
img-503161453
.pdfОсновной причиной анаэробных условий в море является отсут ствие достаточно сильной вертикальной циркуляции и водообмена поверхностных вод с глубинными при наличии высоких градиентов плотности. В этих условиях потребление растворенного кислорода не компенсируется поступлением его с поверхности. Возникнове нию анаэробных условий на поверхности моря способствует сброс в море промышленных сточных вод, содержащих большие концен трации легко окисляющихся ве ществ.
Основным источником возник новения сероводорода в море яв ляется биохимическое восстанов ление сульфатов (десульфатизация), протекающее под воздей ствием анаэробных бактерий. Другой источник появления серо
водорода — выделение |
сероводо |
рода при разложении |
остатков |
организмов за счет серы, входя щей в состав органических ве ществ.
В открытом океане, где венти ляция придонных вод достаточно’ интенсивна, сероводород почти не наблюдается. Незначительное ко личество сероводорода отмеча ется только в придонных слоях северо-западной части Индий-
1600 -
Рис. 12. Вертикальный ход серо водорода и кислорода в Черном море (май 1966 г., НИС «Мгла»).
ского океана, в Алантическом океане (впадина Карьяко), Кас пийском море, в глубоких фиордах Норвегии.
Случаи временного возникновения анаэробных условий при от сутствии вертикального перемешивания (во время длительной штилевой погоды, при наличии ледяного покрова и пр.) и накоп ления сероводорода наблюдаются в Балтийском и Азовском морях.
Наиболее ярко проявляется восстановление сульфатов в глу бинных слоях Черного моря, вертикальная циркуляция которого очень замедленна (150—200 лет) и недостаточна для вентиляции глубинных вод. Препятствием для проникновения кислорода вглубь является высокая устойчивость слоев, обусловленная до вольно резким скачком плотности на глубинах 60— 100 м. Поэтому весь бассейн моря от глубины 150—200 м и до дна заражен серо водородом, содержание которого достигает 7 мл/л (рис. 12).
61
|
|
Вопросы для обучения и самоконтроля |
|
||
|
|
Карточка № |
14 |
|
|
|
|
Растворенные газы и pH |
|
||
|
|
Вопросы |
|
Элементы ответов |
|
|
|
|
|
С 02 |
|
|
|
|
|
отсутствием |
|
1. |
Каковы источники: |
|
речной сток |
|
|
|
а) поступления кислорода, |
|
биохимические процессы |
||
|
б) |
расхода кислорода ? |
|
распад органических остатков |
|
|
|
|
|
турбулентного |
и конвектив |
2. Чем обусловливается обогащенность глу |
|
ного перемешивания |
|||
|
бинных вод кислородом ? |
|
фотосинтез |
|
|
|
|
|
9 |
восстановление сульфатов |
|
3. Каковы основные источники: |
увеличивается содержание |
||||
10 |
вертикальной циркуляции |
||||
|
а) |
прихода двуокиси углерода, |
11 |
анаэробные условия |
|
|
б) |
потреблений двуокиси углерода ? |
|||
|
12 |
дыхание организмов |
|||
|
|
|
|||
|
|
|
13 |
наличием |
|
4. Каковы условия, необходимые для по |
14 |
окислительные процессы |
|||
|
явления сероводорода ? |
15 |
сброс промышленных и сточ |
||
|
|
|
16 |
ных вод |
|
5. |
Как |
изменяется pH с глубиной ? |
уменьшается, |
так как |
|
|
|
|
17 |
дегазация мантии |
|
|
|
|
18 |
недостаток кислорода |
|
|
|
|
19 |
переход в атмосферу- |
|
|
|
|
20 |
из атмосферы |
|
§ 4. Понятие о карбонатном равновесии
Карбонатно-кальциевая система основного солевого состава морских вод является наиболее подвижной его частью. Подвиж ность этой системы обусловливается одновременным существо ванием в воде гидрокарбонатных (НСО~), карбонатных (СО2-)
ионов, недиссоцинрованных молекул угольной |
кислоты (Н2С 0 3), |
двуокиси углерода (С 02), ионов водорода (Н+) |
и кальция (Са2+). |
Все это составляет равновесную карбонатную систему, в которой
взаимосвязь компонентов |
можно представить |
следующей схемой: |
|||
С 0 2+ Н 20 |
Н2С 0 3 |
Н + + |
НСОз“ |
Н+ + |
С О з~ СаС 03. |
Равновесие |
этой системы |
легко |
нарушается происходящими |
в водоеме процессами фотосинтеза, дыхания и разложения орга нического вещества, в результате чего выделяется в воду или по глощается из воды большое количество свободной С 0 2. На соот ношение различных форм двуокиси углерода в морской воде также оказывает влияние и атмосфера, из которой при определенных ус ловиях поглощается или куда выделяется из воды С 0 2.
