Современные представления о мировом круговороте воды

Наблюдаемое изменение уровня Мирового океана многими исследователями объясняется изменением климата. Считается, что современный подъем уровня обусловлен перераспределением воды с континентальных блоков в океан за счет речного стока, испарения и дегляциации. В схемах общего круговорота объем испарившейся над океаном воды предполагается равным объему воды, поступившей с континентов в форме речного стока, осадков и таяния ледников:

Е = Р + R,

где Е — испарение, Р — атмосферные осадки, R — региональный, подземный и др. виды стоков, контролируемые атмосферными осадками. Однако данная схема верна лишь в первом приближении и реализуется при условии постоянства общей массы воды на поверхности Земли и неизменной емкости океанических и морских впадин. Если же рассматривать планету как открытую термодинамическую систему, то необходимо учитывать эндогенные поступления воды и ее потери при фотолизе. Иными словами, в балансе глобального круговорота воды на поверхности Земли должны присутствовать по меньшей мере еще четыре статьи:

Приход:	Расход:
1) поступление внутрипланетарной (эндогенной) воды;2) поступление космической воды	1) потери воды при фотолизе;2) другие потери (на увлажнение морских осадков, биосферы и др.).

Без учета этих факторов реальная картина изменения уровня Мирового океана будет отображена неверно, особенно в палеогеографическом аспекте и при прогнозе на будущее.

Длительное время в науках о Земле существуют представления о большой древности современного объема гидросферы и чрезвычайно медленных ее изменениях в настоящем и будущем. Предполагается, что вода на Земле образовалась конденсационным путем сразу после аккрекции протопланетарного вещества либо накапливалась в процессе дегазации и вулканизма. Отсюда делается заключение о древности Мирового океана, современных размеров и глубины, которые он приобрел еще в докембрии (600-1000 млн. лет назад). Построенная на таком фундаменте теория эволюции земной коры и лика Земли в целом выглядит “безводной”, так как гидросфера либо задавалась планете изначально, либо приобреталась ею примерно в середине докембрия.

В результате многолетних исследований материалов глубоководного бурения американского судна “Гломар Челленджер” (1968-1989 гг.) о разновозрастных мелководных образованиях, обнаруженных в разрезе осадков и базальтов дна Атлантического, Индийского и Тихого океанов (DSDP, 1969-1989), было впервые сделано теоретическое обоснование количественного определения средней скорости и массы ежегодных поступлений эндогенной воды на поверхность Земли в современный период и последние 160 млн. лет. Обнаружен рубеж их быстрого (более чем на порядок) возрастания и получена закономерность, описывающая это явление.

V(t) = a·exp (-t/c) + в (мм/1000 лет),

где а = 580 мм/1000 лет; в = 25 мм/1000 лет; с = 14,65 млн. лет; t — время в млн. лет.

Поскольку скорость эндогенных поступлений свободной воды в полученном эмпирическом графике V(t) и его аппроксимации определена в мм/1000 лет, то это позволяет количественно оценить среднюю массу ежегодно выносимой в ходе дегидратации свободной воды на поверхность Земли в течение последних 160 млн. лет и исторического периода голоцена.

Инструментальными наблюдениями на водомерных постах с 1880 по 1980 г. установлено, что уровень моря поднимается со средней скоростью 1,5 мм/год. Этот подъем обусловлен не потеплением климата, как принято считать, а складывается из следующих статей: 0,7 мм/год за счет таяния 250 км³ шельфовых антарктических и гренландских ледников; 0,02 мм/год за счет аккумуляции 7 км³ осадков. Оставшаяся часть (0,78 мм/год) составляет главным образом эндогенные поступления воды с продуктами вулканизма, по глубинным разломам, сольфатарам, фумаролам и кондуктивным путем. И это нижний предел фиксируемого выноса эндогенной воды, так как подъем уровня происходит на фоне продолжающегося углубления дна Мирового океана в зонах рифтовых хребтов, континентальной окраины Тихого океана, вдоль желобов островных дуг и области Средиземноморья, маркируемых плиоцен-четвертичной сейсмичностью и вулканизмом. Следует также учитывать, что почти 20% выносимой из недр воды идет на увлажнение морских осадков. Таким образом, полученное значение — 0,78 мм/год — с полным основанием можно округлить до 1,0 мм/год. Это значение, определенное независимым от данных бурения путем, тем не менее хорошо укладывается в общий ход графика V(t). Это служит дополнительным подтверждением общей тенденции экспоненциального возрастания темпов и массы выноса эндогенной воды с конца мелового периода.

