Vandens apytaka (The Water Cycle), Lithuanian
Water Cycle home page • Water Science home page
Vertė į lietuvių kalbą dr. V. Morkūnas,
Lietuvos
žemės ūkio universiteto Vandens ūkio institutas, http://www.waterland.lt
Kas gi yra vandens apytaka? Tai reiškinys, kuris
vyksta mus supančioje aplinkoje nuolatos. Terminas vandens apytaka
apibūdina vandens būvį (skystis, garai, ledas) ir jo
judėjimą žemės paviršiuje, žemėje ir virš jos. Šis
reiškinys vyksta be pertraukos daug daug metų. Nuo jo priklauso žmogaus ir
visos gyvosios gamtos egzistavimas Žemėje.
Vandens apytaka vyksta uždaru ratu. Tai reiškia, kad vandens dalelė, patekusi į apytakos ratą, vėl sugrįžta į ten iš kur ji iškeliavo. Vandens apytaka neturi fiksuoto savo pradžios taško. Norėdami išsiaiškinti šio reiškinio esmę, pradėkime nuo vandenyno. Saulė yra pagrindinis vandens apytakos variklis. Ji sušildo vandenynų vandenį, kurio dalis išgaruoja į orą ir tampa garu. Garavimas taip pat vyksta iš ežerų, upių, kitų vandens telkinių, žemės paviršiaus, augalų. Nedidelė vandens dalis į atmosferą patenka iš ledynų ir sniegynų (sublimacija). Kylančios oro srovės garus pakelia į aukštesnius atmosferos sluoksnius, kur veikiant žemai temperatūrai jie kondensuojasi ir virsta debesimis. Oro srovių nešami debesys keliauja apie Žemės rutulį. Debesyse vandens dalelės susijungia, didėja ir krinta iš dangaus kaip lietus ar sniegas. Šiltesnio klimato sąlygomis atėjus pavasariui sniegas ištirpsta ir žemės paviršiuje susidaro sniego tirpsmo nuotėkis. Paviršinis nuotėkis gali susidaryti ir po smarkaus lietaus. Dalis paviršinio nuotėkio patenka į upes ir keliauja į vandenynus, kita dalis – į ežerus ir papildo gėlojo vandens atsargas. Nemažai paviršinio nuotėkio įsisunkia į gruntą (infiltracija). Vanduo nukeliauja gana giliai ir papildo vandeninguosius sluoksnius, kuriuose ilgam susidaro gėlojo vandens atsargos. Gruntinis vanduo, kuris negali įsisunkti į gilesnius grunto sluoksnius, patenka į upes kaip gruntinio vandens nuotėkis. Dažnai šis vanduo, negalėdamas sunktis gilyn, randa požeminius takus ir išteka į paviršių kaip gėlojo vandens šaltinis. Visais galimais būdais vanduo stengiasi sugrįžti į vandenyną, kad užbaigtų savo apytakos ratą…ir vėl jį pradėtų.
Didžiausia viso Žemės vandens saugykla yra vandenynai.
Apskaičiuota, kad iš 1 386 000 000 km3 bendro kiekio 1 338 000
000 km3 yra vandenynuose. Tai sudaro 96.5 procento. Taip pat
apskaičiuota, kad vandens apytakoje yra 90 procentų saulės iš
vandenynų išgarinto vandens.
Šaltaisiais klimato laikotarpiais kritulių kaupimasis ašigaliuose, kalnų viršūnėse ir ledynuose vandens kiekį vandenynuose sumažindavo. Atvirkščiai būdavo šiltaisiais. Paskutinio ledynmečio laikotarpiu ledynai dengė 1/3 žemės paviršiaus, o vandenynų paviršius buvo apie 122 metrus žemiau negu šiandien. Prieš tris milijonus metų, kai klimatas Žemėje buvo šiltas, vandens lygis buvo apie 50 metrų aukštesnis.
