Еще в начале 19 в. было замечено, что количество растворенных в водах океана солей может сильно различаться, но солевой состав, соотношение различных солей вод МО одинаковы. Эта закономерность формулируется как свойство постоянства солевого состава морских вод. На 1 кг морской воды приходится 19,35 г хлора, 2,70 г сульфатов, 0,14 г гидрокарбонатов, 10,76 г натрия, 1,30 г магния, 0,41 г кальция. Количественное соотношение между главными солями в воде МО остается постоянным. Общая соленость определяется по количеству хлора в воде (формулу получил М. Кнудсен в 1902 г.):
S = 0,030 + 1,805 Cl
Воды океанов и морей относятся к хлоридному классу и натриевой группе, этим они резко отличаются от речных вод. Всего восемь ионов дают более 99,9% общей массы солей в морской воде. На оставшиеся 0,1% приходятся все остальные элементы таблицы Д.И. Менделеева.
Распределение солености в водных массах зонально и зависит от соотношения осадков, притока речных вод и испарения. Кроме того, на соленость воды оказывает влияние циркуляция вод, деятельность организмов и другие причины. На экваторе отмечается пониженная соленость воды (34- 330/00), обусловленная резким увеличением атмосферных осадков, стоком полноводных экваториальных рек и немного пониженным испарением из-за высокой влажности. В тропических широтах наблюдается самая высокая соленость вод (до 36,50/00), связанная с высоким испарением и небольшим количеством осадков в барических максимумах давления. В умеренных и полярных широтах соленость вод понижена (33-33,50/00), что объясняется увеличением количества осадков, стоком речных вод и таянием морских льдов.
Широтное распределение солености нарушают течения, реки и льды. Теплые течения в океанах переносят более соленые воды в направлении высоких широт, холодные течения переносят менее соленые воды к низким широтам. Реки опресняют приустьевые районы океанов и морей. Очень велико влияние рек Амазонки (опресняющее влияние Амазонки ощущается на расстоянии 1000 км от устья), Конго, Нигера и др. Льды оказывают сезонное влияние на соленость вод: зимой при образовании льда соленость воды возрастает, летом при таянии льда – уменьшается.
Соленость глубинных вод МО однообразна и в целом составляет 34,7-35,00/00. Соленость придонных вод более разнообразна и зависит от вулканической деятельности на дне океана, выходов гидротермальных вод, разложения организмов. Характер изменения солености вод океана с глубиной различен на разных широтах. Выделяют пять основных типов изменения солености с глубиной.
В экваториальных широтах соленость с глубиной постепенно возрастает и достигает максимального значения на глубине 100 м. На этой глубине к экватору подходят более соленые и плотные воды их тропических широт океанов. До глубины 1000 м соленость очень медленно повышается до 34,620/00, глубже соленость практически не меняется.
В тропических широтах соленость немного увеличивается до глубины 100 м, затем плавно уменьшается до глубины 800 м. На этой глубине в тропических широтах наблюдается самая низкая соленость (34,580/00). Очевидно, здесь распространяются менее соленые, но более холодные воды высоких широт. С глубины 800 м она немного увеличивается.
В субтропических широтах соленость быстро уменьшается до глубины 1000 м (34,480/00), затем становится почти постоянной. На глубине 3000 м она составляет 34,710/00. В субполярных широтах соленость с глубиной медленно увеличивается с 33,94 до 34,710/00, в полярных широтах соленость с глубиной возрастает более существенно – с 33,48 до 34,700/00.
Соленость морей сильно отличается от солености МО. Соленость воды Балтийского (10-120/00), Черного (16-180/00), Азовского (10-120/00), Белого (24-300/00) морей обусловлена опресняющим влиянием речных вод и атмосферных осадков. Соленость воды в Красном море (40-420/00) объясняется малым количеством осадков и большим испарением.
Средняя соленость вод Атлантического океана – 35,4; Тихого – 34,9; Индийского – 34,8; Северного Ледовитого океана – 29-320/00.
Плотность – отношение массы вещества к его объему (кг/м3). Плотность воды зависит от содержания солей, температуры и глубины, на которой находится вода. При увеличении солености воды плотность возрастает. Плотность воды увеличивается при понижении температуры, при увеличении испарения (так как увеличивается соленость воды), при образовании льда. С глубиной плотность растет, хотя и очень незначительно из-за малого коэффициента сжимаемости воды.
Плотность воды изменяется зонально от экватора к полюсам. На экваторе плотность воды небольшая – 1022-1023, что обусловлено пониженной соленостью и высокими значениями температуры воды. К тропическим широтам плотность воды возрастает до 1024-1025 из-за увеличения солености воды вследствие повышенного испарения. В умеренных широтах плотность воды средняя, в полярных – увеличивается до 1026-1027 из-за понижения температуры.
Способность воды растворять газы зависит от температуры, солености и гидростатического давления. Чем выше температура и соленость воды, тем меньше газов может в ней раствориться.
В воде океанов растворены различные газы: кислород, углекислый газ, аммиак, сероводород и др. Газы попадают в воду из атмосферы, за счет речного стока, биологических процессов, подводных вулканических извержений. Наибольшее значение для жизни в океане имеет кислород. Он участвует в планетарном газообмене между океаном и атмосферой. В активном слое океана ежегодно образуется 5 х 1010 т кислорода. Поступает кислород из атмосферы и выделяется при фотосинтезе водных растений, расходуется на дыхание и окисление.
Углекислый газ находится в воде в основном в связанном состоянии, в виде углекислых соединений. Он выделяется при дыхании организмов, при разложении органического вещества, расходуется на строительство скелета кораллами.
Азот всегда есть в воде океана, но его содержание по отношению к другим газам меньше, чем в атмосфере. В некоторых морях в глубине может накапливаться сероводород, происходит это благодаря деятельности бактерий в бескислородной среде. В Черном море отмечено сероводородное загрязнение, содержание его достигло 6,5 см3/л, организмы в такой среде не живут.
Прозрачность воды зависит от рассеяния и поглощения солнечной радиации, от количества минеральных частиц и планктона. Наибольшая прозрачность отмечена в открытом океане в тропических широтах и равна 60 м. Уменьшается прозрачность воды на мелководье вблизи устьев рек. Особенно резко уменьшается прозрачность воды после шторма (до 1 м на мелководье). Наименьшая прозрачность наблюдается в океане в период активного размножения планктона. От прозрачности воды зависит глубина проникновения солнечных лучей в толщу океана и, следовательно, распространение фотосинтезирующих растений. Организмы, способные усваивать солнечную энергию, живут на глубине до 100 м.
Толща чистой воды имеет голубой или синий цвет, большое количество планктона приводит к появлению зеленоватого оттенка, вблизи рек вода может быть коричневой.
Океан - среда жизни
МО – самый большой биоцикл, или жизненная область нашей планеты. Два других биоцикла – суша и внутренние водоемы – значительно меньше. Жизненная среда океана непрерывна, не имеет границ, препятствующих расселению организмов. В настоящее время в океане насчитывается около 160 000 видов животных и 10 000 видов растений. В океане наиболее распространены моллюски, ракообразные, простейшие. Из позвоночных животных в океане обитают рыбы (16 000 видов), черепахи, змеи, млекопитающие (китообразные, ластоногие). Среди растений преобладают водоросли (более 5000 видов зеленых водорослей, около 5000 видов диатомовых; красных, бурых, сине-зеленых немного меньше).
Биоцикл океана и моря распадается на два основных биохора (пространства, занятые группами сходных биотопов): донную поверхность или бентальную область , куда относятся все организмы обитающие на дне и толщу воды или пелагиальную область открытого моря – пелагиаль. Соответственно этому морские биоценозы делятся на бенталь и пелагиаль. Бентальные организмы (бактерии, водоросли, животные медленно передвигающиеся по дну)– бентос всю жизнь или большую ее часть проводят на дне, пелагические животные обитают только в воде. Разнообразие органической жизни в океане делится на четыре группы: планктон, нектон, бентос, плейстон. Планктон (парящий) представляет группу главным образом микроскопических организмов, которые парят в водной толще и не могут передвигаться против течений. Среди них есть пассивно плавающие животные и растения – зоопланктон и фитопланктон (мельчайшие растительные (преимущественно водоросли) и животные организмы (одноклеточные, рачки, черви, медузы), либо невидимые, либо размером в ничтожные доли миллиметра, исключение составляют медузы до 1-2 м в поперечнике). Нектон (плавающий) образует группа активно плавающих в воде рыб, млекопитающих, моллюсков, способных перемещаться на огромные расстояния. Бентос (глубинный) состоит из организмов, обитающих на дне. Донные организмы могут быть прикрепленными, сидячими (кораллы, водоросли, губки), роющими (моллюски), ползающими (ракообразные) или свободно плавающими у самого дна (камбала, скаты). Плейстон – совокупность организмов, живущих у поверхностной пленки воды.
