Температура морской воды. В поверхностном слое морей и океанов температура воды во многом зависит от климатических условий местности. В тропиках она значительно выше, чем в умеренных и полярных широтах. Но начиная с некоторой глубины колебания температуры морской воды, обусловленные климатическими условиями, исчезают, и далее с глубиной температура неуклонно понижается. Многочисленные замеры позволили определить среднегодовую температуру воды у поверхности отдельных океанов и Мирового океана в целом. Для Мирового океана она оказалась равной 17,4°С, что почти на 3°С выше температуры нижних слоев атмосферы.
Температура воды в придонных слоях Мирового океана, по данным многочисленных замеров, понижается до 3°С, а в глубоководных впадинах может быть ниже нуля, так как температура замерзания воды из-за наличия в ней солей понижается. Так, в придонных слоях глубоководных впадин температура воды понижается до -2 °С. Температура, воды Северного Ледовитого океана до глубины 350-450 м резко повышается до 0,5-1°С, при дальнейшем росте глубины она неуклонно понижается и уже на глубине 1500 м достигает -1°С.
На температуру морских вод значительное влияние оказывают морские течения, которые могут повысить или понизить среднюю температуру бассейна. Резкое различие температуры морской воды высоких широт и тропических областей обусловливает циркуляцию и постоянное перемешивание вод Мирового океана.
Давление и плотность морской воды. Давление в морях и океанах возрастает пропорционально глубине. На каждые 100 м глубины оно увеличивается примерно на 1 МПа, достигая наибольшей величины в глубоководных впадинах. Расчет давления р для конкретных глубин производится по формуле р = Нg/100, где Н - глубина, для которой производится расчет; g - плотность морской воды.
Обычно плотность морской воды при расчетах невысокой точности принимают равной единице; фактически она изменяется в небольших пределах (1,0275-1,022 г/см 3) и зависит от колебаний температуры и содержания растворенных солей.
Химический состав вод. Морская вода содержит в растворенном виде значительное количество различных солей. Их содержание в 1 л морской воды измеряют в промилле (0 / 00), составляющих 0,1 %. Средняя соленость морской воды, равная 3,5% (35 0 / 00), называется нормальной . Различают абсолютную соленость, т. е. количество растворенных солей, и солевой состав воды, т. е. соотношения между содержанием растворенных солей. В водах с нормальной соленостью подавляющая часть растворенного вещества приходится на долю хлористого натрия (78,32 %) и хлористого магния (9,44 %). Сульфаты, представленные MgSO 4 , CaSO 4 , K 2 SO 4 , составляют всего 11,94 %, на долю всех других солей приходится 0,3 %. В морской воде помимо перечисленных солей присутствуют йод, фтор, фосфор, цинк, свинец и другие элементы. Поскольку воды Мирового океана постоянно перемешиваются, их средняя соленость остается неизменной. Что касается вод некоторых обособленных морей, то на их соленость влияют многие факторы, главными из которых следует считать климатические условия, речной сток, газовый режим и т. д. В результате соленость вод таких морей значительно отличаетсяотнормальной. Чем больше изоляция морского бассейна, тем значительнее это отличие. При этом может измениться не только абсолютная соленость, но и солевой состав вод. О масштабах отклонения можно судить по данным табл. 3.
Таблица 3
Естественно, что вблизи устьев рек морская вода имеет пониженную соленость. В других случаях, например в Средиземном море, в результате испарения понижается уровень воды и увеличиваются ее соленость и плотность. В связи с этим в Средиземное море направляются поверхностные течения через пролив Дарданеллы из Мраморного и Черного морей, где испарение компенсируется притоком речных вод. Такой же обмен водами происходит между Красным морем, воды которого характеризуются резко повышенной соленостью (45 0 / 00), и Индийским океаном, а также между относительно пресноводным Балтийским морем и Северным. Менее соленые воды имеют меньшую плотность и распространяются над более солеными и тяжелыми, поэтому поверхностные течения всегда движутся к областям с большей соленостью, а придонные течения - в противоположном направлении.
Растворимость солей, а следовательно, и соленость вод увеличиваются с повышением температуры. Поэтому в полярных областях в поверхностном слое с низкой температурой соленость минимальная, а замерзающий лед практически пресный.
Газовый режим морей и океанов. В воде современных морей растворены кислород, азот, углекислый газ, иногда сероводород в сочетании с азотом и углекислым газом. Бассейны, в водах которых растворен кислород, обладают нормальным газовым режимом; при наличии сероводорода развивается аномальный газовый режим, или сероводородное заражение. Газовый режим морских бассейнов зависит от многих факторов, главными из которых являются температура морских вод и их вертикальное перемешивание. Газовый режим, в свою очередь, определяет характер органического мира бассейна и существенно влияет на процессы осадконакопления. Наибольшее геологическое значение имеют кислород и углекислый газ, обладающие большой химической активностью. Кислород играет основную роль в жизнедеятельности морских организмов. Он поступает в воды бассейна как из атмосферы, так и за счет фотосинтезирующей деятельности водорослей. Количественно в морской воде преобладает углекислый газ, которого здесь во много раз больше, чем других газов атмосферы. Действительно, в 1 л поверхностного слоя морской воды растворено 50 мл углекислого газа, 13 мл азота, 2-8 мл кислорода и небольшое количество аргона и других газов. Таким образом, в водах Мирового океана растворено около 140 трлн.т углекислоты, что в 60 раз больше ее количества, содержащегося в атмосфере. Объясняется это повышенной растворимостью углекислого газа в морской воде. Кислорода в воде растворено всего 8 трлн. т, т. е. в 130 раз меньше, чем содержится в атмосфере.
Растворение газов в морской воде - процесс обратимый. При этом устанавливается динамическое равновесие между количеством газов, поступивших из атмосферы в морские воды и выделившихся из них. Растворимость газов зависит от температуры воды. При ее повышении образуется избыток газов и последние могут выделиться в атмосферу.
Особенно важную геологическую роль играют изменения растворимости углекислого газа. В полярных областях с низкой температурой она особенно высока и воды здесь обычно недонасыщены углекислотой. В экваториальной зоне, наоборот, морская вода перенасыщена углекислотой. Перемешивание вод приводит к возникновению циркуляции СО 2 в атмосфере: в экваториальных широтах углекислота выделяется в атмосферу из воды, а в полярных областях интенсивно поглощается водой.
Изменяется содержание СО 2 и по разрезу вод океана. В нижних, холодных его слоях образуется избыток СО 2 и возникает растворимый бикарбонат кальция Са(НСО 3) 2 . В верхних, прогретых слоях растворимость углекислоты падает и избыток ее выделяется в атмосферу. Кроме того, часть СО 2 поглощается фотосинтезирующими водорослями. Создающийся дефицит СО 2 приводит к образованию нерастворимого карбоната кальция СаСО 3 и выпадению его в осадок.
Однако, если глубина моря превышает 4-4,5 км, то нерастворимый карбонат в нижних слоях океана снова превратится в растворимый бикарбонат. Таким образом, на глубине 4-4,5 км расположен так называемый уровень карбонатной компенсации. Если дно океана выше этого уровня, то происходит активное накопление карбонатов и захоронение углерода в коре, если же океан глубже, то формирования карбонатных осадков не происходит.
Органический мир Мирового океана. В геологической деятельности моря принимают участие многочисленные животные и растительные организмы, в изобилии населяющие морские и океанические водоемы. После гибели организмов их скелетные остатки в дальнейшем преобразуются в органогенные горные порода.
Состав и строение огромной массы обитающих в морях растительных и животных организмов в значительной мере зависят от среды обитания, т. е. от таких факторов, как глубина моря, температура, соленость, давление, глубина проникновения света, динамика морской воды и т.д. Даже незначительное, изменение хотя бы одного из этих факторов часто приводит к массовой гибели животных и растений, населяющих участок морского бассейна. Этим и объясняется тот факт, что к определенным областям моря приурочены приспособившиеся к обитанию в них сообщества (биоценозы) животных и растений. Весь органический мир морских бассейнов подразделяется на три основные группы: бентос, планктон и нектон.
К бентосу относят большую группу животных и растений, обитающих на дне морей и океанов. Одна их часть прирастает ко дну, другая передвигается на небольшие расстояния. В первом случае бентос называют прикрепленным, во втором - неприкрепленным, или подвижным. Донное население больших глубин в отличие от бентоса мелководных прибрежных частей моря называется абиссальным бентосом. К прикрепленному бентосу относятся морские лилии, кораллы, губки, мшанки и др., к подвижному бентосу - гастроподы, морские ежи, морские звезды и др.
К группе планктона принадлежат все организмы, пассивно плавающие, т. е. переносимые волнами и морскими течениями. Среда обитания планктона - вся толща морской воды, Планктонными формами являются мелкие одноклеточные животные (фораминиферы, радиолярии), а также некоторые растения (диатомеи и другие водоросли). Фораминиферы и радиолярии обитают в основном в океанических водах тропических и средних широт, диатомеи - в холодных околополярных морях. Планктон составляет основную часть органической массы, населяющей Мировой океан.
Все активно плавающие животные относятся к группе нектона . В эту группу входят разнообразные виды рыб и многие представители морских беспозвоночных.
