Слоеный пирог в океане
В 1965 г. американский ученый Генри Стоммел и советский ученый Константин Федоров совместно проводили испытания нового американского прибора для измерения температуры и солености вод океана. Работы проводились в Тихом океане между островами Минданао (Филиппины) и Тимор. Прибор опускали на тросе в глубину вод.
Однажды исследователи обнаружили на регистраторе прибора необычную запись измерений. На глубине 135 м, там, где окончился перемешанный слой океана, температура должна была согласно существовавших представлений начать равномерно уменьшаться с глубиной. А прибор зарегистрировал ее повышение на 0,5 °C. Слой воды с такой повышенной температурой имел толщину около 10 м. Затем температура начала уменьшаться.
Вот что написал об этом примечательном наблюдении ученых доктор технических наук Н. В. Вершинский, руководитель лаборатории морских измерительных приборов Института океанологии АН СССР: «Чтобы понять удивление исследователей, надо сказать, что в любом курсе океанографии тех лет о распределении температуры в океане по вертикали можно было прочесть примерно следующее. Первоначально от поверхности вглубь идет верхний перемешанный слой. В этом слое температура воды практически остается неизменной. Толщина перемешанного слоя обычно составляет 60 – 100 м. Ветер, волны, турбулентность, течение все время перемешивают воду в поверхностном слое, благодаря чему ее температура и становится примерно одинаковой. Но возможности перемешивающих сил ограниченны, на какой-то глубине их действие прекращается. При дальнейшем погружении температура воды резко уменьшается. Скачком!
Этот второй слой так и называется – слой скачка. Обычно он невелик и составляет всего 10–20 м. На протяжении этих немногих метров температура воды снижается на несколько градусов. Градиент температуры в слое скачка обычно составляет несколько десятых долей градуса на метр. Этот слой – удивительное явление, которому нет аналога в атмосфере. Он играет большую роль в физике и биологии моря, а также в человеческой деятельности, связанной с морем. Благодаря большому градиенту плотности в слое скачка собираются различные частицы взвеси, планктонные организмы и мальки рыб. Подводная лодка в нем может лежать, как на грунте. Поэтому иногда его называют слоем «жидкого грунта».
Слой скачка представляет собой своеобразный экран: через него плохо проходят сигналы эхолотов и гидролокаторов. Кстати сказать, он не остается всегда на одном месте. Слой перемещается вверх или вниз и иногда с довольно большой скоростью. Ниже слоя скачка располагается слой главного термоклина. В этом третьем слое температура воды продолжает уменьшаться, но не так быстра, как в слое скачка, градиент температуры здесь составляет несколько сотых долей градуса на метр…
В течение двух дней исследователи несколько раз повторяли свои измерения. Результаты были схожи. Записи неопровержимо свидетельствовали о наличии в океане тонких прослоек воды протяженностью от 2 до 20 км, температура и соленость которых резко отличались от соседних. Толщина слоев от 2 до 40 м. Океан в этом районе напоминал слоеный пирог».
В 1969 г. английский ученый Вудс нашел элементы микроструктуры в Средиземном море около острова Мальта. Он сперва использовал для замеров двухметровую рейку, на которую укрепил десяток полупроводниковых датчиков температуры. Затем Вудс сконструировал автономный падающий зонд, который помог четко зафиксировать слоистую структуру полей температуры и солености воды.
А в 1971 г. слоистую структуру впервые обнаружили в Тиморском море и советские ученые на НИС «Дмитрий Менделеев». Затем во время плавания судна по Индийскому океану ученые находили элементы такой микроструктуры во многих районах.
Таким образом, как часто бывает в науке, применение новых приборов для измерения ранее многократно замеренных физических параметров привело к новым сенсационным открытиям.
Ранее температуру глубинных слоев океана замеряли ртутными термометрами в отдельных точках на разных глубинах. Из этих же точек при помощи батометров поднимали с глубины пробы воды для последующего определения в судовой лаборатории ее солености. Затем по результатам измерений в отдельных точках океанологи строили плавные кривые графиков изменения параметров воды с глубиной ниже слоя скачка.
Теперь новые приборы – малоинерционные зонды с полупроводниковыми датчиками – позволили измерить непрерывную зависимость температуры и солености воды от глубины погружения зонда. Их использование дало возможность уловить совсем небольшие изменения параметров водных масс при перемещении зонда по вертикали в пределах десятков сантиметров и фиксировать их изменения во времени за доли секунд.
Оказалось, что везде в океане вся водная масса от поверхности до больших глубин разделена на тонкие однородные слои. Разница в температуре между соседними горизонтальными слоями составляла несколько десятых градуса. Сами слои имеют толщину от десятков сантиметров до десятков метров. Самое поразительное было то, что при переходе из слоя в слой температура воды, ее соленость и плотность менялись резко, скачкообразно, а сами слои устойчиво существуют иногда несколько минут, а иногда несколько часов и даже суток. А в горизонтальном направлении такие слои с однородными параметрами простираются на расстояние до десятка километров.
Первые сообщения об открытии тонкой структуры океана не всеми учеными-океанологами были приняты спокойно и благожелательно. Многие ученые восприняли результаты измерений как случайность и недоразумение.
Действительно, было чему удивляться. Ведь вода во все века была символом подвижности, изменчивости, текучести. Тем более вода в океане, где структура ее чрезвычайно изменчива, волны, поверхностные и подводные течения все время перемешивают водные массы.
Почему же сохраняется такая устойчивая слоистость? Однозначного ответа на этот вопрос пока нет. Ясно одно: все эти замеры не игра случая, не химера – открыто нечто важное, играющее существенную роль в динамике океана. По мнению доктора географических наук А. А. Аксенова, не вполне ясны причины этого явления. Пока объясняют его так: по той или иной причине в толще воды возникают многочисленные довольно четкие границы, разделяющие слои с различной плотностью. На границе двух слоев различной плотности очень легко возникают внутренние волны, которые перемешивают воду. При разрушении внутренних волн возникают новые однородные слои и границы слоев образуются на иных глубинах. Этот процесс повторяется многократно, меняются глубина залегания и толщина слоев с резкими границами, но общий характер водной толщи остается неизменным.
Выявление тонкослойной структуры продолжалось. Советские ученые А. С. Монин, К. Н. Федоров, В. П. Швецов обнаружили, что и глубинные течения в открытом океане также имеют слоистую структуру. Течение остается постоянным в пределах слоя толщиной от 10 см до 10 м, затем его скорость скачкообразно меняется при переходе к соседнему слою и т. д. И тут ученые обнаружили «слоистый пирог».
Значительный вклад в изучение тонкой структуры океана сделали наши океанологи, используя научное оборудование новых среднетоннажных специализированных НИС водоизмещением 2600 т, построенных в Финляндии.
Это НИС «Академик Борис Петров», принадлежащее Институту геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН СССР, «Академик Николай Страхов», работающее по планам Геологического института АН СССР, и принадлежащие Дальневосточному отделению АН СССР «Академик М. А. Лаврентьев», «Академик Опарин».
Эти суда получили имена видных советских ученых. Герой Социалистического Труда академик Борис Николаевич Петров (1913–1980) был крупнейшим ученым в области проблем управления, талантливым организатором космической науки и международного сотрудничества в этой области.
Так же закономерно появление имени академика Николая Михайловича Страхова (1900 – .1978) на борту корабля науки. Выдающийся советский геолог внес крупный вклад в изучение осадочных пород на дне океанов и морей.
