Состав морской воды

Вода на Земле

Водная оболочка нашей планеты, в отличие от ее воздушной оболочки, является прерывистой, а не сплошной. Действительно, океаны отделены друг от друга материками или цепью островов, что приводит к ряду особенностей общей циркуляции вод Миро­вого океана по сравнению с атмосферой.

Нашу планету можно считать планетой воды, так как вода покрывает 75% земной поверхности. Это и ослепительно си­ние огромные океаны и моря, являющиеся составными частями Мирового океана, и нежно голубые озера и водохранилища, и многочисленные реки, серебристыми лентами пересекающие тер­риторию всех континентов, и льды на суше и на море. В больших количествах вода содержится в земных недрах. Все водные объ­екты на поверхности Земли связаны между собой и образуют гидросферу. Каждый водный объект, будь то океан, море, озеро, искусственное водохранилище, река или болото можно уподобить сложному организму, в котором одновременно протекают много­численные физические, химические и биологические процессы.

Изучением физических процессов в гидросфере Земли на физическом факультете МГУ занимается кафедра физики моря и вод суши [155, 101].

Следуя [7, 132, 44], рассмотрим физические процессы в гид­росфере.

Чтомы знаем о возникновении Мирового океана

Об образовании Мирового океана мы знаем пока что очень мало. Дело в том, что химический состав морской воды, который мог бы служить индикатором изменений, которые происходили в процессе возникновения и эволюции Мирового океана, впервые был исследован только в 1872-1876 гг. во время экспедиции бри­танского парового корвета «Челленджер», совершившего первую океанографическую кругосветную экспедицию. Именно во время этой экспедиции были исследованы физические и химические свойства морской воды на различных горизонтах. До этого вре­мени никаких систематических измерений в океане не прово­дилось. Поэтому все существующие предположения об истории

Гл. 6. Вода на Земле

1,0 2,0 3,0 4,0 f 5,0 время, млрд лет

Рис. 6.1. Одна из моделей эволюции состава атмосферы Земли

происхождения морской воды целиком исходят из летописи гео­логических событий и расчета равновесия химических реакций. Скорее всего, первоначальная гидросфера образовалась ча­стично из первоначальной атмосферы и поэтому предположения о ранней истории морской воды сосредоточивались вокруг ис­тории первоначальной атмосферы. Рис. 6.1 иллюстрирует одну из существующих моделей эволюции состава атмосферы Земли. Современное состояние атмосферы Земли обозначено стрелкой на временной шкале рисунка. Первоначальная же атмосфера Земли в период образования нашей планеты (~ 4,6 млрд лет тому назад) скорее всего состояла из паров воды НгО, углекис­лого газа СОг, метана СН4 и соединений азота в виде аммиака NH3 и гораздо больше напоминала тогда атмосферу Венеры. Кислород начал поступать в атмосферу на сравнительно позд­нем этапе развития планеты. Источником кислорода являлось расщепление молекул НгО под действием УФ радиации Солнца и процесс фотосинтеза растительного покрова Земли. В настоящее время растения производят ~ 10¹⁴ кг О2 в год или 3 • 10⁶ кг/с, что значительно больше, чем дает диссоциация молекул НгО. Однако содержание кислорода в атмосфере не увеличивается — весь он расходуется на дыхание животных и человека, на окис­ление газов, выделяющихся из вулканов, на горение, на гние­ние мертвых растений. Поэтому такая деятельность человека, как интенсивная рубка лесов, может привести к уменьшению содержания Ог в атмосфере, т. е. к экологической катастрофе. Отсюда понятен глубокий смысл выражения «леса — это легкие планеты».

