Su döngüsü

Su döngüsü yahut hidrolojik döngü, suyun Dünya yüzeyinin üstünde ve altında sürekli hareketini tanımlar. Suyun okyanus ile denizlerden atmosfere, atmosferden yeryüzüne ve yeniden deniz-okyanuslara ulaşması şeklindeki genel turu, döngüyü oluşturur. Evrenin korunumu yasası gibi, yeryüzündeki su kaynaklarının artmaz veya eksilmezliğini ifade eden bir terimdir ve bir başlangıç veya sonu yoktur.

Su Döngüsü Diyagramı

Dünyadaki su kütlesi zamanla oldukça sabit kalır, ancak suyun büyük buz, tatlı su, tuzlu su ve atmosferik su rezervuarlarına ayrılması, çok çeşitli iklim değişkenlerine bağlı olarak değişkendir. Su, nehirden okyanusa veya okyanustan atmosfere gibi bir rezervuardan diğerine, buharlaşma, yoğuşma, yağış, sızma, yüzey akışı ve yüzey altı akışının fiziksel süreçleriyle hareket eder. Bunu yaparken, su farklı formlardan geçer: sıvı, katı (buz) ve buhar.

Su çevrimi, sıcaklık değişimlerine yol açan enerji değişimini içerir. Su buharlaştığında, çevresinden enerji alır ve çevreyi soğutur. Yoğunlaştığında, enerjiyi serbest bırakır ve çevreyi ısıtır. Bu ısı değişimleri iklimi etkiler.

Döngünün buharlaşma aşaması suyu arındırır ve daha sonra toprağı tatlı su ile doldurur. Sıvı su ve buz akışı dünyadaki mineralleri taşır. Ayrıca, erozyon ve sedimantasyon gibi süreçlerle Dünya'nın jeolojik özelliklerinin yeniden şekillendirilmesinde rol oynar. Yeryüzündeki su kaynaklarını okyanuslar, denizler, göller ve yeraltı suları oluşturur. Dünya'daki su hareket eder, biçim değiştirir, bitkiler ve hayvanlar tarafından kullanılır, fakat gerçekte asla yok olmaz. Su döngüsü, yağış, buharlaşma (Evapotranspirasyon), yer üstü ve yer altı akışları olmak üzere üç temel aşamayı içerir.

Açıklama

Su döngüsünü yönlendiren güneş, okyanuslarda ve denizlerde suyu ısıtır. Su, su buharı olarak havaya buharlaşır. Bazı buz ve karlar doğrudan su buharına yüceltilir. Evapotranspirasyon bitkilerden alınan ve topraktan buharlaştırılan sudur. Su molekülü

2O, atmosfer, azot ve oksijen, N'nin ana bileşenlerinden daha küçük moleküler kütleye sahiptir.

2 ve O

2, bu nedenle daha az yoğundur. Yoğunluktaki önemli fark nedeniyle, kaldırma kuvveti nemli havayı daha yükseğe çıkarır. İrtifa arttıkça hava basıncı düşer ve sıcaklık düşer (bkz. Gaz yasaları). Daha düşük sıcaklık, su buharının havadan ağır olan küçük sıvı su damlacıklarına yoğuşmasına neden olur ve bir yukarı çekiş ile desteklenmedikçe düşer. Bu damlacıkların atmosferdeki geniş bir alan üzerinde büyük bir konsantrasyonu bulut olarak görünür hale gelir. Bazı yoğunlaşma yer seviyesine yakındır ve sis olarak adlandırılır.

