Химические аспекты океанологии прибрежных вод

Практически каждый специалист по наукам о море, изучающий проблемы прибрежной океанологии, рано или поздно сталкивается с какими-либо вопросами переноса твердого вещества, взвешенного, растворенного или плавучего, которое поступает с суши в соседние моря. Здесь мы рассмотрим эту тему в предварительном, общем виде. Откуда поступает материал, какая его часть пересекает прибрежную зону и попадает в океан и в какой форме, играет ли в этом сколько-либо значительную роль человек?

Пресноводный сток.Важнейшее химическое соединение, пересекающее прибрежную граничную зону, это вода Н20. Биологи моря знают, что годовой цикл (круговорот) речного стока определяет степень сезонных изменений солености и мутности прибрежной части океанов, на что чутко реагируют многие морские организмы. Объем речного стока влияет и на изменение температуры, а также на плотностное расслоение мелководной зоны и тем самым — на вертикальное перемешивание, а вместе с ними — на снабжение питательными веществами. Короче говоря, циклы стока воздействуют на продукцию прибрежной части океана на всех трофических уровнях.

Рис. 18.5 показывает, как распределены основные потоки пресной воды.

Границы океанических бассейнов на этой схеме изображены в виде прямых линий, чтобы выделить широты и размеры речных выносов воды. Только 12 крупнейших рек мира дают больше трети всего речного стока (табл. 18.1), из них Амазонка и Конго дают в сумме больше (18,5%), чем остальные десять рек вместе взятые (15,8%).

Большая часть общего стока попадает в тропические и субтропические районы всех океанических бассейнов. В Тихий и Атлантический океаны речная вода поступает главным образом на их западных границах, в Индийский океан — на его восточной границе [1]. Рекомендую читателям сравнить эти данные с распределением водосборных площадей, показанных на рис. 4.11.

Разбавление прибрежных океанских вод пресной речной водой бывает очень сильным. Например, рассказывают, что моряки торговых судов, находившихся в море против устья Амазонки, могли пополнять запасы пресной воды, просто черпая ее ведрами с поверхности моря. Однако в большинстве случаев поверхностная вода в устье реки уже солоноватая, так как смешивание с морской водой начинается еще в пределах эстуария (этот процесс описывается в одном из последующих разделов). На рис. 18.6, а показано, что соленость поверхностных вод у выхода из эстуария реки Гудзон достигает 23%о и быстро возрастает, достигая 31%о в 10 км от берега.

Специалисты по океанологии прибрежной зоны считают целесообразным картировать степень этого разбавления, так как растворенные химические вещества, переносимые речной водой, как предполагается, должны распространяться, следуя тому же характеру распределения, что и соленость. Например, если бы река Гудзон выносила в море не пресную воду, а красные чернила, то можно было бы видеть постепенное изменение цвета — от красного через разные оттенки розового до полной потери окраски — в прямом соответствии с возрастающим значением солености на рис. 18.6 а. Биологи считают, что такая корреляция особенно полезна для изучения рассеяния микроэлементов, загрязняющих шельфовую область, поскольку соленость измерять проще и получаются более точные результаты, чем при прямом измерении концентрации микроэлементов.

Нью-Йоркская бухта, в которую втекает река Гудзон, подверглась разностороннему изучению ввиду воздействия на нее промышленных и других отходов, затопляемых с барж в шельфовых водах (рис. 18.6, а). Это открытый залив, образуемый протяженным изгибом береговой линии. Исследователи опираются на непосредственные измерения течений, которые позволяют определить как средние течения, так и приливные перемещения. У выхода из эстуария реки Гудзон смещение частиц воды в приливном цикле велико — около 8 км. Используются и аналитические модели, в которых действие приливных, средних и ветровых течений, а также вертикального и горизонтального перемешивания описывается уравнениями гидродинамики. Если такую «математическую» (т. е. построенную из уравнений) модель сочетать с численным описанием реальных граничных условий в заливе или эстуарии, она обретает способность имитировать изменчивость реальных жидкостей.

Одно из первых применений такая модель нашла для прогноза «времен смены вод» на различных участках шельфа между полуостровом Кейп-Код и Чесапикским заливом (рис. 18.6, б), среди которых находится и участок Нью- Йоркской бухты [11]. Время смены вод определяется как среднее время, требующееся для того, чтобы некоторый объем воды переместился от источника пресной воды (т. е. эстуария) через шельф к границе открытого океана (здесь за такую границу принимается перегиб шельфа, или изобата 200 м). Используя суммарное значение расхода рек 5000 м3/с как среднюю величину притока пресной воды, исследователи получили среднее время смены вод 500 приливных циклов, т. е. полтора года. Это важная для практики величина, помогающая оценивать воздействие различных факторов на окружающую среду.

Сопоставьте картину, полученную для реки Гудзон, с вытянутым шлейфом вод реки Колумбия на рис. 18.7.

Сочетание значительного речного течения с узким шельфом приводит к тому, что изогалина 31%о распространяется на 180 км от берега, т. е. гораздо дальше, чем та же изолиния в Нью-Йоркской бухте (10 км от берега, рис. 18.6, а). Время смены вод для этой системы западного побережья соответственно гораздо короче.