Гл. б. Вода на Земле 113

Но вернемся к первичному океану. Образование первичного океана началось тогда, когда в первичной атмосфере создались условия для конденсации водяного пара. Возникавший конденсат скапливался в замкнутых углублениях земной коры, и эти скоп­ления положили начало образованию протоокеанов. Так как в это время в атмосфере Земли было велико содержание СОг, этот газ вступал в реакцию со сконденсировавшейся водой и образо­вывал кислоту, которая поступала в первоначальный океан. Так что протоокеаны, скорее всего, были очень кислыми. Поскольку выделение паров НгО продолжалось, продолжался и процесс их конденсации, и в результате протоокеаны, имевшие вначале, может быть, и небольшие размеры, слились в океаны. Геологи­ческие данные свидетельствуют, что уже 3 млрд лет тому назад воды на Земле было достаточно. По мере развития жизни на Зем­ле (органические соединения появились 2,5-3,0 млрд лет тому назад, зарождение жизни на Земле датируется 2,5-1,0 млрд лет тому назад) менялся и состав морской воды (уменьшалась ее кислотность). Образовавшийся озоновый экран защищал живые организмы от действия жесткого ультрафиолетового излучения. Окисление серы, аммиака до свободного азота обусловили об­разование современного типа азотно-кислородной атмосферы. Появление кислорода в результате фотосинтеза привело к ин­тенсивному изменению химического состава воды океанов. Вос­становительная форма существования элементов сменилась на окислительную. Стабилизация химического состава атмосферы обусловливала стабилизацию нового химического состава океа­нов. Примерно около 1 млрд лет тому назад морская вода до­стигла, вероятно, такого состава, который очень близок к составу современной морской воды.

Как упоминалось выше, об истории развития Мирового оке­ана мы знаем очень мало. Существует ряд легенд о возникнове­нии Атлантической впадины и впадины Тихого океана. Первые гипотезы истории развития Атлантической впадины восходят, по крайней мере, к Платону. Известное единственное указание на местоположение и обстоятельства гибели Атлантиды было найдено в его архивах в 347 г. до н. э. Из них следовало, что само предание было завезено в Элладу далеким предком Платона, известным мудрецом Солоном, из Египта, где он путешествовал около десяти лет за 6 веков до н. э. Там-то служители богини Нейт и поведали Солону это странное сказание о погибшей за 9000 лет до этого працивилизации, частью которой и была Атлан­тида — остров, располагавшийся в Атлантическом океане «... пе­ред проливом, который ... называется Геракловыми столбами».

114 Гл. 6. Вода на Земле

Одно время считали, что Атлантида находилась и была затопле­на в Средиземном море вблизи Мессинского пролива, разделяю­щего юг Италии и остров Сицилию. Однако наиболее признанной все еще является гипотеза Платона. Если придерживаться этой гипотезы, то Атлантида была большим, расположенным к западу от Гибралтара, архипелагом, который затонул в 9600 г. до н.э. Эта дата является весьма важной в геологическом масштабе, так как она совпадает с периодом, когда племена, жившие на островах и побережье, были вынуждены искать другие земли, что может свидетельствовать об опасности затопления.

Одна из концепций возникновения Атлантической впадины связана с гипотезой дрейфа материков. Именно Джордж Дар­вин — сын Чарльза Дарвина — выдвинул эту теорию, хотя она более известна как теория Вегенера. Дж. Дарвин разработал ме­тоды предвычисления приливов, основанные на применении гар­монического анализа, исследовал влияние приливов в качестве космогонических факторов, т. е. факторов, сказывающихся на эволюции небесных тел. Дж. Дарвиным была выдвинута теория приливного резонанса, согласно которой утверждалось, что Луна отделилась от Земли и в результате этого на Земле остался «шрам» в виде ложа Тихого океана. Отделение от Земли та­кой большой массы вызвало напряжение в коре земного шара. Следствием этих напряжений и явился дрейф материков. При этом Атлантический океан — результат растяжения, и дно его — обнаженный шрам базальтовой коры, от которого двигались материки, а Тихий океан — зона сжатия. Веским доводом в пользу гипотезы дрейфа является сходство побережий, особенно в южной части Атлантического океана. Если Южную Америку придвинуть к западному побережью Африки, Аравийский по­луостров и Индию — к восточному (туда же и Мадагаскар), а Австралию и Новую Зеландию — к новой береговой черте, то видно, что они хорошо подходят друг к другу.