Таким образом, с точностью до порядка величин ежегодные поступления свободной воды на поверхность Земли в исторический период голоцена составляли 3,6·10¹⁷ г.

Средняя скорость поступления воды за последние 160 млн. лет, определенная из графика V(t) и по формуле:

V(t) =, (n = 1, 2 149)

равна 0,01 см/год, что в пересчете на массу при средней площади юрско-меловых кайнозойских морских бассейнов, близких современным, дает примерно 3,6·10¹⁶ г/год, т.е. на порядок меньше, чем в голоцене. Следовательно, за период спонтанной дегидратации и океанизации Земли (60 млн. лет) было переброшено воды на поверхность:

3,6·10¹⁶ г/год — 60·10⁶ лет = 2,2·10²⁴ г.

Это на 0,5·10²⁴ г больше массы современной гидросферы, равной 1,64·10²⁴ г. Возникает вопрос: куда девалась эта огромная масса воды? Чтобы ответить на него, нужно вспомнить, что за 60 млн. лет океанизации на дне океанов образовался слой осадков со средней мощностью, равной 500 м. Поскольку их влажность, по данным бурения, в среднем равна 30%, или (по уровню) 3·10⁴ см, то можно оценить массу захороненной в толще морских осадков воды:

300·10¹⁶ см2 — 3·10⁴ см — 1,03 г/см³ » 0,1·10²⁴ г.

Полученное значение составляет примерно 20% от величины избытка — 0,52·10²⁴ г, т.е. ежегодно на увлажнение донных осадков идет 1,7·10¹⁵ г, или 5% от средних в период океанизации (3,6·10¹⁶ г) ежегодных поступлений свободной воды. Следовательно, оставшаяся часть воды 0,42·10²⁴ г, отсутствующая в современном объеме гидросферы, была утрачена на фотолиз. Отсюда можно определить массу ежегодных потерь воды при диссоциации ее молекулы в верхних слоях атмосферы под действием жесткого корпускулярного солнечного излучения:

0,42·10²⁴ г / 60·10⁶ лет = 7·10¹⁵ г,

т.е. потери на фотолиз составляют около 2,5% от современных поступлений свободной воды (3,6·10¹⁷ г).

Определение порядка величин этих не известных ранее в научной литературе статьей баланса свободной воды имеет принципиальное значение при оценке общей направленности эволюции земной гидросферы, соотношения площади суши и моря, а с ними климата и природной среды в геологическом масштабе времени и исторической перспективе.

В современных схемах баланса воды на Земле объем испарившейся над океанами и морями воды многими исследователями считается равным объему вод, вернувшихся в Мировой океан с осадками, речным и поверхностным стоком, таянием ледников. Однако следует признать, что данная схема круговорота воды верна лишь в первом приближении и реализуется при условии постоянства общей массы воды на поверхности Земли и неизменной емкости впадин Мирового океана. Иными словами, эта схема соответствует закрытой термодинамической системе с замкнутым циклом. Но такая система, как известно, не производит работы, ибо находится в стабильном равновесии. Ее энтропия максимальна, чего, как мы показали выше, в условиях реальной Земли не наблюдается, ибо существует приток внутрипланетарной воды и диссипация части ее в космическое пространство. На основе найденной нами закономерности V(t) эти статьи баланса отныне определены и в существующих схемах круговорота воды на Земле.

Приход:	Расход:
поступление эндогенной воды — 3,6·1017 г/год; поступление космогенной воды — 5·1010 г/год.	потери воды на фотолиз — 7·1015;потери воды на увлажнение морских осадков, биосферы, другие неучтенные потери — 1,7·1015 г.
Всего 3,6·1017 г/год	Всего 8,7·1015 г

Поясним пункт “поступление космогенной воды”. Масса космического вещества, выпадающего ежегодно на Землю, оценивается в 10¹² г. В пересчете на воду (5% — исходя из данных по метеоритам), это составляет 5·10¹⁰ г/год, т.е. около 0,00001% от ежегодных эндогенных поступлений. Поскольку содержание космогенного вещества в разрезах земной коры известно и не превышает современных поступлений, то из этого можно заключить, что земная гидросфера имеет исключительно внутрипланетарное происхождение — она важнейший продукт эволюции протовещества.

