Water cycle/cs
Contents
Koloběh vody
Koloběh vody (hydrologický cyklus) je komplexní systém výměny vodních molekul ve všech jejich skupenstvích mezi litosférou, hydrosférou, atmosférou a biosférou. Cyklus nemá začátek ani konec, neboť se jedná o nekonečnou a nepřetržitou interakci mnoha subprocesů látkové výměny. Významnou vlastností vody je její schopnost nepřetržitě se obnovovat mezi světovými oceány a pevninou, přičemž hlavní hnací silou celého koloběhu je energie ze Slunce a gravitace. Koloběh vody tak lze vnímat jako přírodní způsob doplňování, přerozdělení a čištění přírodních vodních zdrojů na světě[1].
V rámci hydrologického cyklu se voda nachází v různých nádržích (rezervoárech), přičemž oceány obsahují přibližně 96,5% veškeré vody na planetě, ledovce a podzemní vodní nádrže 2,5% a řeky, jezera, půdní vlhkost a atmosférická vodní pára, včetně vody v živých buňkách, 1%[2].
 | Hydrologický cyklus je uzavřený systém, což znamená, že se celkové množství vody na planetě nemění. Molekuly vody jsou neustále v pohybu a mění pouze svou formu, nikoli množství. Hmotnost vody zůstává konstantní, nicméně její rozdělení do jednotlivých nádrží je závislé na mnoha klimatických proměnných[3]. |
Popis systému
Koloběh vody se skládá z několika interagujících subsystémů přenášející molekuly vody z jedné nádrže do druhé za pomoci subprocesů, mezi které se řadí odpařování, transpirace, srážení či proudění vody. Ke všem procesům je zapotřebí energie ze Slunce a gravitační síla[4]. Veškerá voda z oceánu je pomocí odpařování zvedána do atmosféry (stejně jako led a sníh, jež mohou sublimovat přímo do vodní páry). V atmosféře molekuly vody kondenzují a vrací se za pomoci gravitace zpět na Zem v podobě deště, sněhu či krupobití.
Voda dopadá buď rovnou do oceánů, nebo na zem, kde proudí jako povrchový či podpovrchový odtok. Odtok, jenž vstupuje do řek, se vrací zpět do oceánů. Naopak odtok, jenž proniká do porézních částí zemského povrchu, se stává vodou podzemní a nazývá se bezodtokovou oblastí[5]. Voda z ledovců se díky gravitaci přemisťuje opět buď přímo do oceánů, nebo do kontinentálního povrchového odtoku. Vždy se však všechna voda dostane vypařováním zpět do atmosféry a koloběh se opakuje.
Hydrologický cyklus se rozděluje na malý a velký. O malém koloběhu vody se hovoří, pokud dochází k výměně vodních molekul pouze mezi pevninou a atmosférou či oceánem a atmosférou. Velký koloběh vody bere v úvahu opakující se procesy mezi pevninou, oceánem a atmosférou, k nimž patří odpařování (evaporace), transpirace, sublimace, kondenzace, konvekce, mrznutí a tání, plošný a soustředěný odtok, tok podzemní vody, infiltrace, podpovrchový tok či perkolace[6] [7].
Atmosférický cyklus
Procesy
Evaporace (odpařování)
Evaporace je základním subsystémem hydrologického cyklu, díky němuž se voda navrací zpět do atmosféry jako vodní pára. Nejedná se o vypařování z celého objemu, jako je tomu v případě varu, ale dochází k odpařování molekul vody, jež se nachází blízko povrchu kapaliny a jež mají dostatečnou energii k překonání kohezních sil. Energie přijatá ze Slunce rozbíjí vazby mezi molekulami vody, které se tak mohou začít pohybovat směrem k povrchu kapaliny. Jednotlivé molekuly pak mohou projít povrchovou vrstvou kapky a kapalinu opustit[8]. Jelikož molekuly vody sluneční energii (teplo) spotřebovávají, při procesu odpařování dochází k ochlazování prostředí, což je důvod, proč např. pot pokožku ochlazuje.
