Giáng thủy

Là nước thoát ra khỏi những đám mây dưới các dạng mưa, mưa tuyết, mưa đá, tuyết. Nó là cách chính để nước khí quyển quay trở lại Trái Đất. Phần lớn lượng giáng thuỷ là mưa.

Vậy các hạt mưa hình thành như thế nào?

Những đám mây trên bầu trời chứa hơi nước và những hạt nhân mây nhỏ, các hạt nhân mây này quá nhỏ để có thể rơi xuống thành mưa, nhưng nó cũng đủ lớn để hình thành nên các đám mây có thể nhìn thấy được. Nước liên tục bốc hơi và ngưng tụ trong khí quyển. Nếu nhìn gần một đám mây, ta có thể nhìn thấy những phần đang biến mất (đang bốc hơi) trong khi những phần khác đang phát triển (ngưng tụ).

Phần lớn lượng nước được ngưng tụ trong các đám mây không rơi xuống thành giáng thuỷ. Vì để giáng 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. Cần tới hàng triệu hạt mây để hình thành chỉ một hạt mưa nhỏ.

Lượng giáng thủy phân bố không đều trên thế giới, trong một nước hoặc thậm chí trong một thành phố. Ví dụ, tại Atlanta, Georgia, Mỹ, một trận mưa giông mùa hè có thể cho một lớp nước dày 2,5 cm hoặc nhiều hơn trên một con đường, trong khi đó ở một vùng khác cách đó vài km thì vẫn khô ráo.

Nước băng và tuyết

Nước được giử lâu dài trong băng, tuyết, và các sông băng là một thành phần của vòng tuần hoàn nước toàn cầu. Vùng Nam cực chiếm 90% tổng lượng băng của trái đất, các đỉnh núi băng ở Greenland chiếm 10% tổng lượng băng toàn cầu.

Một vài số liệu về các dòng sông băng và những đỉnh núi băng

- Băng hà bao phủ 10 - 11% lục địa trái đất

- Nếu tất cả băng hà tan chảy ngày nay, mực nước biển sẽ tăng lên khoảng 70 m (nguồn: Trung tâm Tư liệu Băng và Tuyết Quốc gia)

- Trong kỷ băng hà cuối cùng, mực nước biển thấp hơn ngày nay khoảng 122 m, và những dòng sông băng bao phủ gần 1/3 lục địa trái đất.

- Trong thời kỳ ấm cuối cùng, cách đây 125.000 năm, mực nước biển cao hơn ngày nay khoảng 5,5 m. Khoảng 3 triệu năm trước đây nước biển có thể đã cao đến hơn 50,3 m.

Dòng chảy tuyết tan

Trên toàn bộ thế giới dòng chảy tuyết là phần chính của sự luân chuyển nước toàn cầu. Mùa xuân ở những vùng ôn đới, nhiều dòng suối xuất phát từ tuyết và băng tan nhanh có thể gây ra lũ lụt, sạt lở đất.

Dòng chảy từ tuyết tan biến đổi theo mùa và theo năm. So sánh các đỉnh lũ giữa trận lũ lớn trong năm 2000 và trận lũ nhỏ hơn nhiều trong năm 2001, giống như có một trận hạn hán lớn ảnh hưởng đến California trong năm 2001. Nhưng sự thiếu hụt nước là do nước được trữ trong băng vào mùa đông ảnh hưởng đến tổng lượng nước các tháng còn lại của năm. Sự thiếu hụt nước cũng ảnh hưởng đến lượng nước trong các hồ tại hạ lưu, và sự thiếu hụt nước ở các hồ lại ảnh hưởng đến lượng nước tưới và nước cấp thành phố.

Dòng chảy mặt

Nhiều người chỉ nghĩ đơn giản rằng mưa rơi, chảy tràn trên mặt đất (dòng chảy mặt) và chảy vào sông, sau đó đổ ra các đại dương. Đó là sự đơn giản hoá, bởi vì các sông còn nhận và mất nước do thấm. Tuy nhiên, lượng lớn nước trong sông là do dòng chảy trực tiếp trên mặt đất cung cấp và được định nghĩa là dòng chảy mặt.

