Химический, биогенный и газовый состав вод океана

Биогеография морей, океанов и островов

Выполнил: студентка Шкаричева Ю.Н.

Группа: ФЭГ - 51

Проверил: Брунов В.В.

Вологда

Биогеография

Лекция 6

Тема: Биогеография морей, океанов и островов

Вопросы:

1. Океаны и моря как среда обитания

а) свет и глубины

б) температура

в) лед

г) соленость, плотность и газовый состав

д) течения, приливы, отливы, апвеллинг

е) трофность, зоны контактов

ж) электрическая активность

2. Экологические области океана и их обитатели (рифты как места видообразования)

3. Обитатели внутренних морей (Черное, Каспийское, Азовское)

Океан как среда жизни

Единую природу Мирового океана формирует тесное взаимодейст­вие физических, химических и биологических процессов, взаи­мообусловленности которых содействует вечное движение вод­ных масс. Их перемещение, образующее единую генеральную сис­тему течений, служит основой единства Мирового океана и влияет на состояние атмосферы и биосферы Земли».

Водные массы.Процессы обмена энергией и веществом в океане и особенности движения приводят к разделению вод океана по физико-химическим свойствам и составу живущих в них организ­мов на различные, сравнительно однородные крупные объемы. Это как бы океанические аналоги природных ландшафтов суши, по­лучившие название «водные массы». «Водной массой, — соглас­но А.Д.Добровольскому (1961), — следует называть некоторый сравнительно большой объем воды, формирующийся в опреде­ленном районе Мирового океана — очаге, источнике этой мас­сы, — обладающий в течение длительного времени почти посто­янным и непрерывным распределением физических, химичес­ких и биологических характеристик, составляющих единый комплекс и распространяющихся как одно единое целое».

Водные массы отражают физико-географические черты райо­нов формирования, где они получают свои характерные свой­ства, и пути распространения. Так, водные массы, образовавши­еся вокруг Антарктиды, опускаются в глубинные и придонные слои и распространяются к низким широтам, по пути происхо­дит смешивание их с другими водами.

Главными показателями водной массы как среды служат ее температура и соленость. Обычно выделяют 5 типов вод: поверх­ностные (до 75-100 м), подповерхностные (до 300 м), промежу­точные (500-1000 м), глубинные (1200-5000 м) и придонные. Большинство промежуточных, глубинных и придонных водных масс формируется из поверхностных. Опускание поверхностных вод происходит главным образом за счет тех вертикальных пере­мещений, которые вызываются их горизонтальным обращением. Особенно благоприятны условия для образования водных масс в высоких широтах, где развитию интенсивных нисходящих дви­жений по периферии циклонических масс способствуют высо­кая плотность вод и небольшие вертикальные ее градиенты. Гра­ницами различных типов водных масс являются слои, разделяю­щие структурные зоны.

По мере удаления от поверхности океана количество водных масс уменьшается. Так, было выделено 11 типов поверхностных водных масс, по 6 типов промежуточных и глубинных и 4 типа придонных. Водные массы называют по месту их расположения или формирования.

К числу наиболее важных характеристик водных масс А.Д. Доб­ровольский (1990) относит следующие:

1. Индивидуальность водных масс. Каждая водная масса фор­мируется в определенных физико-географических условиях и бо­лее или менее устойчиво существует во времени и пространстве, в частности, она не распространяется в окружающей воде, не смешивается полностью с соседними водными массами. Причи­на этого — достаточное различие в плотности, при котором тур­булентный обмен через границы незначителен.

Полезным показателем, характеризующим водную массу, часто бывает концентрация растворенного кислорода, а также концент­рация биогенных веществ. Водная масса обычно имеет опреде­ленные характеристики и присущую ей биоту, в которой могут быть свои виды-индикаторы.

2. Иерархическое строение водных масс из соподчиненных
единиц. В пределах водных масс могут быть выделены массы вто­
рого, третьего и т.д. порядков, которые занимают меньшее пространство и различаются между собой меньшими абсолютными значениями характеристик.

