Химия океана

Многоэлементная руда и питательный раствор. - Мировая константа. - Самоудобрение океана. - Газы в морской воде. - Антибиотик. - Модель пищевой цепи. - Нетронутые ресурсы

Океанская вода - это многоэлементный раствор и к тому же питательный раствор, в котором природа выращивает миллиарды тонн растительного вещества.

Общеизвестно, что вода в океане соленая. Вес растворенных в океане солей достигает астрономической величины 48 млрд. г, при этом на долю хлористого натрия, т. е. обыкновенной поваренной соли, приходится 38 млрд. т. Самое удивительное в этом растворе - не огромные количества солей, а постоянство их соотношения между собой. Раствор солей в океане и соединенных с ним морях может быть слабее или крепче, в зависимости от величины испарения, речного стока и атмосферных осадков, но состав солей, придающих ей горько-соленый вкус, всегда остается постоянным. Средняя океанская соленость 35‰ (35 г соли на 1 кг воды). В открытом океане она изменяется в очень небольших пределах.

У экватора благодаря обильным дождям и сравнительно незначительному испарению соленость океана несколько ниже. На широте около 20º как северной, так и южной, где испарение велико, соленость увеличивается; в умеренных широтах дождей становится больше, испарение - хотя и меньше, соленость в итоге уменьшается. В Красное море не впадает ни одна река, здесь почти не бывает дождей, поэтому соленость воды в нем достигает 40-41‰. В Черном море, в которое впадают многоводные реки, соленость поверхностного слоя воды 17-18‰, в Белом море - 25-26‰, в Балтийском море - всего 3-4‰. С глубиной соленость воды в океане несколько повышается.

Однообразие состава солей указывает на единство Мирового океана, на неразрывную связь между отдельными его частями, но в то же время является загадкой. Невольно возникает вопрос - каково же происхождение этой солености, обладающей таким удивительным постоянством своего состава? Как давно установилось это постоянство?

На этот счет существуют две гипотезы. Согласно одной гипотезе, соли, растворенные в океанской воде, некогда находились в газообразном виде вместе с парами воды, которые окутывали еще неостывшую Землю. Когда охлажденные пары превратились в воду, вода сразу приобрела почти такую же соленость, которую мы находим в океане сейчас. Действительно, если судить по ископаемым морским организмам, соленость морской воды на протяжении долгих геологических периодов менялась очень мало.

Другая гипотеза предполагает постепенное осолонение океанов путем выщелачивания водой твердых пород земной коры и выделения из мантии хлора. Легкость, с которой хлор соединяется с натрием и магнием, позволила ему занять главенствующее положение в составе солей в морской воде. Однако вероятнее всего, что соленость морской воды своим происхождением обязана обоим этим процессам, к которым надо присоединить и еще один, но менее важный - это расход солей на мощные отложения на суше в периоды больших морских регрессий, когда высыхали обширные мелководные моря.

Состав солей в реках, стекавших в океан в первый период существования земной коры, был, вероятно, близок к их составу в современной океанской воде. Но с течением времени относительное содержание минералов на поверхности суши изменилось, и теперь состав солей в речной воде резко отличается от состава солей в морской воде.

Мы видим, таким образом, что реки приносят в океан меньше всего хлористых соединений и больше всего карбоната кальция. Как же поддерживается в океане такая высокая концентрация хлоридов и куда расходуется преобладающий в речной воде кальций?

Во время морских трансгрессий, в периоды наступлений океана на материки, на поверхности суши образовались мелководные моря. Под влиянием испарения в них в первую очередь отлагались гипс, сернистые соединения (сульфаты магния, кальция и калия) и карбонаты (углекислый кальций). Оставив эти соли на суше, океан с течением времени отступал, унося с собой хлориды обратно. Хлористый натрий отлагался на суше в самую последнюю очередь, когда остатки внутриконтинентальных морей, уже не связанных с океаном, высыхали до дна.

Кроме того, соединения кальция и кремния, приносимые реками, энергично поглощались в океане и продолжают поглощаться животными организмами, строящими из них свои скелеты и раковины.

Так на протяжении многих миллионов лет поддерживался и продолжает поддерживаться сейчас баланс минеральных веществ, определяющих соленость Мирового океана. Что касается утраты натрия и хлора во время регрессий, то пополнение их происходило за счет выделения летучих веществ из недр Земли и вновь образующейся, так называемой ювенильной воды. По мнению академика А. П. Виноградова, состав морской воды существенно не изменился на протяжении 2-2,5 млрд. лет. Состав и концентрация солей в океане - "мировая константа", "характерная постоянная нашей планеты" - писал академик В. И. Вернадский.

