Розділ 3. Світовий океан та його властивості

Властивості вод Світового океану

Вода — «універсальний розчинник»: у ній, хоча б в малій мірі, здатний розчинитися будь-який з елементів. Вода має найбільшу серед всіх звичайних рідин теплоємність, тобто для її нагрівання на один градус потрібно затратити більше тепла в порівнянні з іншими рідинами. Більше тепла потрібно і на її випаровування. Ці та інші особливості води мають величезне біологічне значення. Так, завдяки високій теплоємності води сезонні коливання температури повітря виявляються менше, ніж це було б в іншому випадку.

Температура всієї маси океанської води близько 4градусов за Цельсієм. Океани холодні. Вода в них прогрівається тільки біля самої поверхні, а з глибиною вона стає холодніше. Тільки 8% вод океану тепліше 10 град., Більше половини холодніше 2.3 град. З глибиною температура змінюється нерівномірно.

Вода — найбільш теплоємність тіло на Землі. Тому океан повільно нагрівається і повільно віддає тепло, служить акумулятором тепла. На його частку припадає понад 2/3 поглиненої сонячної радіації. Вона витрачається на випаровування, на нагрівання верхнього шару води до глибини приблизно 300 м, а також на нагрівання повітря.

Середня температура поверхневих вод океану більш +17 град., Причому в північній півкулі вона на 3 град. вище, ніж у південній. Найбільші температури води в північній півкулі спостерігаються в серпні, найменші - у лютому, в південній півкулі - навпаки. Добові і річні коливання температури води незначні: добові не перевищують 1 град., Річні становлять не більше 5. 10 град. в помірних широтах. 10].

Температура поверхневих вод зональна. У пріекваторіальних широтах температура весь рік 27 … 28 град., В тропічних районах на заході океанів 20 … 25 град., На сході 15 … 20 град. (Через течій). У помірних широтах температура води плавно знижується від 10 до 0 град. в південній півкулі, в північній півкулі за тієї ж тенденції у західних берегів материків тепліше, ніж у східних, теж через течій. У приполярних районах температура води весь рік 0 … -2 град., В центрі Арктики характерні багаторічні льоди потужністю до 5−7 м.

Максимальні температури поверхневих вод спостерігаються в тропічних морях і затоках: у Перській затоці більше 35 град, у Червоному морі 32 град. У придонних шарах Світового океану (М.О.) температури на всіх широтах низькі: від +2 на екваторі до -2 в Арктиці й Антарктиці.

При охолодженні морської води нижче точки замерзання утворюється морський лід.

Льодом постійно покрито 3 — 4% площі океану. Морський лід відрізняється від прісноводного в ряді відносин. У солоної води температура замерзання знижується в міру збільшення солоності. У діапазоні солоності від 30 до 35 проміле точка замерзання змінюється від -1.6 до -1.9 град.

Освіта морського льоду можна розглядати як замерзання прісної води з витісненням солей в осередку морської води усередині товщі льоду. Коли температура досягає точки замерзання, утворюються крижані кристали, які «оточують» не замерзлу воду. Незамерзаючих вода збагачується солями, витісненими кристалами льоду, що призводить до подальшого зниження точки замерзання води в цих осередках. Якщо кристали льоду в повному обсязі оточать збагачену солями незамерзаючих воду, вона буде опускатися і змішуватися з нижележащий морською водою. Якщо процес замерзання розтягнуто в часі, майже весь збагачений солями розсіл піде з льоду і його солоність виявиться близькою до нуля. При швидкому замерзанні велика частина розсолу захопити льодом і його солоність буде майже такою ж, як і солоність навколишнього води.

Зазвичай міцність морського льоду становить одну третину міцності прісноводного льоду тієї ж товщини. Однак старий морський лід (з дуже низькою солоністю) або лід, що утворився при температурі нижче точки кристалізації хлористого натрію, не поступається по міцності прісноводним кригами.

Замерзання морської води відбувається при негативних температурах: при середній солоності - близько -2 град. Чим вище солоність, тим нижче температура замерзання.

Для замерзання морської води необхідно, щоб або глибина була невелика, або нижче поверхневого шару на невеликих глибинах розташовувалася вода з більш високою солоністю. За наявності мілководного галокліна поверхнева вода, навіть охолодити до точки замерзання, буде легше, ніж більш тепла, але більш солона подстилающая вода.

