Вертикальная и горизонтальная зональность океана.
В настоящее время в Мировом океане насчитывается более 160 тыс. видов животных и около 10 тыс. видов растений. Среди животных около 16 тыс. видов рыб, 80 тыс. видов моллюсков, более 20 тыс. видов ракообразных, около 15 тыс. видов простейших, около 9 тыс. видов кишечнополостных, более 100 видов млекопитающих, около 50 видов пресмыкающихся. С океаном связана жизнь около 240 видов водоплавающих птиц (пингвинов, чаек, альбатросов, буревестников, бакланов, пеликанов и др.).
Среди растений в Мировом океане преобладают водоросли: зеленые, диатомовые, бурые, красные, сине-зеленые, а также около 30 видов цветковых растений.
Океан заселен бесчисленным количеством бактерий. Одним из них для питания нужны органические соединения, другие способны синтезировать неорганическое вещество, как это делают растения.
По способности перемещения и зонам распространения водные организмы делятся на следующие виды: 1) планктон - растительные и животные организмы, неспособные к активному перемещению; 2) нектон - животные организмы, активно перемещающиеся по всей толще воды; 3) бентос - водные (животные и растительные) организмы, обитающие на дне и в донных отложениях; 4) перефитон - водные организмы, покрывающие камни, сваи, бетонные сооружения и т.п.
Кроме этих групп, существуют также своеобразные сообщества, связанные с поверхностной пленкой воды. Это плейстон и нейстон (гипонейстон и эпинейстон). Плейстоном называют совокупность организмов, плавающих на поверхности воды. К нейстону относятся организмы, прикрепляющиеся к поверхностной пленке сверху иснизу. Плейстон и, главным образом, нейстон играют особую роль в жизни океанов. Нейстон - питомник для молоди многих рыб и беспозвоночных (личинок, яиц, мальков), а значит, и узел связей в круговороте веществ в океане и между океаном и сушей. По среднему возрасту своих составляющих нейстон - самая молодая жизненная форма в океане. Нейстон играет крайне важную роль как индикатор воздействия человечества на окружающую среду: радионуклиды, нефть, пестициды и т.д. концентрируются у поверхности океана.
Мировой океан - это экологическая система, т. е. единая функциональная совокупность организмов и среды их обитания.
Каждый вид живых организмов, входящих в экосистему выполняет в ней определенную функцию: продуцентов - растения, главным образом фитопланктон, консументов - животные, редуцентов - организмы, разлагающие мертвое органическое вещество. Помимо прямых трофических связей важны процессы внешнего метаболизма - обмена веществ между собой и окружающей средой.
Общее свойство океана - его биологическая продуктивность. Все факторы внешней среды, влияющие на продуктивность океана, делятся на три основные группы: физические, химические и геологические. В последние десятилетия к этим факторам добавилось антропогенное воздействие.
Под физическими факторами понимаются температура, соленость, плотность, циркуляция вод, приливно-отливные явления: световые волны, гидростатическое давление и т.д. Наиболее многостороннее активизирующее и ограничивающее влияние на биологическую продуктивность океана оказывает температура воды. Биологическая продуктивность находится в тесной связи с зонами конвергенции, дивергенции, фронтальными зонами, участками вихрей.
К химическим факторам, составляющим исходную материальную базу биологической продуктивности, относятся углерод, азот, фосфор, кремний, кислород, сероводород, микроэлементы и органические вещества, которые участвуют в гео- и биохимических процессах.
К геологическим факторам относятся рельеф дна и береговой зоны, донные отложения. С изменением глубины тесно связано распределение экологических зон. Важным геологическим фактором является вулканическая деятельность, которая может носить как положительный, так и отрицательный характер, повышая или понижая биологическую продуктивность.
Антропогенное влияние на Мировой океан уже приняло глобальный характер. Основа его «заложена» на суше в бытовой и промышленной технологии. Основной глобальный токсикант - это нефть и нефтепродукты. Далее по значению следуют хлорированные углеводороды, тяжелые металлы, а также радиоактивные материалы.
Богатство жизни в океане обусловлено особенностями первичной продукции, которая создается в основном фитопланктоном. Являясь первичным звеном в пищевой цепи, фитопланктон определяет количество зоопланктона, бентоса и рыб. А вот концентрация биогенных элементов зависит от скорости их регенерации и поступления в эвфотическую зону. Быстрее всего эти процессы идут над шельфом, материковым склоном и в прилежащих к ним районах океана. Особенно благоприятны для развития фитопланктона районы, где подъем глубинных вод преобладает над их опусканием (районы дивергенции течений и сгонных явлений). В открытом океане апвеллинги – единственный источник поступления питательных веществ в фотосинтетическую зону.