Чтобы убедиться, велика ли роль рек в осолонении океана, вспомним, что годовой сток всех рек на земном шаре равен 37 тыс. км³. Из них 37 % дает Южная Америка, 27- Африка, 22 - Азия и только 6% - Европа. Если все это количество речной воды разлить по поверхности океана, образуется слой толщиной всего в 10 см. Солей в килограмме речной воды, по подсчетам С. В. Бруевича, в среднем в 350 раз меньше, чем в килограмме морской воды. Сейчас в среднем с 1 км² суши за год выносится в океан 23 т солей. Суммарный сток в океан всех растворенных веществ, по подсчетам О. А. Алекина, 3300 млн. т, из них 1773 млн. т выпадает в осадок.

За период в 37 тыс. лет реки могут вынести в Мировой океан такое количество воды, которое равно его объему. На протяжении геологической истории Земли такие периоды повторялись бесконечно большое число раз. При существующей разнице в солевом составе речной и морской воды, которая показана в таблице, соленость океанской воды за это время должна была бы измениться самым коренным образом, однако этого не случилось.

По расчетам американских океанологов Р. Ревелла и Фэйрбриджа, речной сток мог бы увеличить количество карбоната кальция в океане вдвое только за один миллион лет, но так как его все время потребляют населяющие океан организмы, то изменение в морской воде количества кальция незаметно. Повторяя слова академика В. И. Вернадского, мы можем смело утверждать, что солевой состав океанской воды регулируется в конечном итоге живым веществом.

В наибольшем количестве в морской воде содержится хлористый натрий (27,2 г на 1 кг воды), за ним идет хлористый магний (3,8 г на 1 кг), сернокислый магний (1,7 г на 1 кг), сернокислый кальций (1,3 г на 1 кг), а затем в порядке убывания - сернокислый калий, углекислый кальций и бромистый магний, каждого из которых в килограмме морской воды содержится менее одного грамма.

В настоящее время в морской воде обнаружено 49 химических элементов, в .том числе алюминий, иод, медь, цинк, свинец, олово, уран, марганец, торий, ртуть, серебро, золото, радий и другие. Содержание 40 из 49 элементов настолько мало, что в сумме они составляют всего 0,02 г на 1 кг воды. Так как соотношение между главнейшими солями в морской воде постоянное, для определения общей солености морской воды находят содержание в ней хлора и полученную величину умножают на 1,81.

Когда говорят о химизме морских вод, нельзя из этого понятия исключать живые и отмершие организмы и даже органическое вещество (гумус), содержащееся в воде в растворенном состоянии. Жизнь - это тоже этап могучего геохимического круговорота веществ на Земле, в который одинаково вовлечены вещества и косной и живой природы. Планктон, составляющий большую часть массы живого вещества в океане, по своему среднему химическому составу является такой же "характерной чертой океана, как и его солевой состав" (В. И. Вернадский).

Не только морские растительные, но и животные организмы обладают способностью поглощать и концентрировать в теле различные вещества, извлечение которых из морской воды совершенно недоступно для человека. Железа в кубическом метре морской воды содержится менее миллиграмма, меди около 5 мг, иода около 50 мг. Между тем многие морские организмы обладают способностью создавать в своей крови концентрации этих и других элементов, в сотни и тысячи раз превышающие их концентрацию в окружающей воде. Осьминоги и устрицы, например, особенно "охотно" поглощают медь, асцидии - ванадий, радиолярии концентрируют стронций, медузы - кобальт, цинк, олово, свинец, губки - иод. То же самое можно сказать и о растительных организмах: в фукусах и ламинариях много алюминия, иода, в серных бактериях - серы. Зубы некоторых видов моллюсков содержат большое количество железа; железо в воде находится преимущественно во взвешенном, а не в растворенном состоянии, поэтому трудно себе представить, как моллюски его усваивают.

Избирательная способность морских организмов к концентрации химических элементов играет большую роль в геологии Земли. Многие полезные ископаемые (нефть, известняк, кремнезем, некоторые железные руды, медный колчедан) - биологического происхождения. Можно смело сказать, что концентрация организмами минеральных веществ - это гигантская по своим масштабам геохимическая работа жизни на Земле. История многих минералов на нашей планете тесно связана с морем. Наши железные курские и марганцевые чиатурские руды, например, морского происхождения.

