Дождевая эрозия

Влияние дождевых капель. Эрозия начинается, как только дождевые капли ударяются о землю. Может быть, вы обращали внимание на обнаженную поверхность земли после сильного дождя?
Хорошо видно, что каждый маленький камешек на этой поверхности лежит на бугорке земли, так как он защищал находящийся под ним крошечный участок почвы от размыва. Незащищенная почва вокруг таких камушков вынесена водой. Падающие дождевые капли обладают неожиданно большой кинетической энергией, которая расходуется при ударе на разрыхление и вынос мелких частиц незащищенной почвы.
Если принять, что каждая дождевая капля имеет в диаметре 0,25 см, то ее конечная скорость будет равна 7 м/с. Общей кинетической энергии одного ливня, во время которого выпадает 10 см осадков, достаточно для того, чтобы поднять слой почвы мощностью 10 см на высоту более 2 м (Linsley et а11., 1949). В действительности почва не поднимается на 2 м, но как только она разрыхлится, сопротивление ее частиц дальнейшей эрозии прекращается. Склоновый сток, плоскостная эрозия и формирование оврагов. Когда атмосферных осадков выпадает больше, чем может впитаться в почву на склонах, избыток воды стекает по поверхности. На пологих склонах поверхностный сток развивается в виде склонового стока, при котором тонкая пленка воды движется вниз по склону, вызывая плоскостную эрозию (плоскостной смыв). Тщательное изучение смыва почвенного слоя с обрабатываемых полей указывает на то, что плоскостная эрозия в сочетании с ударами дождевых капель за год перемещает вниз по склонам десятки тонн почвы с одного акра площади. Обычно склоновый сток способен эродировать только гонкий алевритовый и глинистый материал, оставляя на месте в виде остаточных продуктов (элювия) песок и гальку.
Вода,движущаяся по неровной поверхности земли в виде склонового стока, может скапливаться в неровностях поверхности, образуя небольшие ручейки. Собравшаяся в ручьи вода обладает более сильным течением, т.е. имеет больший объем и большую скорость, и эффективнее действует не как склоновый сток, а как агент эрозии. Ручьи изменяют конфигурацию первичных склонов, размывают мелкие овражки, превращая их в маленькие долины с крутыми склонами. Продолжающееся увеличение объема воды, переносимой ручьями, приводит к наступательной эрозии и врезанию русел потоков. В конце концов образуются ветвящиеся дренажные системы, в каждую из которых стекает вода из собственного небольшого водосборного бассейна. Водосборный бассейн-это площадь поверхности земли, с которой вода и осадки выносятся в поток. Граница водосборного бассейна называется водоразделом, так как он отделяет сток одной речной системы от стока другой.
Наиболее сильная эрозия происходит на склонах, лишенных защитного растительного покрова. Растительность предохраняет поверхность земли от эрозии благодаря тому, что дождевые капли разбиваются и движение их приостанавливается прежде, чем они ударяются о землю, и, таким образом, поверхностный сток ограничивается. Корни и растительный материал на земле предохраняют почву от размыва теми дождевыми каплями, которые достигают поверхности склонов.
В природных условиях больше всего осадочного материала выносится там, где в год выпадает 25-35 см атмосферных осадков; при этом большую роль играет скорость испарения. Такого количества воды достаточно для того, чтобы возник значительный поверхностный сток, и слишком мало для того, чтобы способствовать произрастанию защитного растительного покрова. С уменьшением или увеличением количества влаги вынос осадочного материала становится заметно меньше. При более высоком среднегодовом количестве атмосферных осадков растительность обычно хорошо защищает грунт.
Таким образом, первоначальное понижение поверхности суши происходит под действием выветривания, гравитационного переноса, ударов дождевых капель и плоскостного смыва. После развития речных долин процессы выравнивания продолжают поставлять осадочный материал в реки. Каждая река непрерывно углубляет и расширяет свою долину и увеличивает водосборный бассейн посредством наступательной эрозии. Развитие долины вызывает формирование новых склонов, что усиливает процессы выравнивания. Эрозионные процессы, действуя на склоны водосборного бассейна, оказывают чрезвычайно большое влияние на понижение поверхности земли, так как русла рек занимают лишь около 5% поверхности суши. Почва и частицы пород, которые попадают в реки в результате этих процессов, затем выносятся в море.
Понижение поверхности суши в результате эрозии хорошо видно в бассейне реки Миссисипи и ее притоков на площади приблизительно 3,2 • 10(6 степени) км2. Бассейн Миссисипи понижается со средней скоростью около 1 м за 30 000 лет. Однако следует помнить, что значительная часть водосборного бассейна Миссисипи перекрыта легко размывающимися неконсолидированными ледниковыми наносами и эоловыми алевритовыми отложениями. Скорость понижения водосборных бассейнов в коренных породах гораздо меньше.