Основное геологическое значение среди перечисленных групп морских организмов имеют бентос и планктон. Ввиду массовости распространения многие представители этих групп играют ведущую роль в процессах осадконакопления и являются породообразующими организмами.
Мировой океан представляет собой главную часть гидросферы - водной оболочки Земли. Его воды покрывают 361 млн км2, или 70,8 %, поверхности земного шара, что почти в 2,5 раза превышаем площадь суши (149 млн км2, или 29,2 %). Важнейшее следствие такого глобального соотношения суши и моря состоит во влиянии Мирового океана на водный и тепловой баланс Земли. Около 10 % солнечной радиации, поглощенной поверхностью океана, расходуется на нагревание и турбулентный обмен теплотой между поверхностными слоями воды и нижними слоями атмосферы. Остальные 90 % теплоты затрачиваются на испарение. Испарение с поверхности океана является как главным источником воды в глобальном гидрологическом цикле, так и следствием высокой скрытой теплоты испарения воды, а это важный компонент глобального теплового баланса Земли. Акватория Мирового океана состоит из Атлантического, Тихого, Индийского, Северного Ледовитого и Южного океанов, окраинных морей (Баренцево, Берингово, Охотское, Японское, Карибское и др.), внутриконтинентальных морей (Средиземное, Черное, Балтийское). Не имеющие связи с Мировым океаном Каспийское и Аральское моря-озера условно называют морями исключительно из-за их больших размеров. В настоящее время это внутренние замкнутые водоемы, а в четвертичное время они соединялись с Мировым океаном.
В Мировом океане сосредоточено не менее 1,4 млрд км3 воды, что составляет около 94 % объема гидросферы. Эти огромные массы воды находятся в постоянном движении. Геологические процессы, протекающие в Мировом океане, многообразны и представляют собой взаимосвязанные явления. Они состоят из следующих процессов:
Разрушения, или абразии (от лат. «абрадо» - брею, соскабливаю), массивов горных пород, слагающих берега и часть мелководья;
Переноса и сортировки продуктов разрушения, приносимого с суши;
Накопления, или аккумуляции, различных осадков. Долгое время дно Мирового океана и его осадки оставались неисследованными. Лишь начиная с середины XX столетия начались целенаправленные исследования Мирового океана со специальн построенных научно - исследовательских кораблей. Вначале для изучения дна Мирового океана применялись различные геофизические приборы, установленные на кораблях, а образцы горных пород доставлялись специальными тралами - драгами. В результате этих работ были получены уникальные сведения о рельефе дна Мирового океана.
Физико-химические свойства вод морей и океанов
Соленость и химический состав вод. В морской воде в растворенном состоянии находится большое количество веществ. Суммарное содержание растворенных солей в морской воде называется ее соленостью (5) и выражается в промилле (%о). За среднюю соленость вод океана принимается величина около 35 %о. Это означает, что в 1 л воды содержится около 35 г растворенных солей (средняя величина солености морской воды). Соленость поверхностных вод Мирового океана колеблется от 32 до 37 %с, и такие колебания связаны с климатической зональностью, которая прямо влияет на испаряемость вод. В аридных зонах, где преобладает испаряемость, соленость увеличивается, а в гумидных областях и в местах стока крупных рек соленость уменьшается. В широких пределах меняется соленость во внутриконтинентальных морях. В Средиземном море она составляет 35 - 39 %>о, в Красном море увеличивается до 41 -43 %о, а в морях, расположенных в гумидных областях, главным образом из-за большого притока пресных вод соленость снижается. В Черном море она составляет 18 - 22 %о, в Каспийском -12-15 %о, в Азовском -12 %о, а в Балтийском - 0,3 - 6 %о. Такая низкая соленость Балтийского моря обусловлена большим объемом речного стока. Ведь в это море несут свои воды такие полноводные реки, как Рейн, Висла, Нева, Неман и др. Особенно высокая соленость (до 300 %о) наблюдается в отшнурованных от моря лагунах в аридных областях, например в заливе Кара-Богаз-Гол в Каспийском море.
В водах морей и океанов присутствуют почти все химические элементы Периодической системы Д. И. Менделеева. Содержание одних настолько велико, что именно их соотношение обусловливаем соленость морских и океанских вод, а количество других составляем тысячные и даже десятитысячные доли процента. При сопоставлении катионов и анионов оказывается, что в солевом составе морской воды преобладают хлориды (89,1 %), на втором месте стоят сульфаты (10,1 %), затем - карбонаты 0,56 %, а бромиды составляют всего 0,3 %.
Газовый режим . В водах Мирового океана в растворенном состоянии находятся различные газы, но главными из них являются кислород, углекислый газ и местами сероводород. Кислород поступает в морскую воду как непосредственно из атмосферы, так и за счет фотосинтеза фитопланктона. Главную роль и перераспределении газов играет глобальная океанская циркуляция. Благодаря ей происходит переток богатых кислородом холодных вод от высоких широт к экватору и поверхностных вод в придонную часть.
Углекислый газ находится в морской воде частично в растворен ном состояниии, а частично он химически связан в форме бикарбонатов Са(НС03) или карбонатов (СаС03). Растворимость С02 в морской воде зависит от температуры морской воды и возрастает с ее понижением. Поэтому холодные воды Арктики и Антарктики содержат больше углекислого газа, чем воды низких широт. Значительное содержание С02 отмечается в придонных холодных водах на глубинах ниже 4000 м. Это сказывается на растворении карбонатых раковин отмерших организмов, которые опускаются с поверхности на дно.
В некоторых морских бассейнах наблюдается аномальный газовый режим. Классическим примером служит Черное море, где, по данным Н. М. Страхова, на глубинах 150- 170 м вода в значительной степени обеднена кислородом и содержит в больших количествах сероводород. Его количество сильно возрастает в придонных слоях. Сероводород образуется благодаря жизнедеятельности сульфатсодержащих бактерий, которые восстанавливают сульфаты из Морской воды до сероводорода. Сероводородное заражение вызвано нарушением свободного водообмена между Черным морем и водами Средиземного моря. В Черном море существует расслоенность воды по солености. В верхней части располагаются опресненные воды (17-18 %о), а ниже соленые (20 - 22 %о). Это исключает вертикальную циркуляцию и приводит к нарушению газового режима, а затем к накоплению сероводорода. Недостаток кислорода в более глубоких слоях способствует развитию восстановительных процессов. Сероводородное заражение в придонной части Черного моря достигает 5 - 6 см3/л. Кроме Черного моря сероводородное заражение обнаружено в некоторых норвежских фиордах.
Температура морской воды . Распределение температур поверхностных слоев вод Мирового океана тесно связано с климатической зональностью. Среднегодовая температура в высоких широтах изменяется от 0 - 2 °С и достигает максимальных значений порядка 28 °С в экваториальных широтах. В умеренных широтах температура воды испытывает значительные сезонные колебания в пределах от 5 до 20 °С. Температура воды изменяется с глубиной, достигая в придонных частях на значительных глубинах всего 2 - 3 °С. В полярных областях она опускается до отрицательных значений порядка -1,0 -1,8 °С.
Переход от верхнего слоя воды с высокой температурой к нижнему слою с низкой температурой совершается в относительно тонком слое, который называется термоклином. Этот слой совпадает с изотермой 8 - 10° и находится на глубине 300 - 400 м в тропиках и 500- 1000 м в субтропиках. Общие закономерности в распределении температур нарушаются поверхностными теплыми и холодными, а также донными течениями.
Давление и плотность . Гидростатическое давление в океанах и морях соответствует массе столба воды и увеличивается с глубиной, достигая максимального значения в глубоких частях океана. Плотность морской воды в среднем составляет примерно 1,025 г/см3. В холодных полярных водах она увеличивается до 1,028, а в теплых тропических водах уменьшается до 1,022 г/см3. Все эти колебания обусловлены изменениями солености и температуры вод Мирового океана.
Элементы рельефа.
Выделяют четыре основные ступени рельефа дна океана: материковую отмель (шельф), материковый склон, ложе океана и глубоководные впадины. В пределах ложа океана наблюдаются наибольшие перепады глубин и грандиозные горные сооружения. Поэтому в пределах ложа стали выделять океанические котловины, срединно-океанические хребты и океанические поднятия.
Шельф (материковая отмель) - мелководная морская терраса, окаймляющая материк и являющаяся его продолжением. По существу, шельф представляет собой затопленную поверхность древней суши. Это область материковой земной коры, для которой характерен равнинный рельеф со следами затопленных речных долин, четвертичного оледенения, древних береговых линий.
Внешней границей шельфа является бровка - резкий перегиб дна, за пределами которого начинается материковый склон. Средняя глубина бровки шельфа - 133 м, однако в конкретных случаях она может меняться от нескольких десятков до тысячи метров. Поэтому термин "материковая отмель" не подходит для наименования этого элемента дна (лучше - шельф). Ширина шельфа изменяется от нуля (африканское побережье) до тысячи километров (побережье Азии). В целом шельф занимает около 7 % площади Мирового океана.
