Этот неизвестный океан. Как работают приливы, рождаются шторма и живут невидимые создания в морских глубинах: читать начало книги онлайн

Пуд соли для океана

Почему вода в море соленая? Основная причина в том, что, когда вода испаряется с поверхности моря, то есть переходит из жидкой фазы в газообразную, соль не испаряется, а остается в море. Реки, образующиеся из атмосферных осадков или в результате таяния ледников, имеют практически нулевую соленость. Тем не менее, пока реки текут по суше и взаимодействуют с ней, они вымывают горные породы. Поэтому в речной воде накапливаются в относительно небольших концентрациях (по сравнению с морской водой) разные растворенные вещества, в том числе и соль. Так миллиарды лет соль вымывается реками из суши и выносится в Мировой океан, где и остается. Именно поэтому соленость морской воды на несколько порядков выше солености рек. Существуют некоторые механизмы выведения соли из морской воды, в частности ее выпадение в виде осадка на дно, однако эти процессы достаточно медленные. Именно поэтому большая часть соли и вообще растворенных веществ, которые попадают в морскую воду, в морской воде и остаются.

В различных концентрациях в водах Мирового океана присутствуют почти все элементы таблицы Менделеева. Основной вклад в соленость океана вносят хлориды, а именно, натрий хлор (85%), а также сульфаты, гидрокарбонаты и другие соединения, представленные солями брома, фтора, калия, натрия, магния, кальция и стронция. Композиция растворенных солей (или солевой состав) в океане очень однородна: соленость в океане может быть немного больше или меньше в разных частях океана, а соотношение концентраций различных солей в открытом океане везде одно и то же. Это связано с тем, что открытый океан непрерывно перемешивается и по горизонтали, и по вертикали и солевой состав в нем выравнивается.

В составе морской воды, кроме солей, также находятся так называемые биогенные вещества – растворенные углерод, азот, фосфор, кремний, железо и другие. Они необходимы для постройки тел многих морских организмов, поэтому являются основой развития жизни в океане. Кроме того, в океане растворены многие газы: кислород, азот, углекислый газ, сероводород, метан и другие. Мировой океан играет важную роль в регулировании концентрации этих газов в атмосфере, что, в частности, влияет на климат Земли через парниковый эффект. Из-за деятельности человека парниковых газов выбрасывается больше, чем поглощается природным образом. От изменения свойств океана – в первую очередь температуры поверхностного слоя – зависит, насколько больше или меньше он будет поглощать парниковых газов, а это определяет усиление или ослабление глобального парникового эффекта.

Что может уменьшить соленость морских вод? Основные причины опреснения морских акваторий – реки, атмосферные осадки и таяние морского льда. Осадки и таяние льда, как правило, вносят небольшой и кратковременный вклад в уменьшение солености океана, не более нескольких промилле. А вот крупные реки действительно могут сильно опреснить то или иное полуизолированное море или морской залив. Увеличивать соленость морских вод могут два процесса, обратных процессам опреснения: испарение и выделение соли в процессе образования льда. Когда морская вода замерзает, часть соли не попадает в лед, а выпадает в море виде рассола.

Соленость в большей части Мирового океана достаточно однородна и составляет 32–35 промилле, то есть 3,2–3,5% от массы воды. Однако в океане есть области, где соленость сильно отличается от характерных значений. Это свойственно внутренним морям, то есть морям, водообмен которых с открытым океаном сильно ограничен и происходит через узкие проливы. Воды внутренних морей перемешиваются с водами открытого океана достаточно медленно, поэтому в них могут сформироваться аномально высокие или низкие значения солености.

