Circuitul apei în natură
Circuitul apei în natură (denumit uneori şi ciclul hidrologic sau ciclul apei) este procesul de circulaţie continuă a apei în cadrul hidrosferei Pământului. Acest proces este pus în mişcare de radiaţia solară şi de gravitaţie. În cursul parcurgerii acestui circuit, apa îşi schimbă starea de agregare fiind succesiv în stare solidă, lichidă sau gazoasă. Apa se mişcă dintr-un element component al circuitului în altul, de exemplu dintr-un râu într-un ocean, prin diferite procese fizice, dintre care cele mai însemnate sunt evaporaţia, transpiraţia, infiltraţia şi scurgerea. Ştiinţele care se ocupă cu studiul mişcării apei în cadrul acestui circuit sunt hidrologia şi meteorologia.
Istoric
Circuitul apei în natură a fost descoperit, sau măcar intuit, foarte devreme în istoria omenirii. Chiar Biblia face referire de mai multe ori la acest circuit, în special în legătură cu potopul. Următorul citat este tradus din textul sanscrit al cărţii indiene Manusmrti, carte cu o origine de cel puţin 2500-3000 de ani: “Apa se ridică la cer sub formă de vapori; din cer coboară sub formă de ploaie, din ploaie se nasc plantele, şi din plante, animalele” (Manusmriti - Cartea III, sloka 76).
Dintre diferitele teorii asupra circuitului apei şi a mecanismului care îl determină sunt demne de menţionat:
Teoria meteorogenă
Această teorie descrie circuitul apei după conceptele acceptate de ştiinţa contemporană. Se pare că acestă teorie a fost enunţată de filozoful grec Xenofan din Colofon. Studiind diferite fosile, Xenofan a dedus că într-un trecut îndepărtat, apele au acoperit în întregime uscatul, ipoteză care ulterior a fost numită Neptunism. Astfel el a conceput şi teoria unui ciclu al solului, în cursul căruia pământul ar fi erodat şi antrenat spre oceane, pentru ca după dispariţia completă a uscatului, el să se regenereze. Cu privire la ciclul apei, el a constatat că mările constituie originea norilor, din care se produce apa de ploaie care în cele din urmă ajunge tot în oceane. Din moment ce apa era la originea întregului proces, el a emis ipoteza că soarele şi stelele ar fi fost generate tot de aceşti nori. În sfârşit, după el, curcubeele nu ar fi altceva decât un tip special de nor. Deşi ciclul solului nu a fost confirmat ulterior şi teoriile sale asupra norilor sunt inexacte, descrierea ciclului apei este în general corectă şi rolul esenţial pe care îl au oceanele a fost corect intuit. [1]
Teoria geogenă
Elaborată de Hippon din Samos, inversa ipotezele teoriei meteorogene şi susţinea că pământul pluteşte pe oceanul planetar. Conform acestei teorii, apa mării subterane, pe care pluteşte pământul, se ridică prin pământ, printr-un fel de infiltraţie inversă. De la suprafaţa pământului, apa se evaporă în atmosferă şi se reîntoarce în mare prin precipitaţii. Teoria menţine ideea unui ciclu, însă sensul de mişcare este invers. Teoria a fost susţinută ulterior de Thales din Milet şi de Platon.[2]
Teoria genezei din aer
Teoria a fost întâi susţinută de Anaximene din Milet şi postula că aerul este materia iniţială care, prin concentrare, se transformă în apă şi pietre, iar prin diluare se transformă în foc. Diogene din Apollonia a dus mai departe teoria, considerând că prin procesul de concentrare a aerului se produce şi nămolul din care se naşte viaţa. El a elaborat teoria unor cicluri în cadrul cărora se naşte o succesiune infinită de lumi. Pornind de la aceste ipoteze, Aristotel a emis teoria că apa ar fi produsă din aer, printr-un proces de condensare, care ar duce la precipitaţiile care cad pe sol şi alimentează râurile care se scurg în mare. Teoria lui Aristotel acoperă numai o parte a ciclul apei aşa cum este văzut în prezent şi nu cuprindea evaporaţia care alimentează apa din atmosferă. O asemenea întoarcere nu era necesară, deoarece, conform teoriei lui Diogene, ciclul se închidea când tot nămolul produs prin condensare era spălat în mare şi era generată o nouă lume, geneză care nu ar mai fi părut posibilă în cazul existenţei unui ciclu închis al apei. Teoria lui Aristotel a fost considerată valabilă de oamenii de ştiinţă până în secolul XVII. [3]
Descriere
Procesele fizice
Nu se poate găsi un punct în care începe sau se termină ciclul natural al apei. Moleculele de apă se mişcă în mod continuu de la un compartiment sau rezervor al hidrosferei la altul, prin diferite procese fizice.