Материковый склон - область от бровки шельфа до материкового подножья. Средний угол наклона материкового склона около 6°, но нередко крутизна склона может увеличиваться до 20-30°. Ширины материкового склона из-за крутого падения обычно невелика - около 100 км. Наиболее характерной формой рельефа материкового склона являются подводные каньоны. Вершины их нередко врезаются в бровку шельфа, а устье достигает материкового подножья.
Материковое подножье - третий элемент рельефа дна, находящийся в пределах материковой земной коры. Материковое подножье представляет собой обширную наклонную равнину, образованную осадочными породами толщиной 3-5 км. Ширина этой всхолмленной равнины может достигать сотен километров, а площадь близка к площадям шельфа и материкового склона.
Ложе океана - наиболее глубокая часть дна океана, занимающая более 2/3 всей площади Мирового океана. Преобладающие глубины ложа океана колеблются от 4 до 6 км, а рельеф дна наиболее спокойный. Основными элементами являются океанские котловины, срединно-океанические хребты и океанические поднятия.
Океанические котловины - обширные пологие понижения дна океана с глубинами около 5 км. Дно котловины, плоское или слегка всхолмленное, обычно называют абиссальной (глубоководной) равниной. Выровненная поверхность абиссальных равнин обусловлена накоплением осадочного материала, приносимого с суши. Наиболее обширные равнины находятся на глубоководных участках океанского дна. В целом абиссальные равнины занимают около 8 % ложа океана.
Срединно-океанические хребты - наиболее тектонически активные зоны, в которых происходит новообразование земной коры. Они целиком сложены базальтовыми породами, образовавшимися в результате их поступления по разломам из недр Земли. Это обусловило своеобразие земной коры, слагающей срединно-океанические хребты, и выделение ее в особый рифтогенальный тип.
Океанические поднятия - крупные положительные формы рельефа ложа океана, не связанные с срединно-океаническими хребтами. Расположены они в пределах океанического типа земной коры и отличаются большими горизонтальными и значительными вертикальными размерами.
В глубоководной части океана обнаружено большое количество отдельно стоящих гор, не образующих каких-либо хребтов. Происхождение их вулканическое. Подводные горы, вершины которых представляют собой ровную платформу, называют гайотами.
Глубоководные впадины (желоба ) - зона самых больших глубин Мирового океана, превышающих 6000 м. Борта их очень круты, а дно может быть выровненным, если оно покрыто осадками. Самые глубокие желоба расположены в Тихом океане.
Происхождение желобов связано с погружением литосферных плит в астеносферу при новообразовании морского дна и раздвижении плит. Желоба имеют значительные горизонтальные размеры. К настоящему времени в Мировом океана обнаружен 41 желоб (Тихий океан - 25, Атлантический - 7, Индийский - 9).
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Химические свойства вод океана |
| Рубрика (тематическая категория) | География |
Физико-химические свойства вод океана
Теоретически не растворимых в воде веществ не существует, в связи с этим в морской воде содержатся почти все элементы таблицы Менделеева. Правда, некоторые элементы находятся в столь малых количествах, что их присутствие обнаруживается только в морских организмах, собирающих эти элементы из окружающей их морской воды. Таковы, к примеру, кобальт, никель и олово, найденные в крови голотурий, омаров, устриц и других животных. Присутствие некоторых других элементов доказывается лишь их наличием в морских отложениях.
Среднее количество растворенных в водах Мирового океана твердых веществ составляет около 3,5% по весу. Больше всего в морской воде содержится хлора - 1,9%. натрия - 1,06%. магния - 0,13%, серы -0,088%, кальция - 0,040%, калия - 0,038%, брома - 0,0065%, углерода - 0,003%. Содержание остальных элементов, в т.ч. биогенных и микроэлементов, ничтожно мало, менее 0,3%. В водах океана обнаружены драгоценные металлы, но концентрация их незначительна, и при общем большом количестве в океане (золота - 55 ‣‣‣ 10 5 т, серебра - 137 ‣‣‣ 10 6 т) добыча их нерентабельна.
Главнейшие распространенные в воде элементы обычно находятся в ней не в чистом виде, а в виде соединений (солей). Основными из них являются: 1) хлориды (NaCl, MgCl), доля которых равна 88,7% всех растворимых в воде веществ. Οʜᴎ придают воде горько-соленый вкус;
2) сульфаты (МgSО 4 , СаSО 4 , Ка 2 SО 4), которых в морской воде содержится 10,8%;
3) карбонаты (СаСО 3), доля которых составляет 0,3% всех растворенных солей.
Для планетарного обмена веществ весьма важно то обстоятельство, что хлористые соединения, преобладающие в морских водах, находятся в реках в очень малом количестве (табл. 4). Напротив, карбонаты, в основном формирующие солевой состав речных вод, почти отсутствуют в океане.
Общее содержание твердых веществ, растворенных в морской воде, принято выражать в тысячных долях весовых единиц - промилле и обозначать знаком % 0 . Содержание растворенных твердых веществ, выраженное в промилле и численно равное их весу, выраженному в граммах в одном килограмме морской воды, принято называть соленостью. Средняя соленость океанических вод 35°/оо, т. е. в 1 кг вод содержится 35 г солей.
Таблица 4 Состав растворенных солей (в %) океанических и речных вод
Установлено, что состав веществ (их соотношение), определяющий соленость морской воды, почти одинаков и постоянен во всех точках, как на поверхности, так и на глубинах Мирового океана. При изменении общего количества растворенных солей (солености) их процентное соотношение не изменяется. По этой причине для определения солености морской воды достаточно измерить количество одного какого-нибудь химического элемента (обычно хлора, как наиболее легко определяемого) и по нему вычислить общую соленость и количество всех остальных элементов. Эмпирическое соотношение между соленостью океанической воды и содержанием хлора выражается формулой:
Число 1,81 носит название хлорного коэффициента.
Некоторые внутриматериковые моря могут иметь несколько отличный солевой состав, и в связи с этим для них эта формула непригодна и соотношения между солями устанавливаются для каждого моря отдельно.Соленость воды в Мировом океане не везде одинакова. В открытой части она изменяется в пределах 33-37°/оо и зависит от климатических условий (разности испарения и количества выпадающих осадков). По этой причине в ее распределении четко проявляются черты широтной зональности, что позволяет картировать эту характеристику (карты изогалин). В отдельных районах широтная зональность нарушается влиянием переноса солей течениями.
Наименьшая соленость на поверхности открытой части Мирового океана наблюдается в высоких широтах. Это объясняется значительным превышением осадков над испарением, большим речным стоком (в северном полушарии), таянием плавучих льдов. По мере приближения к тропикам соленость растет, достигая максимальных значений в зоне между 20 и 25° широты, где испарение значительно превышает осадки. В экваториальных широтах количество атмосферных осадков возрастает, и соленость здесь вновь уменьшается (рис. 3).
Средняя соленость на поверхности океанов различна. Наибольшую среднюю соленость имеет Атлантический океан - 35,3°/ 0 о, наименьшую - Северный Ледовитый - 32%о (в приустьевых районах до 20°/оо).
Распределение солености по вертикали различно в различных широтных зонах. Так, в полярных широтах до глубины 200 м соленость быстро возрастает, затем остается почти неизменной. В умеренных широтах соленость с глубиной изменяется мало. В субтропических - она уменьшается до глубины 1000 м, глубже соленость постоянная. В экваториальных широтах соленость постепенно возрастает, и под слоем поверхностных вод на глубине 100-150 м прослеживается слой высокосоленой воды (выше 36%о), переносимой с запада глубинными противотечениями, питающимися водами, поступающими из тропиков. Глубже этого слоя соленость убывает, а начиная с глубины 1000-1500 м становится почти постоянной.
Следует заметить, что ниже глубин порядка 1500 м соленость остается практически неизменной (34,7-34,9°/оо), а ее изменения по широтным зонам несущественны.Колебания солености по сезонам года в открытом океане незначительны и не превышают 0,2°/ О о, в прибрежных районах полярных областей соленость в летнее время вследствие таяния льдов может уменьшаться на 0,7°/ 0 о и более. В морях величина солености, как на поверхности, так и глубине, меняется в значительно больших пределах, чем в океане. Так, соленость Черного моря 17- 18% 0 , Красного-до 42% 0.
Газы в воде океана. Вода поглощает (растворяет) газы, с которыми она соприкасается. По этой причине в океанической воде содержатся все атмосферные газы, а также газы, приносимые водами рек, выделяющиеся при химических и биологических процессах, при подводных извержениях. Общее количество растворенных в воде газов невелико, но они играют решающую роль в развитии всей органической жизни морей и океанов.
Особое значение имеет кислород. Содержание его изменяется, как и содержание всех других газов, исходя из солености и температуры воды, от степени перемешивания поверхностных вод и т.д. Чем выше температура и соленость воды, тем меньше кислорода может в ней раствориться. По этой причине содержание его от экватора к полюсам возрастает
Кислород поступает в воду океана не только в результате контактаводы с воздухом, но и в результате фотосинтеза водорослей, населяющих воды океанов и морей. На глубине количество кислорода, как правило, уменьшается, так как процесс фотосинтеза имеет наибольшее развитие в поверхностном слое. В этом слое, особенно на мелководье, наблюдается повышенное содержание кислорода (до 180%). Избыток его передается атмосфере. Кислород в океане расходуется также на дыхание живых организмов и на окисление различных веществ.
