Видимая и невидимая

По преданию, в далекие времена Харуна ар-Рашида, могущественного халифа Багдада, выпал страшный год, когда на землю не упала ни одна капля воды. Все задыхались от жары. Животные и люди падали на улицах от жажды. Могучая река Тигр превратилась в зловонный ручеек, несущий людям болезни.

Тогда Харун ар-Рашид призвал своего верного везиря Мас-рура и приказал ему: «Найди мудреца, который даст совет, как спасти Багдад». «Слушаю и повинуюсь, о, повелитель правоверных!» — ответил Масрур.

Прошел день, другой, и Масрур вступил в покои халифа вместе с человеком с длинной белой бородой. Человек пал на колени перед великим халифом и сказал: «О, повелитель правоверных, прикажи вырыть глубокую яму на том месте, где ты стоишь, и Багдад будет спасен».

Рыли день, рыли два, три, на четвертый из ямы ударил мощный фонтан кристально чистой холодной воды.

Эта легенда рассказывает о нахождении источника подземной воды, невидимого для нас, но крайне важного для человечества.

Вода окружает человека, сопровождает его всю жизнь. Она падает каплями из проносящейся грозовой тучи, журчит в ручейках, низвергается потоками в водопадах, сплошной массой движется в реках, радует наш глаз в озерах, морях и океанах, сползает ледниками с гор. Это все вода видимая.

Однако часть ее недоступна глазу. Разве можем мы увидеть воду в камне или водяные пары в теплый летний день?

Особое место занимает не видимая нами вода в толще Земли, о которой уже говорилось в восточной легенде. Ее мы видим только в колодце или ключе, выбивающемся из берегового откоса.

В одной сказке легендарный король, собираясь отдать руку своей дочери, объявляет конкурс, в котором задается ряд хитроумных вопросов, в том числе такой: «Что везде?». Среди всех претендентов находится лишь один, ответивший: — «Вода. Так как она в воздухе, на земле и внутри ее».

Современная наука подтвердила эту народную мудрость. Академик В. И. Вернадский говорил, что вода вездесущая, так как не только образует поверхностные скопления, но и входит в состав всех минералов и горных пород.

Мы хорошо знаем, что вода многолика: она и пар, и снег, и жидкость, и лед. Больше всего жидкой воды, конечно, в океанах и морях. Здесь ее количество достигает 1370 млн. км³. Чтобы представить эту громадную массу воды, допустим, что мы сделали из этой воды столб, в котором площадь основания будет равна 1 км². Высота такого столба составит более чем девятикратное расстояние от Земли до Солнца.

Второе место занимает масса невидимой воды в земной коре и частично в мантии. Здесь ее содержится около 1300 млн. км³. Это всего на 70 млн. км³ меньше, чем в океанах. Следует заметить, что количество подземной воды пока точно не известно, поэтому приведенная цифра может оказаться заниженной. Если из этого количества воды сделать столб, аналогичный океанскому, то его высота также составит приличную величину — 8,6 расстояния от Земли до Солнца.

В твердом виде вода образует ледники. Основная масса их сосредоточена в Арктике и Антарктике. Общее количество льда на Земле колеблется от 25 до 27 млн. км³. Именно в них и содержатся основные количества пресной воды. Здесь сосредоточено 84% ее. Это делает айсберги ценнейшими источниками питьевой воды.

Появились даже предложения о транспортировке их по океанам в засушливые районы. Нашлись предприимчивые, но недостаточно честные люди и разработали практический проект переброски крупного айсберга из Антарктиды в Персидский залив. Однако это оказалось жульнической операцией. Но неудача этого мероприятия не уничтожает самой идеи использования айсбергов как источников питьевой воды.

Рис. 9. Где и сколько воды на Земле

В воздушной оболочке Земли вода больше всего распространена в виде пара. Но много ее и в жидком, и в твердом состояниях. Однако общее количество воды в атмосфере невелико и не превосходит 15 тыс. км³.

Еще один источник воды — озера. В СССР их более 300 000. Среди них крупнейшее озеро мира Каспий, самое глубокое Байкал и такие, как Балхаш, Ладожское, Онежское и др. В США среди крупных озера Верхнее, Мичиган, Гурон, Эри; в Перу — Титикака, в Кении — Виктория. Озера занимают на земле площадь 2,7 млн. км². Но общее количество воды в них не превышает 230 тыс. км³. А ведь ещё есть вода в живых организмах, растениях и горных породах. Оценить это количество оказывается довольно сложно, да и необходимости в таком подсчете пока нет (рис. 9).

