книги из ГПНТБ / Степанов В.Н. Мировой океан. Динамика и свойства вод

ней ее части, до оси промежуточных вод, широтная зональ­ ность проявляется еще довольно хорошо, сохраняется повы­ шенная плотность в экваториальной зоне и два минимума в субтропических широтах, после чего следует увеличение плот­ ности до максимальных значений в полярных областях (рис. 50). Однако межзональные изменения плотности воды значи­ тельно сокращаются по сравнению с тем, что имеет место в

Ниже оси промежуточных вод происходит дальнейшее вы­ равнивание плотности, незначительно изменяющейся от более плотных полярных к менее плотным тропическим водам (рис. 51). Особенно ярко это проявляется в Тихом океане. В Атлантическом и Индийском океанах сохраняются небольшие различия плотностей, создаваемые распространением низко­ соленых и высокосоленых промежуточных водных масс.

Плотность воды глубинкой структурной зоны. Плотность этих вод весьма однородна. В Тихом океане условная плот­ ность от 27,70—27,85 в полярных районах понижается к эква­ тору всего до 27,63 — 27,68 (рис. 51). Несколько значительнее изменяется плотность в Атлантическом и Индийском океанах. В целом она наиболее велика в Северном Ледовитом и Атлан­ тическом океанах и ниже всего в Тихом.

Плотность воды придонной структурной зоны. Воды ее на­ столько однородны, что изменения условной плотности по всей протяженности океанов обыкновенно не превышают 0,05 еди­ ницы. В полярных областях плотность воды максимальна: в Антарктике 27,87, в Арктике 28,10. Наименьшей плотностью (около 27,80—27,82) обладают воды северной части Тихого океана.

ГЛАВА X

КИСЛОРОД, РАСТВОРЕННЫЙ В ВОДАХ МИРОВОГО ОКЕАНА

Из всех газов, растворенных в океанических водах, наи­ больший интерес представляет кислород, так как с ним связа­ на интенсивность химических и особенно биохимических про­ цессов, а следовательно, и развития жизни. Проникая через всю толщу океаносферы, он создает высокий окислительный

215

потенциал раствора океанической воды, определяя активность окислительно-восстановительных процессов в водах и донных отложениях. Кислород и его соединения, содержащиеся в Ми­ ровом океане, оказывают огромное влияние на планетарный обмен веществ.

1. О РОЛИ МИРОВОГО ОКЕАНА В ПЛАНЕТАРНОМ ГАЗООБМЕНЕ

Несмотря на активный обмен газов между атмосферой и океаносферой, в каждой среде сохраняется постоянство соот­ ношения кислорода и азота. Если в атмосфере азота (по объ­ ему) в 4 раза больше, чем кислорода, то в океане — только в 2 раза. Такое различие объясняется тем, что растворимость кислорода больше, чем азота.

Насыщение вод газами находится в большой зависимости от температуры. Однако при этом остается постоянным соот­ ношение между основными газами. Так, при 25° в воде может раствориться до 4,9 см3/л кислорода и 9,1 см3/л азота, при 15° соответственно — 5,8 и 10,6 см31л, при 5°— 7,1 и 12,7 см3/л. В высоких широтах поглощается больше газов, чем в тропи­ ческих областях, воды здесь оказываются пересыщены газами.

В связи с изменением температуры возникает сезонная и суточная изменчивость газообмена. Зимой и ночью преобла­ дает поглощение газов водами Мирового океана, а летом и днем — выделение их в атмосферу.

Количество газов в водах Мирового океана кроме темпера­ туры зависит от жизнедеятельности растительных и животных организмов, биологической переработки и окисления мине­

океане выдерживается во всей толще его вод. В атмосфере, как известно, оно ограничено пределами тропосферы. Выше начи­ нается медленное уменьшение содержания кислорода. В стра­ тосфере кислород преобразуется в озон. Еще выше, под воз­ действием ультрафиолетовой радиации Солнца, молекулы кислорода и азота расщепляются на атомы, и потому оба газа находятся в атомарном состоянии. Таким образом, в пла­ нетарном газообмене, как и в других процессах обмена, глав­ ную роль играет тропосфера воздушной оболочки.

Общий объем газов, растворенных в Мировом океане, по

216

Рис. 52. Содержание кислорода, растворенного в воде (в мл/л), по мери­

диональному сечению Атлантического (вверху), Тихого (посередине) и Ин­ дийского (внизу) океанов (по средним широтным величинам).

217

данным А. П. Виноградова, равен 4,32-1024 см3, что примерно в 3 раза больше всего объема его вод (1,37-1024 см3).