62
Так, увеличение двуокиси углерода способствует растворению
карбоната кальция и увеличению количества гидрокарбонатных ионов:
СОз -I-H2O -)- СО2 2НСОз,
или
со!~+н+^нсог.
Наоборот, уменьшение С 0 2 вызывает растворение гидрокарбо натных ионов и увеличение концентрации карбоната кальция до выпадения его в осадок:
НС0з_ + 0 Н _ = С 0 з _ + Н 2 0 ,
Са2++ С 0 з " = СаС 03.
Таким образом, равновесие карбонатной системы в морской воде зависит от двух условий: с одной стороны, от концентрации двуокиси углерода, с другой — от концентрации С 0 32~. При соблю дении этих двух условий карбонатная система стабильна, в про тивном случае равновесие нарушается и создается недосыщёние или пересыщение С аС 03 с переходом в осадок его избытка.
Степень насыщенности воды карбонатом кальция в Мировом океане колеблется в широких пределах, потому что факторы, влия ющие на нее, многообразны и различны в пространстве.
В поверхностных слоях океана наблюдается пересыщение или
состояние, близкое |
к насыщению карбонатом кальция, особенно |
в низких широтах |
(до 300%). Этому способствуют более высокие |
температуры, испарение, усиленный фотосинтез, вызывающие уменьшение С 0 2, а следовательно, и увеличение С 0 32_.
Изменение насыщенности воды карбонатом кальция с глуби ной еще мало изучено. В промежуточной зоне в слое кислородного минимума соответственно увеличению двуокиси углерода наблю дается ненасыщенность воды карбонатом кальция. Глубже 1500 м вода близка к насыщению СаСОз, но на глубинах свыше 4000 м опять наблюдается недосыщение вследствие возросшего гидроста тического давления, способствующего повышению растворимости карбоната кальция.
Таким образом, в Мировом океане существуют области, выде ляющие СаСОз в осадок, и области, растворяющие карбонат каль ция. Областью образования карбонатов является верхняя зона низких и частично средних широт. Выделяющийся здесь твердый СаСОз образует на глубинах менее 4000 м донные карбонатные отложения. При больших глубинах опускающиеся частицы карбо ната кальция вновь подвергаются растворению.
Следовательно, |
громадные количества С аС 03, |
приносимые ма |
|
териковым |
стоком |
в поверхностные области океана, выпадают |
|
в осадок, |
образуя |
донные отложения карбоната |
кальция. |
63
§ 5. Щ е л о ч н о с т ь м о р с к о й |
во д ы |
||
Под щелочностью |
(A ik1) |
морской воды |
понимается концентра |
ция анионов слабых |
кислот: |
угольной (НСО~, С 0 2“ ), борной |
(Н2ВО~) и фосфорной (НРО^“, НгРО“ ), выраженная в эквива
ленте угольной кислоты (мг-экв/л).
Карбонатная щелочность — часть щелочности, образуемая гид рокарбонатным и карбонатным ионами (А1ккарб) •
Боратная щелочность — часть щелочности, создаваемая анио ном борной кислоты (А1кв).
Таким образом, общая щелочность морской воды определяется суммой карбонатной и боратной щелочности:
Aik = [НСОз~] + 2 [C O t] + [Н2ВОз~] = А 1ккарб+ А 1 кв.
