Глава 4. Что мы знаем о морской воде

Мы уже говорили, что громадную часть поверхности нашей планеты занимают моря. Общее количество воды в них составляет приблизительно 1370 миллионов куб. км. Морская вода на вкус очень соленая. Этот факт, известный каждому ребенку, мы принимаем как нечто само собой разумеющееся и считаем, что соленость является самым важным свойством морской воды. В 1 куб. км морской воды содержится не меньше 35 000 г соли. Количество соли в Мировом океане выражается астрономической цифрой (около 48 квадриллионов г). Чтобы более наглядно представить эту фантастическую цифру, сделали следующее вычисление: если бы удалось выпарить всю соль океанов, ею можно было бы покрыть всю поверхность земного шара слоем около 90 м толщиной.

Теперь рассмотрим природу и происхождение соли и других веществ, растворенных в воде. Прежде всего, что представляет собой морская соль? Состав растворенных в морской воде солей очень неоднороден. 85% всех солей, содержащихся в морской воде, составляет хлористый натрий. В воде растворены также хлористый магний, сульфаты магния, кальция и калия, карбонат кальция и бромистый натрий. Кроме того, в морской воде присутствует множество других веществ. Вероятно, в ней содержатся в небольших количествах все известные на Земле элементы и, возможно, некоторые пока не известные вещества, попадающие в воду через воздух из космоса. Однако содержание большинства этих веществ в морской воде настолько невелико, что его очень трудно определить. Они содержатся главным образом в морских организмах. Так, ванадий нашли в крови асцидий и голотурий, никель - в моллюсках, а кобальт - у омаров и мидий. Так как животные могли получить эти вещества только из окружающей среды, то можно считать, что эти элементы существуют в растворенном виде в море, хотя обнаружить их в морской воде нелегко.

Главным источником всех этих веществ были породы, некогда покрывавшие поверхность Земли. Однако мы пока еще не можем ответить на вопрос, откуда в океанах взялось такое огромное количество солей. Естественно было бы предположить, что эту соль доставляют реки, текущие по земной коре в течение многих миллионов лет. Конечно, какое-то количество соли реки ежегодно вносят в моря, но оно сравнительно невелико.

Вид, открывающийся с горы Эверест. Породы, которые находятся теперь в Гималайских горах на высоте более 6000 м над уровнем моря, некогда слагали морское дно

Но было бы неправильно считать, что морская и речная соль одинаковы по составу, только в морях соль содержится в большей концентрации. Основную массу солей, растворенных в морской воде, составляют, как мы видели, хлориды, особенно хлористый натрий, в реках же преобладают карбонаты, главным образом карбонат кальция.

Морской прибой постоянно меняет очертания побережья

Чтобы объяснить присутствие солей в океане, было выдвинуто несколько предположений^*. Первое состоит в том, что при образовании первичных морей в них растворились соли, находившиеся в породах, которыми было сложено дно бассейнов. Влияние же рек с тех пор было ничтожно малым. Это объяснение более правдоподобно, чем кажется на первый взгляд. Так как большое количество солей, приносимых реками, выпадает из раствора и осаждается, речной соли хватает только на то, чтобы возмещать происходящие в море потери соли и поддерживать, таким образом, определенную соленость воды, не изменяя ее химического состава. Другое объяснение, более вероятное, связано с жизнедеятельностью морских животных. Возможно, что первоначальный химический состав морской и речной воды был одинаковым, но по мере того как количество обитающих в море существ увеличивалось, они стали потреблять все больше и больше углекислых солей для постройки своих раковин и скелетов. В результате этого в море оказалось относительно большее количество хлоридов, чем в пресной воде. Это влияние морских животных на солевой состав воды в сочетании с действиями подводных вулканов, может быть, достаточно хорошо объясняет, почему между составом солей, содержащихся в современных реках и морях, существует такая большая разница.

^* (В изложении автора имеет место недостаточно четкое разделение двух самостоятельных вопросов - о происхождении солей и о балансе солей в Мировом океане.

Все, что автор пишет о последующей роли рек, о влиянии животных и растительных организмов и, наконец, об убыли солей в связи с поднятием морского дна, объясняет причины сохранения одинаковой концентрации и одинакового состава солей в Мировом океане на протяжении чрезвычайно длительного времени, измеряемого геологическими периодами и даже эрами. (Прим. ред.))