Азот проникает в воду из атмосферы и образуется при распаде органического вещества. Содержание его в воде изменяется мало, так как он плохо вступает в соединения, редко и в небольших количествах потребляется. Только некоторые придонные бактерии превращают его в нитраты и аммиак. Большой роли в океане он не играет.
Углекислый газ, в отличие от кислорода и азота͵ находится в воде океана в основном в связанном виде, в виде углекислых соединений - карбонатов и бикарбонатов. Запасы углекислоты в океане поддерживаются дыханием организмов и растворением известковых пород дна и берегов, а также современных органогенных отложений (скелетов, раковин и т. д.). Значительные количества углекислого газа поступают в океан при подводных вулканических извержениях. Как и кислород, углекислый газ растворяется быстрее в холодной воде. При повышении температуры вода отдает углекислый газ атмосфере, при понижении - поглощает его, в связи с этим в тропиках вода выделяет углекислый газ в атмосферу, в полярных широтах, напротив - углекислый газ из атмосферы поступает в воду.
Растворимость углекислого газа в воде в десятки и сотни раз превышает растворимость кислорода, в связи с этим океан его содержит в 60 раз больше, чем атмосфера. Расходуется углекислота на фотосинтез растений и на образование организмами скелетов и раковин.
В воде морей количество и распределение газов должна быть существенно иным, чем в океанах. На дне некоторых морей при разложении органических веществ и в результате жизнедеятельности микроорганизмов образуется сероводород. Это очень ядовитое вещество. Главное условие его образования - слабое вертикальное перемешивание и, как следствие его, отсутствие кислорода на глубинах. Присутствие сероводорода отмечено в некоторых глубоких фьордах Норвегии, в Каспийском, Черном, Красном и Аравийском морях. Не исключена возможность сероводородного заражения океанов.
3.2. Физические свойства вод океана. Физические свойства дистиллированной воды зависят только от двух параметров: температуры и давления. Физические же свойства морской воды зависят, кроме того, еще и от солености, которая составляет наиболее характерную ее особенность. С соленостью связано наличие таких свойств морской воды, которых нет у дистиллированной (осмотическое давление, электропроводность).
Плотность. Одной из важнейших характеристик морской воды является плотность. Плотностью морской воды в океанографии принято называть отношение массы единицы объёма воды при той температуре, которую она имела в момент наблюдений, к массе единицы объёма дистиллированной воды при 4° С, т. е. при температуре ее наибольшей плотности. Плотность морской воды существенно растет с увеличением солености. Возрастанию плотности поверхностных слоев воды способствует охлаждение, испарение и образование льда. В открытом океане плотность, как правило, определяется температурой и в связи с этим от экватора к полюсам растет. С глубиной плотность воды в океане увеличивается.
Давление и сжимаемость. Вода значительно плотнее воздуха. По этой причине изменение давления с увеличением глубины в океане происходит гораздо быстрее, чем в атмосфере. На каждые 10 м глубины давление увеличивается на 1 атм. Нетрудно подсчитать, что на глубинах порядка 10 км давление достигает 1 тыс. атм.
При этом воздействие давления воды на живые глубоководные организмы незаметно, так как чрезвычайно мало сжатие воды, т. е. Уменьшение ее удельного веса.Интересно отметить, что, несмотря на малую сжимаемость морской воды, уровень реального Мирового океана расположен примерно на 30 м ниже того уровня, который он бы занимал при условии несжимаемости воды.
Оптические свойства морской воды. Лучистая энергия Солнца, проникая в толщу воды, рассеивается и поглощается. От степени ее рассеивания и поглощения зависит прозрачность воды. Под прозрачностью воды понимают глубину, на которой белый стандартный диск диаметром 30 см (диск Секки) перестает быть видимым с поверхности моря. В Саргассовом море эта глубина достигает 67 м, в Средиземном - 50 м, в Черном - 25 м, в Азовском - Зм. Прозрачность зависит от содержания взвешенных частиц в морской воде. По этой причине наименьшая прозрачность наблюдается в прибрежной части, особенно после штормов. Значительно уменьшается прозрачность воды в период массового развития планктона, а также во время таяния льдов.
Совокупным действием отражения и рассеивания света в воде обусловливается ее цвет. Поток световой энергии, исходящий из глубин моря, вызывает голубой или синий цвет, который и является собственным цветом чистой воды. Особенности цвета воды каждого моря зависят от содержания в воде взвешенных частиц органического и минерального происхождения, растворенных газов и прочих примесей. Вот почему в наиболее “чистых” тропических водах цвет моря темно-голубой и даже синий, в шельфовых морях - зеленоватый, а в мутных прибрежных морях - имеет желтые оттенки.
Говоря об оптических свойствах морской воды, следует упомянуть и о таких явлениях, как свечение и цветение моря.
Свечение поверхности моря в ночное время объясняется светом, излучаемым морскими организмами (планктоном и особыми видами бактерий)
Цветение моря обусловливается массовым скоплением особей какого-либо вида, способных окрасить поверхность моря в один из цветов: желтый, красный, зеленый и т. д.
4. Тепловой режим океанов и морей Поверхность океана способна поглощать 99,6% поступающегона нее солнечного тепла, тогда как для суши данный показатель равен всего 55-65%. Благодаря этому и большой теплоемкости воды, океан представляет собой мощный аккумулятор тепла, оказывающий исключительно большое влияние на температурные условия прилегающих слоев атмосферы. Велико термическое воздействие океана и на климат прилегающих окраин континентов.
Основным источником тепла, получаемого океаном, служит солнечная радиация (прямая и рассеянная). Воды океана получают также тепло при поглощении длинноволнового излучения атмосферы (встречная радиация), часть тепла приносят реки и осадки, выпадающие на поверхность океана. Тепло высвобождается при конденсации влаги, льдообразовании, химико-биологических процессах в толще океана. На температуру глубоких слоев океана влияет внутреннее тепло Земли и адиабатическое нагревание опускающейся воды.
Термическое состояние океана в среднем постоянно. Значит океанические воды тем или иным путем теряют почти столько же тепла, сколько получают. Эти потери происходят за счёт собственного излучения, испарения с поверхности океана, нагревания воздуха, холодной воды рек, океанических течений, таяния льдов и других процессов, совершающихся с затратами тепла. Приход и расход тепла в океане (тепловой баланс) определяют ход температуры воды.
4.1. Температура воды на поверхности океана В верхнем слое океанической воды, как и во всей географической оболочке, тепло распределяется зонально. Самые высокие средние годовые температуры в океане (27-28° С) отмечаются немного севернее экватора между 5 и 10° с. ш. Здесь проходит термический экватор Земли. По сезонам температура воды в экваториальных широтах изменяется не более чем на 2-3° С. В тропических широтах наиболее высокие температуры (25-27° С) отмечаются у западных берегов. Разница в средних температурах восточных и западных регионов достигает 8-10° С. Понижению температуры у восточных берегов в этих широтах способствуют пассаты, отгоняющие воду от берегов: на место ушедшей воды поднимаются нижележащие, более холодные слои воды.
В умеренных широтах южного полушария суши очень мало и широтное распределение температуры (от 0° С на 60° ю. ш. до 10° С на широте 40°) почти не нарушается. В северном полушарии умеренные широты океана несколько теплее, изотерма 10° С доходит в августе до полярного круга. Здесь важную роль играют теплые течения, благодаря которым температура океана выше у восточных берегов.
Средняя температура на поверхности всего Мирового океана равна 17,4° С, т. е. превышает на 3° С среднюю температуру воздуха на земном шаре. Самый теплый океан - Тихий, у которого средняя температура воды на поверхности равна 19,1° С. В Индийском она равна 17,6° С, в Атлантическом - 16,9° С, а в Северном Ледовитом- 0,75° С. Самая низкая температура (-1,7° С) наблюдалась в феврале в Северном Ледовитом океане, самая высокая (+ 32° С) в августе на поверхности Тихого океана. В среднем в году поверхность океана в южном полушарии холоднее, чем в северном за счёт охлаждающего воздействия вод Антарктики.
Суточные амплитуды температуры в открытом океане обычно не превышают 1° С. Годовые амплитуды среднемесячных температур в низких и высоких широтах невелики (1° С и 2° С), и только в умеренных широтах они достигают 10° С и более. Суточные и годовые колебания температуры оказывают существенное влияние на химические и биологические процессы в океане.
4.2. Изменение температуры воды в океане исходя из глубины Температура воды с увеличением глубины понижается. Но процесс данный в разных широтах происходит неодинаково, так как глубина проникновения солнечной радиации в разных зонах неодинакова. Вместе с тем, на перераспределение тепла в толще океанической воды оказывают влияние адвективные факторы.
На большей части акватории Мирового океана, между 50° С с. ш. и 45° С ю. ш. в вертикальном распределении температур много общего. В верхних слоях океана до глубины 500 м понижение температуры идет очень быстро, дальше до 1500 м - значительно медленнее, глубже - температура почти не изменяется. На глубинах 3000-4000 м в экваториальных и умеренных широтах вода имеет температуру +2° С, +3° С, в высоких - около 0 = С. Глубже 4000 м температура воды немного повышается вследствие повышения давления (адиабатическое нагревание).