Механизм работы рек

Ламинарное течение. При очень низких скоростях течения в выровненном русле вода в реке движется спокойно, как если бы она состояла из пачки пластин и верхние пластины проскальзывали бы по нижним. Этот тип движения называется ламинарным течением; как агент эрозии он почти не дает эффекта. Турбулентное течение. В большинстве естественных водотоков молекулы воды движутся беспорядочно или по перекрещивающимся траекториям; при этом вода имеет тенденцию полностью перемешиваться. Такой тип движения называется турбулентным течением. Средняя скорость течения реки (от 1 до 3 м/с) наблюдается над ее ложем. Около речного ложа скорость течения намного меньше из-за трения. Придонное турбулентное течение взмучивает осадки и помогает удержать их в потоке во взвешенном состоянии.
Турбулентное течение проявляется в виде водоворотов и других искажений поверхности воды. Турбулентность особенно хорошо заметна на порогах, там, где можно наблюдать вечно меняющуюся картину водоворотов, ровную поверхность воды и завихрения на ней и чрезвычайно бурную вспененную «белую» воду. Скорость. Скорость течения реки определяется уклоном, или градиентом, ее ложа, формой и шероховатостью русла, водоносностью и грузом осадков. Вследствие уклона речного ложа потенциальная энергия реки превращается в кинетическую. Уклон определяется как величина перепада, деленная на расстояние по горизонтали, на котором этот перепад имеет место.
Неровности стенок и дна русла вызывают трение и турбулентное течение воды и уменьшают скорость. Величина трения пропорциональна количеству и размерам неровностей стенок и дна. Трение является наименьшим в полукруглых руслах, потому что у них меньше площадь смачиваемой поверхности, которая препятствует течению, чем у русел с другими формами поперечного сечения. Большинство естественных русел шире и мельче идеального полукруглого канала. На скорость течения влияет также тип осадка, слагающего русло. Дно, сложенное гравием, оказывает большее сопротивление, чем песчаное.
С увеличением объема воды или расхода воды в реке увеличивается глубина потока, а это в свою очередь увеличивает скорость течения. Изменением скорости поддерживается равновесие между расходом воды в реке и площадью ее поперечного течения. Количество осадков, переносимых рекой, тоже влияет на скорость течения, так как на перемещение осадков расходуется часть кинетической энергии потока.

Перенос

Реки транспортируют содержащиеся в них осадки, заставляя грубые частицы скользитъ и перекатываться по дну, перенося тонкий песчаный, алевритовый и глинистый материал во взвешенном состоянии, а растворимые соединения - в растворе.
Способность реки переносить материал усиливается тем, что большинство обломков минералов и пород при погружении в воду теряют около 40% своего веса.  Как транспортируются частицы пород - по дну или во взвеси, - зависит от их размера и массы и от скорости течения.
Скорость осаждения обломочных частиц зависит от их размера, разности плотностей частиц и жидкости, от вязкости жидкости и от силы тяжести. Связь этих факторов со скоростью отложения материала выражается законом Стокса. Вес осадочной частицы пропорционален ее объему (является функцией ее диаметра в кубе). Сопротивление частицы осаждению - это функция площади поверхности частицы или квадрата ее диаметра.
Таким образом, с увеличением размера частиц скорость их осаждения намного возрастает.
Обломочные частицы крупнее песка быстро оседают и редко переносятся во взвешенном состоянии. Они движутся по дну, почти все время касаясь его и других частиц подобного размера; скорость их равна примерно половине скорости течения. Более мелкие частицы оседают медленно и, следовательно, имеют тенденцию переноситься во взвешенном состоянии. Почти любое направленное вверх течение способно поднимать тонкозернистый песок, алеврит и глинистый материал и распределять их по всему потоку в виде взвеси. Этот материал редко откладывается на речном дне, он перемещается во взвешенном состоянии почти с той же скоростью, что и несущая его вода. Благодаря турбулентному движению воды по всему потоку рассеяны еще более мелкие коллоидные частицы и ионы.
Перенос во время паводков как более крупных обломков, так и большего объема осадков свидетельствует о том, что увеличение водносности и скорости течения реки значительно увеличивает ее способность переносить осадки. Эта дополнительная способность к транспортировке является результатом увеличения турбулентности движения воды, а также увеличения ее объема. Для грубозернистого материала размеры самых крупных частиц, переносимых по дну реки, изменяются прямо пропорционально скорости течения в степени 2,6.
На диаграмме скоростные характеристики реки разделены на три поля: скорость течения, скорость переноса и скорость отложения материала. На графике, построенном с учетом размера частиц, видно, что для вовлечения частиц данного размера в движение требуется большая скорость течения, чем для того, чтобы переносить такие же частицы, если они уже движутся. Для большей части осадков существует критическая скорость течения; если река движется медленнее, перенос не будет осуществляться, а вместо этого произойдет отложение осадков. Например, для того чтобы вовлечь в движение над речным дном гальку, требуется скорость течения около 15 см/с, а чтобы удержать ее в движении, достаточна скорость около 4 см/с. Так происходит потому, что для волочения частиц по дну нужны меньшие скорости, чем для того, чтобы частицы отскакивали от дна и катились. Так как сила тяжести способствует перемещению материала с берегов в русло реки, то пригодного для переноса материала берегового происхождения в реке может находиться значительно больше, чем обломков, которые река может вымыть из своего ложа.
Не обязательно легче всего размываются самые тонкозернистые породы. Алеврит и глина, возможно, лучше противостоят эрозии, чем тонкозернистый песок, из-за того, что при захоронении и высыхании они уплотняются и сцепление между частицами в них сильно возрастает. Кроме того, там, где вода соприкасается с дном, скорость ее течения может быть чрезвычайно низкой. Однако песчинки на дне достаточно велики для того, чтобы выступать над граничным слоем воды с низкой скоростью, создавать значительную шероховатость дна и обеспечивать тем самым турбулентность течения, которое их и подхватывает.

