География
Гидрология
Подземные воды
В следующих статьях моей рубрики я бы хотел разобрать различные разделы географии. И начну я, пожалуй, с гидрологии; без особых соображений, это просто одна из моих любимых географических наук.
Гидрология - это наука, изучающая движения и распределения воды на планетах.
Почему гидрология так интересна, так это потому, что вода - пожалуй, самый важный ресурс. Без неё жизнь на этой планете была бы невозможна, а поверхность Земли напоминала бы поверхность Луны. Дело в том, что вода — один из главных агентов эрозии, разрушающих и изменяющих рельеф Земли. (Эрозия — это процесс разрушения, выветривания и переноса почвы или горных пород.) На Луне, например, нет ни жидкой воды на поверхности, ни атмосферы, поэтому ее поверхность покрыта кратерами. На Земле эрозия стирает кратеры, таким образом, известных кратеров на Земле более чем в 40 раз меньше чем на Луне.
Вода важна не только на поверхности, но и в атмосфере, водяной пар - это главный парниковый газ, если бы не вода, Земля бы замерзла.
Кроме того, значительная часть воды на планете скрыта под землёй. Подземные воды играют важную роль в водоснабжении людей, питая реки, озёра и источники. Они обеспечивают миллионы людей пресной водой и помогают поддерживать экосистемы даже в засушливых районах.
Размышляя о гидрологии и воде на Земле, я пришел к выводу, что в одной статье я не могу все охватить, потому что это очень обширная тема. Легко и кратко описать круговорот воды и связь воды в атмосфере, океанах, реках, ледниках я, конечно, мог бы, но это было уже слишком много раз сделано, и все более-менее знакомы с этой темой.
Думая о гидрологии, я перебрал множество тем, начиная от размыва ландшафтов реками вплоть до воды на Марсе, но в итоге я решил написать первую статью о подземных водах, поскольку я недавно прочел статью на MDPI про подземные воды в бассейне реки Чаупхрая (Менам) в Таиланде.
Подземные воды, как я написал выше, — неимоверно важный ресурс для людей. Это главный источник пресной и питьевой воды. Люди выкачивают так много воды из подземных резервуаров, что это даже влияет на наклон оси вращения Земли. Любые перемещения материи на поверхности влияют на её вращение, но объем воды, выкачиваемый людьми, настолько велик, что ученые долгое время не могли создать точную модель изменения наклона Земли, пока не учли выкачивание подземных вод. Конечно, эта разница сравнительно невелика — всего несколько сантиметров, так что перевернется Земля еще не скоро.
Подземные воды важны не только для людей, но и для множества экосистем. Они играют ключевую роль в болотах, пустынях, где без них не могли бы существовать оазисы, а также в пещерных экосистемах. Кроме того, многие реки и озёра питаются подземными водами, что позволяет им не пересыхать в засушливые сезоны.
Что вообще такое подземные воды?
Подземные воды - воды, находящиеся под поверхностью Земли в порах горных пород и почвы, а также в трещинах горных пород.
Подземная вода накапливается разными способами: например, она может пропитывать почву, заполнять трещины в грунте или даже существовать в виде горячего газа.
То, как вода попадает под землю, зависит от типа земной поверхности. Бывают поверхности с высокой и низкой проницаемостью, например, песок обладает высокой проницаемостью, глина - очень низкой, а асфальт вообще непроницаем для воды.
Проницаемость поверхности (почвы) определяется размером частиц, из которых она состоит. Частицы в почве принято разделять на три типа песок (sand), пылеватые частицы (silt) и глину(clay). Все эти частицы отличаются исключительно по размеру, не важно из чего они, главное, что они верного размера.
По этим трем частицам определяется тип почвы, для чего используют треугольник Ферре. Тип почвы - это соотношение частиц в образце. Например, суглинок (loam) состоит примерно из 40% песка, 40% пылеватых частиц и 20% глины.
У жидкой воды на поверхности Земли есть несколько вариантов движения: движение по рекам и ручьям, накапливание в водоемах, стек с ледников и просачивание в почву. То, какой тип передвижения она “выбирает”, во многом зависит от поверхности, на которой она оказалась.
Например, в городе во время дождя все видели ручьи около тротуаров, вода не может просочиться под землю, и если бы не дренажные решетки или канализационные люки, вода просто накапливалась бы в низких частях города. Поэтому в городах с недавнего времени стала появлятся газонная решетка, она облегчает задачу избавления от воды, вода просто сама уходит под землю, и не надо ее никуда отводить.
Если во время дождя вода попадает на почву, в которую она может просочится, это не значит, что она просачивается и дальше движется прямо вниз.
Во-первых, просочиться для воды - это тот еще челлендж, в сухой песок вода просачивается быстро и легко, но если почва состоит из более мелких частиц или она не сухая, то просачиваться значительно сложнее.
Из-за того, что в почве зачастую поры очень мелкие, для них действует капиллярный эффект: вода движется не вниз, а вверх, либо просто стоит на месте. Вода сверху начинает накапливаться, либо куда-то стекает.
Однако со временем почва напитывается водой, и это ускоряет просачивание воды под землю, поры заполнены водой, и капиллярный эффект ослабляется, но когда насыщенность почвы водой переходит некоторый предел, вода перестает впитываться.
Это, к примеру, происходит во время паводков, когда они короткие, вода успевает впитываться в почву или поглощается растениями, но когда паводки длительные или просто быстрые, у почвы либо не хватает времени впитать воду, либо она просто со временем становится слишком насыщенной, что может привести к потопу.
После того, как вода, наконец, просачивается под землю, она движется вниз до уровня грунтовых вод (water table). Уровень грунтовых начинается на глубине, на которой поры в почве уже заполнены водой, этот уровень может меняться в зависимости от погодных условий и сезона.
Ниже уровня грунтовых вод вода обычно движется горизонтально, направление зависит от разницы давления в водоносном горизонте, и, как в наклонных ландшафтах, вода течет вниз под землей, подобно тому, как реки текут по поверхности.
На грунтовые воды, несмотря на то, что они находятся под Землей, влияет и изменение климата. В засушливых районах снижение количества осадков приводит к тому, что подземные воды уходят все глубже или даже истощаются. Особенно хороший тому пример - это Калифорния: вода используется здесь в таких количествах, что на её восстановление могут потребоваться сотни лет. А в юго-восточной Азии, наоборот, увеличение осадков может привести к подъему грунтовых вод, вызывая заболачивание земель.
Но проблема не только в количестве осадков. Повышение температуры тоже играет свою роль. Чем жарче, тем быстрее испаряется вода, а это значит, что даже при тех же осадках в почве остаётся меньше влаги. Таким образом, людям приходится бурить скважины глубже, а чем глубже грунтовые воды, тем дольше занимает их пополнение. Также в прибрежных районах опускание водных слоев может вызвать их засоление, так как соленая вода сможет в них попадать.
В общем подземные воды гораздо более уязвимыми, чем кажется. Их запасы не бесконечны, а их движение и уровень зависят от множества факторов — климата, деятельности человека, геологических особенностей.