В подземных водах растворяется большое количество газов – кислорода, азота, оксида углерода (VI), метана, сероводорода, водорода (до 1000 – 1500 см3/л). Общая масса в растворенных подземных водах газов превышает их содержание в Мировом океане (до 20 см3/л) и приближается к уровню всей атмосферы Земли.
Все другие составные гидросферы, кроме вод Мирового океана, подземных и снего-лендниковых образований, являются, малыми составными гидросферы составляют незначительную часть мировых запасов пресной воды. Наибольшее количество пресной воды содержится в прудах и озерах (около 0,28∙1015 т), которых на Земле насчитываются миллионы. Некоторые из озер имеют очень большие размеры и достаточно глубоки. Больше всего пресной воды содержится в озере Байкал в России, которое имеет глубину 1620 м.
Озера различаются как по составу, так и по концентрации растворенных в их водах веществ. По своему составу они приближаются к подземным водам. В засушливых и пустынных зонах Земли преобладают соленые и солоноватые озера. Например, в озере Виктория содержание солей в 11 раз больше, нежели в океанических водах.
Болота являются промежуточным звеном биосферы между озерами и подземными водами. Значительное их количество находится в умеренных и высотных широтах. В них нагромождается болотный торф, в состав которого входит углерод. К болотам принадлежат переувлажненные почвы, которые в большинстве своём распространены в тропических районах. В них торф не нагромождается, поскольку органические вещества разлагаются полностью. Общая площадь болот и переувлажненных почв составляет около 3 млн. км2[5]. В прибрежных морских районах вода в болотах бывает соленой или солоноватой.
Грунтовые воды по интенсивности обмена с поверхностными водами и атмосферой подобны поверхностным водам, по действию капиллярных сил – к подземным водам, а по содержанию различных веществ (газов, органических соединений и организмов) – это среда, в которой интенсивно протекает биогеохимические процессы. Последние обеспечивают плодородность почв. Массу пресной озерной и болотной воды оценивают в 0,35 % от общей пресной воды на Земле.
Речки и ручьи – источники пресной воды, которая обновляется наиболее быстро в сравнении с другими составными биосферы. Имея небольшую мгновенную массу (около 1,2∙1012 т), они втечение года доставляют воды в 37-38 раз больше (около 4,5∙1013 т), нежели сами водоемы. Средняя минерализация этих вод ~ 90 мг/л. Соленые реки встречаются очень редко. Это в большинстве своём реки, которые питаются солеными подземными водами или имеют в своих руслах залежи солей. Химический состав речных вод определяется преимущественно особенностями почв, растительности, климата территорий, по которым они текут, и характеризуется средними показателями (таблица 2.2)
Таблица 2.2. Средний химический состав речных вод, мг/л[14].
| HCO3¯CO32- | Cl¯ | SO42- | Na+, K+ | Ca2+ | Mg2+ | Сумма |
| 47,6 | 6,4 | 11,9 | 6,1 | 13,3 | 3,3 | 88,6 |
Общая масса воды в живых организмах составляет около 1,12∙1012 т.
Вода в биосфере пребывает в непрерывном движении, принимает участие в геологическом и биологическом круговоротах веществ. Круговорот воды в природе – это непрерывный процесс движения и обмена водой между составными гидросферы под влиянием тепла и гравитационных сил. Под действием тепловой радиации солнца вода испаряется с поверхности океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, прудов и суши и поступает в атмосферу. В атмосфере водяной пар конденсируется с образованием облаков. Кроме того, водяной пар охлаждается, конденсируется и под действием гравитационных сил выпадает в виде осадков – дождя, снега, града. Итак, вода переходит из одного агрегатного состояния (газового) в другое (жидкое или твердое) и перераспределяется по поверхности Земли, способствует движению поверхностных и подземных вод и даже течениям в океанах и морях.
В круговороте принимают участие все воды гидросферы, которые тесно связаны между собой. Однако, скорость перемещения отдельных видов воды (океанической, атмосферной, ледниковой, грунтовой, озерной, биологической) неодинакова. Поэтому продолжительность их обновления очень отличается и колеблется в широких границах (таблица 2.3) – от нескольких часов для биологической воды до десятков тысячелетий для подземных вод.
Таблица 2.3. Продолжительность периодов обновления запасов воды на Земле[9].
| Вид воды в биосфере | Продолжительность периода обновления воды |
| Мировой океанПолярные ледники и постоянный снежный покровПодземный лед в зоне многолетней мерзлотыЛедники горных районовПодземные водыГрунтовая влагаЗапасы воды в озерахВодаболотрусел рекАтмосферная влагаБиологическая вода | 2 500 лет9 700 лет10 000 лет1 600 лет1 400 лет1 год17 лет5 лет16 суток8 сутокнесколько часов |
Исходя из данных таблицы 2.3, следует, что наиболее быстро обновляются биологические воды. Вследствие транспирации растений в атмосферу поступает большая часть грунтовой влаги. Атмосферная влага образуется за счет испарения с поверхностей водоемов, обновляясь, в среднем, каждые 8 суток.