Т.к. планетарная циркуляция носит зональный характер, то и географические изменения первичной продукции в Мировом океане тоже подчинены этой зональности. Самая низкая первичная продукция в Мировом океане характерна для высокоарктических и субтропических вод, а высокая – умеренным широтам. Этот характер нарушается материками.
В океане, как и на суше, существует широтная (горизонтальная) и вертикальная зональность всех географических процессов и распределения живого вещества. Положение географических зон в океане определяется количеством тепла, испарением, соленостью, господствующими ветрами, течениями, а также биологическими и геохимическими особенностями среды.
В Северном полушарии на акватории океана выделяются арктический, субарктический, умеренный, тропический, субэкваториальный и экваториальный пояса (зоны). Соответствующие пояса отмечены и в Южном полушарии.
Биогеографическое районирование океана весьма сложно. Оно различно для планктона, нектона и бентоса. С глубиной амплитуда температуры воды уменьшается, и биогеографическое подразделение становится менее дробным.
Океан как среда обитания делится на две части; донную (бенталь) и водную (пелагиалъ) (рис.8).
На морском дне (бентали) выделяют несколько зон: супралитораль,литораль, сублиторалъ, батиаль, абиссаль и ультраабиссаль.
Обитатели дна могут вести подвижный образ жизни (звезды, ежи, крабы), малоподвижный (моллюски, актинии, асцидии) и неподвижный (коралловые полипы, баланусы).
По способу питания они делятся на хищных, растительноядных и питающихся органическими частицами.
Наиболее богата жизнью в океане зона литорали (litus по латыни - берег). Она хорошо освещается, прогревается, воды здесь хорошо перемешиваются, зона богата кислородом и удобряется с суши.
В зависимости от грунта выделяют литораль с каменистым дном и литораль песчано-илистую. Состав животных и растений на этих грунтах различный.
На каменистых и скалистых грунтах много зеленых, бурых и красных водорослей, в талломах и ризоидах которых скрываются моллюски - литорины, акмеи;много морских звезд и офиур, ежей, многощетинковых червей, креветок, бокоплавов, раков-отшельников, крабов и рыб. Благодаря приливам и отливам, свойственным этой зоне, некоторые рыбы, живущие на литорали (пинагоры, бычки), имеют на брюхе присоски, с помощью которых задерживаются на камнях во время отлива.
В каменистом грунте нередко поселяются двустворчатые сверлящие моллюски.
Совсем иной характер жизни на песчано-илистых грунтах. Из растений здесь преобладает цветковое растение зостера, а животным свойственна способность зарываться в грунт. Ею обладают черви-пескожилы, моллюски - мидии, макомы, морские звезды, голотурии, ежи, а из рыб - камбалы и скорпены.
Во время прилива на литорали откармливается большое количество рыб, заплывают на литораль и млекопитающие. Во время отлива для отдыха и вывода детенышей заходят тюлени, моржи. Посещают литораль медведи, песцы. Много на ней птиц.
 |
Рис. 8. Схема вертикальной зональности Мирового океана
Кроме богатой и разнообразной литорали умеренных широт (с биомассой в среднем 20-30кг/м2) выделяется литораль тропическая (коралловых рифов и мангровых зарослей).
Деревья в вязком, илистом грунте вынуждены укрепляться с помощью корней-подпорок, и дыхательных корней, свисающих с ветвей. В мангровых зарослях живет большое количество моллюсков (устриц, древоточцев - торедо), иглокожих, ракообразных полихет, птиц (пеликанов, бакланов, аистов, фламинго), крокодилов и змей.
За литоралью, в пределах хорошей освещенности и хорошего перемешивания вод, располагается зона сублиторали (до глубины примерно 200м). В верхних горизонтах сублиторали сосредоточены большие скопления водорослей: из зеленых - ульва, кладофора; из бурых - фукусы, ламинарии; из красных - анфельция, литотамнион, филлофора. Растительность может распространяться до глубины 200м, но уже на 150м - это жалкие кустики.
