Тема 4. Физические и химические свойства морской воды

Соленость

Океанская вода по весу состоит на 96,5 % из химически чистой воды и на 3,5% из растворенных в ней солей (т.е. ее соленость равна 35 ‰), газов и взвешен­ных нерастворимых частиц. Присутствие сравнительно неболь­шого количества различных веществ придает ей существенные отличия от других природных вод. Это питательный раствор, содержащий все известные на Земле химические элементы. Осо­бенно много водаокеана содержит хлора, натрия, магния, серы. Значительно меньше содержится в ней брома, углерода, строн­ция, бора. На все остальные элементы приходится меньше 1 %, т. е. их содержание ничтожно мало. Среди них и биоген­ные элементы (фосфор, азот и т.п.) и микроэлементы, совер­шенно необходимые для организмов. Общее количество солей в Океане достигает 50·10 т. Они могут покрыть дно Океана слоем примерно в 60 м, всю Землю слоем в 45 м, а сушу слое в 153 м. Больше всего в Океанской воде (27,2 г/л) натрия в виде поваренной соли NaCI и сульфатов Na₂S0₄, поэтому вода Океана на вкус соленая. Затем следуют соли магния MgCl₂ (3,8 г/л) и MgS0₄ (1,7 г/л), придающие воде горький вкус. В воде Океана содержится серебра 0,3 мг в 1 м ³ и золота 0,008 мг в 1 м³ и, хотя общее количество их значительно (зо­лота около 11 млрд. т), добыча при такой концентрации нерента­бельна.

Удивительная особенность океанской воды - постоянство солевого состава. Раствор может быть в разных частях Oкeaнa слабее или крепче, но соотношение главнейших солей остается неизменным. Поэтому для определения общей солености воды достаточно определить содержание хлора Cl и полученную вели­чину умножить на 1,81 (S‰ = 1,81 Cl‰). Причину постоянства солевого состава океанской воды видят в ее перемешивании, по это объяснение нельзя считать исчерпывающим. Возникает во­прос о происхождении такой солености. Предполагают, что при выделении воды из вещества мантии вместе с водяным паром выделялись вулканические дымы, содержащие соединения хлора, брома, фтора. «Первичная" вода на Земле была кислой, она разру­шала, выщелачивала горные породы, извлекая из них щелочные элементы: натрий, калий, кальций, магний и др. В результате их реакций с хлором и бромом раствор нейтрализовался, а затем за счет продолжавшегося поступления щелочных элементов стал, как теперь, слегка щелочным. Когда в Oкeaнe возникла расти­тельная жизнь (более 3 млрд. лет назад), появился свободный кислород; при окислении азота, выделявшегося из земных недр, образовались соединения азота, а при окислении соединений угле­рода - свободная углекислота. Начиная с палеозоя (500 млн. лет назад) солевой состав Океанской воды, судя по ископаемым остаткам обитателей Океана, не изменялся. Но как это можно объяснить, если реки непрерывно несут в Oкeaн воду иного со­левого состава? Количество вносимых ими растворенных веществ достигает 5,4 млрд.т в год, а взвешенных 32,5 млрд.т в год (cм. таблица).

Вещества, растворенные в воде	Содержание солей (в % от общей массы) в воде
	В океанской	в речной
Хлориды Сульфиды Карбонаты Прочие вещества	88,7 10,8 0,3 0,2	5,0 10,0 60,0 25.0
	100,0	100,0

Средняя соленость Мирового океана 35‰. Отклонения от средней солености в ту и другую сторону вызываются главным образом изменениями в приходно-расходном балансе пресной воды. Атмосферные осадки, выпадающие на поверхность Океана, сток с суши, таяние льдов вызывают понижение солености, испа­рение; образование льда, наоборот, повышают ее. Приток вод с суши заметно сказывается на солености у берегов и особенно вблизи впадения рек.

Поскольку соленость на поверхности Океана в его открытой части зависит в основном от соотношения атмосферных осадков и испарения (т.е. от климатических условий), постольку в ее распределении обнаруживается широтная зональность. Это хо­рошо видно на карте изогалин - линий, соединяющих пункты с одинаковой соленостью.

