Вода Мирового океана

Grandars География Землеведение

Основные физико-химические свойства вод Мирового океана

Вода — простейшее химическое соединение водорода с кислородом, однако океанская вода — универсальный однородный ионизированный раствор, в состав которого входят 75 химических элементов. Это твердые минеральные вещества (соли), газы, а также взвеси органического и неорганического происхождения.

Вола обладает множеством различных физических и химических свойств. Прежде всего они зависят оглавления и температуры окружающей среды. Дадим краткую характеристику некоторым из них.

Вода — это растворитель. Поскольку вода является растворителем, можно судить о том, что все воды — это газо-солевые растворы различного химического состава и различной концентрации.

Соленость океанской, морской и речной воды

Соленость морской воды (табл. 1). Концентрация растворенных в воде веществ характеризуется соленостью, которая измеряется в промилле (%о), т. е. в граммах вещества на 1 кг воды.

Таблица 1. Содержание солей в морской и речной воде (в % всей массы солей)

Основные соединения

Морская вода

Речная вода

Хлориды (NaCI, MgCb)

88,7

5

Сульфаты (MgS04, CaS04, K2S04)

10,8

10

Карбонаты (СаСОд)

0,3

60

Соединения азота, фосфора, кремния, органические и прочие вещества

0,2

25

Всего

100

100

Линии на карте, соединяющие точки с одинаковой соленостью, называют изогалинами.

Соленость пресной воды (см. табл. 1) в среднем равна 0,146 %о, а морской — в среднем 35 %о. Растворенные в воде соли придают ей горько-соленый вкус.

Около 27 из 35 граммов составляет хлористый натрий (поваренная соль), поэтому вода соленая. Соли магния придают ей горький вкус.

Поскольку вода в океанах образовалась из горячих соленых растворов земных недр и газов, соленость ее была изначальной. Есть основания предполагать, что на первых этапах формирования океана его воды по солевому составу мало отличались от речных. Различия наметились и стали усиливаться после преобразования горных пород в результате их выветривания, а также развития биосферы. Современный солевой состав океана, как показывают ископаемые остатки, сложился не позже протерозоя.

Помимо хлоридов, сульфитов и карбонатов в морской воде обнаружены почти все известные на Земле химические элементы, в том числе и благородные металлы. Однако содержание большинства элементов в морской воле ничтожно, например, золота в кубометре воды выявлено лишь 0,008 мг, а на наличие олова и кобальта указывает их присутствие в крови морских животных и в донных осадках.

Соленость океанских вод — величина не постоянная (рис. 1). Она зависит от климата (соотношения осадков и испарения с поверхности океана), образования или таяния льдов, морских течений, вблизи материков — от притока пресных речных вод.

Рис. 1. Зависимость солености вод от широты

В открытом океане соленость колеблется в пределах 32- 38%; в окраинных и средиземных морях колебания ее значительно больше.

Особенно сильно на соленость вод до глубины 200 м влияет количество выпадающих атмосферных осадков и испарение. Исходя из этого можно говорить, что соленость морской воды подвержена закону зональности.

В экваториальных и субэкваториальных районах соленость составляет 34 %с, потому что количество выпадавших осадков больше воды, затраченной на испарение. В тропических и субтропических широтах — 37 так как осадков мало, а испарение велико. В умеренных широтах — 35 %о. Наименьшая соленость морской воды наблюдается в приполярных и полярных областях — всего 32 так как количество осадков превышает испарение.

Морские течения, сток речных вод и айсберги нарушают зональную закономерность солености. Например, в умеренных широтах Северного полушария соленость вод больше около западных берегов материков, куда с помощью течений приносятся более соленые субтропические воды, меньшая соленость воды — у восточных берегов, куда холодные течения приносят менее соленую воду.

Сезонное изменение солености воды происходит в приполярных широтах: осенью за счет образования льда и уменьшения силы речного стока соленость увеличивается, а весной-летом за счет таяния льда и усиления речного стока соленость уменьшается. Вокруг Гренландии и Антарктиды в летний период соленость становится меньше в результате таяния близлежащих айсбергов и ледников.

Самый соленый из всех океанов — Атлантический океан, наименьшую соленость имеют воды Северного Ледовитого океана (особенно у азиатского побережья, близ устьев сибирских рек — менее 10 %о).

Среди частей океана — морей и заливов — максимальная соленость наблюдается в областях, ограниченных пустынями, например, в Красном море — 42 %с, в Персидском заливе — 39 %с.

От солености воды зависят ее плотность, электропроводность, образование льда и многие другие свойства.

