Физические и химические свойства вод Мирового океана

Соленость. Океанская вода по весу состоит на 96,5% из чистой воды и на 3,5% из растворенных в ней минеральных веществ, газов, микроэлементов, коллоидов и взвесей органического и неорга­нического происхождения. В состав морской воды входят все известные химические элементы. Больше всего в океанской воде натрия, т. е. поваренной соли NaCl (27,2 г на 1 л), поэтому вода Океана на вкус соленая. Затем следуют соли магния – MgCl (3,8 г на 1 л) и MgSO₄ (1,7 г на 1 л), придающие воде горький вкус. На все остальные элементы, среди которых и биоген­ные элементы (фосфор, азот и т. п.), и микроэлементы, приходится меньше 1%, т. е. их содержание ничтожно мало. Общее количество солей в Океане достигает 50 • 10¹⁶ т. При осаждении эти соли могут покрыть дно Океана слоем примерно в 60 м, всю Землю слоем в 45 м, а сушу слоем в 153 м. Удивительная особенность океанской воды – постоянство солевого состава. Раствор может быть в разных частях Океана разной концентрации, но соотношение главнейших солей остается неизменным.

Средняя соленость[1] Мирового океана 35‰. Наи­большую среднюю соленость имеет Атлантический океан – 35,4‰, наименьшую – Северный Ледовитый – 32‰. Отклонения от средней солености в ту и другую сторону вызываются главным образом изменениями в приходно-расходном балансе пресной воды. Атмосферные осадки, выпадающие на поверхность Океана, сток с суши, таяние льдов вызывают понижение солености; испа­рение, образование льда – наоборот, повышают ее. Так как изменения солености связаны в основном с прихо­дом и расходом пресной воды, они заметны только в поверхност­ном слое, непосредственно получающем атмосферные осадки и испаряющем воду, и в некотором слое под ним (до глубины 1500 м), определяемым глубиной перемешивания. Глубже соленость вод Мирового океана остается неизменной (34,7 – 34,9 ‰).

Соленость морской воды тесно связана с ее плотностью. Плотность воды Океана–отношение массы единицы ее объема при данной температуре к массе чистой воды того же объема при температуре + 4°С. Плотность воды Океана с увеличением солености всегда по­вышается, поскольку растет содержание веществ, имеющих боль­ший, чем вода, удельный вес. Увеличению плотности поверхност­ных слоев воды способствует охлаждение, испарение и образова­ние льда. Нагревание, а также смешение соленой воды с водой атмосферных осадков или талой водой вызывают понижение плот­ности. На поверхности океана наблюдается изменение плотности в пределах от 0,9960 до 1,083. В открытом Океане плотность, как правило, определяется температурой и поэтому от экватора к по­люсам в общем растет. С глубиной плотность воды в Океане уве­личивается.

Газы в воде Океана. Газы попадают в воду из атмосферы, выделяются при химических и биологических процессах, их приносят реки, они поступают при подводных извержениях. Перераспределение га­зов происходит посредством перемешивания. Способность океанской воды растворять газы зависит от ее тем­пературы, солености и гидростатического давления. Чем выше температура и соленость воды, тем меньше газов может в ней раствориться. Растворены в воде прежде всего азот (63%), кислород (35%) и угле­кислый газ, а также сероводород, аммиак, метан и др.

Углекислый газ, как и кислород, лучше растворяется в холодной воде. Поэтому при по­вышении температуры вода отдает его атмосфере, при пониже­нии – поглощает. Днем, в связи с усиленным потреблением угле­кислого газа растениями, содержание его в воде уменьшается, ночью, наоборот, возрастает. В высоких широтах Океан поглощает углекислый газ, в низких – выделяет его в атмосферу. Обмен газами между Океаном и атмосферой – процесс непрерывный.