Хотя реки и не изменяют химического состава морской воды, трудно согласиться с теми авторами, которые утверждают, что реки вообще ничего не добавили к солевому составу морской воды. Конечно, по сравнению с огромным количеством растворенных в океане солей поступление солей из рек очень невелико. Оно составляет, согласно некоторым подсчетам, не более двух миллионных от общего количества солей, находящихся в океанах. Однако нельзя забывать, что мы имеем дело с временем в геологических масштабах и что даже такое ничтожное количество солей, ежегодно приносимое в океаны в течение многих сотен миллионов лет, может составить значительную величину. Даже если мы учтем потерю солей в океанах, вызванную такими причинами, как поднятие некоторых прежних морских бассейнов и образование суши на их месте, сейчас в океанах, по-видимому, намного больше соли, чем 2 миллиарда лет тому назад, когда океанические бассейны впервые стали наполняться водой.

Замерзшее море. Плавучие льды и айсберги в Южном океане

Благодаря тому что под действием волн, ветров и течений в море происходит постоянное перемешивание воды, в относительном составе солей в различных районах Мирового океана большой разницы не наблюдается. С другой стороны, соленость, или концентрация солей, в различных частях океана как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении очень различна. Соленость воды в море зависит от трех факторов. Первый, и самый очевидный, фактор - расстояние от источника пресной воды. Вблизи устьев рек, в районах выпадения сильных дождей, у кромки тающих льдов соленость поверхностных вод обычно низкая. В районах, которые менее подвержены этим влияниям, соленость обычно высокая. Я говорю "обычно", так как есть еще один фактор, который оказывает исключительно большое влияние на соленость вод океанов. Этот фактор - скорость испарения.

Общеизвестно, что под действием солнца и ветра с поверхности моря постоянно испаряется огромное количество влаги. Эта влага разносится в другие районы Земли, где большая ее часть выпадает в виде дождя, снега и града. Когда происходит испарение, соли, конечно, остаются в море. Очевидно, что в зонах, где скорость испарения велика, остается относительно больше солей, чем в зонах с меньшей скоростью испарения. Следовательно, в зонах быстрой испаряемости соленость воды обычно высокая.

Столовый айсберг высотой 23 м между Южными Шетландскими и Южными Оркнейскими островами

Однако здесь мы сталкиваемся с некоторыми сложностями. Из того, о чем мы только что говорили, можно было бы заключить, что наибольшая соленость воды должна быть у экватора и что по мере приближения к полюсам она будет уменьшаться. На деле такое заключение оказывается ошибочным. Наибольшая концентрация солей наблюдается не на экваторе, а в районе так называемых поясов солености, расположенных приблизительно вдоль тропиков Рака и Козерога. По обе стороны от этих поясов (по направлению как к экватору, так и к полюсам) соленость воды уменьшается.

Эта тайна разгадывается совсем просто. Палящее солнце и безоблачное небо у тропиков Рака и Козерога вызывают быстрое испарение воды, выпадающей в виде дождя в других районах. Поэтому соленость воды у этих поясов высокая. Уменьшение солености к северу от тропика Рака и к югу от тропика Козерога тоже вполне логично, так как более низкая температура и увеличенная облачность уменьшают скорость испарения. Нужно также иметь в виду, что в районе экватора часто наблюдается плотная облачная завеса, заслоняющая Землю от солнечных лучей. Кроме того, экватор - это зона проливных тропических дождей, опресняющих воду в океанах. Оба эти фактора способствуют тому, что в экваториальных районах содержание соли в воде относительно низкое.

Сильно обтаявший айсберг и разреженные льды

Третьим фактором, определяющим соленость воды, является скорость перемешивания воды с высоким содержанием соли с водой, содержащей меньше соли. Благодаря ветрам и течениям вода в открытом океане постоянно находится в движении. Под влиянием этого движения наблюдается стремление к выравниванию солености в океане. Однако этого не происходит в частично закрытых или внутренних морях, где соленость воды полностью или почти полностью зависит от местных условий. Например, вода в Средиземном и Красном морях очень соленая, а вода Балтийского моря только солоноватая. В 1 л воды Красного моря содержится не менее 40 мг соли, а в 1 л воды Балтийского моря только 7-18 мг. Такое расхождение объясняется тем, что хотя Красное и Средиземное моря и соединяются с океаном узкими Баб-эль-Мандебским и Гибралтарским проливами и, следовательно, смешивание воды здесь - очень незначительно, скорость испарения воды в этих морях очень большая. В Балтийском же море, которое также сообщается с океаном через очень узкие проливы, скорость испарения очень мала, и, кроме того, его воду сильно опресняют дожди и реки.

Теперь познакомимся с техникой измерения солености морской воды. В основном пользуются методом титрования. Он состоит в том, что к пробе воды добавляют некоторое количество азотнокислого серебра, который в соединении с хлористым натрием морской воды выпадает в виде хлористого серебра. Так как отношение количества хлористого натрия к другим растворенным в воде веществам постоянно, то, взвесив осажденное хлористое серебро, можно довольно просто рассчитать соленость воды. Применяются и другие способы измерения солености. Так как показатели преломления света в воде, плотность и электропроводность воды зависят от ее солености, то, определив их, можно измерить соленость воды.