În principiu, ciclul apei constă din următoarele procese:
- Evaporarea este procesul prin care apa se transferă de la suprafaţa oceanelor şi a altor corpuri de apă în atmosferă. Acest transfer implică o schimbare de stare de agregare a apei, din stare lichidă în stare gazoasă. Sursa de energie a acestui proces o constituie energia solară. Pe lângă aceasta, apa se mai elimină în atmosferă prin transpiraţia solului, plantelor şi, în mult mai mică măsură, cea a animalelor, numit evapotranspiraţie. Aproximativ 90% din apa din atmosferă provine din evaporaţie şi numai 10% din evapotranspiraţie.
- Advecţia este procesul de transfer al unei proprietăţi atmosferice (căldură, frig, umiditate, vorticitate) prin mişcarea orizontală a masei de aer. În cazul circuitului apei este vorba despre procesul de mişcare a apei în stare solidă, lichidă sau gazoasă prin atmosferă. Fără advecţie, apa evaporată de pe suprafaţa oceanelor nu s-ar putea deplasa pentru a ajunge deasupra uscatului unde să producă precipitaţii.
- Condensarea este procesul prin care vaporii de apă din aer se transformă în picături lichide de apă, formând nori sau ceaţă.
- Precipitaţiile sunt constituite din apa care s-a condensat în atmosferă şi cade pe suprafaţa pământului. Forma de precipitaţii care apare cel mai frecvent este ploaia, alte forme fiind zăpada, grindina, chiciura, lapoviţa şi prelingerea de apă din ceaţă.
- Sublimarea este procesul prin care apa în stare solidă (gheaţă sau zăpadă) se transformă direct în vapori, fără a mai trece prin starea lichidă.
- Intercepţia prin foliaj este partea din precipitaţii care este interceptată de frunzişul plantelor şi care, în timp, se evaporă fără a mai ajunge la suprafaţa solului. Cantitatea de apă interceptată depinde de durata ploii, de viteza vântului, de temperatură, de densitatea frunzişului şi de alţi factori mai puţin însemnaţi.
- Infiltraţia este procesul de pătrundere a apei de la suprafaţa solului în interiorul solului, prin umplerea golurilor dintre particulele de sol.
- Topirea este procesul de transformare a apei din starea solidă (gheaţă sau zăpadă) în stare lichidă.
- Scurgerea este procesul prin care apa se mişcă la suprafaţa sau sub suprafaţa solului. În această mişcare se poate face distincţie între:
- scurgerea de suprafaţă este scurgerea care are loc pe suprafaţa solului, având de obicei loc în straturi subţiri sau în şuvoaie, acoperind cea mai mare parte a solului;
- scurgerea în albii este procesul care are loc în albii, în care se concentrează apa provenind din scurgerea de suprafaţă, formând pâraie, râuri şi fluvii;
- scurgerea subterană este scurgerea care are loc sub suprafaţa solului, fie prin stratele freatice, fie prin stratele acvifere de adâncime. Apa din stratele subterane se reîntoarce la suprafaţă fie prin izvoare, fie prin infiltraţie în râuri, oceane sau alte rezervoare de suprafaţă.
- Capilaritatea este mecanismul care asigură mişcarea verticală a apei subterane.
În principiu, apa se evaporă de la suprafaţa oceanelor, formează nori din care apa cade sub formă de precipitaţii pe pământ şi apoi se scurge înapoi în oceane. Totuşi moleculele de apă nu îşi efectuează în mod necesar mişcarea în această ordine. Înainte de a se reîntoarce în ocean, o moleculă de apă poate să fi fost evaporată, condensată, precipitată şi scursă de repetate rânduri sau poate să fi urmat o cale mai scurtă şi să fi fost precipitată direct în ocean, fără a mai parcurge celelalte componente ale ciclului. [4]
Bilanţul hidric global
| Fluxul de apă | Cantitate medie transportată anual (mii km³/an) |
| Precipitaţii pe suprafaţa uscatului | 107 |
| Evapotranspiraţie de pe suprafaţa uscatului | |
| Scurgere de suprafaţă şi subterană | |
| Precipitaţii pe suprafaţa oceanelor | 398 |
| Evaporaţie de pe suprafaţa oceanelor | 434 |
Cantitatea sau masa totală de apă care ia parte la circuitul apei în natură rămâne constantă. De asemenea, ca medie în timp, se menţine constantă cantitatea de apă înmagazinată în fiecare din rezervoarele circuitului. Acest principiu se numeşte legea conservării masei.
