Файл: Океанография и морская метеорология учебник..pdf

личество миллилитров газа, растворенных в одном лит­ ре воды (мл/л), либо в атомной форме — в миллиграмматомах на один литр воды (мг-атом/л) путем деления величины абсолютной концентрации на его атомную массу. Содержание кислорода часто выражают в отно­ сительной форме— в процентах от его насыщающего количества, причем за насыщающее принимают то ко­ личество газа, которое может раствориться в воде дан­ ной температуры и солености при нормальной сухой ат­ мосфере и давлении 760 мм рт. ст.

Атмосферный воздух состоит главным образом из азота и кислорода, смешанных в пропорции 1 :4 (78% N2 и 21% 0 2). В морской воде соотношение между количе­ ством этих газов выражается большим отношением (1:2), так как морская вода лучше растворяет кисло­ род, чем азот. Это отношение еще больше у двуокиси углерода: его растворимость в морской воде примерно

в 80 раз больше растворимости азота и в 40 раз больше растворимости кислорода.

Особенно большое значение для развития жизни в океане имеет растворенный кислород. В отличие от хи­ мически инертного азота кислород в океане принимает весьма активное участие в существующих повсюду про­ цессах окисления веществ и дыхания организмов. Со­ держание кислорода в воде весьма изменчиво; оно за­ висит от интенсивности поглощения водой атмосферного кислорода и от выделения из воды свободного кислоро­ да при фотосинтезе. Присутствующий в клетках зеленых водорослей хлорофилл является основным звеном, свя­ зывающим энергию Солнца с жизнью в океане. В про­ цессе фотосинтеза организмы преобразуют электромаг­ нитную энергию света в химическую, используя реак­ цию между двуокисью углерода С 02 и водой. При этом образуются органические вещества—углеводы, выде­ ляется молекулярный кислород и восстанавливается углерод. Концентрация кислорода в океане изменяется в довольно широких пределах, достигая в исключи­ тельных случаях 8—10 мл/л. Сезонные изменения содер­ жания .кислорода отмечаются лишь в пределах верхней зоны до глубин 100—300 м, где происходит наиболее интенсивный обмен с атмосферой и в воду проникает свет (до глубин 80—200 м) в количествах, достаточных для фотосинтеза.

98

Суточный ход содержания кислорода обусловлен су­ точным ходом интенсивности фотосинтеза, зависящим в свою очередь от периодических суточных изменений ос­ вещенности и температуры морской воды. Распределе­ ние кислорода с глубиной сложно и определяется как динамическими, так и гидробиологическими факторами. Характерной чертой в распределении кислорода с глу­ биной является наличие слоя минимума кислорода на глубинах 100—700 м с очень малым его содержание?*і. Нарушение водообмена, затрудняющее передачу кисло­ рода на глубины, приводит иногда к понижению его со­ держания и даже полному исчезновению, а также к по­ явлению сероводорода (Черное море) [1]. В то же время при наличии водообмена даже в наиболее глубоковод­ ных впадинах содержание кислорода довольно высоко (до 3—4 мл/л во впадинах Тихого океана).

Знание распределения растворенного кислорода и других газов помогает пониманию многих процессов и явлений, протекающих в океане.

Биогенные элементы. В результате фотосинтеза в клетках зеленых водорослей возникает запас свободной энергии, которая используется в процессах живого орга­ низма. В клетке к углеводам присоединяются азот, фос­ фор и другие элементы, образуя различные белки — ос­ нову жизни, составные части каждого живого организ­ ма. К биогенным элементам относятся различные соединения фосфора, азота, кремния, растворенные в воде и тесно связанные с жизнью в океане. Концентра­ ция биогенных элементов в морской воде обусловлена главным образом биологическими и биохимическими процессами. Источниками этих соединений в океане служат выносы рек, растворение донных отложений, процессы распада тканей, скелетов и панцирей погиб­ ших организмов.

Органические вещества. Они присутствуют в океане в виде различных организмов — животных, растений, бактерий и продуктов неполного распада отмерших ор­ ганизмов— растворенных органических веществ.

Животные организмы в океане имеют чрезвычайно многообразные и сложные формы. В их составе обнару­ жено до 60 элементов, но главные части живого веще­ ства — водород, углерод, кислород, азот и фосфор. Дея­ тельность живых организмов является важнейшей при-

99

чиной изменения химического состава океана — содер­ жания газов, биогенных веществ и микроэлементов, а также причиной круговорота веществ (см. § 15).

Водные организмы не. только тесно связаны с хими­ ческим составом, но и оказывают существенное влия­ ние на распространение акустической, световой и дру­ гих форм энергии в океане. Они непосредственно воз­ действуют на корабли, оружие и боевые технические средства ВМФ, в связи с чем вызывают всевозрастаю­ щий интерес у специалистов флота самых разнообраз­ ных направлений.

Состав растворенных органических веществ в океане весьма сложен и еще недостаточно изучен вследствие чрезвычайно низких концентраций.