Давление.На каждый квадратный сантиметр поверхности Океана атмосфера давит приблизительно с силой 1 кг (одна атмосфера). То же давление на ту же площадь оказывает стол­бик воды высотой всего в 10,06 м. Таким образом, можно считать, что на каждые 10 м глубины давление увеличивается на 1 атм. Все процессы, происходящие на большой глубине, совершаются под сильным давлением, но это не препятствует развитию жизни в глубинах Океана.

Прозрачность.Лучистая энергия Солнца, прони­кая в толщу воды, рассеивается и поглощается. Степень рассеивания и поглощения солнечной энергии зависит от количества взвешенных частиц, содержащихся в воде. Наименьшая прозрачность наблюдается у берегов на мел­ководье, в связи с увеличением количества взвесей, вносимых реками, и взмучиванием грунта волнением. Значительно уменьшается прозрачность воды в период массового развития планктона и при таянии льдов (лед всегда содержит примеси; кроме того, масса пузырьков воздуха, заключенных во льду, переходит в воду). Прозрачность воды увеличивается в местах подъема на поверх­ность глубинных вод.

Прозрачность выражается числом метров, т. е. глубиной, на которой еще виден белый диск диаметром 30 см. Наибольшая прозрачность (67 м) наблюдалась в Центральной части Тихого океана, в Средизем­ном море – 60 м, в Индийском океане – 50 м. В Северном море она равна 23 м, в Балтийском – 13 м, в Белом – 9 м, в Азовском – 3 м.

Цвет воды океанов и морей. Толща чистой воды Океана в результате собирательного поглощения и рассеивания света имеет голубой или синий цвет. Присутствие планктона и неорга­нических взвесей отражается на цвете воды, и она приобретает зеленоватый оттенок. Большие количества органических примесей делают воду желтовато-зеленой, близ устья рек она может быть даже корич­невой.

В экваториальных и тропических широтах господствующий цвет воды Океана темно-голубой и даже синий. Такого цвета вода, например, в Бенгальском заливе, Аравийском море, южной части Китайского моря, Красном море. Синяя вода в Средизем­ном и Черном морях. В умерен­ных широтах во многих местах вода зеленоватая (особенно у берегов), заметно зеленеет она в районах таяния льдов. В по­лярных широтах зеленоватый цвет преобладает.

Свечение моря.Свечение морской воды со­здается организмами, испускающими «живой» свет. К таким ор­ганизмам относятся прежде всего светящиеся бактерии. В опресненных прибрежных водах, где распространены главным образом такие бактерии, свечение моря наблюдается в виде ровного молочного света. Свечение вызывается, кроме того, мелкими и мельчайшими простейшими организмами, из которых наиболее известна ночесветка (Noctiluca). Некоторые более крупные организмы (большие медузы, мшанки, рыбы, кольчатые черви и др.) также отличаются способ­ностью производить свет. Свечение моря представляет собой явление, распространенное по всему Мировому океану. Оно наблюдается только в морской воде и никогда не бывает в пресной.

Цветение моря представляет собой бурное развитие зоо- и фи­топланктона в поверхностных слоях моря. Массовые скопления этих организмов вызывают изменения в окраске поверхности моря в виде желтых, розовых, молочных, зеленых, красных, бурых и дру­гих полос и пятен.

Звукопроводностьокеанической воды в 5 раз больше, чем воздуха. В воздухе звуковая волна движется со скоростью 332 м/с, в пресной воде – 435 м/с, в океанической – 1500 м/с. Распространение звука в морской воде зависит от температуры, солености, давления, содержания газов, а также взвешенных при­месей органического и неорганического происхождения.

Температура воды Мирового Океана. Основной источник тепла, получаемого поверхностью Мирового океана – это прямая и рассеянная солнечная радиация. Дополнительным источником тепла могут служить речные воды. Часть поступившей солнечной радиации отражается водной поверхностью, часть излучается в атмосферу и межпланетное пространство. Большое количество тепла море теряет на испарение. Большая роль в распределении и изменении температуры вод океанов принадлежит материкам, господствующим вет­рам и особенно течениям.