Главную массу животных сублиторали умеренных широт составляют двустворчатые моллюски (пектены, устрицы, сердцевидки, мактры), иглокожие (морские звезды, офиуры, ежи, лилии), многощетинковые черви. Иногда в большом количестве встречаются губки, мшанки, кишечнополостные (актинии, альционарии, горгонарии), асцидии. Из рыб - камбалы, палтусы, треска, пикша.
На глубинах от 200 до 3000м находится зона батиали, в которой разнообразная и богатая фауна поверхностных слоев океана сменяется глубоководной со всеми се особенностями. Исчезает пестрота окраски, появляются однотонные или бесцветные животные, утончаются скелеты и раковины - порой до их полной потери, удлиняются конечности, иногда увеличиваются размеры глаз (или глаза полностью исчезают), получают высокое развитие органы осязания. С увеличением глубины понижается температура, увеличивается давление (через каждые 10м на 1 атмосферу), уменьшается количество света, а на глубине 1500м он полностью отсутствует.
На глубине 2600м обнаружили очень интересную экосистему, расположенную у выходов гидротермальных источников. В последующие годы открытия следовали одно за другим. В настоящее время такие экосистемы известны на глубинах до 6000м. Они состоят из крупных моллюсков, двухметровых червей (вестиментифер), рыб, гигантских бактерий (до 0,1мм). Биомасса этих экосистем очень высока. Первичными продуцентами в них служат хемосинтезирующие бактерии. Открытые экосистемы имеют разный состав фауны. Их возникновение связано с гидротермальной деятельностью или с проникновением с шельфа концентрированных растворов, содержащих сероводород, аммоний и ионы металлов.
При переходе от материкового склона к ложу океана происходит еще одна смена фауны. Это зона абиссали, занимающая 77,1% поверхности океана. Условия жизни здесь более однообразны, чем в батиали, и населена абиссаль малым числом животных видов при общей их количественной бедности. Основной фактор, вызывающий сокращение населения, - недостаток пищи. По числу видов в абиссали на первом месте стоят иглокожие (голотурии, звезды, офиуры, ежи, стебельчатые лилии), встречаются многощетинковые черви, моллюски и равноногие ракообразные. Обитают в абиссали кораллы, асцидии, стеклянные губки и погофоры. 58%видов этой зоны эндемичны.
Зона, расположенная глубже 6000м, носит название ультраабиссали. Ее фауна до глубины 9000м на 60% состоит из эндемиков, а глубже - на 88%. Общее число видов составляет 1/3 фауны абиссальной зоны. Существует прямое соответствие между количеством донных животных в желобах и количеством планктона в поверхностном слое.
Биомасса бентоса в высокопродуктивных районах умеренных и высоких широт составляет 2-5г/м2, а иногда - свыше 10 г/м2, в прибрежных желобах тропической зоны - десятые доли грамма на 1м2, а в желобах, расположенных в малопродуктивных районах океана, - сотые доли грамма на 1м2. В ультраабиссали большую роль в биомассе играют фораминиферы, многощетинковые черви, голотурии, равноногие ракообразные, двустворчатые и брюхоногие моллюски, погонофоры.
Водная толща (пелагиаль),как и бенталь, делится на ряд зон обитания населяющих ее организмов (фито- и зоопланктона и нектона).
Главную массу фитопланктона составляют одноклеточные водоросли (диатомовые) и в меньшей степени жгутиковые (перидинеи). Они сосредоточены на глубинах 30-50м, т.е. там, где достаточно света, поскольку они живут за счет фотосинтеза.
Зоопланктон в океане представлен большим количеством ракообразных, кишечнополостных, крылатых моллюсков, личинок: донных животных, икрой рыбы, а также простейшими (радиоляриями, фораминиферами, инфузориями). Планктонные организмы населяют все глубины океана, но максимум их обитает на глубинах до 600м. Величина их колеблется от нескольких микронов до нескольких метров (например, медуза ционея имеет диаметр до 2м и щупальца длиной до 30м). Между количеством мезопланктона в поверхностных (0-500м) и глубинных (500-4000м) слоях воды имеется постоянное соотношение, сохраняющееся на большей части акватории океана. В слое 0-500м содержится 65% мезопланктона, а в слое 500 -4000м - около 35% всего его количества.
Активноплавающие организмы: рыбы, китообразные, ластоногие, сиреновые, морские змеи и морские черепахи относятся к нектону. Киты, ластоногие и рыбы мигрируют в поисках пищи и на нерест.
Из морских млекопитающих на первом месте по значению стоят китообразные, далее ластоногие. Очень малую роль играют сиреновые.