В МО отмечается вертикальная зональность распределения живых существ. В водной толще океана выделяют неритическую (до 200 м), батиальную (от 200 до 3000 м), абиссальную (глубже 3000 м) зоны. Неритическая зона богата планктоном и бентосом. В поверхностных водах до глубины 50 м обитает фитопланктон, до глубины 500 м существует до 65% зоопланктона. Остальное количество зоопланктона живет на глубинах от 500 до 4000 м. Аналогичное распределение характерно для нектона.
В зависимости от освещения и бентальная и пелагическая области распадаются на две ступени: верхнюю освещенную (эвфотическую) до глубины не более 200 м и нижнюю, лишенную света – афотическую. По этому признаку бентос делится на: освещенный литоральный или прибрежный и абиссальный, свойственный глубоководному морскому дну, лишенному света.
Пелагиаль распадается на неритическую – прибрежную, лежащую над литоралью, и океаническую.
Литораль образуется на контакте основных оболочек – гидро-, лито- и атмосферы, естественно, что ей свойственно наибольшее разнообразие экологических условий. В бентальной части прибрежной полосы выделяются (сверху вниз): супралитораль, расположенная на скалах, выше уровня полной воды приливов; собственно литораль – часть берега, осушающаяся при отливе; сублитораль – морское дно в пределах шельфа.
Область открытого океана и моря – пелагиаль охватывает все океанические и морские просторы вдали от берегов, за границами шельфа, т.е. над материковым склоном и ложе океана. В вертикальном направлении она неоднородна. Верхний эвфотический слой не более 200 м – собственно пелагиаль; средний до глубины 1000 м сумеречный (дисфотический) – батипелагиаль; нижний, простирающийся до дна, совсем не получает света (афотический) – абиссаль. Для океана характерна циркумконтинентальная зональность: наиболее богаты прибрежные воды шельфа, в открытом океане число организмов резко сокращается.
Прибрежная фауна и флора МО исключительно богаты организмами. Здесь очень разнообразны физико-географические условия – изменчива соленость, характерны волнения, приливы, течения, различен характер грунта. Здесь распространено огромное количество видов бентоса: одни из них неподвижные (губки, кораллы, мшанки), другие подвижные (ежи, морские звезды, моллюски). Обитатели скального субстрата прочно прикрепляются к его поверхности, например водоросли. На песчаном и илистом грунте обитают крабы, улитки, моллюски и черви. Для прибрежной зоны тропических морей характерны коралловые рифы.
В открытом океане экологическая обстановка более однообразна, чем в прибрежной зоне. Здесь господствуют организмы, проводящие всю жизнь на плаву. Пищи в открытом океане мало, поэтому организмы должны совершать длительные путешествия. Очень разнообразна группа активно плавающих рыб, китообразных, тюленей, кальмаров и т.д. Многие виды морских организмов способны вырабатывать электрическую энергию, в океане найдено около 250 видов таких рыб (электрические угри способны вырабатывать ток напряжением 600 В).
Океан располагает энергетическими, биологическими и минеральными ресурсами. Основную часть мирового улова (55%) дает Тихий океан: больше половины вылавливается в северной части, треть – в южной и меньшая доля – в тропической. В Атлантическом океане добывается 41% всех морских продуктов и тоже более половины (68%) в северной его части. На Индийский океан приходится только 5% мирового улова. Основные морские промыслы располагаются в пределах шельфа; 5% акватории МО дают около 90% мировой добычи биологической массы.
Воды суши- Реки
Вода попадает на сушу в результате испарения с поверхности МО и переноса в атмосфере, т.е. в процессе мирового влагооборота. Атмосферные осадки после выпадения на поверхность суши делятся на четыре неравные и изменчивые части: одна испаряется, другая в виде ручьев и рек стекает обратно в океан, третья просачивается в почву и грунт, четвертая превращается в горные или материковые ледники. В соответствии с этим на суше имеется четыре типа скопления воды: реки, озера, подземные воды, ледники. Кроме того, вода в больших количествах находится в почвах и болотах.
Река – естественный водный поток, длительное время протекающий в сформированном им ложе – русле . Объем воды, заключенный в реках, составляет 1200 км3, или 0,0001% от общего объема воды. Приуроченность рек к одной линии относительна: в процессе своей деятельности каждая река под действием силы Кориолиса смещается вправо (в северном полушарии). Река имеет исток и устье. Исток реки – место, где река приобретает определенные очертания и наблюдается течение. Река может начинаться от слияния ручьев, питающих их источников, вытекать из болота, озера, ледника в горах. Исток и начало реки – неодинаковые понятия. Река может начинаться от слияния двух рек (например, реки Бия и Катунь при слиянии образуют реку Обь) или вытекать из озера (Ангара). В этом случае истока у реки нет. Устье - место впадения реки в приемный бассейн: море, озеро или другую, более крупную, реку.
Река со своими притоками составляет речную систему , состоящую из главной реки и притоков различного порядка (реки, впадающие в главную, называются притоками первого порядка, их притоки – притоками второго порядка и т.д.). Площадь суши, с которой река собирает воду, называют бассейном реки. Бассейн главной реки включает бассейны всех ее притоков и охватывает площадь суши, занятую речной системой.
Линия, разделяющая соседние речные бассейны, называется водоразделом. Хорошо выражены водоразделы в горах, где они проходят по гребням хребтов, на равнинах водоразделы находятся на плоских междуречьях (плакорах). Главный водораздел Земли отделяет две покатости на поверхности планеты – сток рек, впадающих в Тихоокеанско-Индийский бассейн (47%), от стока рек, впадающих в Атлантический и Северный Ледовитый океаны (53%).
Каждая река характеризуется длиной, шириной, глубиной, площадью бассейна, падением (превышение истока над устьем, в см) и уклонами (отношение падения реки к длине реки, в см/км), скоростями течения, расходами воды (количество воды, проходящее по руслу в единицу времени, в м3/с), твердым стоком (наносами) и химическим расходом. По характеру течения реки бывают равнинными и горными. Равнинные реки имеют широкие долины, небольшое падение, малые уклоны и медленное течение. Из крупнейших рек России наименьший уклон имеет река Обь (4 см/км), немного больше у Волги (7 см/км). Самый большой уклон у Енисея (37 см/км). Горные реки отличаются узкими долинами и бурным течением, т.к. имеют большой уклон. Например, уклон Терека 500 см/км.
В русле реки встречаются глубокие и мелкие участки. Мелководные участки называют перекатами, на них скорость течения увеличивается, наиболее глубокие участки русла между двумя перекатами называются плесами , на этих участках скорость течения медленнее. Фарватер – линия, соединяющая наиболее глубокие места вдоль русла. В некоторых местах русла на поверхность могут выходить трудно эродируемые кристаллические породы (граниты, кристаллические сланцы), в таких местах на реке образуются быстрины, пороги, водопады, каскады и скорость течения реки резко увеличивается. Самый высокий водопад на Земле Анхель (1054 м) в Южной Америке на реке Чурун. В России – Илья Муромец – на Камчатке, Кивач – в Карелии. Самые мощные водопады – Виктория на реке Замбези в Африке и Ниагарский на реке Ниагара в Северной Америке.
Питанием рек называется поступление воды в их русла; ее приносят поверхностный и подземный стоки. В питании рек принимают участие дождевые, талые снеговые, ледниковые и подземные воды. Роль того или иного источника питания, их сочетание и распределение во времени зависят, главным образом, от климатических условий. В зависимости от преобладающего источника питания находится внутригодовое распределение стока – режим реки. Годовой сток – количество воды, которое река выносит за год. В зависимости от питания количество воды в реке меняется в течение всего года. Эти изменения проявляются в колебаниях уровня воды в реке, получившие названия половодье, паводок и межень. Половодье – ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон относительно длительное и значительное увеличение количества воды в реке.
Паводок – относительно кратковременные и непериодические подъемы уровня воды в реке, вызываемые поступлением в реку дождевых (талых) вод.
Межень – наиболее низкое стояние воды в реке при преобладании подземного питания.
Первая классификация рек по условиям питания предложена в 1884 году известным русским климатологом А.И. Воейковым, который рассматривал реку как «продукт климата», им выделено три типа рек: 1) питающиеся исключительно талыми водами снегов и льдов (реки пустынь, окаймленных горами со снежными вершинами – Амударья, Сырдарья, и реки полярных стран);
2) питающиеся только дождевыми водами (реки с зимним разливом – реки Европы и Средиземноморского побережья, реки тропических стран и муссонных областей с летним разливом – Инд, Ганг, Нил, Амур, Амазонка, Конго, Янцзы);
3) смешанного питания (реки Восточно-Европейской равнины, Западной Сибири, Северной Америки).
Кроме приведенной классификации существуют и другие классификации рек, учитывающие как климат, так и другие факторы, например сток и режим.
