Przeczytaj
1. Obieg wody w przyrodzie i zasoby wodne kuli ziemskiej
Hydrosfera to jedna z powłok Ziemi. Obejmuje ona wodę w postaci ciekłej, gazowej i stałej, którą stanowią:
wody lądowe: podziemne i powierzchniowe (lodowce, lądolody i wody uwięzione w wieloletniej zmarzlinie, rzeki, jeziora, bagna),
wody morskie: morza i oceany,
wody zgromadzone w atmosferze i biosferze.
1.1. Geneza hydrosfery
Hydrosfera powstała w początkowym etapie życia naszej planety. Bardzo wysoka temperatura Ziemi powodowała uwalnianie do atmosfery dużych ilości gazów, głównie pary wodnej i dwutlenku węgla. Wraz ze spadkiem temperatury Ziemi gazy te uległy kondensacji. Około 4 mld lat temu powstały pierwsze zbiorniki wodne, lecz dopiero ok. 1 mld lat później objętość wszechoceanu ustaliła się na dzisiejszym poziomie.
Dzięki dużej objętości dwutlenku węgla w pierwotnym składzie atmosfery następowało intensywne wietrzenie skał. W efekcie tego procesu – na skutek działalności wód powierzchniowych, spływu powierzchniowego i podziemnego – produkty wietrzenia dotarły do mórz i zaczęły reagować z kwasami pochodzącymi z działalności wulkanicznej. Zaczął się wówczas kształtować obecny skład hydrosfery.
Hipoteza solarna zakłada, że woda wytworzyła się na skutek łączenia w atmosferze ziemskiej wodoru i tlenu. Według tej hipotezy wodór dotarł do Ziemi razem z wiatrem słonecznym.
Hipoteza geochemiczna mówi natomiast, że woda powstaje we wnętrzu skorupy ziemskiej i uwalnia się z magmy w czasie procesów wulkanicznych.
Inne teorie zakładają powstanie hydrosfery w wyniku odgazowania skał płaszcza ziemskiego lub łączenia się atomów tlenu z wodorem uwolnionym z materii słonecznej.
1.2. Właściwości i znaczenie wody
Woda jest jednym z niewielu ziemskich zasobów, które nie mają swojego substytutu. W związku z tym jej odpowiednie wykorzystanie oraz ochrona stanowią bardzo istotną kwestię w kontekście jej podstawowego znaczenia dla życia na Ziemi. Jest to jeden z najbardziej rozpowszechnionych związków w przyrodzie, choć praktycznie nie występuje ona jako czysty związek tlenu i wodoru, lecz jako roztwór.
Właściwości fizyczne i chemiczne wody:
występuje w naturalnym środowisku w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym,
jest bezbarwna, bezwonna i bez smaku,
nie ma kształtu, ponieważ przybiera formę naczynia, w którym się znajduje,
wraz ze zmianą temperatury zmienia swą objętość i gęstość:
w temperaturze poniżej 0°C zwiększa swoją objętość o ok. 9%, a zmniejsza gęstość (lód nie tonie), wrze w temperaturze 100°C,
w temperaturze 4°C występuje jej najmniejsza objętość i jednocześnie największa gęstość,
wraz ze wzrostem temperatury (powyżej 4°C) jej objętość ponownie rośnie, a gęstość – maleje,
jest dobrym rozpuszczalnikiem,
jest nośnikiem ciepła, zarówno w cyklu dobowym, jak i rocznym – magazynuje ciepło w ciągu dnia i lata, a uwalnia nocą i zimą,
posiada wysokie ciepło właściwe, umożliwiające przepływ energii,
odznacza się bardzo wysokim napięciem powierzchniowym.
Cechy te warunkują rozwój życia na Ziemi i wpływają na przebieg wielu procesów kształtujących jej powierzchnię.
- pokarm dla organizmów żywych
- środek transportu dla produktów przemiany materii, substancji odżywczych, hormonów, enzymów
- regulacja temperatury organizmów
- środowisko życia wielu organizmów organizmów
- cele spożywcze
- cele sanitarne
- nawadnianie pól uprawnych
- pojenie zwierząt hodowlanych
- nośnik ciepła
- chłodziwo
- rozpuszczalnik
- hodowla organizmów morskich
- transport
- produkcja energii elektrycznej
- czynnik lokalizacji przemysłu, głównie chemicznego (farmaceutycznego), spożywczego, celulozowo-papierniczego i włókienniczwego
1.3. Zasoby wodne Ziemi
Szacuje się, że na kuli ziemskiej znajduje się ok. 1385,7 mln km³ wody. Woda słodka (przydatna dla człowieka i innych organizmów żywych) stanowi zaledwie 2,5% tej liczby (a więc ok. 34,6 mln km³).
96,5% stanowią wody słone: morza, oceany i słone jeziora,
3,5% stanowią wody słodkie: lodowce i lądolody, wody podziemne i inne.
Człowiek wykorzystuje jedynie około 0,4% objętości wód słodkich.