Atmosferik sirkülasyon, su buharını dünya etrafında hareket ettirir; bulut parçacıkları çökelme olarak büyür ve üst atmosfer tabakalarından düşer. Bazı yağışlar kar veya dolu, karla karışık yağmur gibi düşer ve binlerce yıldır donmuş su depolayabilen buzullar ve buzullar olarak birikebilir. Suların çoğu okyanuslara veya karaya yağmur olarak düşer ve suyun yüzey akışı olarak zeminden aktığı yer. Akışın bir kısmı, akarsuların okyanuslara doğru hareket etmesiyle, manzaradaki vadilerde nehirlere girer. Yere çıkan akıntı ve su (yeraltı suyu) göllerde tatlı su olarak depolanabilir. Tüm akışlar nehirlere akmaz; birçoğu sızma olarak zemine batıyor. Biraz su zemine derinlemesine sızar ve tatlı suyu uzun süre depolayabilen akiferleri yeniler. Bazı sızmalar kara yüzeyine yakın kalır ve yeraltı suyu deşarjı olarak yüzey suyu kütlelerine (ve okyanusa) geri sızabilir. Bazı yeraltı suları kara yüzeyinde açıklıklar bulur ve tatlı su kaynakları olarak ortaya çıkar. Nehir vadilerinde ve taşkın yataklarında, hiporheik bölgedeki yüzey suyu ile yeraltı suyu arasında genellikle sürekli su değişimi vardır. Zamanla su, su döngüsüne devam etmek için okyanusa geri döner.

Süreçler

Birçok farklı süreç suda hareketlere ve faz değişikliklerine yol açar

Yağış

Dünya yüzeyine düşen yoğunlaşmış su buharı. Yağışların çoğu yağmur olarak görülür, ancak kar, dolu, sis damlası, graupel ve karla karışık yağmur içerir. Her yıl yaklaşık 505.000 km3 (121.000 cu mi) su yağış olarak düşüyor, bunun 398.000 km3 (95.000 cu mi) okyanuslar üzerinde. [daha iyi kaynak gerekli] Karada yağmur 107.000 km3 (26.000 cu mi) yılda su ve sadece 1.000 km3 kar yağışı (240 cu mi). Küresel yağışların% 78'i okyanus üzerinde gerçekleşmektedir.

Kanopi müdahalesi

Birçok farklı süreç suda hareketlere ve faz değişikliklerine yol açar

Bitki yaprakları tarafından kesilen yağış, nihayetinde yere düşmek yerine atmosfere geri buharlaşır.

Kar erimesi

Kar eriterek üretilen akış.

Yüzey akışı

Suyun karada nasıl hareket ettiği. Bu hem yüzey akışını hem de kanal akışını içerir. Akarken, su toprağa sızabilir, havaya buharlaşabilir, göllerde veya rezervuarlarda depolanabilir veya tarımsal veya diğer insan kullanımları için ekstrakte edilebilir.

Sızma

Zemin yüzeyinden toprağa su akışı. Sızan su, toprak nemi veya yeraltı suyu haline gelir. Bununla birlikte, su kararlı izotopları kullanan yeni bir küresel çalışma, tüm toprak neminin yeraltı suyu şarjı veya bitki terlemesi için eşit olarak mevcut olmadığını göstermektedir.

Yeraltı akışı

Vadose bölgesinde ve akiferlerde yeraltı su akışı. Yeraltı suyu yüzeye dönebilir (örneğin kaynak olarak veya pompalanarak) veya sonunda okyanuslara sızabilir. Su, yerçekimi kuvveti veya yerçekimi kaynaklı basınçlar altında, sızdığı yerden daha düşük bir yükseklikte kara yüzeyine geri döner. Yeraltı suyu yavaş hareket etme eğilimindedir ve yavaşça yenilenir, böylece binlerce yıl akiferlerde kalabilir.

Buharlaşma

Suyun yerden veya su kütlelerinden üstteki atmosfere geçerken sıvının gaz fazlarına dönüşümü. Buharlaşma için enerji kaynağı öncelikle güneş ışınımıdır. Buharlaşma genellikle örtük olarak bitkilerden terlemeyi içerir, ancak birlikte spesifik olarak bitki su tüketimi olarak adlandırılırlar. Toplam yıllık bitki su tüketimi yaklaşık 505.000 km3 (121.000 cu mi) su, 434.000 km3 (104.000 cu mi) okyanuslardan buharlaşmaktadır. [2] Küresel buharlaşmanın% 86'sı okyanus üzerinde gerçekleşmektedir. [4]

Yüceltme

Sıvı halden geçerek durum doğrudan katı sudan (kar veya buz) su buharına dönüşür.

