Лекции по естественной географии
Плотность воды находится в тесной зависимости от температуры и
солености; она повсеместно возрастает с глубиной. Средняя плотность
поверхностных вод Мирового океана при Т=20оС и солености 35( составляет
1,02474 г/см3 (она выше плотности речных вод). Охлаждаясь, вода тяжелеет.
При той же солености, но при Т=2оС ((1,028 г/см3. Давление с глубиной
возрастает примерно на 104 Па (0,1 атм.) при погружении на каждый метр.
Давление также увеличивает плотность воды. На глубине 5 км плотность уже
составляет 1,050 г/см3.
На больших глубинах, в связи с высоким давлением, усиливается
растворяющее действие воды, поэтому попадающие туда из верхних слоев воды
минеральные тела и органические остатки в той или иной степени растворяются
и исчезают.
Океанские воды характеризуются определенным химическим составом и
соленостью (табл.2). Соленый вкус - самая характерная особенность морской
воды. Большая часть растворенного в морской воде вещества составляет
хлористый натрий. Перепад в концентрации соли между солеными водами океана
и солоноватыми водами устьевых участков рек и болот на побережье морей
характеризуется резко выраженными фаунистическим и флористическими
границами. Соленость представляет собой общее количество растворенного в
морской воде вещества. Если говорить точнее, то соленость следует понимать
как «общее количество твердых веществ в г/кг морской воды при условии, что
все карбонаты переведены в оксиды, бром и йод замещены хлором и все
органическое вещество окислено». Обычно соленость в океанах составляет
34,69 г/кг, или 34,69(. В зависимости от ряда условий (сильная испаряемость
воды, ее опреснение, большой привнос солей речными водами, изолированность
от океана) соленость воды может быть выше или ниже нормальной. Так, в
Красном море (под влиянием сухих ветров и сильного испарения) соленость
воды составляет 41-43(, в Средиземном море - 37-39(, в Балтийском море у
проливов 20(, а в Финском заливе вблизи устья Невы - всего 2(.
Воды океана содержат почти все известные химические элементы и их
изотопы. Общее количество солей, растворенных в воде океанов, составляет
5(1016 т. Мировой океан постоянно пополняется солями, преимущественно за
счет их выноса материковым стоком. Ежегодно реки выносят в океан примерно
2,5(109 т солей. Потери же соли в океане происходят при испарении (когда
соль выпадает в осадок) и разбрызгивании воды под действием приливной
деятельности в береговой зоне.
Солевой состав океанических и речных вод
Таблица 2
|Химические вещества |Воды океанов, |Речные воды, |
| |% |% |
|Хлориды - NaCl, MgCl2 |88,7 |5,2 |
|Сульфаты - Mg(SO4), Ca(SO4), K2(SO4)|10,8 |9,9 |
|Карбонаты - Ca(CO3) |0,3 |60,1 |
|Прочие вещества |0,2 |24,8 |
Карбонаты, кремнезем и некоторые другие вещества широко извлекаются из
воды морскими организмами на построение скелета. Поэтому солевой состав
океанических вод резко отличается от состава речных вод (см.табл.2).
В табл.3 приводится концентрация отдельных компонентов (элементов)
солей океанической воды.
Примерно до 1955 г. соленость измеряли, определяя количество ионов
хлора в единице массы воды. Полученное таким образом значение «хлорности»
(Cl) вводили в эмпирическую формулу для расчета солености (S):
S=1,80655(Cl. Эта формула исходит из допущения, что относительное
содержание различных солей, растворенных в морской воде, постоянно.
Многочисленные анализы показывают, что, за исключением незначительных
отклонений в концентрации кальция, это действительно так. Указанная
зависимость остается верной примерно до значения (0,002( общей солености;
этим же значением ограничивается точность метода химического анализа путем
титрования.