Obszar | Szacunkowe zasoby wody [km³] | ||
|---|---|---|---|
gruntowej | stałej | powierzchniowej | |
Antarktyda | – | 30 000 000 | – |
Azja | 7 800 000 | 61 000 | 31 000 |
Ameryka Północna | 4 300 000 | 90 000 | 27 000 |
Afryka | 5 500 000 | 0,2 | 32 000 |
Ameryka Południowa | 3 000 000 | 900 | 3 300 |
Grenlandia | – | 2 600 000 | – |
Europa | 1 600 000 | 18 000 | 2 500 |
Australia | 1 200 000 | 180 | 221 |
Indeks górny Źródło: W. Mizerski, J. Żukowski (red.), Tablice geograficzne, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa 2014. Indeks górny koniecŹródło: W. Mizerski, J. Żukowski (red.), Tablice geograficzne, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa 2014.
1.4. Cykl hydrologiczny
Cykl hydrologiczny, nazywany też obiegiem wody, to krążenie wód w przyrodzie. Stanowi on zamknięty cykl przemieszczania się wody między trzema sferami ziemskimi: hydrosferą, atmosferą i litosferą, na rozpiętości ok. 17 km (do ok. 16 km w troposferze i do ok. 1 km w skorupie ziemskiej). Zachodzi na skutek działania energii słonecznej i siły ciężkości, a dodatkowym czynnikiem, który go wspomaga, jest ciepło pochodzące z wnętrza Ziemi. Szacuje się, że w cyklu hydrologicznym bierze udział tylko ok. 0,04% zasobów wodnych Ziemi.
Jako elementy cyklu hydrologicznego należy wymienić jeszcze: zamarzanie, rozmarzanie, konwekcję, adwekcję, spływ powierzchniowy oraz wody juwenilne.
Wyróżnia się duży i mały obieg wody:
duży obieg wody zachodzi między oceanem, atmosferą i lądem,
mały obieg wody zachodzi między atmosferą a lądem lub między atmosferą a oceanem.
Rozróżnić można także dwie fazy obiegu wody: atmosferyczną i lądową (kontynentalną).
Elementy fazy atmosferycznej | Elementy fazy lądowej |
|---|---|
● parowanie i sublimacja ● transport pary wodnej z masami powietrza ● kondensacja i resublimacja | ● opady atmosferyczne ● wsiąkanie i zasilanie wód podziemnych ● spływ powierzchniowy i podziemny ● retencja powierzchniowa i podziemna |
1.5. Bilans wodny
Bilans wodny jest zestawieniem przychodów i rozchodów wody na danym obszarze (najczęściej w dorzeczu) w czasie roku hydrologicznego (w Polsce taki rok rozpoczyna się w listopadzie i kończy w październiku). Przez przychody rozumie się opady atmosferyczne, a przez rozchody wody – parowanie i odpływ. Na jego wartość decydujący wpływ mają: klimat (opady i temperatura), rzeźba terenu, oddalenie od mórz i oceanów, prądy morskie i szata roślinna.
Równanie bilansu wodnego Pencka‑Oppokowa:
P = H + E + deltaR
gdzie:
P – wielkość opadów atmosferycznych
H – odpływ (powierzchniowy i podziemny)
E - parowanie
deltaR – zmiany retencji (różnica ilości wody pozostającej na lądach na początku i na końcu okresu bilansowanego; powierzchniowa i podziemna).
Ze względów praktycznych bilans wodny wykonuje się dla danego roku hydrologicznego. Rok hydrologiczny to okres, którego początek ustalono w Polsce na 1 listopada, a koniec – na 31 października. Na początku roku hydrologicznego ma miejsce retencja opadów w postaci zamarzniętej. Powoduje to, że opady z początku roku hydrologicznego mają wpływ na poziom wód w późniejszym okresie tego samego roku hydrologicznego.
Obszary, na których opad jest większy niż parowanie i odpływ całkowity, mają dodatni bilans wodny (O > P + OC). Na lądach ta część opadu, która nie wyparuje, może zasilać wody podziemne i powierzchniowe lub gromadzić się w postaci śniegu i lodu. Im większy nadmiar opadów, tym gęstsza jest sieć wód powierzchniowych.
Obszary, na których przeważa parowanie i odpływ całkowity nad opadami, mają ujemny bilans wodny (O < P + OC). Ujemny bilans mają oceany, morza i jeziora, lecz tam ubytek jest uzupełniany przez wody spływające z lądu. Bilans wodny poszczególnych obszarów lądowych decyduje o ich zasobności w wodę słodką.
W skali globu saldo bilansu wodnego jest równe zeru.
Przykłady obszarów na Ziemi | |||
|---|---|---|---|
O dodatnim bilansie wodnym | O ujemnym bilansie wodnym | ||
Strefa równikowa | Nizina Amazonki, Kotlina Konga, Archipelag Malajski | Strefa zwrotnikowa | Sahara, Kalahari, Półwysep Arabski, zachodnia i środkowa Australia |
Tereny leżące w pobliżu mórz, obok których przepływają ciepłe prądy morskie | Zachodnia część Gór Skandynawskich, północno‑zachodnia część Gór Nadbrzeżnych | Tereny leżące w pobliżu mórz, obok których przepływają zimne prądy morskie | pustynia Namib, pustynia Atakama |
Obszary o utrudnionym odpływie wód | Nizina Zachodniosyberyjska | Obszary lądowe położone daleko od mórz, o małym dopływie wód | Środkowa Azja (Pustynia Gobi, Nizina Turańska) |
Strefa okołobiegunowa | Grenlandia, Antarktyda | Obszary leżące w tzw. cieniu opadowym | Kotlina Kaszgarska, Wielka Kotlina |
Największy deficyt wody występuje w strefie zwrotnikowej, w klimacie gorącym i suchym. Skąpa roślinność lub jej całkowity brak na tych terenach dodatkowo przyczyniają się do wzmożonego parowania wody z gleby.
