24 064 000 км³ суды сақтайды, бұл планетаның барлық су көлемінің тек 1,7%-ын құрайды. Алайда, бұл су көлемі планетадағы барлық тұщы судың 68,7%-ын құрайды.

Жергілікті немесе өңірлік әсерлері

Адамның қызметі су айналымын жергілікті немесе аймақтық деңгейде өзгерте алады. Бұл жерді пайдалану және жер жамылыстың өзгеруіне байланысты болады. Мұндай өзгерістер "жауын-шашынға, булануға, су тасқынына, жер асты суларына және түрлі мақсаттар үшін тұщы судың қолжетімділігіне" әсер етеді. Жерді пайдалануды өзгерту мысалдарына егістіктерді қалалық аймақтарға айналдыру немесе орманды кесу жатады. Мұндай өзгерістер топырақтың беттік суды сіңіру қабілетіне әсер етеді. Орманды кесу жергілікті деңгейде де, аймақтық деңгейде де әсер етеді. Мысалы, ол жер ылғалдылығын, булануды және жауын-шашынды азайтады. Сонымен қатар, орманды кесу аймақтық температураның өзгеруіне алып келеді, бұл жауын-шашын үлгілеріне әсер етеді. IPCC-нің 2021 жылғы алтыншы бағалау есебінде бұл өзгерістер әлемдік және аймақтық деңгейде маңызды өсімді жалғастыратыны болжанды. Су ағыны эрозияға ұшыраған шөгінділер мен фосфордың құрлықтан су объектілеріне тасымалдануының басым бөлігіне жауапты. Мұхиттың тұздылығы эрозия және еріген тұздардың құрлықтан тасымалдануынан туындайды. Көлдердің мәдени эвтрофикациясы негізінен ауылшаруашылық егістіктеріне артық мөлшерде қолданылатын фосфорға байланысты, содан кейін ол жер арқылы және өзендер арқылы тасымалданады. Су ағыны мен жер асты сулары азотты құрлықтан су объектілеріне тасымалдауда маңызды рөл атқарады. Миссисипи өзенінің сағасындағы "өлі аймақ" – бұл ауылшаруашылық егістіктерінен шығарылған және Мексика шығанағына қарай өзен жүйесімен ағып жатқан тыңайтқыштардан алынған нитраттардың салдары. Су ағыны көміртегі айналымында да рөл атқарады, эрозияға ұшыраған тау жыныстары мен топырақтың тасымалы арқылы.

Геологиялық уақыт бойынша баяу жоғалу

Планета атмосферасының жоғарғы бөлігіндегі гидродинамикалық жел сутек сияқты жеңіл химиялық элементтердің экзобазаға, экзосфераның төменгі шегіне көтерілуіне мүмкіндік береді, онда газдар қашқыш жылдамдыққа жетіп, басқа газ бөлшектерімен соқтығыспай, сыртқы ғарышқа шыға алады. Газдың планетадан ғарышқа шығуының осы түрі планеталық жел деп аталады. Төменгі атмосферасы ыстық планеталарда ылғалды жоғарғы атмосфера қалыптасуы мүмкін, бұл сутектің жоғалуын жылдамдатады.

Жүгіретін жер массасы

Көне заманда, жердің судың үстінде жүзіп отырады деп кеңінен ойлаған, және өзендердегі судың көп бөлігі жер астынан басталады деген сенім болған. Осы сенімге мысалдар Гомердің (б.з.д. 800 ж.) еңбектерінде кездеседі.

Еврей Киелі кітап

Ежелгі Таяу Шығыста еврей ғалымдары өзендер теңізге құйылса да, теңіз ешқашан толып кетпейтінін байқаған. Кейбір ғалымдар осы кезде су айналымы толық сипатталғанын мына үзіндіден біледі: «Жел оңтүстікке қарай соғып, солтүстікке бұрылады, айналып-айланып жүреді және өз жолымен қайта оралады. Барлық өзендер теңізге құяды, бірақ теңіз толып кетпейді; өзендер қайдан келсе, сол жерге қайта оралады» (Уағыздаушы 1:6-7). Ғалымдар Уағыздаушы кітабының жазылған мерзіміне келіспейді, бірақ көптеген ғалымдар Дәуіт пен Бат-Шебаның ұлы Сүлеймен патшаның тұсын, «үш мың жыл бұрынғы» кезеңді көрсетеді. 7-2 ғасырлар аралығында жазылған Әйүп кітабында гидрологиялық циклдегі жауын-шашынның сипаттамасы бар, сондай-ақ Ксенофан Колофондық (б.з.д. 530 ж.) да осы туралы айтқан. Соғысқан мемлекеттер кезеңіндегі қытай ғалымдары, мысалы Чи Ни Цзы (б.з.д. 320 ж.) және Лу Ши Чун Чиу (б.з.д. 239 ж.) ұқсас ойлар айтқан. Су айналымының жабық цикл екендігі туралы идея Анаксагор Клазомендік (б.з.д. 460 ж.) және Диоген Аполлониялық (б.з.д. 460 ж.) еңбектерінде кездеседі. Платон (б.з.д. 390 ж.) және Аристотель (б.з.д. 350 ж.) су айналымының бір бөлігі ретінде судың сіңіп кетуі (пероколяция) туралы болжам жасаған. Аристотель өзінің «Метеорология» кітабында Күннің Жердің гидравликалық цикліндегі рөлі бар екенін дұрыс болжады, «Күннің әсерімен ең таза және тәтті су күнделікті буланып, жоғары көтеріліп, салқындап конденсацияланып, қайтадан Жерге жауады», - деп жазды және бұлттардың салқындап конденсацияланған су буынан тұратынына сенді. Аристотельден бұрынғы ғалымдар сияқты, Шығыс Хань әулетінің қытай ғалымы Ван Чун (27-100 ж.т.) өзінің «Лунхенг» еңбегінде Жердің су айналымын дәл сипаттаған, бірақ замандастары оны мойындамады. Ренессансқа дейінгі кезеңде жауын-шашын ғана өзендерді толыққанды су айналымы үшін жеткіліксіз деп қате есептелді, ал өзен суларына негізгі үлес мұхиттардан жоғары көтерілетін жер асты суларының үлесі деп саналды. Англиялық Бартоломей (1240 ж.т.), Леонардо да Винчи (1500 ж.т.) және Афанасиус Кирхер (1644 ж.т.) осы пікірді ұстанды.

Дұрыс теорияны табу

Өзендерді сақтау үшін жауын-шашынның ғана жеткілікті екенін алғаш айтқан ойшыл Бернард Палисси (1580 ж.б.) болды, оған көбінесе су айналымының қазіргі заманғы теориясын ашқандық есептеледі. Палиссидің теориялары 1674 жылға дейін ғылыми тұрғыдан тексерілмеді, бұл зерттеу көбінесе Пьер Перроға жатқызылады. Дегенмен, бұл пікірлер 19 ғасырдың басына дейін басты ғылымда қабылданылмады.