В приполярных районах температура воды понижается до глубины 50-100 м. Ниже она растет за счёт приноса более теплых и соленых вод из умеренных и субтропических широт, достигая максимума в слое 200-500 м. Под этим слоем температура снова понижается, и на глубине 800 м она равна 0° С. Средняя температура Мирового океана в целом +3,8° С.
В высоких и средних широтах летом под нагретым поверхностным слоем располагается слой резкого скачка температуры - сезонный термоклин. Глубина залегания слоя скачка и величина градиента температуры в нем зависят от интенсивности прогрева поверхностного слоя и перемешивания. В умеренных широтах он обычно располагается на глубинах от 10-16 до 50 м и ниже при значениях вертикального градиента температуры от долей градуса до нескольких градусов на метр.
От экватора до 50-60° С с. и ю. ш. слой скачка на глубинах от 300 до 1000 м существует постоянно (главный термоклин). Так как слой температурного скачка - слой изменения плотности, в нем всегда скапливаются живые организмы. Резко выраженный слой скачка плотности препятствует опусканию взвешенных в воде предметов. К примеру, подводная лодка может лежать на слое скачка как на грунте, откуда и произошел термин “жидкий грунт”.
В случае если рассматривать температурный режим не только открытых частей океанов, но и морей, то и здесь ярко проявляется зависимость температуры от широты, хотя влияние суши, водообмен с океаном и другие причины вносят коррективы в эту связь. Самая высокая температура отмечена на поверхности внутриматериковых тропических морей (в Красном море до +32° .С). Самая низкая температура в полярных морях не опускается ниже -2° С.
Вертикальное распределение температуры воды в морях зависит, в первую очередь, от водообмена с соседними частями океана. В морях, отделенных от океана порогом, распределение температур зависит от глубины порога, солености моря, температуры на его поверхности. Так, в Средиземном море температура воды у дна (4400 м) +13° С. Окраинные моря, свободно сообщающиеся с океаном, по характеру распределения температур не отличаются от открытых частей океана.
5. Льды в океане. Ледовый режим Мирового океана определяется тем, что на преобладающей части его площади температура воды в течение всего года выше точки замерзания, в связи с этим льдообразование наблюдается только в полярных и субполярных широтах. В умеренной зоне лишь очень в немногих, преимущественно мелководных морях на короткое время устанавливается ледовый покров. Большое отодвигание границы зимнего льдообразования в сторону полюсов определяется также соленостью, поскольку соленая вода замерзает при более низкой температуре, чем пресная.
Пресная вода, как известно, при охлаждении достигает наибольшей плотности при -)-4° С, а начинает замерзать только при 0° С. Процесс замерзания солоноватых вод (до 24,7°/оо) происходит аналогично тому, как и в пресной воде: вода сначала достигает температуры наибольшей плотности при данной солености, а затем точки замерзания.
При солености 24,7°/ 0 о температура замерзания и наибольшей плотности одинакова (-1,332° С). При солености больше 24,7%о температура наибольшей плотности ниже температуры замерзания, вследствие чего замерзание морской воды происходит иначе, чем пресной, при этом только часть солей переходит в лед, образовавшийся из морской воды, другая же часть стекает обратно в воду в виде солевого раствора, увеличивая тем самым соленость, а следовательно, и плотность поверхностной воды. Это обстоятельство, одной стороны, способствует поддержанию и усилению конвекционных движений и тем самым задерживает замерзание, а с другой - требует дальнейшего понижения температуры, т. к. с увеличением солености понижается температура замерзания. По этой причине замерзание морской воды происходит не при одинаковой температуре, а при понижающейся.
Плотность соленого льда меньше плотности льда пресного (0,85-0,94 г/см 3) и зависит от температуры, солености, плотности, возраста льда и условий льдообразования.
Морской лед по сравнению с пресноводным отличается большой пластичностью и вязкостью, но обладает меньшей прочностью.
Льдообразование в океане начинается с появления кристаллов в виде игл и пластинок. При большой концентрации ледяных кристаллов они образуют ледяное сало, а если на поверхность воды выпадает снег, то образуется снежура. При спокойном состоянии поверхности воды при смерзании сала возникает тонкая корка льда (5-10 см) - прозрачная, хрупкая в опресненной воде (склянка и матовая, эластичная в соленой (нилас). Во время волнения из ледяного сала, снежуры, склянки и ниласа образуется блинчатый лед - пластины льда преимущественно круглой формы от 30 см до 3 м в диаметре. При дальнейшем нарастании склянки и ниласа и при смерзании блинчатого льда образуется молодой лед (молодик), толщиной 10-30 см.
Вдоль берега появляется полоса неподвижного льда, состоящего из ниласа или из молодика - забереги. Ширина заберегов колеблется от нескольких метров до 100-200 м от береговой линии. Постепенно нарастая, забереги превращаются в более широкую полосу - береговой припаи, а молодик становится взрослым льдом, мощностью от 30 см до 2 м. Наиболее благоприятнымиусловиями для образования и развития припая являются: мелководье, изрезанная береговая линия, отсутствие сильных постоянных течений и значительных по амплитуде колебаний уровня. В некоторых районах припай разрастается на сотникилометров от берега (к примеру, в море Лаптевых его ширинужностигает 500 км).
В отличие от неподвижного льда (забереги, береговой припай), морской лед должна быть плавучим. Плавучиельды, не связанные с берегом, называются дрейфующими. Среди нихпо размерам различают битый лед (отнескольких метровдо 100 м впоперечнике) и ледяные поля, подразделяющиеся нагигантские (свыше 10 км), обширные (от 2 до 10 км) и большие поля (0,5-2 км).
В высоких широтах из-за короткого и холодного лета образовавшиеся за зиму льды не успевают растаять полностью, в связи с этим в этих районах встречаются льды разного возраста - от однолетних до многолетних. Многолетние (квазипостоянные) льды, мощность которых может достигать десять и более метров, называют паковыми.
Паковые льды почти не содержат солей и пузырьков воздуха и в связи с этим имеют голубоватый цвет. В Северном Ледовитом океане такие льды занимают до 80% площади океана. У берегов Антарктиды широкого распространения они не имеют. Для обычных ледокольных судов паковые льды непроходимы.
Кроме собственных морских льдов в океанах и морях встречаются речные и материковые (глетчерные) льды. Речные пресные льды выносятся реками во время ледохода, часто имеют желтоватую окраску, летом тают или вкрапливаются в льды морского происхождения. Материковые льды тоже пресные, голубоватые, обычно большой мощности. Οʜᴎ представляют из себяобломки материкового или шельфового льда, сползающие в океан, и называются айсбергами.
Таяние морского льда в основном зависит от интенсивности солнечной радиации и альбедо его поверхности, как правило, покрытой снегом, и начинается с загрязненных участков (обычно о берегов). После весеннего перехода температуры воздуха через 0° на поверхности льда образуются озерки - снежницы. Прочность структура пропитанного талой водой льда изменяются аналогично тому, как подмоченного водой куска сахара. Не изменяя существенно своих размеров, лед становится чрезвычайно хрупким и легко рассыпается при малейшем надавливании на него. В прибрежной полосе возникают сплошные полосы чистой воды - водяные забереги, постепенно превращающиеся в полыньи. Ледяные поля распадаются на отдельные льды рыхлой структуры, которые, делясь на кристаллы, образуют в конечном итоге ледяную кашу.
Льды покрывают около 15% всей акватории Мирового океана, т. е. 55,4 млн км 2 , в т.ч. 39 млн км 2 в южном полушарии. В северном полушарии ледяной покров образуется в Северном Ледовитом океане и его морях, в северной части Атлантического океана, в Балтийском, Белом, Азовском морях, некоторых районах Северного моря и северо-западной части Черного моря. Из морей, относящихся к бассейну Тихого океана, льдами покрываются Охотское, северная часть Берингова и Японского морей.
Ледяное кольцо вокруг Антарктиды имеет ширину от 280 до "00 миль. Основная масса морских льдов формируется с марта апрель преимущественно в морях Уэддела, Беллинсгаузена Росса, а также вблизи материка.
Мощность ледовых образований на морях, характер и распространение ледяного покрова, а также его продолжительность зависят от температурного и ветрового режима зимы и запаса тепла, накопленного водой в течение весны и лета. Сроки появления льда и замерзания, время вскрытия и очищения ото льда могут для одних и тех же пунктов меняться год от года в значительных пределах.
Наибольшего развития ледяной покров в Арктике достигает в апреле-мае, в Антарктиде - зимой.
Средняя граница льдов в северной части Атлантического океана проходит около 72° с. ш., в южной части она доходит до 50° ю. ш. В Тихоокеанском и Индийском секторах южного полушария она поднимается до 55-60° ю. ш. Далеко за пределы распространения плавучих льдов заходят айсберги. Места зарождения айсбергов: шельфовые ледники Антарктиды, побережье Гренландии, берега Шпицбергена, Земли Франца-Иосифа, Новой Земли, Северной Земли и отдельные острова Канадского архипелага.