Zatímco k varu je zapotřebí 100ºC, evaporace probíhá při jakékoliv teplotě, přičemž některé kapaliny se odpařují rychleji než jiné. Rychlost odpařování závisí mimo jiné na ploše kapaliny (čím větší, tím rychlejší), vlhkosti okolí (čím vyšší, tím pomalejší), přítomnosti větru (čím silnější, tím rychlejší odpařování) či teplotě (čím vyšší, tím rychlejší odpařování). Předpokládá se, že asi 90% vlhkosti v atmosféře pochází z oceánů, moří a jezer[9].
- Vstupy: energie ze Slunce, molekuly vody
- Proces: evaporace (odpařování)
- Výstup: vodní pára
Transpirace (biologické výpary)
Transpirace znamená odpařování vodní páry z listů rostlin, jež pro svůj růst využívají pouze malé množství vody. 97-99,5% vody projde procesem transpirace zpět do atmosféry[10], což má mimo jiné za následek větší vlhkost v místech s velkým vegetačním pokrytím[9]. Voda je pomocí kořenů nasávána a přenášena do listů rostlin. Na spodních stranách listů se nacházejí průduchy (stomata), jimiž jsou molekuly vody uvolňovány do ovzduší.
Celý proces transpirace ovlivňuje mnoho faktorů. Vyšší teplota způsobuje důkladnější a rychlejší otevření průduchů, naopak chladnější teploty póry uzavírají. V sušším prostředí dochází k odpařování rychleji než v prostředí nasyceném, tudíž také vlhkost vzduchu hraje svou roli. Dále dostupnost a intenzita slunečního svitu, stejně jako vítr kolem rostliny, zajišťuje odpařování rychlejší.
- Vstupy: energie ze Slunce, molekuly vody
- Proces: transpirace
- Výstup: vodní pára
 | Termínem evapotranspirace je míněno spojení subsystémů předcházejících, tedy evaporace a transpirace. Tento proces nastává, pokud dochází zároveň k odpařování vlhkosti z půdy a odpařování skrz průduchy rostlin[9]. Evapotranspirace představuje přibližně 10% par v atmosféře[11]. |
Sublimace
V hydrologickém cyklu vstupuje velmi malé množství vodní páry do atmosféry prostřednictvím sublimace, procesem, při kterém se voda mění z pevného skupenství (led nebo sníh) na plyn, čímž obchází kapalnou fázi. K rychlejší sublimaci dochází při nízké relativní vlhkosti vzduchu, suchém větru či vyšší nadmořské výšce, kde je tlak vzduchu menší než v nižších polohách. Suchý vzduch mění sníh přímo na vodní páru, což má za důsledek rychlé zmizení sněhu v suchém klimatu[12]. V neposlední řadě je k tomuto procesu zapotřebí energie v podobě intenzivního slunečního světla[13]. Opačný proces sublimace se nazývá desublimace (ukládání), při němž se vodní pára mění přímo na led (např. na sněhové vločky či mráz).
- Vstupy: energie ze Slunce, molekuly vody v tuhém stavu (led, sníh)
- Proces: sublimace
- Výstup: vodní pára
Kondenzace (srážky)
U kondenzace dochází, na rozdíl od procesu odpařování, k přeměně plynu na kapalinu. Vodní pára se dostává do atmosféry, kde je vzduch mnohem chladnější. Pokud teplota vzduchu klesne bod rosný bod, teplotu maximálního nasycení vzduchu vodními parami, pohyb molekul se zpomalí a začnou se shlukovat v oblaka. Při navázání dostatečného množství molekul vznikne dešťová kapka, která dopadá na zemský povrch v podobě deště. Kondenzace je pro hydrologický cyklus velmi důležitým procesem, neboť navrací vodu zpět na pevninu či do oceánu v podobě srážek[3]. Obecně vzduch s relativně vysokou vlhkostí přichází do styku s chladnějším povrchem, čímž se ochlazuje na rosný bod, což vede ke kondenzaci a tvorbě mraků (zamlžení). Tento proces je též zodpovědný za přízemní mlhu, kterou lze pozorovat např. při zamlžení okének v automobilu, kdy lidé vydechují teplý vzduch, jež naráží na studená okénka.
