Потоки и метаморфозы на границе

Говоря о новом мощном биогеохимическом факторе - человеке, мы ограничились пока его влиянием на циклы углерода и кислорода. Между тем при сжигании топлива образуются и поступают в атмосферу наряду с С0₂ токсичные соединения серы и азота, а также сравнительно экзотические элементы - свинец, мышьяк, бериллий, германий, вольфрам и др. В. А. Ковда [1976], с обзорной статьей которого мы рекомендуем ознакомиться всем интересующимся вопросом охраны природы и биогеохимическими циклами, отмечает, что «влияние дополнительных масс этих "экзотических" элементов в воде и воздухе для нас еще мало известно, а то, что известно, очень тревожно».

Современное хозяйство создает огромные массы поступающих в атмосферу и через нее в океан тонкодисперсных твердых частиц (пыль, зола, сажа, ДДТ и т. п.), объединяемых общим термином - аэрозоли. Среди них особое место занимают продукты эрозии почв, лишенных растительного покрова. Эрозия почв усилилась до 1 - 2 мм в год вследствие уничтожения лесов, выжигания саванн, распашки степей и прерий. Со спутников регистрировались пыльные бури потрясающих масштабов.

В пограничный подслой океана поступает машинное масло и нефть - особенно при крушении танкеров. Разработка залежей нефти на шельфе резко увеличит этот вид загрязнений.

Хотя поступление антропогенных загрязнений составляет внушительные цифры, естественные катастрофические загрязнения не менее внушительны. Так, один только вулкан Котонахи выделял С0₂ порядка 10¹⁶ т/год. Вулканический пепел и продукты извержения разносятся в атмосфере иногда на значительное расстояние. В 1912 г. после извержения вулкана Каймай на Аляске в более чем 10 000 км от него, под Петербургом, прозрачность атмосферы уменьшилась вдвое, а поступление солнечной радиации - на 80%. Обычным источником за-пыления атмосферы и понижения температуры воздуха являются лесные пожары.

Но и без катастрофических явлений существует достаточно крупномасштабный непрерывный и периодический перенос вещества через атмосферу в океан. Весенние и осенние пыльные бури в Сахаре переносят к водам северо-западной Африки значительные массы материала. В это время на палубе проходящих здесь кораблей в сутки оседает до 10 - 15 г пыли на 1 м². Как показали наблюдения Д. Неринга [Nehring, 1976], при осаждении аэрозолей на поверхность воды в течение первого же часа из каждого грамма частиц поступает в воду 16 мкг фосфатного фосфора, больше 50 мкг азота нитратов и около 100 мкг аммиачного азота, а кроме того, металлы (270 мкг цинка, 17 мкг свинца, 8 мкг меди и т. д.). Это существенный источник биогенных и других элементов в активном слое, и, по мнению Неринга, именно он вызывает вспышку жизнедеятельности фитопланктона в этом районе. Однако хорошо известно, что основная причина высокой первичной продукции в этом районе - подъем глубинных вод у побережья. Интересно, что и другой знаменитый своей продуктивностью район - перуанский апвеллинг - соседствует на суше с пустыней (Атакама). Принесенные с суши минеральные частицы обнаруживаются в донных осадках даже центральных районов южной части Тихого океана - наиболее удаленных от континентов.

Другим важным источником поступления веществ в океан служат атмосферные осадки. Капли адсорбируют примеси, находящиеся в воздухе, и в атмосферных осадках обнаруживаются соединения азота и органическое вещество в концентрации, даже превышающей концентрацию их в верхнем слое морской воды.

Таким образом, через верхний пограничный слой океана совершается обмен веществами не только с атмосферой, но и с сушей. Мы не случайно говорим именно об обмене, а не просто о переносе в океан. Океан в свою очередь поставляет в атмосферу и через нее на сушу не только кислород и СО₂, но и другие газообразные соединения, а также соли. Так что иногда говорят о солевом дыхании океана. Это дыхание обнаруживают не только ученые, путем расчетов. Следы его видят часто жители приморских районов и даже областей, удаленных от океана и морей. Так, в Саратовской области наблюдали 7 - 9 апреля 1950 г. следующее явление, которое академик К. К. Марков посчитал столь интересным, что описание его воспроизвел в своей книге по палеогеографии: «Предметы начали покрываться беловатым кристаллическим налетом, похожим на иней или изморозь. На многих предметах осадок был настолько обильным, что покрывал их толстым слоем, и на вкус оказался горько-солоноватым» [1960, стр. 127]. Соли принес ветер, гулявший над Каспийским морем с 4 по 9 апреля.

Солевое дыхание океана признается столь мощным, что некоторые ученые [Россби, 1963] считают именно его причиной образования солончаковых пустынь. Показательны максимальные оценки солевого выноса с поверхности океана. Согласно расчетам Р. И. Грабовского [1953], в год выносится около 27 млрд. т солей. Это на порядок больше, чем количество солей, приносимых реками в океан (2,3 млрд. т)! Но даже умеренные и скромные оценки говорят об одном порядке величин.