Отдельные айсберги в северном полушарии достигают 35° с. ш., в южном - 40° ю. ш. и даже встречаются в тропиках. Важно заметить, что для северных вод типичный крупный айсберг может иметь 200 м в поперечнике и возвышаться над уровнем моря примерно на 25 м. Глубина подводной части достигает 225 м, а общая масса 5 ‣‣‣ 10 9 кᴦ. Мощность Антарктических айсбергов доходит до 500 м, а размеры в поперечнике достигают нескольких десятков километров.
Ледовый покров оказывает огромное влияние на климат всей Земли, на жизнь в океане.
Льды в океанах и особенно в морях затрудняют судоходство и морской промысел. Стоит сказать, что для наблюдения за льдами и изучения их режима организуются специальные ледовые службы. С целью оповещения судов и прогнозирования скорости и направления движения айсбергов создан Международный ледовый патруль.
Химические свойства вод океана - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Химические свойства вод океана" 2017, 2018.
Мирово́й океа́н - основная часть гидросферы, непрерывная, но не сплошная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова, и отличающаяся общностью солевого состава. Мировой океан покрывает почти 70 % земной поверхности.
Общие физико-географические сведения :
· Средняя температура: 5 °C;
· Среднее давление: 20 МПа;
· Средняя плотность: 1,024 г/см³;
· Средняя глубина: 3711 м [источник не указан 339 дней ] ;
· Общая масса: 1,4·10 21 кг;
· Общий объём: 1370 млн км³ ;
· pH: 8,1±0,2.
Глубочайшей точкой океана является Марианский жёлоб, находящийся в Тихом океане вблизи Северных Марианских островов. Его максимальная глубина - 11 022 м.
Физические свойства
Плотность морской воды колеблется в пределах от 1020 до 1030 кг/м³ и зависит от температуры и солености. При солености, превышающей 24‰, температура максимальной плотности становится ниже температуры замерзания - при охлаждении морская вода всегда сжимается, и плотность её растет .
Скорость звука в морской воде - около 1500 м/с.
Как известно, за международную единицу измерения массы принят килограмм. Платиновый килограммовый эталон хранится в Палате мер и весов в Париже, а очень точные дубликаты имеются в аналогичных учреждениях многих стран. Но почему именно килограмм (а не фунт, унция или золотник) принят теперь во всем мире за единицу измерения массы? Дело в том, что все другие единицы были произвольными, а килограмм имеет свой природный эквивалент: такова масса одного кубического дециметра воды при 4 градусах Цельсия.
Учитывать температуру совершенно необходимо, так как с ее изменением меняется и плотность воды. Всякая ли вода годится для установления эталона массы? В учебниках об этом обычно ничего не говорится, так как в данном случае под словом «вода» подразумевают вовсе не ту жидкость, которая течет из водопроводного крана, а химически чистое вещество: воду, подвергшуюся специальной обработке или же синтезированную из водорода и кислорода и не содержащую никаких примесей.
Морская вода, представляющая собой сложный раствор, таким требованиям совершенно не удовлетворяет: ее физические свойства, в том числе и плотность, значительно отличаются от свойств химически чистой воды. В среднем плотность морской воды равна 1,025 грамма на кубический сантиметр. Стало быть, ее литр на 25 граммов тяжелее пресной. Но плотность воды неодинакова по всему Мировому океану, она несколько меняется в зависимости от солености и температуры. Чем выше соленость, тем больше и плотность. Зависимость плотности от температуры обратная: чем вода теплее, тем плотность ее меньше. Так, наименьшая плотность морской воды - 1,022 грамма на кубический сантиметр - была отмечена в поверхностных слоях экваториальной зоны Тихого океана, а наибольшая-1,028 грамма на кубический сантиметр - вблизи океанского дна.
Даже незначительное изменение плотности морской воды влечет за собой весьма существенные последствия. Так, при охлаждении верхних слоев океана вода становится плотнее и опускается. Навстречу ей устремляются менее плотные глубинные воды. Возникают вертикальные токи. В сочетании с горизонтальными течениями они придают Мировому океану вид слоеного пирога, каждый слой которого характеризуется своими особыми показателями плотности, солености и температуры. Благодаря вертикальным токам вода в океане до известной степени перемешивается, в глубину проникают насыщенные кислородом поверхностные воды, из придонных слоев поднимаются богатые биогенными солями придонные массы воды.
Азбучная истина о том, что вода замерзает при О градусов, не распространяется на морскую воду. Из-за растворенных солей она остается жидкой и при отрицательной температуре. Только охлажденная ниже минус 1,9 градуса Цельсия, она начинает переходить в твердое состояние. Правда, это касается только воды с нормальной океанической соленостью. Если же в ней растворено не 35 граммов соли на килограмм, а меньше, то она станет замерзать при более высокой температуре. Так, Азовское море, соленость которого равна 12 промилле, замерзает при 0,6 градуса ниже нуля, а Белое море (соленость его 25 промилле) - при 1,4 градуса ниже нуля.
Когда изменяется агрегатное состояние пресной воды, ее состав не меняется. Совсем иначе обстоит дело с морской водой. Замерзание моря начинается с образования тонких, похожих на иглы ледяных кристалликов, совершенно лишенных соли. Если в этот момент марлевым сачком собрать такие иглы и растопить, то получится вполне чистая пресная вода. Естественно, что на первых порах образования льда соленость верхних слоев воды несколько повышается за счет поступления в эти слои тех порций соли, которые не вошли в кристаллические ледяные иглы. Только потом, когда начинается смерзание комков этих кристаллов, лед также становится соленым, но его соленость все же ниже солености окружающей морской воды. Во время таяния льда прилежащие слои воды несколько распресняются.
Распространение в морской воде световых и звуковых волн также имеет свои особенности. Еще 20- 25 лет назад большинство людей могло судить о том, как выглядит подводный мир, только Наблюдая его через поверхность воды. Но с тех пор, как подводные очки и маски повсюду вошли в моду, любой желающий может лично познакомиться с красотами царстве Нептуна. При этом стала очевидной одна весьма существенная деталь: в маске не очень хорошо виден подводный мир реки, в море же видимость превосходна. Удивительного в этом ничего нет: морская воде значительно прозрачнее воды большинства пресноводных водоемов.
Самая высокая прозрачность отмечена в центральной части Атлантического океана, где служащий эталоном белый металлический круг диаметром в 30 сантиметров - «диск Секки» - виден через поверхность воды на глубине более 65 метров. Прозрачность вод Тихого и Индийского океанов несколько меньше и равна соответственно 60 и 50 метрам. Чем ближе к берегу, тем больше в морской воде различных взвешенных частиц и мельчайших планктонных организмов, поэтому прозрачность там ниже, чем в открытом океане.
В Средиземном море «диск Секки» не виден уже на глубине 30 метров, в Черном море - на глубине 20 метров, а в Балтийском - даже на 13 метрах. В большинстве пресноводных водоемов прозрачность воды не превышает 10 метров, в реках она, как правило, значительно меньше, иногда лишь 0,5-1 метр. Только в Байкале, который славится чистотой своей воды, ее прозрачность равна 30-40 метрам.
По сравнению с атмосферой водная среда пропускает свет хуже, потому что сильнее поглощает его и рассеивает. Когда солнце находится в зените (это возможно только в тропиках), в воду проникает почти весь его световой поток; косые же лучи утреннего или полуденного времени в значительной степени отражаются водной гладью. Поэтому сумерки под водой наступают раньше, чем на суше; день там короче, а ночь длиннее.
Даже в прозрачной воде открытых частей океана яркость света убывает с глубиной примерно в десять раз на каждые 50 метров. Человек, совершающий глубоководное погружение, уже ниже 400 метров не различает за стеклом иллюминатора аппарата никаких следов дневного света. Правда, чувствительная фотографическая пластинка после часовой экспозиции на глубине 1000 метров при проявлении темнеет, но на глубине 1700 метров она вообще не засвечивается.
Прозрачность морской воды неодинакова для разных частей видимого спектра: более короткие световые волны (фиолетовая часть спектра) проникают через нее легче и дальше, чем длинные (красная часть спектра). Первыми в море поглощаются красные лучи, поэтому на глубине более метра красные предметы кажутся уже не такими яркими, как на воздухе. Синие и фиолетовые лучи проникают значительно дальше, они придают подводным пейзажам своеобразный цветовой колорит, за который освещаемая днем часть морского дна получила образное название «голубого континента».
На глубине цвет самых обыденных и хорошо известных предметов меняется до неузнаваемости. Жак Кусто рассказывает: «Мы брали с собой таблицы с ярко-красными, голубыми, желтыми, зелеными, пурпурными и оранжевыми квадратами, а также шкалу серых тонов от белого до черного и фотографировали на различной глубине вплоть до сумеречной зоны. На глубине пять метров красный цвет казался розовым, а на двенадцатом метре абсолютно черным. Одновременно исчезал и оранжевый цвет. На глубине 35 метров желтый цвет начал превращаться в зеленый, здесь царит уже почти полная монохроматия.
Как-то раз мы охотились в море под уединенными скалами Ла Кассадань. Нырнув на 35 метров, Дюма подстрелил гигантскую ставриду. Гарпун прошел сквозь тело позади головы, но не задел позвоночника. Загарпуненная рыба отчаянно сопротивлялась. Дюма стал подтягиваться все ближе и ближе к ставриде по тросу. Наконец он подобрался вплотную, схватил кинжал и вонзил его прямо в сердце рыбины. Кровь брызнула мощным фонтаном.