3. Временные и пространственные трансформации водных масс. Эти характеристики особенно важны для изучения биологии и химии океана. Среди водных масс различают первичные и вто­ ричные. Первичные водные массы («основные») занимают каж дая одну из климатических зон океана, где они формируются под влиянием местных условий. Вода, вошедшая в состав пер­ вичной водной массы, сравнительно долго остается там, где пос­ ледняя сформировалась. Так, первичная субарктическая водная масса Тихого океана обновляется в год на 10%. Вторичные вод­ ные массы образуются в результате смешения двух соседних пер вичных масс или в результате проникновения в океан воды из какого-либо моря.

Согласно К.В. Беклемишеву (1969), «водные массы являются не только понятием, пригодным для комплексной характеристи­ки вод, но и реальными объектами, фактически слагающими массу воды, наполняющую океаны». В Мировом океане существует тесная зависимость между динамикой водных масс и населяю­щими их организмами. За счет климатических и гидродинамичес­ких особенностей циркуляционных систем в них формируется своеобразный гидрохимический и температурный режим, что приводит к образованию в этих областях специфических эколо­гических условий.

Температура

. Она зависит от географической широты, сильно меняясь в пространстве и во времени. Диапазон изменения со­ставляет от +2° в высоких широтах до +60° в изолированных мел­ководных заливах в тропиках, однако на обширных простран­ствах тропического пояса температура составляет примерно 25° в поверхностном слое. Виды тропических морских организмов оби­тают в очень узком интервале температур. Сезонные потепления и похолодания ограничены примерно 100-метровой толщей (се­зонный термоклин), затем следует слой до 2000 м, где темпера­тура очень постепенно уменьшается (постоянный термоклин). Ниже идет глубинная водная масса с температурой 0...+4°. В са­мых глубоких слоях, 6000—11 000 м, колебания температуры со­ставляют от 1,1 до 3,6 "С.

Годовые колебания температур редко превышают 6-7°, а в полярных водах 2°. Вода быстро охлаждается с глубиной и даже в тропиках на дне Атлантического океана температура составляет 0,5°, а в Белом море глубже 50 м вода всегда охлаждена до —1,4°. В океанах градиенты температур в местах соприкосновения вод­ных масс создают «барьеры», не преодолимые для фауны. По мнению палеогеографов, температура поверхности океана суще­ственно не менялась на протяжении последних 800 млн лет.

Диапазон температуры, в котором происходит нерест и эмб­риональное развитие многих морских животных, оказывается часто более узким и четко выраженным, чем диапазон темпера­туры, в котором возможна нормальная жизнедеятельность взрос­лых животных.

Поскольку процесс фотосинтеза инициируется солнечной ра­диацией, количество световой энергии в данной точке океана, безусловно, лимитирует первичную продукцию органического вещества. Освещенность поверхностных слоев моря зависит: от географической широты места, сезона года, облачности, высо­ты солнца над горизонтом и количества влаги в атмосфере. Ин­тенсивность света быстро уменьшается с глубиной. В среднем на глубине 10 м для фотосинтеза доступно лишь 10% световой энер­гии, поступившей на поверхность моря, а на глубине 100 м — только 1 %. Зона первичного продуцирования ограничивается нес­колькими десятками метров от поверхности. В прибрежных во­дах, где обычно содержится значительно больше взвешенных частиц, чем в водах открытого океана, света на глубину прони­кает еще меньше.

Вода поглощает в большем количестве красные лучи спектра и относительно лучше пропускает сине-фиолетовые. В связи с этим зеленые и бурые водоросли, обитающие ближе к поверхности моря, сменяются на больших глубинах красными водорослями, окраска которых является дополнительной к сине-фиолетовым лучам, проникающим на эти глубины. Еще глубже, от 200 до 500 м, сила света ослабевает настолько, что фотосинтезирующие растения исчезают полностью. В областях, лишенных света, скла­дываются своеобразные экологические условия.

Химический, биогенный и газовый состав вод океана.

Океан — часть земной коры, и его химический состав претерпевал измене­ния за время преобразования коры, особенно в период до 2 млрд лет назад. Океан служит резервуаром, в котором перемешиваются ве­щества в непрекращающемся процессе превращения извержен­ных пород в осадочные материалы, привноса ионов реками и юве-нильными водами, а также перехода ионов в осадки. В.И. Вер­надский (1926) писал: «Мировой океан с происходящими в нем сложными процессами равновесия не является изолированным в земной коре. Его вещество находится в теснейшем обмене с ат­мосферой и сушей, и этот обмен имеет огромное значение не только для химии моря, но и для химии всей земной коры».