Советский математик и механик академик Михаил Алексеевич Лаврентьев (1900–1979) получил широкую известность как крупный организатор науки в Сибири и на востоке СССР. Именно он стоял у истоков создания прославленного Академгородка в Новосибирске. В последние десятилетия исследования в институтах Сибирского отделения АН СССР приобрели такие масштабы, что теперь невозможно представить себе общую картину почти в любой области науки без учета работы сибирских ученых.
Из четырех НИС этой серии три (кроме НИС «Академик Опарин») строились для гидрофизических исследований водных масс океанов и морей, исследования океанского дна и слоев атмосферы, прилегающих к поверхности океана. Исходя из этих задач и спроектирован установленный на судах научно-исследовательский комплекс.
Важной составной частью этого комплекса являются погружаемые зонды. В носовой части главной палубы судов этой серии размещены гидрологическая и гидрохимическая лаборатории, а также так называемая «мокрая лаборатория». Научная аппаратура, размещенная в них, включает регистрирующие блоки погружаемых зондов с датчиками электропроводности, температуры и плотности. Причем конструкция гидрозонда предусматривает наличие на нем комплекта батометров для взятия проб воды с различных горизонтов.
На этих судах установлены не только глубоководные узколучевые исследовательские эхолоты, но и многолучевые.
Как рассказал известный исследователь Мирового океана доктор географических наук Глеб Борисович Удинцев, появление этих приборов – многолучевых эхолотов – следует оценить как революцию в деле изучения океанского дна. Ведь на протяжении многих лет наши суда оснащались эхолотами, измерявшими глубины при помощи одного луча, направленного с судна вниз по вертикали. Это позволяло получать двухмерное изображение рельефа океанского дна, его профиль по маршруту движения судна. Используя большой массив данных, собранный при помощи однолучевых эхолотов, до сих пор составлялись карты рельефа дна морей и океанов.
Однако построение карт по профилям дна, между которыми нужно было пролагать линии равных глубин – изобаты, зависело от умения картографа-геоморфолога или гидрографа создавать пространственное трехмерное изображение, базируясь на синтезе всей доступной геолого-геофизической информации. Понятно, что при этом карты рельефа океанского дна, служившие затем основой для всех других геологических и геофизических карт, содержали много субъективного, что особо проявлялось при их использовании для разработки гипотез происхождения дна морей и океанов.
Положение существенно изменилось с появлением многолучевых эхолотов. Они позволяют принимать отраженные дном звуковые сигналы, посланные эхолотом, в виде веера лучей; охватывающих полосу поверхности дна шириной, равной двум глубинам океана в точке измерения (до нескольких километров). Это не только намного повышает производительность исследований, но, что особенно важно для морской геологии, можно с помощью электронно-вычислительной техники тут же представлять трехмерное изображение рельефа на дисплее, а также графически. Таким образом, многолучевые эхолоты позволяют получать детальные батиметрические карты при сплошном площадном покрытии дна приборной съемкой, сводя долю субъективных представлений до минимума.
Первые же рейсы советских НИС, оснащенных многолучевыми эхолотами, сразу же показали преимущества новых приборов. Стало ясно их значение не только для выполнения фундаментальных работ по картографированию дна океанов, но и как средства активного управления исследовательскими работами в качестве приборов своего рода акустической навигации. Это дало возможность активно и с минимальными затратами времени выбирать места для геологических и геофизических станций, контролировать движение буксируемых над дном или по дну приборов, производить поиск морфологических объектов дна, например минимальных глубин над вершинами подводных гор, и т. п.
Особенно эффективным по реализации возможностей многолучевого эхолота был рейс НИС «Академик Николай Страхов», проведенный в период с 1 апреля по 5 августа 1988 г. в экваториальной Атлантике.
Исследования велись по полному комплексу геолого-геофизических работ, но главным было многолучевое эхолотирование. Для исследований был выбран экваториальный участок Срединно-Атлантического хребта в районе о. Сан-Паулу. Этот малоизученный район выделялся своей необычностью по сравнению с другими участками хребта: обнаруженные здесь магматические и осадочные породы неожиданно оказались необычайно древними. Предстояло выяснить, отличается ли этот участок хребта от других и по остальным своим характеристикам, а прежде всего – по рельефу. Но для решения этого вопроса необходимо было иметь чрезвычайно детальную картину подводного рельефа.
Такая задача и была поставлена перед экспедицией. В течение четырех месяцев велись исследования с интервалами между галсами не более 5 миль. Они охватили обширную область океана шириной с востока на запад до 700 миль и с севера на юг до 200 миль. В результате выполненных исследований стало очевидным, что экваториальный сегмент Срединно-Атлантического хребта, заключенный между разломами 4° на севере и о. Сан-Паулу на юге, действительно имеет аномальное строение. Обычные для остальных частей хребта (к северу и к югу от изучавшейся области) структура рельефа, отсутствие мощного осадочного покрова и характеристики магнитного поля пород оказались здесь характерными только для узкой осевой части сегмента шириной не более 60–80 миль, получившей название Петропавловского хребта.
А то, что считалось ранее склонами хребта, оказалось обширными плато с совершенно иным характером рельефа и магнитного поля, с мощным осадочным покровом. Так что, видимо, происхождение рельефа и геологическое строение плато являются совершенно иным, чем у Петропавловского хребта.
Значение полученных результатов может оказаться очень важным для разработки общих представлений о геологии дна Атлантического океана. Однако предстоит многое осмыслить и проверить. А для этого необходимы новые экспедиции, новые исследования.
Следует особо отметить оборудование для исследования водных масс, установленное на НИС «Арнольд Веймер» водоизмещением 2140 т. Это специализированное НИС построено финскими корабелами для АН ЭССР в 1984 г. и названо в честь видного государственного деятеля и ученого ЭССР президента АН ЭССР в 1959–1973 гг. Арнольда Веймера.
В числе судовых лабораторий – три физики моря (гидрохимическая, гидробиологическая, морской оптики), вычислительный центр и ряд других. Для проведения гидрофизических исследований на судне имеется комплект регистрирующих измерителей течения. Сигналы от них принимаются установленным на судне гидрофонным приемником и передаются в систему регистрации и обработки данных, а также записываются на магнитную ленту.
Для этой же цели служат свободно плавающие извещатели течения фирмы «Бентос» для регистрации значений параметров течения, сигналы от которых также принимаются судовым приемным устройством.
На судне установлена автоматизированная система отбора проб с различных горизонтов и замера гидрофизических и гидрохимических параметров с помощью исследовательских зондов с акустическими измерителями течения, датчиками содержания растворенного кислорода, концентрации водородных ионов (pH) и электропроводности.
Гидрохимическая лаборатория оснащена высокоточной аппаратурой, позволяющей проводить анализы проб морской воды и донных отложений на содержание микроэлементов. Для этой цели предназначены сложные и точные приборы: спектрофотометры различных систем (в том числе атомно-абсорбционный), флуоресцентный жидкостный хроматограф, полярографический анализатор, два автоматических химических анализатора и др.
У гидрохимической лаборатории расположена сквозная шахта в корпусе размером 600X600 мм. Из нее можно забирать морскую воду из-под судна и производить спуск приборов в воду при неблагоприятных метеоусловиях, не позволяющих использовать в этих Целях палубные устройства.
В оптической лаборатории имеются два флуорометра, двухлучевой спектрофотометр, оптический многоканальный анализатор и программируемый многоканальный анализатор. Такое оборудование позволяет ученым проводить широкий спектр исследований, связанных с изучением оптических свойств морской воды.