Thông thường, một phần nước mưa rơi thấm ngay vào đất, nhưng khi đất đạt tới trạng thái bão hoà hay không thấm, thì bắt đầu chảy theo sườn dốc thành dòng chảy. Trong một trận mưa lớn, bạn có thể nhìn thấy các dòng nước nhỏ chảy xuôi sườn dốc. Nước sẽ chảy theo những kênh trên mặt đất trước khi chảy vào trong các sông lớn quay trở về đại dương.

Cũng giống như tất cả các thành phần khác trong vòng tuần hoàn nước, quan hệ giữa mưa và dòng chảy cũng biến đổi theo thời gian và không gian. Những trận mưa tương tự nhau xuất hiện trong vùng rừng rậm Amazon và trong vùng sa mạc tây bắc nước Mỹ sẽ tạo những dòng chảy mặt khác nhau. Dòng chảy mặt bị chi phối bởi các nhân tố khí tượng địa vật lý và địa hình. Chỉ khoảng 1/3 lượng nước mưa rơi trên bề mặt đất chảy vào sông suối và quay trở lại đại dương. 2/3 còn lại bị bốc thoát hơi hoặc thấm vào mạch nước ngầm. Con người thường sử dụng nước cho các mục đích khác nhau từ dòng chảy nước mặt.

Dòng chảy sông ngòi

Cục Địa chất Mỹ định nghĩa “dòng chảy” là lượng nước chảy trong sông, suối, hoặc lạch nước.

Sông ngòi rất quan trong không chỉ đối với con người mà đối với sự sống khắp mọi nơi. Con người sử dụng nước sông cho nhu cầu ăn uống, tưới tiêu, sản xuất ra điện, làm sạch chất thải (xử lý nước thải), giao thông thuỷ, và kiếm thức ăn. Sông ngòi còn là môi trường sống chính cho tất cả các loài động và thực vật nước. Sông ngòi bổ sung nước cho tầng nước ngầm và các đại dương.

Dòng chảy sông ngòi luôn thay đổi từng ngày thậm chí từng phút. Tất nhiên, mưa tác động chính tới dòng chảy trên các lưu vực. Mưa rơi làm tăng mực nước sông, và mực nước sông có thể tăng ngay cả khi mưa ở rất xa trên thượng nguồn.

Lượng trữ nước ngọt

Nước ngọt trên mặt đất, một thành phần của chu trình nước, yếu tố cần thiết cho mọi sự sống trên trái đất. Nước mặt bao gồm nước trong các dòng sông, ao, hồ, hồ nhân tạo, và các đầm lầy nước ngọt.

Lượng nước trong các sông và hồ luôn luôn thay đổi phụ thuộc vào lưu lượng vào và ra. Dòng chảy vào từ mưa, dòng chảy tràn trên mặt đất, lượng nước ngầm dưới đất, và lượng nước gia nhập từ các sông nhánh. Dòng chảy ra khỏi các hồ và sông bao gồm lượng bốc hơi và dung tích nước bổ sung cho nước ngầm. Con người cũng sử dụng nước mặt cho các nhu cầu thiết yếu của mình. Lượng và vị trí của nước mặt thay đổi theo thời gian và không gian, một cách tự nhiên hay dưới sự tác động của con người. Nước mặt duy trì sự sống

Trong vùng châu thổ sông Nile ở Ai Cập, cuộc sống có thể sinh sôi tại những vùng sa mạc nếu được cung cấp đủ lượng nước (mặt hoặc ngầm). Nước trên mặt đất thực sự giúp duy trì cuộc sống. Nước ngầm tồn tại thông qua sự di chuyển của nước mặt vào trong tầng nước ngầm dưới mặt đất. Nước ngọt trên bề mặt trái đất tương đối khan hiếm. Chỉ khoảng 3% của tổng lượng nước trái đất là nước ngọt, các hồ nước ngọt và các đầm (nước) ngọt chiếm 0,29% tổng lượng nước ngọt trên trái đất, hồ Bai-cal ở Liên bang Nga chiếm 20% tổng lượng nước ngọt trên trái đất, Hồ Lớn (Huron, MichiGan, và Superior) cũng chiếm 20% tổng lượng nước ngọt trên trái đất. Các sông chỉ chiếm khoảng 0,006% tổng lượng nước ngọt trên trái đất. Ta có thể nhận thấy rằng nước ngọt, yếu tố cần thiết cho sự tồn tại cuộc sống trên trái đất, chỉ chiếm một phần cực nhỏ “một giọt nước trong biển cả mênh mông” của tổng lượng nước trên trái đất.

