Белые ландшафты. Активизация процессов на границе вода - лед

В ледовитых океане и морях географы выделяют два контрастных вида ландшафтов - ледовые и водно-ледовые [Бородчаев и др., 1976].

Ледовыми ландшафтами называют ледяные массивы, изолирующие воду от атмосферы; в таких районах слаба вертикальная циркуляция воды и угнетенное состояние, «всех звеньев биологической цепи растительных и животных организмов на поверхности моря, на морском дне...» Это то же, что на суше чисто сухопутные ландшафты (пустыни) или в океане - чисто водные ландшафты (батипелагиаль, также пустынная).

Водно-ледовые ландшафты - это воды у кромки льдов, полыньи и прогалины, устойчивые трещины и разводья. Казалось бы, велика ли разница. Но здесь нет изоляции воды от атмосферы. Аналогом водно-ледовых ландшафтов являются районы апвеллингов. Им свойственны «развитие всех звеньев биологической цепи от мельчайших растительных микроорганизмов до самых гигантских на Земле позвоночных, максимальная продуктивность» [Бородчаев и др., 1976]. Посмотрим на примере полыньи, как активизируются процессы. В холодное время в прибрежных районах замерзающих морей часто создаются контрастные температурные условия. На их основе развивается группа взаимосвязанных термодинамических процессов, образующих саморегулирующуюся систему полынья - берег. Эта система функционирует как тепловая машина второго рода, т. е. машина, которая черпает энергию для своей работы из температурного контраста материк - море [Шулейкин, 1968].

На основе температурного контраста возникает ветер муссонного типа, в направлении берег - море. Этот ветер задерживает становление неподвижного прибрежного льда - припая, периодически вынося молодой и непрочный лед в море. Тем не менее, хотя и не с первой попытки, припай устанавливается в замерзающих морях практически везде. Сперва он закрепляется в бухтах и под прикрытием островов, но затем понемногу продвигается в открытое море, окружая даже мысы. При этом обращенная к морю граница припая окаймлена полосой открытой воды - заприпайной полыньей, которая сохраняется с удивительным постоянством, невзирая на жестокие морозы. За полыньей простирается область битого дрейфующего льда.

С берега или самолета можно видеть, что обычно поперек полыньи тянутся сносимые ветром полосы ледяного сала - кристаллов свежеобразованного льда. Именно этот процесс - непрерывный вынос ледяных кристаллов за пределы полыньи - и поддерживает существование открытой воды в любые морозы.

Проследим цепочку причин и следствий, поддерживающих устойчивость полыньи. Чем больше мороз, тем больше температурный контраст берег - море, сильнее муссонный ветер. Чем сильнее ветер, тем быстрее оттесняется и дрейфует в море битый лед, расположенный с мористого края полыньи. Полынья, казалось бы, должна раздвигаться, но во взаимодействии принимают участие отрицательные обратные связи. Чем сильнее ветер, тем быстрее охлаждается вода полыньи, интенсивнее образуется ледяное сало и, дрейфуя по ветру, смерзается в ледяной покров. Таким образом, одновременно усиливаются и процессы механического расширения полыньи, и процессы зарастания ее мористого края молодым льдом. Возникает динамическое равновесие системы, которое можно выразить с помощью уравнений или набора графиков [Лебедев, 1968].

Важно обратить внимание на то обстоятельство, что ледяной покров служит эффективным теплоизолятором воды. Существует следующая зависимость между толщиной образовавшегося льда (начиная с нулевой) и потерями тепла:

(131)

где i - толщина льда, θ - разность отрицательных температур вода - воздух (верхняя граница льда), t - время в сутках.

Согласно формуле (131), при разности температур 20^°С на образование первого сантиметра льда требуется 6 минут, а сто первого - 23 часа 30 минут, так как сто первый сантиметровый слой льда будет защищен от охлаждающего воздействия воздуха метровым слоем льда, словно асбестовой плитой.

Следовательно, на полынье лед из воды выделяется необычайно интенсивно, во много раз быстрее, чем под ледяным покровом. Но кристаллы льда состоят лишь из пресной воды. Поэтому при кристаллизации на поверхности полыньи вода интенсивно осолоняется, а значит, возрастает плотность ее и развивается мощная вертикальная конвекция. Общая схема процессов показана на рис. 38.

Рис. 38. Схема заприпайной полыньи и зависимость ее ширины х (км) от разности температур вода - воздух ΔT скорости ветра w (м/с) (по К. Д. Сабинину, 1960, и В. Л. Лебедеву, 1968). 1 - ветровая составляющая течения, 2 - составляющая, обусловленная горизонтальным градиентом плотности, вызванным неравномерностью образования льда и осолонения, 3 - компенсационное течение.