В гидробиологической лаборатории, помимо стандартных микроскопов, есть планктонный микроскоп «Олимпус», специальное оборудование для проведения исследований с помощью радиоактивных изотопов: сцинтиляционный счетчик и анализатор частиц.
Особый интерес представляет судовая автоматизированная система регистрации и обработки собранных научных данных. В ВЦ размещена мини-ЭВМ венгерского производства. Эта ЭВМ двухпроцессорной системы, то есть решение задач и обработка экспериментальных данных производится в ЭВМ параллельно по двум программам.
Для автоматизированной регистрации собранных экспериментальных данных, поступающих от многочисленных приборов и устройств, на судне смонтированы две кабельные системы. Первая – радиальная кабельная сеть для передачи данных из лабораторий и мест проведения измерений на главный коммутационный пульт.
На пульте можно подсоединить линии измерения к любому контакту и вывести поступающие сигналы на любую судовую ЭВМ. Распределительные коробки этой линии установлены во всех лабораториях и на рабочих площадках у лебедок. Вторая кабельная сеть – резервная для подключения новых приборов и устройств, которые будут установлены на судне в будущем.
Прекрасная система, а ведь эта сравнительно мощная и разветвленная система сбора и обработки данных с помощью ЭВМ так удачно размещена на небольшом среднетоннажном НИС.
НИС «Арнольд Веймер» по составу научного оборудования и возможностям проведения многоплановых исследований является образцовым для среднетоннажного НИС. При его постройке и оснащении состав научного оборудования был тщательно продуман учеными АН ЭССР, что значительно повысило эффективность проведения исследовательских работ после ввода судна в эксплуатацию.
Из книги Жизнеобеспечение экипажей летательных аппаратов после вынужденного приземления или приводнения (без иллюстраций) автора Волович Виталий Георгиевич Из книги Жизнеобеспечение экипажей летательных аппаратов после вынужденного приземления или приводнения [с иллюстрациями] автора Волович Виталий Георгиевич Из книги Новейшая книга фактов. Том 1. Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина автора Кондрашов Анатолий Павлович Из книги Зачарованные острова Галапагосы автора фон Эйбл-Эйбесфельдт Ирениус Из книги автораГде больше бактерий – в океане или в городской канализации? По данным английского микробиолога Томаса Кертиса, миллилитр океанской воды содержит в среднем 160 видов бактерий, грамм почвы – от 6400 до 38 000 видов, а миллилитр сточных вод из городской канализации, как ни
Из книги автораЭдем в Тихом океане На островах Галапагос решено создать биологическую станцию! Это радостное известие я получил весной 1957 года, когда готовился к экспедиции в Индо-Малайскую область. Международный союз охраны природы и ЮНЕСКО предложили мне отправиться на
Самый верхний слой океана (ВПС + сезонный термоклин) требует гораздо более детального описания. Этому вопросу будет посвящен следующий параграф.[ ...]
В более важной динамически формулировке при помощи частоты Вяйссяля-Брента N слой скачка плотности стратифицирован заметно более устойчиво (Л З-10 2 с-1), чем тропосфера в целом, в которой дТ/дгж 6,5 °С/км и Л/ 10-2 с“1, хотя и менее устойчиво, чем сильные атмосферные инверсии (ТУ«1,7-10-1 с-1). При повсеместном распространении слоя скачка плотности в океане и редкости сильных инверсий в атмосфере этим и объясняется гораздо более широкое распространение внутренних волн в океане по сравнению с атмосферой.[ ...]
Наиболее активный верхний слой океана, где господствует живое вещество планктон, до 150-200 м. Загрязнения подвергаются здесь воздействию живых организмов. Последние связывают огромное количество растворенных и взвешеных веществ. Такой мощной биофильтрационной системы на суше не существует.[ ...]
Своеобразной зоной Мирового океана, характеризующейся высокой рыбопродуктивностью, является апвеллинг, т.е. подъем вод из глубины в верхние слои океана, как правило, на западных берегах контингентов.[ ...]
Нагреватель - теплая вода из верхних слоев океана. Наиболее высокая температура воды наблюдается в Персидском заливе в августе - более 33 °С (а самая высокая температура воды зафиксирована в Красном море - плюс 36 °С). Но на максимальную температуру рассчитывать преобразователь нельзя: она встречается на ограниченных участках Мирового океана, а обширные районы имеют температуру поверхностного слоя около 25 °С. Это достаточно высокая температура, при которой кипят многие жидкости. Д’Арсонваль предложил применить в качестве рабочей жидкости аммиак - жидкость с температурой; кипення минус 33,4 “С, которая будет хорошо кипеть ■ при 25 °С. При нормальной температуре (20 °С) аммиак - бесцветный газ с едким запахом. При повышении давления газообразный аммиак снова превращается в жидкость. При 20 °С для этого давление надо повысить до 8,46 атм, но при 5 °С - значительно меньше.[ ...]
Энергоактивные области Мирового океана - это минимальные структурные составляющие, участвующие в формировании крупномасштабного обмена теплом между океаном и атмосферой. За-, нимая «¿20 % площади Мирового океана, они отвечают за «40 % общего теплообмена в системе океан-атмосфера-суша. Это области максимального рассогласования между тепловыми и влажностными полями верхнего слоя океана и планетарного пограничного слоя атмосферы: именно здесь интенсивность работы по согласованию этих полей максимальна. И хотя мы утверждаем, что ЭАО - характерные структуры в крупномасштабных полях, это не значит, что пространственное их расположение жестко фиксировано, а интенсивность постоянна. Этим же областям присущи максимальные диапазоны изменчивости потоков тепла, что говорит о том, что они служат наиболее информативными акваториями для слежения за состоянием климатической системы. То есть все они одновременно могут не находиться в активном состоянии, но именно в этих областях в некоторой полициклической последовательности формируется и возбуждается наиболее активный локальный теплообмен.[ ...]
В результате действия этих факторов верхний слой океана обычно хорошо перемешан. Он так п называется - перемешанный. Толщина его зависит от времени года, силы ветра и географического района. Например, летом в штиль толщина перемешанного слоя на Черном море всего 20- 30 м. А в Тихом океане близ экватора был обнаружен (экспедйцией на научно-исследовательском судне «Дмитрий Менделеев») перемешанный слой толщиной около 700 м. От поверхности до глубины в 700 м располагался слой теплой и прозрачной воды с температурой около 27 °С. Этот район Тихого океана по своим гидрофизическим свойствам похож на Саргассово море в Атлантическом океане. Зимой на Черном море перемешанный слой в 3-4 раза толще летнего, его глубина доходит до 100-120 м. Столь большая разница объясняется интенсивным перемешиванием в зимнее время: чем сильнее ветер, тем больше волнение на поверхности и сильнее идет перемешивание. Такой слой скачка называют еще сезонным, поскольку глубина залегания слоя зависит от сезона года.[ ...]
АПВЕЛЛИНГ [англ. upwelling] - подъем вод из глубины в верхние слои океана (моря). Обычен на западных берегах континентов, где ветры отгоняют поверхностные воды от берега, а их место занимают богатые биогенными веществами холодные массы воды.[ ...]
Обмен углекислым газом происходит также между атмосферой и океаном. В верхних слоях океана растворено большое количество углекислого газа, находящегося в равновесии с атмосферным. Всего в гидросфере содержится около 13-1013 т растворенного углекислого газа, а в атмосфере - в 60 раз меньше. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшими количествами углерода, участвующего в малом круговороте и содержащегося в растительных тканях (5-1011 т), в тканях животных (5-109 т). Круговорот углерода в биосферных процессах представлен рис. 2.[ ...]