Нормальные пределы изменения солености Мирового океана 33,00-37,00%о, масса солей составляет 4,8 • 10¹⁸т. Соленость на поверхности открытого океана изменяется (в %о) от 32,5 в се­верной части Тихого океана и 34 в антарктических широтах до 36,0 в центрах интенсивного испарения в средних широтах Ин­дийского океана и 37,0 в Атлантике, а в Персидском заливе — до 50—100. Если все соли, содержащиеся в растворе, извлечь и ровным слоем разместить на поверхности земного шара, то его толщина составит 12 м. Общее количество солей в океане состав­ляет 5- 10¹⁶т. Практически все элементы таблицы Менделеева имеются в океанской воде, встречаясь прежде всего в виде сое­динений: силикатов, фосфатов, нитратов, нитритов, аммиака и органически связанного азота. Преобладают хлориды и карбона­ты: на долю ионов хлора приходится 55,0% всех солей, карбона­тов — 30,6, сульфатов — 7,7, магнезии 3,7, кальция — 1,2, по­таша — 1,1, брома — 0,2, бора — 0,07%.

Кроме биогенных элементов (N,P,Si) важную физиологичес­кую роль в процессе развития фитопланктона играют также не­которые каталитические микроэлементы: например, Fe, Cu, Mg, Со и др., выступая в качестве катализаторов окислительно-вос­становительных процессов, протекающих в живом веществе, ока­зывают значительное влияние на процессы фотосинтеза и обме­на веществ. Недостаточность этих микроэлементов в морской воде является фактором, лимитирующим развитие фитопланктона.

Принос в океан речным стоком биогенных элементов и мик­роэлементов, а также вынос их из глубинных слоев при подъе­ме вод и вертикальном перемешивании далеко не всегда ком­пенсируют их недостаточность. Соответствующие расчеты коли­чества микроэлементов, необходимых для обеспечения первичной продукции фитопланктона Мирового океана (Гор­деев, Лисицын, 1979), показали, что в биологический кругово­рот вовлекаются и полностью (или даже неоднократно) исполь­зуются поставляемые реками Ва, Ni, PI, Ag, Cd, Zn, Cu, Si. Очевиден напряженный баланс этих микроэлементов в океане. Распределение их концентраций по глубине свидетельствует о многократном превышении концентрации фосфатов и кремни­евой кислоты в глубинной зоне по сравнению с поверхностным слоем. Уже на глубине 200 м это преобладание обычно бывает 2—4-кратным, а на глубине 800—1000 м — еще большим, со­храняющимся в более глубоко распространенных слоях. Круго­ворот кремния, фосфора и связанного азота почти целиком определяется процессом извлечения их фитопланктоном. Поступ­ление растворенных форм этих элементов с речным стоком не­значительно — менее 1%.

Создание первичной продукции жестко лимитировано исклю­чительной напряженностью «фонда» биогенных элементов.

Наиболее продуктивными являются воды приарктических райо­нов океанов, где зимой происходит интенсивная конвекция, а также приантарктических, где наблюдается постоянный подъем глубинных вод.

Если в тонком поверхностном слое морей и океанов произво­дится органическое вещество, то оно потребляется как здесь, так и в более глубоко лежащих слоях. Биомасса живых организ­мов после отмирания почти полностью минерализуется и час­тично переходит в донные отложения, подчас надолго выпадая из процессов обмена в биосфере. Нижележащие подстилающие воды в океане представляют собой своеобразное депо, слой аккумуляции минеральных биогенных элементов, где одновременно происходит их перераспределение. Некоторая и с каждым годом все возрастающая доля био массы водных организмов изымается Человеком. Время пребывания элементов уменьшает объем минеральных фондов биогенных элементов.

Водные организмы ис­пользуют для своего разви­тия и воспроизводства мно­жество различных элемен­тов, причем некоторые из них включаются в процес­сы жизнедеятельности в микродозах. 99,9993% мас­сы находящихся в воде со­единений приходится на 11 ионов основного солево­го состава (СГ, Na⁺, Mg²⁺, SO²', Са²⁺, К⁺, ВГ, НСОз, Sr³⁺, F и HS0₄^_). Именно они требуются для синтеза живых тканей в значитель­ных количествах.