Помимо минеральных солей в морской воде в большом количестве постоянно содержатся продукты жизнедеятельности и разложения отмерших животных и растений - взвешенное органическое вещество (детрит) и растворенное (гумус). То и другое - органическое удобрение, поступающее в океан. Детрит и органическая слизь иногда образуют на поверхности моря хорошо заметные пленки и полосы пены. Они служат пищей для гипонейстона - мелких организмов, живущих в верхнем пятисантиметровом слое океана. Сцепление детрита с бактериями, органической слизью и фитопланктоном образует в толще воды хлопья "морского снега", который приходилось наблюдать океанавтам, погружавшимся в море в батискафах. Детрит часто скапливается в слое температурного скачка, привлекая к себе зоопланктон и мелкую рыбу. В прибрежных районах гумус окрашивает воду в желтый цвет.

Образование и разложение живого вещества взаимосвязаны, поэтому в океане не происходит ни его накопления, ни убыли. По подсчетам Б. А. Скопинцева, содержание растворенного органического вещества в Атлантическом и Тихом океанах в среднем равно 2 мг на 1 кг воды, в Балтийском и Каспийском морях - 5-6 мг, в Азовском - 10 мг. В "жидкую почву" океана ежегодно поступает 11,6 млрд. г гумуса, а в среднем в океане содержится 2000 млрд. г растворенного органического вещества.

Содержание гумуса в толще океанской воды довольно однообразно. Общее количество гумуса и детрита по крайней мере в триста раз превышает количество органического вещества, содержащегося во всех растениях и животных, населяющих океан. Из этого соотношения видно, что в океане есть большой резерв для искусственного повышения его продуктивности, разумеется, при вмешательстве человека.

Биологи много спорят о том, может ли растворенное в воде органическое вещество служить пищей для морских животных и растений. Некоторые исследования показали, что даже растительный планктон наряду с минеральными солями фосфора и азота нуждается в органическом веществе, растворенном в морской воде. Гуминовые вещества в океане, видимо, играют ту же роль, что и гумус на суше. Только на суше он содержится в метровом слое почвы, а в океане - во многокилометровой толще воды. Весьма вероятно, что гумус столь же необходим живым организмам, населяющим океаны и моря, как и некоторые "микроэлементы", т. е. химические элементы, содержащиеся в воде в едва различимых количествах.

Бактерии превращают гумус и детрит в питательные соли фосфора и азота. Так происходит "самоудобрение" океана. Минеральные соли, образовавшиеся в верхнем слое океана, быстро потребляются фитопланктоном, а в глубинных слоях остаются неиспользованными, пока не поднимутся к поверхности в освещенную зону. "Удобряют" океаны и моря также питательные соли, выносимые реками, но речной сток может повысить продуктивность только отдельного моря или прибрежной акватории. В масштабе всего Мирового океана его значение невелико. Таким образом, глубинные слои служат в океане главным складом питательных солей.

Жизнь не может существовать без кислорода и углекислого газа (двуокиси углерода) ни на суше, ни в воде. Кислород нужен для дыхания, углекислота поставляет растительным организмам углерод. Углекислый газ вездесущ, что имеет первостепенное значение для развития жизни. Под действием солнечного света растение превращает углерод в сахар, а затем в живое органическое вещество. Все жизненные функции как растений, так и особенно животных, связаны с окислением, для которого необходим кислород. Наземные организмы черпают газы из воздуха, морские - из воды. Небольшая рыбка весом 100 г в течение минуты пропускает через жабры 15-30 еж3 воды. А сколько таких рыбок в океане да и других организмов, дышащих кислородом? Трудно даже представить себе, сколько они все вместе при дыхании процеживают воды!

Главными газами, растворенными в морской воде, являются азот, кислород и двуокись углерода. Содержание азота в морской воде по отношению к другим растворенным в ней газам меньше, чем его относительное содержание в воздухе. Может быть, потому, что элементарный азот не играет большой роли в океане. Его используют только нитрифицирующие бактерии, живущие на дне или у дна. Они превращают азот в азотистые вещества - нитраты или аммоний. Наоборот, кислорода в океанской воде по отношению к другим газам содержится при температуре 10º в полтора раза больше, чем в воздухе. Количество растворенного кислорода зависит от температуры воды. При 0º и солености в 35‰ в литре морской воды растворяется 8 см3 кислорода, при температуре 30º - только 4,5 см³.