Tabelul alăturat arată cantităţile de apă care cad sub formă de precipitaţii sau care se ridică prin evaporaţie de pe suprafaţa uscatului sau a oceanelor. De asemenea, se arată cantităţile de apă care se scurg de pe sol spre oceane. Din tabel se poate constata că totalul precipitaţiilor pe suprafaţa uscatului este egal cu suma dintre cantitatea de apă evaporată de pe suprafaţa uscatului şi cantitatea de apă scursă spre oceane. Similar, cantitatea totală de apă pierdută de oceane prin evaporaţie este egală cu suma dintre cantitatea de apă care se scurge în oceane de pe suprafaţa uscatului şi cea care provine din precipitaţiile pe suprafaţa oceanelor. În sfârşit, cantitatea totală de apă care intră în atmosferă prin evaporaţia de pe suprafaţa uscatului şi a oceanelor este egală cu cantitatea de apă eliminată din atmosferă prin precipitaţii. Se poate constata că masa totală de apă care se află în mişcare este, în medie, de 505 km³/an.
Rezervoare
| Rezervor | Volumul de apă (milioane km³) | Procent din total |
| Oceane | 1370 | 97,25 |
| Calote glaciare şi gheţari | | |
| Apă subterană | | |
| Lacuri | | |
| Umiditate în sol | | |
| Atmosferă | | |
| Cursuri de apă | | |
| Biosferă | | |
În cadrul mişcării ei, apa este în general menţinută pe anumite perioade de timp în anumite elemente ale mediului natural, numite generic rezervoare. Aceste rezervoare şi cantităţile de apă înmagazinate în medie în fiecare dintre ele sunt prezentate în tabelul alăturat.
Se poate constata că cel mai mare rezervor îl constituie oceanele, care înmagazinează peste 97% din rezervele de apă ale planetei. Următorul rezervor ca mărime îl constituie calotele glaciare din zonele polare şi gheţarii. În prezent, ele înmagazinează aproximativ 2% din rezervele de apă, dar acest procent variază în timp, în funcţie de ciclurile de încălzire ale planetei. În perioadele diferitelor glaciaţiuni acest procent era mai ridicat, iar în prezent tendinţele de încălzire climatică au început să topească calotele glaciare ceea ce în timp va putea duce la micşorarea relativă a acestui rezervor. Aceste procese nu modifică însă cantitatea totală de apă care ia parte la circuitul apei în natură.
În afară de aceste rezervoare importante, mai există altele care reţin apa pe durate relativ reduse. În această categorie intră straturile de zăpadă, care înmagazinează o parte din precipitaţiile din timpul iernii, dar care se topesc în perioada de primăvară.
Durate de înmagazinare
Durata de înmagazinare reprezintă timpul mediu pe care o moleculă de apă îl petrece într-un anumit rezervor din cadrul circuitului din momentul în care intră în rezervorul respectiv până când îl părăseşte. Timpul efectiv de înmagazinare al moleculelor de apă variază însă în limite foarte largi, unele molecule petrec în rezervor un timp mult mai scurt şi altele un timp considerabil mai mare. Durata de înmagazinare se numeşte uneori şi durată de staţionare sau timp de staţionare; acest termen poate însă da naştere la confuzii, deoarece în niciunul din rezervoare moleculele nu sunt în stare staţionară, ci se află în continuă mişcare, luând parte la diferite procese dinamice în cadrul fiecărui rezervor.
| Rezervor | Durată medie de înmagazinare a apei |
| Oceane | 3.200 ani |
| Gheţari | 20 – 100 ani |
| Strat sezonier de zăpadă | 2 – 6 luni |
| Umiditate în sol | 1 – 2 luni |
| Apă subterană de mică adâncime | 100 – 200 ani |
| Apă subterană de mare adâncime | 10.000 ani |
| Lacuri | 50 – 100 ani |
| Râuri | 2 – 6 luni |
| Atmosferă | 8 zile |
În tabelul alăturat sunt prezentate duratele de înmagazinare ale apei în diferite rezervoare din cadrul circuitului natural. Se poate constata că aceste durate variază în foarte mare măsură de la un rezervor la altul. De exemplu, umiditatea de la suprafaţa solului se menţine în sol relativ scurt timp, în medie aproximativ 1 – 2 luni, deoarece apa este răspândită într-un strat subţire şi migrează uşor fie spre atmosferă prin evaporaţie şi transpiraţie, fie se scurge spre râuri sau strate de adâncime. Apa de foarte mare adâncime se mişcă însă mult mai încet, putând fi înmagazinată pe durate de peste 10.000 ani. Apa subterană de vechime deosebit de mare se numeşte apă fosilă. Din cauza modificărilor care au loc în scoarţa pamântească şi a celor climatice, este posibil ca pe perioade atât de îndelungate să se producă schimbări ale condiţiilor de curgere, care ar putea împiedica reîmprospătarea unor rezerve subterane sau, invers, să ducă la apariţia unor rezervoare subterane care nu existau înainte. În atmosferă apa care intră prin evaporaţie este înmagazinată pe perioade scurte, de ordinul câtorva zile, înainte de a se reîntoarce pe suprafaţa solului sau a oceanelor sub formă de precipitaţii.
