Химические свойства природных вод и гидробионты
Одним из важнейших свойств природной воды является ее способность растворять другие вещества: твердые, жидкие и газообразные. Понятно, что растворимость различных веществ в воде при одинаковых условиях будет отличаться: она будет зависеть от количества растворяемого вещества, температуры и давления.
Известно, что повышение температуры воды способствует лучшему растворению твердых веществ, а понижение — растворению газов. Повышение температуры воды является причиной взаимного разъединения молекул вещества и перехода его из твердого состояния в жидкое, а из жидкого — в газообразное. Понижение температуры воды оказывает противоположное действие.
Другим фактором, влияющим на растворение веществ в воде, является давление. Это, в первую очередь, относится к газам, поскольку несжимаемые твердые и жидкие тела практически не оказывают влияние на переходы вещества из твердого в жидкое состояние и наоборот. В то же время, уменьшение объема газа при одной и той же температуре прямо пропорционально давлению. Всякое повышение давления способствует как переходу пара или газа в жидкое состояние, так и росту растворенного газа в жидкости, а любое понижение давления действует на оба процесса в противоположном направлении.
Вода поверхностных водоемов постоянно соприкасается с атмосферой, представляющей собой смесь газов, в основном, азота, кислорода и углекислого газа в определенной пропорции с примесью водяного пара. Каждый из газов оказывает на жидкость парциальное давление, независимое от других газов. Поэтому суммарное давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений отдельных газов.
На границе фаз вода-атмосфера происходит поглощение водой атмосферного воздуха, при этом процесс зависит как от температуры, так и от атмосферного давления. При понижении температуры и повышении давления поверхностный слой водоема обогащается газами до полного насыщения, когда их парциальное давление в атмосфере и воде уравновешивается. При поглощении воздуха водой из-за различной растворимости газов меняется их соотношение по сравнению с атмосферой. В воде, сравнительно с воздухом, процентное содержание азота уменьшается, а кислорода и углекислого газа увеличивается. Поэтому содержание растворенных в воде газов следующее: азота — 62%, кислорода — 34%, углекислого газа 4%.
В отношении кислорода в некоторых водоемах при массовом развитии водорослей наблюдается временное состояние пересыщения, когда количество растворенного газа оказывается большим, чем то, которое соответствует данной температуре и давлению. Однако дыхание зоопланктона и траты кислорода на окисление отмершего планктона препятствуют состоянию пересыщения, уменьшая содержание газа в воде. Подповерхностные и глубинные слои воды обогащаются кислородом за счет насыщенного поверхностного слоя посредством диффузии или конвекционных токов, а также за счет фотосинтеза глубоководных растений.
Вертикальное распределение кислорода в водоемах разных типов существенно различается. Полная циркуляция воды весной и осенью обогащает глубинные слои кислородом. Дальнейшая судьба кислорода на глубине зависит от процессов дыхания гидробионтов и от окислительных процессов разложения детрита и отмерших организмов.
В глубоких олиготрофных водоемах летом и зимой в слое температурного скачка не наблюдается резкого падения концентрации кислорода. Содержание кислорода в слое воды под термоклином составляет не менее 70% насыщения.
В равнинных озерах и водохранилищах умеренной зоны летом поверхностные слои, расположенные под термоклином, обычно не только насыщены, но и пересыщены кислородом за счет массового развития фитопланктона. Это создает благоприятные условия для развития зоопланктона. Отмирая, планктонные сообщества опускаются на дно и разлагаются. Однако в слое термоклина их погружение замедляется из- за возрастающей плотности воды, и на процессы их разложения расходуется большое количество кислорода. Вместе с тем, плотный слой планктона над термоклином уменьшает прозрачность воды, препятствуя развитию водорослей, которые могли бы восполнить недостаток кислорода. Значительная доля кислорода потребляется и на дыхание планктона. Все это приводит к тому, что температурному скачку соответствует параллельный ему кислородный скачок и в слое воды под термоклином иногда содержание кислорода становится ничтожным или вовсе исчезает.
Зимой в равнинных водоемах в зависимости от их глубины кислородный режим существенно отличается. В глубоких озерах после полной осенней циркуляции вод содержание кислорода в придонных слоях остается достаточным. В мелких водоемах в конце зимнего периода перед вскрытием льда придонные слои содержат чрезвычайно низкие концентрации кислорода или обнаруживают его полное отсутствие. Поэтому в таких водоемах часто имеет место «замор», сопровождающийся гибелью рыб и других гидробионтов.