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水是地球生物賴以生存的重要資源之一。以整個地球系統而言,水所佔的質量相當的少。其中約有97%留在海洋中,其餘的3%大部份儲存於冰河與冰層之中( 75% ),地下水約佔24%,其餘的1%則分別存在於湖泊( 20% ),河流( 20% ),土壤( 38% ),大氣( 22% )。
若扣除冰層中的含水量,可供使用的最大淡水量不到總量的0.8%。整體而言,大氣所含水量只佔了可用水量的0.35%。但是這微小的量,卻是大氣中形成雲及降水的主要來源,而且對氣候變化有相當顯著的影響。
全球平均降水量為857公釐,如果將大氣中的所有水份平均分散在地球表面,也不過相當於25公釐的降水量。如此少量的水,如何能影響氣候?這是因為如此少量的水不斷的被循環利用。水的三相(固、液、氣)在水循環過程中,透過凝結、蒸發、昇華、凝華、融化等相變化,交替出現,進行能量交換,進一步驅動水循環及大氣環流,使之生生不息,成為可重覆利用的資源。
水的三相皆可存在地球表面大氣之中,是其他物質所欠缺的特性,水循環也因此比其他物質的循環更多變,更有趣。
水循環
水在海洋、大氣、陸地三大「儲存槽」之間移動。大氣中水汽的主要來源是地表土壤、水體的蒸發及植物的蒸散作用。在大氣中,水汽被大氣環流所傳送,凝結成液態或固態水形成雲,在適當狀況下,降至地面,成為降水,是大氣水汽含量的匯(sink)。
在降水過程中,大部分的水滴或冰晶,再度蒸發成為氣態水,只有少數較大的水滴或冰晶,降至地面。因此,許多水汽仍留在大氣中未被利用。降水則貯於湖泊、高山積雪、土壤之中,部份成為地下水,部份為生物吸收利用,剩餘則逕流入海。水之所以可以被永續利用, 完全拜水循環之賜。如果水循環中的任一環結有所變化,勢必影響整體水循環的運作。
平均而言,水循環每年輸送的總水量,如果平均分布於地表相當於1公尺深的水體,是大氣所含水量的40倍。據此大略估計,全球水循環每年大約完成40次,亦即每9天完成一個循環。海洋正是水循環的主要驅動者。
如果以年平均降水量( 85.7cm )為一百個單位,海洋藉由蒸發提供了84個單位的水汽量,其中77個單位形成海上降水,另7個單位則被傳送至陸地形成降水。此傳送量看似不大,事實上它相當於形成陸地降水所需水汽量的三分之一。如果沒有海洋提供水汽,地球的水循環也不會如此活躍,許多陸地也將處於乾旱狀態。
以上討論的水循環只考慮表層海水,因此時間尺度相當短。如果考慮深層海水,則水循環的時間尺度將以百年甚至千年為時間單位來計算。
水氣循環
太陽不但控制了大氣的結構和運動,同時也以大氣為仲介而驅動了水循環。地表的水在溫暖而乾燥的狀態下最容易蒸發,而所產生的水氣會很快地就被運送至高空,如此的蒸發作用最容易發生在暖季的白天。
蒸發到大氣中的水氣大部分來自於海洋,其他則是來自於陸地上的湖泊、河流、濕地以及植物等等。最後這種植物、土壤表面的水分蒸發過程叫做蒸散 ( evapotranspiration ) 。
水分子能以蒸氣、液滴或冰晶的形式存在於大氣之中,而它濃度變化的幅度遠較其他氣體為高。在熱帶地區的低層大氣中,水分子的濃度可以達到大氣總分子數的幾個百分比,而在寒冷的低平流層內,它的濃度卻也可能低到只有幾個ppm (parts per million,百萬分之一)。
水蒸氣在大氣中的生命期平均為十天左右,因此可以在凝結之前運行好幾千公里。這個長距離的運行是透過兩個主要的過程,跨越緯度的交換 (即經向的濕氣交換),及海、陸之間的交換。
在經向的濕氣交換中,自副熱帶海洋所蒸發的水氣混入從高層沈降而來的乾空氣,然後被大範圍的低層風 (即哈得里環流) 運往赤道。在赤道附近,由南、北半球而來的低層風於此會合,引發濕空氣的強勁對流運動,並導致雲的形成和降水。