Изменяется ли количество воды на Земле?

Знакомясь с естественным водным балансом Земли, мы считали его замкнутым, т. е. подразумевали, что общее количество воды на поверхности Земли остается постоянным, что вода никуда с Земли не исчезает и ниоткуда не поступает. Так ли это?

Оказывается, вода может и поступать на Землю, и теряться Землей. Поступает вода в основном из двух источников. Один источник "внеземной" - космический, а другой - земной, это вода, поступающая из недр в результате высвобождения химически связанной воды, входящей в состав горных пород.

Из космоса вода поступает двумя путями. Это влага, которую приносят падающие метеориты, и молекулы воды, образовавшейся в верхних слоях атмосферы из протонов, приходящих с Солнца.

Каменные метеориты, падающие на Землю, содержат 0,5-1% воды. Ежегодно они могут увеличивать объем воды на Земле примерно на 0,5 км³.

Поступающие от Солнца положительно заряженные элементарные частицы - протоны - в верхних слоях земной атмосферы, захватив отрицательно заряженный электрон, превращаются в атомы водорода, которые могут соединиться с атомами кислорода и дать молекулы воды. Количество образующейся таким путем воды определить нелегко.

Геологи считают, что ежегодно из глубины недр нашей планеты при извержениях вулканов выносится около 1 км³ первозданной, ювенильной, воды в виде пара и горячих растворов. Таков, в общем незначительный, приход воды на поверхность Земли в современную эпоху.

Утечка воды в космос происходит в высоких слоях атмосферы в результате распада (фотодиссоциации) молекул водяного пара на атомы кислорода и водорода под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. В термосфере, на высотах от 80 до 800-1000 км, где газ разрежен, его молекулы движутся с огромной скоростью. Скорость частиц водорода становится больше космической, и он уходит из атмосферы в космическое пространство.

В первом приближении можно считать, что приход воды, участвующей в космическом водообмене Земли, равен ее расходу и, таким образом, общее ее количество на Земле в течение длительного периода практически остается неизменным.

Эти рассуждения справедливы, разумеется, лишь для современной геологической эпохи. Общее количество воды на Земле в геологическом плане нельзя рассматривать как постоянную величину. Запасы ее могут изменяться в зависимости от изменений внутренней активности Земли, вулканической деятельности, температуры поверхности и т. п. Если утечка воды в мировое пространство превысит приход ее из космоса и мантии, гидросфера может в конце концов исчезнуть с лица нашей планеты.

Некоторым показателем или индексом изменений количества воды на Земле может служить уровень Мирового океана, в котором сосредоточено 96,5% запасов воды на Земле.

Если увеличится общий объем воды на земном шаре, должен увеличиться в первую очередь и объем воды в океане, а, следовательно, уровень его должен повыситься; при уменьшении объема воды уровень должен понизиться. В принципе это правильно. На практике же, когда надо определить, как изменялся средний уровень океана в современную эпоху и почему он изменялся,- возникают серьезные трудности. Во-первых, само измерение крайне незначительных (порядка 1-2 мм в год) изменений среднего уровня Мирового океана чрезвычайно сложно. Необходимо сначала тщательно проанализировать тысячи и тысячи записей самопищущих уровнемеров (мареографов), размещенных по побережью всех океанов Земли, затем учесть случайные колебания уровня, возникающие при сгонных и нагонных ветрах и штормах, учесть приливы и отливы, волнение и т. д. и лишь после этого подвергнуть записи мареографов сложной математической обработке.

Поднятия и опускания берегов океана в районе, где установлен мареограф, также осложняют задачу. Земная кора никогда не остается в покое; одни ее участки поднимаются, другие опускаются; максимальная скорость этих колебаний достигает нескольких сантиметров в год, а обычно она составляет доли сантиметра или даже миллиметра. Например, берега Балтийского моря поднимаются на севере Ботнического залива на 100 см в столетие, берега Финского залива у Хельсинки - на 30 см, у Выборга - на 17 см.