Tortu

Bu, Su buharının doğrudan buza değiştirilmesini ifade eder.

Adveksiyon

Suyun atmosferde dolaşımı. Adveksiyon olmadan, okyanuslar üzerinde buharlaşan su karada çökelemez.

Yoğunlaşma

Su buharının havadaki sıvı su damlacıklarına dönüşmesi, bulutlar ve sis oluşturur.

Terleme

Su buharının bitkilerden ve topraktan havaya salınması.

Süzülme

Su topraktan dikey olarak akar ve yerçekimi etkisi altında kayar.

Levha tektoniği

Su mantoya okyanus kabuğunun çökmesi ile girer. Su volkanizma ile yüzeye döner. Su döngüsü bu işlemlerin çoğunu içerir.

İkamet süreleri

Bir rezervuarın hidrolojik döngü içerisinde kalma süresi, su kütlesinin kendi suyunu yenileme süresi, bir su molekülünün bu rezervuarda geçireceği ortalama süredir (bitişik tabloya bakınız). Bu rezervuardaki suyun ortalama yaşının bir ölçüsüdür.

Yeraltı suyu ayrılmadan önce Dünya yüzeyinin altında 10.000 yıldan fazla zaman geçirebilir. Özellikle eski yeraltı sularına fosil su denir. Toprakta depolanan su çok kısa bir süre orada kalır, çünkü Dünya'ya ince bir şekilde yayılır ve buharlaşma, terleme, akarsu akışı veya yeraltı suyu şarjı ile kolayca kaybolur. Buharlaştıktan sonra atmosferdeki kalış süresi yoğuşmadan ve yağış olarak Dünya'ya düşmeden yaklaşık 9 gündür.

Büyük buz tabakaları - Antarktika ve Grönland - buzları çok uzun süre saklar. Antarktika'dan gelen buz, şimdiki zamandan daha kısa olmasına rağmen, güvenilir bir şekilde 800.000 yıl öncesine tarihlenmektedir.

Hidrolojide kalış süreleri iki şekilde tahmin edilebilir. Daha yaygın yöntem, kütlenin korunumu ilkesine dayanır ve belirli bir rezervuardaki su miktarının kabaca sabit olduğunu varsayar. Bu yöntemle, kalma süreleri, rezervuar hacminin, suyun rezervuara girme veya çıkma hızına bölünmesiyle hesaplanır. Kavramsal olarak, bu, su kalmayacaksa rezervuarın boştan ne kadar süre doldurulacağını (veya su girmeyecekse rezervuarın ne kadar sürede boşaltacağını) zamanlamaya eşdeğerdir. Yeraltı suyunun tarihlendirilmesinde popülerlik kazanan ikamet sürelerini tahmin etmenin alternatif bir yöntemi izotopik tekniklerin kullanılmasıdır. Bu, izotop hidrolojinin alt alanında yapılır.

Zamanla değişir

Enlem-boylam ile yıllık ortalama buharlaşma eksi yağış küresel haritası

Su döngüsü, suyun hidrosfer boyunca hareketini sağlayan süreçleri açıklar. Bununla birlikte, uzun bir süre boyunca, gerçekte döngüden geçmekte olandan çok daha fazla su "depodadır". Dünyadaki tüm suyun büyük çoğunluğunun depoları okyanuslardır. Dünyadaki su kaynağının 332.500.000 mi3'ünün (1.386.000.000 km3), yaklaşık 321.000.000 mi3'ün (1.338.000.000 km3) okyanuslarda veya yaklaşık% 97'de depolandığı tahmin edilmektedir. Okyanusların su döngüsüne giren buharlaştırılmış suyun yaklaşık% 90'ını sağladıkları tahmin edilmektedir.