Но кровь была зеленая! Ошеломленный этим зрелищем, я подплыл и уставился на струю. Она была изумрудного цвета. Мы с Дюма переглянулись в недоумении. Мы не раз плавали среди гигантских ставрид, но никогда не подозревали, что у них зеленая кровь. Потрясая гарпуном со своим поразительным трофеем, Дюма направился к поверхности. На глубине пятнадцати метров кровь стала коричневой. Шесть метров - она уже розовая, а на поверхности она растеклась алым потоком».
Цвет моря зависит именно от того, что часть лучей поглощается морской водой. Чем вода чище и прозрачней, тем синее цвет. Впервые попав в открытый океан, трудно поверить, что вода в нем не подкрашена. Ближе к материкам цвет воды зеленеет от примеси взвешенных частиц, у самого берега он может быть желтоватым. Вообще говоря, чистая вода обладает крайне низкой по сравнению с другими жидкостями способ» полностью рассеивать свет. Это связано с тем, что рассеяние в любой чистой оптической среде происходит из-за неоднородности ее плотности. Вода же в отличи от многих других жидкостей очень малосжимаема, поэтому плотность ее почти однородна. По-видимому, наблюдающееся светорассеяние в чистой морской воде и в воде чистых горных озер связано с наличием в ней мельчайших пузырьков воздуха.
При отражении от морской поверхности спектральный состав света не меняется. А поскольку источником света обычно служит небосвод, то его цвет и придает окраску морской воде. Чем чище небо, чем меньше в нем облаков и аэрозолей (дымов и пыли), тем оно синее и тем синее должен быть дальний план морской поверхности, поскольку дальний план отражает значительно большую часть света, чем передний. Практически можно считать, что дальний план в этом смысле начинается, когда луч зрения составляет с морской поверхностью угол менее 10 градусов; для человека, стоящего на борту судна высотой около 4 метров, эта зона начинается приблизительно на расстоянии 20-30 метров.
Вода служит хорошим проводником для звука. До тех пор, пока человек не проник во владения Нептуна, они казались ему безмолвными. Поэт В. Жуковский так представлял себе тишину подводного мира: «Все спало для слуха в той бездне глухой». Но ведь ни он сам, ни Ф. Шиллер, балладу которого «Ныряльщик» под новым названием «Кубок» перевел В. Жуковский, никогда не были под водой. Они лишь выражали в поэтической форме господствовавшее тогда общее мнение о полной тишине, царящей в морских глубинах. Действительно, человеческое ухо, приспособленное к воздушной среде, не воспринимает звуки, исходящие из воды, но стоит применить простейшие слуховые аппараты, как подводный мир окажется наполненным самыми разнообразными звуками.
В годы первой мировой войны по всем морям и океанам безнаказанно разбойничали немецкие подводные лодки, обнаружить которые военные корабли союзников никак не могли. Но вот удалось изготовить и спустить в воду гидрофоны. На оборудованных ими военных судах - охотниках за субмаринами - натренированные операторы с наушниками - «слухачи» - стали среди тысяч звуков распознавать шумы винтов немецких подводных лодок. Поначалу, правда, не только проплывающий кит, но даже стая сельдей нередко служили поводом для боевой тревоги.
Подводный мир оказался вовсе не безмолвным. Большой знаток морских животных зоолог Н. Тарасова так описывает подводную симфонию вблизи Севастополя: «...Непрекращающееся щелканье бесчисленного множества рачков-альфеусов, в которое по временам врываются «стоны» горбылей или ритмичное урчание морских петухов, а то и лающий «скрежет зубовный» ставрид, наполняют воду разнообразными и громкими звуками».
Звук распространяется в воздухе с постоянной скоростью 340 метров в секунду. В воде он успевает за это же время пробежать расстояние в 4,5 раза больше. Но скорость эта непостоянна и зависит от температуры, солености и давления воды, то есть в конечном счете от ее плотности. В воде с нормальной океанической соленостью при нуле градусов вблизи поверхности скорость звука равна 1440 метрам в секунду. На глубине 10 километров при тех же прочих условиях его скорость возрастает до 1630 метров в секунду. В нагретых до 30 градусов поверхностных водах тропической зоны океана скорость звука повышается до 1543 метров в секунду.
Ультразвук, то есть акустические волны с частотой свыше 16 тысяч колебаний в секунду, уже не воспринимаемый человеческим ухом, поглощается водной средой гораздо сильнее, чем звуки низкой частоты, но зато его можно направлять в виде узкого пучка. Эта особенность ультразвуковых колебаний использована в эхолоте, с помощью которого точно и быстро измеряется глубина. От специального ультразвукового датчика, помещенного на судне, через небольшие промежутки времени вертикально вниз посылается ультразвуковой сигнал. Отразившись от дна, он возвращается обратно и улавливается чувствительной приемной аппаратурой.
Зная скорость прохождения ультразвука и определив время между посылкой и возвращением сигнала, можно легко вычислить расстояние от поверхности до дна. В современных приборах регистрация глубины производится автоматически, а самописец на бумажной ленте вычерчивает кривую, соответствующую профилю дна моря. Так как скорость ультразвука, как и слышимых звуков, зависит от солености, температуры и давления воды, в данные эхолота необходимо вносить поправки.
Моряки, пользующиеся эхолотом, давно заметили, что любые препятствия, находящиеся между поверхностью моря и его дном, также регистрируются на ленте прибора. Оказалось возможным, слегка видоизменив эхолот, использовать его для поисков скоплений промысловых рыб. Хорошо натренированный специалист по характеру кривой на ленте может не только определить местонахождение и размер стаи, но и сказать, к какому виду относятся составляющие ее рыбы.
Океанская вода – универсальный однородный ионизированный раствор, в состав которого входят все химические элементы. В растворе находятся твердые минеральные вещества (соли) и газы, а также взвеси органического и неорганического происхождения.
Соленость морской воды. По массе растворенные соли составляют всего 3,5%, но они придают воде горько-соленый вкус и другие свойства. Состав морской воды и содержание в ней разных групп солей видны из таблицы 8. Морская вода по составу резко отличается от речной воды, ибо в ней преобладают хлориды. Интересно отметить, что состав солей плазмы крови близок к составу солей морской воды, в которой, как считают многие ученые, зародилась жизнь.
Таблица 8
(в % от всей массы солей) (по Л. К. Давыдову и др.)
Соленость – количество солей в граммах в I кг морской воды. Средняя соленость Океана 35% 0 . Из 35 граммов солей в морской воде больше всего поваренной соли (около 27 г), поэтому она соленая. Горький вкус ей придают соли магния. Линии на карте, соединяющие точки с одинаковой соленостью, называются изогалинами.
Океанская вода образовалась из горячих соленых растворов земных недр и газов, так что соленость ее изначальная. Состав морской воды напоминает состав ювенильных вод, т. е. вод и газов, выделяющихся при вулканических извержениях из магмы и впервые вступающих в круговорот воды на Земле. Газы, выделяемые из современных вулканов, состоят преимущественно из водяного пара (около 75%), углекислого газа (до 20%), хлора (7%), метана (3%), серы и других компонентов.
Первоначальный состав солей морской воды и соленость ее были несколько иными. Изменения, которые она претерпела в процессе эволюции Земли, были вызваны прежде всего появлением жизни, особенно механизма фотосинтеза и связанного с ним продуцирования кислорода. Некоторые изменения, по-видимому, вносили речные воды, которые на первых порах выщелачивали горные породы на суше и доставляли в Океан легкорастворимые соли, а в дальнейшем – в основном карбонаты. Однако живые организмы, особенно животные, потребляли огромное количество сначала кремния, а потом кальция для образования своих внутренних скелетов и раковин. После отмирания они погружались на дно и выпадали из круговорота минеральных веществ, не увеличивая содержание карбонатов в морской воде.
В истории развития Мирового океана были периоды, когда соленость колебалась в сторону уменьшения или увеличения. Это происходило как в результате геологических причин, ибо тектоническая активизация недр и вулканизм влияли на активность дегазации магмы, так и за счет климатических изменений. В суровые ледниковые эпохи, когда большие массы пресной воды консервировались на суше в виде ледников, соленость возрастала. При потеплении в межледниковые эпохи, когда в Океан поступали талые ледниковые воды, она уменьшалась. В аридные эпохи соленость увеличивалась, во влажные – уменьшалась.
В распределении солености поверхностных вод примерно до глубины 200 м прослеживается зональность, что связано с балансом (приходом и расходом) пресной воды, и прежде всего с количеством выпадающих осадков и испарением. Уменьшают соленость морской воды речные воды и айсберги.
В экваториальных и субэкваториальных широтах, где осадков выпадает больше, чем тратится воды на испарение (К увлажнения >1), и велик речной сток, соленость чуть менее 35% 0 . В тропических и субтропических широтах из-за отрицательного пресного баланса (осадков мало, а испарение велико) соленость составляет 37%о. В умеренных широтах соленость близка к 35%о. В приполярных и полярных широтах соленость наименьшая – около 32%о, поскольку количество осадков превышает испарение, велик речной сток, особенно сибирских рек, много айсбергов, главным образом вокруг Антарктиды и Гренландии.