Наиболее полная классификация разработана М.И. Львовичем. Реки классифицируют в зависимости от источника питания и от характера распределения стока в течение года. Каждый из четырех источников питания (дождевое, снеговое, ледниковое, подземное) при определенных условиях может оказаться почти единственным, составляя более 80%, преимущественным – от 50 до 80% и преобладающим на 50% - это смешанное питание.
Сток бывает весенним, летним, осенним и зимним. Сочетание различных комбинаций источников питания и вариантов стока дает возможность выделить типы водного режима рек. В основе типов лежит зональность: полярный тип, субарктический, умеренный, субтропический, тропический, экваториальный.
В качестве примера рассмотрим реки России и СНГ, которые относятся к рекам субарктического, умеренного и субтропического типов водного режима рек.
1) Реки субарктического типа имеют короткий режим питания за счет талых вод и снега, подземное питание очень незначительно. Многие, даже значительные реки промерзают почти до дна. Половодье – летом, причины – поздняя весна и летние дожди. Это реки Восточной Сибири (Яна, Индигирка, Колыма).
2) Реки умеренного типа делятся на четыре подтипа:
а) с преобладанием весеннего таяния снежного покрова – умеренный континентальный (реки центра европейской части России: Волга, Дон). В режиме рек с умеренным климатом выделяются четыре хорошо выраженные фазы, или гидрологические сезоны, - весеннее половодье, летняя межень, осенний паводок и зимняя межень;
б) с преобладанием таяния снега и дождей весной (сибирские реки в верховьях: Лена, Обь, Енисей);
в) дождевое питание зимой (в России нет) – умеренный морской или западноевропейский;
г) преобладание дождевого питания летом – муссонные дожди (умеренный муссонный) – Амур, реки Дальнего Востока.
3) Реки субтропического типа питаются зимой дождевыми водами (реки Крыма) или летом в результате таяния снегов в горах – Сырдарья, Амударья.
Густота, или плотность, речной сети (выражается отношением длины водотоков на территории к площади последней) определяется количеством атмосферных осадков, а также рельефом территории. Больше всего рек во влажных тропических и муссонных областях. Количество воды, которое несут реки в среднем за год, называется водоносностью (м3/с). Самая большая по водоносности река мира – Амазонка (среднегодовой расход составляет 7000 км3/год). Размеры реки зависят от площади материков, по которым они протекают, и от расположения водоразделов. Самая большая по длине река Амазонка с притоком Укаяли – 7194 м, ей уступает Нил с притоком Кагера – 6671 м, затем Миссисипи с притоком Миссури – 6019 м.
Гидрографическая система той или иной страны представляет в основном производную от климата. Густота речной сети, характер питания рек, сезонные колебания уровней и расходов, время вскрытия и замерзания – все это управляется климатическими условиями и, как в зеркале, отражает климат тех мест, где река зарождается, и тех районов по которым река протекает.
Озера
Озера – внутренние водоемы суши со стоячей или мало проточной водой, не сообщающиеся с океаном, с особыми условиями жизни и специфическими организмами. Объем озерной воды составляет 278 тыс. км3, или 0,016% всего объема воды. В отличие от рек озера – водоемы замедленного водообмена. С этим связаны многие черты их режима: вертикальная и горизонтальная неоднородность, циркуляция воды, отложение в котловине твердого материала, характер биоценозов и, наконец, эволюция и отмирание водоема. В каждом озере выделяются три взаимосвязанные составные части:
1) котловина – форма рельефа земной коры;
2) водная масса, состоящая не только из воды, но и из растворенных в ней веществ – часть гидросферы;
3) растительность и животный мир – часть живого вещества планеты.
Образование озера начинается с образования котловины. Различают понятия «озерная котловина» и «ложе озера». Озерная котловина – углубление в поверхности суши (элемент рельефа), заполненное до некоторого уровня водой. Часть озерной котловины, заполненная водой, - ложе озера. По происхождению озерные котловины делятся на несколько генетических типов.
Озерные котловины тектонического происхождения возникают в связи с образованием прогибов земной коры (мульдовые озерные котловины – Чад, Эйр), трещин (трещинные котловины озер – озера Скандинавии, Карелии, Канады), сбросов, грабенов (Байкал, Великие Американские озера, Великие Африканские озера); отличаются большой глубиной и крутизной склонов. Вулканические озерные котловины бывают кратерными и кальдерными. Кратерные занимают кратеры потухших вулканов, заполненные водой, многочисленны на Яве, Канарских островах, в Новой Зеландии. Кальдерные близки по происхождению и морфологии к кратерным, к ним относятся, например, котловины Курильского и Кроноцкого озер на Камчатке. Своеобразными вулканическими котловинами являются маары.
Довольно многочисленна группа озерных котловин ледникового происхождения. Они могут быть равнинными (эрозионные, аккумулятивные, камовые, морено-запрудные) и горными (морено-запрудные и каровые). На равнинах котловины ледникового происхождения распространены на территории, подвергшейся последнему Валдайскому оледенению. Эрозионные ледниковые котловины распространены в пределах Балтийского и Канадского щитов, которые были центрами оледенения. Материковые льды сползали отсюда и эродировали тектонические трещины. Следовательно, эти котловины одновременно и тектонические и ледниковые. Аккумулятивные озерные котловины образовались там, где ледник откладывал морену – рыхлые горные породы, снесенные из центральных областей (Ильмень, Белое, Псковско- Чудское и др.).
Вводно-эрозионные и вводно-аккумулятивные котловины создаются деятельностью рек (старицы) или представляют собой затопленные морем участки речных долин (лиманы, лагуны), отделенные от моря скоплением наносов (озера Кубанских плавней, лиманы Черноморского побережья).
Карстовые озерные котловины возникают в областях сложенных растворимыми породами – известняками, гипсами, доломитами. Растворение этих пород приводит к образованию глубоких, но незначительных по площади котловин (встречаются между Онежским озером и Белым морем). Термокарстовые – в районе вечной мерзлоты, в Западной и Восточной Сибири.
Органогенные котловины возникают на сфагновых болотах тайги, лесотундры и тундры, а также на коралловых островах, они обязаны неравномерному нарастанию в первом случае мхов, во втором – полипов.
Питание озер, т.е. поступление воды в озеро, происходит в основном благодаря грунтовому и подземному питанию; атмосферным осадкам; поступлению воды из рек и ручьев, впадающих в озеро; конденсации атмосферной влаги.
По приходу и расходу водной массы озера делятся на четыре группы: 1) хорошо проточные, в которые впадает одна или несколько рек и одна вытекает (Байкал, Онежское, Виктория, Ильмень, Женевское); 2) мало проточные или периодически проточные – в них впадает одна река, но сток незначительный (Балатон, Танганьика); 3) бессточные, в которые впадает одна или несколько рек, но стока из озера нет (Каспийское, Аральское, Мертвое, Балхаш); 4) глухие, или замкнутые – не имеющие речного стока (озера тундры, тайги, степи, полупустынь).
Все озера испытывают колебания уровня воды. Сезонные колебания уровня воды определяются годовым режимом осадков и испаряемости и происходят на фоне многолетних. Наибольшие изменения уровней как в течение каждого года, так и за ряд лет свойственны озерам аридных зон. Питаясь преимущественно за счет речного притока, и расходуя воду только на испарение, эти озера чутко реагируют на осадки и испаряемость. Озеро Чад (Африка) в многоводные годы увеличивается почти вдвое и приобретает площадь 26 000 км2, которая обычно составляет 12 000 км2. Аральскому озеру грозит полное исчезновение в связи с уменьшением поступающей воды из рек Сырдарья и Амударья.
По химическому составу озера делятся на пресные, солоноватые и соленые. В качестве границы между пресными и солоноватыми принята минерализация в 30/00. Соленые озера имеют концентрацию солей 24-260/00. Самые озера на Земле – Гюсгунтаг (3740/00), Мертвое море (2700/00).
Проточные и сточные озера, как правило, пресные, так как приход пресной воды больше чем расход. Бессточные озера – соленые. К соленым озерам относятся: Эльтон и Баскунчак («Российская солонка»), Мертвое (Ближний Восток), Большое Соленое (Северная Америка).
На географическое размещение озер оказывает влияние климат (зональный фактор), обуславливающий питание озера, а также эндогенные (тектонические движения и вулканизм) и экзогенные (лед, проточная вода, ветер, процессы выветривания) факторы, содействующие возникновению озерных котловин. Области наибольшей концентрации озер на Земле связаны с равнинными и горными районами древнего оледенения (влажный климат и обилие отрицательных форм рельефа, созданных эрозионной или аккумулятивной деятельностью древних ледников), с районами, лишенными стока, и с районами крупных тектонических разломов земной коры. Примером озерных стран, связанных с областями древнего оледенения, могут служить: озерный пояс Северной Америки, вытянутый с северо-запада на юго-восток от озера Межвежьего через озера Невольничье, Атабаска и Виннипег до Великих озер; Скандинавский полуостров; Финляндия, в которой не менее 35 тыс. озер, покрывающих около 12% поверхности страны; Карелия и Кольский полуостров; озерная равнина Прибалтийских республик и озерный пояс, протянувшийся на восток и северо-восток от Прибалтики и включающий в себя такие озера, как Чудское, Псковское, Ильмень, Ладожское, Онежское и др.
