Tiểu luận Vòng tuần hoàn nước

Khái quát về sự hình thành nước trên Trái Đất Học thuyết khoa học về quá trình xuất hiện của nước và sự sống trên hành tinh TráiĐất được nhiều nhà khoa học công nhận nhất là thuyết về sự

MỤC LỤ

Chương I Đại cương về nước 2

1 Khái quát về sự hình thành nước trên Trái Đất 2

2 Đặc tính và các dạng tồn tại của nước 2

2.1 Đặc tính của nước 2

2.2 Các dạng tồn tại của nước 3

3 Vai trò của nước 3

4 Lượng nước và sự phân bố của nước trên Trái Đất 4

Chương II Vòng tuần hoàn nước 6

1 Sơ lược về vòng tuần hoàn nước 6

2 Các thành phần trong vòng tuần hoàn nước 7

2.1 Nước đại dương 7

2.2 Nước bốc hơi 8

2.3 Sự thoát hơi nước ở thực vật 9

2.4 Nước khí quyển 11

2.5 Sự ngưng tụ hơi nước 11

2.6 Giáng thủy 11

2.7 Băng và tuyết 12

2.8 Dòng chảy tuyết tan 14

2.9 Dòng chảy mặt 15

2.10 Dòng chảy trong sông 16

2.11 Nước ngọt 17

2.12 Sự thấm của nước 18

2.13 Dòng chảy ngầm 19

2.14 Lượng nước ngầm dự trữ 20

2.15 Suối 20

3 Thời gian lưu của nước 22

4 Tác động của con người đến vòng tuần hoàn nước 23

Chương I Đại cương về nước

1 Khái quát về sự hình thành nước trên Trái Đất

Học thuyết khoa học về quá trình xuất hiện của nước và sự sống trên hành tinh TráiĐất được nhiều nhà khoa học công nhận nhất là thuyết về sự sống bắt đầu từ những dạng vậtthể vô cùng cô đọng, có tỷ trọng cực lớn tồn tại trong khoảng thời gian cách xa hiện nay như

vô tận - thuyết Vụ Nổ lớn (Big Bang) 10 tỷ năm sau vụ nổ lớn, Ngân Hà được hình thànhtrong đó có Mặt trời và Trái Đất của chúng ta Khoảng 4,4 – 4,5 tỷ năm trước đây đã có TráiĐất với lớp vỏ cứng nằm cách Mặt Trời 150 triệu km Từ khoảng thời gian đó Trái Đất dã

có rất nhiều thay đổi, bầu khí quyển của Trái Đất dần hình hành với lượng hơi nước dàyđặc Hơi nước trong bầu khí quyển tạo thành mây và sinh ra mưa kéo dài hàng triệu năm.Đây chính là nguồn gốc sinh ra các đại dương và nước trên Trái Đất Nước có mặt làm cho

sự sống dần hình thành, cách đây 3 tỷ năm sự sống đầu tiên xuất hiện ở biển có dạng như vikhuẩn và tảo ngày nay

2 Đặc tính và các dạng tồn tại của nước

2.1 Đặc tính của nước

Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học là H2O Phân tửnước bao gồm hai nguyên tử hiđrô và một nguyên tử ôxy Về mặt hình học thì phân tử nước

có góc liên kết là 104,45° Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi

so với góc lý tưởng của hình tứ diện Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picômét

Hai đặc tính quan trọng nhất của nước:

- Có cấu trúc nguyên tử hữu cực bất đối xứng do ôxy có độ âm điện cao hơn hiđrô

- Có hoạt tính ion mạnh do H+ và OH- : về mặt hóa học, nước là một chất lưỡng tính,

có thể phản ứng như một axit hay bazơ Ở 7 pH (trung tính) hàm lượng các ion hydroxyt(OH-) cân bằng với hàm lượng của hydronium (H3O+)