Коли поверхневий шар води охолоне до точки замерзання і перестане заглиблюватися, почнеться льодоутворення. Поверхня моря набуває маслянистий, з особливим свинцевим відтінком вид. У міру зростання крижані кристали стають видимими і набувають форми голок. Ці кристали або голки змерзаються один з одним і утворюють тонкий шар льоду. Цей шар легко згинається під дією хвиль. Із збільшенням товщини лід втрачає еластичність, а потім крижаний покрив розламується на окремі шматки, дрейфуючі самостійно. Стикаючись між собою під час хвилювання, шматки льоду набувають округлі форми. Ці округлі шматки льоду від 50 см до 1 м в діаметрі називаються Блінчатое льодом. На наступному етапі замерзання шматки блінчатого льоду змерзаються і утворюють поля дрейфуючого льоду. Хвилі і припливи знову розламують поля льоду, формуючи гряди торосів, мають у багато разів більшу товщину в порівнянні з початковим крижаним покривом. У крижаному покриві утворюються ділянки чистої води — ополонки, які дозволяють підводним човнам спливати на поверхню навіть у Центральній Арктиці.

Утворення льоду значною мірою зменшує взаємодію океану з атмосферою, затримуючи поширення конвекції в глиб океану. Перенесення тепла повинен здійснюватися вже через лід — вельми поганий провідник тепла.

Товщина арктичного льоду близько 2 м, а температура повітря взимку в районі Північного полюса опускається до — 40 град. Лід діє як ізолятор, оберігаючи океан від вихолажіванія. 11].

Морський лід грає і іншу важливу роль в енергетичному бюджеті океану. Вода — хороший поглинач сонячної енергії. Навпаки, лід, особливо прісний, і сніг — дуже хороші відбивачі. Якщо чиста вода поглинає близько 80% падаючої радіації, то морський лід може відображати до 80%. Так присутність льоду значно зменшує нагрівання земної поверхні.

Льоди ускладнюють судноплавство, з айсбергами пов’язані катастрофи судів.

Айсберги поширюються набагато далі кордону морських льодів. Вони формуються на суші. Хоча лід являє собою тверде тіло, він все ж повільно тече. Сніг, накопичуючись в Гренландії, Антарктиді і горах високих широт, дає початок льодовиках, сповзаючим вниз. На лінії берега величезні блоки льоду відколюються від льодовика, народжуючи айсберги. Оскільки щільність льоду становить близько 90% щільність морської води, айсберги залишаються на плаву. Приблизно 80 — 90% об'єму айсберга знаходиться під водою. Цей обсяг залежить також від кількості повітряних включень. Після свого утворення айсберги захоплюються океанічними течіями і, потрапляючи в більш низькі широти, поступово тануть.

Велика частина айсбергів, які становлять небезпеку для судноводіння, зароджується на західному узбережжі Гренландії, північніше 68 30 пн.ш. Тут близько сотні льодовиків продукують близько 15 000 айсбергів на рік. Спочатку ці айсберги дрейфують на північ разом з Західно-Гренландським перебігом, а потім повертають до півдня, захоплюємося Лабрадорським течією. Найбільше враження справляють айсберги, що відкололися від шельфового льодовика Росса — одного з унікальних явищ Антарктики. Він являє собою дуже потужний по товщині шар льоду, що спускається з материка і знаходиться на плаву. Від льодовика Росса відколюються величезні антарктичні айсберги.

Морський лід солонуватий, але солоність його в кілька разів менше солоності площі М.о. Крім слабосолених морських льодів в океанах є прісноводні річкові та материкові (айсберги) льоди. Під впливом вітрів і течій льоди з полярних районів виносяться в помірні широти і там тануть. розчиненими в ній хлоридами (більше 88%) і сульфатами (близько 11%). Солоний смак воді додає кухонна сіль, гіркий — солі магнію. Для океанської води характерно постійне процентне співвідношення різних солей, незважаючи на різну солоність. Солі, як і сама вода океанів, надходили на земну поверхню насамперед з надр Землі, особливо на зорі її формування. Солі приносяться в океан і річковими водами, багатими карбонатами (більше 60%). Однак, кількість карбонатів в океанській воді не збільшується і складає всього 0.3%. Це пояснюється тим, що вони випадають в осад, а також витрачаються на скелети і раковини тварин, споживаються водоростями, які після відмирання занурюються на дно.