Областью с большим количеством крупных тектонических озер является Восточная Африка, отличаются также Тибет, Монголия, степная полоса между Уралом и Обью. Тектонические озера являются самыми глубокими (Байкал – 1671 м.).
Озеро – продукт климата, а озерные котловины – продукт деятельности внутренних сил Земли, подземных вод, рек, ледников, ветра и т.д. – это лишь одна сторона зависимости между озером и остальными элементами географического ландшафта, другая сторона характеризует обратное воздействие озер на прочие элементы географического ландшафта. Крупные озера или скопления большого количества малых озер оказывают смягчающее влияние на климат прилегающей территории; озера служат нередко регулятором стока рек и колебания речных уровней; озера, как базисы эрозии, контролируют эрозионную работу рек; наконец, заполнение наносами и зарастание озерных впадин способствует изменению рельефа земной коры (озерно-аллювиальные равнины, торфяники).
Подземные воды
Подземные воды – воды верхней части литосферы, включающие всю химически связанную воду в трех агрегатных состояниях. Общие запасы подземных вод составляют 60 млн. км3. Подземные воды рассматриваются и как часть гидросферы, и как часть земной коры, которые образованы как за счет атмосферных осадков, так и в результате конденсации водяных паров атмосферы и паров, поднимающихся из более глубоких слоев Земли. Обязательные условия наличия воды в почвах и горных породах – свободные пространства: поры, трещины, пустоты.
По отношению к воде все грунты схематически делятся на три группы: водопроницаемые, водонепроницаемые, или водоупорные, растворимые.
Под водопроницаемостью подразумевают способность грунтов пропускать воду. Водопроницаемые породы могут быть влагоемкими и невлагоемкими (влагоемкость – способность породы удерживать в себе большее или меньшее количество воды). К влагоемким грунтам относятся мел, торф, суглинок, ил, лесс. К невлагоемким – крупнозернистые пески, галечник, трещиноватые известняки, которые свободно пропускают воду не насыщаясь ею.
Если слой водопроницаемых пород содержит воду, он называется водоносным.
Водонепроницаемые, или водоупорные , горные породы могут быть влагоемкими и невлагоемкими. Невлагоемкие – это массивные сильно метаморфизированные, лишенные трещин известняки, граниты, плотные песчаники. К влагоемким относят глины и мергели.
Растворимые породы - калийная и поваренная соль, гипс, известняк, доломиты, на них образуется карст (по названию известкового нагорья Карст в Динарских горах)– система пустот (пещеры, провальные воронки, колодцы), возникающая при растворении пород. Карстовые явления, обусловленные, в первую очередь, литологическими особенностями местности, развиваются в самых разных географических широтах. Они широко развиты по побережью Адриатического моря – от Карста до Греции, в Альпах, в Крыму, на черноморском побережье Кавказа, на Урале, в Сибири и Средней Азии, в Южной Франции, на южном склоне Центрального массива (плоскогорье Косс), в Северном Юкатане, на Ямайке и т.д.
Основная масса подземных вод находится в осадочной рыхлой толще платформ материков (кристаллические породы практически водоупорны). Вся подземная вода, сосредоточенная в осадочных породах, делится на три горизонта.
Верхний горизонт содержит пресные воды атмосферного происхождения (глубина залегания от 25 до 350 м), используемые для бытового, хозяйственного и технического водоснабжения.
Средний горизонт – древние воды, преимущественно минеральные или соленые, залегающие на глубине от 50 до 600 м.
Нижний горизонт – вода очень древняя, нередко погребенная, в высокой степени минерализованная, представлена рассолами, залегает на глубине от 400 до 3000 м и используется для добычи солей, брома, йода.
Вода, залегающая на первом водоупорном слое и существующая длительное время, называется грунтовой . Глубина залегания грунтовых вод различна и зависит от геологического строения – от нескольких десятков метров (20-39 м) до 1-2 км. Поверхность зеркала грунтовых вод обычно слабоволнистая, с уклоном в сторону понижений в рельефе (речные долины, балки, овраги), скорость движения воды в крупнозернистых песках составляет 1,5-2 м в сутки, в супесях – 0,5-1 м в сутки.
Выходы грунтовых вод на поверхность образуют источники. Грунтовые воды, залегающие между двумя водоупорными горизонтами, называются напорными или артезианскими. Обычно грунтовые и верхние артезианские воды имеют температуру около среднегодовой температуры воздуха в данной местности, их источники называют холодными. Воды, имеющие температуру +200С и ниже, - холодные. Воды и источники, имеющие температуру от 200 до 370С, называют теплыми, свыше +370С – горячими или термальными (подвержены воздействию внутреннего тепла Земли). В вулканических областях горячие воды изливаются в виде гейзеров – периодически фонтанирующих горячих источников (самый крупный гейзер – Великан на Камчатке, мощная струя горячей воды бьет из него на 50 м вверх, столб пара достигает высоты 300 м).
Болота
Болота – участки земной поверхности, избыточно увлажненные пресной или соленой водой, характеризующиеся затрудненным обменом газов, накоплением мертвого растительного вещества, переходящего в дальнейшем в торф. Болота занимают около 3,5 млн. км2, или около 2% площади суши. Наиболее заболочены материки Евразия и Северная Америка, 70% болот находится в России.
Возникновение болот как завершающей фазы развития озер – это только один из способов происхождения болот. Помимо зарастания и заторфовывания водоемов, в образовании болот важную роль играют процессы увлажнения суши. Залегание с поверхности (или близко к ней) водоупорных пород и вечной мерзлоты облегчает заболачивание местности, особенно в условиях равнинного и мало пересеченного рельефа, препятствующего дренажу. Повышение уровня грунтовых вод, приводящее к заболачиванию, может иметь и вторичный характер – в результате вырубки леса на большом пространстве или вследствие лесного пожара: в обоих случаях уровень грунтовых вод поднимается, так как испарение воды из почвы уменьшается. Болото может быть завершающей фазой не только в развитии озер, но и в развитии леса как растительной ассоциации. Наконец, болота образуются в результате затопления поверхности земли проточными или морскими водами. Небольшие болотца появляются в местах выхода ключей, у подножия склонов, но особенно большой эффект производят разливы рек, наводняющие пойму.
По условиям питания болота подразделяются на низинные, верховые и переходные. Низинные болота питаются грунтовыми или речными водами, богатыми минеральными веществами, и располагаются, преимущественно, в понижениях затапливаемых постоянно или временно водой. В травяных болотах преобладают осоки, хвощи, сабельник, вейник и др., в гипновых болотах к перечисленным травам присоединяются мхи, в лесных – береза, ольха. Низинные болота широко распространены в зоне полесий – Мещере, в поймах больших рек Западной Сибири и т.д. Верховые болота возникают на мало расчлененных водоразделах и питаются преимущественно атмосферными осадками, преобладают во влажном климате. В растительном покрове верховых болот главную роль играют сфагновые мхи, кроме того, встречаются багульник, клюква, росянка, из деревьев – болотная сосна.
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.
Водная масса Мирового океана обладает определенными химическими, физическими, динамическими и биологическими свойствами. Рассмотрим их с позиции их роли в жизни биосферы и географической оболочки.
Океанская вода-раствор, в котором, по последним данным (А. П. Виноградов), обнаружены все химические элементы. Минерализация воды называется ее соленостью . Она измеряется в тысячных долях, в промилле и обозначается %.
Средняя соленость Мирового океана 34,7% 0 (округлено 35%о). В 1 т воды содержится 35 кг солей, а общее их количество так велико, что если бы извлечь все соли и рассыпать по поверхности материков, то образовался бы слой мощностью в 135 м (Л. А. Зенкевич).
Океанская вода может рассматриваться в качестве жидкой многоэлементной руды. Из нее добываются поваренная соль, калийные соли, магний, бром и многие другие элементы и соединения.
Первый вопрос, который возникает у географа при ознакомлении с составом морской воды: благоприятна или нет ее соленость для жизни? Прежде всего океанская вода, как и почва материков, обладает плодородием. Она всегда содержит элементы, которые входят в состав пищи морских зеленых растений. И только фосфаты и иногда нитраты могут быть в-недостаточном количестве. Их содержание зависит от циркуляции водных масс (см. ниже).
Минерализация воды - непременное условие зарождения жизни и развития биосферы в океане. Ультрапресная вода, проникая в клетки, оказывает на них вредное действие: будучи сильным растворителем, она изменяет состав протоплазмы. Пресноводные организмы имеют приспособления в виде водонепроницаемых слизистых покровов, которыми «изолируются» от среды. В морской соленой воде осмотическое давление такое же, как внутри организма; токи между средой и тканями не возникают. С другой стороны, растворы высокой концентрации, например сильно соленые воды озер, совсем убивают жизнь. Морская вода оказывается оптимальной для жизни.