В экваториальных широтах поверхностные слои воды не­сколько опреснены вследствие того, что здесь количество осадков больше испарения. В субтропических и тропических широтах соленость поверхностных слоев повышенная, она дости­гает максимума для поверхности открытого Океана - 36-37‰. Это объясняется тем, что расход воды на испарение не покры­вается осадками; Океан теряет влагу, соли же остаются. К северу и югу от тропических широт соленость океанских вод посте­пенно понижается до 33-32‰ из-за уменьшения испарения и увеличения количества осадков. Понижению солености на поверхности Океана в высоких широтах способствует таяние пла­вучих льдов.

Широтную зональность в распределении солености на поверх­ности Океана нарушают течения: теплые повышают ее, холодные, наоборот, понижают.

Средняя соленость на поверхности Океанов различна. Наибольшую среднюю соленость имеет Атлантический океан - 35,4‰, наименьшую - Северный Ледовитый - 32‰. Повышенная соленость Атлантического Oкeaнa объясняется влиянием матери­ков при его сравнительной суженности. В Северном Ледовитом океане опресняющее действие оказывают сибирские реки (у бе­регов Азии соленость падает до 20‰).

Так как изменения солености связаны в основном с приходом и расходом пресной воды, они заметны только в поверхностном слое, непосредственно получающем атмосферные осадки и испаряющем воду, и в некотором слое под ним, определяемым глубиной перемешивания. Перемешивание охватывает толщу воды до глубины 1500 м. Глубже соленость вод Мирового океан остается неизменной ( 34,7 -34, 9‰) .

Соленость воды из поверхности морей может сильно отли­чаться от солености в открытой части Океана. Она также определяется, прежде всего, балансом воды и, значит, зависит от клима­тических условий. Мореиспытывает влияние омываемой ими суши значительно в большей степени, чем открытый Океан. Чем глубже вдается море в сушу, чем меньше связь его с, Океаном, тем больше отличается соленость его воды от средней океанской.

Большая соленость Красного моря (до 42‰) объясняется его положением, среди суши, в усло­виях сухого и жаркого климата. Осадки на поверхность моря выпадают за год всего в количестве 100 мм, сток, с суши отсут­ствует, а испарение достигает 3000 мм в год. Водообмен с Океа­ном происходит через узкий Баб-эль-Мандебский пролив глуби­ной 125 м.

Все окраинные моря, тесно связанные с Океаном, имеют соленость, близкую к солености прилежащей части Океана. В прибрежных частях морей, принимающих реки, вода сильно опресняется и часто имеет соленость всего несколько промилле.

Изменение солености с глубиной в морях зависит от соле­ности на поверхности и связанного с ней водообмена с Океаном (или с соседним морем). Если соленость моря меньше, чем соле­ность Oкeaнa (соседнего моря) у соединяющего их пролива, бо­лее плотная океанская вода проникает в море через пролив и опускается вниз, заполняя глубины, моря. В этом случае соле­ность в море с глубиной увеличивается. Если море более соленое, чем соседняя часть Океана (моря), вода в проливе движется по дну в сторону Oкеaнa, по поверхности - в сторону моря. Поверх­ностные слои приобретают соленость и температуру, свойствен­ные морю в данных физико-географических условиях. Соленость придонных вод соответствует солености на поверхности в период наиболее низких температур.

Газы в воде Океана

В воде Океана всегда растворены газы.

Способность океанской воды растворять газы зависит от ее тем­пературы, солености и гидростатического давления. Чем выше температура и соленость воды, тем меньше газов может в ней раствориться. Растворены в воде, прежде всего кислород и углекислый газ (двуокись углерода), а также сероводород, аммиак, метан. Газы попадают в воду из атмосферы, выделяются при химических и биологических процессах, их приносят реки, они поступают при подводных извержениях. Перераспределение га­зов происходит посредством перемешивания.

Кислород поступает в Океан из атмосферы и выделяется при фотосинтезе. Расходуется он на дыхание, окисление. При нагревании (весна, лето) вода отдает кислород атмосфере, при охлаж­дении (осень, зима) поглощает его атмосферы. Так как интен­сивность процесс, а фотосинтеза зависит от освещения воды сол­нечными лучами, количество кислорода в ней колеблется в течение суток и уменьшается с глубиной.