Конец жизни айсберга. Последние скульптурные фрагменты перед окончательным распадом

Достать сами пробы не всегда так легко, как можно было бы себе представить, особенно когда требуется взять пробы с больших глубин или ряд проб из разных слоев воды. Пробы берутся специальным прибором - батометром, укрепленным на тросе. Батометр состоит из металлического цилиндра, при погружении открытого с обоих концов, так что вода свободно проходит через него. Когда наступает время закрыть цилиндр, по тросу спускают посыльный груз цилиндрической формы, который или захлопывает крышку-клапан или приводит в действие два крана, закрывающих цилиндр с обоих концов. Когда на один трос на некотором расстоянии друг от друга навешены несколько приборов для взятия проб на разных глубинах, посыльный груз, закрыв первый прибор, автоматически пропускает дальше другой груз, который спускается по тросу и закрывает следующий прибор, и т. д. При взятии проб от гидрологов требуется много внимания и осторожности.

Большое влияние на химический состав морской воды в различных районах оказывают морские организмы. Они используют для своего питания почти все растворенные в море вещества, хотя в разных количествах. Некоторые вещества, как, например, фосфаты и азотистые соединения, потребляются в особенно больших количествах. Поэтому в густонаселенных районах содержание этих веществ в воде уменьшается. Кроме того, опустившиеся из верхних слоев в толщу воды органические остатки, переносимые течениями из одного района в другой, тоже могут влиять на химический состав воды. Таким образом, учитывая влияние живых существ на солевой состав воды, мы иногда бываем вынуждены вносить поправку в общее правило, по которому соотношение количества разных солей в различных районах океана остается постоянным.

Штормовое море. Штормовые волны у скалистого побережья Гебридских островов

На химические процессы, происходящие в морской воде, очень большое влияние оказывают дрейфующие организмы, входящие в состав планктона, о котором мы будем более подробно говорить во второй части книги. Эти организмы живут на поверхности моря или в приповерхностных слоях воды; отмирая, они падают на дно океана непрерывным дождем. Эти микроскопические или очень небольшие организмы имеют большую площадь поверхности по сравнению с весом тела. Из-за сопротивления воды их погружение происходит очень медленно. Даже такое довольно большое планктонное ракообразное, как копепода, погружается со скоростью около полуметра в минуту. Может пройти много дней, прежде чем его тело достигнет дна. Более мелкие организмы, составляющие огромное большинство планктона, погружаются еще медленнее.

Многие из этих медленно оседающих планктонных организмов еще до своего разложения пожираются животными, остальные, по-видимому, растворяются в морской воде еще до того, как достигнут дна. Количество растворенного органического вещества, которое скапливается таким образом, невероятно огромно. Согласно сделанному недавно подсчету, оно в 300 раз превышает количество всего органического вещества, имеющегося на земле. Только в Атлантическом океане растворенного органического вещества в 20 тысяч раз больше мирового урожая пшеницы за год.

Спокойные прибрежные воды. Заметьте, как волны поворачиваются параллельно берегу по мере уменьшения глубины

Среди ученых существует много точек зрения на то, что происходит в море с этим органическим веществом. Некоторые считают, что оно составляет часть пищи морских животных, которые всасывают его непосредственно; другие высказывают предположение, что это вещество вообще никак не используется. Маловероятно, чтобы органические растворы, находящиеся в глубинных водах, могли подняться на поверхность, так как течения на больших глубинах очень слабые, а в результате перемешивания^* на поверхность с глубин проникает ничтожное количество воды. С другой стороны, возможно, что эти растворенные вещества служат питанием для живущих на дне океана бактерий.

^* (Под перемешиванием автор подразумевает конвективное перемешивание, возникающее вследствие того, что плотность в выше лежащих слоях становится большей, чем в ниже лежащих. (Прим. ред.))

Кроме солей и органических веществ, в морской воде также содержатся растворенные газы. Когда мы говорим о море, мы обычно не думаем о том, что оно наполнено газом, однако если бы в море не было газа, морские животные не могли бы дышать. Три газа, входящих в состав атмосферного воздуха,- кислород, азот и углекислый газ - в больших количествах присутствуют и в морской воде. Часть этих газов образуется в самом море, в результате "жизнедеятельности животных и растений или морских бактерий. Углекислый газ выделяется из вулканических трещин на дне океанов или образуется в процессе гниения органических веществ. Морские бактерии разлагают тела морских животных, при этом выделяется азот. Большое количество кислорода выделяется в процессе фотосинтеза, при помощи которого водоросли и другие растения, используя солнечный свет, создают органические вещества для своего питания. Однако главным источником насыщения морских вод газами является атмосферный воздух. У поверхности моря происходит постоянное смешение воздуха и воды: воздух поглощает влагу, которая уносится морскими ветрами, а атмосферные газы проникают в воду и растворяются в ней.