Почти все морские животные стеногалинны-могут жить только в узких рамках солености, эвригалинные малочисленны.
Географически важно, что морская фауна легко переносит повышение солености и отрицательно реагирует на ее снижение. Например, рифовые кораллы чувствительны даже к слабому опреснению, поэтому коралловые постройки всегда прерываются против устьев рек. Фауна внутренних морей обедняется параллельно снижению их солености. Морских рыб в Кильской бухте 75, в средней части Балтийского моря 40, а в Ботническом заливе 23 вида. Соленость 4% исключает существование каких бы то на было морских форм.
Многие животные для построения тела усваивают кальций, к ним относятся планктонные организмы с известковым скелетом и кораллы. Усвоение протекает нормально при высокой температуре и прекращается даже при небольшом ее понижении По этой причине коралловые постройки распространены только в жарком поясе и служат его индикатором, а в расположенных илов органического происхождения прослеживается климатическая зональность.
Вопрос о том, какой была соленость на заре жизни, в какой воде возникло органическое вещество, решается сравнительно уверенно. Вода, выделявшаяся из мантии, захватывала и транспортировала подвижные компоненты магмы, и в первую очередь соли. Поэтому первичные океаны были минерализованы. С другой стороны, фотосинтезом разлагается и изымается только чистая Н 2 О, следовательно, соленость океанов неуклонно повышается. Данные исторической геологин свидетельствуют о том, что водоемы архея были солоноватыми - соленость около 25% и может быть, даже около 10%.
Мировой океан и его части
Мировой океан 1 - единая непрерывная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова. Из 510 млн км 2 площади земного шара на его долю приходится 361,3 млн км 2 (70,8%), так что мы, в сущности, живем на островах 2 . Южное полушарие более океаническое (81%), чем северное (61%). Неравномерное распределение вод Океана и суши на нашей планете - один из важнейших факторов формирования природы земного шара.
Объем Мирового океана более 1340 млн км 3 , а если учесть воду, которая содержится в илах океанического дна (примерно 10% от вод Океана), то общий объем океаносферы составляет почти 1,5 млрд км 3 . Средняя глубина Океана 3710 м.
1 Слово «океан» (греч. о/геапоз),
обозначающее «ве
ликая река, обтекающая всю Землю», пришло к нам из
древних времен. Термин «Мировой океан» предложен в
1917 г. русским океанологом Ю. М. Шокальским.
2 С помощью искусственных спутников Земли уста
новлено, что действительная площадь Мирового океана
из-за неровностей океанической поверхности на 0,14%
больше проекции, которая обычно принимается для рас
четов, и составляет 361,8 млн км 2 .
Мировой океан не только вода, это целостное природное образование, своеобразный географический объект планетарного масштаба. С позиций системных исследований он рассматривается как открытая динамическая саморегулирующаяся система, которая обменивается веществом и энергией со всеми остальными сферами Земли.
Единый Мировой океан подразделяется на отдельные океаны. Океан - обширная часть Мирового океана, обособленная материками, обладающая своеобразной конфигурацией береговой линии, определенными геологическим строением, рельефом дна и донными отложениями, самостоятельными системами атмосферной циркуляции и течений, специфическими гидрологическими характеристиками и природными ресурсами. Несмотря на условность границ и свободный обмен водных масс, каждый океан неповторим. Но специфика океанов проявляется на фоне общепланетарных процессов и черт, присущих Мировому океану в целом.
В современной мировой океанологической литературе сложилась концепция разделения Мирового океана на четыре океана: Тихий
Любушкина
(площадь 178,68 млн км 2 , максимальная глубина в Марианском желобе 11022 м), Атлантический (91,66 млн км 2 , глубина в желобе Пуэрто-Рико 8742 м), Индийский (76,17 млн км 2 , глубина в Яванском желобе 7729 м), Северный Ледовитый (14,75 млн км 2 , глубина в котловине Нансена 5527 м). Границы океанов проводят по материкам, островам, а в водных просторах либо по подводным поднятиям, затрудняющим водообмен, либо даже условно по меридианам и параллелям. Граница между Тихим и Атлантическим океанами проведена по меридиану мыса Горн (остров Огненная Земля), между Атлантическим и Индийским океанами - по меридиану мыса Игольный (юг Африки), Индийским и Тихим океанами - по меридиану мыса Южный (остров Тасмания) и по западным берегам полуострова Малакка, Больших и Малых Зондских островов. Граница Северного Ледовитого океана с Атлантическим проходит частично по подводным порогам и островам: от залива Согне-Фьорд (Скандинавский полуостров) через Фарерские острова и Исландию, далее по южному склону возвышения дна Датского пролива до м. Брустер (о. Гренландия); затем по южному склону возвышения в Девисовом проливе до полуострова Лабрадор. Граница между Тихим и Северным Ледовитым океанами проходит по Берингову проливу от мыса Дежнева на Чукотке до мыса принца Уэльского на Аляске.
| Рис. 78. Южный океан |
В 1996 г. Федеральной службой геодезии и картографии России принято решение о выделении на картах, издаваемых в России-
ской Федерации, Южного океана. Северная граница акватории Южного океана определена вдоль линии среднего многолетнего положения субтропического фронта (примерно вдоль 40° ю. ш. с отклонениями от 37° до 48°) (рис. 78).
Во всех океанах есть моря. Море - более или менее обособленная островами, полуостровами и подводными возвышенностями часть Океана. Исключение составляет уникальное Саргассово «море без берегов», расположенное в антициклоническом кольце течений Северной Атлантики.
Ввиду некоторой изоляции и большого влияния суши и других местных условий, а также замедленного водообмена моря отличаются от открытой части Океана своим гидрологическим режимом и другими природными особенностями.
Моря классифицируют по разным признакам.
По местоположению моря подразде-ляют на окраинные, внутренние и межостровные. Окраинные моря расположены на подводном продолжении материков и ограничены с одной стороны сушей, с другой - островами и подводными возвышенностями. Их связь с Океаном довольно тесная (Баренцево, Берингово, Тасманово и др.). Внутренние (средиземные) моря далеко вдаются в сушу, с океанами соединяются узкими проливами с порогами и резко отличаются от них по гидрологическому режиму. Их, в свою очередь, подразделяют на внутриматериковые (Балтийское, Черное и др.) и межматериковые (Средиземное, Красное и др.). К межостровным морям, окруженным более или менее плотным кольцом островов и подводными порогами, относят Яванское, Филиппинское и др. Их режим определяется степенью водообмена с Океаном.
В целом моря составляют около 10% площади Мирового океана. Самые крупные моря - Филиппинское - 5726 тыс. км 2 , Аравийское - 4832 тыс. км 2 , Коралловое - 4068 тыс. км 2 .
По происхождению котловин выделяются два основных типа морей: материковые и океанические. Они, как правило, различаются также формой котловин и глубиной.
Материковые (эпиконтинентальные) моря расположены в пределах подводной окраины материка с континентальной земной корой, преимущественно на шельфе. Они возникают при наступлении Океана на сушу вследствие либо колебаний земной коры, либо за счет увеличения воды в Океане после таяния покровных ледников. Большинство окраинных морей и многие внутриматериковые моря от-
носятся к этому типу. Окраинные моря имеют асимметричную форму: склон со стороны суши у них пологий, со стороны океана (островов) - крутой. Глубины у них относительно небольшие и нарастают в сторону океана.
Океанические (геосинклинальные) моря образуются в результате разломов земной коры и опускания суши. К ним относятся прежде всего моря переходных зон от материков к ложу океана и средиземные межматериковые моря. У них симметричные по форме котловины, глубины нарастают к центру до 2000 м и более. Обычно они рассекают материковый цоколь, и им свойственна в настоящее время тектоническая активность (вулканы, землетрясения). Все межостровные моря тоже находятся в тектонически активных зонах Земли, а окружающие их острова являются, по существу, вершинами подводных гор, нередко вулканов.
Наряду с этими двумя основными типами морей существуют моря, имеющие признаки обоих типов, например Берингово море.
Моря в отличие от океанов представляют собой региональные комплексные природные объекты, ибо их главные особенности формируются под влиянием местных факторов.
Береговая линия - граница суши и моря, как правило, неровная, с изгибами в виде заливов и полуостровов. Вдоль нее обычны острова, отделенные от материков и друг от друга проливами.