Если Дж. Дарвин считал, что Луна откололась от Земли в силу приливного резонанса, то другая гипотеза предполагает, что откол Луны от Земли произошел в результате столкновения Земли с некоторым космическим телом, что и привело к отделе­нию Луны в самостоятельный небесный объект. Американский космический аппарат «Клементина» сделал глобальную съемку обеих сторон Луны и исследовал лунный грунт. Исследования показали, что грунт Луны по своему химическому составу сильно отличается от земного. Этот факт опровергает сразу две гипоте­зы: 1) о том, что Земля и Луна одновременно возникли из газо­пылевого облака и 2) о том, что Луна возникла из мантии Земли,

Гл. 6. Вода на Земле

Рис. 6.2. Так выглядела наша планета в далеком прошлом

отколовшись от Земли во время ее столкновения с большим метеоритом размером с Марс. Вместе с тем, спектральный ана­лиз 93% лунной поверхности подтверждает гипотезу гигантского столкновения, но произошло это столкновение между Землей и Луной, которая была самостоятельным небесным телом. Потеряв при столкновении часть энергии, Луна отскочила от Земли, но преодолеть ее притяжение не смогла и осталась спутником Зем­ли. Результатом такого столкновения вполне могла быть впадина на поверхности Земли, в которой и образовался Тихий океан. Необходимо сказать, что Луна сыграла большую роль в эволю­ции Земли. Ее приливная энергия ускорила эволюцию нашей планеты примерно на 2-2,5 млрд лет (раньше Луна была ближе к Земле). Если бы не она, то Земля сейчас была бы в такой же фазе развития, как Венера.

Говоря об истории возникновения Мирового океана, следует вспомнить еще одну гипотезу. Согласно этой гипотезе примерно более 220-250 млн лет тому назад был единый материк Пангея (рис. 6.2). Затем он раскололся на два: Гондвану и Лавразию. Гондвана, в свою очередь, раскололась примерно 120 млн лет тому назад: Южная Америка «отъехала» от Африки, Евразия — от Америки и Африки. Лавразия раскололась еще ранее, око­ло 180 млн лет тому назад. Австралия отошла от Антарктиды и сейчас она плывет к северу («въезжает» в Азию). Индостан 130 млн лет тому назад был вместе с Антарктидой, а затем откололся и «въехал» в Азию (в результате этого процесса воз­никли Гималаи и Памир, 40 млн лет происходит торошение континентальной литосферы Индостана и Азии). Африка сейчас

116 Г л 6. Вода на Земле

разламывается: 10-15 млн лет тому назад она с Аравией состав­ляла одно целое, затем Аравия откололась. Северная Америка раскалывается в одном месте («отъезжает» Калифорнийский по­луостров) и сжимается в другом (идет сжатие и подвижка района Аппалачей). В Южной Америке зажаты Анды — их подпирает Тихоокеанская плита с одной и континент — с другой стороны.

Движутся литосфериые плиты, основания которых уходят в глубь Земли, а континенты плывут на них, как на плотах. Ско­рость движения 2-3 см в год. За 2 млн лет материки совершили путь в 100 км. При расколе Гондваны и Лавразии материки ото­шли друг от друга, а в пространстве между ними образовались Атлантический и Индийский океаны.

История развития Мирового океана не окончена. Если конти­ненты движутся, то как будут выглядеть составляющие Миро­вого океана в далеком будущем, точно предсказать пока невоз­можно. Примером развития Мирового океана может служить тот факт, что южная часть острова Гавайи ежегодно сползает в море на несколько дюймов. В какой-то мере объяснением этому может служить вулкан Килауэа. Когда остров обломится, предсказать ученые не могут, но очевидно, что это будет экологическая ката­строфа.

Таким образом, про историю развития Мирового океана мы знаем мало. А есть ли океаны на других планетах? Чтобы ответить на этот вопрос, попытаемся определить, что такое океан и каковы условия его существования?

Есть ли океанына других планетах

Океан — это значительный слой жидкости на поверхности планеты, резкой границей отделенный от ее атмосферы. Что необходимо, чтобы на планете существовал океан?

— Температура хотя бы на части планеты должна быть выше
температуры плавления того вещества, из которого состоит
океан (на Земле — это вода). Но этого недостаточно, так
как если этого вещества мало, то оно все может оказаться
в газообразном состоянии.

- Парциальное давление какого-либо газа около поверхности
планеты должно быть выше давления этого газа в насы­
щенном состоянии (тогда будет конденсация и образование
жидкой фазы).

Гл б. Вода на Земле 117

— Температура и давление должны быть ниже критической точки, так как при температуре и давлении, больших кри­тических, нет разницы между фазами — они непрерывно переходят друг в друга.