В целом же следует отметить, что амплитуда годовых колебаний температуры в верхних слоях океана не более 10-15°С, в континентальных водах -30-35°С.[ ...]
Кислое А. В., Семенченко Б. А., Тужилкин В. С. О факторах изменчивости структуры верхнего слоя океана в тропиках//Метеорология и гидрология, № 4, 1983, с. 84-89.[ ...]
Биосфера сконцентрирована в основном в виде относительно тонкой пленки на поверхности суши и преимущественно (но не исключительно) в верхних слоях океана. Она не может функционировать без тесного взаимодействия с атмосферой, гидросферой и литосферой, а педосфера без живых организмов просто не существовала бы.[ ...]
Возможны и другие интегральные показатели. Так, для моделирования распределения сайры в Тихом океане такой интегральной характеристикой оказалась температура в верхнем слое океана поскольку распределение течений, водных масс, солености и других гидрологических и гидрохимических показателей северо-западной части Тихого океана тесно коррелирует с распределением температуры воды верхнего слоя (Кашкин, 1986).[ ...]
Нагрев сверху (контактным образом и из-за сильного поглощения водой проникающего в нее света) и опреснение (выпадающими осадками, стоком рек, таянием льда) могут влиять лишь на очень тонкий верхний слой океана, всего в десятки метров, так как из-за гидростатической устойчивости нагретого или опресненного слоя он не может самостоятельно перемешиваться с нижележащей водой, а вынужденное перемешивание, создаваемое обрушивающимися поверхностными волнами, проникает неглубоко (перемешивание же в турбулентных пятнах, образующихся в местах гидродинамической неустойчивости внутренних волн, в среднем очень слабо и действует, по-видимому, крайне медленно).[ ...]
Если уравнение (4.9.2) или его эквивалентную форму со штрихами у переменных проинтегрировать по всему океану, то получим то же самое очевидное противоречие, как и в случае с уравнением механической энергии. На больших масштабах имеется приток через поверхность океана (так как соленость поверхности высока там, где имеется поток соли в океан, см., например, ), но потери соли за счет диффузии незначительны на больших масштабах. Как и в случае с энергией, имеет место перенос солености от одного масштаба к другому из-за нелинейного адвективного члена в (4.3.8), прпчем существенный вклад в правую часть (4.9.2) вносят очень малые масштабы. По оценке , среднеквадратичный градиент солености в верхнем слое океана в 1000 раз превосходит средний градиент.[ ...]
Соединения азота (нитраты, нитриты) в растворах поступают в организмы растений, участвуя в образовании органического вещества (аминокислоты, сложные белки). Часть соединений азота выносится в реки, моря, проникает в подземные воды. Из соединений, растворенных в морской воде, азот поглощается водными организмами, а после их отмирания перемещается в глубь океана. Поэтому концентрация азота в верхних слоях океана заметно возрастает.[ ...]
Анализ причин существующего фазового соотношения между годовыми температурными колебаниями в воздухе и воде приводится на основе модельных интерпретаций годового хода в . Как правило, такие модели исходят из уравнения переноса тепла, в котором различные авторы с разной степенью полноты учитывают факторы формирования цикличности в океане и в атмосфере. А. А. Пивоваров и Во Ван Лань построили нелинейную модель для стратифицированного океана и учли объемное поглощение лучистой энергии верхним слоем океана. В анализируется суточный ход температур поверхности воды и воздуха. Получено отставание по фазе температуры воздуха от температуры воды, что не согласуется с эмпирическими данными, согласно которым и в суточном ходе температура воздуха опережает температуру воды.[ ...]
Встречающиеся в природе гуминовая и стеариновая кислоты, которые являются обычными примесями многих сточных вод, также сильно замедляли образование кальцита. Это ингибирование, вероятно, вызывается адсорбцией аниона кислоты, так как в условиях эксперимента преобладают ионные формы этих соединений. Сьюесс и Майерс и Квайн обнаружили, что стеариновая кислота и другие природные органические вещества могут сильно адсорбироваться при контакте карбоната кальция с морской водой. По-видимому, такой адсорбцией объясняется ингибирование образования карбоната кальция в верхних слоях океана. В присутствии стеариновой кислоты (1-1О-4 М) происходит в незначительной степени, но поддающаяся измерению реакция кристаллизации (см. рис. 3.4), которая показывает, что эта кислота не так полно ингибирует реакцию кристаллизации, как метафосфат.[ ...]
Второй специальный эксперимент по изучению синоптической изменчивости океанских течений («Полигон-70») был проведен советскими океанологами во главе с Институтом океанологии АН СССР в феврале-сентябре 1970 г. в северной пассатной зоне Атлантики, где в течение шести месяцев были осуществлены непрерывные измерения течений на 10 глубинах от 25 до 1500 м на 17 заякоренных буйковых станциях, образовывавших крест размерами 200X200 км с центром в точке 16°ЗГ 14, 33°30 Ш, и был также выполнен ряд гидрологических съемок.[ ...]
Крупномасштабный контраст теплозапаса в океане намного превосходит как потенциальную энергию наклона уровня, так и энергию плотностной дифференциации вод. Сами тепловые различия вод, как правило, формируются на больших пространствах и сопровождаются плавными пространственно протяженными движениями конвективного типа. В неравномерно прогретых водах с меняющимися в пространстве плотностями существуют горизонтальные градиенты, которые могут быть и источниками локальных движений. В таких случаях в них переходит часть доступной потенциальной энергии. Если при ее вычислении исходить из разности запасов потенциальных энергий двух соседних равных объемов с разными плотностями в верхних частях, то для всего океана мы приходим к той оценке, которую ранее определили, как энергию дифференциации плотности, т. е. к 1018- Ю19 Дж. Возраст вод верхнего слоя океана (»1000 м) оценивается 10-20 годами . Из сопоставления энергии теплового контраста вод океана и контраста поступления солнечной энергии к теплым и холодным водам океана [(1-3) -1023 Дж/год] следует, что для накопления этого контраста необходимо примерно 10- 15 лет. Тогда можно ориентировочно принять, что основные черты плотностной дифференциации верхнего слоя сформируются за 10 лет. Десятая часть этой энергии ежегодно передается механическим движениям океана. Следовательно, ежегодное поступление энергии в результате бароклинной неустойчивости ориентировочно следует оценить примерно в 1018 Дж.[ ...]
В 1905 г. шведский ученый В. Экман создал теорию ветрового течения, получившую математическое и графическое выражение, известное как спираль Экмана. Согласно ей, поток воды должен быть направлен под прямым углом к направлению ветра, с глубиной он настолько отклоняется силой Кориолиса, что начинает течь в противоположном ветру направлении. Одно из следствий переноса воды, по теории Экмена, состоит в том, что пассатные ветры становятся причиной смещения потока, направленного к северу и югу от экватора. Для компенсации оттока здесь происходит подъем холодных глубинных вод. Вот почему температура поверхностной воды на экваторе оказывается ниже на 2-3°С, чем в соседних с ним тропических областях. Медленный подъем глубинных вод в верхние слои океана называют апвеллингом, а опускание - даунвеллингом.
Водное пространство вне суши называется Мировым океаном . Воды Мирового океана занимают около 70,8 % площади поверхности нашей планеты (361 млн. км 2) и играют исключительно важную роль в развитии географической оболочки.