Jakékoliv změny všech skupenství vody jsou spojeny se změnou uspořádání molekul. Při kondenzaci dochází ke zkapalnění vodní páry, kde jsou molekuly vody uspořádávány do mnohem náhodnějších struktur než v kapalině. Celý proces je doprovázen uvolňováním tepla, jež se vrací zpět k povrchu Země.
- Vstup: vodní pára
- Proces: kondenzace
- Výstupy: molekuly vody, teplo
Rovnovážný stav atmosférického cyklu
Pokud by se rychlost evaporace rovnala rychlosti kondenzace, došlo by k rovnovážnému stavu nasycení, při kterém by byla 100% vlhkost vzduchu[11]. Jelikož je ve vlhkých tropech a deštných pralesích dostatek vegetace, dochází nad touto oblastí k nadměrné evaporaci, zvýšené tvorbě mraků a tím pádem k vyššímu úhrnu srážek. Délka trvání jedné molekuly vody v atmosférickém cyklu se odhaduje na cca 10 dní[5].
Cyklus povrchového odtoku
V cyklu povrchového odtoku se voda nejčastěji pohybuje mezi oceánem, atmosférou, pevninou, povrchovým odtokem a opět oceánem. Povrchový odtok je tvořen srážkami, jež se nevypařily, ani nevsákly (neinfiltrovaly) do země a pohybují se zpět k oceánu [14]. Na množství odtoku má vliv topografie půdy, neboť v kopcovitých krajinách nemá voda dostatek času na vsakování se do země, tudíž stéká ze svahů dolů, kde vytváří proudící toky. Naopak v rovinaté krajině voda nikam nestéká, a tak dochází spíše k infiltraci (vsakování vody do půdy). Celkově se odhaduje, že 35% veškerých srážek končí v moři nebo oceánu, zbylých 65% se infiltruje do půdy. Dále má na odtok vliv charakter půdy, přičemž oblasti s měkkými pórovitými půdami pohlcují vody více[11]. V neposlední řadě odtok (infiltraci) ovlivňuje, zda prší nárazově či delší dobu kontinuálně. Při nárazovém dešti je půda rychle nasycena a vsakuje srážek mnohem méně. Voda se v cyklu povrchového odtoku vyskytuje přibližně dvanáct dní[5].
Procesy
Plošný a soustředěný odtok
Plošný odtok neboli ron představuje nesoustředěné stékání vody po zemském povrchu[11]. Sklon reliéfu udává, kam voda stéká a kde se z ní tvoří proudící tok či jezero.
Nekoordinovaným stékáním vzniká plošný splach, jenž s sebou odnáší částice půdy po povrchu terénu. K tomuto odnosu půdních částic (Erozi půdy) dochází, pokud je síla vodního toku větší než síly udržující částice na povrchu země.
Naopak soustředěnými toky jsou míněny stružky a následně hluboké erozní rýhy (koryta), jimiž voda odtéká trvale nebo alespoň po většinu roku. Spojené erozní rýhy vytváří údolí, kterými protéká voda trvale i během sušších období.
- Vstup: srážky
- Proces: plošný/soustředěný odtok
- Výstupy: povrchový tok
Mrznutí a tání
Při procesu mrznutí dochází k přeměně molekul vody na ledové krystalky v oblacích, které se vrací zpátky na zem v podobě sněhových vloček. Srážky z chladného období se ukládají do horských sněhových polí či ledovců, jež v teplejším počasí představují zásobárnu vody. Ve Spojených státech amerických pochází až 75% zásob vody právě ze sněhu[14]. I když se voda v ledovcích nehýbe, má na hydrologický cyklus podstatný vliv. Jelikož bílá barva odráží sluneční světlo (a tím i teplo), velké ledovcové plochy mohou výrazně ovlivňovat počasí. Objemné zasněžování má také své nevýhody, jako např. nebezpečí sesuvu půdy nebo záplav v teplejších měsících.