Из всех небесных тел солнечной системы претендентом на наличие океана является только спутник Сатурна Титан. У Ти­тана есть атмосфера, основным газом в которой, как и на Земле, является азот. Кроме азота в атмосфере Титана есть метан и другие углеводороды. Если бы к атмосфере Титана добавить еще ~15% кислорода, то ей не было бы цены. Но океан на Титане — метановый. Именно для этого вещества выполняются все три условия, необходимые для существования океана:

1) температура поверхности (T_s = 93 К) выше температуры
плавления Т; метана СН4 (Т; = 90 К);

2) парциальное давление метана около поверхности планеты
выше давления этого газа в насыщенном состоянии;

3) температура поверхности ниже температуры критической
точки СЬЦ, равной 191 К.

Атмосферы есть у Венеры, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна. Слабая атмосфера есть у Марса. Океан же только на Земле (вода) и у Титана (метановый). На Венере и Марсе в атмосфере преобладает углекислый газ СОг, на больших планетах — гелий (Не), водород (Н), метан (СН4).

Общие сведения о Мировом океане

Как отмечено выше, водная оболочка Земли в отличие от воздушной оболочки (атмосферы), не сплошная, она разорвана континентами. В настоящее время Мировой океан делится на четыре океана: Атлантический, Индийский, Тихий и Северный Ледовитый. Общая площадь поверхности Мирового океана со­ставляет 361 • 10⁶ км², т.е. 70,8% площади поверхности Земли. На Тихий океан приходится 49,5%, на Атлантический — 25,3%, на Индийский — 21,1%, на Северный Ледовитый — 4,1%. Во­ды каждого океана, вдаваясь в глубь суши, образуют моря, режим которых определяется условиями как открытого океана, так и материка. В зависимости от положения и связи с океаном выделяют окраинные, средиземные и внутренние моря. Грани­цы окраинных морей — выступы материков, гряды островов, а иногда и полуострова. Эти моря прямо переходят в океан, и

118 Га 6. Вода на Земле

физические процессы в них, за исключением прибрежной зоны, более подвержены влиянию открытого океана, чем материка. Средиземные моря — части океана, глубоко вторгающиеся в сушу и соединенные с океаном одним или несколькими проливами. Они могут быть внутриматериковыми, как Черное море, на­пример, или межматериковыми (Средиземное море). Режим вод таких морей больше подвержен влиянию материков, чем откры­того океана. Внутренние моря полностью изолированы от океана (Каспийское море). По характеру своего режима они ближе к водоемам суши, и только высокая степень минерализации вод указывает на их океанское происхождение.

Рельеф дна Мирового океана не однороден и геология океан­ского дна существенно отличается от геологии континентов. На дне каждого океана расположены горные хребты, получившие название срединно-океанских. Наиболее протяженный — Сре-динно-Атлантический хребет, который тянется от Исландии на юг параллельно береговым линиям Африки и Америки и затем поворачивает на восток, выходя в Индийский океан. Меньшие по размерам хребты есть в Индийском и Тихом океанах. Полная протяженность хребтов около 80 000 км. Вдоль хребтов распола­гаются центры подводных землетрясений

Средние глубины океана значительно превосходят средние высоты суши. Средняя глубина Мирового океана составля­ет 3800 м. Наглядное представление о распределении земного рельефа дает гипсографическая кривая. Если по оси ординат откладывать высоту или глубину относительно уровня моря, а по оси абсцисс — процент площади Земли в соответствующем диапазоне высот или глубин, то мы получим гипсографическую кривую (рис. 6.3).

Выделяют следующие основные крупномасштабные формы рельефа океанского дна:

Шельф (материковая отмель) — примыкающая к суше мел­ководная и пологая часть океанского дна, в геологическом отно­шении являющаяся продолжением материка. Внешней границей шельфа принято считать изобату 200 м, ширина шельфа весьма разнообразна, в Сибири ширина шельфа достигает 800 км. Сред­ний уклон дна шельфа 2 • 10~³. Шельф по площади составля­ет 7% общей площади Мирового океана, однако роль его в жизни человека весьма велика. Термические и динамические процессы на шельфе имеют целый ряд особенностей по сравнению с ана­логичными процессами в открытых районах океанов и морей' на шельфе меняется режим волнения, возникает вдольбереговая

Гл. 6 Вода на Земле

10000 8000 6000! 4000 2000 0 2000

² 4000

<е

vg 6000 ^u 8000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Процент земной поверхности

Рис. 6.3. Гипсографическая кривая и гистограмма высот и глубин от уровня моря, построенные через 1000-метровые интервалы

циркуляция, четко проявляются сгонно-нагонные явления. Об­ласти апвеллинга и даунвеллинга также тяготеют к шельфовым районам Несмотря на большую доступность для исследователей (легче организовать и проводить наблюдения) физические про­цессы на шельфе изучены в значительно меньшей степени, чем в открытых районах морей и океанов.