Nước là một dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực Các hợp chất phân cực hoặc có tínhion như axít, rượu và muối đều dễ tan trong nước Tính hòa tan của nước đóng

vai trò rất quan trọng trong sinh học vì nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xẩy ra trong dungdịch nước

2.2 Các dạng tồn tại của nước

Nước tồn tại ở 3 dạng: rắn, lỏng và hơi Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước

đã được Anders Celsius dùng làm hai điểm mốc cho độ bách phân Celcius Cụ thể, nhiệt độnóng chảy của nước là 0 độ Celcius, còn nhiệt độ sôi (760 mm Hg) bằng 100 độ Celcius.Nước đóng băng tạo thành thể rắn được gọi là nước đá Nước đã hóa hơi được gọi là hơinước Nước có nhiệt độ sôi tương đối cao nhờ liên kết hiđrô giữa các phân tử nước Tỷtrọng: 1 kg/lít, nhiệt dung riêng: 1 cal/gamoC

3 Vai trò của nước

Nước tham gia vào mọi quá trình xảy ra trên Trái Đất như địa mạo, địa hóa, xói mònlàm cho trên bể mặt Trái Đất hình thành nên các sông suối, đồng bằng,…Nước trong khíquyển được coi là lớp áo giáp bảo vệ Trái Đất khỏi bị giá lạnh và điều hòa khí hậu, bởi vìnước có khả năng lưu giữ và ổn nhiệt tốt hơn mặt đất và không khí

Nước có ý nghĩa đặc biệt đối với mọi quá trình sinh học, là thành phần chính của mọi

cơ thể sống Trung bình trong một cơ thể sồng, nước chiểm 80% trọng lượng cơ thể Trongcác động vật bậc cao, nước chiếm 60-70%; ở các sinh vật biển như sứa và một số loài tảo,nước chiếm tỷ lệ rất cao (khoảng 98% trọng lượng cơ thể) Những vi khuẩn ở trạng thái bào

tử hoặc sinh khí lơ lửng mà bền vững thì hàm lượng nước chỉ là 50% Đối với con người,nước chiếm 70% trọng lượng cơ thể Trong cơ thể sinh vật, nước đóng vai trò như một dungmôi để thực hiện quá trình trao đổi chất và năng lượng Ngoài thiên nhiên, thủy sinh vậtsống trong nước coi nước như là giá thể để cư trú, di chuyển và tìm kiếm thức ăn Nước làtấm vỏ bọc bảo vệ rất an toàn cho thủy sinh vật tránh các thay đổi đột ngột của thời tiết khắcnghiệt trên cạn hoặc các tia bức xạ nguy hiểm từ vũ trụ và Mặt Trời

Tóm lại nước có mặt ở tất cả các quyển của Trái Đất như khí quyển, thủy quyển, địaquyển, sinh quyển Nước đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của tự nhiên

và đời sống trên hành tinh chúng ta Vì vậy, sự hiểu biết về nước, về tinh chất lý hóa họccũng như sự tồn tại và vận động của vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên là cơ sở để giảiquyết các vấn đề xấu do nước gây ra

4 Lượng nước và sự phân bố của nước trên Trái Đất

Toàn bộ nước trển Trái Đất vào khoảng 1.386 triệu km3, trong đó có khoảng trên 96%

là ở đại dương và biển Tuy nhiên do hàm lượng muối cao nên con người không thể dùngđược cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày Trong phần nước còn lại, phần lớn đóng băng ở 2

cực và trong các tảng băng (chiếm khoảng 2% tổng lượng nước) Lượng nước này che phủgần 10% bề mặt Trái Đất hiện tại Như vậy chỉ còn khoảng 0,6% nước ngọt, bao gồm cảnước bề mặt và nước ngầm là có thể sử dụng được Trong tổng số nước đó con người chỉ cóthể sử dụng được khoảng 0,3% dưới dạng nước ngọt phục vụ cho các mục đích khác nhaucủa mình, ngoài ra nước còn được phân bố trong khí quyển dưới dạng hơi nước khoảng0,001% tổng lượng nước.