Из китообразных кашалот (зубатый кит) - единственное млекопитающее,способное, охотясь за кальмарами и рыбой, опускаться на глубину до 2000ми находиться под водой до 1,5ч. Это связано с его строением и особенностями дыхания. Вся жизнь китообразных проходит в воде, где и рождается детеныш. Самый крупный кит - синий (усатый) - имеет максимальную длину 34м и массу свыше 150т. Усатых китов до наших дней сохранилось всего 6 родов. Все они питаются зоопланктоном. Зубатые киты, напротив, достигли в настоящее время расцвета, особенно семейство дельфиновых.
Ластоногих в Мировом океане около 30 видов. Они широко распространены в обоих полушариях, особенно в умеренных и циркумполярных водах. К ластоногим относятся различные ушастые тюлени (морской котик), безухие тюлени (гренландский, морской слон) и моржи. Все они входят в отряд плотоядных, питаются рыбой, ракообразными, крупным планктоном, морскими птицами. Длина самцов морских слонов достигает свыше 3м.
Сиреновые (дюгонь и ламантин) обитают в тропических водах и питаются исключительно растительной пищей.
В океане существует более 16 тыс. видов рыб. Они составляют 65% всего нектона. В настоящее время это самая большая группа позвоночных животных. Они живут в Мировом океане на всех глубинах, но распространены крайне неравномерно. В больших концентрациях рыбы обитают в высокопродуктивных районах. Самый крупный представитель рыб - китовая, или планктоноядная, акула. Ее длина достигает 20м. Вместо зубов у нет пластины, через которые она фильтрует воду. Сельдевые, тресковые, скумбриевые, тунцовые, кефалевые, лососевые - таковы основные виды рыб, населяющих пелагиаль океана.
Все обитатели Мирового океана связаны между собой комплексом взаимоотношений, главным образом трофических (пищевых), и образуют сложную саморегулирующую систему, различные звенья которой обеспечивают круговорот веществ и трансформации энергии в океане.
ГИДРОЛОГИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД.
К подземным водам как объекту изучения гидрологией относятся воды, содержащиеся в земной коре и активно участвующие в круговороте воды на земном шаре, т.е. взаимодействующие с атмосферой и поверхностными водами.
Основной источник формирования подземных вод – атмосферные осадки (тающий снег и дожди), которые поступают в верхний слой грунта в результате инфильтрации (впитывания). При обильном поступлении воды она заполняет все пустоты в грунте. По трещинам, ходам животных, отверстиям от сгнивших корней растений, относительно крупным порам (т.е. промежуткам между частицами грунта) вода перемещается вниз под влиянием силы тяжести – это гравитационная вода. Она достигает водоупорного слоя (чаще всего глинистые отложения), накапливаясь здесь, образует водоносный горизонт, т.е. слой водопроницаемого пласта, насыщенного водой, которая движется по поверхности водоупора в сторону его уклона под влиянием силы тяжести. Там, где отрицательные формы рельефа (речные долины, овраги, озерные котловины) вскрывают водоносный горизонт, подземные воды выходят на поверхность в виде родников или рассредоточенного высачивания на участке склона. Подземные воды, образовавшиеся над первым от поверхности водоупором, называются грунтовыми водами(рис. 9).
При определенном геологическом строении грунтовые воды до выхода на поверхность перекрываются другим водоупором, затем вторым и.т.д. Воды, перекрытые сверху водоупорными слоями, называются межпластовыми подземными водами. Питание этих вод осуществляется на участках, где соответствующий водоносный горизонт не перекрыт сверху водоупором. Для межпластовых вод характерно возникновение напора, вследствие которого вода при вскрытии водоносного горизонта буровой скважиной или по естественным трещинам поднимается вверх. Уровень, до которого поднимается вода, называется пьезометрическим уровнем. Превышение этого уровня над уровнем воды в водоносном горизонте называется высотой напора.
Рис.9 Схема соотношения различных типов подземных вод.
1 - водопроницаемая порода. 2 - водоупорная порода, 3 - грунтовые воды,
4 - межпластовые безнапорные воды, 5 - межпластовые напорные воды.
Подъем воды под действием напора может достигать земной поверхности. Особенно это свойственно артезианским водам, приуроченным к геологическим структурам синклинального типа – артезианским бассейнам (рис.10).
Рис.10 Схема строения артезианского бассейна.