Największy nadmiar wody jest w strefie klimatu równikowego wilgotnego (bardzo duże opady) oraz umiarkowanego morskiego (duże opady, małe parowanie). Dodatni bilans z niewielkim odpływem ma również strefa podbiegunowa. W strefach umiarkowanych i chłodnych niższa temperatura ogranicza parowanie, przez co nawet przy niższych opadach ilość wody jest wystarczająca.
- im dalej od równika, tym maleje ilość opadów i odpływ, a rośnie parowanie
- bilans wodny jest tam dodatni, jedynie w klimacie podrównikowym suchym – ujemny
- bilans wodny jest tam ujemny
- jedynie w klimacie monsunowym (o bardzo dużych opadach atmosferycznych) – dodatni; odpływ całkowity jest największy półroczu letnim
- bilans wodny jest tam ujemny,
- latem występują bardzo niskie opady i niedobór wody,
- odpływ całkowity przeważa jesienią i zimą,
- w odmianie morskiej występuje duży odpływ całkowity
- dla klimatu chłodnego charakterystyczna jest retencja wody w postaci stałej i duży odpływ wiosną i latem, podczas topnienia śniegu
- bilans wodny jest tam dodatni (za wyjątkiem pustyń)
- występuje tam znaczna retencja śniegowa i lodowa
- odpływ całkowity jest niewielki, zwiększony podczas roztopów
- bilans wodny jest tam z reguły dodatni
- wraz z wysokością rośnie ilość opadów i wielkość spływu powierzchniowego, a zmniejsza się parowanie
- powyżej linii wieloletniego śniegu występuje retencja śniegowa i lodowa
- największy odpływ całkowity obserwuje się podczas roztopów
2. Wody podziemne
Wody podziemne znajdują się pod powierzchnią ziemi, wypełniając próżnie i szczeliny w skałach. Podstawowymi pojęciami, które będą używane w niniejszym rozdziale są:
porowatość – udział wolnych przestrzeni w skałach w ogólnej objętości,
przepuszczalność – zdolność do przenikania wody do głębszych warstw,
ciśnienie hydrostatyczne – ciśnienie wywierane przez słup wody o określonym ciężarze i wysokości.
2.1. Powstawanie i strefy wód podziemnych
Opad atmosferyczny, opadając na powierzchnię ziemi, wsiąka (infiltruje) w podłoże. Wsiąkanie to odbywa się z różną intensywnością i na różną głębokość. Ilość wód podziemnych zależy przede wszystkim od porowatości skał, przepuszczalności podłoża, ukształtowania powierzchni i bujności szaty roślinnej. Oprócz opadów atmosferycznych wody podziemne zasilane są przez topniejący śnieg i lód, a także przez parę wodną z powietrza.
- takie, w których może znajdować się woda (warstwy wodonośne) – obejmują wiele rożnych skał o rożnej przepuszczalności. Do skał najlepiej przepuszczalnych zalicza się skały luźne (np. rumosze, żwiry, piaski) oraz skały zwięzłe, przez które przebiega bardzo gęsta sieć szczelin
- w ich obrębi znajdują się dwie strefy: aeracji i saturacji
- strefa aeracji (napowietrzenia) – leży bezpośrednio pod powierzchnią terenu; przenika przez nią woda; oprócz wody znajduje się tam powietrze atmosferyczne
- strefa saturacji (nawodnienia) - leży pod strefą aeracji; większość przestrzeni wypełnia woda
- takie, przez które woda nie może się przedostać – to przede wszystkim iły, łupki, gliny, margle oraz skały zwięzłe i lite, które nie są spękane
- swobodne – nie jest ograniczone od góry warstwą nieprzepuszczalną, więc może zmieniać swój poziom w układzie pionowym (kształtuje je ciśnienie atmosferyczne)
- napięte – jest ograniczone od góry warstwą nieprzepuszczalną, więc nie może zmieniać swojego poziomu w układzie pionowym (kształtuje je ciśnienie hydrostatyczne)
W warstwie wodonośnej mogą występować różne rodzaje wód podziemnych, w zależności od rodzaju wypełnianych przez nią przestrzeni:
wody porowe (gdy woda wypełnia pory w skałach osadowych okruchowych lub gdy woda wypełnia spękania i szczeliny w skałach magmowych i metamorficznych),
wody krasowe (gdy woda wypełnia pustki w przestrzeniach wapieni, dolomitów i gipsów),
złożone (mieszane).