Biểu đồ và bảng số liệu bên dưới giải thích một cách chi tiết nước trái đất có ở đâu.Trong tổng lượng nước ngọt trên trái đất thì 68% là băng và sông băng; 30% là nước ngầm;nguồn nước mặt như nước trong các sông hồ, chỉ chiếm khoảng 93.100 km3, bằng 1/150 của1% của tổng lượng nước trên trái đất Nhưng nước sông và hồ là nguồn nước chủ yếu màcon người sử dụng hàng ngày

Hình 1 Biểu đồ sự phân bố nước trên Trái Đất

Bảng Ước tính phân bố nước toàn cầu

Nguồn nước Thể tích nước

tính bằng km 3

Thể tích nước tính bằng dặm khối mi 3

Phần trăm của nước ngọt

Phần trăm của tổng lượng nước

Đại dương, biển,

Nguồn: Gleick, P H., 1996: Tài nguyên nước Bách khoa từ điển về khí hậu và thời

tiết S.H Scheneide, Nhà xuất bản Đại học OXford, New york, quyển 2, trang 817 -

823

Chương II Vòng tuần hoàn nước

1 Sơ lược về vòng tuần hoàn nước

Vòng tuần hoàn nước là sự tồn tại và vận động của nước trên mặt đất, trong lòng đất

và trong bầu khí quyển của Trái Đất Nước Trái Đất luôn vận động và chuyển từ trạng tháinày sang trạng thái khác, từ thể lỏng sang thể hơi rồi thể rắn và ngược lại Vòng tuần hoànnước đã và đang diễn ra từ hàng tỉ năm và tất cả cuộc sống trên Trái Đất đều phụ thuộc vào

nó, Trái Đất chắc hẳn sẽ là một nơi không thể sống được nếu không có nước

Hình 2 Sơ đồ tổng quan vòng tuần hoàn nước

(Nguồn USGS – Cục Địa Chất Mỹ)

Mặt trời điều khiển vòng tuần hoàn nước bằng việc làm nóng nước trên những đạidương, làm bốc hơi nước vào trong không khí Những dòng khí bốc lên đem theo hơi nướcvào trong khí quyển, gặp nơi có nhiệt độ thấp hơn hơi nước bị ngưng tụ thành những đámmây Những dòng không khí di chuyển những đám mây khắp toàn cầu, những phân tử mây

va chạm vào nhau, kết hợp với nhau, gia tăng kích cỡ và rơi xuống thành giáng thủy (mưa).Giáng thuỷ dưới dạng tuyết được tích lại thành những núi tuyết và băng hà có thể giữ nướcđóng băng hàng nghìn năm Trong một số vùng khí hậu ấm áp hơn khi mùa xuân đến, tuyếttan và chảy thành dòng trên mặt đất, đôi khi tạo thành lũ Phần lớn lượng giáng thuỷ rơi trêncác đại dương; hoặc rơi trên mặt đất và nhờ trọng lực trở thành dòng chảy mặt Một phần

dòng chảy mặt chảy vào trong sông theo những thung lũng sông trong khu vực, với dòngchảy chính trong sông chảy ra đại dương Dòng chảy mặt, và nước thấm được tích luỹ vàđược trữ trong những hồ nước ngọt Mặc dù vậy, không phải tất cả dòng chảy mặt đều chảyvào các sông Một lượng lớn nước thấm xuống dưới đất Một lượng nhỏ nước được giữ lại ởlớp đất sát mặt và được thấm ngược trở lại vào nước mặt (và đại đương) dưới dạng dòngchảy ngầm Một phần nước ngầm chảy ra thành các dòng suối nước ngọt Nước ngầm tầngnông được rễ cây hấp thụ rồi thoát hơi qua lá cây Một lượng nước tiếp tục thấm vào lớp đấtdưới sâu hơn và bổ sung cho tầng nước ngầm sâu để tái tạo nước ngầm (đá sát mặt bảo hoà),nơi mà một lượng nước ngọt khổng lồ được trữ lại trong một thời gian dài Tuy nhiên, lượngnước này vẫn luân chuyển theo thời gian, có thể quay trở lại đại dương, nơi mà vòng tuầnhoàn nước “kết thúc” … và lại bắt đầu.