Garavimas, kondensacijos priešingybė, yra procesas, kurio
metu vanduo iš skysčio virsta dujomis arba garu. Kad procesas vyktų
reikalinga energija (šiluma), kuri suardytų ryšius tarp vandens
molekulių. Štai dėl ko virdamas vanduo lengvai ir intensyviai garuoja
(1000 C, 2120 F). Garavimas vyksta ir prie žemesnėje
temperatūroje, bet daug lėčiau. Kad vyktų garavimas, šiluma
imama iš aplinkos. Štai dėl ko jums darosi šalta, kai vanduo garuoja nuo
jūsų kūno.
Garavimas nuo vandenynų paviršiaus yra tiesioginis būdas vandeniui patekti į atmosferą. Pasauliniu mastu, išgaravusio vandens kiekis yra beveik lygus kiekiui kritulių, grįžtančių į žemę lietaus ar sniego pavidalais. Tik apie 10 procentų iš vandenynų išgaravusio vandens nukeliauja virš sausumos ir ten iškrinta. Išgarinta vandens molekulė ore išsilaiko apie 10 dienų.
Kas domisi vandens apytaka, randa terminą sublimacija. Sublimacija -
tai sniego ar ledo garavimas. Sublimacijos metu vandens molekulės
tiesiogiai nuo sniego ar ledo kyla į atmosferą ir virsta garu. Tam
tikro klimato sąlygomis sublimacija yra įprastas būdas sniegui
išnykti. Pamatyti, kaip vyksta sublimacija, sunku. Norint akivaizdžiai pamatyti
ir suprasti sublimacijos procesą, galima vietoje sušalusio vandens
panaudoti angies dioksidą (žiūrėk paveikslėlį).
Sublimacija vyksta tinkamomis oro sąlygomis: kai maža santykinė oro drėgmė, pučia sausi vėjai. Ji intensyvesnė ten, kur didesnės žemės paviršiaus altitudės (kur oro slėgis mažesnis). Kad vyktų sublimacijos procesas, reikalinga ir energija, - stipri saulės šviesa. Taigi, kad vyktų sublimacija, reikia žemos temperatūros, stipraus vėjo, intensyvios saulės šviesos ir labai žemo oro slėgio.
Evapotranspiracija - tai vandens garavimas į atmosferą
nuo augalais apaugusio žemės ploto pro augalų lapus. Augalo
šaknų paimtas iš grunto vanduo per augalą nukeliauja į smulkias
poras, esančias apatinėje lapo dalyje. Čia vanduo virsta garu ir
pakyla į orą. Nustatyta, kad apie 10 procentų atmosferoje
esančios drėgmės yra evapotranspiracijos rezultatas.
Atmosferos vanduo yra garo, debesų ir drėgmės
pavidalų. Atmosfera negali būti didžiulė vandens saugykla, ji
yra tik tarsi didžiulė autostrada vandeniui judėti apie Žemės
rutulį. Vandens kiekis atmosferoje kažkokiu momentu gali sudaryti apie 12
900 km3 (3,100 kub. mylių). Jeigu šis vandens kiekis vienu metu
iškristų kaip lietus, sausuma, būtų apsemta, o vandens sluoksnis
siektų 2,5 cm (apie 1 colį).
Kondensacija yra atvirkščias garavimui procesas. Jo metu
vandens garas ore virsta vandeniu. Vandens apykaitoje kondensacija yra labai
svarbi, nes dėl jos garai virsta debesimis, o debesyse atsiranda
kritulių. Jeigu giedrame mėlyname danguje nėra debesų, vadinasi,
vanduo yra garo pavidalo, o lašeliai tokie smulkučiai, kad jų
nematome. Debesų pradeda rastis padidėjus garo kiekiui, jam atšalus
ir prasidėjus kondesacijai. Kondensacijos pavyzdžiai gali būti
rūkas, akinių stiklų rasojimas išėjus iš šaltos patalpos
į karštą ir drėgną orą arba langų stiklų
rasojimas kai už langų šaltis.