Морские воды, соприкасаясь с атмосферой, обмениваются с ней теплом. Если вода теплее воздуха, то происходит отдача тепла в атмосферу, если же вода холоднее, она получает некоторое коли­чество тепла в процессе теплообмена.

Тепло, поступающее от Солнца, поглощается тонким поверхност­ным слоем и идет на нагревание воды, но благодаря малой тепло­проводности воды почти не передается на глубину. Проникновение тепла от поверхности к нижележащим слоям происходит главным образом путем вертикального перемешивания, а также за счет адвекции тепла глубинными течениями. В результате вер­тикального перемешивания в летнее время к поверхности под­нимаются более холодные воды и понижают температуру поверхностных слоев, а глубинные воды отепляются. В зимнее время, когда поверхностные воды охлаждены, с глубин в процессе верти­кального обмена происходит подток более теплых вод, задержи­вающих начало ледообразования.

Средняя годовая температура на поверхности Океана + 17,4°С, в то время как средняя годовая температура воздуха +14°С. Наиболее высокую среднюю температуру имеет поверхность Ти­хого океана, большая часть которой находится в низких широтах (+ 19,1°С), Индийского (+ 17,1°С), Атлантического (+ 16,9°С). Значительные изменения температуры происходят только в верхних слоях воды Океана мощностью 200 – 1000 м. Глубже температура не превышает + 4, + 5°С и изменяется очень мало. Благодаря большой теплоем­кости воды Океан является аккумулятором солнечного тепла на Земле.

Процесс ледообразования в морской и пресной воде происходит различно – пресная вода замерзает при темпера­туре 0°С (несколько ниже 0°С), а морская вода замерзает при разной температуре в за­висимости от солености. Образование льда в Океане начинается с возникновения прес­ных кристаллов, которые затем смерзаются. При этом в про­странстве между кристаллами льда остаются капельки крепкого рассола, поэтому при образовании лед соленый. Чем ниже температура, при кото­рой происходило льдообразование, тем солонее лед. Рассол постепенно стекает между кристаллами, поэтому с течением времени лед опресняется.

В высоких широтах северного полушария образовавшийся зи­мой лед не успевает растаять за лето, поэтому среди полярных льдов встречаются льды разного возраста – от однолетних до многолетних. Толщина однолетнего льда в Арктике достигает 2 – 2,5 м, в Антарктике 1 – 1,5 м. Многолетние льды имеют мощ­ность 3 – 5 м и более. В месте сжатия льдов их толщина дости­гает 40 м. Льды покрывают около 15% всей акватории Мирового океана, т. е. 55 млн. км², в том числе 38 млн. км² в южном полушарии.

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.

Понятие о водных массах. Воды Мирового океана обладают весьма различными физическими и химическими свойствами. Большие объемы воды, сформированные в данных физико-географических условиях в опре­деленные отрезки времени и отличающиеся характерными физиче­скими, химическими и биологическими свойствами, называют водными массами.

Вод­ные массы формируются главным образом в поверхностных слоях Мирового океана под влиянием климатических условий, процессов термического и динамического взаимодействия океана и атмо­сферы. В формировании водных масс основная роль при­надлежит конвективному[2] перемешиванию, которое, так же как и другие типы вертикального обмена, завершается образованием од­нородной водной массы. Течениями водные массы переносятся в другие районы, где, соприкасаясь с водами иного происхождения, трансформируются, особенно по периферии.

Движение вод океана

Вся масса океанских вод непрерывно движется. Это обеспечи­вает постоянное перемешивание воды, перераспределение тепла, солей и газов. Различают 3 вида движения: колебательные –волны, поступательные – океанические течения, смешанные – приливы и отливы.