Залив - часть океана, довольно глубоко вдающаяся в сушу. Заливы менее изолированы от сопредельных океанов, чем моря. Поэтому режим их больше схож с теми акваториями, к которым они принадлежат. Заливы подразделяются на разные типы в зависимости от ряда факторов. По происхождению выделяют, например, фьорды - узкие, длинные, глубокие заливы с крутыми берегами, вдающиеся в гористую сушу, образовавшиеся на месте тектонических разломов, впоследствии обработанных ледником и затопленных морем (Согне-фьорд и др.); лиманы - мелкие заливы на месте затопленных морем устьевых частей рек (Днепровский лиман и др.); лагуны - заливы вдоль побережья, отделенные от моря косами (Куршский залив и др.). Есть деление заливов по размерам (самый большой - Бенгальский - 2191 тыс. км 2), по глубине(онже - 4519 м), по ф ор м е береговой линии: округлые (Бискайский), длинные и узкие (Калифорнийский).
Исторически сложилось так, что, по существу, однотипные акватории называются то заливами, то морями, хотя по многим признакам они схожи: например, Бенгальский залив,
но Аравийское море, Мексиканский залив, но Карибское море, Персидский залив, но Красное море и т. д. Эти несоответствия объясняются тем, что названия им давались в разное время без научного обоснования и по традиции сохранились до наших дней.
Пролив - относительно узкая часть океана или моря, разделяющая два участка суши и соединяющая два смежных водоема. Проливам нередко свойственно поднятие дна - подводный порог. Проливы тоже подразделяют на разные типы по ряду признаков. По морфологии выделяют узкие и широкие проливы (самый широкий - пролив Дрейка - 1120 км), короткие и длинные (самый длинный - Мозамбикский - 1760 км), мелкие и глубокие (самый глубокий - тоже пролив Дрейка - 5249 м). По направлению в проливах вод их подразделяют на проточные, в которых течение, как в реке, направлено в одну сторону, например Флоридский пролив с Флоридским течением, и на обменные, в которых наблюдаются течения в противоположных направлениях: либо у разных берегов (в Девисовом проливе теплое Западно-Гренландское течение направлено на север, а холодное Лабрадорское - на юг), либо в противоположных направлениях на двух разных уровнях (в проливе Босфор поверхностное течение следует из Черного моря в Мраморное, а глубинное - наоборот).
Полуостров - часть суши, вдающаяся в океан или море и окруженная с трех сторон водой. Самый крупный полуостров - Аравийский (2732 тыс. км 2). Выделяют коренные и аккумулятивные полуострова. Коренные подразделяются на отчленившиеся, являющиеся продолжением материка в геологическом отношении (Кольский полуостров), и причле-нившиеся - самостоятельные части суши, геологически не связанные с материком, а присоединившиеся к нему (полуостров Индостан). Аккумулятивные полуострова присоединяются к берегу за счет перемычки наносной суши в результате волновой деятельности (например, полуостров Бузачи на Каспийском море).
Остров - небольшой по сравнению с материками участок суши, окруженный со всех сторон водой. Встречаются одиночные острова (самый крупный - Гренландия - 2176 тыс. км 2) и скопления островов - архипелаги (Канадский архипелаг, Северная Земля). По происхождению острова подразделяются на две основные группы: материковые и океанические. Материковые - те, которые отделились от материков; они обычно крупные и располагаются на подводной окраине материков (Великобритания, Новосибирские острова и др.). Океанические (само-
| I 11111 300 200 100 |
Уровень океана
Рис. 79. Изменение уровня Мирового океана и его возможные пределы за последние 350 тыс. лет (по Р Фейр-бриджу)
стоятельные), в свою очередь, подразделяют на вулканические и коралловые (органогенные). Вулканические острова - результат извержения подводных вулканов, вершины которых оказались над уровнем Океана. Они либо образуют цепочку островов вдоль глубоководных желобов в переходной зоне океана (Курильские), либо являются выходами на поверхность срединно-океанических хребтов (остров Исландия - часть такого подводного хребта с разломом вдоль оси, активным вулканизмом и интенсивной гидротермальной деятельностью). Нередко это сводово-глыбо-вые подводные хребты на ложе океана, гребни которых увенчаны вулканическими горами (Гавайские острова). По дну океанов, особенно Тихого, рассеяно огромное количество одиночных островов вулканического происхождения. Коралловые острова характерны для жаркого пояса, особенно много их в Тихом и Индийском океанах. Коралловые сооружения - атоллы имеют форму кольца или подковы диаметром до нескольких десятков километров вокруг мелководной лагуны. Основанием для них обычно служат плосковершинные подводные вулканы - гайоты. Иногда атоллы образуют гирлянды вдоль берегов - барьерные рифы, например Большой Барьерный риф, протянувшийся вдоль восточного побережья Австралии на 2000 км.
Уровенная поверхность океана - свободная водная поверхность океанов и морей,
близкая к геоидной форме. В нашей стране за исходный уровень - стандарт, от которого отсчитываются абсолютная высота поверхности суши и глубины морей, берется средний многолетний уровень Балтийского моря у Кронштадта (Балтийская система высот).
Уровень Мирового океана подвержен разного рода колебаниям, как периодическим, так и непериодическим. К периодическим колебаниям относятся, например, суточные колебания из-за приливов-отливов, годовые из-за температуры, осадков, ветров. Непериодические колебания возникают из-за прохождения тропических циклонов, цунами, моретрясений и т. д. Периоды колебаний могут быть короткими (прилив-отлив через 6 ч 12,5 мин) и длительными, вековыми (сотни лет). Например, многие постройки Скандинавии, некогда возведенные на берегу моря, находятся сейчас далеко от него. А в Голландии, Венеции происходит опускание суши и наступление моря.
Вековые изменения могут быть вызваны разными причинами: изменениями объема воды в Океане (гидрократические, или эв-статические, колебания) или изменениями емкости Океана (геократические, или тектонические, колебания). Геократические колебания вызваны тектоническими нарушениями дна Океана, из-за чего изменяется объем Мирового океана.
Это неоднократно происходило в течение геологического времени, вызывая трансгрессии (наступление) и регрессии (отступание) моря.
 |
| -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 Н, м - уровни океана (0 - современный уровень) |
Взаимосвязанные теократические и гидро-кратические изменения неоднократно происходили в плейстоцене. При похолодании огромная масса воды в виде льда консервировалась на суше и уровень Океана понижался на 100-120 м.
При потеплении во время межледниковий в результате таяния льда вода поступала в Океан и его уровень повышался (рис. 79). На характер колебаний уровня Океана в четвертичный период определенное влияние оказывали гляциоизостатические компенсации. На рисунке 80 отражено направленное повышение уровня Мирового океана после окончания четвертичных оледенений в голоцене (около 10 тыс. лет назад). Видно, что он достиг своего современного положения примерно в середине атлантического периода голоцена около 6 тыс. лет назад и с тех пор испытывает периодические колебания вокруг нулевой от-
Рис. 80. Изменение уровня Мирового океана и его возможные отклонения в голоцене (по Р К. Клиге и др.)
метки. Вместе с тем повышение уровня Мирового океана за последние 100 лет на 16 см связывают с глобальным антропогенным потеплением климата на Земле, которое вызвало таяние ледников и тепловое расширение воды в Океане (рис. 81). Расчеты свидетельствуют о дальнейшем повышении уровня Океана примерно на 20-30 см к середине XXI в., хотя крайние оценки существенно расходятся: от 5-7 см до 140 см. Общая картина изменения уровня Океана весьма сложна и обычно вычисляется для определенных пунктов наблюдений.
Рис. 81. Современные изменения уровня Мирового океана (по Р. К. Клиге и др.)
Основные физико-химические свойства океанской (морской) воды
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. Га-
зы, 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% 0 . В умеренных широтах соленость близка к 35%о. В приполярных и полярных широтах соленость наименьшая - око-
ло 32%о, поскольку количество осадков превышает испарение, велик речной сток, особенно сибирских рек, много айсбергов, главным образом вокруг Антарктиды и Гренландии.
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% 0 . 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 шельфо-вых ледников.
Рис. 82. Типы вертикального распределения солености (по Л. К. Давыдову и др.)
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 Оке--ана, 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.
Срединно-океанические хребты
Пересекают все океаны, образую единую планетарную систему общей протяженностью свыше 60 тыс. км, а общая площадь их составляет 15,2 % площади Мирового океана. Срединно-океанические хребты действительно занимают срединное положение в Атлантическом и Индийском океанах, в Тихом океане они смещены на восток к берегам Америки.
Рельеф срединно-океанических хребтов резко расчленен, причем по мере удаления от оси горные шпили сменяются зонами холмистого рельефа и еще более выполаживаются в районе сочленения с глубоководными равнинами. Хребты состоят из горных систем и разделяющих их долинообразных депрессий, вытянутых в соответствии с общим простиранием. Высота отдельных горных вершин достигает 3-4 км, общая ширина срединно-океанических хребтов колеблется от 400 до 2000 км. Вдоль осевой части хребта прослеживается продольная впадина, называемая рифтом или рифтовой долиной (рифт от англ. щель). Ее ширина от 10 до 40 км, а относительная глубина от 1 до 4 км. Крутизна склонов долины 10-40°.