Поток материала, выносимого реками в прибрежную зону.В табл. 18.1 указаны также 11 рек — крупнейших переносчиков продуктов размыва суши. Вместе они выносят в море почти 5 млрд, т взвешенного осадочного материала в год. Джадсон [10] считает, что количество выносимого реками почвенного материала в мире до возникновения сельского хозяйства составляло 9 млрд, т/год, а в настоящее время оно возросло до 24 млрд, т/год. Интересно сравнить последнюю величину со значением 240 млн. т/год, которым оценивается рыбная продукция Мирового океана (табл. 1.2).

Эти числа дают соотношение в 100 т перемещенного в прибрежную зону осадка на 1 т рыбы, появившейся в океане за год.

Хотя надежных экспериментальных данных о связи между содержащимся в воде осадочным материалом и продукцией рыбы не существует, отдельные примеры указывают на четкую корреляцию между этими параметрами. Перед тем как в Верхнем Египте была построена Асуанская плотина на Ниле, в море у дельты этой реки развивался промысловый лов сардины. Но через несколько лет после того, как плотина стала задерживать ил, промысел сардины начал быстро уменьшаться; сама дельта стала размываться, так как Нил больше не приносил того количества ила, который компенсировал бы размыв его дельты морскими волнами и течениями.

Литогенный материал во взвеси. Литогенные частицы обычно имеют форму кристаллов и неорганический состав.

Они образуются пои эрозионном выветривании горных пород путем химического разложения или механического разрушения. В таких реках, как Колумбия, грубая фракция взвешенного вещества бывает представлена минералами полевым шпатом и кварцем (табл. 18.2). Эта фракция перемещается вдоль речного дна и окончательно отлагается в устье реки, где становится источником материала для тянущихся вдоль побережья пляжей. Более тонкие фракции, образуемые хлоритовым и слюдистым обломочным материалом, как правило, состоят из очень мелких частиц плитчатой или плоской формы. Они остаются во взвешенном состоянии гораздо дольше, чем более грубозернистые пески, и благодаря этому отлагаются дальше от берега. Тонкие частицы глинистых минералов, таких как каолин (табл. 18.2), стремятся присоединить к себе другие частицы и растворенные ионы морских солей, так что по мере того, как речная вода активно смешивается с морской, эти частицы фактически увеличиваются в размерах, слипаются в хлопья и быстро оседают на дно в шельфовой зоне или в пределах намываемой рекой дельты.

Поток растворенного вещества. Помимо взвешенных частиц реки несут в своих водах растворенные вещества (табл. 18.1). Для большинства рек отношение масс растворенного и взвешенного вещества оценивается приблизительно как НЗ. На примере реки Колумбия в табл. 18.3 перечислены важнейшие химические компоненты и общая масса каждого из них в составе вод, выносимых рекой в северо-восточную часть Тихого океана.

Как можно было бы оценить это количество растворенного материала с точки зрения его вклада в объем питательных веществ прибрежных вод? Один способ — сравнить количество приносимых реками питательных веществ с тем, что поступает в типичный прибрежный район благодаря апвеллингу, вызываемому ветром. Оперируя данными по нитратам (табл. 18.3), мы подсчитываем сначала, что река Колумбия выносит в прибрежную зону 5100 г нитратов в секунду. Из результатов изучения апвеллинга мы знаем, что скорость, с которой воды глубинного слоя «подкачиваются» вверх при апвеллинге, вызываемом ветром, составляет около 0,01 см/с, т. е. она очень мала. Принимая, что содержание нитратов в глубинных водах равно, скажем, 25 мкмоль/л (см., например, данные станции NH-105 в табл. 8.1), рассчитаем, какова должна быть площадь поперечного сечения вертикального столба воды, поднимающегося с такой скоростью (0,01 см/с), чтобы количество поступающих при апвеллинге нитратов равнялось их количеству, приносимому реками. Ответ будет — около 22,0 км2, что соответствует примерно 5-км отрезку береговой линии в активной области ветрового апвеллинга. Следовательно, сам по себе вынос рек не служит важным источником фосфатов и нитратов, необходимых для поддержания первичной продуктивности прибрежных вод. Однако энергия перемешивания, сообщаемая реками процессу, который можно назвать речным апвеллингом, как будет показано при описании перемешивания в эстуариях ниже в этой главе, очень важна.

Приносимый реками в прибрежные зоны растворенный материал распределяется по временам года неравномерно. Это прекрасно видно на рис. 18.7, в и б, где показаны карты солености поверхностных вод в устье реки Колумбия, построенные для двух сезонов. Если принять, что другие растворенные вещества сохраняются так же, как соль, то конфигурация проведенных там изолиний подходит для распределения и этих веществ в прибрежной морской зоне.

В зимние месяцы шлейф пресных вод прижимается к береговой линии к северу от устья. Весна — переходное время, а в летние месяцы наблюдается сильное перемещение речных выносов на юг (вспомните результаты двух наших океанологических рейсов, описанных в гл. 8).

Человеческий фактор. Человечество оказывает все большее воздействие на прибрежные части океанов. На рис. 18.7, в показано, например, распределение радиоактивного изотопа 5|Сг в летнем шлейфе вод реки Колумбия. Атомы хрома становились радиоактивными в результате бомбардировки нейтронами в верхней части бассейна реки, где речная вода использовалась для охлаждения реактора на испытательных ядерных сооружениях в Ханфорде, шт. Вашингтон. Хотя приведенные данные о распределении загрязняющих веществ относятся к лету 1965 г., они очень сходны с результатами, показывающими распространение пресных вод летом 1962 г. (рис. 18.7, а). Более подробно вопрос о радиоактивных отходах в прибрежных водах рассматривается в гл. 19.