Дыхание океана

Молекулярный (ламинарный) пограничный подслой играет важную роль в обмене океана с атмосферой не только энергией, но и веществом. Исключительно важен для жизни океана и биосферы газовый обмен - кислородом и углекислым газом, т. е. дыхание океана.

Аналогично уравнению скорости изменения температуры (50) можно получить и уравнение скорости изменения концентрации вещества. Для этого коэффициент температуропроводности μ заменим на коэффициент молекулярной диффузии D. Из условия стационарности следует, что распределение концентрации вещества в молекулярном подслое имеет вид прямой линии. Поэтому поток вещества через этот подслой описывается простым уравнением (положительное - направление вниз):

(68)

где с⁰, с^* и с_а - концентрация вещества соответственно на внешней границе (с воздухом), на внутренней (нижней) границе подслоя и в атмосфере, α - коэффициент растворимости вещества, Е - некий интегральный коэффициент, отражающий влияние на поток q превращений вещества в результате химических и биохимических реакций, δ - по-прежнему толщина пограничного подслоя, параметр K_d = D/δ называют по разному: коэффициентом обмена, массопереноса, а химики иногда коэффициентом скорости диффузии.

Поскольку коэффициент молекулярной диффузии значительно (почти в 100 раз) меньше коэффициента температуропроводности, можно ожидать, что толщина молекулярного пограничного подслоя, определенная по диффузии вещества, окажется меньше, чем определенная по температурным микропрофилям. Таким образом, холодная однородная пленка включает в себя микрослои различной толщины - от мо-лекулярно-диффузионного подслоя толщиной, по современным оценкам, порядка 10⁵ молекулярных диаметров до аномального автоадсорбционного, структурно упорядоченного слоя воды толщиной порядка 10 молекулярных диаметров и мономолекулярной, толщиной в один молекулярный диаметр, пленки адсорбированных ПАВ.

Непосредственно измерить толщину δ диффузионного подслоя не удается. Но радиоизотопная техника позволяет сравнительно просто определить численное значение множителя ЕК_d в уравнении (68). Тогда, если считать, что Е=1, легко определить толщину подслоя δ = D/EK_d, так как известны значения коэффициента диффузии D кислорода, С0₂ и других веществ. Однако оказалось, что не всегда можно принимать Е=1. Для С0₂, например, Е может достигать 5-10, а максимально возможное его значение (в озерах), как показано теоретически, составляет 21. Эту трудность стали обходить, исиользуя вместо ¹⁴С изотопы инертных газов радон-222 и гелий-3, для которых заведомо Е=1.

В зависимости от перемешивания, скорости ветра и характера волнения (состояния поверхности) толщина подслоя оценивается 0,01 - 1 мм, а в среднем 0,1 мм. Измерения в Тихом океане [Peng е. а., 1974] (высокие коэффициенты турбулентной диффузии) привели к оценке δ = 0,02 мм, а в озерах (слабое перемешивание) δ = 0,8 мм. Оказалось, что толщина подслоя уменьшается пропорционально квадрату скорости ветра над водной поверхностью (на высоте 10 см).

Хотя толщина диффузионного подслоя, как мы видим по этим оценкам, мала, можно полагать, что в действительности она еще на порядок меньше. Эти сомнения в точности оценок δ связаны с тем, что величины коэффициентов молекулярной диффузии D определяют для «объема» воды, а в пограничном подслое условия совсем иные. Основная сложность, по мнению Р. Хорна [1972], возникает из-за структурной упорядоченности воды в тончайшем пограничном слое, которая должна резко замедлять диффузию. Рассчитывать эту поправку пока не удается, однако Р. Хорн считает, что оценки скорости диффузии и, следовательно, толщины диффузионного подслоя завышены в 10 раз. Тогда толщина подслоя должна составлять 0,001 - 0,1 мм и в среднем всего лишь 0,01 мм. Когда с этим размером становится сопоставима толщина пленки загрязнения поверхности нефтью и маслами (больше 0,001 мм), она начинает заметно влиять на скорость обмена газами между океаном и атмосферой, и при толщине слоя машинного масла, на порядок превышающей максимальную толщину диффузионного подслоя δ, т. е. 1 - 2 мм, кислород через эту пленку совсем не проникает. Некоторые ПАВ вдвое понижают скорость массопереноса газов при почти мономолекулярной пленке загрязнителя. Еще недавно этот эффект использовали (применяли цетиловый спирт), чтобы уменьшить испарение или уничтожить личинки комаров в малых водоемах, но общие экологические последствия оказались плохими.

Все немногочисленные пока определения потока О₂ и СО₂ через пограничный подслой в океане дают величины, лежащие в довольно узком интервале колебаний: для кислорода [Хорн, 1972] от 0,1 до 2 г О₂/м² в день и для СО₂ от 0,3 до 1,1 г С/м² в день [Schindler, 1975]. Согласно наблюдениям и подсчетам Ю. И. Ляхина [1975], в центральной части тропической Атлантики около 40% фотосинтетической (первичной) продукции органического вещества создается за счет углерода СО₂ атмосферы. Время, необходимое для полного обновления СО₂ атмосферы (время оборота), по современным оценкам, составляет всего 5,5 лет, а в гидросфере - 300 лет. Время оборота кислорода в атмосфере - больше 3000 лет.

Интересно сравнить все эти данные по потоку СО₂ через пограничный подслой океана с данными о поступлении в атмосферу СО₂при сжигании топлива и в резуль. тате прочей деятельности человека. Скорость такого поступления СО₂ оценивается примерно в 5х10⁹ т углерода в год, а к 2000 году, как полагают многие ученые, она превзойдет 1х10¹⁰т С/год, а это составит более 1% имеющегося в атмосфере. Однако если приведенную выше оценку потока СО² через пограничный подслой (0,3-1,1 гС/м² в день) распространить на всю площадь Мирового океана (3,61x10⁸ км²), то получим величины 4х10¹⁰-1,4х10¹² т С/год. То есть пропускная способность пограничного подслоя достаточна, чтобы справиться со все возрастающим антропогенным потоком СО². Правда, одновременно возрастает антропогенная (нефть и масла) пленка, сильно снижающая эту пропускную способность. Но все-таки наиболее узкое место в процессе поглощения СО² из атмосферы океаном - не пограничный подслой, а обмен с глубинными водами. С этим и связано беспокойство ученых: не нарушает ли человек природный ритм дыхания океана, что может иметь существенные экологические последствия. Беспокойство касается обоих газов - углекислого и кислорода.