Поверхностные слои поды (100-300 м ) всегда насыщены кислородом; при этом содержание его от экватора к полюсам воз­растает: 0º ш.- 5 см³/л, 50° с.ш. - 8 см³/л. Глубже 200 м проникает мало света, растительность отсутствует, и содержание кислорода падает. Особенно резкое падение его на глубине 400-800 м объ­ясняют затратами на окисление отмершего органического веще­ства. В придонные слои Океана кислород приносят холодные воды, опускающиеся в полярных широтах и передвигающиеся к экватору. Кислород необходим обитателям Океана. То обстоя­тельство, что холодные течения богаче кислородом, способствует развитию в них жизни.

Углекислый газ, в отличие от кислорода и азота, находится в воде Океана главным образом в связанном состоянии, в виде углекислых соединений (карбонатов и бикарбонатов). Он по­падает в воду из атмосферы, выделяется при дыхании организ­мов и при разложении органического вещества, поступает из зем­ной коры при подводных извержениях. Углекислый газ, как и кислород, лучше растворяется в холодной воде. Поэтому при по­вышении температуры вода отдает его атмосфере, при пониже­нии - поглощает. Днем, в связи с усиленным потреблением угле­кислого газа растениями, содержание его в воде уменьшается, ночью, наоборот, возрастает. В высоких широтах Oкeaн поглощает углекислый газ, в низких - выделяет его в атмосферу. Запасы углекислого газа в Oкeaнe составляют 45-50 м³/л. Атмосфера содержит его в 60 раз меньше, чем Океан.Океан то поглощает газы, то выделяет их в атмосферу. Обмен газами между Океаном и атмосферой - процесс непрерывный.

Азот всегда есть в Океанской воде, но содержание его по от­ношению к другим газам меньше, чем в атмосфере. Большой роли в Океане, по-видимому, он не играет. Некоторые придон­ные бактерии превращают его в нитраты и аммоний.

В воде морей количество и распределение газов может быть существенно иным, чем в океанах. В морях, глубины которых не снабжаются кислородом, накапливается сероводород. Проис­ходит это в результате деятельности бактерий, использующих в анаэробных условиях кислород сульфатов для Окисления пи­тательных веществ. Нормальная органическая жизнь в условиях отравления сероводородом невозможна. Примером моря, глубины которого заражены сероводородом, может быть Черное. Увеличе­ние плотности воды с глубиной обеспечивает равновесие водной массы в Черном море, полного перемешивания воды в нем не происходит, кислород с глубиной постепенно исчезает, увеличи­вается содержание сероводорода, достигающее у дна 6,5 см³/л.

Плотность

Плотность воды Океана с увеличением солености всегда по­вышается, поскольку растет содержание веществ, имеющих боль­ший, чем вода, удельный вес. Увеличению плотности поверхност­ных слоев воды способствует охлаждение, испарение и образова­ние льда. Нагревание, а также смешение соленой воды с водой атмосферных осадков или талой воды вызывают понижение плот­ности. При понижении плотности воды поверхностного слоя воз­никает восходящая конвекция и наоборот.

На поверхности океана наблюдается изменение плотности в пределах от 0,9960 до 1,083 г/см³. В открытом Океане плотность, как правило, определяется температурой и поэтому от экватора к полюсам, в общем растет. С глубиной плотность воды в Океане уве­личивается.

Давление

На каждый квадратный сантиметр поверхности Океана атмосфера давит приблизительно с силой 1 кг (одна атмосфера). То же давление на ту же площадь оказывает стол­бик воды высотой всего в 10,06 м. Таким образом, можно считать, что на каждые 10 м глубины давление увеличивается на 1 атм. Все процессы, происходящие на большой глубине, совершаются под сильным давлением, но это не препятствует развитию жизни в глубина Океана.

Прозрачность воды Океана

Лучистая энергия Солнца, прони­кая в толщу воды, рассеивается и поглощается. От степени ее рассеивания и поглощения зависит прозрачность воды. Так как количество примеси, содержащейся в воде, не везде одинаково и меняется во времени, прозрачность также не остается постоян­ной. Наименьшая прозрачность наблюдается у берегов на мел­ководье, особенно после штормов. Значительно уменьшается (бо­лее чем на 3 %) прозрачность воды в период массового развития планктона. Уменьшение прозрачности вызывается таянием льдов (лед всегда содержит примеси; кроме того, масса пузырьков воз духа, заключенных во льду, переходит в воду). Замечено, что прозрачность воды увеличивается в местах подъема на поверхность глубинных вод. В настоящее время измерение прозрачности производится с помощью прозрачномеров - приборов, основанных на исполь­зовании закона ослабления пучка Совета в зависимости от пройден­ного им расстояния. Измеряется световой пучок, прошедший через слой воды. Глубина проникновения солнечного света в Океанизмеряется современными приемниками света - фотоэлектронными умножителями, которые способны улавливать даже отдель­ные фотоны. В прозрачной воде солнечный свет на глубине 600 м ослабляется в 1012 раз; там полная темнота. Для мутной воды эта глубина меньше.