Стенки долины ступенями разделяются на несколько уступов. Рифтовая долина – наиболее молодая и тектонически наиболее активная часть срединно-океанических хребтов, она имеет интенсивное блоково-грядовое расчленение. Ее центральная часть состоит из застывших базальтовых куполов и рукавообразных потоков, расчлененных гьярами – зияющими трещинами растяжения без вертикального смещения шириной от 0,5 до 3 м (иногда 20 м) и протяженностью десятки м.
Срединно-океанические хребты разбиты трансформными разломами, нарушающие их непрерывность в широтном направлении. Амплитуда горизонтального смещения составляет сотни км (до 750 км в экваториальной зоне Срединно-Атлантического хребта), а вертикального до 3-5 км.
Иногда отмечаются мелкие формы рельефа дна называемые микрорельефом, среди которого выделяют эрозионный, биогенный и хемогенный.
Вода это полимерное соединение молекул Н 2 О, в отличие от водяного пара. В строении молекулы воды могут участвовать различные изотопы О и Н. Наибольшее распространение имеют 1 Н – легкий водород, 2 Н – дейтерий (150 мг⁄л.), 16 О, 17 О, 18 О. Основную массу образуют молекулы чистой воды 1 Н 2 16 О, смесь всех остальных видов воды называется тяжелой водой, отличающейся от чистой воды большей плотностью. На практике под тяжелой водой понимают оксид дейтерия 2 Н 2 16 О (D 2 О), под сверхтяжелой водой – оксида трития 3 Н 2 16 О (Т 2 О). Последней в мировом океане содержится ничтожно малое количество – 800 грамм (в пересчете на тритий). К основным физическим свойствам воды относятся оптические, акустические, электрические и радиоактивность.
Оптические свойства
Обычно под ними понимают проникновение света в воду, поглощение и рассеяние его в воде, прозрачность морской воды, ее цвет.
Поверхность моря освещается непосредственно солнечными лучами (прямая радиация) и светом, рассеянным атмосферой и облаками (рассеянная радиация). Одна часть солнечных лучей отражается от морской поверхности в атмосферу, другая проникает в воду после преломления на поверхности вод.
Морская вода – полупрозрачная среда, поэтому свет не проникает на большие глубины, а рассеивается и поглощается. Процесс ослабления света носит избирательный характер. Составные части белого света (красный, оранжевый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый) по-разному поглощаются и рассеиваются морской водой. По мере проникновения в воду вначале исчезает красный и оранжевый (приблизительно на глубине 50 м), далее желтый и зеленый (до 150 м), а затем – голубой, синий и фиолетовый (до 400 м).
Под прозрачностью традиционно понимают глубину погружения белого диска диаметром 30 см, на которой он перестает быть видимым. Прозрачность должна измеряться при определенных условиях, так как ее величина зависит от высоты наблюдения, времени суток, облачности и волнений моря. Наиболее точны замеры, которые проведены при спокойной, ясной погоде около полудня, с высоты 3-7 м над поверхностью воды.
Совокупность действий поглощения и рассеивания света обусловливает голубой цвет чистой (без примесей) морской воды. Окраска поверхности моря зависит от ряда внешних условий: угол зрения, цвет неба, наличие облаков, ветровых волн и т.д. Так при появлении волн море быстро синеет, а при плотных облаках – темнеет.
По мере приближения к берегам уменьшается прозрачность моря, вода зеленеет, иногда приобретает желтоватые и коричневые оттенки. В открытом море прозрачность и цвет определяются взвешенными частицами органического происхождения, планктоном. В период развития фитопланктона (весна, осень) прозрачность моря уменьшается, а цвет становится более зеленым. В центральных частях прозрачность обычно превышает 20 м, а цвет находится в пределах синих тонов. Наибольшая прозрачность (65,5 м) зафиксирована в Саргассовом море. В умеренных и полярных широтах, богатых планктоном, прозрачность воды составляет 15-20 м, а цвет моря зеленовато-голубой. В местах впадения крупных рек цвет морской воды мутно- и коричневато-желтый, прозрачность снижается до 4 м. Резко меняется окраска моря под влиянием растительных или животных организмом. Массовое скопление какого-либо одного организма может окрасить поверхность моря в желтый, розовый, молочный, красный, коричневый и зеленый цвет. Это явление называется цветением моря. В некоторых случаях в ночное время происходит свечение моря, связанное с изучением биологического света морскими организмами.
Акустические свойства
Определяют возможность распространения в морской воде звука – волнообразно распространяющихся колебательных движений частиц упругой среды, в качестве которой выступает морская вода. Сила звука пропорциональна квадрату частоты, которая определяется числом упругих колебаний в секунду. Поэтому от источника одной и той же мощности можно получить звук большей силы, увеличивая частоту звуковых колебаний. Для практических целей в морском деле (эхолотирование, подводная связь) используются ультразвук (звук большой частоты), который к тому же характеризуется слаборасходящимся пучком акустических лучей.
Скорость звука в морской воде зависит от плотности и удельного объема воды. Первая характеристика, в свою, очередь, зависит от солености, температуры и давления. Скорость звука в морской воде колеблется от 1400 до 1550 м/с, что в 4-5 раз больше скорости распространения звука в воздухе. Распространение звука в воде сопровождается его затуханием вследствие поглощения и рассеивания, а также преломлением и отражением звуковых волн.
На некоторой глубине в толще океанской воды имеется зона, где скорость звука минимальна, звуковые лучи, претерпевая многократное внутреннее отражение, распространяются в этой зоне на сверхдальние расстояния. Этот слой с минимальной скоростью распространения звука получил название звукового канала. Звуковой канал характеризуется свойством непрерывности. Если источник звука помещен возле оси канала, то звук распространяется на расстояние в тысячи километров (максимально зарегистрированное расстояние 19200 км). В мировом океане звуковой канал расположен в среднем на глубине 1 км. Для полярных морей характерен эффект приповерхностного расположения звукового канала (глубины 50-100 м), как результат отражения звука от поверхности моря.
После выключения источника звука какое-то время в толще воды сохраняется остаточное звучание, получившее название реверберации. Это следствие отражения и рассеяния звуковых волн. Различают донную, поверхностную и объемную реверберацию, в последнем случае рассеивание звука происходит с помощью газовых пузырьков, планктона, взвеси.
Электрические свойства
Чистая (пресная) вода - плохой проводник электричества. Морская вода, представляя собой почти полностью ионизированный раствор, хорошо проводит электрический ток. Электропроводность зависит от солености и температуры воды, чем выше соленость и температура, тем выше электропроводность. Причем в большей степени на электропроводность влияет соленость. Например, в диапазоне температур от 0 до 25°С электропроводность возрастает лишь в два раза, тогда как в диапазоне солености от 10 до 40‰ - в 3,5 раза.
В толще морской воды существуют теллурические токи, обусловленные корпускулярным излучением солнца. Поскольку электропроводность морской воды лучше, чем твердой оболочки, то величина этих токов в океане выше, чем в литосфере. С глубиной она несколько увеличивается. При движении морской воды в ней индуцируется электродвижущая сила, пропорциональная напряженности магнитного поля и скорости движения морской воды (проводника). Измерив наведенную электродвижущуюся силу и зная напряженность магнитного поля в данном месте и в данный момент, можно определить скорость морских течений.
Радиоактивные свойства
Морская вода обладает радиоактивностью, поскольку в ней растворены и радиоактивные элементы. Основная роль принадлежит радиоактивному изотопу 40 К и в значительно меньшей степени радиоактивным изотопам Th, Rb, C, U и Ra. Естественная радиоактивность морской воды в 180 раз меньше радиоактивности гранита и в 40 раз меньше радиоактивности осадочных пород континентов.
Кроме рассмотренных физических свойств, морская вода обладает свойствами диффузии, осмоса и поверхностного натяжения.
Молекулярная диффузия выражается в перемещении частиц растворенного в воде вещества без механического перемешивания.
Явление осмоса, т.е. диффузии растворенных веществ через пористую перегородку (мембрану), имеет в основном биологическое значение, но может быть использовано и для получения чистой воды из морской.
Поверхностное натяжение – свойство воды иметь на поверхности тонкую прозрачную пленку, стремящуюся сократиться. Это явление имеет решающее значение при образовании капиллярных волн на поверхности моря.
Химический состав океанских вод
Морская вода отличается от воды рек и озер горько-соленым вкусом и большой плотностью, что объясняется растворенными в ней минеральными веществами. Количество их, выраженное в граммах на килограмм морской воды, называется соленостью (S) и выражается в промилле (‰). Общая соленость составляет 35‰ или 35% или 35 г на 1 кг воды. Такая соленость морской воды называется нормальной и характерна для всей массы воды, за исключением поверхностного слоя в 100-200 м, где соленость колеблется от 32 до 37‰, что связано с климатической зональностью. В аридных зонах, где испарение велико, а поверхностный сток мал, соленость увеличивается. В гумидных зонах соленость уменьшается за счет опресняющего влияния стока поверхностных вод с континента. Климат сильнее сказывается во внутренних морях. В Красном море соленость достигает 41-43‰. Особенно высокая соленость (200-300‰) наблюдается в отшнурованных от моря лагунах аридных областей (Кора-Богаз-Гол). Соленость Мертвого моря 260-270‰.