Мировой океан содержит 96,5 % вод гидросферы. Объем его вод равен 1 336 млн. км 3 . Средняя глубина равна 3711 м, максимальная – 11022 м. Преобладающие глубины от 3000 до 6000 м. На них приходится 78,9 % площади.
Температура поверхности воды от 0°С и ниже в полярных широтах до +32 °С в тропиках (Красное море). К придонным слоям она снижается до +1°С и ниже. Средняя соленость – около 35 ‰, максимальная – 42 ‰ (Красное море).
Мировой океан разделяется на океаны, моря, заливы, проливы.
Границы океанов не всегда и не везде проходят по берегам материков, нередко они проводятся весьма условно. Каждый океан обладает комплексом только ему присущих качеств. Для каждого из них характерна своя система течений, система приливов и отливов, специфическое распределение солености, свой температурный и ледовый режим, своя циркуляция с воздушными течениями, свои характер глубин и господствующие донные отложения. Выделяют Тихий (Великий), Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны. Иногда выделяют и Южный океан.
Море – значительная акватория океана, более или менее обособленная от него сушей или подводными поднятиями и отличающаяся своими природными условиями (глубина, рельеф дна, температура, соленость, волнение, течения, приливы, органическая жизнь).
В зависимости от характера контакта материков и океанов моря делятся на следующие три типа:
1.Средиземные моря: располагаются между двумя материками или находятся в поясах разлома земной коры; они характеризуются сильной изрезанностью береговой линии, резким перепадом глубин, сейсмичностью и вулканизмом (Саргассово море, Красное море, Средиземное море, Мраморное море и др.).
2. Внутренние моря : глубоко вдаются в сушу, располагаются внутри материков, между островами или материками или в пределах архипелага, значительно отделены от океана, характеризуются небольшими глубинами (Белое море, Балтийское море, Гудзоново море и др.).
3. Окраинные моря : располагаются по окраинам материков и больших островов, на материковых отмелях и склонах. Они широко открыты в сторону океана (Норвежское море, Карское море, Охотское море, Японское море, Желтое море и др.).
Географическое положение моря во многом определяет его гидрологический режим. Внутренние моря слабо связаны с океаном, поэтому соленость их воды, течения и приливы заметно отличаются от океанских. Режим окраинных морей в сущности океанический. Большая часть морей находится у северных материков, особенно у берегов Евразии.
Залив – часть океана или моря, вдающаяся в сушу, но имеющая свободный водообмен с остальной акваторией, слабо отличается от нее по природным особенностям и режиму. Не всегда уловима разница между морем и заливом. В принципе залив меньше моря; каждое море образует заливы, наоборот же не бывает. Исторически сложилось так, что в Старом свете и небольшие акватории, например Азовское и Мраморное, называются морями, а в Америке и Австралии, где названия давали европейские первооткрыватели, даже большие моря называются заливами – Гудзонов, Мексиканский. Иногда одинаковые акватории называются одна морем, другая – заливом (Аравийское море, Бенгальский залив).
В зависимости от происхождения, строения берега, формы и размеров заливы называются бухтами, фьордами, лиманами, лагунами:
Бухты (гавани) – заливы небольших размеров, защищенные от волнения и ветров выступающими в море мысами. Являются удобными для стоянки судов (Новороссийская, Севастопольская – Черное море, Золотой Рог – Японское море и др.).
Фьорды – узкие, глубокие, длинные заливы с выступающими, крутыми, скалистыми берегами и корытообразным профилем, часто от моря отделяются подводными порогами. Длина некоторых может доходить свыше 200 км, глубина – свыше 1000 м. Их происхождение связано с разломами и эрозионной деятельностью четвертичных ледников (побережье Норвегии, Гренландии, Чили).
Лиманы – мелководные, глубоко вдающиеся в сушу заливы с косами и пересыпями. Они образуются в расширенных устьях рек при опускании береговой суши (Днепровский, Днестровский лиманы в Черном море).
Лагуны – вытянутые вдоль берега мелководные заливы с соленой или солоноватой водой, отделенные от моря косами, либо соединенные с морем узким проливом (хорошо развиты на побережье Мексиканского залива).
Губы – мелкие заливы, в которые обычно впадают крупные реки. Здесь вода сильно опреснена, по цвету резко отличается от воды прилегающего участка моря и имеет желтоватые и коричневатые оттенки (Пенжинская губа).
Проливы – относительно узкие водные пространства, соединяющие отдельные части Мирового океана и разделяющие участки суши. По характеру водообмена делятся на: проточные – течения направлены по всему поперечному сечению в одну сторону; обменные – воды движутся в противоположных направлениях. В них водообмен может происходить по вертикали (Босфор) или горизонтали (Лаперуза, Девисов).
Структурой Мирового океана называется его строение – вертикальная стратификация вод, горизонтальная (географическая) поясность, характер водных масс и океанических фронтов.
В вертикальном разрезе толща воды распадается на большие слои, аналогичны слоям атмосферы. Выделяются следующие четыре сферы (слоя):
Верхняя сфера формируется непосредственным обменом энергией и веществом с тропосферой. Она охватывает слой в 200–300 м мощности. Эта верхняя сфера характеризуется интенсивным перемешиванием, проникновением света и значительными колебаниями температуры.
Промежуточная сфера простирается до глубин 1500–2000 м; ее воды образуются из поверхностных вод при их опускании. При этом они охлаждаются и уплотняются, а затем перемешиваются в горизонтальных направлениях, преимущественно с зональной составляющей. Они выделяются в полярных областях повышенной температурой, в умеренных широтах и тропических областях пониженной или повышенной соленостью. Преобладают горизонтальные переносы водных масс.
Глубинная сфера не доходит до дна примерно на 1000 м. Этой сфере свойственна определенная однородность. Ее мощность составляет около 2000 м и она концентрирует более 50% всей воды Мирового океана.
Придонная сфера занимает самый нижний слой толщи океана и простирается на расстояние примерно 1000 м от дна. Воды этой сферы образуются в холодных поясах, в Арктике и Антарктике и перемещаются на огромных пространствах по глубоким котловинам и желобам, отличаются наиболее низкими температурами и наибольшей плотностью. Они воспринимают тепло из недр Земли и взаимодействуют с дном океана. Поэтому при своем движении они значительно трансформируются.
Водной массой называется сравнительно большой объем воды, формирующийся в определенной акватории Мирового океана и обладающий в течение длительного времени почти постоянными физическими (температура, свет), химическими (газы) и биологическими (планктон) свойствами. Одна масса от другой отделяется океанским фронтом.
Выделяются следующие типы водных масс:
1.Экваториальные водные массы характеризуются самой высокой в открытом океане температурой, пониженной соленостью (до 34–32 ‰), минимальной плотностью, большим содержанием кислорода и фосфатов.
2.Тропические и субтропические водные массы создаются в областях тропических атмосферных антициклонов и характеризуются повышенной соленостью (до 37 ‰ и более) и большой прозрачностью, бедностью питательными солями и планктоном. В экологическом отношении они представляет собой океанские пустыни.
3.Умеренные водные массы располагаются в умеренных широтах и отличаются большой изменчивостью свойств как по географическим широтам, так и по сезонам года. Для умеренных водных масс характерен интенсивный обмен теплом и влагой с атмосферой.
4.Полярные водные массы Арктики и Антарктики характеризуются самой низкой температурой, наибольшей плотностью, повышенным содержанием кислорода. Воды Антарктики интенсивно погружаются в придонную сферу и снабжают ее кислородом.