Величина А1кв значительно меньше, чем А1ккарб, поэтому сум марная щелочность в основном зависит от содержания ионов угольной кислоты, которая определяется концентрацией С 0 2 в мор
ской воде. |
|
|
|
|
|
Общая |
щелочность |
зависит от солености, |
С 0 2 и pH, т. |
е. |
уве |
личивается |
с повышением С 0 2, солености и |
с уменьшением |
pH. |
||
Общая |
щелочность |
в открытых частях океана колеблется |
в пре |
делах 2,0—2,5 мг-экв/л. В опресненных участках океана и среди земных морях величина щелочности меняется в более широких пределах, так как здесь на изменение щелочности влияет матери
ковый сток, |
главной |
составной частью |
которого |
является ион |
||
нсо- |
|
|
|
|
|
|
Высокая |
щелочность характерна |
и для внутренних |
морей — |
|||
Каспийского |
и Аральского, находящихся |
всецело |
под |
влиянием |
||
материкового стока. |
Так, если для |
Баренцева моря Aik состав |
ляет 2,38 мг-экв/л, что соответствует норме, то в полуизолированном Черном море щелочность на поверхности в среднем уже 3,14, а в сильно опресненном Таганрогском заливе Азовского моря до стигает 3,32 мг-экв/л.
Величина |
щелочности вместе с |
водородным показателем pH |
|||
служит для |
расчетов |
форм |
угольной кислоты, содержащейся |
||
в море, и для расчета баланса углекислоты. |
|||||
Кроме |
абсолютной |
величины щелочности, в океанологической |
|||
практике |
широкое распространение |
получили щелочные коэффи- |
|||
|
|
|
„ |
„ |
Aik мг-экв/л |
циенты: щелочно-соленостныи |
Л8 = |
------- ™-----------Ю4 и особенно |
|||
|
|
„ „ |
Aik мг-экв/л |
•Ь /оо |
|
|
|
|
|||
щелочно-хлорный Л а = |
-------^ г ,----------Ю4. |
||||
|
|
|
С1%о |
|
Щелочной коэффициент имеет большое значение как показа тель опреснения океанской или морской воды материковым стоком.
Alkalinity — щелочность (англ.).
64
На величину щелочного коэффициента практически не оказы вают влияние атмосферные осадки, таяние льда или испарение, так как при этом разбавление или концентрирование воды в рав ной мере изменяют величину как числителя, так и знаменателя в от-
. |
Aik |
. |
Aik |
’ В РезУльтате чего оно не ме' |
ношении As = |
—— или Aci = — |
няется. Вторжение материковых вод, богатых карбонатами, будет, с одной стороны, вызывать понижение солености, а с другой—’Из менять абсолютное содержание щелочности, характерное для от крытой части моря. В результате щелочной коэффициент будет увеличиваться, и тем больше, чем интенсивнее действие матери кового стока. Так, если для Баренцева моря, имеющего хороший водообмен с океаном, Aci= 1230, то для Черного моря он уже 1720, для Азовского моря 4000, а в Таганрогском заливе Азовского моря 8000—20 000 и даже 134 000 (в предустьевой зоне р. Дона).
С глубиной щелочной коэффициент, как правило, увеличива ется, наименьшие его значения — в поверхностном слое.
§ 6. Биогенные вещества
Из многочисленных компонентов ионного состава, представлен ных в морской воде в малых количествах, особо важное значение имеют соединения фосфора, азота и кремния. Без этих элементов в воде, как и в почве, не могли бы развиваться жизненные про цессы. Распределение соединений фосфора, кремния и азота опре деляет биологическую продуктивность моря и кормовую базу про мысловых рыб, поэтому соединения этих веществ называют био генными веществами.
Как показывает само название, существование биогенных эле ментов в воде тесно связано с жизнью морей и океанов, так как они являются составными частями тканей каждого живого орга
низма.
Цикл круговорота биогенных веществ, начатый в процессе фо тосинтеза, заканчивается разложением морских растений и жи вотных. В результате биогенные вещества переходят из органиче ских в неорганические соединения (рис. 13). Этот процесс пере хода биогенных веществ из сложных органических соединений в минеральные формы называется регенерацией.