Krituliai - tai debesų išlaisvinimas nuo juose esančio
vandens lietaus, lijundros šlabdribos, sniego ar krušos pavidalu. Tai
tiesioginis vandens kelias jam grįžti iš atmosferos į žemę.
Plaukiantys virš mūsų debesys neša garus ir lašelius, kurie būna
per maži, kad galėtų virsti krituliais, bet kartu ir nemaži, nes jau
susiformuoja matomi debesys. Kad susidarytų krituliai, smulkutis lašelis
turi kondensuotis ant dulkės, druskos ar dūmų dalelytės.
Tada vandens lašeliai jungiasi, didėja tiek, kad kristų į
žemę. Reikia milijonų mažyčių debesų lašeliukų,
kad susidarytų vienas lietaus lašas. Žemėje vidutinis metinis
kritulių kiekis yra labai nevienodas, - Havajuose per metus iškrinta apie
114 cm (450 colių), tuo tarpu Čilėje ir Afrikoje kritulių nebūna
net po 14 metų.
Nemažai vandens Žemėje sąlygiškai ilgam sukaustyta
ašigaliuose ir kalnų viršūnėse, ledynuose. Didžioji dauguma,
beveik 90 procentų, ledo masės yra Antarktidoje. Grenlandijoje ledo
atsargos sudaro beveik 10 procentų bendros pasaulinės ledo
masės. Ledynų susidarymą ir jų kitimą žemėje
veikė ir veikia klimato kaita, jo šiltieji ir šaltieji laikotarpiai.
Ledynai dengia 10-11 procentų žemės paviršiaus.Jeigu šiandien visi ledynai ištirptų, vandens lygis jūrose pakiltų apie 70 metrų (230 pėdų). Paskutinio ledynmečio periodu vandens lygis jūrose buvo apie 122 metrus (400 pėdų) žemesnis negu dabar. Ledynai tuo metu dengė apie 1/3 Žemės paviršiaus.
Visame pasaulyje sniego tirpsmo nuotėkis yra pagrindinė
nutekančio vandens dalis. Šaltesnio klimato sąlygomis, atėjus
pavasariui, pradėjus tirpti sniegui ir ledui, susidaro paviršinis vandens
nuotėkis, kuris patenka į upelius ir upes. Šalia
susidarančių potvynių, greitas sniego tirpsmas gali sukelti žemės
nuošliaužas, įvairias katastrofas. Sniego tirpsmo intensyvumas priklauso
nuo pavasario laikotarpio gamtinių sąlygų, o vandens kiekis -
nuo susikaupusio žiemą sniego. Jeigu žiemą sniego iškrinta nedaug,
tai ir jo tirpsmo nuotėkis būna nedidelis. Upėse nuotėkis
taip pat sumažėja. Tai gali sukelti vandens trūkumą, nes
nesukaupiami reikiami vandens kiekiai upių tvenkiniuose, iš kurių
vanduo naudojamas drėkinimui ir kitoms reikmėms.
Paviršinis nuotėkis yra kritulių nuotėkis
žemės paviršiumi. Kaip ir visos vandens apytakos sudedamosios dalys, ryšys
tarp kritulių ir paviršinio nuotėkio įvairuoja priklausomai nuo
metų laiko ir geografinių sąlygų. Tik apie 1/3
kritulių nuteka į upelius, upes ir grįžta į vandenynus. Kiti
2/3 išgaruoja arba įsisunkia į gruntą. Žmogus paviršinį
nuotėkį gali panaudoti savo reikmėms.
Upės nuotėkis - tai vandens kiekis tekantis upėje.