На рис. 24 показано распределение концентрации морской соли в воздухе в зависимости от расстояния (высоты) от поверхности океана.

Как же поступают соли с поверхности океана в атмосферу? Очевидный путь - разбрызгивание соленой морской воды на несколько метров в высоту во время прибоя или сильного ветра. Но, оказывается, кроме этого грубо механического способа есть и более тонкий, повсеместный: лопание пузырьков воздуха. Но много ли солей могут "перетаскать" пузырьки и высоко ли они поднимут соли? Расчеты показали, что за сутки пузырьки поставляют в атмосферу до 0,01 мкг солей с 1 м² поверхности. В сумме с поверхности океана это составляет 1 - 10 млрд. т солей в год! А высота, на которую пузырьки забрасывают соли, составляет от десятков сантиметров до 1 км. Последнее, конечно, с помощью потоков воздуха. Изучить, как это происходит, удалось Макинтайру и Бланчарду путем экспериментального моделирования на установке "микроокеан" и скоростной фотосъемки.

«Происхождение свободных, видимых простым глазом воздушных пузырьков в океане кажется несколько таинственным», - пишет Р. Хорн [1972], рассматривая физ-химию пузырьков. Действительно, образование пузырьков при сильном перенасыщении воды кислородом возможно лишь на весьма ограниченных участках океана с очень большой первичной продукцией. Они образуются волн и захвате при этом воздуха, при локальном падении давления вследствие интенсивного движения вод. Но основным источником образования пузырьков микроскопического размера служат вездесущие внутренние поверхности раздела воды - со взвесями и микроорганизмами. Оторвавшись от их поверхности (рис. 25), газовый микропузырек, заключенный в оболочку ПАВ морской воды, поднимается кверху, адсорбируя по пути из окружающей его воды органические вещества и даже взвеси и живые бактерии. Многочисленные эксперименты показали, что таким образом, на "воздушном шаре", могут перемещаться в пограничный подслой биогенные элементы, особенно фосфаты.

Рис. 24. Распределение соли в атмосфере над морем. Кружки - осредненные данные (по Р. Хорну, 1972), кривая -модельный профиль.

Поскольку по мере подъема микропузырька вверх гидростатическое давление падает, газ пузырька расширяется, т. е. его размер и подъемная сила также при опрокидывании увеличиваются, он разгоняется до 10 см/с и, как бронебойный снаряд, легко пробивает пограничный подслой. Взрыв пузырька выбрасывает в воздух раздробленную на мельчайшие капли (диаметром 0,001 - 0,01 мм) верхнюю часть его оболочки - пленки. Эти пленочные капли и поднимаются воздушными потоками над поверхностью моря до 1 км. На дне взорвавшегося пузырька образуется и выбрасывается вверх со скоростью 1000 см/с капля диаметром 0,1 мм. Эта "тяжелая" капля, несущая 0,03 мкг солей, пролетает вверх до 10 см.

Рис. 25. Воздушный пузырек пробивает пограничный слой и поставляет морскую соль в воздух (по Р. Хорну, 1972).

Бланчард, тщательно изучавший реактивные капли, отмечает, что, поскольку они образуются на дне взрывающегося пузырька, из двойного электрического пограничного слоя в каплю втягиваются воды нижней "обкладки конденсатора", несущие положительный заряд. Аэроионам часто приписывают целебное действие морского воздуха. Таким образом в атмосферу переносятся не только вещества, но и электрический заряд. Поверхность всех аэрозолей в сотни тысяч раз больше поверхности Мирового океана.

В 1949 г. М. В. Левитский, а затем и другие советские исследователи (Г. Е. Немерюк, С. В. Бруевич и В. Д. Корж) обнаружили, что при испарении воды, даже без каких-либо лопающихся пузырьков, в воздух попадает значительное количество солей: в конденсатах атмосферной влаги найдено 0,01 - 1 мг/л солей. Кое-какое удовлетворительное объяснение столь необычно большому выносу солей путем простого физического испарения нашли. Предполагают, что выносятся гидрати-рованные ионы, т. е. испаряется вода, а ионы, связанные с ней, хоть и слабо, тоже поднимаются, как на воздушных шарах. При этом по непонятным причинам происходит закономерное изменение солевого состава морской воды: как показано В. Д. Коржем [1976], соотношение концентрации отдельных солей в атмосферной влаге равно их соотношению в морской воде, взятому в степени 2/3. Этому "закону 2/3" удовлеворительного объяснения, несмотря на попытки, так до сих пор найти и не удалось. Но свой закон В. Д. Корж использовал, чтобы оценить долю элементов (отдельных и в сумме) морского происхождения в реках континентов. Получилось, что в реках до 15% солей (в среднем, а бор, иод, хлор и некоторые другие - в основном) поступили с поверхности океана.