Газовый состав океанской воды

Кроме различных солей, в водах Мирового океана растворены разные газы: азот, кислород, диоксид углерода, сероводород и др. Как и в атмосфере, в океанских водах преобладают кислород и азот, но в несколько других пропорциях (например, общее количество свободного кислорода в океане 7480 млрд т, что в 158 раз меньше, чем в атмосфере). Несмотря на то что газы занимают сравнительно мало места в воде, этого достаточно, чтобы оказывать влияние на органическую жизнь и различные биологические процессы.

Количество газов определяется температурой и соленостью вод: чем выше температура и соленость, тем меньше растворимость газов и ниже их содержание в воде.

Так, например, при 25 °С в воде может раствориться до 4,9 см /л кислорода и 9,1 см3/л азота, при 5 °С — соответственно 7,1 и 12,7 см3/л. Из этого вытекают два важных следствия: 1) содержание кислорода в поверхностных водах океана значительно выше в умеренных и особенно полярных широтах, чем в низких (субтропических и тропических), что сказывается на развитии органической жизни — богатстве первых и относительной бедности вторых вод; 2) в одних и тех же широтах содержание кислорода в водах океана зимой выше, чем летом.

Суточные изменения газового состава воды, связанные с колебаниями температуры, невелики.

Наличие в океанской воде кислорода способствует развитию в ней органической жизни и окислению органических и минеральных продуктов. Главным источником кислорода в океанской воде является фитопланктон, называемый «легкими планеты». В основном кислород расходуется на дыхание растений и животных в верхних слоях морских вод и на окисление различных веществ. В интервале глубин 600-2000 м расположен слой кислородного минимума. Небольшое количество кислорода здесь сочетается с повышенным содержанием углекислого газа. Причина — разложение в этом слое воды основной массы поступающего сверху органического вещества и интенсивное растворение биогенного карбоната. Оба процесса нуждаются в свободном кислороде.

Количество азота в морской воде гораздо меньше, чем в атмосфере. Этот газ в основном попадает в воду из воздуха при распаде органических веществ, но также вырабатывается при дыхании морских организмов и их разложении.

В толще воды, в глубоких застойных котловинах, в результате жизнедеятельности организмов происходит образование сероводорода, который является ядовитым и тормозит биологическую продуктивность вод.

Теплоемкость океанских вод

Вода — одно из самых теплоемких тел в природе. Теплоемкость только десяти метрового слоя океана в четыре раза больше теплоемкости всей атмосферы, а слой воды в 1 см поглощает 94 % солнечного тепла, поступающего на ее поверхность (рис. 2). Благодаря этому обстоятельству океан медленно нагревается и медленно отдает тепло. Вследствие высокой теплоемкости все водные объекты являются мощными аккумуляторами тепла. Охлаждаясь, вода постепенно отдает свое тепло в атмосферу. Поэтому Мировой океан выполняет функцию терморегулятора нашей планеты.

Рис. 2. Зависимость теплоемкости волы от температуры

Самую низкую теплопроводность имеет лед и особенно снег. Вследствие этого лед является предохранителем воды на поверхности водоема от переохлаждения, а снег защищает от промерзания почву, озимые культуры.

Теплота испарения воды — 597 кал/г, а теплота плавления — 79,4 кал/г — эти свойства очень важны для живых организмов.

Температура океанских вод

Показатель теплового состояния океана — температура.

Средняя температура океанских вод — 4 °С.

Несмотря на то что поверхностный слой океана выполняет функции терморегулятора Земли, в свою очередь, температура морских вод зависит от теплового баланса (прихода и расхода тепла). Приход тепла складывается из солнечной радиации, а расход — из затрат на испарение воды и турбулентный теплообмен с атмосферой. Несмотря на то что доля тепла, расходуемого на турбулентный теплообмен, не велика, его значение огромно. Именно с его помощью через атмосферу происходит планетарное перераспределение тепла.

На поверхности температура океанских вод колеблется в пределах от -2 °С (температура замерзания) до 29 °С в открытом океане (35,6 °С в Персидском заливе). Среднегодовая температура поверхностных вод Мирового океана составляет 17,4°С, причем в Северном полушарии она примерно на 3 °С выше, чем в Южном. Наибольшая температура поверхностных океанских вод в Северном полушарии — в августе, а наименьшая — в феврале. В Южном полушарии все наоборот.

Поскольку Мировой океан имеет тепловые взаимосвязи с атмосферой, температура поверхностных вод, как и температура воздуха, зависит от широты местности, т. е. подчинена закону зональности (табл. 2). Зональность выражается в постепенном уменьшении температуры воды от экватора к полюсам.