2.2. Rodzaje wód podziemnych
Podział wód podziemnych ze względu na pochodzenie
wody infiltracyjne – powstają w wyniku infiltracji wód opadowych, roztopowych i powierzchniowych,
wody juwenilne – powstają na obszarach sejsmicznych podczas ochładzania się magmy (zbliżającej się do powierzchni ziemi) i kondensacji pary wodnej z niej uwalnianej, gdy podnosi się ona ku powierzchni ziemi; odznaczają się wysoką temperaturą i wysokim stopniem mineralizacji; wydostają się na powierzchnię ziemi jako gejzery i gorące źródła,
wody metamorficzne – powstają w procesach przeobrażania skał,
wody kondensacyjne – powstają w wyniku kondensacji pary wodnej zawartej w glebie, podczas jej zetknięcia z chłodniejszym powietrzem atmosferycznym lub ochłodzonymi warstwami wierzchnimi; odgrywają ważną rolę na obszarach suchych,
wody reliktowe – powstają w wyniku odizolowania w przeszłości geologicznej od górnych warstw skorupy ziemskiej; nie biorą udziału w globalnym obiegu wody.
Rodzaj | STREFA AERACJI | ||
|---|---|---|---|
związane | glebowe | ● higroskopowe | ● powstałe w wyniku adsorpcji cząsteczek pary wodnej z powietrza |
● błonkowate | ● przywierające do cząstek gruntu | ||
●kapilarne | ● wznoszące się w bardzo małych porach i niewielkich szczelinach ponad zwierciadło wód podziemnych, co jest wywołane napięciem powierzchniowym | ||
wolne | porowe | ● wsiąkowe | ● wypełniające czasowo wolne przestrzenie (po wystąpieniu deszczu) |
● zawieszone | ● powstające w wyniku zatrzymania wsiąkających wód przez soczewkę osadów nieprzepuszczalnych ● tworzą zbiorowiska wody wolnej ● mają zwykle charakter okresowy, gdyż są ruchliwe: spływają w różnych kierunkach po soczewce i przesiąkają do wód gruntowych ● często wyparowują, gdyż znajdują się w zasięgu oddziaływania powietrza atmosferycznego ● mogą wpływać na rozwój roślinności na powierzchni | ||
STREFA SATURACJI | |||
szczelinowe | ● przypowierzchniowe (zaskórne) | ● zalegają bardzo płytko pod powierzchnią (maksymalnie do 2 m w głąb) ● rzadko występują w obrębie strefy aeracji ● znajdują się pod bezpośrednim wpływem atmosfery ● odznaczają się dużym stopniem zanieczyszczenia, dlatego nie mogą być przeznaczane do celów spożywczych ● mogą tworzyć obszary podmokłe lub źródła | |
● gruntowe (freatyczne) | ● stanowią pierwszą warstwę wodonośną ● mają swobodne zwierciadło, które nawiązuje do ukształtowania powierzchni ● znajdują się pod mniejszym wpływem czynników atmosferycznych niż wody przypowierzchniowe ● podlegają wahaniom sezonowym ● są zasilane wodami opadowymi i powierzchniowymi, a także one same zasilają rzeki lub jeziora ● dzięki głębszej infiltracji są czystsze niż wody przypowierzchniowe ● nadają się zwykle do celów spożywczych | ||
krasowe, szczelinowe, warstwowe | ● wgłębne | ● znajdują się pod warstwami skał nieprzepuszczalnych, a powstają tam dzięki oknom hydrologicznym ● znajdują się pod ciśnieniem hydrostatycznym, tworząc zwierciadło napięte ● wśród nich wyróżnić można wody artezyjskie i subartezyjskie ● odznaczają się mniejszym stopniem zanieczyszczenia niż wody gruntowe ● są często zmineralizowane ● ich wymiana jest bardzo wolna – są traktowane jako zasoby nieodnawialne | |
● głębinowe | ● znajdują się bardzo głęboko ● są całkowicie odizolowane kilkoma warstwami nieprzepuszczalnymi ● są wodami reliktowymi ● są silnie zmineralizowane i termalne ● należą do zasobów nieodnawialnych | ||
Wody artezyjskie i subartezyjskie
Występują one na obszarach, gdzie warstwy wodonośne zalegają w niecce (basenie artezyjskim) i są ograniczone od góry i od dołu warstwami nieprzepuszczalnymi. Zwierciadło wód w tych miejscach jest napięte. Wody artezyjskie to wody, które wypływają na powierzchnię ziemi pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego w wyniku przewiercenia górnej warstwy nieprzepuszczalnej (lub jej naturalnej erozji – tzw. studnia). Natomiast wody subartezyjskie różnią się tym od artezyjskich, że występuje w takiej sytuacji jedynie podniesienie ich poziomu – przyczyną tego jest niższe ciśnienie hydrostatyczne.
Poziom, który osiąga woda przemieszczająca się do góry pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego, nazywa się poziomem piezometrycznym.
Przykłady basenów artezyjskich: Wielki Basen Artezyjski (Australia), Wielki Basen Dakoty (USA), a także okolice niektórych dużych miast: Paryża, Moskwy, Londynu, Warszawy, Łodzi.
Podział wód podziemnych ze względu na stopień mineralizacji
Podział wód podziemnych ze względu na twardość
Twardość wody wyraża się zawartością w wodzie węglanów wapnia i magnezu. Przyjmuje się, że wody miękkie to takie, w których ilość tych związków nie przekracza 0,08 g/l, a wody twarde – w których ilość tych związków przekracza 0,2 g/l. Zostawiają one wapienny osad na naczyniach podczas gotowania (tzw. kamień kotłowy).