Opačným procesem je tání, jež v chladnějších klimatech představuje většinu jarního odtoku a proudění v řekách. K tomuto procesu dochází, pokud led či sníh přijme určité množství tepla od Slunce.
|
|
|
|
|
|
Cyklus podzemního odtoku
Při cyklu podzemního odtoku dochází k výměně vody mezi oceánem, atmosférou, pevninou, půdou a opět oceánem. Průměrný čas molekuly vody v tomto cyklu se pohybuje kolem 5000 let, v zóně aktivní výměny se udává 330 let[5].
Procesy
Infiltrace (vsakování)
Infiltrace je proces, při kterém voda vyskytující se na povrchu země proniká do podpovrchových půd prasklinami a póry. Infiltrovaná voda může být za nějaký čas postupně odpařena, absorbována kořeny rostlin či může prosáknout hlouběji až k podzemním vodním nádržím (perkolace)[11]. Některé takovéto nádrže jsou používány lidmi jako zásobárny vody pro studny.
Infiltraci nejvíce ovlivňují faktory jako množství a charakteristika srážek (intenzita, doba trvání, apod.), evapotranspirace, půdní vlastnosti, saturace půdy či svah země. Dále záleží na nasycenosti půdy, přičemž nasycená půda infiltraci zpomaluje. Pokud míra srážek přesahuje na určité půdní ploše rychlost infiltrace, dochází k povrchovému odtoku.
- Vstup: molekuly vody (srážky)
- Proces: infiltrace
- Výstup: infiltrovaná voda do půdy
Podpovrchový odtok
Podpovrchový odtok je tvořen pohybem molekul vody blízko povrchu země. Z povrchové vody se stane voda podzemní, pokud vyplní póry v zemi či ve skalách, jimiž pronikne do podpovrchového vodního stolu. Vodním stolem se nazývá místo, kde jsou veškeré půdní póry a štěrbiny zcela nasyceny vodou, tudíž žádnou další vodu nepropustí a tvoří se souvislé toky. Rychlost toku podzemní vody závisí na propustnosti půdy a tlaku vody. Rychlost prosakování jedna stopa za den je vnímána jako rychlost vysoká, neboť rychlost jedna stopa za rok či jedna stopa za deset let není žádnou výjimkou[15]. Podzemní voda se dostává zpět na povrch země lidskou silou pomocí pump nebo ve formě pramenů, jež na povrch prosakují.
- Vstup: molekuly vody
- Proces: nasycení půdních pórů molekulami vody
- Výstup: podpovrchový tok
| Podzemní vody jsou méně znečištěné než vody povrchové, proto se často využívají jako zásobárny vody. Ve Spojených státech amerických obsahují podzemní nádrže mnohem více vody než je kapacita všech vodních nádrží a jezer v USA[13]. Znečištěná podzemní voda se daleko hůře čistí a její znečištění je nejvíce způsobeno nesprávnou likvidací odpadů, nadměrným hnojením či ropnými vrty. Podzemní voda tvoří přibližně 25% zásobárny sladké vody. |
Rovnováha hydrologického cyklu
V hydrologickém cyklu jsou všechny molekuly vody neustále v pohybu, přičemž je zde zpětnovazebný efekt, při kterém platí, že množství spadlých srážek ovlivňuje množství vody vypařené a naopak. Celkový objem vody se tak nemění. Dynamická rovnováha znamená, že molekuly vody nepřibývají ani neubývají, pouze mění své skupenství. Tato rovnováha může být pozorována např. na hladině oceánů, jejichž výšky zůstávají přibližně konstantní, ačkoli do nich neustále proudí jak povrchové, tak podpovrchové toky. Celková doba, kterou molekula vody stráví v hydrologickém cyklu je variabilní a záleží na mnoha faktorech jakými jsou např. druh vodního cyklu (malý, velký), rychlost veškerých procesů v závislosti na přijaté/odebrané energii ze Slunce či na charakteru půdy, jež ovlivňuje rychlost infiltrace.
Celkový čas strávený molekulou vody v jednotlivých subprocesech se odhaduje lépe. V atmosférickém cyklu se jedná o deset dní, v cyklu povrchového odtoku přibližně o dvanáct dní a v cyklu podzemního odtoku záleží na zóně výměny, zda je aktivní či pasivní. Aktivní zónou molekula vody projde za 330 let a v pasivní zóně za přibližně 5000 let[5].