В тропических и умеренных широтах температура воды в основном зависит от морских течений. Так, благодаря теплым течениям в тропических широтах на западе океанов температуры на 5-7 °С выше, чем на востоке. Однако в Северном полушарии вследствие теплых течений на востоке океанов температуры весь год положительные, а на западе из-за холодных течений вода зимой замерзает. В высоких широтах температура во время полярного дня составляет около О °С, а во время полярной ночи подольдом — около -1,5 (-1,7) °С. Здесь на температуру воды в основном влияют ледовые явления. Осенью выделяется теплота, смягчающая температуру воздуха и воды, а весной на таяние льда затрачивается тепло.

Таблица 2. Средние годовые температуры поверхностных вод океанов

Широта

Средняя годовая температура, 'С

Широта

Средняя годовая температура, °С

Северное полушарие

Южное полушарие

Северное полушарие

Южное полушарие

0°

27Л

27,1

50°

7,9

6.4

10°

27,2

25,8

60°

4,8

0,0

20°

25.4

24,0

70°

0,7

-1,3

30°

21,3

19,5

80°

-1,7

-1,7

40°

14,1

13,3

90°

-1,7

-

Самый холодный из всех океанов — Северный Ледовитый, а самый теплый — Тихий океан, гак как основная его площадь располагается в экваториально-тропических широтах (средняя годовая температура поверхности вод -19,1 °С).

Немаловажное влияние на показатель температуры океанической воды оказывает климат окружающих территорий, а также время года, так как от этого зависит солнечное тепло, нагревающее верхний слой Мирового океана. Наибольшая температура воды в Северном полушарии наблюдается в августе, наименьшая — в феврале, а в Южном — наоборот. Суточные колебания температуры морской воды на всех широтах составляют около 1 °С, наибольшие значения годовых колебаний температур наблюдаются в субтропических широтах — 8-10 °С.

Температура океанской воды изменяется и с глубиной. Она понижается и уже на глубине 1000 м практически всюду (в среднем) ниже 5,0 °С. На глубине 2000 м температура воды выравнивается, снижаясь до 2,0-3,0 °С, а в полярных широтах — до десятых градуса выше нуля, после чего она или понижается очень медленно, или даже несколько повышается. Например, в рифтовых зонах океана, где на больших глубинах существуют мощные выходы подземных горячих вод, находящихся под большим давлением, с температурой до 250-300 °С. В целом в Мировом океане по вертикали выделяют два основных слоя воды: теплый поверхностный и мощный холодный, простирающийся до дна. Между ними расположен переходный слой температурного скачка, или главный термоклип, в пределах него происходит резкое понижение температуры.

Эта картина вертикального распределения температуры воды в океане нарушается в высоких широтах, где на глубине 300- 800 м прослеживается слой более теплой и соленой воды, поступившей из умеренных широт (табл. 3).

Таблица 3. Средние величины температуры воды океана, °С

Широты

Глубина, м

0

200

500

2000

4000

5000

Экваториальные

26,65

12,99

8,14

2,69

1,70

1,56

Тропические

26,06

18,06

8,82

2,48

1,56

1,51

Полярная

1,69

1,29

1,83

0,85

0,26

0,57

Изменение объема воды при изменении температуры

Резкое увеличение объема воды при замерзании — это своеобразное свойство воды. При резком понижении температуры и ее переходе через нулевую отметку происходит резкое увеличение объема льда. При увеличении объема лед становится более легким и всплывает на поверхность, становясь менее плотным. Лед предохраняет глубинные слои воды от промерзания, так как является плохим проводником тепла. Более чем на 10 % увеличивается объем льда по сравнению с исходным объемом воды. При нагревании происходит процесс, обратный расширению, — сжатие.

Плотность воды

Температура и соленость — главные факторы, обусловливающие плотность воды.

Для морской воды чем ниже температура и выше соленость, тем больше плотность воды (рис. 3). Так, при солености 35 %о и температуре 0 °С плотность морской воды составляет 1,02813 г/см3 (масса каждого кубометра такой морской воды на 28,13 кг больше, чем соответствующего объема дистиллированной воды). Температура морской воды наибольшей плотности не +4 °С, как у пресной, а отрицательная (-2,47 °С при солености 30 %с и -3,52 °С при солености 35 %о

Рис. 3. Связь плотности морской волы с ее соленостью и температурой

Благодаря нарастанию солености плотность воды увеличивается от экватора к тропикам, а в результате понижения температуры — от умеренных широт к Полярным кругам. Зимой происходит опускание полярных вод и их движение в придонных слоях к экватору, поэтому глубинные воды Мирового океана в целом холодные, но обогащенные кислородом.

Выявлена зависимость плотности воды и от давления (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость плотности морской волы (Л'=35 %о) от давления при различных температурах

0.086 сек.