Полученные планетарные статьи баланса свободной воды имеют принципиальное значение для восстановления картины эволюции лика Земли в геологическом масштабе времени. Малые в годовом исчислении массы эндогенной и диссипирующей воды, являясь постоянно действующим фактором, по существу, определяют динамику эволюции поверхности Земли.

Учитывая установившийся на протяжении 60 млн. лет характер процесса дегидратации и океанизации было бы безосновательным ожидать его внезапного спада, равно как и еще большего возрастания в ближайшие сотни и тысячи лет — масштаба времени, ничтожного в сравнении с установленной общей длительностью этого процесса. Это позволяет дать прогноз относительно будущих изменений уровня океана, а с ним климата и природных условий. Без учета дегляциации полярных ледников через 10 тыс. лет уровень океана поднимется на 8 м, а через 100 тыс. лет — на 80 м.

Таким образом, новое уравнение водного баланса должно иметь следующий вид:

Р + R + T — E — F = N  (N>0),

где Т — эндогенные поступления воды, F — потери на фотолиз. Однако в ходе трансгрессии, которая не может быть сколько-нибудь компенсирована увеличением емкости океанских впадин (за столь короткий в геологическом отношении промежуток времени), общее потепление климата Земли неизбежно. Следовательно, полярные ледники по-прежнему будут сокращаться и эндогенная трансгрессия, как и сегодня, будет усилена эвстатической — на 63-65 м в первые же 10 тыс. лет. Заметим, что в этой оценке не учитываются темпы опусканий побережий, наблюдаемые на 13% окраин материков.

Из приведенного ясно, что современный баланс суши и моря — это краткий миг в геологической истории Земли. Он продолжает изменяться, и общее направление этой изменчивости определено — океан, углубляясь, продолжает расширять свои границы за счет суши.

Таким образом, во всех реконструкциях системы континент-океан отныне необходимо учитывать постоянно действующий фактор поступления эндогенной воды, который в кайнозойскую эру океанизации в среднем составлял 3,6·10¹⁶ г/год, или 0,1 мм/год по уровню, а в четвертичный период достиг кульминации — 3,6·10¹⁷ г/год, или 1 мм/год по уровню. Современный баланс воды на поверхности Земли можно представить в виде схемы и уравнений.

Этот фактор, в конечном счете, является определяющим для оценки климатических изменений прошлого и будущего, деградации полярных ледников, изменения всей природной среды на поверхности нашей планеты.

Таким образом, вода на Земле имеет исключительно внутрипланетарное происхождение, а ее масса — 1,64·10²⁴ г — была накоплена постепенно в ходе геологической эволюции протопланетарного вещества. Прогрессивное углубление и увеличение площади Мирового океана, устанавливаемое данными бурения “Гломар Челленджер”, компенсируется непрерывным поступлением эндогенной воды с превышением 0,78 мм/год, что и фиксируется в эндогенной составляющей подъема уровня океана. Это объясняется относительной стабильностью емкости океанических впадин в голоцене. Следовательно, можно говорить о сравнительно спокойном тектоническом режиме Земли в последние 10 тыс. лет. В эпохи тектонической активности емкость океанических впадин будет увеличиваться за счет проседаний и углубления дна, что повлечет за собой частичное понижение или приостановку подъема уровня. Однако, учитывая общее сокращение масштабов тектонической активности в области океанических сегментов в плейстоцене по сравнению с кайнозоем (она локализована гребневой зоной рифтовых хребтов, желобами островных дуг и тихоокеанской периферией), в будущем следует ожидать продолжения процесса повышения уровня океана и прилегающих морей. В ближайшие 10 тыс. лет при сохранении современных темпов дегляциации оно составит около 15 м, а при полной деградации ледников Гренландии и Антарктиды — 70 м. Вероятность последнего предопределена расширением площади океанов и, как следствие этого, возрастанием увлажненности поверхности Земли и общим потеплением климата.

В частности, в истории Балтийского моря влияние эвстатического и эндогенного факторов в подъеме уровня начинает сказываться с литоринового времени, когда восстановилась связь моря с океаном (7200 лет назад). В сочетании с тектоническим опусканием, особенно заметным в Южной Балтике, и прочностными характеристиками верхов осадочного чехла прогрессирующий подъем уровня моря во второй половине голоцена они определяют темпы разрушения и абразии берегов. Все берегозащитные работы в Южной Балтике должны строиться с учетом прогнозируемого повышения уровня моря, которое с учетом тектонического фактора составляет около 3,5 м в тысячу лет.