Если углубляться в сторону открытого моря, то за шельфом идет материковый склон, затем материковое подножие, которые вместе образуют переходную область от материков к ложу океана. Материковый склон — наиболее круто наклоненная часть дна, уклон которой составляет 10~², но в некоторых местах он достигает и 10"¹. Внешняя граница материкового склона — изобата 3000 м. У материкового подножия наклон дна на порядок меньше, чем в области материкового склона. Внешняя граница материкового подножия располагается в основном между изоба­тами 3000 и 4000 м.

Ложе океанов занимает 50% всей площади Мирового оке­ана. Здесь наблюдаются отдельные поднятия дна с плоскими

120 Гл. 6 Вода на Земле

вершинами, иногда до глубин 2000 м, и, как сказано выше, целые горные системы, простирающиеся через все океаны в меридио­нальном и зональном направлениях. Срединно-океанские хребты делят ложе на котловины — обширные океанические понижения дна с малыми уклонами и глубинами до 5000-6000 м с достаточно ровным рельефом. Хребты влияют на характер горизонтальной циркуляции вод Мирового океана, а следовательно, и на перенос тепла из одних районов в другие. В ложе океанов наблюдаются глубоководные впадины с глубинами больше 6000 м. Таких впа­дин всего около 100, на их долю приходится ~ 1% всей площади Мирового океана. Глубоководные впадины являются очагами частых и наиболее близких к поверхности дна землетрясений, обусловливающих возникновение волн цунами.

Вода на Земле

Выше уже было сказано, что все водные объекты на Земле связаны между собой и образуют гидросферу нашей планеты. В природе происходит сложный обмен влагой между водными объектами, сопровождающийся фазовыми переходами, но общее количество воды при этом не изменяется. На Земле вода может существовать в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Оценки показывают, что уменьшение или увели­чение расстояния от Солнца до Земли на 10% сделало бы реали­зацию трех агрегатных состояний воды на Земле невозможным.

Мировой запас воды составляет около 1,46 ■ 10⁹ км³. Общий запас пресной воды составляет 3,5 • 10⁷ км³. По основным водным объектам вода распределена следующим образом (тыс. км³):

океаны и моря 1370323

подземные воды 59000

материковые льды 26000

полярные льды 3500

снежный покров 250

озера 250

реки и водохранилища 50

болота 6

вода в организмах 1

вода в атмосфере 13

Гл. 6. Вода на Земле

Вода является одним из важнейших факторов, которые фор­мируют климат нашей планеты. Молекула воды состоит из од­ного атома кислорода и двух атомов водорода (НгО). Вследствие особенностей структуры молекул воды и межмолекулярных вза­имодействий вода обладает физическими свойствами, которые являются аномальными по сравнению с другими жидкостями. Так, при замерзании объем воды увеличивается, а не уменьша­ется, как у других жидкостей. Благодаря этому лед не опускается на дно, и водоемы не промерзают до дна. Вода характеризуется аномальной зависимостью плотности от температуры — макси­мальную плотность она имеет при 4°С (рис. 6.4). Температура

10 20 24,69 30

Соленость, %о

Рис. 6.4. Зависимость температуры замерзания воды от солености

замерзания воды изменяется от 0 °С для пресной воды до —1,9 °С у океанской воды. Температура максимальной плотности так­же убывает с увеличением солености от максимального значе­ния 4°С для пресной воды. Вода имеет самую высокую теплоем­кость (за исключением водорода и аммиака), что способствует сглаживанию температурных градиентов в атмосфере. Вслед­ствие высокой теплоемкости воды до 30% солнечной энергии расходуется на ее испарение, а это приводит к стабилизации температуры на Земле. Вода обладает низкой сжимаемостью. Высокое значение поверхностного натяжения воды позволяет воде подниматься по капиллярам на несколько метров и играет важную роль в образовании капель.