Органическая жизнь су­ществует в природных во­дах любой солености, от слабоминерализованной во­ды северных речек и озер (< 0,1%о) до водоемов с са­мосадочной солью (~ 300%о). По отношению к соленос­ти различаются в качествен­ном и количественном от­ношении главные типы вод­ных организмов: морские, пресноводные, солоновато-водные и организмы пере-солоненных водоемов.

Н.М. Книппович (1938) принимает за границу между морски­ми и солоноватыми водами соленость 24,7%о, при которой темпе­ратура замерзания воды и температура ее наибольшей плотности одинаковы и составляют — 1,33°. Некоторые исследователи считают, что реальность установленной исключительно по физическому прин­ципу границы Книпповича подтверждается фаунистическими ма­териалами. Однако С.А. Зернов (1949) принимает за верхний пре­дел солоноватых вод соленость 16%о, так как черноморская фауна до этой солености сохраняет типичный морской облик.

Всех водных животных подразделяют на 2 большие группы: пойкилосмотические, внутренняя среда которых (кровь, лимфа, гемолимфа, целомическая жидкость) находится в осмотическом равновесии с внешней средой, и гомойосмотические, поддержи­вающие осмотическое давление внутренней среды на уровне, отличном от осмотического давления внешней среды.

К пойкилосмотическим животным относится подавляющее большинство морских беспозвоночных и немногочисленные груп­пы позвоночных. Осмотическое давление внутренней среды бес­позвоночных обеспечивается прежде всего минеральными иона­ми; доля органических веществ очень мала. Напротив, у пойкил-осмотических позвоночных, способных к жизни в условиях переменной солености (зеленая жаба, таиландская лягушка-кра-боед), осмотическое давление внутренней среды наполовину или даже больше обеспечивается органическими веществами, в пер­вую очередь мочевиной. Таким образом, создается осмотическое «противодавление», препятствующее движению воды через кле­точную мембрану и тем самым сохраняющее относительное по­стоянство объема клетки.

В биологических процессах, протекающих в морской воде, за­метную роль играют некоторые газы. Из азота, кислорода и диок­сида углерода, растворенных в воде в наибольших количествах, особое значение для поддержания жизни в океане имеет кисло­род. Содержание газообразного азота во всей толще вод океана сохраняется на уровне полного насыщения.

Воды Мирового океана пополняются кислородом преимуще­ственно за счет жизнедеятельности фитопланктона и притока из атмосферы. Из 223,6 млрд т кислорода, поступающего в океан за год, 220 млрд т (98,4%) создается в результате жизнедеятельнос­ти растений и 3,6 млрд т (1,6%) поступает из атмосферы. Поверх­ностные водные массы оказываются наиболее обогащенными кислородом, и именно они снабжают им более глубокие слои воды океана. Опускание холодных водных масс, течения, круго­вороты, сезонные и суточные вертикальные перемешивания — все эти процессы способствуют обогащению кислородом глубин­ных вод Мирового океана.

На глубине водные массы постепенно теряют растворенный в них кислород. Поэтому, как правило, содержание кислорода в пределах абиссальных глубин сильно понижено, а в некоторых впадинах (в Черном, Балтийском морях, Норвежских фиордах и др.) он полностью отсутствует, что ограничивает или даже ис­ключает растительную и животную жизнь.

В некоторые годы дефицит кислорода наблюдается в северо­западной части Индийского океана. В период зимнего муссона опресненные поверхностные воды Бенгальского залива и Анда­манского моря выносятся Северо-Восточным течением в Ара­вийское море и образуют устойчивый слой, почти полностью прекращающий вертикальную конвекцию и способствующий быстрому образованию кислородного дефицита в подстилающих его слоях. В результате происходит массовая гибель рыбы, иногда масса погибшей рыбы достигает нескольких миллионов тонн.

Итак, кислородный режим является важным фактором, опре­деляющим объем и характер биопродуктивности вод. По самым ориентировочным подсчетам, примерно 0,6 млн км² площади шельфа и верхней части склона в Мировом океане из-за крайне неблагоприятного кислородного режима исключается из числа перспективных районов для промысла придонных рыб.

Течения. Динамика вод открытых районов Мирового океана выражается главным образом в виде течений, локальных или ох­ватывающих огромные пространства широтных и меридиональ­ных потоков. Течения являются основным средством расселения морских организмов,но могут стать и барьером на их путях, как происходит с Гольфстримом.