Микроэлементы. В эту группу входят все прочие эле­ менты, не вошедшие в перечисленные выше группы и содержащиеся в океане в виде следов, в очень малых концентрациях (менее 0,001%о). Часть из них не обла­ дает радиоактивностью (стабильные микроэлементы), другая часть обладает радиоактивностью (естественные радиоактивные элементы).

На Земле все без исключения воды — и поверхност­ ные, и подземные — обладают радиоактивностью. И хотя в Мировом океане содержится около 184 млрд, т радио­ активных изотопов, обладающих общей радиоактивно­ стью 4,7 -10й Ки *, однако по сравнению с общим коли­ чеством растворенных солей (49,2 млн. млрд, т) эта цифра мала. Удельное значение радиоактивности вод океана в десятки раз меньше, чем пород суши.

Радиоактивность вод океана обусловлена поступле­ нием радиоактивных элементов (изотопов калия, руби­ дия, урана, тория, радия и др.) из горных пород, со дна океана, из речных вод и атмосферных осадков. Содер­ жание этих элементов в морской воде ничтожно. Ка­ лий-40, содержащийся в морской воде в наибольшей концентрации (4,5■10-8 г/мл), обладает удельной ра­ диоактивностью 300-10-12 Ки/л и создает почти весь радиоактивный фон океана. Некоторое значение для ра­

100

диоактивности океана имеет еще Rb87, прочие же ра­

диоактивные элементы проявляют ничтожную актив­ ность.

Однако с развитием атомной энергетики и проведе­ нием испытаний термоядерного оружия возросла искус­ ственная радиоактивность океана. По ориентировочным подсчетам к концу XX в. искусственная радиоактивность вод океана в несколько раз превысит естественную. При взрывах термоядерного оружия образуется боль­ шое количество радиоактивных изотопов, из которых наибольшую опасность представляет долгоживущий стронций-90, обладающий способностью накапливаться в живых организмах. Некоторые изотопы возникают как продукты деления ядер, другие — как искусственные элементы при воздействии радиоактивных излучений на горные породы, воду и газы атмосферы [1].

Радиоактивные элементы сорбируются минеральны­ ми и органическими взвесями, ассимилируются живыми организмами, а часть остается в океане в растворенном состоянии и в виде медленно оседающих взвесей. Ис­ следования показывают, что радиоактивность в Миро­ вом океане по глубинам распределена примерно одина­ ково. В поверхностном слое над слоем скачка плотности отмечаются наибольшие значения радиоактивности, рав­ номерно распределенной по глубине. В слое скачка про­ исходит резкое уменьшение радиоактивности. Ниже слоя скачка радиоактивность незначительна и близка к естественной. Например, содержание стронция-90 с увеличением глубины от 0 до 1000 м уменьшается по­ всеместно в Мировом океане почти в 8 раз.

§ 11. ПЛОТНОСТЬ ВОД ОКЕАНОВ И МОРЕЙ

Основные определения. В океанографии помимо об­ щепринятой пользуются относительной плотностью, т. е. безразмерным отношением массы некоторого объема морской воды при данной температуре t к массе такого же объема дистиллированной воды при температуре

наибольшей плотности (4°) и обозначают символом s-^-.

За единицу плотности морской воды, таким образом, принимается плотность дистиллированной воды при тем­ пературе 4°.

101

Величина, обратная плотности, называется удельным

объемом морской воды и обозначается символом я — :

(3.34)

Относительным удельным весом морской воды назы­ вается безразмерное отношение веса некоторого объема морской воды при определенной температуре к весу та­ кого же объема дистиллированной воды также при определенной температуре.

Так, при температуре морской воды, равной 0°, и ди­ стиллированной, равной 4°, удельный вес морской воды

При таком определении очевидно, что плотность морской воды численно равна ее удельному весу, так как

где Р — вес; т — масса;

g — ускорение свободного падения.

Так как плотность морской воды всегда начинается с единицы, то для сокращения записи единицу отбра­ сывают, запятую переносят вправо на три знака, а по­ лученную величину называют ' условной плотностью и обозначают символом at:

(3.36)

Пример, s = 1,02830; а, = 28,30.

По аналогии:

— стандартный условный удельный вес

(3.37)

102

— условный удельный вес при температуре 17,5°

для перехода от условного удельного веса p^.s к услов­ ной плотности при данной температуре at’.

Таблицы 10 и 11 позволяют вычислять at и vt по температуре и солености морской воды, однако более удобно пользоваться специальными графиками [31].

С помощью таблиц 12, 13 можно пересчитать услов­ ную плотность at в условный удельный объем щ и об­ ратно.

При многих океанографических и военно-приклад­ ных расчетах необходимо учитывать сжимаемость мор­ ской воды для нахождения ее плотности in situ, кото­ рая оказывается равной

воды, зависящий от ее температуры и солено­ сти, который может быть выбран из табли­ цы 14 [24].

103

Практические расчеты условной плотности а5і / целесообразно выполнять по схеме В. Б. Бьеркнеса,

шивину удалось для наиболее активного 500-метрового слоя значительно упростить рабочие формулы для вы­

/ — температура, °C; S — соленость, % 0; Z — глубина, M.

104