7. Hydrologický cyklus
Obsah • • • • •
Čím je voda výjimečná Globální hydrologický cyklus Malý a velký koloběh vody Úloha rostlinného krytu Vztah hydrologického cyklu k bilanci energie: klimatizační efekt • Odnos látek z povodí • Model funkční krajiny
Voda na Zemi • Existence hydrosféry a vodního koloběhu je jednou z největších zvláštností naší planety. Na žádném jiném tělese sluneční soustavy nic podobného neexistuje. Za svou „Modrou planetu“ vděčíme souhře příznivých okolností, k nimž patří zejména velikost Země a její poloha ve sluneční soustavě, které zabránily úniku těkavé vody do kosmu. http://switchboard.nrdc.org/blogs/lpagano/media/blue_planet.jpg
Voda na Zemi
První živé organismy se vyvinuly ve vodě. Voda byla a stále je nezbytnou podmínkou pro zachování všech forem života známých na Zemi.
Tepelné vlastnosti vody: hustota
Tepelné vlastnosti vody Vysoké měrné teplo: 4.2 J.g‐1.K‐1 (kromě kapalného amoniaku nejvyšší z látek s podobnou velikostí molekul). Vysoké skupenské teplo tání: pro přeměnu 1g ledu na 1g vody je třeba 335 J. Vysoké výparné teplo: na 1g vody 2452 J (nejvyšší z látek s podobnou velikostí molekul).
Tepelné vlastnosti vody Důsledkem tepelných vlastností vody je příznivá, málo kolísavá teplota zemského povrchu (v průměru okolo 15 stupňů Celsia). Vzhledem k úzkému teplotnímu rozpětí, ve kterém je voda ve stavu kapalném a ve kterém si jedině dovedeme představit život, je tato teplota téměř ideální.
Hydrologický cyklus • Globální hydrologický oběh je nejmohutnější ze všech přirozených látkových cyklů planety. • Množství vody, které se ho účastní, je více než o 4 řády větší, než je tok látek sedimentárním či tektonickým cyklem
Globální hydrologický cyklus
Objem vody v jednotlivých zásobnících (v miliónech km3) a toky vody (v miliónech km3 za rok). Townsend et al. (2010)
• Ročně se z oceánů vypaří cca 430 000 km3 vody, z níž většina spadne opět ve formě srážek do oceánů. • Dalších 70 000 km3 se vypaří z pevnin. • Ve formě srážek dopadne na pevninu ročně pouze cca 110 000 km3 vody, z níž největší část se vypaří, část odteče řekami (40 000 km3 - tzv. stabilní roční odtok) a část dosáhne moře jako podzemní voda. • Převážné množství srážek spadne zpět do oceánu a jen asi 8,3% dopadne na pevninu.
Hydrosféra
Světový oceán Země: 361,3 mil. km2 (= 71% rozlohy Země) Souše: 149 mil. km2
Světový oceán • Tichý oceán: 178,7 mil. km2 (35% zemského povrchu) – nejhlubší místo Země: Mariánský příkop (průrva v zemské kůře o hloubce 11 034 m).
• Atlantský oceán: 91,6 mil. km2 (18%) • Indický oceán: 76,2 mil. km2 (14,9%) • Severní ledový oceán: 14,75 mil. km2 (2,9%).
Salinita • je celkové množství rozpuštěných minerálních látek v 1 kg mořské vody (uvádí se v promile) • průměrná salinita světového oceánu je 35 promile. • Hlavními zdroji hořkoslané chuti jsou chlorid sodný, chlorid hořečnatý a síran hořečnatý • • Mezi jednotlivými místy značně kolísá podíl salinity, kterou ovlivňuje mnoho faktorů jako výpar, srážky, přítoky atd.