122 Гл 6 Вода на Земле

Будучи прекрасным растворителем, вода содержит раство­ренные соли, газы, органические вещества, содержание которых в воде может меняться в широком диапазоне. Если концентрация солей меньше 1 г/кг, вода считается пресной, при концентрации солей до 25 г/кг — солоноватой, а при большей концентрации — соленой. В океане концентрация солей составляет около 35 г/кг, в пресных озерах, реках 5-1000 мг/кг. Морская вода является мно­гокомпонентной системой, включающей в себя молекулы воды, анионы и катионы солей, а также множество примесей. Хорошее перемешивание морских вод ведет к выравниванию содержания солевых компонентов в разных частях Мирового океана, и поэто­му можно говорить о постоянстве солевого состава океанических вод. Для характеристики солености используется величина S — соленость, определяющая в граммах массу растворенного твер­дого вещества, содержащегося в 1 кг морской воды при условии, что бром и йод заменены эквивалентным содержанием хлора, все углекислые соли переведены в оксиды, все органические вещества сожжены при температуре 480 °С. Такое определение солености восходит к принятому ранее определению солености по хлорности путем титрования морской воды. Измеряется соле­ность в тысячных долях — промилле (%о). Постоянство солевого состава морской воды позволяет определять соленость по содер­жанию одного компонента.

Определение солености по содержанию в ней анионов хлора проводится по формуле Кнудсена:

S %₀ = (0,030 + 1,8050 С1) %₀ или формуле ЮНЕСКО

S%₀= 1,80655 С1%о.

В этих формулах содержание хлора определяется числом грам­мов серебра, необходимым для осаждения всех галогенов, содер­жащихся в определенном объеме морской воды (около 0,33 кг). В настоящее время определение солености проводят на основе измерения электропроводности морской воды.

Основными составляющими гидрологического цикла на Зем­ле являются: испарение, осадки, перенос влаги воздухом, реч­ной сток. Годовой влагооборот выглядит следующим образом (тыс. км³):

Гл. 6 Вода на Земле 123

испарение с поверхности океана 448

испарение с поверхности суши 72

осадки на поверхность океана 411

осадки на поверхность суши 109.

На поверхность суши осадков выпадает больше, чем с нее испаряется. Избыток влаги в виде речного стока поступает в океан. Важную роль в испарении воды на суше играют рас­тения — именно транспирация растений увеличивает водообо-рот по сравнению с безжизненной сушей. Суммарная площадь поверхности листьев растений в среднем в 4 раза превосходит поверхность суши. Это обеспечивает превышение транспирации над испарением с суши. При отсутствии растительного покрова флуктуации океанических осадков на суше приводили бы к рез­ким колебаниям речного стока. Только биота суши (термин биота активно используется в экологии и объединяет два понятия: флору и фауну) ежегодно производит около 600 Гт органиче­ского вещества, из них 90% приходится на воду. Биота ежегодно связывает 540 км³ воды. В процессе создания этой массы орга­нического вещества растительность использует в 100 раз больше воды — около 54000 км³, которые испаряются растительностью в атмосферу. Таким образом, годовое испарение растений суши значительно превосходит речной сток планеты. Биота контроли­рует до 70% круговорота воды на суше.

Гидрологический цикл играет важнейшую роль в формиро­вании климата на Земле. В настоящее время все водные объекты подвержены антропогенному воздействию, причем в наибольшей степени это относится к водам суши и внутренним морям. Та­кие объекты как бассейн реки Волги, Каспийское, Черное, Бал­тийское и Средиземное моря являются зонами экологического бедствия, прежде всего вследствие антропогенного воздействия на гидрологический цикл регионов.

В океанологии чрезвычайно важным является понятие водной массы. Под водными массами понимаются большие, соизмеримые с размерами океана (моря) объемы воды, длительное время сохраняющие относительную однородность основных физических, химических и биологических харак­теристик, сформированных в определенных географических районах океана [47, 77]. В качестве основных характеристик водных масс используются соленость и температура, в качестве дополнительных характеристик применяются содержание газов,

124 Гл. 6 Вода на Земле

щелочность, оптические свойства, гидробиологические пока­затели. Квазипостоянство характеристик является основным отличительным свойством водных масс. Водная масса отражает основные физические, химические и биологические черты района формирования водной массы. Для выделения водных масс используются различные методы, наибольшее распространение получил метод Т—5-кривых, или метод Т—^-диаграмм. Метод основан на том, что значения температуры и солености водных масс одного происхождения согласовано располагаются на T—S-диаграмме.