Кислород, растворенный в водах Мирового океана, пол­ ностью обеспечивает активное развитие жизни и окисление всей массы органических и минеральных продуктов. Кроме того, остаются еще огромные его излишки. Наличие их и опре­ деляет возможность поддержания динамического равновесия в планетарном газообмене. Океаносфера способна восполнять недостаток газов в воздухе или поглощать их избыток, создаю­ щийся в процессе планетарного обмена. Мировой океан вы­ ступает в роли главного фактора, с которым связано установ­ ление динамического равновесия газообмена, а также постоян­ ство газового состава атмосферы и океаносферы. Такое равновесие все время нарушается в условиях сложного и дли­ тельного планетарного перераспределения масс, изменения ха­ рактера и интенсивности биохимических процессов, по-разному протекающих у поверхности Земли и в толще геосфер. «Океа­ ническая вода, — пишет А. П. Виноградов, — регулирует объем кислорода атмосферы и его изотопный состав, скорость про­ никновения кислорода (как и других газов) атмосферы и «но­ вого» кислорода из фотосинтезирующего слоя в океаническую воду, первоначальные и конечные объемы растворенного кис­ лорода. Иными словами, скорость вентиляции Мирового океа­ на, оборачиваемость кислорода, будучи изучены, еще глубже ■осветили бы историю формирования атмосферы» *.

Если кислород воздушной оболочки нашей планеты обра­ зовался в результате фотосинтетической деятельности расти­ тельности, океанические водоросли (и в первую очередь фито­ планктон) должны были сыграть в этом немалую роль.

Из всех газов, растворенных в водах Мирового океана, ■особенно хорошо изучен кислород. Определение его концентра­ ции делается в преобладающем большинстве океанографиче­ ских экспедиций. Исходя из постоянства соотношений основ­ ных газов, можно получить представление о тех закономернос­ тях, которые должны быть свойственны содержанию азота в океанических водах. Поле концентрации азота будет подобно полю кислорода при вдвое большем абсолютном его количе­ стве (по объему).

Значительно сложнее зависимость между растворенным

•кислородом и содержанием в океанических водах углекислого1

1 А. П. В и н о г р а д о в . Введение в геохимию океана.

М., «Наука», 1967, стр. 76.

218

газа. В отличие от других газов углекислота входит в химиче­ ское взаимодействие с водой. Образующаяся при этом двух­ основная угольная кислота и продукты ее диссоциации соз­ дают химически консервативную буферную систему, обеспечи­ вающую стабильность жизни морских организмов. В резуль­ тате переработки углекислоты растениями создается органическое вещество. Этот процесс лежит в основе всей пи­ щевой цепи. По данным А. П. Виноградова, в Мировом океане ежегодно фиксируется 1012 тонн углерода; общая же его масса оценивается в 3,6-1013 тонн, тогда как в атмосфере 6,3-1011 тонн.

Углекислота необходима и для образования известковых скелетов и панцирных покровов животных организмов. После их отмирания углекислый кальций, растворяясь в воде, вовле­ кается в планетарный обмен. Реками в океаны и моря еже­ годно выносится около 109 тонн СаСОз, которые затем пере­ ходят в донные отложения. Основную массу известковых осад­ ков дают скелетные остатки морских животных, почти целиком представленных планктонными организмами. Эти осадки ши­ роко распространены в низких широтах, где воды пересыщены углекислым кальцием и потому около половины его может пе­ рейти во взвеси; пересыщение достигает иногда 300%- В кар­ бонатных осадках ежегодно накапливается около 109 тонн углекислоты, которая затем снова может перейти в раствор.

Впроцессе геологических преобразований известковые по­ роды (создающиеся на дне океанов и морей) попадают на су­ шу, где, растворяясь дождевыми, речными и подземными во­ дами, снова вовлекаются в планетарный круговорот.

Ватмосфере содержится 2,6-1012 тонн углекислого газа, что по объему ко всей воздушной оболочке составляет только 0,03%. В Мировом океане растворено примерно в 60 раз боль­

ше углекислого газа.

В процессе ветрового перемешивания водь; углекислота из атмосферы попадает в океан. Однако количество ее в поверх­ ностных слоях невелико благодаря интенсивному поглощению растениями (преимущественно фитопланктоном). Содержание углекислоты, постепенно увеличиваясь с глубиной, достигает максимальных значений в придонном слое полярных областей. Наиболее интенсивно поглощаясь холодными водами, углекис­ лота переносится образующимися в высоких широтах водными

219

пические области. Время пребывания СОг в атмосфере состав­ ляет около 5 лет» *.