Элементный состав Солевой элементный состав
морской воды морской воды
О 85, 8% Cl 55,3 %
H 10,7 % Na 30,6 %
Cl 2,1 % SO 4 7,7 %
Na 1,15 % Mg 3,7 %
Mg 0,14 % Ca 1,2 %
S 0,09 % K 1,1 %
Ca 0,05 % Br 0,2 %
K 0,04 % CO 2 0,2 %
Остальное меньше 0,001 %.
В солевом составе морской воды преобладают:
Хлориды 89,1 % (NaCl -77,8% - галит, MgCl 2 – 9,3% - бишофит, КCl - 2% - сильвин);
Сульфаты 10,1% (Mg SO 4 - 6,6% - эпсомит, CaSO 4 – 3,5 % - ангидрит)
Карбонаты 0,56 %
Броматы 0,3 %.
Газовый состав морской воды
В воде растворены: кислород, углекислый газ, азот, местами сероводород.
Кислород поступает в воду двумя путями:
Из атмосферы,
За счет фотосинтеза фитопланктона (зеленых растений)
6 СО 2 + 6Н 2 О = С 6 Н 12 О 6 +6О 2 +674 ккал (свет + хлорофилл).
Его содержание сильно колеблется от 5 до 8 см 3 на литр и зависит от температуры, солености и давления. Растворимость кислорода сильно понижается при повышении температуры, поэтому его много в высоких широтах. Имеет место сезонные колебания, при повышении температуры кислород выделяется в атмосферу и наоборот, так осуществляется динамическое взаимодействие атмосферы и гидросферы. Такая же обратная зависимость существует между содержанием кислорода и соленостью: чем больше соленость, тем меньше кислорода. Зависимость же содержания кислорода от давления прямая: чем больше давление, тем больше кислорода растворено в воде. Наибольшее количество кислорода содержится на поверхности воды (за счет атмосферы и фотосинтеза) и на дне (за счет давления и меньшего расхода организмами) до 8 см 3 на литр – эти две пленки сливаются в береговой зоне. В средней части водоема содержание кислорода – наименьшее – 2-3 см 3 на литр. Благодаря вертикальной и горизонтальной циркуляции вод в океанах почти всюду содержится свободный кислород. Кислород расходуется на дыхание растений и животных и окисление минералов.
Углекислый газ содержится в воде 1) частично в свободном растворенном состоянии и 2) в химически связанной форме в составе карбонатов и бикарбонатов. Суммарное содержание СО 2 в воде более 45 см 3 на литр, из которых только половина падает на долю свободного СО 2 . Источники углекислого газа: атмосфера, вулканические газы, органика и речные воды. Расход: фотосинтез, образование карбонатных минералов. Содержание СО 2 также регулируется температурой, в верхних прогретых слоях морских вод растворимость СО 2 падает и он выделяется в атмосферу. Создается его нехватка, что приводит к образованию нерастворимого карбоната кальция СаСО 3 , который выпадает в осадок. В холодных водах отмечается высокое содержание СО 2 .
Азот содержится в воде в количестве 13 см 3 на литр и поступает в основном из атмосферы.
Сероводород распространен ограниченно и приурочен к замкнутым котловинным морям, сообщающимся с Мировым океаном с помощью узких мелководных проливов. Это нарушает водообмен между ними. Например, Черное море, заражение сероводородом начинается, примерно, с глубины 150 м и увеличивается с глубиной, а в придонной части достигает 5-6 см 3 /литр. Сероводород продуцируется бактериями из сульфатов:
СаSO 4 + CH 4 → H 2 S +CaCO 3 +H 2 O
Кроме того, в водах Мирового океана растворено некоторое количество органического вещества (до 10 г/л в Азовском море), присутствует также определенное количество мути и взвеси.
Температура вод Мирового океана
Основной источник тепла, получаемый Мировым океаном, - Солнце. От него тепло поступает в виде коротковолновой солнечной радиации, состоящей из прямой радиации и радиации, рассеянной атмосферой. Часть радиации отражается обратно в атмосферу (отраженная радиация). Дополнительное тепло Мировой океан получает в результате конденсации паров воды на поверхности моря и за счет теплового потока, идущего из недр Земли. В то же время океан теряет тепло при испарении, эффективном излучении и водообмене. Алгебраическая сумма количества тепла, поступающего в воду и теряемое водой в итоге всех тепловых процессов, называется тепловым балансом моря. Поскольку средняя температура воды Мирового океана за многолетний период наблюдений остается неизменной, то все тепловые потоки в сумме равны нулю.
Распределение температуры по поверхности Мирового океана зависит, главным образом, от широты местности, поэтому наибольшие температуры располагаются в приэкваториальной зоне (термический экватор). Искажающее влияние оказывают материки, преобладающие ветры, течения. Многолетние наблюдения показывают, что средняя температура поверхностных вод равна 17,54 о С. Самый теплый – Тихий океан (19,37 о), самый холодный – Северный Ледовитый океан (-0,75 о). С глубиной температура понижается. В открытых частях океана это происходит сравнительно быстро до гл. 300-500 м и значительно медленнее до гл. 1200-1500 м; ниже 1500 м температура снижается очень медленно. В придонных слоях океана на глубинах ниже 3 км температура держится преимущественно +2 о С и 0 о С, достигая -1 о С в Северном Ледовитом океане. В некоторых глубоководных впадинах с гл. 3,5 – 4 км и до дна температура воды несколько повышается (например, Филиппинское море). Как аномальное явление следует рассматривать существенный рост температуры придонного слоя воды до 62 о С в некоторых впадинах Красного моря. Такие отклонения от общей закономерности – следствие влияния глубинных процессов, происходящих в земных недрах.
Верхний слой воды (в среднем до 20 м) подвержен суточным колебаниям температуры, его выделяют как деятельный слой. Переход от деятельного слоя к нижнему слою низких температур совершается в относительно тонком слое, который называется термоклином. Основные характеристики термоклина следующие:
Глубина залегания – от 300-400 м (в тропиках) до 500-1000 м (в субтропиках),
Толщина – от нескольких см до десятков метров,
Интенсивность (вертикальный градиент) –0,1-0,3 о на 1 м.
Иногда различают два термоклина: сезонный и постоянный. Первый образуется весной и исчезает зимой (его гл. 50-150 м). Второй, называемый «главным термоклином», существует круглогодично и залегает на относительно больших глубинах. Два типа термоклина встречаются в умеренных климатических зонах.
Термоклин характеризуется также изменением оптических свойств воды, этим пользуются рыбы, убегающие от хищников: они ныряют в термоклин, и хищники теряют их из виду.
Установлено также, что в течение последних 70 млн. лет температура глубинных вод Мирового океана понизилась с 14 до 2 о С.
Плотность морской воды
Плотность любого вещества – это величина, измеряемая массой вещества в единице объема. За единицу плотности принимается плотность дистиллированной воды при температуре 4 о С и нормальном атмосферном давлении. Плотность морской воды – это масса морской воды (в г.), заключенной в 1 см 3 . Она зависит от солености (прямая зависимость) и температуры (обратная зависимость). Плотность морской воды при температуре 0 о С и солености 35‰ составляет 1,028126 г/см 3 .
По поверхности плотность распределена неравномерно: она минимальна в экваториальной зоне (1,0210 г/см 3) и максимальна в высоких широтах (1,0275 г/см 3). С глубиной изменение плотности зависит от изменения температуры. Ниже 4 км плотность морской воды изменяется мало и достигает у дна 1,0284 г/см 3 .
Давление морской воды
Давление в морях и океанах возрастает на каждые 100 м на 1 Мпа или на 10 атм. Ее величина зависит также и от плотности воды. Рассчитать давление можно по формуле:
Р = Н ּρ/100,
Р – давление в Мпа,
Н – глубина, для которой производится расчет,
ρ плотность морской воды.
Под действием давления вышележащих слоев уменьшается удельный объем морской воды, т.е. она сжимается, но эта величина незначительна: при S =35‰ и t = 15 о С она равна 0, 0000442. Однако, если бы вода была абсолютна несжимаема, то объем Мирового океана увеличился бы на 11 млн. км 3 , а его уровень поднялся бы на 30 м.
Кроме термоклина (скачка температуры), выделяется и скачок давления – пикноклин. Иногда в морском бассейне выделяют несколько пикноклинов. Например, в Балтийском море известны два пикноклина: в интервале глубин 20-30 м и 65-100 м. Пикноклин используется иногда в качестве «жидкого грунта», позволяющего нейтрально уравновешенной подводной лодке лежать на нем, не работая винтами.