Запасы воды в руслах рек, в среднем, полностью обновляются втечение 16 суток, и для отдельных континентов длительность периода обновления колеблется в пределах 9-16 суток. Из пресных вод наиболее медленный обмен характерен для ледников горных районов и полярных материков. Обновление запасов воды в горных ледниках происходит за счет осадков, а расходование – в результате таяния и испарения. Наибольшее количество пресной воды сосредоточено в ледяной оболочке Антарктиды. Расходование аккумулированной во льде воды происходит достаточно медленно через испарения и сползание льда в океан.
Грунтовая влага, которая имеет приблизительно годовой цикл наслоения, затрачивается преимущественно на испарение и транспирацию и частично на стекание в русла рек.
Обновление вод озер колеблется в широких границах: от 1 года для малых озер засушливых районов до нескольких сотен лет для наибольших озер. Так, обновление водных запасов Байкала происходит втечение 380 лет. Свободные воды земной коры до глубин 2000 м обновляются втечение 1400 лет. Подземные воды расходуются как в результате дренирования их реками, так и вследствие непосредственного попадания их в океан. Активность водообмена подземных вод зависит от глубины залегания и уменьшается с увеличением расстояния от земной поверхности. Наиболее быстро обновляются воды верхних горизонтов, залегающие на глубине не более 200 м от поверхности. Очень медленно обновляются солоноватые воды в глубоких горизонтах, которые превращаются в соленые воды и рассол, которые часто имеют застойный характер.
Количество влаги, поступающей из океанов на сушу, различно для отдельных районов мира. Общая величина речных осадков составляет почти 119 тыс. км3. Если бы все осадки равномерно распределились по всей площади суши, то толщина их слоя составляла бы 6 800 мм. Наименьшее количество осадков выпадает в Антарктиде и Австралии, где их среднегодовые величины соответственно равняются 178 и 456 мм. Суммарное количество осадков тут составляет 5,2 % от общего количества осадков, выпадающих на сушу, тогда как площадь континентов составляет 13 % всей площади суши. В Азии и Южной Америке, площадь которых составляет 41 % суши, выпадает 50 % всей суммы осадков.
Средняя величина стока всех рек мира составляет 46 800 км3 за год. Наибольший сток приходится на Азию – 31 %, Южную(26 %) и Северную(17 %) Америку, Африку – 10, Европу – 7, Антарктиду – 5, Океанию – 4 %[15].
В связи с возрастанием численности населения планеты водообеспеченность одного жителя постоянно уменьшается. Так, втечение 1971-1994 гг. величина речного стока, которая приходится на одного жителя втечение года, в Европе уменьшилась на 8 %, в Северной Америке – на 27, в Австралии и Океании – на 29, в Азии – на 38, в Южной Америке – на 42, в Африке – на 58% . Водообеспеченность одного жителя Земли в 1971 г. составляла 12,9 тыс. м3 в год, т.е. за период с 1971 до 1994 г. водообеспечение уменьшилось на 36 %[11].
Распределение водных ресурсов на земной поверхности неравномерно как в границах континентов, так и в границах каждого из них. Так, в Европе величина стока изменяется от 5 000 мм на южно-западном побережье Норвегии до 15 мм в южно-восточных районах европейской территории Российской федерации. На юго-востоке Азии сток составляет более 4 000 мм и уменьшается до 1 мм в засушливых районах Средней и Центральной Азии. Африка, за исключением экваториальных районов бассейна Конго в северо-восточной области, является сухим континентом. Наиболее сухим материком является Австралия, на значительной части которой сток не превышает 1 мм. Итак, в Европе и Азии, где сосредоточено 73,5 % населения мира (на 1994 г.), выпадает лишь 38 % мировых запасов пресных вод. В Южной Америке, где проживает 5,6 % населения мира, водные ресурсы составляют 25 % общего объема мирового речного стока[8].
Сток рек очень неравномерно распределен втечение года. Большая его часть (60-70 %) выпадает на паводковый период, и для разных континентов он изменяется в разные месяцы. Так, в Европе 48 % стока происходит в апреле – июле, в Азии 80 % стока – в мае-октябре, в Африке 74 % стока – в январе-июне, в Северной Америке 54 % стока – в мае-августе. Итак, многоводный сезон охватывает март-сентябрь. Втечение этого периода поступает до 70 % годового стока, поэтому запасы воды на континенте увеличиваются на 28 %. В общем, для всей суши Земли многоводный сезон длится с мая по октябрь. За это время все реки мира сбрасывают 63 % речного стока. Суммарные запасы пресных вод на всех континентах увеличиваются на 26 %[8]. Неравномерность распределения втечение года суммарного стока рек отдельных континентов и всего мира обуславливает необходимость его искусственного регулирования, создавая водохранилища различного предназначения.