2 Các thành phần trong vòng tuần hoàn nước

USGS (Cục Địa Chất Mỹ) đã định nghĩa 15 thành phần của vòng tuần hoàn nước nhưsau:

2.1 Nước đại dương

Một lượng nước khổng lồ

được trữ trong các đại dương

trong một thời gian dài mà

không thực sự được luân

chuyển qua vòng tuần hoàn

nước Ước tính có khoảng

trong đại dương, chiếm khoảng

vào trong vòng tuần hoàn nước

Nhiệt độ Trái Đất thay đổi

theo các thời kỳ Trong những

thời kỳ khí hậu lạnh, nhiều đỉnh núi băng và những dòng sông băng được hình thành, mộtlượng nước khá lớn được tích lại dưới dạng băng làm giảm bớt lượng nước trong nhữngthành phần khác của vòng tuần hoàn nước Điều này thì ngược lại trong thời kỳ ấm Cuối

Hình 3 Nước đại dương

Nguồn:

thời kỳ băng hà những sông băng bao phủ 1/3 bề mặt trái đất, và mực nước của các đạidương thì thấp hơn ngày nay khoảng 122 m Cách đây khoảng 3 triệu năm, khi trái đất ấmhơn, mực nước của các đại dương có thể đã dâng cao hơn.

Những dòng chảy trong đại dương di chuyển một khối lượng lớn nước khắp thế giới.Dựa vào vị trí xuất phát người ta phân thành hai loại: dòng biển lạnh và dòng biển nóng.Các dòng biển nóng thường phát sinh ở 2 bên xích đạo, chảy về hướng tây, khi gặp lục địathì chuyển hướng chảy về phía cực Các dòng biển lạnh xuất phát từ khoảng vĩ tuyến 30 –

400 thuộc khu vực bờ phía đông của các đại dương rồi chảy về phái Xích đạo, cùng vớidòng biển nóng tạo thành những hệ thống hoàn lưu trên các đại dương ở từng bán cầu.Những sự di chuyển này có ảnh hưởng lớn đến vòng tuần hoàn nước và khí hậu Dòng GulfStream được biết đến nhiều như là một dòng biển nóng trong vùng Đại Tây Dương, vậnchuyển nước từ vùng Vịnh Mexico ngang qua Đại Tây Dương hướng đến nước Anh

2.2 Nước bốc hơi

Bốc hơi nước là một quá trình nước chuyển từ thể lỏng sang thể hơi hoặc khí Bốc hơinước là đoạn đường đầu tiên trong vòng tuần hoàn mà nước chuyển từ thể lỏng thành hơinước trong khí quyển Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng các đại dương, biển, hồ và sông cungcấp gần 90% độ ẩm của khí quyển qua bốc hơi, 10% còn lại là do thoát hơi của cây xanh.Một phần nước bốc hơi từ đất: đất cát bốc hơi nhanh hơn đất giàu mùn, đất sét, mặt đất gồghề bốc hơi nhiều hơn mặt đất bằng phẳng, khi ẩm, mặt đất màu sẫm bốc hơi mạnh hơn đấtmàu nhạt

Hình 4 Nước bốc hơi

(Nguồn: http://www.theresilientearth.com )