Upės yra neįkainojamas žmogaus turtas, labai svarbios augalijai bei.
gyvūnijai. Upės ne vien nuostabi vieta žmogui praleisti
laisvalaikį, jų vanduo reikalingas ir daugelyje kitų
sričių: geriamojo vandens vandentiekiui, drėkinimui, elektros
gamybai, transportui, maisto gavybai, net ir nukenksmintų atliekų
pašalinimui. Upės per laidžius grunto sluoksnius papildo požeminio vandens
atsargas.
Galvojant apie upes yra svarbu pagalvoti ir apie jų baseinus. Kas yra upės baseinas? Kai jūs stovite ant žemės, jūs būtinai stovite mažos ar didelės upės baseine. Baseinas yra žemės plotas, iš kurio vanduo (paviršinis bei požeminis) suteka į tą pačią vietą (upelį ar upę). Didžiausią įtaką upėms daro iškritusių kritulių kiekis baseine. Nuo baseino dydžio priklauso ir upės dydis: mažas baseinas – mažas upelis, didelis baseinas – didelė upė.
Vandens apytakos dalį sudaro gėlasis vanduo, kurį
mes kasdien galime matyti tvenkiniuose, ežeruose, šlapynėse, upėse.
Paviršinis vanduo yra svarbus ne tik gyvybiškai, bet filtruodamasis į
gruntą, jis nuolat papildo požeminio gėlojo vandens atsargas.
Gėlusis vanduo sudaro tik apie 3% viso Žemės vandens kiekio. Apie 0,29%
gėlojo vandens yra ežeruose ir pelkėse, 0,006% - upėse. Jūs
matote, kad Žemės gyvosios gamtos poreikiams yra naudojamas tik "lašas"
visų Žemės vandens atsargų.
Infiltracija yra paviršinio vandens judėjimas gilyn į
gruntą.Visame pasaulyje dalis lietaus ar sniego vandens sunkiasi į
paviršinius bei gilesnis grunto sluoksnius. Kiek vandens gali įsisunkti
priklauso nuo keleto veiksnių. Gali būti, kad vanduo kaupiasi tik
nestorame grunto sluoksnyje, nes jam patekti giliau neleidžia vandeniui
nelaidūs grunto sluoksniai. Tada filtracijos vanduo šaltinių pavidalu
išteka į upių šlaitus. Dalis vandens gali įsisunkti gana giliai
ir pasiekti vandeninguosius sluoksnius. Jeigu vandeningieji sluoksniai yra
nelabai giliai, o jų laidumas vandeniui didelis, tokiose vietose
gręžiami šuliniai gėlam požeminiam vandeniui išgauti.
Dideli vandens kiekiai yra sukaupti grunte. Nors šio vandens
judėjimas yra labai lėtas, bet jis taip pat yra bendros vandens
apytakos dalis. Didelė vandens dalis patenka krituliams filtruojantis
į gruntą.Viršutinis dirvožemio sluoksnis yra vandeniu neprisotinta
zona, kurioje esantis vandens kiekis nuolat keičiasi ir tik
retkarčiais būna per drėgna. Žemiau šio sluoksnio yra vandeniu
prisotinta zona, kurioje visos poros, plyšiai ir tarpai tarp grunto bei
uolų dalelių yra pilnai užpildytos vandeniu.Terminas gruntinis vanduo
yra naudojamas šiai zonai apibūdinti. Didžiuliai gruntinio vandens kiekiai
yra sukaupti vandeninguose sluoksniuose. Šis vanduo yra labai reikalingas ir
svarbus visai žmonijai.
Gruntinio vandens ištekėjimas iš grunto yra perteklinio
vandens nutekėjimas iš viršutinių grunto sluoksnių. Ne visi
krituliai, įsisunkę į gruntą, pasiekia vandeninguosius
sluoksnius, nes jų kelyje pasitaiko vandeniui nelaidžių grunto
sluoksnių. Kadangi vertikaliai gilyn judėti negali, vanduo pradeda
judėti horizontaliąja kryptimi. Dalis vandens per vandeniui laidžius
sluoksnius pasiekia slėnius, kur išsiveržia šaltiniais. Vandens
judėjimas grunte (greitis ir kiekis) priklauso nuo grunto laidumo (kaip
gerai gruntas praleidžia vandenį) ir jo poringumo (tuštumų kiekio
jame).