Hydrologická bilance
Hydrologickým rokem je míněno časové období dvanácti měsíců, jež je stanovené tak, aby srážky odtekly jako povrchové či podpovrchové odtoky v témže období. Výhoda takovéhoto časové vymezení spočívá ve vyrovnání vstupů a výstupů procesu koloběhu vody, což umožňuje sestavit hydrologickou bilanci. Neboli první zimní sníh se dostane spolu s jarními odtoky do stejného bilančního období.
Hydrologická bilance může být vypočítávána pro malý i velký oběh vody, stejně jako pro jednotlivá povodí či oceány. Vyjadřuje veškeré vstupy a výstupy celého systému koloběhu vody a změnu v jednotlivých rezervoárech (∆S). Vstupy zahrnují především srážky (P), které jsou souhrnem výparů, povrchového a podzemního odtoku. Výstupy jsou pak vodní pára vzniklá evapotransiprací (ET) a celkový odtok (Qc)[12]. Základní hydrologická bilance pak vypadá následovně:
- P - ET - Qc = ∆S
Energetická rovnováha
Veškeré subprocesy hydrologického cyklu zajišťující změnu skupenství molekul vody jsou doprovázené přenosem energie. V zemské atmosféře hustota kapalin a plynů klesá s narůstající teplotou, což má za důsledek, že v gravitačním poli ohřáté vrstvy kapaliny nebo plynů stoupají, zatímco ty chladnější klesají. Dochází tak ke vzniku proudění (konvekci), při kterém se přemisťují celé části kapaliny i se svou vnitřní energií. Konvekce způsobuje větry přenášející teplo, jež ovlivňují dešťové mraky nad kontinenty a oceánské proudy, které dále ovlivňují další podporcesy koloběhu vody. I zde platí, že spotřebovaná energie se rovná energii vydané.
Model hydrologického cyklu (viz Diagram kauzálních smyček)
| Koloběh vody je skutečně velmi komplexní nekonečný systém s mnoha podprocesy. Například čím více tepla ledovec přijme, tím je sice méně zásobárny vody v pevném stavu, nicméně tím více je povrchové vody, která odteče do oceánu, tím více se může vypařit vodní páry, a konečně tím více může vzniknout srážek, jež mohou opět dopadnout na ledovec v podobě ledových krystalků. V ideálním případě je koloběh vody rovnovážný cyklus a "čím více ubude, tím více přibude". Zároveň všude platí reverzní vztah, což znamená, čím více ledovce, tím více povrchové vody, a současně, čím více povrchové vody, tím méně ledovce. |
Ovlivnění dalších dynamických systémů
Voda a sluneční energie jsou základem fungování veškerých biogeochemických cyklů na Zemi, jež zahrnují pohyby chemických prvků mezi organismy a neživými částmi atmosféry, litosféry a hydrosféry[6]. Hydrologický cyklus tak ovlivňuje mnoho dalších dynamických systémů.
Jelikož je přenos vodní páry z oceánů do atmosféry doprovázen velkým množstvím tepelné energie, tento podproces hydrologického cyklu reguluje klima a počasí. Přemisťování vody pomocí nadzemních i podzemních odtoků chemicky i fyzicky eroduje zemi a utváří její reliéf. Převádí a ukládá sedimenty do řek, vytváří delty či povrch mořského dna. Pokud voda pronikne do porézních částí zemského povrchu, může rozpustit skály a utvářet tak krasové systémy. Voda dále přenáší minerály a živiny, jež jsou potravou pro sladkovodní a mořské ekosystémy. V neposlední řadě je voda největší složkou většiny biologických organismů. V lidském organismu se nachází přibližně 60% vody, v těle medúzy až 90%.