Рис. 82. Типы вертикального распределения солености (по Л. К. Давыдову и др.)
Зональную закономерность солености нарушают морские течения и приток речных вод. Например, в умеренных широтах северного полушария соленость больше у западных берегов материков, куда поступают субтропические воды повышенной солености, приносимые теплыми течениями, меньше – у восточных берегов материков, куда холодные течения приносят менее соленые субполярные воды.
Из океанов наибольшей соленостью обладает Атлантический океан. Это объясняется, во-первых, сравнительной узостью его в низких широтах в сочетании с близостью к Африке с ее пустынями, откуда на океан беспрепятственно дует жаркий сухой ветер, повышающий испарение морской воды. Во-вторых, в умеренных широтах западный ветер уносит атлантический воздух далеко в глубь Евразии, где из него выпадает значительная часть осадков, не полностью возвращающихся в Атлантический океан. Соленость Тихого океана меньше, так как он, наоборот, широк в экваториальном поясе, где соленость воды пониженная, а в умеренных широтах Кордильеры и Анды задерживают обильные осадки на наветренных западных склонах гор, и они вновь поступают в Тихий океан, рассоляя его.
Наименьшая соленость воды в Северном Ледовитом океане, особенно у Азиатского побережья, близ устьев сибирских рек – менее 10%о. Однако в приполярных широтах происходит сезонное изменение солености воды: осенью – зимой при образовании морского льда и уменьшении речного стока соленость возрастает, весной – летом при таянии морского льда и увеличении речного стока – уменьшается. Вокруг Гренландии и Антарктиды летом соленость становится меньше еще и за счет тающих айсбергов и подтаивания краевых частей покровных и шельфовых ледников.
Максимальная соленость воды наблюдается в тропических внутренних морях и заливах, окруженных пустынями, например в Красном море – 42% 0 , в Персидском заливе – 39% 0 .
Несмотря на различную соленость морской воды в разных акваториях Океана, процентное соотношение растворенных в ней солей неизменно. Оно обеспечивается подвижностью воды, непрерывным горизонтальным и вертикальным ее перемешиванием, что в совокупности приводит к общей циркуляции вод Мирового океана.
Изменение солености воды по вертикали в океанах различно. Намечено пять зональных типов вертикального распределения солености: I – полярный, II – субполярный, III – умеренный, IV – тропический и V – экваториальный. Они представлены в виде графиков на рисунке 82.
Распределение солености по глубине в морях весьма различно в зависимости от величины баланса пресной влаги, интенсивности вертикального перемешивания и водообмена с соседними акваториями.
Годовые колебания солености в открытых частях Океана незначительны и в поверхностных слоях не превышают 1 %о, а с глубины 1500 – 2000 м соленость в течение года практически неизменна. В прибрежных окраинных морях и заливах сезонные колебания солености воды значительнее. В морях Северного Ледовитого океана в конце весны соленость снижается за счет притока речных вод, а в акваториях с муссонным климатом летом – еще и за счет обилия осадков. В полярных и субполярных широтах сезонные изменения солености поверхностных вод обусловлены в большей степени процессами замерзания воды осенью и таяния морских льдов весной, а также таянием ледников и айсбергов во время полярного дня, о чем будет сказано позже.
Соленость воды влияет на многие ее физические свойства: температуру, плотность, электропроводность, скорость распространения звука, быстроту образования льда и др.
Интересно заметить, что в морях близ карстовых побережий на дне нередки мощные подводные (субмаринные) источники пресной воды, поднимающиеся к поверхности в виде фонтанов. Такие «пресные окна» среди соленой воды известны у берегов Югославии в Адриатическом море, у берегов Абхазии в Черном море, у берегов Франции, Флориды и в других местах. Эта вода используется моряками для хозяйственно-бытовых нужд.
Газовый состав океанов. В морской воде, кроме солей, растворены газы азот, кислород, диоксид углерода, сероводород и др. И хотя содержание газов в воде крайне незначительно и заметно изменяется в пространстве и во времени, их достаточно для развития органической жизни и биогеохимических процессов.
Кислорода в морской воде больше, чем в атмосфере, особенно в верхнем слое (35% при температуре 0 °С). Главным источником его служит фитопланктон, который называют «легкими планеты». Глубже 200 м содержание кислорода уменьшается, но с 1500 м вновь возрастает, даже в экваториальных широтах, за счет поступления вод из приполярных областей, где насыщенность кислородом достигает 70–90%. Расходуется кислород путем отдачи в атмосферу при избытке его в поверхностных слоях (особенно днем), на дыхание морских организмов и на окисление различных веществ. Азота в морской воде меньше, чем в атмосфере. Содержание свободного азота связано с распадом органических веществ. Растворенный в воде азот усваивается особыми бактериями, перерабатывается в азотистые соединения, которые имеют большое значение для жизни растений и животных. В морской воде растворено некоторое количество свободной и связанной углекислоты, которая попадает в воду из воздуха при дыхании морских организмов, при разложении органических веществ, а также при вулканических извержениях. Она важна для биологических процессов, так как это единственный источник углерода, который необходим растениям для построения органического вещества. Сероводород образуется в глубоких застойных котловинах в нижних частях водных толщ при разложении органических веществ и в результате жизнедеятельности микроорганизмов (например, в Черном море). Так как сероводород является сильно ядовитым веществом, он резко понижает биологическую продуктивность воды.
Поскольку растворимость газов интенсивнее при низких температурах, воды высоких широт содержат их больше, в том числе важнейшего для жизни газа – кислорода. Поверхностные воды там даже перенасыщены кислородом и биологическая продуктивность вод выше, чем в низких широтах, хотя видовое разнообразие животных и растений беднее. В холодное время года Океан поглощает газы из атмосферы, в теплое время он выделяет их.
Плотность – важное физическое свойство морской воды. Морская вода плотнее пресной воды. Чем выше соленость и ниже температура воды, тем плотность ее больше. Плотность поверхностных вод увеличивается от экватора к тропикам благодаря нарастанию солености и от умеренных широт к полярным кругам в результате понижения температуры, а зимой еще и за счет увеличения солености. Это приводит к интенсивному опусканию полярных вод в холодный сезон, который продолжается 8 – 9 месяцев. В придонных слоях полярные воды движутся к экватору, вследствие чего глубинные воды Мирового океана в целом холодные (2 – 4°С), но обогащенные кислородом.
Цвет и прозрачность зависят от отражения, поглощения и рассеяния солнечного света, а также от взвешенных в воде веществ органического и минерального происхождения. Синий цвет присущ воде в открытой части Океана, где нет взвесей. У побережий, где много взвесей, приносимых реками и временными водотоками с суши, а также за счет взмучивания прибрежного грунта при волнении, цвет воды зеленоватый, желтый, коричневый и др. При обилии планктона цвет воды синевато-зеленый.
Для визуальных наблюдений цвета морской воды используется шкала цветности, состоящая из 21 пробирки с цветными растворами – от синего до коричневого цвета. Цвет воды нельзя отождествлять с цветом поверхности моря. Он зависит от погодных условий, особенно от облачности, а также от ветра и волнения.
Прозрачность лучше в открытой части Океана, например в Саргассовом море, – 67 м, хуже – у побережий, где много взвесей. Прозрачность уменьшается в период массового развития планктона.
Свечение моря (биолюминесценция) – это свечение в морской воде живых организмов, содержащих фосфор и испускающих «живой» свет. Светятся прежде всего простейшие низшие организмы (ночесветка и др.), некоторые бактерии, медузы, черви, рыбы во всех слоях воды. Поэтому мрачные глубины Океана не совсем лишены света. Свечение усили-
вается при волнении, поэтому судам ночью сопутствует настоящая иллюминация. Среди биологов нет единого мнения о назначении свечения. Предполагают, что оно служит либо для отпугивания хищников, либо для поисков пищи, либо для привлечения особей противоположного пола в темноте. Холодное свечение морских рыб позволяет находить их косяки рыболовным судам.
Звукопроводимость – акустическое свойство морской воды. Распространение звука в морской воде зависит от температуры, солености, давления, содержания газов и взвесей. В среднем скорость звука в Мировом океане колеблется в пределах 1400–1550 м/с. С повышением температуры, увеличением солености и давления она увеличивается, при уменьшении – убывает. В океанах обнаружены слои с разной проводимостью звука: зву-корассеивающий слой и слой, обладающий звуковой сверхпроводимостью, – подводный
«звуковой канал». К звукорассеивающему слою приурочены скопления зоопланктона и соответственно рыб. Он испытывает суточные миграции: ночью поднимается, днем опускается. Его используют подводники, так как он гасит шум от двигателей подводных лодок, и рыболовные суда – для обнаружения косяков рыб. «Звуковой канал» начали использовать для краткосрочного прогноза волн цунами, в практике подводной навигации для сверхдальней передачи акустических сигналов.
Электропроводность морской воды высокая. Она прямо пропорциональна солености и температуре.
Естественная радиоактивность морских вод мала, но многие растения и животные способны концентрировать радиоактивные изотопы. Поэтому в настоящее время улов рыбы и других морепродуктов проходит спецпроверку на радиоактивность.