Прямая регенерация органического вещества в океанах — про цесс построения растениями органического вещества из веществ, выделяемых при деструкции органического вещества и используе мых растениями, без их дальнейшего распада.
В результате прямой регенерации морским растением быстро возвращается часть усвоенных ранее биогенных веществ. Процесс прямой регенерации протекает непосредственно в зоне фотосин теза, а пределы глубины распространения прямой регенерации оп ределяются положением скачка плотности, который в свою оче редь определяет глубину сезонных конвективных перемешиваний.
5 Заказ № 364 |
65 |
Рис. 13. Круговорот веществ в Мировом
Непрямая регенерация органического вещества в океанах —
процесс построения растениями органического вещества из ве ществ, выделяемых при деструкции сложных органических ве ществ и используемых растениями лишь после их дальнейшего распада.
Этот процесс распада органического вещества на биогенные элементы протекает, на больших глубинах, ниже зоны конвектив ного перемешивания, и достигает дна. Поэтому обратный переход биогенных веществ в сложные органические соединения возможен только при поднятии их из глубинных слоев в зону фотосинтеза.
Таким образом, биогенные вещества как продукт жизнедея тельности или распада органической жизни попадают в две раз ные зоны океана: поверхностную продуктивную, где цикл регене-
Рис. 14. Изменения плотности планктона на меридиональном разрезе Атлантического океана (по Л. А. Зенкевичу). Зоны повышенного (1) и пониженного (2) содержания биогенных веществ.
рации протекает быстро (прямая регенерациия), и глубинную'зону с замедленной регенерацией (непрямая регенерация), где происхо дит аккумуляция биогенных веществ.
Постоянное пополнение биогенными веществами зоны фотосин теза (где происходит его усвоение фитопланктоном) осуществля ется в результате динамики водных масс. Особенно большое зна чение для обогащения верхней зоны биогенными элементами имеют турбулентные потоки в районе подъема глубинных вод. при систематических сгонных явлениях в прибрежных зонах и в об ластях дивергенции.
Увеличение в поверхностных водах количества биогенных эле ментов вызывает в этих областях сильное развитие фитопланк тона, обусловливающее богатство других форм животной жизни
(рис. 14).
Концентрация биогенных веществ в океане изменяется в до
вольно широких пределах в |
зависимости от соотношения интен |
||
сивности процессов потребления и воспроизводства. |
|
||
Соединения фосфора. Фосфор в |
морской воде |
содержится |
|
в виде иона ортофосфорной |
кислоты |
(минеральный |
фосфор) и |
ввиде соединений в органическом веществе (органический
фосфор).
Учитывая многообразие и сложность форм соединений фосфора в океане, более удобно выразить его концентрацию в пересчете
5* |
67 |
на элементарный фосфор в мкг Р/л:
Робщ==Рнеорг~1- Рор1-
Все формы содержания фосфора в океанической воде тесно связаны между собой и в зависимости от конкретных условий пе реходят из одной в другую. Например, ортофосфорная кислота Н3РО4 в водном растворе может диссоциировать по трем сту пеням:
Н3Р 0 4^ Н + + Н 2Р 0 4“
Н2Р 0 4^ Н + + Н Р 0 4~,
НР 0 4 ~ ^ Н + + Р 0 4“ .
Вводах океана содержание фосфора колеблется в широких пределах — от 0 до 100 мкг Р/л — и зависит в каждом отдельном районе от соотношения прихода и расхода фосфора в данный мо мент.
П р и х о д ф о с ф о р а . Основным источником поступления фосфора в морскую воду является минерализация органических остатков.
При отмирании организмов сложные органические вещества, входящие в состав тканей и клеток, постепенно разлагаются на более простые продукты. В конечном итоге происходит полная минерализация органических веществ и регенерация минеральных соединений фосфора.
.к.В торой источник поступления фосфора в воду— материковый сток. Материковые воды содержат фосфор в виде органического фосфора и фосфора в минеральных взвесях. Ежегодно реки выно сят значительное количество фосфора (до 300— 1000 тыс. т в год), что имеет существенное значение для морей и приустьевых райо нов океана.