Světové zásobníky vody
Rovnováha srážek a výparu
Jihovýchodní Florida
V celoroční bilanci může množství srážek převýšit evapotranspiraci nebo naopak.
grove.ufl.edu/~turf/landscape/evap1.html
Vliv bilance srážek a výparu na půdotvorné procesy Převaha srážek nad výparem: 1) Vznik organických půd v oblastech s malým odtokem 2) Vyluhování půdy Podzolizace: Ve vlhkých oblastech s chladným a mírným klimatem Laterizace: Ve vlhkých oblastech tropů Převaha výparu nad srážkami: Zasolování půd
Podzolizace = půdotvorný proces podmíněný přítomností surového humusu kyselé reakce s převahou fulvokyselin, které napomáhají destrukci půdních minerálů. Přitom se uvolňují oxidy železa a hliníku a vytvářejí s fulvokyselinami cheláty. Ty jsou vyplavovány do nižších částí půdního profilu, kde se sloučeniny Fe a Al hromadí. V období sucha dochází vlivem výparu k přesycení roztoků a sloučeniny Fe a Al se srážejí. Vzniká tak ortstein („železňák“ stmelenec) = pevný, železitý, písčitý slepenec.
Laterizace = půdotvorný proces, při kterém dochází k hydrolýze a oxidaci matečné horniny a jílových minerálů. Vzniká při tom kyselina křemičitá H2SiO3 a hydratované oxidy železa a hliníku. Kyselina křemičitá je vyplavována z půdy a na místě zůstávají pouze sloučeniny hliníku a železa. Následně v suchém a teplém období dochází k vysrážení oxidů železa. To způsobuje oranžové až skořicové zabarvení půd. K laterizaci dochází zejména v tropických půdách, kde se střídají období sucha a dešťů.
Zasolení Zavlažovací kanály: Sumer a Mezopotámie (dnešní Irák, Jordánsko, Sýrie)
Velký a malý koloběh vody
hi.water.usgs.gov/projects/samoa-et-web/waterbudget/waterbudget01a.gif
Procesy koloběhu vody
Odlesnění a urbanizace Co se stane se srážkovou vodou, když dopadne na povrch země? 1. Část se vsakuje do půdy a zásobuje zdroje podzemní vody. 2. Část se vrací do atmosféry v podobě transpirace rostlin a výparu z půdy. 3. A konečně poslední část odtéká po povrchu a zásobuje vodoteče a jezera. K důležitým faktorům, které určují množství výparu, infiltrace a povrchového odtoku, je míra urbanizace. Urbanizace zásadním způsobem ovlivňuje hydrologickou bilanci povodí. Například v lese, který není příliš ovlivněn lidskou činností, se srážky mění hlavně na evapotranspiraci a infiltraci. Čím větší plochy zalesněné a zemědělské krajiny jsou přeměněny v sídla, plochy více propustné pro vodu se mění v méně propustné a nepropustné povrchy.
V malém koloběhu vody má klíčové místo vegetace
Mau Forest
Mau Forest v údolí Rift (Rift Valey) v Keni (273 300 ha) představuje nejrozsáhlejší pralesní komplex ve východní Africe. Oblast patří k srážkově nejbohatším v Keni. Mau Forest představuje také největší povodí v Keni. V pralese pramení 12 řek zásobující vodou jezera Victoria, Nakuru a Natron – oblast poskytující obživu 10 milionům lidí ze tří zemí (Keňa, Tanzánie, Egypt (Wikipedia, BBC news) http://majimbokenya.com/home/2008/07/15/kenyan-pm-raila-finally-endorseseviction-in-kenya-rain-catchment-mou-forest/
Katastrofická sucha (BBC News, 29 September 2009) Sucha jsou častější, větší a méně předvídatelná od roku 2001, kdy bylo osadníky vykáceno 60 000 ha lesa. Jde nejen o suché období meyi obdobími dešŤů, ale také o menší úhrn srážek v době dešťů. Politická reprezentace Keni proto rozhodla o vysídlení nových osadníků. Řeší se zákonnost získání pozemků, finanční kompenzace, hledají se zahraniční zdroje.
http://news.bbc.co.uk/2/hi/africa/8057316.stm
Vztah bilance vody a energie
Dokonalé klimatizační zařízení: strom
Energetická bilance krajiny Srovnání toků sluneční energie na odvodněné ploše a v porostu zásobeném vodou.