Thấm

Bất cứ nơi nào trên thế giới, một phần lượng nước mưa và tuyết đều thấm xuống lớp đất và đá dưới bề mặt. Lượng thấm bao nhiêu phụ thuộc vào một số các nhân tố. Trên đỉnh băng của Greenland lượng nước mưa thấm xuống là rất nhỏ, ngược lại, một dòng sông chảy vào trong hang động ở vùng Georgia, Mỹ, cho thấy sông cũng có thể chảy trực tiếp vào trong nước ngầm.

Một phần lượng nước thấm xuống sẽ được giữ lại trong những tầng đất nông, ở đó nó có thể chảy vào sông nhờ thấm qua bờ sông. Một phần nước thấm xuống sâu hơn, bổ sung cho các tầng nước ngầm. Nếu tầng nước ngầm nông hoặc đủ độ rỗng để cho phép nước chảy tự do qua nó, con người có thể khoan các giếng trong tầng nước ngầm này và sử dụng nước cho những mục đích của mình. Nước ngầm có thể di chuyển được những khoảng cách dài hoặc được trữ lại trong tầng nước ngầm trong một thời gian dài trước khi quay trở lại bề mặt hoặc qua thấm vào các thuỷ vực khác, như thấm vào các sông và đại dương.

Khi nước mưa thấm vào trong tầng đất sát mặt, nó hình thành vùng không bão hoà và vùng bão hoà. Trong vùng không bão hoà, nước tồn tại trong các lỗ rỗng của lớp đá bên dưới mặt đất, nhưng tầng đất chưa đạt tới trạng thái bão hoà. Phần phía trên của tầng không bão hoà là vùng đất. Vùng đất này có không gian phân bố được tạo ra từ rễ cây trồng, nước mưa có thể thấm vào tầng này. Cây trồng sử dụng nước trong tầng đất này. Bên dưới vùng không bão hoà là vùng bão hoà, ở đây nước chứa đầy trong các khe rỗng giữa các phần tử đất và đá. Có thể khoan giếng trong vùng này và bơm nước lên.

Nước ngầm

Lượng nước mà ta không thể nhìn thấy được - nước ngầm (nước tồn tại và di chuyển trong lòng đất) - chiếm một lượng rất lớn so với lượng nước ta có thể nhình thấy được. Nước ngầm đóng góp lớn cho dòng chảy sông ngòi của nhiều con sông. Con người đã sử dụng nước ngầm từ hàng ngàn năm nay và vẫn đang tiếp tục sử dụng nó hàng ngày, phần lớn cho nhu cầu nước uống và nước tưới. Cuộc sống trên trái đất phụ thuộc vào nước ngầm cũng giống như là nước bề mặt.

Một phần lượng mưa rơi trên mặt đất và thấm vào trong đất trở thành nước ngầm. Phần nước chảy sát mặt sẽ lộ ra rất nhanh khi chảy vào trong lòng sông, nhưng do trọng lực, một phần lượng nước tiếp tục thấm sâu vào trong đất. Nếu các lớp đá cho phép nước chảy qua tương đối tự do thì nước ngầm có thể di chuyển sâu hơn vào các tầng nước ngầm sâu ở đó nó sẽ mất hàng ngàn năm để quay trở lại vòng tuần hoàn.

Suối

Một tầng nước ngầm liên tục được bổ sung nước đến khi nước chảy tràn trên mặt đất, kết quả là hình thành các con suối. Các con suối có thể rất nhỏ, chỉ có nước chảy khi có một trận mưa đáng kể, đến các dòng suối lớn chảy với hàng trăm triệu gallon nước mỗi ngày.

Các con suối có thể hình thành trong bất kỳ loại đá nào, nhưng phần lớn chúng hình thành trong các loại đá vôi và đolomit, dễ dàng rạn nứt và hoà tan do mưa axit. Khi đá bị phá huỷ và hoà tan, các khoảng trống hình thành cho phép nước chảy qua. Nếu dòng chảy theo phương ngang, nó có thể chảy tới mặt đất, hình thành các con suối.