Šaltinis
yra vandens versmė, ištekanti iš žemės. Šaltinis atsiranda tada, kai
požeminė gruntinio vandens srovė susikerta su
kalvos šlaitu, slėnio dugnu ar kita geografine vieta. Šioje vietoje ir
ištrykšta šaltinis: slėnio šlaite, slėnio dugne arba slėniu
tekančioje upėje. Šaltiniai susidaro tada, kai požeminiai
vandeningieji sluoksniai persipildo vandens, kurio perteklius išsiveržia į
žemės paviršių. Kai vanduo į žemės paviršių patenka iš
gilių ir šiltų sluoksnių, susidaro karšto vandens šaltiniai.
Kad geriau suprastumėte, kiek ir kokios rūšies vandens yra ir kaip jis pasiskirstęs, pažiūrėkite į toliau pateiktą schemą ir lentelę. Jūs jau žinote, kad vandens apytaka - tai nuolatinis žemės vandens judėjimas. Todėl schemoje ir lentelėje esantys skaičiai tinka tik tam tikram laiko momentui. Prieš tūkstančius ar milijonus metų šie skaičiai neabejotinai būtų kitokie.
Įsidėmėkite, kad bendras pasaulinis vandens kiekis yra apie 1 386 milijonai kubinių kilometrų (332.5 milijonų kubinių pėdų). Daugiau kaip 96 procentų sudaro druskingas vanduo. Per 68 procentų gėlojo vandens yra ledynuose, kiti 30 procentų - grunte (požeminis vanduo). Gėlojo paviršinio vandens šaltinių, tokių kaip upių, ežerų, vandens atsargos yra tik apie 93 100 kubinių kilometrų (22 300 kubinių mylių), tai sudaro apie 1/150 procento bendro vandens kiekio. Upės ir ežerai yra pagrindiniai vandens šaltiniai, kuriais žmonija naudojasi kiekvieną dieną.
Vandens šaltinis | Vandens tūris, kubiniais kilometrais | Vandens tūris, kubinėmis myliomis | Gėlasis vanduo, procentais | Bendras vandens kiekis, procentais |
---|---|---|---|---|
Vandenynai, jūros, įlankos | 1,338,000,000 | 321,000,000 | -- | 96.5 |
Ašigaliai, kalnų viršūnės, nuolatinis sniegas | 24,064,000 | 5,773,000 | 68.7 | 1.74 |
Gruntinis vanduo | 23,400,000 | 5,614,000 | -- | 1.7 |
Gėlasis | 10,530,000 | 2,526,000 | 30.1 | 0.76 |
Druskingas | 12,870,000 | 3,088,000 | -- | 0.94 |
Dirvos drėgmė | 16,500 | 3,959 | 0.05 | 0.001 |
Ledas grunte, amžinas įšalas | 300,000 | 71,970 | 0.86 | 0.022 |
Ežerai | 176,400 | 42,320 | -- | 0.013 |
Gėlusis | 91,000 | 21,830 | 0.26 | 0.007 |
Druskingas | 85,400 | 20,490 | -- | 0.006 |
Atmosfera | 12,900 | 3,095 | 0.04 | 0.001 |
Pelkės | 11,470 | 2,752 | 0.03 | 0.0008 |
Upės | 2,120 | 509 | 0.006 | 0.0002 |
Biologinis vanduo | 1,120 | 269 | 0.003 | 0.0001 |
Bendras | 1,386,000,000 | 332,500,000 | - | 100 |
Source: Gleick, P. H., 1996: Water resources. In Encyclopedia of Climate and Weather, ed. by S. H. Schneider, Oxford University Press, New York, vol. 2, pp.817-823. |