Daha soğuk iklim dönemlerinde, daha fazla buz örtüsü ve buzul oluşur ve küresel su kaynağının yeterli olması, su döngüsünün diğer kısımlarındaki miktarları azaltmak için buz olarak birikir. Sıcak dönemlerde bunun tersi geçerlidir. Son buz çağında, buzullar Dünya'nın kara kütlesinin neredeyse üçte birini kapladı ve sonuç olarak okyanuslar bugünden yaklaşık 122 m (400 ft) daha düşüktü. Son küresel "sıcak büyü" sırasında, yaklaşık 125.000 yıl önce, denizler şimdi olduğundan yaklaşık 5,5 m (18 ft) daha yüksekti. Yaklaşık üç milyon yıl önce okyanuslar 50 m (165 ft) daha yüksek olabilirdi. [13]

Politika Yapıcılar için 2007 Hükûmetler Arası İklim Değişikliği Paneli (IPCC) Özeti'nde ifade edilen bilimsel uzlaşma, su döngüsünün 21. yüzyıl boyunca yoğunlaşmaya devam etmesine rağmen, bu, tüm bölgelerde yağışların artacağı anlamına gelmemektedir. Subtropikal arazi bölgelerinde - zaten nispeten kuru olan yerlerin - yağışın 21. yüzyılda azalması ve kuraklık olasılığının artması beklenmektedir. Kurutmanın, subtropiklerin kutup kenarlarında (örneğin, Akdeniz Havzası, Güney Afrika, güney Avustralya ve Güneybatı ABD) yakınında en güçlü olacağı tahmin edilmektedir. Yıllık yağış miktarlarının, mevcut iklimde ve aynı zamanda yüksek enlemlerde ıslanma eğilimi gösteren ekvatoral bölgelerde artması beklenmektedir. Bu büyük ölçekli modeller, IPCC'nin 4. Değerlendirmesinin bir parçası olarak çeşitli uluslararası araştırma merkezlerinde yürütülen iklim model simülasyonlarının neredeyse hepsinde mevcuttur. Artık artan hidrolojik değişkenlik ve iklim değişikliğinin, hidrolojik döngü, su mevcudiyeti, su talebi ve küresel, bölgesel, havza ve yerel su tahsisi yoluyla su sektörü üzerinde derin bir etkiye sahip olduğuna ve devam edeceğine dair çok sayıda kanıt bulunmaktadır. seviyeleri. 1950-2000 yılları arasında yüzey okyanus tuzluluğuna dayanan Bilim'de 2012 yılında yayınlanan araştırmalar, tuzlu alanların daha tuzlu ve daha taze alanların daha taze hale geldiği bu yoğunlaştırılmış küresel su döngüsünün bu projeksiyonunu doğrulamaktadır:

Temel termodinamik ve iklim modelleri, kuru bölgelerin daha kuru olacağını ve ıslak bölgelerin ısınmaya tepki olarak daha da ıslanacağını göstermektedir. Yağış ve buharlaşmanın seyrek yüzey gözlemlerinde bu uzun vadeli yanıtı tespit etme çabaları belirsizliğini korumaktadır. Okyanus tuzluluk modellerinin yoğunlaşan su döngüsünün tanımlanabilir bir parmak izini ifade ettiğini gösteriyoruz. 50 yıllık gözlemlenen küresel yüzey tuzluluk değişimlerimiz, küresel iklim modellerindeki değişikliklerle birleştiğinde, yüzey ısınma derecesi başına% 8 ± 5 oranında yoğunlaşmış bir küresel su döngüsünün güçlü kanıtlarını sunmaktadır. Bu oran, mevcut nesil iklim modellerinin öngördüğü tepkinin iki katıdır ve küresel su döngüsünün önemli bir (% 16 ila 24) yoğunlaşmasının gelecekte 2 ° ila 3 ° daha sıcak bir dünyada meydana geleceğini düşündürmektedir. Temel termodinamik ve iklim modelleri, kuru bölgelerin daha kuru olacağını ve ıslak bölgelerin ısınmaya tepki olarak daha da ıslanacağını göstermektedir. Yağış ve buharlaşmanın seyrek yüzey gözlemlerinde bu uzun vadeli yanıtı tespit etme çabaları belirsizliğini korumaktadır. Okyanus tuzluluk modellerinin yoğunlaşan su döngüsünün tanımlanabilir bir parmak izini ifade ettiğini gösteriyoruz. 50 yıllık gözlemlenen küresel yüzey tuzluluk değişimlerimiz, küresel iklim modellerindeki değişikliklerle birleştiğinde, yüzey ısınma derecesi başına% 8 ± 5 oranında yoğunlaşmış bir küresel su döngüsünün güçlü kanıtlarını sunmaktadır. Bu oran, mevcut nesil iklim modellerinin öngördüğü tepkinin iki katıdır ve küresel su döngüsünün önemli bir (% 16 ila 24) yoğunlaşmasının gelecekte 2 ° ila 3 ° daha sıcak bir dünyada meydana geleceğini düşündürmektedir.