Величины вертикальных составляющих скорости течений в среднем по всему Мировому океану от наибольших значений порядка нескольких единиц на 10 см-с"¹ в поверхностной зоне уменьшаются до нескольких единиц на 10~⁴см-с в глубинной и придонной зонах.

Океаническая циркуляция вод обусловливает распределение биогенных осадков, глобального теплового баланса, фаунисти-ческих провинций. Она зависит от: 1. Зональных направлений ветров, определяющих поверхностные течения в слое до 1 км;

2. Преобладания в данном бассейне испарения или притока вод;

3. Плотностного распределения воды — главного фактора, вы­зывающего течения на глубине более I км; 4. Апвеллинга; 5. Слоя кислородного минимума.

Очевидно действие испарения (средиземноморский тип цир­куляции) или притока (гумидный эстуариевый тип циркуляции). В Средиземном море воды из открытого океана втекают в залив, распространяются по поверхности, испаряясь, осолоняются, опускаются вниз и устремляются в океан в виде глубинного по­тока. В эстуариевом (лагунном) типе пресная вода поступает с вершины залива и растекается по поверхности, глубоководный поток поступает через устье и, перемешиваясь, поднимается вверх. К первому типу кроме Средиземного моря относятся Персидс­кий залив и Северная Атлантика, в которой соленые тяжелые воды на севере опускаются вниз. Здесь мало питательных веществ, фосфора, азота, кремния, но много кислорода и известковых осадков. Ко второму — Черное море и Северная Пацифика. Здесь много питательных веществ, в водах мало кислорода (он уходит на окисление органических веществ), осадки бедны СаС0₄ (он растворяется) и обогащены углеводородами.

Важным фактором является плотность морской воды, кото­рая увеличивается с возрастанием солености и понижением тем­пературы. Эти явления очень важны для формирования водных масс в глубинах океана. Так, вглубь опускаются средиземномор­ские воды с соленостью >36%о, вытекающие в Атлантику и образующие североатлантические глубинные воды. Массы антарк­тических придонных вод занимают на разных глубинах всю Ат­лантику от 60° ю.ш. до 60° с.ш.

Следующий аспект циркуляции — апвеллинг. В результате от­гона ветром поверхностного слоя воды от берега на его место поднимается более глубинная вода. Прибрежный апвеллинг иг­рает очень важную роль, так как к поверхности постоянно при­носится много питательных веществ, особенно фосфора. Обилие фосфора в экосистеме служит основой для крупнейших в мире мест рыбного лова у побережья Перу.

Последний фактор — слой кислородного минимума. Это слой мощностью 200—500 м, выше и ниже которого расположены воды с большим содержанием кислорода. В морских впадинах с огра­ниченной циркуляцией кислород может вообще отсутствовать, как это наблюдается в Черном море. Слой кислородного мини­мума обязан своим происхождением высокой биологической про­дуктивности, обилию питательных веществ и последующему окис­лению образующегося органического вещества. Очевидно, что такие явления никогда не наблюдаются в малопродуктивных по­лярных водах.

Для жизни в океане важное значение имеют глубинные проти­вотечения, система которых была обнаружена только в 60-х гг. XX в. Исследования последних лет показали, что роль подводного вулканизма в Мировом океане, в том числе его тепловом балан­се, достаточно значима. При образовании подводных гор, вулка­нических поднятий и островов, а также при непосредственной вулканической деятельности в океан поставляется тепла до 15 • 10²⁰Дж в год. Тепловые аномалии наиболее заметны в годы максимального проявления подводной вулканической деятель­ности, особенно в Азорском, Исландском и Галапагосском ре­гионах. В Северной Атлантике, где влияние горячих ювенильных вод распространялось на площади примерно 1 млн км², темпера­тура воды за их счет может повыситься на 3 °С. Такая ситуация сложилась в 1982-1983 гг., с чем связывают повышение числен­ности кальмаров в эти годы в Баренцевом море.

Итак, важнейшими условиями, определяющими биологичес­кую продуктивность Мирового океана, являются динамика вод­ных масс, их вертикальные и горизонтальные перемещения, за­висимые от основной системы воздушных потоков, и др. (рис. 76).