Волны. Главная причина возникновения волн на поверхности Мирового океана – ветер. В отдельных случаях волны достигают высоты 18 м и длины до 1 км. С глубиной волны затухают.

При землетрясении, подводном извержении вулкана и подводных оползнях возникают сейсмические волны, распространяющиеся от эпицентра во все стороны и охватывающие всю толщу воды. Они называются цунами. Обычные цунами – волны, следующие друг за другом с периодичностью 20 – 60 минут со скоростью – 400 – 800 км/час. В открытом океане высота цунами не превышает 1 м. При подходе к берегу – на мелководье, цунами превращается в гигантскую волну до 15 – 30 м. Такие волны вызывают огромные разрушения. Цунами чаще других поражает восточные побережья Евразии, Японии, Новой Зеландии, Австралии, Филиппинские и Гавайский острова, юго-восточную часть Камчатки.

Океанические течения. Поступательные движения огромных масс воды называются течениями. Это горизонтальное перемещение воды на большие расстояния. Течения бывают ветровыми (или дрейфовыми), когда причиной является ветер, дующий в одном направлении. Сточные течения возникают в случае постоянного поднятия уровня воды, вызванного ее притоком или обильными атмосферными осадками. Например, Течение Гольфстрим вызвано повышением уровня воды в связи с притоком из соседнего Карибского моря. Компенсационные течения возмещают убыль воды в какой-либо части океана. Когда ветер постоянно дует с суши на море, он отгоняет поверхностные воды, на место которых поднимаются холодные воды из глубин. Плотностные течения – результат различной плотности воды на одной глубине. Их можно наблюдать в проливах, соединяющих моря с различной соленостью. Например, по проливу Босфор по дну из Средиземного моря в Черное идет более соленая и плотная вода, а навстречу этому потоку оп поверхности – более пресная.

Те­чения нарушают широтную зональность в распределении темпе­ратуры. Во всех трех океанах – Атлантическом, Индийском и Ти­хом – под влиянием течений возникают температурные аномалии: положительные аномалии связаны с переносом теплых вод от эква­тора в более высокие широты течениями, имеющими близкое к ме­ридиональному направление; отрицательные аномалии вызваны противоположно направленными (от высоких широт к экватору) холодными течениями. Течения оказывают влияние на распределение и других океа­нологических характеристик: солености, содержания кислорода, биогенных веществ, цвета, прозрачности и др. Распределение этих характеристик оказывает огромное влияние на развитие биологи­ческих процессов, растительный и животный мир морей и океа­нов.

Смешанные течения – приливы и отливы, возникающие в результате осевого вращения Земли и притяжения планеты Солнцем и Луной. В каждой точке поверхности Океана 2 раза в сутки наблюдается прилив и 2 раза – отлив. Высота приливной волны в открытом океане – около 1,5 м, а у берегов – зависит от их конфигурации. Самый высокий прилив в заливе Фанди у берегов Северной Америки в Атлантическом океане – 18 м.

Океан как среда жизни

В Мировом океане жизнь существует повсюду – в разных формах и разных проявлениях. По условиям существования в Океане выделяются две различные области: толща воды (пелагиаль) и дно (бенталь).Бенталь разделяется на прибрежную – литораль, имеющую глубины до 200 м, и глубинную – абиссаль. Абиссальная область представлена своеобразными организмами, приспособленными к обитанию в условиях низкой температуры, вы­сокого давления, отсутствия света и относительно малого содержа­ния кислорода.

Органический мир Океана состоит из трех групп: бентоса, планктона, нектона. Бентос – обитатели дна (растения, черви, моллюски), неспособные надолго подниматься в толщу воды. Планктон – обитатели водной толщи (бактерии, грибки, водоросли, простейшие и т. д.), не обладающие способностью активно перемещаться на большие расстояния. Нектон – обитатели вод, свободно проплывающие большие расстояния (киты, дельфины, рыбы).