Nhiệt (năng lượng) là nhân tố cần thiết cho bốc hơi xuất hiện Bốc hơi nước từ các đạidương là cách chính để nước được luân chuyển vào trong khí quyển Diện tích rất lớn củacác Đại Dương (trên 70% diện tích bề mặt của trái đất được bao phủ bởi các đại dương)cung cấp những cơ hội lớn cho quá trình bốc hơi diễn ra Trên phạm vi toàn cầu lượng nướcbốc hơi cũng bằng với lượng giáng thủy Mặc dù vậy, tỉ lệ giữa lượng nước bốc hơi vàlượng giáng thuỷ biến đổi theo vùng địa lý Phần lớn lượng nước bốc hơi từ các đại dươngrơi ngay trên đại dương qua quá trình giáng thủy Chỉ khoảng 10% của nước bốc hơi từ cácđại dương được vận chuyển vào đất liền và rơi xuống thành giáng thuỷ

2.3 Sự thoát hơi nước ở thực vật

Thoát hơi nước là quá trình nước được vận chuyển từ các rễ cây đến các lỗ nhỏ bêndưới bề mặt lá, ở đây nước chuyển sang trạng thái hơi và thoát vào khí quyển Do đó, thoáthơi thực chất là bốc hơi của nước từ lá cây Lượng nước bốc thoát hơi từ cây trồng ước tínhchiếm khoảng 10% của hàm lượng nước trong khí quyển Phần lớn lượng nước hút đượccây dùng vào quá trình bốc hơi qua lá Ví dụ cây ngô chỉ 1 - 2% lượng nước cây hút từ đấtđược sử dụng để tạo ra chất hữu cơ Lượng nước tiêu hao để hình thành một đơn vị chất khôgọi là hệ số thoát hơi nước của cây Thoát hơi thực vật là một quá trình không nhìn thấyđược, khi nước đang bốc hơi trên bề mặt các lá cây, chúng ta không thể đi ra ngoài và nhìnthấy các lá cây đang bốc thoát hơi Trong mùa phát triển của cây trồng, một lá cây sẽ bốcthoát hơi nước nhiều lần hơn trọng lượng của chính nó Một mẫu Anh trồng ngô có thể bốcthoát hơi được khoảng 11.400 - 15.100 lít nước/ngày, và một cây sồi lớn có thể bốc hơiđược 151.000 lít nước/năm

Hình 5 Sự thoát hơi nước qua thực vật và thí nghiệm chứng minh thoát hơi nước

Các nhân tố khí quyển tác động đến bốc thoát hơi nước:

Lượng nước bốc thoát hơi từ cây cối biến đổi lớn theo thời gian và không gian Một sốnhân tố tác động đến tốc độ bốc thoát hơi nước:

• Nhiệt độ:Tốc độ bốc thoát hơi tăng lên khi nhiệt độ tăng, đặc biệt trong mùa pháttriển của cây trồng khi nhiệt độ không khí ấm hơn

• Độ ẩm tương đối: Khi độ ẩm tương đối của không khí xung quanh cây trồng tăng thìtốc độ bốc thoát hơi giảm Nghĩa là nước bốc hơi khi không khí khô dễ dàng hơn là trongkhông khí bão hoà ẩm

• Gió và sự di chuyển của không khí: Sự di chuyển của các lớp không khí xung quanhmột cây tăng lên làm cho bốc thoát hơi cũng tăng cao

• Loại cây: Loại cây khác nhau sẽ thoát hơi nước với tốc độ khác nhau Các loại câysống trong vùng khô cằn thì thoát hơi ít hơn các loại cây khác Ví dụ cây xương rồng để giữlại lượng nước quý báu bằng cách giảm bớt sự thoát hơi hơn các cây trông khác

2.4 Nước khí quyển

Nước được trữ trong khí quyển

ẩm Mặc dù khí quyển không là kho

chứa khổng lồ của nước, nhưng nó là

một “siêu xa lộ” để luân chuyển nước

khắp toàn cầu

Trong khí quyển luôn luôn có

nước: những đám mây là một dạng nhìn

thấy được của nước khí quyển, nhưng

thậm chí trong không khí trong cũng

chứa đựng nước - những phần tử nước

này quá nhỏ để có thể nhìn thấy được Thể tích nước trong khí quyển tại bất kỳ thời điểmnào vào khoảng 12.900 km3 Nếu tất cả lượng nước khí quyển rơi xuống cùng một lúc, nó