Haziran 2011'de başlatılan SAC-D uydu Kovaları tarafından taşınan bir alet, küresel deniz yüzeyi tuzluluğunu ölçtü.

Buzul çekilmesi, yağıştan buzullara su tedarikinin, erime ve süblimasyondan kaynaklanan su kaybına ayak uyduramadığı, değişen bir su döngüsünün bir örneğidir. 1850'den beri buzul çekilmeleri oldukça yaygın.

Su döngüsünü değiştiren insan faaliyetleri tarım, sanayi, atmosferin kimyasal bileşiminin değiştirilmesi, baraj inşaatı, ormansızlaşma ve ağaçlandırma, yeraltı suyunun kuyulardan uzaklaştırılması, nehirlerden su soyutlama, kentleşme olarak sıralanabilir.

İklim üzerindeki etkileri

Su çevrimi güneş enerjisinden güç alır. Küresel buharlaşmanın% 86'sı okyanuslardan meydana gelir ve buharlaşan soğutma ile sıcaklıklarını düşürür. Soğutma olmadan, buharlaşmanın sera etkisi üzerindeki etkisi 67 °C (153 °F) çok daha yüksek bir yüzey sıcaklığına ve daha sıcak bir gezegene yol açacaktır. Akiferin dezavantajı veya aşırı tasfiyesi ve fosil suyun pompalanması, hidrosferdeki toplam su miktarını arttırır ve deniz seviyesinin yükselmesine katkıda bulunduğu varsayılmıştır.

Biyojeokimyasal döngü üzerindeki etkiler

Su döngüsünün kendisi bir biyojeokimyasal döngü iken, Dünya'nın üstünde ve altında su akışı, diğer biyojeokimyasalların döngüsünün önemli bir bileşenidir. Akıntı, erozyona uğramış tortu ve fosforun karadan su kütlelerine taşınmasının neredeyse tümünden sorumludur. Okyanusların tuzluluğu, çözünmüş tuzların topraktan erozyon ve taşınmasından elde edilir. Göllerin kültürel ötrofikasyonu öncelikle fosfordan kaynaklanır, gübrelerdeki tarım alanlarına aşırı miktarda uygulanır ve daha sonra kara ve aşağı nehirlerde taşınır. Hem akış hem de yeraltı suyu akışı azotun karadan su kütlelerine taşınmasında önemli rol oynamaktadır. Mississippi Nehri'nin çıkışındaki ölü bölge, gübrenin nitratlarının tarım alanlarından taşınması ve nehir sisteminden Meksika Körfezi'ne doğru hunlanmasının bir sonucudur. Akıntı, yine aşınmış kaya ve toprağın taşınması yoluyla karbon döngüsünde de rol oynar.

Jeolojik zaman içinde yavaş kayıp

Ana madde: Atmosferik kaçış

Bir gezegenin atmosferinin üst kısmındaki hidrodinamik rüzgar, Hidrojen gibi hafif kimyasal elementlerin egzoza, ekzosferin alt sınırı olana kadar hareket etmesine izin verir, burada gazlar, diğer gaz parçacıklarını etkilemeden dış uzaya girebilir. . Bir gezegenden uzaya bu tür bir gaz kaybı, gezegensel rüzgar olarak bilinir. Sıcak alt atmosferleri olan gezegenler, hidrojen kaybını hızlandıran nemli üst atmosferlere neden olabilir.