Podział wód podziemnych ze względu na temperaturę
Wraz ze wzrostem głębokości rośnie temperatura wód podziemnych – średnio o 1ºC na każde 35 m w skali kuli ziemskiej. Wyróżnia się najczęściej wody podziemne:
zwykłe – do 20ºC lub do średniej rocznej temperatury powietrza w danym miejscu,
termalne (cieplicowe) – powyżej 20ºC (lub średniej rocznej temperatury w danym miejscu).
2.3. Źródła
Źródło to miejsce, w którym na powierzchnię ziemi samoczynnie wydobywają się wody podziemne, otworem lub szczeliną.
Stosunkowo często zdarza się, że zwierciadło wody podziemnej przecina się z powierzchnią ziemi. Wówczas w miejscu przecięcia następuje naturalny wypływ i mamy do czynienia z zamianą wody podziemnej w wodę powierzchniową. Miejsce tej zamiany nazywamy źródłem. Jeżeli woda znajdująca się pod ziemią nie ma naturalnego wypływu i pobierana jest dzięki sztucznemu otworowi, który sięga do jej poziomu w głębi ziemi, mamy do czynienia ze studnią. Źródła wypływają na skutek ciśnienia hydrostatycznego i siły grawitacji.
Podstawowym parametrem charakteryzującym źródła jest ich wydajność, wyrażana w dm³/sek. lub dm³/min.
Ze względu na siłę powodującą wypływ wody na powierzchnię wyróżniamy źródła: zstępujące (gdzie woda wypływa swobodnie pod wpływem grawitacji) i wstępujące (gdzie woda wypływa wskutek działania ciśnienia hydrostatycznego).
Podział źródeł
- szczelinowe – powstają, gdy powierzchnia ziemi przecina się ze szczelinami skalnymi w skałach zwięzłych
- wstępujące (ascensyjne, podpływowe) – woda wypływa pod wpływem ciśnienia
- zstępujące (descensyjne, spływowe) – woda wypływa pod wpływem siły grawitacji
- lewarowe (syfonowe) – uwalniające wody okresowo, gdy poziom wody w lewarze podziemnym przekroczy próg lewara; do nich zalicza się też gejzery
- uskokowe – powstają podczas ruchów tektonicznych (i związanych z tym przesunięć warstw skalnych) – woda ma możliwość wypłynięcia na powierzchnię ziemi uskokiem w warstwie nieprzepuszczalnej
- warstwowe – powstają, gdy powierzchnia ziemi przecina się z granicą warstw: przepuszczalnej i nieprzepuszczalnej
- krasowe (wywierzyska) – powstają na obszarach, w podłożu których znajdują się skały wapienne, w sytuacji gdy powierzchnia ziemi przecina się ze skalnymi szczelinami
- przelewowe – powstają, gdy warstwa wodonośna przepełniona jest wodą
- dolinne – powstają w dnie doliny rzecznej, gdy wcina się ona w warstwę wodonośną
- stokowe (zboczowe) – powstają, gdy warstwa wodonośna przecina się ze powierzchnią stoku (zbocza)
- grzbietowe – powstają w obrębie grzbietów górskich
- osuwiskowe – wypływają z jęzora osuwiska, które zasypało źródło
- zimne - wypływ na powierzchnię wody o temperaturze niższej niż 20°C
- zwykłe - wypływ na powierzchnię wody o temperaturze od 20°C do 36°C
- gorące - wypływ na powierzchnię wody o temperaturze wyższej niż 36°C
- gejzery
- pieniawy
Gejzery – źródła, z których wydobywa się para wodna w regularnych odstępach czasu. Nazywane są także źródłami wytryskowymi, w których wrząca woda jest okresowo wyrzucana na znaczną wysokość. Gdy woda osiągnie temperaturę 100°C (wrzenia), gwałtownie przechodzi w parę wodną, wypychając nadległe warstwy wody na zewnątrz. Jest to rodzaj gorącego źródła, które okresowo wyrzuca gwałtownie słup gorącej wody i pary wodnej.
Występują na obszarach wulkanicznych, m.in. w USA, Nowej Zelandii, Japonii, na Islandii i Kamczatce,
pod wpływem siły grawitacji woda spływa szczelinami do podziemnych komór, wypełniając przestrzenie międzyskalne,
gorąca magma zgromadzona w głębszych warstwach powoduje przegrzanie wody i wzrost ciśnienia pary wodnej,
znajdująca się w dolnej części przewodu woda nie wrze (mimo że czasem jej temperatura przekracza 110°C), gdyż znajduje się pod wysokim ciśnieniem,
woda w dolnej części przewodu przechodzi do stanu lotnego dopiero wtedy, gdy w górnej części przewodu woda osiąga temperaturę wrzenia,
woda znajdująca się głębiej wypycha wówczas wodę znajdującą się wyżej,
powstają wtedy słupy wrzącej wody i pary wodnej,
woda, opadając na powierzchnię, ochładza się i infiltruje,
w głębszych warstwach woda ta ponownie się nagrzewa, powodując, że cały proces rozpoczyna się od nowa.