có thể bao phủ khắp bề mặt trái đất với độ dày 2,5 cm

2.5 Sự ngưng tụ hơi nước

Sự ngưng tụ hơi nước là quá trình hơi nước trong không khí được chuyển sang thểnước lỏng Ngưng tụ hơi nước rất quan trọng đối với chu trình tuần hoàn nước bởi vì nóhình thành nên các đám mây Những đám mây này có thể tạo ra mưa, nó là cách chính đểnước quay trở lại trái đất Ngưng tụ hơi nước là quá trình ngược với bốc hơi nước Các đámmây hình thành trong khí quyển do không khí chứa hơi nước bốc lên cao và lạnh đi Phầnquan trọng của quá trình này là không khí sát mặt đất ấm lên do bức xạ mặt trời trong khilớp không khí bên trên lại lạnh hơn Nguyên nhân lớp khí quyển phía bên trên mặt đất lạnh

đi là do áp lực không khí Càng lên cao càng ít không khí phía bên trên, và vì thế càng ít áplực Khí áp thấp hơn và mật độ không khí giảm theo độ cao Điều này làm cho không khí trởnên lạnh hơn

2.6 Giáng thủy

Giáng thủy là tên gọi chung các hiện tượng nước thoát ra khỏi những đám mây dướicác dạng lỏng (mưa) và dạng rắn (mưa tuyết, mưa đá, tuyết), nhằm phân biệt với các hiệntượng nước tách ra từ không khí (sương, sương móc, sương băng) Nó là cách chính để nướckhí quyển quay trở lại Trái Đất Phần lớn lượng giáng thuỷ là mưa Những đám mây trên

Hình 6 Những đám mây - Nước khí

quyển

bầu trời chứa hơi nước và những hạt nhân mây nhỏ, các hạt nhân mây này quá nhỏ để có thểrơi xuống thành mưa, nhưng nó cũng đủ lớn để hình thành nên các đám mây mà ta có thểnhìn thấy được Nước vẫn tiếp tục bốc hơi và ngưng tụ hơi nước trong bầu trời Phần lớnlượng nước được ngưng tụ trong các đám mây không rơi xuống thành giáng thuỷ Vì đểgiáng thuỷ xảy ra, trước tiên những giọt nước nhỏ phải được ngưng tụ Những phân tử nước

có thể kết hợp với nhau thành những giọt nước lớn hơn và đủ nặng để rơi thành mưa Cầntới hàng triệu hạt mây để hình thành chỉ một hạt mưa nhỏ

Hình 7 Biểu đồ lượng giáng thủy trên thế giới

2.7 Băng và tuyết

Nước được giữ lâu dài trong băng, tuyết, và các sông băng là một thành phần của vòngtuần hoàn nước toàn cầu Vùng Nam cực chiếm gần 90% tổng lượng băng của trái đất, cácđỉnh núi băng ở Greenland chiếm 10% tổng lượng băng toàn cầu

Những chỏm băng Greenland là một phần thú vị của chu trình nước Các chỏm bănglớn dần theo thời gian (khoảng 600.000 mi3 hoặc 2,5 triệu km3 bởi vì lượng tuyết rơi nhiềuhơn lượng tan chảy Trong các thiên niên kỷ, khi tuyết tới một độ sâu nhất định, nó bị nén

và trở thành băng Những chỏm băng có độ dày trung bình khoảng 5.000 feet (1.500 mét),nhưng cũng có thể dày tới 14.000 feet (4.300 mét) Những mũ băng quá nặng làm cho đấtdưới đáy nó bị ép thành hình dạng của một cái tô Ở nhiều nơi, các sông băng trênGreenland có thể trôi đến biển, và ước tính hàng năm Greenland đã đóng góp cho vòng tuầnhoàn nước toàn cầu 517 km3 băng Những tảng băng trôi trên đại dương bị buộc phải di