Metoda bazată pe conservarea masei porneşte de la ipoteza constanţei cantităţii de apă a fiecărui rezervor. Conform acestei metode, durata de înmagazinare rezultă din împărţirea volumului rezervorului prin debitul de apă care alimentează sau care este evacuat din rezervor, aceste debite trebuind să fie egale între ele pentru a respecta principiul conservării masei. În principiu, această durată ar reprezenta timpul care ar fi necesar pentru umplerea rezervorului, dacă acesta ar fi gol şi nu s-ar evacua nicio cantitate de apă din el, sau timpul în care el s-ar goli în întregime dacă ar dispărea complet afluxurile de apă.
Metoda bazată pe măsurarea vitezelor de mişcare a apei care este aplicabilă în special pentru apele subterane, cu durate de înmagazinare foarte mari. Aceste viteze se pot măsura în prezent utilizându-se izotopi radioactivi.
Cicluri biogeochimice
Circuitul natural este un ciclu biogeochimic deoarece în cadrul acestui circuit apar procese fizice, chimice şi biologice. Alte cicluri care apar în natură şi sunt, cel puţin în parte, legate de ciclul apei sunt ciclul carbonului şi ciclul azotului. Există însă şi cicluri naturale pentru alte elemente chimice.
În cursul deplasării apei prin circuitul hidrologic, ea transportă şi diferite materiale solide precum şi gaze dizolvate. Unii compuşi ai carbonulului şi azotului, elemente importante pentru organismele vii, sunt volatili şi solubili, şi de aceea se pot deplasa prin atmosferă şi astfel crea cicluri complete, asemănătoare cu cel al apei.
Mişcări neciclice
În unele părţi ale circuitului natural, apa antrenează anumite substanţe care însă nu iau parte la întreg ciclul.
Precipitaţiile care ajung pe suprafaţa solului conţin anumite sustanţe gazoase sau solide dizolvate. Apa care se infiltrează şi trece prin zona nesaturată în apă a solului, antrenează bioxidul de carbon din aerul care există între particulele solide ale solului şi astfel îşi sporeşte aciditatea. Această apă acidă intră în contact cu particulele de sol sau cu roca mamă şi dizolvă anumite substanţe minerale. Dacă solul are condiţii bune de drenaj, apa subterană poate conţine o cantitate importantă de substanţe solide dizolvate, care în cele din urmă ajung în mare.
În unele regiuni ale uscatului, sistemul de scurgere se termină într-o mare interioară sau într-o depresiune, în loc de a fi legate de oceanul planetar. Asemenea regiuni se numesc zone sau bazine endoreice. În asemenea cazuri, nivelul mării interioare va menţine echilibrul hidrologic, astfel încât afluxul de apă din scurgerea de pe uscat şi din precipitaţii pe suprafaţa mării interioare să fie egal cu pierderile prin evaporaţie.
Deoarece apa evaporată nu conţine materiale solide dizolvate, conţinutul în săruri al mărilor interioare şi cel al oceanului planetar creşte în mod continuu.
Exisă situaţii în care apa subterană are o mişcare ascendentă, prin capilaritate. În asemenea cazuri, ea va antrena şi diferitele săruri dizolvate. Odată ajunsă la suprafaţa solului, apa se va evapora, dar sărurile aduse de apă se vor depune la suprafaţa solului ducând progresiv la o acumulare de săruri. Terenurile pe care se produc asemenea acumulări de sare se numesc terenuri sărăturate sau sărături. [8]
Modificarea ciclului apei
Circuitul natural al apei este afectat de anumite procese geologice. El nu a fost identic cu cel din diferite ere geologice. Modificările geologice ale circuitului apei se produc relativ lent.
Acţiuni antropogene de diferite genuri, cum ar fi emisia de gaze în atmosferă, despăduririle, extragerile de apă din cursuri de apă sau strate subterane şi altele pot însă influenţa circuitul apei atât la scară locală cât şi la scară planetară. Disciplina care se ocupă cu studiul influenţei activităţilor umane asupra ciclului natural al apei şi a măsurilor necesare pentru a nu produce o desechilibrare a acestui ciclu se numeşte gospodărirea apelor.