1 - водонепроницаемые породы; 2 - напорный водоносный слой; 3,4 -скважины; 5 - направление потока; ВС - пьезометрический уровень, BNC — нижняя поверхность водоупорной кровли, Н1, Н2 — высота напора.
Между водоносными горизонтами обычно существует связь вследствие циркуляции воды по трещинам в водоупорах или путем медленного просачивания через них по порам.
Подземные воды, приуроченные к водоносным горизонтам в пластах осадочных пород, называются пластовыми водами. В горных породах подземные воды чаще перемещаются по системе трещин в породах (трещинные воды), по изолированным трещинам или жилам с повышенной трещиноватостью (жильные воды), по карстовым пустотам (карстовые воды).
В зоне распространения многолетнемерзлых пород различают подмерзлотные воды, залегающие под толщей мерзлых пород, межмерзлотные воды внутри мерзлой толщи и надмерзлотные воды, для которых мерзлые породы служат водоупором.
Грунтовые и тем более межпластовые воды существуют, как правило, в течение всего года и обеспечивают постоянное питание рек. В зоне распространения многолетнемерзлых пород это относится только к подмерзлотным водам.
Отношение объема всех пустот к объему образца грунта называется скважинностью, а объема пор (Vпор) к объему грунта (Vгр) называется пористостью (р): p = Vпор/Vгр. Обычно они выражаются в %. Пористость песка в среднем 40%, глины – около 50%.
Верхний слой грунта после прекращения таяния снега или дождя постепенно освобождается от гравитационной воды. По возникшим пустотам циркулирует воздух. Слой грунта (верхняя часть которого является почвой) до уровня грунтовых вод называют зоной аэрации. В этой зоне остаются следующие типы вод:
–капиллярная вода, заполняющая поры и находящаяся под влиянием капиллярных сил; в нижней части зоны аэрации вода, поднимаясь по порам над слоем грунтовых вод, образуют зону капиллярного поднятия (капиллярную кайму) толщиной от 0 (гравий, галька) до 6-12м. (глина);
–пленочная вода, образующая тонкую пленку вокруг частиц грунта и сравнительно слабо связанная с ними молекулярными силами; перемещается от мест с большей толщиной пленки к местам с меньшей ее толщиной (рис. 11);
–гигроскопическая вода, прочно связанная с частицами грунта молекулярными силами.
Способность грунта вмещать и удерживать определенное количество воды называется влагоемкостью грунта. Полная влагоемкость – суммарное содержание в грунте всех видов воды при полном заполнении всех пор, выраженная в процентах от массы высушенного образца грунта. Наименьшая (или полевая) влагоемкость –вода,остающаяся в грунте после стекания гравитационной воды (для песков 3-5%, суглинков и глин 12-22%). Влажность грунта — фактическое содержание воды в грунте, выраженное в виде толщины слоя (в мм) или в процентах от массы сухого грунта.
Рис.11 Схема различных состояний воды в почве (по А. Ф. Лебедеву).
1 - частицы почвы с неполной гигроскопичностью; 2 - частицы почвы с максимальной гигроскопичностью; 3, 4 - частицы почвы с пленочной водой; 5 - частицы почвы с гравитационной водой.
Воды зоны аэрации, оставшиеся в порах грунта, постепенно расходуются на испарение, в основном путем транспирации растений.
Временные скопления гравитационных вод, в зоне аэрации могут возникать над отдельными линзами водоупорных пород (верховодка) и над относительным водоупором, например, над иллювиальным горизонтом подзолистых почв, водопроницаемость которого значительно меньше вышележащих слоев. Перемещение воды по относительному водоупору в сторону его уклона образует почвенный, или внутрипочвенный сток.
Подземные воды могут формироваться в результате инфильтрации в грунт не только атмосферных осадков, но и воды из поверхностных водных объектов. Оба эти вида вод называются инфильтрационными подземными водами. Подземные воды могут формироваться также вследствие конденсации водяного пара в порах грунта. Это конденсационные воды, играющие заметную роль в пустынях. Все перечисленные виды подземных вод являются экзогенными. Кэндогенным относятся воды, образующиеся из паров магмы – дегидрационные воды.
Глубина распространения межпластовых подземных вод, участвующих в круговороте воды на земле, достигает, как правило, нескольких сотен метров. Глубина залегания грунтовых вод, сильно изменяясь по территории в зависимости от локальных условий в целом, подчинена закону географической зональности, увеличиваясь от долей метра в зоне тундр до десятков метров в степной зоне.