Если в полуизолированное море или морской залив впадают крупные реки, и это происходит в зоне с относительно прохладным климатом, где испарение с поверхности воды невелико, то такая акватория сильно опресняется. Таких акваторий в океане достаточно много, наиболее крупные – Балтийское море, Карское море, море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Азовское море, Бенгальский залив, Гудзонов залив. Опреснение поверхностного слоя может влиять и на глубинные воды. Так, в Черном море поверхностная соленость в два раза ниже средней солености Мирового океана из-за большого количества речных вод, поступающих из Дуная, Днепра, Днестра и других рек. Кроме того, у Черного моря очень ограниченный водообмен со Средиземным морем через узкие и неглубокие проливы Босфор и Дарданеллы. При этом, начиная с глубин в 150–200 метров, соленость воды в Черном море повышается на 10–20%. Из-за значительного перепада солености между верхним слоем и глубинными водами между ними практически отсутствует перемешивание. Это приводит к тому, что кислород из атмосферы проникает только в поверхностный слой и не попадает ниже стометровой глубины. В результате органика, которая отмирает в верхнем слое и оседает на дно моря, разлагается в бескислородной среде, что приводит к образованию сероводорода и сероводородному заражению глубинных вод Черного моря.

А какие места в океане самые соленые? Это тоже изолированные моря, но находящиеся в жарком климате, где очень сильное испарение. Самое сильное осолонение в Красном море и Персидском заливе, соленость в них достигает 40–41‰, несколько меньше – в Средиземном море, до 38–39‰. Надо сказать, что если самые пресные области Мирового океана могут быть в два или более раз преснее, чем в среднем Мировой океан, то самые соленые акватории Мирового океана всего лишь на 15–20% более соленые.

Что же дальше происходит с более соленой и более пресной морской водой, когда она все-таки попадает из своих полуизолированных акваторий в Мировой океан? Более пресная морская вода остается на поверхности из-за того, что у нее пониженная плотность. В открытом океане на поверхность моря воздействует ветер, что вызывает интенсивное перемешивание. Поэтому соленость опресненных вод достаточно быстро повышается до средней океанической солености. Более соленые воды, наоборот, более тяжелые, поэтому, попадая в открытое море, они погружаются на большие глубины. Так как на больших глубинах перемешивание слабое, осолоненные воды могут формировать стабильные водные массы в промежуточных и придонных слоях, что и происходит в Атлантическом океане с водами из Средиземного моря и в Индийском океане с водами из Красного моря и Персидского залива.

Еще одно важное свойство морской воды – изменение ее плотности в зависимости от температуры и солености. Когда замерзает пресная вода в реке или озере, вода на поверхности остывает до температуры в 0 °C и, оставаясь на поверхности, замерзает, превращается в лед. В результате этого пресноводные водоемы замерзают достаточно быстро. Океан же замерзает медленно, потому что у морской воды при охлаждении плотность существенно увеличивается. Морская вода на поверхности моря охлаждается до температуры 4 °C, при которой достигается максимальная плотность. Вода становится более тяжелой и опускается вниз. На ее место поднимается вода еще не охлажденная и поэтому более легкая. Далее вода на поверхности опять охлаждается до 4 °C, опускается вниз, а на ее место опять поднимается еще не охлажденная вода, и все повторяется. Из-за этого океан замерзает гораздо дольше, чем пресноводные водоемы. Чтобы лед образовался на поверхности океана, необходимо охладить не верхние 10–20 сантиметров воды, как в случае пресноводных водоемов, а десятки и даже сотни метров. Из-за этого в некоторых полярных районах океана лед вообще не образуется, хотя температура воздуха там может быть достаточно низкой: за несколько месяцев холодного периода слой в сотни метров морской воды просто не успевает охладиться до температуры замерзания.