Количество растворенных в воде газов зависит от трех факторов: температуры воды, парциального давления газов, входящих в состав атмосферного воздуха, и их химического состава.

Катание на досках у Бонди-бич, Сидней, Австралия

Практически для каждого газа два последних фактора можно считать постоянными. Поэтому наиболее важным фактором, влияющим на растворимость газов, является температура воды. В холодной воде растворяется больше газов, чем в теплой. С повышением температуры воды с поверхности моря выделяются газы, подобно тому как выделяется пар из кастрюли с нагреваемой жидкостью. Сильные ветры, доставляющие все новые потоки воздуха к поверхности океана, вздымающиеся волны и летящие во все стороны брызги, намного увеличивающие площадь поверхности воды, способствуют проникновению атмосферного воздуха в воду океана. Стоя на носу корабля и наблюдая, с какой силой набегают друг на друга пенистые волны, невольно начинаешь размышлять о вечной взаимной связи между морем и атмосферой.

Заканчивая главу о морской воде, нельзя не сказать несколько слов о ее цвете. Прежде всего рассмотрим вопрос, с которым любознательные малыши, приезжая на взморье, обычно пристают к своим родителям: "Мама, а почему море синее?". Люди, не видевшие моря дальше наших островов, возможно, попробуют отделаться от этого вопроса, ответив: "Оно совсем не синее, посмотри". Но такой ответ может вызвать только новый вопрос. Несмотря на то что по цвету различные районы моря сильно отличаются друг от друга, представление о море у нас обычно связано с синим цветом. Наблюдения за цветом воды, особенно в средних и низких широтах и в открытом океане, подтверждают правильность этого представления.

Ложе глубоководного моря. Снимок сделан на глубине 5282 м западнее Иберийской абиссальной равнины. След неизвестного животного

Синий цвет моря, так же как и синева неба, объясняется некоторыми свойствами, присущими солнечному лучу. Каждому школьнику должно быть известно (предполагается, что до начала экзаменов), что солнечный спектр состоит из отдельных световых волн различного цвета - от ультрафиолетового до инфракрасного,- имеющих различную длину. Когда солнечный луч проникает в воду, синие лучи - самые короткие лучи спектра, рассеиваясь во всех направлениях, придают воде синий оттенок.

Цвет воды зависит и от характера солнечного луча, падающего на поверхность моря. Если в солнечных лучах отсутствует видимая сине-зеленая часть спектра, они, естественно, не могут придать воде синюю окраску. Человек, приехавший на Средиземное море, может получить урок оптики, наблюдая, как во время захода солнца ярко-синяя вода медленно становится золотой. Этот эффект объясняется тем, что по отношению к точке наблюдения заходящее солнце находится под значительно меньшим углом, чем днем. Так как при этом солнечные лучи должны проходить через более толстый слой земной атмосферы, синие лучи в значительной степени отфильтровываются, не достигнув поверхности моря. Подобный эффект можно наблюдать у берегов Англии, где цвет воды часто меняется вследствие того, что различные облака, проходя по небу и заслоняя собой солнце, задерживают те или другие части спектра солнечных лучей.

'Португальский военный корабль' (физалия) с втянутыми щупальцами

Наименее очевидной и во многих отношениях самой интересной причиной, от которой зависит все разнообразие цветов морской воды, является присутствие в воде взвешенных частиц органического и неорганического происхождения. Если после сильного дождя реки приносят в море множество мелких минеральных частиц, находящихся во взвешенном состоянии, вода приобретает разнообразные оттенки. Различная окраска больших пространств моря объясняется также присутствием в воде планктона или водорослей. Окраска иногда бывает настолько характерной, что моря получали свое название по цвету воды (например, Красное море, своеобразный цвет которого вызван присутствием в нем водоросли Trichodesmium erythraeum, придающей воде красновато-коричневый оттенок; или Багряное море, прежнее название Калифорнийского залива).

Еще многое можно было бы сказать о химических и физических свойствах морской воды, однако подробно рассматривать их изолированно довольно скучно. Там, где это будет нужно, мы будем ссылаться на них по ходу изложения. Теперь же перейдем к рассмотрению некоторых законов, управляющих приливами и течениями, чтобы представить себе всю величественную картину движения воды в океане.

Морские анемоны - животные, имеющие внешнее сходство с растениями