В 30-е годы полярники обнаружили бурное цветение планктона у кромки льдов в арктических морях. Хотя давно были известны такие яркие примеры водно-ледовых ландшафтов, как ареалы моржей или гнездовья императорских пингвинов, все же сгущение жизни у кромки льдов было неожиданностью. До сих пор оно остается загадкой, несмотря на многочисленные попытки исследовать и объяснить его, используя гипотезы и опыты, от самых простых до сверхутонченных.

Аквалангисты, погружавшиеся на дрейфующих станциях «Северный полюс», отмечают [Грищенко, 1976], что рельеф нижней поверхности льда неровный, углубления диаметром 2 - 12 см достигают глубины 5 - 10 см. Рассредоточенный летом в главном пограничном слое фитопланктон в конце лета скапливается у льда и «оседает» на освещенных участках его поверхности. «Образовавшиеся ранее в результате неравномерного таяния углубления заполняются сгустками планктона. Эти плотные комочки серого и темно-коричневого цвета становятся очагами повышенного поглощения солнечной радиации и способствуют еще большему углублению и расширению существовавших выемок». Сгустки планктона не покидают выемки при зимнем льдообразовании, и в следующий сезон вновь может заселяться уже новообразованная поверхность.

Рис. 39. Вертикальные распределения численности планктонных организмов вблизи поверхности раздела вода - лед [В. X. Буйницкий, 1974].

Так образуется ледовый живой слой, достигающий десятка или нескольких десятков сантиметров в арктических морях и больше 1 м - в антарктических. Сгустки планктона усиливают таяние льда и в 2 раза уменьшают шю прочность [Буйницкий, 1974]. Предлагалось даже переселить антарктический фитопланктон в Арктику, поскольку он образует более мощный ледовый живой слой и, способствуя разрушению льда, может помочь удлинить навигационный сезон на севере. Но пока эта разница между заселенностью льдов Арктики и Антарктики остается еще одной загадкой границы раздела вода - лед: обусловлена ли она различиехм в свойствах организмов или различием условий - неясно.

Концентрация организмов в ледовом пограничном слое в 10-1000 раз выше, чем в подледной воде, причем она испытывает колебания (рис. 39); водоросли во льду (ледоросли?) обнаруживаются в живом состоянии и даже в стадии размножения. Не удивительно, что они делают морской лед сравнимым по величине первичной продукции (10 - 100 мгС/(м³xсутки) и выше) с самыми высокопродуктивными районами Мирового океана. Хотя первичная продукция в окружающей воде ниже, чем во льду, она все же значительна. Кроме того, у кромки льда развитие фитопланктона начинается гораздо раньше, чем в открытом океане. Этот эффект - третья загадка границы вода - лед, благодаря ему удлиняется период вегетации и увеличивается годовая первичная продукция у кромки льда.

Обобщив многолетние наблюдения за жизнью в морском льду, В. X. Буйницкий пришел к утверждению, что морской лед - весьма благоприятная среда обитания, и выделил две группы объяснений сгущения жизни в пограничных слоях по обе стороны твердой границы: физико-химические и гидрохимические. Поиск объяснений этого эффекта напоминает историю объяснений сгущения жизни в прибрежном пограничном слое, с той лишь разницей, что ловушки, в которые попадали исследователи в этом случае, конечно, оказались иными.

Сразу после обнаружения сгущения жизни у кромки льда, в 30-е годы, Т. С. Барнес, X. В. Харвей, а затем и другие исследователи провели такие эксперименты над одноклеточными и многоклеточными водорослями и бактериями: в одни сосуды с организмами добавляли тающий лед, а в другие - воду, выдержанную некоторое время после того, как лед растаял, причем воду обогащали кислородом, чтобы его дефицит не исказил результаты эксперимента. У всех получался один и тот же результат: в сосудах с талой водой наблюдалась вспышка жизни. Ускорение роста организмов объяснили тем, что в талой воде содержится меньше тяжелой воды D₂0. Но проведенные позднее специальные опыты показали, что изменения изотопного состава природных вод не влияют заметным образом на развитие организмов. Однако И. Мельников, проводящий в последние годы тщательное систематическое изучение ледовых экологических систем, считает, что исключать эту гипотезу было бы преждевременно.