Различные водные массы разделяются фронтальными зо­нами или фронтальными поверхностями, в которых происхо­дит обострение градиентов характеристик водных масс [135]. Квазистационарные климатические фронтальные зоны являются естественными границами основных водных масс в океане. В открытом океане выделяют пять типов фронтов: экваториаль­ный, субэкваториальный, тропический, субполярный, полярный. Фронтальные зоны выделяются высокой динамичностью процес­сов, протекающих в них. В прибрежной зоне, в устьевой зоне формируются фронты, разделяющие шельфовые или стоковые воды от вод глубоководной части. Например, барьерная зона между водами Балтийского моря и водами Висленской губы (формируемыми за счет стока реки Преголи) включает в себя стоковые, эстуарные и интрузионные фронты [152]. Формирова­ние того или иного типа фронта зависит от внешних условий. По данным подповерхностных буксировок зондов температуры и солености (измерения проводились на глубине 30 см) при ширине фронта около 70 м градиенты солености и температуры составля­ют соответственно 2,2 %о и 1,1° на 10 м. Стоковый фронт с линзой распресненных вод формируется при натекании пресных речных вод поверх соленых и плотных морских вод. В случае затока балтийских вод в лагуну образуется фронт интрузии тяжелых морских вод в более легкие воды лагуны. При распростране­нии клина соленых морских вод вдоль глубоководного морского канала наблюдается типичный эстуарный фронт. Типичное из­менение температуры, солености и плотности при пересечении фронта показано на рис. 6.5 [152].

На морской поверхности фронты часто проявляются скопле­нием загрязнений, водорослей, пены, свойствами поверхностных волн, отличных от волн вне фронта. На рис. 6.6 приведена фо­тография поверхностного проявления стокового фронта в устье

j _r 1002,7

ТИП IT I I I T I ПНТ1ГТЧ Ml Г ITT t 1 T III ГПТТ1ПНТТПТП1 TT* т 1 1 1UUZ,U

500 1000 1500 2000 2500 3000 Расстояние,м

Рис. 6.5. Типичное изменение температуры Т, солености 5, плотности р при пересечении фронта. Глубина буксировки 8 м

реки Кемь (Белое море, 2003). Поверхностные проявления фрон­тальных поверхностей надежно идентифицируются различными дистанционными методами, в том числе спутниковыми.

Важной характеристикой вод Мирового океана является на­личие масс воды, выделяющихся особыми свойствами, распро­страняющихся из области формирования на значительные рас­стояния и сохраняющих при этом свои особенности. Например, Антарктическая промежуточная вода формируется вдоль всего Антарктического кольца в зоне от 45° до 65° ю. ш. и является относительно малосоленой (от 34,0 до 34,8 %о). На глубинах 500-1500 м Антарктическая промежуточная вода распространяется к северу в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах. В Ат­лантическом океане она пересекает экватор и достигает 20° с. ш. В тропической зоне происходит постепенное смешение теплой

5 В И Трухин и др

Гл 6 Вода на Земле 127

соленой воды и холодной распресненной Антарктической проме­жуточной воды Антарктическая донная вода, формирующаяся в море Уэдделла у берегов Антарктиды, распространяясь вдоль Срединно-Атлантического хребта, достигает 40° с ш

Смешение теплой соленой воды и холодной распресненной во­ды имеет важную особенность Выравнивание температур проис­ходит в 100 раз быстрее, чем выравнивание солености Поэтому, если над холодной пресной водой находится слой соленой теп­лой воды, возникает неустойчивость, приводящая к образованию опускающихся соленых струй, называемых солевыми пальцами Пусть возникает прогиб поверхности раздела В этом прогибе соленая вода остывает быстрее, но не успевает при этом пере­мешаться с окружающей более пресной водой Масса воды в прогибе становится плотнее окружающей жидкости и начинает опускаться, вытягивая за собой узкую струю более соленой во­ды, чем окружающая жидкость Образование солевых пальцев значительно ускоряет перемешивание водных масс