Hidrolojik döngü teorisinin tarihi

Yüzen kara kütlesi

Eski zamanlarda, kara kütlesinin bir su kütlesi üzerinde yüzdüğü ve nehirlerdeki suyun çoğunun kökeni toprak altında olduğu yaygın olarak düşünülmüştür. Bu inancın örnekleri Homer'in (MÖ 800 dolaylarında) eserlerinde bulunabilir.

Eski yakın doğudaki İbranice bilginleri, nehirlerin denize girmesine rağmen denizin hiç dolmadığını gözlemlediler. Bazı akademisyenler bu dönem boyunca su döngüsünün bu dönemde tamamen tanımlandığı sonucuna varıyorlar: "Rüzgar güneye doğru ilerliyor ve kuzeye doğru dönüyor; sürekli dönüyor ve rüzgar devrelerine göre tekrar geri dönüyor. denize dolmuş olsa da, deniz dolu değil; nehirlerin geldiği yerden, oraya tekrar dönüyorlar ”(, KJV). Akademisyenler, Vaizler tarihi konusunda hemfikir değiller, ancak akademisyenlerin çoğu Davut ve Bathsheba oğlu Kral Süleyman zamanında bir tarihe işaret ediyor, "üç bin yıl önce [28] Ayrıca MÖ 962–922. Ayrıca, bulutlar dolu olduğunda yeryüzünde yağmuru boşalttıkları da gözlemlenmiştir (). Buna ek olarak, MÖ 793-740 döneminde bir İbranice peygamber Amos, deniz ve yeryüzüne dökülür (,).

MÖ 7. ve 2. yüzyıllar arasındaki İncil İş Kitabında, [29] hidrolojik döngüde bir yağış tanımı vardır, [28] "Su damlalarını küçük yapmak için: buharı yağmura döküyorlar bulutların insana bolca damladığı ve damıtıldığı "(, KJV).

Yağış ve sızma

M.Ö. 4. yüzyıla tarihlenen bir Hindu destanı olan Ramayana'nın Adityahridayam'da (Güneş Tanrısına adanmış bir ilahi), 22. ayette Güneşin suyu ısıtıp yağmur olarak gönderdiği belirtilmektedir. Yaklaşık MÖ 500 yılına gelindiğinde, Yunan akademisyenler nehirlerdeki suyun büyük kısmının yağmura atfedilebileceğini düşünüyorlardı. Yağmurun kökeni de o zamanlar biliniyordu. Ancak bu akademisyenler, yeryüzünden yükselen suyun nehirlere büyük katkıda bulunduğu inancını sürdürdüler. Bu düşünceye örnek olarak Anaximander (MÖ 570) (balıklardan kara hayvanlarının evrimi hakkında spekülasyon yapan ve Kolofon Ksenofanları (MÖ 530) verilebilir. Chi Ni Tzu (MÖ 320) ve Lu Shih Ch'un Ch'iu (MÖ 239) gibi Çinli akademisyenlerin de benzer düşünceleri vardı. Su döngüsünün kapalı bir döngü olduğu fikri Clazomenae Anaxagoras (MÖ 460) ve Apollonia Diogenes (MÖ 460) eserlerinde bulunabilir. Hem Plato (MÖ 390) hem de Aristoteles (MÖ 350) su döngüsünün bir parçası olarak perkülasyon hakkında spekülasyon yaptı.

Yalnız yağış

Rönesans dönemine kadar, yağışların sadece nehirleri beslemek için yeterli olmadığı, tam bir su döngüsü için yeterli olmadığı ve okyanuslardan yukarı doğru itilen yeraltı sularının nehir sularına ana katkıda bulunduğu düşünülüyordu.