Pieniawy (źródła gazujące) – źródła wyprowadzające wodę zgazowaną (z CO₂ lub CH₄). Gazy te pochodzą z magmy stygnącej w głębi Ziemi. Inaczej niż w przypadku gejzeru, wypływ źródeł gazujących jest stały. Z chemicznego punktu widzenia są to najczęściej szczawy. Przykłady:
Wielka Pieniawa – najbardziej znane polskie źródło gazujące, znajduje się w Polanicy‑Zdroju,
Soffioni – gorące źródła gazujące w Toskanii na północy Włoch, które emitują CO₂ i H₂S.
Inne formy wypływu wód podziemnych
Młaka – powierzchniowy wypływ wody podziemnej zatorfionej lub zabagnionej, dający odpływ strugą lub systemem strug; powstają wokół źródła, w zaklęsłości lub tam, gdzie następuje zatamowanie odpływu przy słabej przepuszczalności gruntu.
Wyciek – słaby wypływ wód podziemnych dający wyraźny odpływ w postaci strugi, na ogół okresowy; powstaje w miejscu odsłoniętej warstwy wodonośnej lub zwietrzeliny skalnej.
Wysięk – słaby wypływ (sączenie) powodujący zawilgocenie terenu i niedający odpływu; powstaje w miejscu zalegania płytkich wód podziemnych przykrytych cienką warstwą przepuszczalną.
2.4. Zastosowanie wód podziemnych
3. Wody w postaci stałej
3.1. Formy występowania lodu na Ziemi
Lód na Ziemi występuje: na lądach (lodowce), na morzach i oceanach (pak lodowy i góry lodowe) oraz pod ziemią (wieloletnia zmarzlinawieloletnia zmarzlina).
Lodowce – trwałe nagromadzenie na powierzchni Ziemi ogromnej ilości lodu, który ma zdolność poruszania się; zajmują one 10% powierzchni lądowej Ziemi i stanowią ok. 2% objętości powłoki wodnej; terminem „lodowiec” określa się przede wszystkim lodowce górskie (występujące w górach w różnych strefach klimatycznych) i duże kontynentalne pokrywy lodowe (występujące w strefie okołobiegunowej, w tym lodowce kontynentalne, np. lądolód antarktyczny i lądolód grenlandzki),
pak lodowy – duży fragment lodu pływający po oceanie lub morzu i utrudniający żeglugę (istnieje konieczność używania lodołamaczy), powstaje pod wpływem zamarzania wody morskiej (przy średnim zasoleniu przemiana wody w lód następuje w temperaturze -1,9°C; stanowi ok. 7% powierzchni mórz; kiedy pak lodowy nie topi się całkowicie latem, mówi się o paku polarnym,
góry lodowe – odłamki czoła lodowca kontynentalnego przemieszczające się po oceanie lub morzu; zajmują ok. 18% powierzchni wszechoceanu,
wieloletnia zmarzlina (trwała zmarzlina, wieczna zmarzlina, marzłoć trwała) – niemal stale zamarznięta warstwa gruntu wraz z wodami podziemnymi; pokrywa ona ponad 20% powierzchni Ziemi.
3.2. Lodowce
Warunki powstawania lodowców
Lodowce mogą powstać, gdy:
przez długi czas panuje temperatura poniżej 0°C i występują znaczne opady atmosferyczne (np. śniegu, gradu, krupy lub marznącej mżawki), których dostawa przewyższa tempo topnienia (kryterium klimatyczne),
istnieje płaski lub lekko zagłębiony teren stanowiący miejsce akumulacji śniegu i jego przeobrażania w lód lodowcowy; w przypadku lodowców górskich jest to pole firnowe w zagłębieniu zwanym karem (cyrkiem, kotłem) lodowcowym; od doliny lodowcowej cyrk oddzielony jest progiem skalnym, tzw. ryglem (kryterium topograficzne).
Takie warunki istnieją powyżej granicy wiecznego śniegu (linii wieloletniego śniegu), czyli umownej granicy, powyżej której utrzymuje się śnieg.
Położona jest ona najwyżej, bo na wysokości ok. 6000 m n.p.m., w najbardziej gorących strefach klimatycznych, czyli na zwrotnikach.
W okolicach równika przekracza 5000 m n.p.m. Powodem jej obniżenia na tym obszarze są duże opady atmosferyczne.
Najniżej, bo na poziomie morza, występuje w obrębie najzimniejszej strefy klimatów okołobiegunowych.
Etapy powstawania lodu lodowcowego
Lodowce powstają wskutek przekształcenia śniegu w lód lodowcowy w określonych warunkach klimatycznych i orograficznych (związanych z ukształtowaniem terenu).
Etapy tworzenia się lodu lodowcowego: śnieg → firn → lód firnowy → lód lodowcowy.
Ruch lodowców
Na skutek zmiany bilansu masy, siły grawitacji, ciśnienia wywieranego przez śnieg, nacisku warstw nadległych oraz nachylenia terenu lodowce przemieszczają się (nawet do kilkunastu kilometrów rocznie). Największa szybkość ruchu lodowca występuje w jego środkowej części, a najmniejsza – przy dnie (tzw. ślizg denny) i brzegach, na które oddziałuje siła tarcia.