Shrnutí
Základním vstupem hydrologického cyklu jsou srážky dopadající do oceánů či na pevninu. Část srážek se z pevniny odpaří (evapotranspiruje), část se transformuje na povrchový odtok a část se infiltruje na odtok podzemní či na podzemní vodu. Přímým odtokem se dočasně zvyšují hladiny řek a moří, jež jsou vyrovnávány větším množstvím transpirace. Pro koloběh molekul vody na Zemi se vypočítává hydrologická bilance, jež zahrnuje veškeré vstupy (srážky, přítoky, zásoby vody) a výstupy (výpary, odtoky, úbytky vody v rezervoárech) v celém hydrologickém cyklu.
Reference
- ↑ WILLIAMS D. W., 2001. Lakes and Reservoirs, the Watershed: Water from the Mountains into the Sea [online]. Volume: 2, United Nations Environment Programme, Division of Technology, Industry and Economics. [cit. 2017-05-25] Dostupné z: http://www.unep.or.jp/ietc/publications/short_series/lakereservoirs- 2/2.ASP.
- ↑ CHAHINE, MOUSTAFA T., 1992. The Hydrologic Cycle and Its Influence on Climate, Review Article, Nature 359: 373 – 380.
- ↑ 3.0 3.1 Hydrologic Cycle (Water Science) [online]. [cit. 2017-05-25]. Dostupné z: http://what-when-how.com/water-science/hydrologic-cycle-water-science/.
- ↑ MACLEAN, N. Global Energy Transfer, Atmosphere and Ocean Circulation, Climate: A River Runs Through It [online]. [cit. 2017-05-27]. Dostupné z: http://www.indiana.edu/~geol105/1425chap4.htm.
- ↑ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 RUDA, A., 2014. Klimatologie a hydrografie [online]. Masarykova univerzita, Brno [cit. 2017-05-23]. Dostupné z: https://is.muni.cz/do/rect/el/estud/pedf/ps14/fyz_geogr/web/pages/07-voda.html.
- ↑ 6.0 6.1 ALAVIAN V., QADDUMI H., M., 2009. Water and climate change: understanding the risks andmaking climate-smart investment decisions. The World Bank, Washington, DC [online]. [cit. 2017-05-27]. Dostupné z: http://documents.worldbank.org/curated/en/362051468328208633/Water-and-climate-change-understanding-the-risks-and-making-climate-smart-investment-decisions.
- ↑ NARASIMHAN, T.,N., 2009. Hydrological cycle and water budgets. In: Likens GE (ed) Encyclopedia of inland waters. Elsevier, Oxford, pp 714–720. doi:10.1016/B978-012370626-3.00010-7.
- ↑ TECHNMIST. Evaporace [online]. [cit. 2017-05-24]. Dostupné z: http://www.technomist.cz/funkce-vodni-mlhy/evaporace.
- ↑ 9.0 9.1 9.2 ESCHOOLTODAY. What is the Water Cycle (Hydrolic cycle)? [online].[cit. 2017-05-27]. Dostupné z: http://www.eschooltoday.com/water-cycle/what-is-evaporation-of-water.htm.
- ↑ SINHA, R.K., 2004. Modern plant physiology. Pangbourne: Alpha science international. ISBN 9780849317149.
- ↑ 11.0 11.1 11.2 11.3 11.4 USGS Water Science School, 2016. The Water Cycle [online].[cit. 2017-05-27]. Dostupné z: https://water.usgs.gov/edu/watercycleevaporation.html.
- ↑ 12.0 12.1 NETOPIL, R. a kol. Fyzická geografie, 1. vydání. Praha: SPN, 1984. 272 s.
- ↑ 13.0 13.1 Boreyko, J., B,. Hansen, R., R., 2016. Controlling condensation and frost growth with chemical micropatterns [online]. Scientific Reports. 6. doi:10.1038/srep19131. [cit. 2017-05-27]. Dostupné z: https://www.nature.com/articles/srep19131.
- ↑ 14.0 14.1 STRAHLER, A., 2006. Introducing Physical Geography. New York: John Wiley & Sons, Inc. 684 s.
- ↑ USGS. General facts and concepts about ground water [online]. [cit. 2017-05-26]. Dostupné z: https://pubs.usgs.gov/circ/circ1186/html/gen_facts.html.