Nước từ các suối thường sạch. Tuy nhiên, nước trong một vài con suối có thể có màu trà. Vùng Tây Nam Colorado (gần Alamowater), nước suối có màu đỏ của sắt do nước ngầm tiếp xúc với khoáng sảt trong lòng đất. Tại bang Florida (nơi có trụ sở của Flowmatic), nhiều nguồn nước mặt chứa các axit tanin tự nhiên từ các chất hữu cơ ở trong đất đá làm cho nước suối có mầu. Lưu lượng của nước màu trong các suối cho thấy nước đang chảy tự do trong tầng nước ngầm mà không được lọc qua các vùng đá vôi.

Các suối nước nóng vẫn chỉ là suối thông thường nhưng nước tại đó ấm, một vài chỗ còn nóng như các con suối bùn ở Hòa Bình, Nha Trang, Bà Rịa. Nhiều suối nước nóng xuất hiện ở những vùng gần núi lửa hoạt động, được bổ sung nước nóng do tiếp xúc với đá nóng sâu dưới bề mặt đất. Càng dưới sâu các tảng đá càng nóng hơn, và nếu nước dưới sâu bề mặt đất chảy tới một khe nứt rộng nó có thể tạo ra một dòng chảy lên lớp đất trên mặt, và tạo ra một suối nước nóng.

Sự thoát hơi

Thoát hơi là quá trình nước được vận chuyển từ các rễ cây đến các lỗ nhỏ bên dưới bề mặt lá, ở đây nước chuyển sang trạng thái hơi và thoát vào khí quyển. Do đó, thoát hơi thực chất là bốc hơi của nước từ lá cây. Lượng nước bốc thoát hơi từ cây trồng ước tính chiếm khoảng 10% của hàm lượng nước trong khí quyển.

Thoát hơi thực vật là một quá trình không nhìn thấy được. Trong cu kỳ phát triển của cây trồng, một lá cây sẽ thoát một lượng hơi nước gấp nhiều lần trọng lượng của chính nó. Một mẫu ngô có thể thoát hơi khoảng 11.400 - 15.100 lít nước/ngày, và một cây sồi lớn có thể bốc hơi được 151.000 lít nước/năm.

Lượng nước bốc thoát hơi từ cây cối biến đổi lớn theo thời gian và không gian. Một số nhân 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 phát triển 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 thì tốc độ bốc thoát hơi giảm. Nghĩa là nước bốc hơi khi không khí khô dễ dàng hơn là trong không khí bão hoà ẩm.

- Gió và sự di chuyển của không khí: Sự di chuyển của các lớp không khí xung quanh một 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 cây sống trong vùng khô cằn thì thoát hơi ít hơn các loại cây khác. Ví dụ cây xương rồng và cây lúa..

Lượng trữ nước ngầm

Một lượng lớn nước được trữ trong đất. Nước này vẫn tiếp tục chuyển động, có thể rất chậm, và nó vẫn là một phần của vòng tuần hoàn nước. Phần lớn nước ngầm là do mưa và lượng nước thấm từ lớp đất mặt. Tầng đất phía trên là vùng không bão hoà, trong tầng này lượng nước thay đổi theo thời gian, mà không làm bão hoà tầng đất. Bên dưới lớp đất này là vùng bão hoà, tất cả các khe nứt, các ống mao dẫn, và các khoảng trống giữa các phân tử đá được lấp đầy nước. Thuật ngữ “nước ngầm” được dùng để mô tả cho khu vực này. Một thuật ngữ khác của nước ngầm là “bể nước ngầm”. Bể nước ngầm là kho chứa nước ngầm khổng lồ và con người khắp nơi trên thế giới phụ thuộc vào nước ngầm trong cuộc sống hàng ngày.

Cách hay nhất để hiểu được khái niệm đất bão hoà nước tại một độ sâu nhất định nào đó là đào một cái hố tại một bãi biển, nếu sự thấm diễn ra vừa đủ để còn giữ lại nước. Mực nước trong hố là mực nước ngầm. Biển ở phía phải của hố, mực nước trong hố bằng với mực nước biển. Tất nhiên, mực nước trong hố đào cũng lên xuống từng phút theo sự lên xuống của thuỷ triều.