Далее, необходимо точно определить водный баланс суши, т. е. установить, не изменяется ли уровень океана из-за увеличения (или уменьшения) притока воды с суши, не увеличивается ли (или уменьшается) испарение с поверхности океана или количество осадков, выпадающих на его площадь, и т. д. При современной технике измерений основных элементов баланса - осадков, испарения и стока сделать это с необходимой точностью трудно.

Повыситься уровень океана может также, например, вследствие нагревания океанической воды, вызывающего ее расширение. В случае, когда океан охлаждается, объем воды в нем может несколько уменьшиться, а уровень понизиться. Но фактически никакого увеличения или уменьшения массы воды при этом не произойдет.

Вода почти несжимаема, тем не менее в Мировом океане под давлением вышележащих слоев она несколько "спрессована" и уплотнена: если бы давление исчезло и вода могла бы "расправиться", ее уровень повысился бы на 27 м.

Все эти тонкости следует учитывать при вычислении среднего уровня Мирового океана и его изменений за год или за другой период.

Наблюдения за расположением древних береговых линий вдоль морских побережий, за затоплением или осушением устьевых участков речных долин и за другими геологическими признаками колебаний уровня моря показали, что примерно 20 тыс. лет назад уровень Мирового океана был метров на 100 ниже, чем теперь. Затем он постепенно поднимался, а примерно 7-8 тыс. лет назад установился относительно постоянный уровень воды.

Весьма вероятно, что понизился уровень океана, когда из влагооборота Земли были изъяты большие объемы воды во время последнего великого оледенения. Как только началось потепление климата и льды последнего оледенения начали таять - а произошло это именно около 20 тыс. лет назад,- талые воды потекли в океан и уровень его стал повышаться.

В период с 1900 по 1964 г. уровень Мирового океана в среднем повышался на 1,5 мм, а начиная с 30-х годов на 1,9 мм в год. Общий подъем за 65 лет составил примерно 10 см. Характер колебаний уровня отдельных океанов в это время несколько различался. С повышением уровня океана за последние 65 лет совпало общее потепление Земли, начавшееся в конце прошлого века. В северном полушарии средняя годовая температура повысилась на 0,6 °С, а по всей Земле на 1,2 °С. Началось повсеместное таяние снегов и отступание ледников в горах. Объем глетчерного льда должен был ежегодно уменьшаться приблизительно на 250 км³, а уровень повышаться на 0,7 мм в год.

В 20-м столетии происходило определенное иссушение континентов, в связи с чем падал уровень бессточных озер. За период с 1900 по 1965 г. уровень Каспийского моря понизился на 3 м, Аральского моря - на 0,7 м, Большого Соленого озера (США) - на 3,5 м, Мертвого моря - на 4,5 м.

В результате падения уровня озер запас воды на суше должен был сокращаться приблизительно на 80 км³ в год. При поступлении этой воды в океан его уровень должен ежегодно повышаться на 0,2 мм.

В текущем столетии в ряде районов земного шара, в том числе в СССР и США, наблюдается падение уровня подземных вод. Запасы подземных вод при этом должны уменьшиться примерно на 300 км³. Поступив в Мировой океан, эта вода может стать причиной повышения его уровня на 0,8 мм в год.

Таким образом, уровень Мирового океана, по данным наблюдений за ледниками, бессточными озерами и подземными водами, должен повыситься на 0,7 + 0,2 + 0,8 мм = 1,7 мм в год.

Однако в этот же период на земном шаре было создано большое число водохранилищ, объем воды в которых превышает 3000 км³. Чтобы пополнить эти водохранилища, из речного стока ежегодно изымается около 50 км³. Это должно понижать уровень океана примерно на 0,1 мм в год.

Следовательно, окончательное изменение уровня Мирового океана должно равняться 1,6 мм в год, что хорошо согласуется с данными непосредственных наблюдений.

Таким образом, в настоящее время нет оснований считать, что общее количество воды на земном шаре заметно изменяется. Однако приведенные измерения и расчеты являются весьма приближенными и требуют уточнения по мере усовершенствования техники измерений.