У морской воды есть очень характерные органолептические свойства – то, как наши органы чувств, то есть глаза, нос и рот, воспринимают цвет, запах и вкус морской воды. Сама по себе морская вода прозрачна, но в ней всегда плавает что-то еще: кусочки земли или ила, планктон, растворенное органическое вещество. Все это ухудшает прозрачность воды и придает ей какой-то оттенок. Морская вода может быть коричневой около устьев рек или зеленой в случае активного цветения фитопланктона. Прозрачность моря измеряется с помощью диска Секки, это просто металлический диск диаметром около 30 сантиметров, покрашенный белой или черной и белой краской. Его постепенно опускают в воду и фиксируют глубину, на которой он становится полностью не виден. Минимальные значения этой глубины могут быть 10–20 сантиметров, если вода очень мутная. Максимальные глубины, на которых можно различить диск Секки, – 50–70 метров, это возможно в самых чистых и прозрачных океанических акваториях. Рекорд в 80 метров был поставлен в море Уэдделла у берегов Антарктиды.

В большинстве случаев, когда сторонних примесей в морской воде немного, цвет у нее синий, ведь он медленнее всего поглощается в морской воде. Красный свет исчезает уже на глубине в несколько метров, желтый – на глубине 20–30 метров. Глаза глубоководных животных не различают красный цвет, поэтому можно проводить съемку подводной фауны, подсвечивая пространство перед камерой красным светом. Люди потом на видеозаписи увидят то, что было подсвечено красным, а среди снимаемых животных никто этот свет даже не заметит. Глубоководные рыбы часто и окрашены в этот незаметный красный цвет. По каким-то причинам рыбам гораздо проще вырабатывать красный пигмент для кожи, чем черный, и красный так же эффективно скрывает, как и черный.

У морской воды есть и свой ярко выраженный запах, тот самый аромат моря. Главный источник этого запаха – диметилсульфид, который вырабатывают бактерии при разложении мертвого фитопланктона. Свой вклад в морской запах вносят и водоросли и вырабатываемые ими соединения брома и йода. Сильный запах моря – верный признак повышенной биологической продуктивности!

Вкус у морской воды тоже очень характерный, горько-соленый. Соленость воде придает хлорид натрия, то есть обычная поваренная соль, которая составляет около 80% солевого состава морской воды. Горечь – это вклад хлорида магния, на который приходится еще 10%. Сульфаты магния и калия (еще 7%) придают менее явный металлический вкус. Из-за своего солевого состава морская вода вредна для человеческого организма, и пить ее нельзя. Употребление слишком соленой воды запускает процесс извлечения жидкости из клеток и межклеточного пространства, что приводит к постепенному обезвоживанию. Кроме того, сульфат магния обладает слабительным эффектом, и утоление жажды морской водой приводит к диарее и усиливает обезвоживание. Рыбы прекрасно пьют морскую воду, а человеку для утоления жажды не стоит пить ничего соленее минеральной воды. Это большая проблема для людей, оказавшихся без средств к существованию посреди океана, например, в результате кораблекрушения.

В середине 20 века француз Ален Бомбар задался целью опровергнуть биологические законы. Он отправился в плаванье через Атлантический океан в одиночку на маленькой резиновой лодке. Питаться он собирался планктоном (который он ловил носком) и сырой рыбой, а пить – сок, выжатый из рыб (каждые 4 из 5 дней), и морскую воду (в оставшийся пятый день цикла). Бомбару действительно удалось пересечь Атлантику от Канарских островов до Барбадоса за 65 дней и не умереть, хотя к концу путешествия он был уже очень близок к этому состоянию. По итогам своего путешествия он написал книгу «За бортом по своей воле», которая стала гимном безграничным человеческим возможностям и получила в те годы огромную популярность. Многие моряки, правда, подвергали большим и обоснованным сомнениям описанное в книге, в том числе то, что Бомбар действительно полностью обошелся без запасов еды и воды.

2. Морская геология

Подвижное дно океана

Что представляет собой Мировой океан? Это непрерывная водная оболочка земного шара, которая занимает впадины на нашей планете. Воды Мирового океана – это тонкая прослойка между твердой литосферой и газовой атмосферой. А откуда вообще взялась эта водная оболочка, откуда взялась вода на нашей планете? И как на ней появились впадины, которые занимает Мировой океан? Ответы на эти базовые вопросы не так и просты, и человечество нашло их лишь сравнительно недавно.