Różne wartości bilansu masy lodowca wynikającego z relacji między akumulacją (dostawą) a ablacją (topnieniem) są przyczyną wyróżniania trzech zasadniczych rodzajów jego ruchu:
transgresji – zwiększania się rozmiarów lodowca, jego grubości i wydłużania jęzora lodowcowego w wyniku większego tempa akumulacji niż ablacji (dodatni bilans masy lodowca),
stagnacji – braku zmiany położenia lodowca spowodowanego równowagą procesów akumulacji i ablacji (zerowy bilans masy lodowca),
regresji – zmniejszenie się rozmiarów lodowca, jego grubości, wycofywania jego czoła w wyniku większego tempa ablacji niż akumulacji (ujemny bilans masy lodowca).
Lodowce górskie
Lodowce górskie to występujące w górach masy lodu, których ruch jest uwarunkowany przebiegiem dolin. Ich zasadniczymi elementami są:
pole firnowe – miejsce akumulacji śniegu i jego przeobrażania w lód lodowcowy, w zagłębieniu zwanym karem (cyrkiem, kotłem) lodowcowym; od doliny lodowcowej cyrk oddzielony jest progiem skalnym, tzw. ryglem,
linia firnowa – granica pola firnowego, która leży na wysokości odpowiadającej w przybliżeniu granicy wieloletniego śniegu; oddziela ona strefę akumulacji (pole firnowe) od strefy ablacji (jęzora lodowcowego),
jęzor lodowcowy – wydłużona część lodowca znajdująca się poniżej linii firnowej – w strefie ablacji (topnienia), w której dochodzi do przedostawania się poza próg skalny nadmiaru lodu gromadzącego się w polu firnowym; spływając dolinami, jęzor lodowcowy rzeźbi podłoże, a wody pochodzące z jego ablacji (topnienia), dają początek rzekom (np. Ren, Rodan, Ganges, Brahmaputra, Jangcy).
czoło lodowca – końcowy fragment jęzora lodowcowego, który położony jest najniżej i z którego tzw. bramą lodowcową wypływają wody pochodzące z topniejącego śniegu, a przed nim akumulowany jest materiał skalny.
Typ lodowca | Charakterystyka | Występowanie |
proste lodowce dolinne (alpejskie) | mają wyraźnie wykształcone wklęsłe i rozłożyste pole firnowe, z którego wypływa jeden długi jęzor lodowcowy | Alpy (najdłuższy lodowiec Aletsch ma 26 km długości i osiąga 800 m grubości), Himalaje, Kanada, Andy |
dendrytyczne (himalajskie) | mają szereg długich jęzorów lodowcowych wypływających z wielu pól firnowych i łączących się w jeden wspólny strumień lodu | Himalaje, Karakorum i Pamir (Lodowiec Fedczenki o długości 71 km i 1000 m miąższości) |
piedmontowe (podgórskie) | powstają na przedpolu gór wskutek łączenia się szeregu lodowców dolinnych, dając ogromną masę lodu przypominającą czapy lodowe | Alaska (lodowiec Malaspina), Góry Skaliste |
fieldowe (norweskie) | ich jęzory lodowcowe są krótkie i skierowane w różne strony | rozległe, zdenudowane płaskowyże (fieldy) Skandynawii, Spitsbergenu i Patagonii |
karowe (cyrkowe) | w większości przypadków są małe, składają się jedynie z pola firnowego położonego w wysokich partiach gór; rzadko posiadają rozbudowane jęzory lodowcowe | Pireneje |
Pokrywy lodowe
Pokrywy lodowe to drugi – oprócz lodowców górskich – zasadniczy typ lodowców. Występują one w strefach okołobiegunowych i pokrywają w całości zarówno góry, jak i niziny ze względu na nisko przebiegającą granicę wiecznego śniegu.
Rodzaje pokryw lodowych | Charakterystyka |
lądolody (lodowce kontynentalne) |
|
kopuły i czapy lodowe |
|
lodowce półpokrywowe (spitsbergeńskie) |
|
lodowce szelfowe |
|
Największym lodowcem jest Lodowiec Fedczenki w Pamirze (71 km i 1000 m miąższości). Najdłuższym jest Lodowiec Beringa na Alasce (200 km). Natomiast w Europie największym lodowcem jest alpejski Aletsch (26 km i 800 m grubości).
3.3. Wieloletnia zmarzlina
Wieczna zmarzlina (trwała zmarzlina, wieloletnia zmarzlina, marzłoć) to stale zamarznięta warstwa gruntu wraz z wodami podziemnymi. Jest utożsamiana ze zlodowaceniem podziemnym. Nie topnieje ona nawet w ciągu lata. Pokrywa ponad 20% powierzchni Ziemi. Jej grubość waha się od kilku centymetrów do maksymalnie 1500 m na Syberii. Z reguły wynosi kilkaset metrów: na Alasce – ok. 400 m, a na Syberii – ok. 600 m.
Warunki występowania. Warunki do zespolenia cząstek mineralnych gruntu z lodem panują w strefie klimatów okołobiegunowych, a także w strefie klimatów umiarkowanych chłodnych. W związku z tym warunkami koniecznymi do jej podtrzymania są: niewielkie opady śniegu (niezbyt gruba pokrywa śnieżna nie chroni gruntu przed działaniem mrozu) i ujemna temperatura powietrza. Ponadto sprzyjającym czynnikiem jest piaszczyste i torfowe podłoże.