У розподілі солоності поверхневих вод простежується зональність, обумовлена?? насамперед співвідношенням випадних атмосферних опадів і випаровування. Зменшують солоність стік річкових вод та тануть айсберги. У пріекваторіальних широтах, де опадів випадає більше, ніж випаровується, і великий річковий стік, солоність 34−35 проміле. У тропічних широтах мало опадів, але велике випаровування, тому солоність становить 37 проміле. У помірних широтах солоність близька до 35, а в приполярних — найменша (32−33 проміле), тому що кількість опадів тут більше випаровування, великий річковий стік, особливо сибірських річок, багато айсбергів, головним чином навколо Антарктиди і Гренландії. 12].

Широтную закономірність солоності порушують морські течії. Наприклад, в помірних широтах солоність більше у західних узбереж материків, куди надходять тропічні води, менше — у східних берегів, омиваних полярними водами. Найменшою солоністю володіють прибережні води поблизу гирл річок. Максимальна солоність спостерігається в тропічних внутрішніх морях, оточених пустелями. Солоність впливає на інші властивості води, такі, як щільність, температура замерзання і т.д.

Щільність морської води залежить від тиску, температури і солоності. Щільність морської води близька до 1.025 г / см куб. Охолоджуючись, вода стає ще більш важкою. Тиск також збільшує щільність морської води. Тому на глибині 5000 м щільність морської води зростає до 1.050 г / см куб. Як правило, океанографи не вимірюється щільність безпосередньо, вважаючи за краще обчислювати її за даними про температуру, солоності і тиску. Часто їх цікавить залежність щільності морської води тільки від температури і солоності.

Зазвичай щільність, при обчисленні якої тиск не враховується, зростає з глибиною. У цьому випадку говорять, що вода стійко стратифікована. У стратифікованому океані важко переміщати воду поперек ліній постійної щільності, це значно легше зробити вздовж таких ліній. Говорячи мовою фізики, для переміщення води поперек ліній постійної щільності потрібно здійснити роботу — збільшити потенційну енергію. Для переміщення води вздовж ліній постійної щільності потрібно лише подолати тертя води, а морська вода має підвищену «плинністю».

В океані не тільки холодно, а й темно. На глибині понад 100 м неможливо побачити вдень нічого, крім рідкісних біолюмінісцентних спалахів світла від пропливають риб і зоопланктону. На відміну від атмосфери, порівняно прозорою для всіх хвиль електромагнітного спектру, океан непроникний для них. Ні довгі радіохвилі, ні короткохвильове ультрафіолетове випромінювання не можуть проникнути в його глибини.

У будь текучого середовищі, включаючи морську воду, втрати сонячного випромінювання досить добре описуються так званим законом Беера, який свідчить, що кількість енергії, поглиненої на деякій відстані, пропорційно вихідному її кількості. Це дає можливість охарактеризувати морську воду за допомогою коефіцієнта відносного пропускання. Коефіцієнт пропускання змінюється у води в залежності від довжини хвилі випромінювання, і зокрема видима частина спектра сонячного світла пропускається водою значно краще, ніж випромінювання з більш короткими або більш довгими хвилями. Різниця між прісної і солоної морської водою в цьому відношенні не грає ролі.

Встановлено, що на 100-метрову глибину в океан проникає менше 1% сонячної енергії, що досягла поверхні води. 8].

Через непрозорість океану для електромагнітного випромінювання ми позбавлені можливості використовувати радіохвилі та радари для вивчення океану. Поринула підводний човен може прийняти радіоповідомлення тільки через плаваючу на поверхні антену або за допомогою радіопристроїв, що працюють на хвилях такої довжини, при якій закон Беера вже не виконується. З іншого боку, для звукових хвиль океан набагато більш проникний, ніж атмосфера, і з причини своєрідного зміни швидкості звуку у водному товщі він може поширюватися в океані на надзвичайно великі відстані.

Швидкість звуку в океані змінюється залежно від тиску, температури і солоності - 1500 м / с, що в 4 — 5 разів перевищує швидкість звуку в атмосфері. Із збільшенням температури, солоності і тиску швидкість звуку зростає. Швидкість звуку у воді не залежить від його висоти або частоти.

Звук в океані поширюється не по прямій лінії, він завжди відхиляється убік, де швидкість менше.