Компонентный состав океанской воды
Таблица 3.
|Компонент |Концентрация |Компонент |Концентрация |
| |(г/кг) | |(г/кг) |
|Хлор |19,353 |Бикарбонат |0,142 |
|Натрий |10,760 |Бром |0,067 |
|Сульфат |2,712 |Стронций |0,008 |
|Магний |1,294 |Бор |0,004 |
|Кальций |0,413 |Фтор |0,001 |
|Калий |0,387 | | |
Соленость приходится определять очень тщательно, т.к. ее величина мало
изменяется на огромных морских просторах, за исключением некоторых
изолированных внутренних или окраинных бассейнов, часть из которых
упомянута выше. Тем не менее считается, и не без основания, что небольшие
различия в солености вод контролируют направления и скорость их циркуляции.
Например, соленость придонных вод в Тихом океане меняется примерно от
34,70( в южной части до 34,68( к 40ос.ш. Это небольшое изменение поддается
объяснению, если предположить, что придонная вода движется в северном
направлении и разбавляется менее соленой водой из вышерасположенных слоев.
Морской лед, в отличие от морской воды, имеет принципиально иную
соленость, что объясняется спецификой образования морского льда. Как
известно, температура замерзания понижается по мере увеличения солености. В
диапазоне солености от 30 до 35( точка замерзания меняется от -1,6оС до
-1,9оС. Механизм образования морского льда можно представить как замерзание
пресной воды с вытеснением солей в ячейки морской воды внутри толщи льда.
Когда температура достигает точки замерзания, образуются ледяные кристаллы,
которые «окружают» незамерзшую воду. Незамерзшая вода обогащается солями,
вытесненными кристаллами льда, что приводит к дальнейшему понижению точки
замерзания воды в этих ячейках. Если кристаллы льда не полностью окружат
обогащенную солями незамерзшую воду, она будет опускаться и смешиваться с
нижележащей морской водой. Если процесс замерзания растянут во времени, то
почти весь обогащенный солями рассол уйдет из льда и его соленость окажется
близкой к нулю. При быстром замерзании большая часть рассола захватится
льдом и его соленость будет почти такой же. Как и соленость окружающей
воды. В большинстве случаев соленость морских льдов находится в диапазоне
от 2 до 20(, причем более старый лед имеет в среднем более низкую
соленость. Причина этого состоит в том, что опреснению старого льда
способствовало неоднократное таяние и замерзание при изменениях температуры
воздуха. При достаточно низкой температуре начинает кристаллизоваться сам
раствор солей. Na2(SO4) кристаллизуется при -8,2оС, а NaCl - при -23оC.
Прочность морского льда из-за сложной картины распределения солевых
ячеек и его частично двухфазного состава в три раза уступает прочности
пресноводного льда той же толщины. Однако старый морской лед с очень низкой
соленостью или лед, образовавшийся при температуре ниже точки
кристаллизации хлорида натрия, не уступает по прочности пресноводным льдам.
Кроме солей, в воде растворены и некоторые газы: азот, кислород,
углекислый газ и др. Между гидросферой и атмосферой в планетарном масштабе
существует постоянный газовый обмен и динамическое равновесие. Но
соотношение между газами в водах Мирового океана и атмосферы далеко не
одинаковое. Так, в водах азота в два раза меньше, чем в атмосфере, а
кислорода в 1,4 раза больше. Это объясняется лучшей растворимостью в воде
кислорода, чем азота. Насыщенность вод газами в значительной мере зависит
от температуры: чем выше температура воды, тем ниже растворимость газов. По
этой причине воды высоких широт более насыщены газами. Газовый состав
океанских вод зависит также от циркуляции вод, жизнедеятельности
организмов, биохимических процессов, подводного вулканизма, ветрового
перемешивания воды и прилегающих слоев атмосферы. В застойных бассейнах или
в тех частях толщи воды, где циркуляция ее ослаблена или полностью
отсутствует, содержание кислорода резко уменьшается, начинают проявляться
восстановительные процессы, что приводит к образованию сероводорода.
Примером зараженного сероводородом бассейна может служить Черное море, где
ниже 170 м и до самого дна сероводород содержится во всей массе воды.
Циркуляция океанских вод зависит главным образом от двух факторов:
плотности воды и влияния ветра. Более плотные массы воды высоких широт
направляются к низким широтам. Вместе с тем, пассатные и другие ветры
