III группа: свойства, важные для физических, геологических и биологических процессов

Плотность. Плотность морской воды изменяется обратно пропорционально темпера­туре и прямо пропорционально содер­жанию солей. В такой жидкой среде, как вода, даже очень небольшие ва­риации плотности могут порождать и поддерживать очень сильные течения. Это создает серьезные трудности для океанологов, которые, для того чтобы рассчитывать океа­нические течения, должны измерять температуру и соле­ность с высокой степенью точности. С точки зрения биолога, плотность воды настолько высока, что морские организмы не тонут в ней; растения не тратят много энер­гии, чтобы шевелить своими отростками, а животные — чтобы двигать конечностями. С точки зрения геолога, плотность воды достаточно высока, чтобы песок и ил мо­гли в ней находиться во взвешенном состоянии и перено­ситься на большие расстояния.

Сжимаемость (степень уменьшения объема воды при увеличении давле­ния). В качестве единицы давления при изучении океанов используется бар; 1 бар определяется как вес столба атмосферного воздуха с единичной площадью сечения (давление на уровне моря равно 1,013 бар, или 1013 мбар). Вода имеет небольшую сжимаемость; при изменении атмосферного давле­ния на уровне моря на I мбар столб океанской воды средней глубины из­меняет свою высоту на 1 см. Для океанологов это свойство важно в чисто практическом смысле: проба воды, поднятая с большой глубины, не ра­зорвет батометр и не нанесет увечья команде. Другое следствие то, что вода легко передает звук (колебания дав­ления) на большие расстояния; поэтому звук является важ­ным средством коммуникации для разнообразных морских организмов. Вследствие малой сжимаемости воды звуковые волны могут распространяться в ней с большой скоростью и почти без затухания. Колебания давления в звуковой волне распространяются со скоростью около 1500 м/с.

Вязкость (внутреннее трение в жидкости; способность воды сопро­тивляться изменению формы). Имея небольшую вязкость, вода с лег­костью турбулизуется. Волны в океанах могут переносить энергию на расстояния в тысячи километров, теряя на трение незначительную ее часть. Морские обитатели могут двигаться в воде без осо­бых затрат энергии; вязкость становится существенной по­мехой лишь при очень малых их размерах. Одноклеточные растения в море проводят свою жизнь практически во взве­шенном состоянии, так как для них вода представляет со­бой очень вязкую среду.

21.Источники поступления и поведение основных компонентов химического состава в морской воде.

Катионы определяются как положительно заряженные частицы. Они попадают в океаны благодаря выветриванию континентальных пород. Основной элемент, поставляющий катионы, — натрий. Хотя эрозия пород является непрерывным процессом в пределах гидрологического цикла, это не означает, что катионы накапливаются в морской воде. Все катионы постепенно удаляются из морской воды, так как попадают в состав донных осадков.

Анионы — это отрицательно заряженные ионы. Основными поставщиками анионов, растворенных в морской воде, являются фумаролы и горячие подводные источники, сопровождающие вулканическую деятельность. Благодаря фумаролам и горячим источникам производится «дегазация» мантийного материала. Вода сама является продуктом дегазации, и океаны образовались в результате ее аккумуляции. Если из глубин Земли постоянно поступает новый материал, логично полагать, что объем океанской воды увеличивается, хотя и с исключительно малой скоростью. Элементы, образующие анионы и не включенные в осадки, называются «избыточными летучими», и основным среди них является хлор.

Каждый тип ионов, проходящий через такой резервуар, как океан, имеет свой собственный, характерный именно для него цикл обращения. Цикл обращения некоторых ионов, например натрия, охватывает миллионы лет. В то же время железо и алюминий проходят через океаны всего лишь за несколько сотен лет.

В целом ионы с низкой реактивной способностью имеют наибольшие времена пребывания; примерами служат натрий, магний, калий и литий. Они встречаются, как правило, в виде свободных ионов, не связанных с другими элементами, и поэтому не принимают в превращениях органического вещества столь активного участия, как алюминий и железо.

Биогенные элементы, микроэлементы и растворенные газы

Биогенные элементы. К основным биогенным элементам относится азот (в виде нитрат-иона NOp), фосфор (в виде фосфат-иона РО ^—) и кремний (в виде кремнекислоты Si(OH)₄). Они играют важную роль в жизни растений, и поэтому их распределение существенно отличается от распределений основных комноцентов (макроэлементов). Концентрации биогенных элементов почти всегда малы в поверхностном слое, где они потребляются растениями, и возрастают с глубиной, так как в глубоких слоях происходит разложение органического материала.

Микроэлементы. Элементы, содержание которых в морской воде незначительно: измеренные концентрации их не превышают 1 млн^-'. Вертикальное распределение некоторых из этих элементов сходно с вертикальным распределением биогенных элементов. Значение их двояко.

1. Биологи обнаружили, что многие морские организмы усваивают ионы некоторых микроэлементов, изменяя их концентрации. Например, отношение концентраций железа и калия в клетке растения гораздо больше, чем в окружающей его морской воде. Так же ведет себя большинство переходных элементов, таких как железо, магний, цинк, медь и кобальт. Эти металлы играют важную роль в формировании активных центров в молекулах ферментов, обеспечивая их специфические функции; атомы таких металлов обычно находят вблизи тех участков молекулы фермента, где происходит химическое взаимодействие между ферментом и субстратом.

2. Из микроэлементов могут состоять частицы, находящиеся в воде во взвешенном состоянии. Так, во всех океанах в очень малых количествах присутствуют мельчайшие частички терригенной пыли, которая поставляется промышленными выбросами, а также такими природными явлениями, как извержения вулканов.

Растворенные газы. Газы, растворенные в морской воде, — это инертные газы, а также основные составляющие атмосферного воздуха — азот и кислород. Углерод, как и в атмосфере, присутствует в виде углекислого газа. Элементарный азот в общем не относят к биогенным элементам, поскольку фитопланктон открытого океана обычно потребляет азот в форме иона NOj~. Важным исключением из этого правила служат сообщества кораллов, где основную растительную продукцию дают синезеленые водоросли, потребляющие азот в виде растворенного газа N₂. Изотоп радона ²²²Rn иногда используют в качестве трассера при изучении движения жидкости вблизи морского дна; этот газ входит в состав выделений из мантии в областях спрединга океанического дна.