Кислород поступает в воду из воздуха и от растительных организмов, выделяющих его в процессе фотосинтеза при разложении углекислоты. Расходуется кислород на дыхание организмов и на окисление отмершего органического вещества. В периоды интенсивного развития фитопланктона или, как говорят океанологи, в период его "цветения" (хотя фитопланктон, конечно, не цветет), вода в поверхностных слоях океана бывает даже перенасыщена кислородом. В это время некоторая его часть выделяется в атмосферу.

По мере увеличения глубины содержание растворенного кислорода в морской воде в общем уменьшается. На некоторых глубинах, примерно в слое 400-800 м, во всех океанах и особенно в Индийском океане наблюдается довольно резкое понижение содержания кислорода в воде. Предполагается, что в этом слое происходит интенсивное потребление кислорода при окислении отмершего органического вещества. Ниже этого слоя содержание кислорода опять повышается, а затем ко дну снова понижается.

В некоторых районах океана на окисление гумуса расходуется весь кислород, содержащийся в воде. Тогда бактерии начинают потреблять кислород серных соединений (сульфатов) и выделяют при этом газ сероводород. Именно такое явление известно во впадине Кариако в Карибском море и в Черном море, где с некоторой глубины и до самого дна простирается сероводородная зона, в которой отсутствует всякая жизнь, если не считать сероводородных бактерий. Годовой расход кислорода на окислительные процессы в океане составляет 35 млрд. т.

Придонные слои глубоководных бассейнов океана "вентилируются" охлажденными водами, которые погружаются в полярных областях Мирового океана и перемещаются потом в глубинах океана в направлении экватора.

Совершенно особое положение в океанской воде занимает углекислый газ. Он содержится в океане в нескольких видах. Наиболее важное значение в жизни океана имеет растворенная или, как говорят, свободная углекислота и углекислота в соединении с кальцием, магнием и некоторыми другими веществами. Эти соединения называются карбонатами и бикарбонатами. Вместе с ними запас углекислоты в морской воде достигает 45-50 см³ на 1 кг. Две трети этого количества составляют легко растворимые бикарбонаты, всегда готовые отдать свою углекислоту в случае спроса на нее со стороны растений, если им не хватает свободной углекислоты.

Днем, когда растительные организмы энергично потребляют двуокись углерода, количество ее в воде уменьшается; ночью, наоборот, возрастает. Растения на земном шаре ежегодно связывают 175 млрд. т углерода, большая часть этого огромного количества приходится на долю морской растительности.

Хорошо известно, что холодные воды полярных морей количественно богаче жизнью, чем теплые воды тропических областей океана. Весьма вероятно, что одна из причин этого явления заключается в растворимости газов в морской воде. Как кислород, необходимый для дыхания, так и углекислый газ, потребляемый растениями для построения живого органического вещества, в холодной воде растворяются в большем количестве, чем в теплой.

Много еще неразрешенных вопросов в химии океана. Какие, например, процессы происходят на границах раздела между водой и атмосферой? В зависимости от местных условий океан "вдыхает" и "выдыхает" газы - кислород и углекислоту. Очень важно получить количественные данные об этом газообмене, особенно в отношении углекислоты.

Для иллюстрации громадных масштабов этих процессов можно привести несколько цифр. Советский океанолог О. И. Кобленц-Мишке подсчитала, что годовое усвоение углерода фитопланктоном в Тихом океане (без морей) составляет 9 млрд. г. Воспользовавшись этой величиной и расчетными данными академика А. П. Виноградова, В. Г. Богоров вычислил, что фитопланктон выделяет при этом 24 млрд. т кислорода, из которых 14 млрд. т остается в растворенном виде в воде; одновременно фитопланктоном потребляется 1,5 млрд. т азота, 0,2 млрд. т фосфора и 0,5 млрд. т железа. Поистине, как выразился академик В. И. Вернадский, "на земле нет химической силы более могущественной, чем живые организмы, взятые вместе".

Процентное содержание углекислоты в воде по отношению к другим растворенным в ней газам в десятки раз превышает относительное ее содержание в атмосфере. Между атмосферой и океаном происходит непрерывный обмен углекислотой, причем океан играет роль гигантского склада этого газа. Этот газообмен имеет большое климатологическое значение (см. очерк "Маховик климата и погоды").