Р а с х о д ф о с ф о р а . Основной процесс, уменьшающий содер жание фосфора в морской воде,— это потребление его фитопланк тоном. Скорость потребления, происходящего в основном в слое от 0 до 50 м, иногда до 100 м, зависит от интенсивности фотосин теза. Таким образом, потребление фосфора происходит в основном в верхнем продуктивном слое, где фосфаты необходимы для раз вития растений.
В е р т и к а л ь н о е р а с п р е д е л е н и е . Распределение фос фора в океане определяется процессами потребления фосфора и его регенерации (непрямой и прямой). Концентрация фосфора в по верхностном слое (0—50 м) вследствие его интенсивного потреб ления фитопланктоном меньше, чем в глубинных слоях. С глуби ной содержание фосфора увеличивается и, быстро возрастая в слое
скачка плотности (200—300 |
м), достигает максимума в слое кис |
|
лородного минимума на |
глубинах 500— 1200 |
м (рис. 15, 16). |
С дальнейшим увеличением глубин содержание |
фосфора изменя |
|
ются незначительно. |
|
|
68
м г - am Р/м3 |
мг-ат Si/м3 |
|
|||
100 |
2 0 0 |
3 0 0 |
4 0 0 |
5 0 0 |
6 0 0 |
Рис. 15. |
Распределение фосфатов, нитратов |
и кремния в |
Атлантическом |
|
|
|
океане. |
|
|
Ф осфаты |
(/) и нитраты (2) — по |
Г. Свердрупу и |
М. Д жонсону, |
кремний (3) — по |
|
наблю дениям |
Н И СП «П ассат», |
август 1971 г. |
|
Рис. 16. |
Распределение фосфора (мкг/л) в Атлантическом океане на разрезе |
по |
15° з. д. (НИС «Михаил Ломоносов», август—ноябрь 1963 г.). |
Наличие ясно выраженного максимума фосфатов в слое кисло родного минимума можно объяснить теми же причинами, что и минимум кислорода, т. е. разложением остатков организмов, при котором потребляется кислород и выделяются биогенные вещества.
Тесная связь между фосфором и фитопланктоном определяет суточный и сезодный ход фосфора в верхнем деятельном слое моря. Он характеризуется максимальным содержанием фосфора в ночное время и минимальным в дневное (рис. 17). В весенне летний период, в пору интенсивного развития фитопланктона, со держание фосфора уменьшается зачастую до аналитического нуля. Осенне-зимний период характерен повышенным содержанием фос фатов.
О2% Р м к г / л
Рис. 17. Суточный ход фосфатов и кислорода на поверхности Атлан
тического океана |
(НИСП |
«Пассат», 10— П сентября 1971 г.). |
|
/ — кислород, 2 — фосфаты . |
|
Соединения азота. |
Азот в |
морской воде содержится в виде |
ряда неорганических и органических соединений. Неорганические соединения азота представлены нитратными ионами NO3", нитрит-
ными N 0 7 и ионами аммония NH4V В' органических соединениях азот находится главным образом в составе белка тканей организ мов и продуктов его распада. Обмен азота между его неорганиче скими и органическими формами и живыми организмами является основным фактором, определяющим его содержание. Обмен азота
осуществляется при |
двух противоположно направленных |
процес |
с а х —-фотосинтезе |
(построение органического вещества) |
и рас |
паде органического вещества. |
|
Азот усваивается фитопланктоном в процессе фотосинтеза и
входит в состав растительных организмов, а при поедании их |
жи |
|
вотными— в |
состав животных организмов. Регенерация азота |
из |
органических |
соединений в минеральные формы происходит |
при |
биохимическом распаде |
органического вещества (непрямая реге |
|
нерация) и в процессе |
распада нестойких |
органических остатков |
и продуктов жизнедеятельности организмов |
(прямая регенерация). |
Прямая регенерация происходит сравнительно быстро преимущест венно в зоне фотосинтеза.
70