Другое физико-химическое объяснение, выдвинутое Т. С. Барнесом, связывало действие талой воды с тем, что она некоторое время (до 10 часов) сохраняет ту структуру, какую имел лед, т. е. более упорядоченную. В ответ на возражения: замерзание воды убивает организмы и, значит, льдоподобная структура воды, наоборот, губительна, ленинградец А. К. Гуман [1966] вспоминает такой потрясающий воображение (но неизвестный нам) факт. Ископаемого тритона углозуба, пролежавшего в зоне вечной мерзлоты почти миллион лет, удалось оживить.

В 50-е годы интерес к эффекту талой воды необычайно возрос, а публикации стали принимать сенсационный характер: обнаружилось, что талая вода увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур (в 1,5 - 2 раза!), прирост молодняка, яйценосность кур, молочность коров и омолаживает дряхлеющий организм. Указывая на тот известный факт, что, начиная с зародыша, организм «теряет» содержание воды в тканях и в старости оно достигает минимума, А. К. Гуман связывает старение с нарастанием дефицита «ледяной» структуры воды и накоплением воды менее структурированной. Именно потребностью в структурированной воде объясняет А. К. Гуман и тягу детей сосать ледяные сосульки.

Одним словом, живая вода из легенд. Легендой же называет все эти наблюдения и предположения о действии талой воды крупный советский биофизик М. Ф. Волькенштейн ( Волькенштейн М. Ф. - Наука и жизнь, 1975, № 6. ). Выдвигая серьезные теоретические контр доводы, он считает ненаучными объяснения этого поразительного физиологического действия талой воды. А объяснения А. К. Гумана сводятся к следующему. Вода в организме везде находится в пограничном слое у огромных молекул биополимеров, поэтому ее структура упорядочена и напоминает структуру льда. При использовании обычной воды организм затрачивает энергию на преобразование ее структуры в льдоподобную, а талая вода легко «вписывается» в биологические системы без дополнительных энергетических затрат.

Жаль, если красивая легенда о талой воде останется только легендой. Однако сгущение жизни у кромки льда в океане остается фактом и требует объяснения. Гидро-химические объяснения, естественно, сводятся к увеличению количества биогенных элементов на границе вода - лед. Сначала предполагалось, что они поступают из тающего льда. Измерения же показали, что это поступление незначительно. Основную причину стали видеть в усилении при льдообразовании конвективного перемешивания, захватывающего глубокие слои, богатые биогенными элементами.

Граница раздела вода - лед почти совсем не изучена, и трудно предполагать сейчас, какое из конкретных явлений окажется важнейшим для объяснения сгущения жизни: привнос биогенных и других элементов, гибель конкурентов или хищников во льдах, талая вода, электростатическое взаимодействие клеток с положительно заряженной поверхностью льда, обогащенной катионами? А может быть, наоборот - увеличение смертности в ледовой обстановке вызывает вспышку жизни? Мы видели уже не раз, что торопиться с конкретными объяснениями экологических, да и других эффектов пограничных слоев крайне рискованно и невозможно угадать, где сегодня поджидает ученого ловушка.

Непосредственное влияние границы вода - лед локализовано в пограничном слое сравнительно небольшой протяженности, однако в конечном счете оно простирается на весь Мировой океан и даже выходит за его пределы, охватывая всю биосферу. Непрерывное погружение охлаждающихся и уплотняющихся у полярных ледяных массивов вод приводит в движение колеса большой океанической циркуляции. Поэтому, несмотря на то, что эти районы погружения вод занимают лишь незначительную площадь Мирового океана, их приходится учитывать во всех моделях глобальной океанической циркуляции.

За геологическую историю ледовая граница перемещалась в очень широких пределах, начисто изменяя не только систему течений в океане, но и климат и даже облик поверхности нашей планеты. Очевидно, что от ее перемещений зависит экологическая обстановка в океане, но каким именно образом - остается загадкой.

В последнее время ученые заговорили о льде в связи с проблемой загрязнения биосферы. С одной стороны, ледяные массивы могут служить ловушками загрязнений. Химики называют ловушками охлаждаемые сосуды, в которые улавливаются за счет конденсации на их холодной поверхности вещества из газовой фазы, испаряющиеся из нагретых сосудов. Так осуществляют разделение (перегонку) смесей или улавливают остатки веществ в вакуумных системах. Вещества, попадающие в атмосферу в теплых широтах, могут тоже улавливаться ледяной поверхностью Антарктиды и Арктики. С другой стороны, загрязнения могут усилить таяние льдов или влиять на скорость образования льда. Однако исследования в этой области еще почти не начинались.