Воды Мирового океана находятся в непрерывном движении и перемешивании. Волнения – колебательные движения воды, течения – поступательные. Главная причина волнений (волн) на поверхности – ветер при скорости более 1м/с. Волнение, вызванное ветром, с глубиной затухает. Глубже 200 м даже сильное волнение уже незаметно.При скорости ветра примерно 0,25 м/с образуется рябь. При усилении ветра вода испытывает не только трение, но и удары воздуха. Волны растут в высоту и длину, увеличивая период колебания и скорость. Рябь превращается в гравитационные волны. Величина волн зависит от скорости ветра и разгона. Максимальная высота в умеренных широтах (до 20 – 30 метров). Наименьшее волнение – в экваториальном поясе, повторяемость штилей 20 – 33 %.
Вследствие подводных землетрясений и извержений вулканов возникают сейсмические волны – цунами . Длина этих волн 200 – 300 метров, скорость – 700 – 800 км/час. Сейши (стоячие волны) возникают в результате резких изменений давления над водной поверхностью. Амплитуда 1 – 1,5 метра. Характерны для замкнутых морей и заливов.
Морские течения – это горизонтальные перемещения воды в виде широких потоков. Причиной поверхностных течений является ветер, глубинных – разная плотность воды. Теплые течения (Гольфстрим, Северо-Атлантическое) направляются из более низких широт в сторону более широких, холодные (Лабродорское, Перуанское) – наоборот. В тропических широтах у западных берегов материков пассаты сгоняют теплую воду и увлекают ее в западном направлении. На ее место поднимается из глубины холодная вода. Образуется 5 холодных течений: Канарское, Калифорнийское, Перуанское, Западно-Австралийское и Бенгельское. В южном полушарии в них вливаются холодные струи течения Западных Ветров. Теплые воды образуются движущимися параллельными пассатным течениям: Северное и Южное. В Индийском океане в северном полушарии – муссонное. У восточных берегов материков они разделяются на части, отклоняются к северу и югу и идут вдоль материков: на 40 – 50º с.ш. под влиянием западных ветров течения откланяются на восток и образуют теплые течения.
Приливно-отливные движения океанских вод возникают под воздействием сил притяжения Луны и Солнца. Самые высокие приливы наблюдаются в заливе Фанди (18 м). Различают приливы полусуточные, суточные и смешанные.
Также для динамики вод характерно вертикальное перемешивание: в зонах конвергенции – погружение вод, в зонах дивергенции – аппвелинг.
Дно океанов и морей покрыто осадочными отложениями, которые называются морскими осадками , грунтами и илами . По механическому составудонные отложения классифицируют на: грубообломочные осадочные породы или псефиты (глыбы, валуны, галечники, гравий), песчаные породы или псаммиты (пески крупные, средние, мелкие), алевритовые породы или алевриты (0,1 – 0,01 мм) и глинистые горные породы или пеллиты .
По вещественному составу среди донных отложений различают слабоизвестковистые (содержание извести 10–30 %), известковистые (30–50 %), сильноизвестковистые (более 50 %), слабокремнистые (содержание кремния 10–30 %), кремнистые (30–50 %) и сильнокремнистые (более 50 %) отложения. По генезису выделяют терригенные, биогенные, вулканогенные, полигенные и аутигенные отложения.
Терригенные осадки приносятся с суши реками, ветром, ледниками, прибоем, приливами и отливами в виде продуктов разрушения горных пород. Близ берега они представлены валунами, дальше галькой, песками, наконец, алевритами и глинами. Они покрывают примерно 25 % дна Мирового океана, залегают преимущественно на шельфе и материковом склоне. Особую разновидность терригенных отложений составляют айсберговые отложения, которые отличаются низким содержанием извести, органического углерода, плохой сортировкой и разнообразным гранулометрическим составом. Они образуются из осадочного материала, выпадающего на океаническое дно при таянии айсбергов. Они наиболее характерны для антарктических вод Мирового океана. Выделяются также терригенные отложения Северного Ледовитого океана, образующиеся из осадочного материала, приносимого реками, айсбергами, речными льдами. Большей частью терригенный состав имеют и турбидиты – осадки мутьевых потоков. Они типичны для материкового склона и материкового подножия.
Биогенные осадки образуются непосредственно в океанах и морях в результате отмирания различных морских организмов, главным образом планктонных, и выпадения в осадок их нерастворимых остатков. Биогенные отложения по вещественному составу делятся на кремнистые и известковые.
Кремнистые осадки состоят из остатков диатомовых водорослей, радиолярий и кремневых губок. Диатомовые осадки широко распространены в южных частях Тихого, Индийского и Атлантического океанов в виде сплошного пояса вокруг Антарктиды; в северной части Тихого океана, в Беринговом и Охотском морях, но здесь в них высока примесь терригенного материала. Отдельные пятна диатомовых илов обнаружены на больших глубинах (более 5000 м) в тропических поясах Тихого океана. Диатомово-радиоляриевые отложения наиболее распространены в тропических широтах Тихого и Индийского океанов, кремнево-губковые встречаются на шельфе Антарктиды, Охотском море.
Известковые отложения , как и кремнистые, делятся на ряд видов. Наиболее широко развиты фораминиферово-кокколитовые и фораминиферовые илы, распространенные главным образом в тропических и субтропических частях океанов, особенно в Атлантике. Типичный фораминиферовый ил содержит до 99% извести. Значительную часть таких илов составляют раковины планктонных фораминифер, а также кокколитофорид – раковины планктонных известковых водорослей. При существенной примеси в донных осадках раковин планктонных моллюсков птеропод образуются птероподово-фораминиферовые отложения. Большие их участки встречаются в экваториальной Атлантике, а также в Средиземном, Карибском морях, в районе Багамских островов, в западной части Тихого океана и других районах Мирового океана.
Кораллово-водорослевые отложения занимают экваториальные и тропические мелководья западной части Тихого океана, покрывают дно на севере Индийского океана, в Красном и Карибском морях, ракушечные карбонатные отложения – прибрежные зоны морей умеренных и субтропических поясов.
Пирокластические, или вулканогенные, осадки образуются в результате поступления в Мировой океан продуктов вулканических извержений. Обычно это туфы или туфобрекчии, реже – неконсолидированные пески, алевриты, реже осадки глубинных, сильносоленых и высокотемпературных подводных источников. Так, у их выходов в Красном море формируются сильножелезистые осадки с высоким содержанием свинца и других цветных металлов.
К полигенным осадкам относится один тип донных отложений – глубоководная красная глина – осадок пелитового состава коричневого или коричнево-красного цвета. Такая окраска обусловлена высоким содержанием оксидов железа и марганца. Глубоководные красные глины распространены в абиссальных котловинах океанов на глубинах более 4500 м. Наиболее значительные площади они занимают в Тихом океане.
Аутигенные, или хемогенные, осадки образуются в результате химического либо биохимического выпадения тех или иных солей из морской воды. К ним относится оолитовые отложения, глауконитовые пески и илы и железомарганцевые конкреции.
Оолиты – мельчайшие шарики извести, встречаются в теплых водах Каспийского и Аральского морей, Персидского залива, в районе Багамских островов.
Глауконитовые пески и илы – осадки различного состава с заметной примесью глауконита. Наибольшее распространение имеют на шельфе и материковом склоне у атлантического побережья США, Португалии, Аргентины, на подводной окраине Африки, у южного берега Австралии и в некоторых других районах.