Зеленые растения могут развиваться только там, где освеще­ние достаточно для фотосинтеза (до глубины не более 200 м). Большую часть массы живого вещества в Океане составляет фитопланктон, населяющий верхний 100-метровый слой воды. Средняя масса фитопланктона 1,7 млрд. т, годовая продукция 550 млрд. т. Самая распро­страненная форма фитопланктона – диатомовые водоросли, пред­ставленные 15 тыс. видов. Одна диатомовая водоросль за месяц способна дать 10 млн. экземпляров. Только потому, что фито­планктон быстро отмирает и поедается в больших количествах, он не заполнил Океан. Фитопланктон – начальное звено пищевой цепи в Океане. Места обильного развития фитопланк­тона – места повышенного плодородия в Океане, богатые жизнью вообще.

Распределение жизни в Океане очень неравномерно и имеет отчетливо выраженный зональный характер. В высоких широтах северного, полушария условия развития фитопланктона неблаго­приятные – сплошной ледяной покров, полярная ночь, низкое по­ложение Солнца над горизонтом летом, холодная (ниже 0°С) вода, слабая вертикальная циркуляция (следствие опресненности верх­него слоя воды), не обеспечивающая выноса питательных веществ с глубин. Летом появляются в полыньях некоторые холодолюбивые рыбы и питающиеся рыбой тюлени.

В субполярных широтах происходит сезонная миграция кромки полярных льдов. В холодную часть года в слое в не­сколько сотен метров вода интенсивно перемешивается (следствие охлаждения), обогащаясь кислородом и питательными солями. Весной и летом поступает много света, и, несмотря на сравни­тельно низкую температуру воды (результат затрат тепла на таяние), в ней развивается масса фитопланктона. Затем следует короткий период развития зоопланктона, питающегося фито­планктоном. В этот период в субполярной зоне скапливается множество рыбы (сельдь, треска, пикша, морской окунь и др.). Приходят на откорм киты, которых особенно много в южном полушарии.

В умеренных широтах обоих полушарий сильное перемешива­ние воды, достаточное количество тепла и света создают наибо­лее благоприятные условия для развития жизни. Это самые про­дуктивные зоны Океана. Максимальное развитие фитопланктона наблюдается весной. Он усваивает питательные вещества, коли­чество их уменьшается – начинается развитие зоопланктона. Осенью – второй максимум развития фитопланктона. Обилие зоо­планктона обусловливает обилие рыбы (сельдь, треска, анчоус, лосось, сардина, тунец, камбала, палтус, навага и т. д.).

В субтропических и тропических широтах вода на поверх­ности Океана имеет повышенную соленость, но из-за высокой температуры оказывается сравнительно легкой, что мешает пе­ремешиванию. Частицы, содержащие питательные вещества, не задерживаясь, опускаются на дно. Кислорода в 2 раза меньше, чем в умеренной зоне. Фитопланктон развивается сла6o, мало и зоопланктона. В субтропических широтах вода обладает наиболь­шей прозрачностью и интенсивным голубым цветом (цвет океан­ской пустыни). В теплой воде растут не связанные с дном бурые водоросли – саргассы, типичные для этой части Океана.

В экваториальных широтах на границе пассатных течений и экваториального противотечения происходит перемешивание воды, и поэтому она относительно богата питательными солями и кислородом. Планктона здесь значительно больше, чем в соседних широтах, хотя и не так много, как на северной окраине уме­ренной зоны.

Теплая вода содержит мало углекислого газа и поэтому плохо растворяет углекислый кальций, который содержится в ней в изо­билии и легко усваивается растениями и животными. В резуль­тате раковины и скелеты животных приобретают массивность и прочность, а после отмирания организмов образуются мощные толщи карбонатовых отложений, коралловые рифы и острова, столь характерные для низких широт.

Широтная зональность распределения жизни в верхних слоях Океана, хорошо выраженная в его открытой части, нарушается на окраине под влиянием ветров и течений.