В настоящей книге мы попытаемся познакомить широкий круг читателей с водами, сосредоточенными в земной коре. Их преимущества для человечества очевидны, прежде всего, в них содержится более 15% запасов всех пресных вод, и они у нас буквально под ногами. Подземные воды изучаются особой наукой — гидрогеологией (наука о водах под землей), являющейся молодым разделом геологического цикла знаний.

Вечное» движение

Поразительна способность воды постоянно стремиться к движению. Она движется в стакане, в реке, в море, под землей, в атмосфере. Причин такой подвижности очень много: здесь и разность температур, и воздействие тяжести, и механическое (негравитационное), и ветровое, и физико-химическое (влияние разности содержания солей, ионного состава) воздействие и т. д.

Если вода находит малейшее отверстие в сосуде, она немедленно устремляется просочиться через него. Способы передвижения воды также разнообразны. Она может двигаться крупными потоками, мельчайшими каплями и айсбергами, по капиллярам и в виде микроскопических пленок. Все пути и способы хороши для воды, ей лишь бы только двигаться. Она плавно скользит в речном потоке, бурно низвергается водопадом с горной кручи, бьет волной о берег, стремительно несется в облаках, образует потоки ливня, рвется из котла в виде пара или тонкой струйкой выходит из кипящего чайника.

Вода — непоседа, она все время стремится менять свое положение. Можно говорить о великом круговороте ее в природе.

Бесконечны пространства морей и океанов. С их поверхности происходит непрерывное испарение воды и образование пара. Ученые подсчитали, что над океанами образуется 86% водяного пара, находящегося в атмосфере. Гораздо меньше поступает его с континентов — около 14%.

Пар собирается в воздухе, образуя облака, из которых время от времени вода выпадает дождем или снегом обратно на поверхность материков и океанов. На суше дождевые воды образуют струйки, ручейки, реки, а в горах ледники. В конечном счете часть воды снова возвращается в моря и океаны.

Другая часть дождевой воды просачивается в породы, слагающие поверхность земной коры, и уже далее движется в ее недрах. На рис. 10 показаны главные пути круговорота воды в природе. Это, конечно, только схема. Она не может показать того, в действительности, сложного пути, который проходит вода в своем стремлении к вечному круговороту.

К примеру, немалая роль принадлежит растениям, животному миру и в особенности человеку. Они захватывают и консервируют определенную часть воды, выводя ее временно из круговорота. Для человечества очень важно знать, сколько воды перемещается в течение года разными путями. Сколько воды используется, выпадает осадками, перемещается реками, просачивается в землю? Все это стремятся установить ученые. Они, как бухгалтеры, скрупулезно подсчитывают приход и расход воды для выяснения общего баланса водных масс.

Рис. 10. Вода вечно находится в движении

Вы спросите: для чего все это нужно? Опираясь на эти данные, специалисты разных областей науки решают вопросы изменения запасов воды в различных природных зонах, климата, водоснабжения и многие другие.

Интересные расчеты были выполнены М. И. Львовичем. Он установил, что на поверхности земного шара (площадь 510083 тыс. км²) в год выпадает 520000 км³ осадков. Это немного меньше, чем воды в Каспийском море. Испарение же со всей поверхности Земли составляет примерно то же количество.

Если взять всю выпадающую за год на Землю воду и равномерно распределить ее по поверхности, то образуется сплошной слой глубиной чуть более одного метра.

Конечно, более всего воды циркулирует над океаном. На рис. 11 показана диаграмма, сопоставляющая осадки и испарение воды над океаном и сушей.

Ученые на основе изучения общего баланса воды на Земле сделали поразительные выводы: масса воды в океане полностью обменивается в течение 2600 лет. А вот в атмосфере вода меняется каждые 9 суток. Несколько медленнее идет обмен в реках — за 12 суток.

Совсем другая картина в мире подземных вод. Только в самом верхнем слое земной коры, где содержится примерно 4,6% всего количества подземной воды, они обмениваются за время от 100 до 5000 лет. Основная же ее масса, заключенная на больших глубинах, обменивается за миллионы и даже десятки и сотни миллионов лет. Она как бы зажата в тисках горных пород и преодолевает их с большими усилиями. Пройдет тьма времени, прежде чем произойдет обмен этих глубинных вод.

Рис. 11. Испарение воды и выпадение осадков над океаном и сушей

Твердая фаза (в виде льда) также участвует в общем обороте воды. Подсчитано, что в горных ледниках полный обмен происходит за 5000 — 10000 лет. Значительно медленнее идет обмен арктических и антарктических льдов. Здесь этот процесс осуществляется примерно в течение 200000 лет.

Такова вода — вечный путешественник и бродяга.