Вопрос о времени образования океанов до сих пор вызывает много споров среди ученых. Вода на Земле появилась в далекое даже по геологическим меркам время. Этот процесс происходил 3–4,5 миллиарда лет назад, когда планета только формировалась. Наиболее ранние представители живых форм (бактерии, археи и сине-зеленые водоросли), известные в настоящее время, жили 3,8 миллиарда лет назад. С этого времени считается доказанным существование скоплений водных растворов на Земле. Про сам процесс происхождения воды на Земле мы знаем достаточно мало, но по ряду косвенных признаков удалось создать две основные теории. Первая связывает происхождение воды с кометами и метеоритами: они падали на Землю и приносили с собой – в своем составе – воду. Вторая теория не предполагает вмешательства извне: когда-то Земля представляла собой жидкий расплавленный шар, и со временем более тяжелые вещества погрузились в центр шара и образовали железное ядро Земли, а более легкие, наоборот, были вытеснены наверх, создав мантию и земную кору. В процессе дегазации мантии и земной коры, а также вулканической активности на Земле появилась вода. Независимо от того, какой процесс был решающим для появления воды на Земле, на поверхности нашей планеты воды очень много. И большая часть этой воды содержится в Мировом океане, то есть в понижениях земной поверхности.

Рис. 21.Материковое и океаническое полушария

Воды океанов и морей на Земле распространены неравномерно. Условно поверхность Земли можно разделить на два одинаковых по площади полушария. В одном полушарии сосредоточена большая часть суши (материковое полушарие) – Евразия, Северная Америка и большая часть Африки. В другом – больше воды (океаническое полушарие); здесь находится небольшая часть Южной Америки, а также Австралия, Антарктида и часть австралийских и азиатских островов.

Если изучить и измерить рельеф всей планеты Земля, то можно составить гипсографическую кривую Земли, то есть на распределение высот и глубин на земном шаре, и увидеть, что оно очень неравномерное. На всем диапазоне значений – от –11 022 метров (глубина Марианской впадины) до +8848 метров (высота Эвереста) – есть два сегмента, которым соответствует большая часть поверхности нашего земного шара. Примерно четверть площади поверхности Земли приходится на первый сегмент – от –200 до +900 метров, – что соответствует невысокой суше и неглубокому морю. Второй сегмент – морские глубины от 3 до 6 километров – занимает около половины площади поверхности Земли.

Геологические исследования показали, что эти два максимума соответствуют двум типам земной коры – континентальной и океанической. Каким же образом они связаны? Для этого надо обратиться к строению Земли. Большая часть Земли состоит из ядра и мантии. Земная кора и верхняя часть мантии (до глубин 100 километров под океанами и 350 километров под континентами) образуют твердую литосферу, которая разбита на блоки двух типов – континентальные и океанические. Они и составляют твердую поверхность суши и дна Мирового океана.

Рис. 22.Гипсографическая кривая Земли

Строение земной коры под океанами отличается от строения земной коры у континентов. Океаническая кора довольно тонкая – около 10 километров, поэтому она невысоко поднимается над мантией. Половина поверхности Земли, занятая глубинами от 3 до 6 километров, – это и есть проявление наиболее типичной мощности (то есть толщины) океанической коры. Континентальная кора имеет мощность в разы больше, от 15–20 до 70–75 км, поэтому она возвышается над мантией гораздо сильнее. При этом ее минимальные значения присущи шельфовым морям, а максимальные – молодым горным сооружениям (Анды, Памир, Гималаи).

Кроме того, континентальная и океаническая кора имеют очень разный возраст. Вся океаническая кора под современными океанами сформировалась не раньше 200 миллионов лет назад (то есть вся она моложе 200 миллионов лет), а большая часть континентальной – не менее, чем 2,5 миллиарда лет назад (то есть почти вся она старше 2,5 миллиарда лет). Таким образом, океаническая кора гораздо моложе, чем континентальная.