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

Содержание солей в морской и речной воде

(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%₀. 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.

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 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 усиливается 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.