Відповідно із збільшенням тиску швидкість звуку зростає з глибиною. Спільне вплив температури і тиску зазвичай призводить до того, що десь у проміжному шарі між поверхнею і дном океану швидкість звуку приймає мінімальне значення. Цей шар мінімуму швидкості називають звуковим каналом. Через те, що шлях звуку завжди викривляється убік шару води з меншою швидкістю поширення, шар мінімуму швидкості каналізує звук.

Звуковий канал в океані має властивість безперервності. Він простягається майже від поверхні океанічних вод в полярних широтах до глибини близько 2000 м біля берегів Португалії, при середній глибині близько 700 м. наддалекого поширення звуку в океані пояснюється тим, що і джерело звуку, і уловлювач знаходяться біля осі звукового каналу.

Океанська вода містить солі, гази, тверді частки органічного та неорганічного походження (табл.3.1). По масі вони складають всього 3.5%, але від них залежать певні властивості води. 13].

Більшість з металів у водах океану присутня в морській воді у вкрай малих кількостях.

Таблиця 3.1 Склад морської води.

Як показує таблиця, живі організми витягують метали з морської води. Найчастіше концентрація металів в живих організмах у порівнянні з їх вмістом в морській воді не перевищує концентрації фосфору.

Занурюватися з поверхні океану речовина включає безліч частинок з великою реакційною поверхнею. Частинки з кічі марганцю і заліза також володіють великими активними поверхнями. Деякі з них осідають з верхніх шарів океану, а інші утворюються при окисленні відновленого заліза і марганцю, дифундуючих з донних відкладень або приносяться гарячими водами з області розсовуються серединно-океанічних хребтів. Такі з'єднання захоплюють метали. Найяскравіше підтвердження цьому — залізомарганцевих конкреції на дні океанів, в яких міститься до 1% нікелю і міді, а також багато інші метали.

Подібне загарбання металів ще ефективніше відбувається в прибережних водах, де постійне взмучіваніе наносів і біологічна переробка товщі відкладень забезпечують безперервний потік окисляющегося заліза і марганцю в розчині з донних відкладень.

Після потрапляння металів у донні відкладення, ймовірність їх повторного появи в вишерасположенной товщі води дуже мала, хоча деякий перерозподіл усередині самих відкладень і спостерігається.

Значення м.о. для навколишнього середовища Рух атмосферних фронтів над океаном, циркуляція водних мас, нарешті, тектонічна еволюція дна — всі ці процеси прямо або побічно впливають на середовище, в якому живуть люди. 14].

Якби наша атмосфера складалася тільки з основних газів: азоту, кисню і аргону, то вона була б прозорою для інфрачервоної радіації. У результаті назад відбита від поверхні Землі радіація могла б без зміни пройти через атмосферу. Однак повітря, крім трьох основних газів, містить невелику кількість вуглекислого газу (0,03%) і водяної пари. І вуглекислий газ, і водяні пари в атмосфері сильно адсорбують інфрачервону радіацію. Крім того, при конденсації водяної пари утворюються хмари, які відображають і розсіюють вступник сонячне світло.

Перенесення тепла від земної поверхні в атмосферу відбувається трьома шляхами. Частина енергії переноситься тепловим випромінюванням. Частина перенесення здійснюється нагріванням повітря, який входить в контакт із сушею. Проте найбільша частина перенесення здійснюється випаровуванням води. Водяні пари, піднімаючись в атмосферу, конденсуються в різні види хмар і випадають опади (дощ або сніг), і таким чином атмосфера отримує тепло за рахунок випаровування.

На Землі вода відіграє важливу роль як акумулятор тепла, тому що вона поглинає інфрачервону радіацію, а також внаслідок механізму випаровування і конденсації. Над посушливими районами ці впливи зменшуються, і тому саме тут ми спостерігаємо найбільші добові і річні амплітуди температури. З іншого боку, у вологих океанічних районах спостерігаються найменші зміни температури. Крім того, так як океан є великим резервуаром тепла в порівнянні з сушею, він зберігає великі кількості тепла і надалі таким чином послаблює річні коливання температури. Надходить на Землю сонячна радіація взаємодіє з атмосферою, хмарами і поверхнею Землі. Енергія переноситься від екватора в напрямку до полюса вітрами і океанічними течіями, які обумовлені різним нагріванням земної поверхні. Світовий океан грає важливу роль в енергетичному балансі Землі. 9].