Teplotní extrémy 1
Teplotní extrémy 2 Chladící efekt vegetace
Třeboňské náměstí infračervenou kamerou. Foto Jakub Brom
Současná krajina
ŘECKO
Odvodnění zemědělských ploch
Moderní step Čechy
Keňa
Velkoplošné odvodnění
Těžba surovin Lidská sídla
Energetická (teplotní) účinnost povodí •
se posuzuje podle denní amplitudy teplot na povrchu půdy nebo na povrchu porostu (Ripl 1995). Krajina, která disipuje sluneční energii převážně prostřednictvím vodního cyklu (evapotranspirace) vykazuje malé rozdíly teplot mezi dnem a nocí, zatímco krajina, která postrádá vodu a vegetaci, vykazuje velkou denní amplitudu teplot.
•
Denní amplituda teplot je tedy měřítkem energetické účinnosti krajiny.
•
Satelitní snímky krajiny pořizované v infračervené oblasti spektra poskytují názorný obraz o distribuci teplot v krajině, ukazují na místa přehřátá a na místa chladná. Cílem hospodaření v krajině by mělo být dosáhnout pokud možno rovnoměrného rozložení teplot.
MOSTECKÁ PÁNEV
TŘEBOŇSKÁ PÁNEV KRUŠNÉ HORY
LITVÍNOV
MOST
DOLY
ROŽMBERK
TŘEBOŇ
MOSTECKÁ PÁNEV
TŘEBOŇSKÁ PÁNEV KRUŠNÉ HORY
LITVÍNOV
MOST
DOLY
ROŽMBERK
TŘEBOŇ
MOSTECKÁ PÁNEV
TŘEBOŇSKÁ PÁNEV KRUŠNÉ HORY
ROŽMBERK LITVÍNOV TŘEBOŇ MOST
DOLY
Klimatizační efekt vegetace
Několik desítek kilometrů čtverečných porostů váže do vodní páry takové množství energie, které je srovnatelné s množstvím energie vyráběné ve všech elektrárnách v ČR.
Člověk mění obrovské toky energie v přírodě • •
•
•
Elektrárny v ČR vyráběly v polovině devadesátých let za rok přibližně 59 000 GWh elektrické energie. Takové množství energie dopadne za jediný slunný den na přibližně 11 000 km2. Pokud dopadne na odvodněné plochy, přemění se v teplo, zvětší se rozdíly teplot mezi dnem a nocí, zvětší se i rozdíly teplot mezi místy (např. mezi pevninou a mořem, mezi odvodněnými plochami a horami), což má za následek zrychlené proudění vzduchu i přívalové srážky. Ubývá srážek malých a častých, přibývá srážek mohutných i když méně častých. Klima se mění na kontinentální, na stepní. Odvodňováním velkých ploch podstatně omezujeme výpar a tím zmenšujeme i jeho klimatizační efekt. Člověk tedy svojí činností výrazně mění toky (způsob disipace) sluneční energie v krajině. Krajina se mění ze systému živého, dynamického, nerovnovážného na systém neživý, fyzikální bez schopnosti autoregulace. Změny toků sluneční energie působné neuvědoměle hospodářskou činností člověka jsou o několik řádů vyšší nežli jsou toky energie člověkem produkované a registrované v ekonomice.
Odnos látek z povodí Půda jako jeden z hlavních zdrojů biosféry je omezený a nenahraditelný přírodní zdroj; v případě postupující degradace a její ztráty se stává tento zdroj v mnoha částech světa hranicí dalšího rozvoje lidské společnosti. Pokud by půda přestala existovat, přestala by existovat biosféra s ničivými následky pro lidstvo.
Eroze Intenzivní využívání půdy pro zemědělskou výrobu a velkoplošné odlesňování porušilo postupně přirozený kryt půdy a vystavilo její povrch působení erozivních sil. Rozvinula se eroze, spočívající v destrukčním účinku vody a větru na půdní povrch. Eroze vede ke ztrátě nejúrodnější vrstvy půdy, jejíž nahrazení trvá stovky let. //edc.usgs.gov/carbon_cycle/images/erosion.JPG (20.10.2005)
Ztráty rozpuštěných látek Labe - průměrný roční odtok látek (1995-1997) 621 700 600
tis. t/rok
500 265
400 300
124 73
200 100 0
Ca
Na
Mg
K
Koloběh sedimentárního typu
MODEL OBNOVY KOLOBĚHU VODY V POVODÍ
MODEL OBNOVY KOLOBĚHU VODY V POVODÍ