Озон и углекислота, а также водяные пары атмосферы, сво­ бодно пропуская коротковолновую солнечную радиацию, за­ держивают длинноволновое тепловое излучение Земли. С из­ менением их содержания связано потепление и похолоданиена нашей планете.

Количество углекислого газа находится в зависимости и от хозяйственной деятельности людей. В результате сжигания органического топлива и сокращения лесных массивов в пос­ леднее время в воздух ежегодно добавляется около 1010 тонн углекислого газа. Высказываются предположения, что к концу текущего века указанная цифра возрастет в 5 раз. Концентра­ ция углекислоты повысится на 30%, что приведет к росту средней температуры атмосферы на 1° в столетие. Это близко* к действительному ее увеличению, наблюдавшемуся в XX веке.

Г. Н. Плассом 21 было подсчитано, что при дальнейшем раз­ витии промышленности количество углекислоты в атмосфередойдет до 0,3%, то есть увеличится в 10 раз по отношению к современному уровню. Средняя температура воздуха может подняться примерно на 12°. Однако в результате поглощения углекислоты Мировым океаном через несколько тысяч лет установится новое динамическое равновесие в планетарном газообмене. После этого содержание углекислого газа в воз­ духе снизится до 0,11%, оставаясь все-таки в 4 раза больше современного. Средняя температура воздуха повысится на 7°. Насколько это велико, можно судить по тому, что понижение средней температуры на 4° достаточно для наступления новой эпохи оледенения.

Расчеты Г. Н. Пласса весьма ориентировочны. Более точныеоценки последствий, к которым может привести изменение планетарного газообмена, пока невозможны. Однако сама по­ становка вопроса представляет немалый интерес, особенно в- отношении воздействия хозяйственной деятельности человека на природу. На примере углекислого газа видно, что это влия­ ние становится не только сопоставимым с масштабами при­ родных процессов, но и способно существенно его перерасти. А ведь надо считаться еще и с тем, что технический прогресс изменяет атмосферу не только за счет углекислоты. Только за

1 А. П. В и н о г р а д о в . Введение в геохимию океана,

стр. 6S.

2 См. его работу, опубликованную в сб. «Солнечная актив­ ность и изменение климата». М., Гидрометеомздат, 1966.

220

•один трансатлантический перелет реактивного самолета, по

.данным, приводящимся в печати, сжигается от 5 до 35 тонн кислорода. Общее его потребление в результате многочислен­ ных полетов, совершающихся на всем земном шаре, настолько значительно, что это возбудило опасение в возможности воз­ никновения дефицита кислорода в атмосфере. Появились вы­ сказывания и по поводу того, что выброс самолетами свинца и высокооктановых продуктов распада может повлечь в ко­ нечном счете к таким цепным реакциям, в результате которых произойдет разрушение озонового экрана, защищающего био­ сферу от космической радиации.

По мере уточнения наших представлений о газообмене по­ явится возможность более правильной оценки современного и последующего влияния человека на содержание и изменение

•обращения газов в атмосфере и океаносфере. Такие данные необходимы для принятия контрмер. Вместе с тем они должны выть учтены при определении дальнейших перспектив разви­ тия техники и промышленности.

2. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОЛЯ КИСЛОРОДА МИРОВОГО ОКЕАНА

Представления о поле кислорода во всем Мировом океане удалось впервые получить благодаря тому, что появилась воз­ можность построить карты его содержания по тем же харак­ терным глубинам, которые были выбраны для рассматривае­ мых здесь физико-химических элементов (рис. 53 — 55). Кар­ ты были составлены по просьбе автора, с его участием, Л. С. Фоминой. Для этого использовались материалы и карты, при­ веденные в монографиях А. М. Муромцева и работе А. М. Чер­ няковой. Кроме того, для выявления закономерностей, свой­ ственных полю кислорода, привлекались меридиональные профили, построенные по отдельным океанам (рис. 52) по средним широтным данным (табл. 25—27)

Содержание кислорода в океанических водах определяется интенсивностью развития физических и биохимических процес­ сов. К первым относится газообмен между океаносферой и1

1 Меридиональные разрезы, построенные по определениям, выполненным во время Международного геофизического года, приводятся в статье автора, написанной совместно с В. А. Некрасовой и опубликованной в сб. «Океанологические иссле­ дования», '1963, № 8.

221

Т а б л и ц а 26

Средние широтные величины содержания кислорода в воде на различных глубинах в Индийском океане

Глубина, м