Железомарганцевые конкреции – стяжения гидроксидов железа и марганца с примесью других соединений, в первую очередь кобальта, меди, никеля. Встречаются как включения в глубоководных красных глинах и местами, особенно в Тихом океане, образуют большие скопления.
Более трети всей площади дна Мирового океана занято глубоководной красной глиной и примерно такую же площадь распространения имеют фораминиферовые осадки. Скорость накопления осадков определяется толщиной слоя осадков, отложившихся на дне за 1000 лет (в некоторых районах 0,1–0,3 мм за тысячу лет, в устьях рек, переходных зонах и желобах – сотни миллиметров за тысячу лет).
В распределении в Мировом океане донных отложений ярко проявляется закон широтной географической зональности. Так, в тропических и умеренных поясах дно океана до глубины 4500–5000 м покрыто биогенными известковыми отложениями, глубже – красными глинами. Субполярные пояса занимает кремнистый биогенный материал, а полярные – айсберговые отложения. Вертикальная зональность находит выражение в смене карбонатных осадков на больших глубинах красными глинами.
Во многом эта геосфера остается загадочной. Так, развитие космонавтики опровергло «очевидную» истину о нулевой поверхности Мирового океана. Оказалось, что даже в полный штиль водная поверхность имеет свой рельеф. Впадины и холмы с абсолютным превышением в десятки метров накапливаются на расстояниях в тысячи километров, а потому и незаметны. Замечательны пять планетарных аномалий (в метрах): Индийская минус 112, Калифорнийская минус 56, Карибская плюс 60, Северо-Атлантическая плюс 68, Австралийская плюс 78.
Причины таких стабильных аномалий пока не выяснены. Но предполагается, что превышения и понижения поверхности Мирового океана связаны с аномалиями силы тяжести. Многослойной моделью планеты предусматривает рост плотности каждого последующего по глубине слоя. Границы раздела подземных геосфер неровные. Горы поверхности Мохоровичича вдвое выше земных Гималаев. На глубине от 50 до 2900 километров источниками аномалий сил тяжести могут быть зоны фазовых переходов вещества. Направление тяжести благодаря возмущениям отклоняется от радионального. Считается, что на глубине 400 - 900 километров находятся массы пониженной плотности и массы особо плотного вещества. Под положительными аномалиями плотности океанической поверхности располагаются массы повышенной плотности, под впадинами - разуплотнённые массы. может быть использована для объяснения рельефа Мирового океана. Обширность водно-поверхностных аномалий отвечает крупным неоднородностям внутреннего , которые связаны не только с фазовыми переходами вещества, но и с изначально различным веществом протопланетных модулей. В Земле воссоединен и относительно легкий материал лунных модулей и относительно тяжелый материал. В 1955 году на юге США упал метеорит Твин Сити, состоящий из 70 процентов железа и 30 процентов никеля. Но мартенситовой структуры, типичной для подобных метеоритов, в метеорите Твин Сити не обнаружили. Американский ученый Р. Кнокс предположил, что данный метеорит является неизмененным фрагментом планетезимали, из которой, в частности, миллиарды лет назад сформировались планеты . Наличие в глубинах масс вещества, отвечающего метеориту Твин Сити, обеспечит стабильное существование аномалий силы тяжести.
Как было сказано ранее аномалии поверхности Мирового океана и проекций радиационных аномалий в пространственно совпадают. Возможно, что возмущения поля силы тяжести и магнитного поля имеют одну внутреннюю причину, связанную с первичной неоднородностью планеты.
Поверхность Мирового океана тщательно изучается с обитаемых и автоматических спутников. Спутником «Гео-3» над восточным берегом Австралии на расстоянии 3200 километров установлен перепад высоты поверхности океана на 2 м: уровень вод у северного побережья материка выше. Специальный спутник «Сисат», запущенный в 1978 году, измеряет водную поверхность с точностью до 10 сантиметров.
Не менее интересна проблема внутренних волн Мирового океана. В середине XVIII века Б. Франклин во время морского путешествия заметил, что масло в светильнике на качку не реагировало, а в слое под маслом периодически возникала волна. Публикация Б. Франклина стала первым научным сообщением о подводных волнах, хотя само явление было хорошо известно мореплавателям.
Иногда при спокойном ветре и малом волнении корабль внезапно терял ход. Моряки толковали о загадочной «мертвой воде», но только после 1945 года начались систематические исследования этого явления. Оказалось, при полном штиле на глубине бушуют штормы невиданной силы: высота подводных волн достигает 100 метров! Правда, частота волн от нескольких минут до нескольких суток, но эти медленные волны пронизывают всю толщу океанических вод.
Не исключено, что именно внутренняя волна стала причиной гибели американской атомной субмарины «Трешер»: лодка была внезапно увлечена волной на большую глубину и была раздавлена.
Одни внутренние океанические волны вызваны приливами (период таких волн равен половине суток), другие - ветром, течениями. Однако таких естественных объяснений уже недостаточно, поэтому многочисленные корабли круглосуточно ведут наблюдения в океане.
Человек всегда старался проникнуть в глубь Мирового океана. Первый спуск в подводном колоколе на реке Тахо зафиксирован в 1538 году. В 1911 году в Средиземном море американец Г. Гартман опустился на рекордную глубину - 458 метров. Экспериментальные подводные лодки достигли 900 метров («Долфин» в 1968 году). Батискафы штурмовали сверхглубины. 23 января 1960 года швейцарец Ж. Пикар и американец Д. Уолш опустились до глубины 10919 метров на дно Марианской впадины. Это не только случаи, демонстрирующие технические и волевые возможности человека, но и прямое погружение в «океан загадок».
За геологическое время наступило солевое равновесие Мирового океана и твердой земной коры. Средняя соленость океанической воды 34,7 промилле, ее колебания 32-37,5 промилле.
Главные ионы Мирового океана (в процентах): CI 19,3534, SO24- 2,707, HCO 0,1427, Вг- 0,0659, F- 0,0013, H3BO3 0,0265, Na+ 10,7638, Mg2+ 1,2970, Са2+ 0,4080, К+ 0,3875, Sr2+ 0,0136/
Океан пополняется ионами из различных источников в результате дегазации глубин планеты, разрушения океанического ложа, ветровой эрозии, биологического кругооборота вещества. Большое число ионов поступает с речным стоком. Вся суша при общем речном стоке в 33 540 кубических километров поставляет свыше двух миллиардов тонн ионов в год.
Водная масса Мирового океана неоднородна. По аналогии с атмосферой ученые стали выделять в Мировом океане объемные границы масс. Но если в атмосфере обычны циклоны и антициклоны диаметром тысяча километров, то в океане вихри в 10 раз мельче. Причины - большая гидростатическая устойчивость водных масс и большое влияние боковых береговых границ; кроме того, различны плотность, вязкость и толщина и океана. Но главное - различные по солености, и загрязненности воды перемешиваются плохо. Внутренние водные течения, ветер и волны создают у поверхности океана однородный слой. Вертикальная стратификация Мирового океана очень устойчива. Но существуют ограниченные «окна» вертикального перемещения вод различной температуры и солености. Особенно важны зоны «апвелинга», где холодные глубинные воды поднимаются к поверхности моря и выносят значительные массы и питательных веществ.