Цвет воды океанов и морей

Толща чистой воды Океана (моря) в результате собирательного поглощения и рассеивания света имеет голубой или синий цвет. Этот цвет воды называют «цветом океанской пустыни». Присутствие планктона и неорга­нических взвесей отражается на цвете воды, и она приобретает зеленоватый оттенок. Большие количества примесей делают воду желтовато-зеленой, близ устья рек она может быть даже коричневой. В экваториальных и тропических широтах господствующий цвет воды Океана темно-голубой и даже синий. Такого цвета вода, например, в Бенгальском заливе, Аравийском море, южной части Китайского моря, Красном море. Синяя вода в Средизем­ном море; близка к ней по цвету вода Черного моря. В умерен­ных широтах во многих местах вода зеленоватая (особенно у берегов), заметно зеленеет она в районах таяния льдов. В полярных широтах зеленоватый цвет преобладает.

Температура воды Мирового Океана

Основной источник тепла, получаемого Океаном, - солнечная радиация (прямая и рассеян­ная), падающая на его поверхность.

Вода Океана получает также тепло, поглощая длинноволновое излучение атмосферы, теплоту, выделяющуюся при конденсации влаги, льдообразования и при химико-биологических процессах, сопровождающихся выделением тепла. В Океан поступает тепло, приносимое осадками, речными водами, воздухом, соприкасаю­щимся с водой и теплыми океанскими течениями. На темпера­туру глубоких слоев Океана влияет внутреннее тепло Земли и адиабатическое нагревание опускающейся воды.

Расходует Океан тепло главным образом на испарение, нагре­вание воздуха, холодной воды peк и океанских течений, таяние льдов и другие процессы, совершающиеся с затратами тепла.

Температура воды зависит от теплового баланса, в котором для всего Океана определяющее значение принадлежит поглоще­нию водой солнечной радиации и потерям тепла на испарение. В конкретных условиях значение статей теплового баланса может меняться, и второстепенные статьи становятся ведущими.

Суточные амплитуды колебаний температуры воды па поверх­ности океанов значительно меньше суточных амплитуд темпера­туры находящегося над ней воздуха. Днем тепло поступает (сол­нечная радиация), по и расходуется в результате усиленного испарения. Ночью вода излучает тепло в атмосферу и получает его при конденсации влаги на остывающей поверхности воды. Колебания температуры сглаживаются также благодаря большой теплоемкости воды.

Суточные амплитуды колебания температуры воды на поверх­ности Океана не превышают в среднем 0,5°. Наибольшая суточ­ная амплитуда в низких широтах (до 1°, наименьшая -

в вы­соких широтах (до 0°). Суточные колебания температуры в Океане играют подчиненную роль, но они являются кратчайшим циклом пере­распределения тепла в верхнем слое воды. Годовые амплитуды колебаний температуры на поверхности Океана больше, чем суточные. Они зависят от годового хода ра­диационного баланса, течений, преобладающих ветров и различ­ные на разных широтах. Годовые колебания температуры неве­лики в низких (10°) и в высоких (20°) широтах. В первом случае большое количество тепла равномерно распределяется в течение года, во втором - за короткое лето вода не успевает сильно на­греваться. Наибольшие годовые амплитуды (больше 100) отме­чаются в умеренных широтах.

В морях под влиянием суши годовые амплитуды колебания температуры больше, чем на той же широте в открытом Океане. Наибольшей годовой амплитудой отличаются моря в умерен­ных широтах (Черное -17-24°С, Средиземное -14°С, Балтий­ское -17ºС).

Суточные и годовые колебания температуры оказывают су­щественное влияние на химические и биологические процессы в Океане. Рассматривая карту изотерм, можно убедиться в том, что рас­пределение тепла на поверхности Океана зоналъно.