Występowanie. Wieloletnia zmarzlina jest charakterystyczna dla północnej Syberii, północnej Europy, Alaski, północnej Kanady oraz dla wysokich partii gór. W lecie górne partie odmarzają, tworząc podmokłości i bagna niesprzyjające transportowi i gospodarczemu wykorzystaniu tych obszarów.
Formy występowania. Może ona mieć charakter ciągły lub nieciągły. Pierwszy typ dotyczy obszarów zwartych. Występuje w wyższych szerokościach geograficznych, gdzie średnia roczna temperatura powietrza jest niższa od -8°C. Drugi typ ma charakter wyspowy. Występuje zwykle w nieco niższych szerokościach geograficznych, na obszarach o średniej temperaturze powietrza od -8 do -4°C.
Warstwa czynna (aktywna). Jest to masa gruntu, która powstaje latem, gdy przypowierzchniowa warstwa wieloletniej zmarzliny rozmarza do głębokości 1–2 m, wówczas staje się półpłynna. W pozostałej części roku jest stabilna.
Na obszarze wieloletniej zmarzliny zachodzi wietrzenie mrozowe, a w trakcie odmarzania dochodzi do spełzywania (soliflukcjisoliflukcji) warstwy rozmrożonego gruntu.
Na wielu obszarach Syberii i Kanady wieczna zmarzlina pochodzi z okresu plejstoceńskiego, kiedy to na przedpolu lądolodów istniały doskonałe warunki do jej powstawania. Dowodem na to są dobrze zachowane znaleziska mamutów i specyficzne struktury marzłoci w głębszych jej warstwach.
Problemy gospodarcze: ograniczenie rozwoju uprawy roślin (możliwość jedynie chowu zwierząt), wysokie koszty i konieczność wprowadzania zaawansowanych technologii w budownictwie oraz podczas budowy sieci komunikacyjnej i energetycznej, wykorzystywanie drewna w budownictwie (w strefie tajgi jest dużo lasów, ponadto drewno jest względnie lekkie).
3.4. Obszary zlodzone według części świata
Część świata i powierzchnia zlodzenia | Rodzaj zlodzenia | Najbardziej zlodzone regiony |
Antarktyda 14 mln km² |
|
|
Arktyka 2 mln km² |
|
|
Europa 19 tys. km² |
|
|
Azja 120 tys. km² |
|
|
Ameryka Północna 124 tys. km² |
|
|
Ameryka Południowa 32 tys. km² |
|
|
Afryka 20 km² |
|
|
Oceania 800 km² |
|
|
Australia | brak powierzchni zlodzonych | |
Indeks górny Źródło: M. Mazur i in., Geografia. Repetytorium, WSiP, Warszawa 2014. Indeks górny koniecŹródło: M. Mazur i in., Geografia. Repetytorium, WSiP, Warszawa 2014.
3.5. Współczesne zmiany zasięgu obszarów zlodzonych
Zmiany zlodzenia
Obszar | Charakterystyka |
morza i oceany |
|
Grenlandia |
|
Antarktyda |
|
obszary górskie |
|
Indeks górny Źródło: Geografia. Repetytorium, WSiP, Warszawa 2014. Indeks górny koniecŹródło: Geografia. Repetytorium, WSiP, Warszawa 2014.
Przyczyny i skutki topnienia lodowców na Ziemi
W historii Ziemi niejednokrotnie występowały zlodowacenia, lecz największy ich zasięg miał miejsce w starszej epoce czwartorzędu – plejstocenie, nazywanym często epoką lodowcową. Plejstoceńskie okresy zimna wpłynęły na istnienie kilku faz zlodowaceń (glacjałów) przedzielonych ociepleniami (interglacjałami). Łączna powierzchnia zlodowaceń osiągnęła maksymalnie 30% powierzchni kontynentów, a średnia grubość lądolodów wyniosła ponad kilometr. Centra zlodowaceń znalazły się w północnej części Ameryki Północnej (Kanada) oraz w Eurazji (Skandynawia). Stąd lądolody rozprzestrzeniły się na znaczne obszary obu kontynentów.
Okresy ociepleń powodowały topnienie lądolodów, a tym samym ich cofanie, zimny klimat sprzyjał zaś gromadzeniu się ogromnych ilości śniegu oraz powiększaniu zasięgu czasz lodowych. W tym czasie istniały już lądolody na Antarktydzie, lecz bliskość wód oceanicznych hamowała ich nadmierny rozwój. Na obszarach wyżej wyniesionych rozwijały się lodowce górskie. Największy zasięg osiągnął lądolód kanadyjski (północnoamerykański), dochodząc nawet poniżej 40°N i zajmując powierzchnię 17,2 mln km². Lądolód skandynawski w okresie swojego największego rozwoju dotarł poprzez obszar obecnego Morza Bałtyckiego po 50°N.
Słownik
spełzywanie rozmarzniętej i przesyconej wodą warstwy gruntu latem, tworzące bagna niesprzyjające rozwojowi transportu i wykorzystaniu gospodarczemu
(ang. permafrost) inaczej zwana wieczną zmarzliną, marzłocią, zlodowaceniem podziemnym, definiowana jest jako każdy rodzaj gruntu (od gleby, poprzez osad, po skałę), który jest zamarznięty przez minimum dwa lata lub nawet setki tysięcy lat