В Тихом океане к северу от субполярного фронта формиру­ется Северо-Тихоокеанская промежуточная вода с соленостью от 33,6 до 34,6 %о, которая затем на глубинах 500 1500 м рас­пространяется к югу

Средиземноморская промежуточная вода, формирующаяся в глубинах Средиземного моря за счет эффектов летнего осо-лонения и зимнего охлаждения, имеет соленость 38%о Она проникает в Атлантический океан через глубоководную часть Гибралтарского пролива Несмотря на сравнительно небольшое значение расхода, вода распространяется в Атлантическом оке­ане на огромные расстояния В настоящее время широко ис­пользуется несколько различных классификаций водных масс В отечественной океанологии наиболее широко применяется клас­сификация Степанова [77]

Температура воды в океане определяется, в основном, погло­щением солнечной радиации и испарением Океанские течения, турбулентное перемешивание обеспечивают перераспределение тепла по всему океану Вода Мирового океана достаточно хо­лодная, она прогревается только на самой поверхности Средняя температура воды в Мировом океане равна 3,8 °С Минимальные температурь! воды наблюдаются в полярных областях, а мак­симальные — в тропической зоне и субтропической зоне Пред­ставление о распределении водных масс океана по температуре дают рис 6 7, 6 8 [44] Толщина верхнего квазиоднородного слоя составляет 50-100 м Величина перепада температур в сезонном термоклине достигает 10 15 °С

-2 0 2 4 6 8 10 121416 1820 22 24 26 28 30 32 Интервал температур, °С

Рис. 6.7. Распределение температуры вод в Мировом океане. Темпера­тура примерно 75% вод океана колеблется в пределах от 0°до 4°С

Состав морской воды

Ранее уже было сказано, что современный состав морской воды, скорее всего, сформировался примерно 1 млрд лет тому назад. В настоящее время морская вода состоит на 96,5% из воды Н2О¹⁶ и 3,5% примесей. Молекула воды содержит 1 атом кисло­рода и 2 атома водорода. Сейчас известны изотопы водорода Н¹, Н², Н³, Н⁵, кислорода О¹⁵, О¹⁶, О¹⁷, О¹⁸, О¹⁹ и некоторые другие, которые, как и изотопы О¹⁵, О¹⁹ и Н⁵, были получены только в лаборатории, а в природе не встречаются. Тритиевой воды, т. е. воды, молекула которой содержит тритий, в природной воде ничтожно мало — 800 г на весь Мировой океан. В природе встре­чаются 9 различных видов молекул воды — это окислы обычного водорода Н¹ и его изотопа дейтерия Н² (табл. 6.1).

Широта 75° 70° 60°ю ш. 50° 40° 30° 20° 10°ю.ш. 0° 10°с.ш 20° 30° 40° 50° 55°с.ш.

Рис. 6.8. Распределение средней годовой температуры в Тихом океане. В первом приближении океан выглядит равномерно холодным. Исключение составляет только топкий поверхностный слой воды

Гл. 6. Вода на Земле

Обычная вода — Н^О. Смесь остальных окислов — тяжелая вода. Довольно часто этот термин употребляется в более узком смысле, относясь только к окиси дейтерия, образованной обыч­ным кислородом — Н²О¹⁶, свойства которой наиболее сильно отличаются от свойств обычной воды. Тяжелая вода угнетающе действует на живые организмы и в больших дозах вызывает их гибель. Тяжелая вода является хорошим замедлителем нейтро­нов и теплоносителем для ядерных реакторов. Содержание ее невелико: на 6800 молекул обычной воды Н^О¹⁶ приходится 1 мо­лекула воды Н²О¹⁶.

Как уже говорилось, морская вода является многокомпо­нентной системой, включающей в себя молекулы воды, анионы и катионы солей, а также множество примесей. Общая масса растворенных солей в Мировом океане составляет огромную ве­личину — 49,2 • 10¹⁸ кг. Если распределить все морские соли по поверхности суши, то получится слой толщиной 150 м! В морской воде растворены практически все химические элемен­ты периодической системы Менделеева, однако на долю 11 эле­ментов, называемых главными компонентами, приходится бо­лее 99,9993% растворенных химических элементов.

Основные солевые компоненты морской воды приведены в табл. 6.2.

Постоянство солевого состава