С поверхности океана испаряется вода. Вместе с ней в атмосферу ежегодно поступает до 400 тыс. т иода (Мияке, Тсуногаси), какое-то количество борной кислоты (Гаст, Томсон), фосфатов (Бэйлор) и, очевидно, других химических веществ. Во время сильных ветров четкая граница между поверхностью океана и атмосферой разрушается. Ветер вместе с брызгами и пеной уносит соль, гумус, детрит, которые потом частично выпадают на суше. Наконец, водяные пары, поднимающиеся с поверхности океана, имеют иной изотопный состав, чем океанская вода. В результате атмосферная вода обогащается протием (самый легкий изотоп водорода Н¹), а поверхностная вода в океане - дейтерием (тяжелый изотоп водорода Н²). Однако в конечном итоге общий круговорот воды поддерживает равновесие в распределении молекул воды разных видов и не допускает их накопления.

Другая граница раздела в океане - дно. Здесь при низких температурах и огромном давлении до 1000 атмосфер происходят многие, не разгаданные еще реакции - образуются фосфориты, глаукониты, железо-марганцевые конкреции, содержащие никель, кобальт, медь; на дне осаждаются радиоактивные элементы, например, ионий; наоборот, со дна выделяется и переходит в толщу воды радий.

В заключение назовем одно биохимическое свойство морской воды: она служит антибиотиком для многих бактерий. Морская вода губит даже стафилококки, на которые не действует пенициллин. Некоторые бактерии погибают в морской воде в течение 24 часов; другие, вида коли, благодаря содержанию в воде органических веществ, выдерживают 3-4 недели, иногда даже больше. Итак, океан - гигантский химический и биохимический завод, работающий на космическом топливе - на световой и тепловой энергии Солнца и на гравитационной энергии межпланетного притяжения (приливы); количественно незначительную, но важную по своему эффекту долю энергии поставляет ему внутреннее тепло Земли. Как приливы во всей толще воды, ветры и волны на поверхности, так и геотермическое тепло в придонных слоях океана способствуют перемешиванию водных растворов океана. Перемешивание сырья, как известно, важнейший процесс в работе любого химического завода.

Поставщиками сырья для океана являются жидкий и твердый минеральный сток суши, атмосферная и космическая пыль, атмосферные газы и отработанные вещества в виде продуктов жизнедеятельности и отмирания живых организмов, которые океан с заслуживающей подражания экономией использует в повторных циклах своей биохимической работы.

По подсчетам В. Г. Богорова, средняя биомасса фитопланктона в океане - 1,7 млрд. т, а годовая его продукция - 550 млрд. т; средняя же биомасса животных организмов в нем - 32,5 млрд. т, а годовая их продукция - 56 млрд. т живого вещества. Обращает на себя внимание обратное соотношение животного и растительного вещества в океане по сравнению с сушей, где биомасса животного мира намного превосходит биомассу растительности. Это объясняется тем, что основой продуктивности океана является фитопланктон, ежедневно поедаемый и отмирающий и ежедневно размножающийся в количествах, не сравнимых с растительностью суши.

В процессе биохимической трансформации в верхних слоях океана (0-150 м) происходит переход рассеянных в воде элементов в агрегатное состояние - в живое вещество. В нижних слоях океана, опускаясь по ступеням "биологической и химической лестницы", пишет В. Г. Богоров в своей работе "Биологическая трансформация энергии вещества", развиваются разнообразные процессы, использующие энергию, накопленную в живом веществе, первоначально образовавшемся в верхних слоях океана. При достижении океанского дна остаток энергии вещества участвует в диагенезе (превращение в осадочные горные породы) илов.

Таким образом в океане непрерывно развиваются процессы превращения энергии и вещества с частично замкнутым циклом, подобным замкнутому циклу использования воды в промышленных предприятиях. Но как при замкнутом цикле использования воды часть ее поступает в отход, так и в океане "хвостовая" часть энергии и вещества заканчивает свой цикл на дне, выпадая из круговорота веществ. Мы можем приблизительно подсчитать потребление океаном энергии и "сырья", но объем выпадения вещества и энергии из круговорота недоступен определению. Подведение баланса находится пока за пределами наших возможностей.

Каковы же задачи химии моря в ближайшем будущем? Прежде всего она должна встать на путь геохимической науки. Для этого надо сосредоточить внимание на изучении свойств морской воды и их влияния на происходящие в океане реакции, особенно в условиях высоких давлений. Не менее важно для нее заключить союз с биохимией, чтобы создать биохимическую модель наиболее короткой и рациональной пищевой цепи для выращивания морских пищевых продуктов (см. очерк "Пищевая цепь"). Наконец, ей предстоит разработать промышленные методы извлечения из морской воды различного химического сырья, которое заготовил и продолжает заготавливать для нас океан.