Каждая форма речного ложа возникает под влиянием особого режима течения, как это было установлено проведенными в лаборатории опытами с лотком. Форма ложа и накопившиеся осадки, если они сохраняются, фиксируют условия, существовавшие на дне реки. Обычно в разных частях одного и того же русла форма ложа меняется. Изменение скорости течения фиксируется в осадках возникновением дюн - (подводных гряд песка), за которыми следует песчаная рябь, небольшие антидюны и снова песчаная рябь.
Изменения во время переноса. Во время переноса по дну и во взвешенном состоянии происходит постоянный обмен между транспортируемым материалом и материалом, лежащим на дне. Частицы то подхватываются потоком, то оседают
на дно. Чем они мельче, тем дольше несет их поток с момента захвата до момента окончательного отложения. По кривым Юльстрёма видно, что там, где скорость течения для какого-то участка русла выше средней, может произойти размыв более грубого материала.
В аридных областях концентрация растворенного вещества в реке может повыситься настолько, что в меженное время оно будет осаждаться на гальке, покрывая ее тонким слоем. В областях с гумидным климатом река, которую питают холодные ключи с высоким содержанием в воде растворенного карбоната кальция, может отложить вдоль своего течения кальцит. Эти отложения формируются в результате того, что из воды при нагревании, перемешивании и за счет жизнедеятельности растений и животных выделяется углекислый газ. Однако обычно концентрация растворенных веществ в речной воде слишком мала для того, чтобы реки на своем пути к морю откладывали химические осадки.
От верховьев реки к устью размеры частиц на дне, берегах и в потоке уменьшаются. Это вызвано избирательной сортировкой и абразивным истиранием или сочетанием обоих процессов.
Избирательная сортировка происходит потому, что более тонкий материал легче подхватывается течением и может быть перенесен на большее расстояние, чем грубообломочный. На коротком отрезке русла, где происходит отложение материала, избирательная сортировка может вызвать очень заметные изменения размеров частиц на дне реки. Этот механизм объясняет, почему изменяется размер частиц вниз по течению от одного источника осадочного материала, такого, например, как оползень или наносы, отложенные потоком во время паводка.
Важное значение имеет и то обстоятельство, что обломки разрушаются до более мелких частиц. Это происходит потому, что обломки волочатся по дну, катятся и бьются друг о друга и о коренные породы в русле потока. Острые края и углы неокатанных обломков быстро сглаживаются, но после первичного окатывания истирание происходит гораздо медленнее. Опыты по абразии невыветрелых угловатых частиц породы заставляют предположить, что для того, чтобы получить наблюдаемое в природе уменьшение размеров частиц, необходимо, чтобы эти частицы проделали путь, значительно превышающий длину большинства речных систем. Но опыты показали также, что если между периодами транспортировки материал испытал выветривание, то истирание при последующем переносе будет гораздо эффективнее. Такое выветривание происходит, когда осадки на некоторое время откладываются на речных отмелях, поймах и террасах или в заводях.