Границы разделов водных масс видны отчетливо с самолетов и космических спутников. Но это только часть границ водных масс. Значительная доля границ скрыта на глубине. К. Н. Федоров обращает внимание на удивительное явление: воды Средиземного моря, изливаясь в придонном слое Гибралтарского пролива, стекают по склонам шельфа и материкового склона, затем отрываются от грунта на глубинах около тысячи метров и в виде слоя толщиной в сотни метров пересекают весь Атлантический океан. В направлении с востока на запад слой средиземноморской воды делится на тонкие прослои, которые благодаря более высокой солености и повышенной температуре отчетливо прослеживаются на глубине 1,5 - 2 километра в Саргассовом море. Аналогично ведут себя воды Красного моря, изливающиеся в Индийский океан. В самом Красном море термальные рудоносные рассолы перекрыты двухкилометровой толщей вод, температура которых ниже 20-30° С. Однако они не перемешиваются. Термальные воды нагреты до 45-58 °С, сильно минерализованы (до 200 граммов на литр) Верхняя граница термальных вод представлена серией резких плотностных ступенек, где происходит тепломассообмен.
Таким образом, водные массы Мирового океана разделены по естественным причинам на изометричные области, слои и тончайшие прослои. На практике эти свойства широко используются при скрытом проходе подводных лодок. Однако это далеко не все. Оказывается, можно без бетонных плотин и загородок искусственно создавать слабо преодолимые границы вод разной солёности и температуры, а это путь к созданию контролируемых зон аквакультуры. Например, известны предложения о создании у берегов Бразилии с помощью насосов искусственного «апвелинга» для «удобрения» поверхностных вод, что повысит возможности .
Давно известно, что океанические воды покрывают большую часть поверхности нашей планеты. Они составляют непрерывную водную оболочку, на долю которой приходится более 70% всей географической плоскости. Но мало кто задумывался о том, что свойства океанических вод уникальны. Они оказывают огромное влияние на климатические условия и хозяйственную деятельность людей.
Свойство 1. Температура
Океанские воды способны накапливать тепло. (около 10 см в глубину) удерживают огромное количество тепла. Охлаждаясь, океан обогревает нижние слои атмосферы, благодаря чему средняя температура земного воздуха составляет +15 °С. Если бы на нашей планете не было океанов, то средняя температура с трудом дотягивала бы до -21 °С. Получается, что благодаря способности Мирового океана накапливать тепло нам досталась комфортная и уютная планета.
Температурные свойства океанических вод изменяются скачкообразно. Прогретый поверхностный слой постепенно перемешивается с более глубокими водами, в результате чего на глубине нескольких метров происходит резкий температурный перепад, а затем плавное понижение до самого дна. Глубинные воды Мирового океана имеют примерно одинаковую температуру, измерения ниже трех тысяч метров обычно показывают от +2 до 0 °С.
Что же касается поверхностных вод, то их температура зависит от географической широты. Шарообразная форма планеты определяет солнечных лучей на поверхность. Ближе к экватору солнце отдает больше тепла, чем у полюсов. Так, например, свойства океанических вод Тихого океана напрямую зависят от средних температурных показателей. Поверхностный слой имеет самую высокую среднюю температуру, которая составляет более +19 °С. Это не может не влиять и на окружающий климат, и на подводную флору и фауну. Далее следует поверхностные воды которого в среднем прогреты до 17,3 °С. Затем Атлантика, где этот показатель равен 16,6 °С. И самые низкие средние температуры - в Северном Ледовитом океане - примерно +1 °С.
Свойство 2. Соленость
Какие еще свойства океанических вод изучают современные ученые? их интересует состав морской воды. Вода в океане - коктейль из десятков химических элементов, и важная роль в нем отведена солям. Соленость океанических вод измеряется в промилле. Обозначают ее значком «‰». Промилле означает тысячную долю числа. Подсчитано, что литр океанической воды имеет среднюю соленость 35‰.
При исследовании Мирового океана ученые не раз задавались вопросом о том, каковы свойства океанических вод. Везде ли в океане они одинаковы? Оказывается, соленость, как и средняя температура, неоднородна. На показатель влияет целый ряд факторов:
- количество атмосферных осадков - дождь и снег значительно понижают общую соленость океана;
- сток крупных и мелких рек - соленость океанов, омывающих материки с большим количеством полноводных рек, ниже;
- льдообразование - этот процесс повышает соленость;
- таяние льдов - этот процесс понижает соленость воды;
- испарение воды с поверхности океана - соли не испаряются вместе с водами, и соленость повышается.
Получается, что различная соленость океанов объясняется температурой поверхностных вод и климатическими условиями. Самая высокая средняя соленость у воды Атлантического океана. Однако самая соленая точка - Красное море, принадлежит Индийскому. Наименьшим показателем характеризуется Северный Ледовитый океан. Эти свойства океанических вод Северного Ледовитого океана наиболее сильно ощущаются вблизи впадения полноводных рек Сибири. Здесь соленость не превышает 10‰.
Интересный факт. Общее количество соли в Мировом океане
Ученые не сошлись во мнениях, какое количество химических элементов растворено в водах океанов. Предположительно от 44 до 75 элементов. Но они подсчитали, что всего в Мировом океане растворено просто астрономическое количество солей, примерно 49 квадриллионов тонн. Если выпарить и высушить всю эту соль, то она покроет поверхность суши слоем более чем в 150 м.
Свойство 3. Плотность
Понятие «плотность» изучается уже давно. Это отношение массы вещества, в нашем случае Мирового океана, к занимаемому объему. Знание о величине плотности необходимо, например, для поддержания плавучести судов.
И температура, и плотность - неоднородные свойства океанских вод. Среднее значение последней - 1,024 г/см³. Этот показатель измерялся при средних значениях температуры и содержания солей. Однако на разных участках Мирового океана плотность изменяется в зависимости от глубины измерения, температуры участка и его солености.
Рассмотрим для примера свойства океанических вод Индийского океана, а конкретно изменение их плотности. Наибольшим этот показатель будет в Суэцком и Персидском заливе. Здесь он доходит до 1,03 г/см³. В теплых и соленых водах северо-западной части Индийского океана показатель падает до 1,024 г/см³. А в распресненных северо-восточной части океана и в Бенгальском заливе, где выпадает много осадков, показатель наименьший - примерно 1,018 г/см³.
Плотность пресной воды ниже, именно поэтому держаться на воде в реках и других пресных водоемах несколько сложнее.
Свойства 4 и 5. Прозрачность и цвет
Если набрать в банку морскую воду, то она покажется прозрачной. Однако при увеличении толщины водного слоя она приобретает голубоватый или зеленоватый оттенок. Изменение цвета связано с поглощением и рассеиванием света. Кроме того, на окрас океанских вод влияют взвеси различного состава.
Голубоватый цвет чистой воды - результат слабого поглощения красной части видимого спектра. При высокой концентрации в океанической воде фитопланктона, она приобретает сине-зеленый или зеленый цвет. Это происходит из-за того, что фитопланктон поглощает красную часть спектра и отражает зеленую.
Прозрачность океанической воды косвенно зависит от количества взвешенных частиц в ней. В полевых условиях прозрачность определяют диском Секки. Плоский диск, диаметр которого не превышает 40 см, опускают в воду. Глубина, на которой он становится не виден, принимается за показатель прозрачности в этом районе.
Свойства 6 и 7. Распространение звука и электропроводность
Звуковые волны способны распространяться под водой на тысячи километров. Средняя скорость распространения - 1500 м/с. Этот показатель для морской воды выше, чем для пресной. Звук всегда немного отклоняется от прямой.
Имеет более значительную электропроводность, чем пресная. Разница - 4000 раз. Это зависит от числа ионов на единицу водного объема.