курс лекций

Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

53

Тепловые свойства Мирового океана. Теплоемкость морской воды — это количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 г морской воды на 1 С. За единицу теплоемкости принята 1 калория, равная количеству тепла, необходимого для повышения температуры 1 г дистиллированной воды от 14,5 до 15,5 С.

Теплоемкость воды выше, чем у всех других веществ, за исключением водорода (3,4 кал) и жидкого аммиака (1,2 кал). Теплоемкость морской воды ниже, чем теплоемкость пресной воды, она уменьшается с увеличением температуры и солености воды. Вследствие большой теплоемкости морской воды Мировой океан медленно прогревается и медленно остывает. Под теплотой испарения понимается то количество теплоты, которое требуется для поддержания неизменной температуры при испарении (или, наоборот, при конденсации) 1 г жидкости. Теплота испарения у воды больше, чем у какого-либо другого вещества. Это обстоятельство имеет огромное значение для тепловых процессов в море и атмосфере, так как большая часть солнечной энергии расходуется на испарение воды в море. Считается, что в среднем за год с поверхности океана испаряется слой высотой около 1 м.

Температура кипения морской воды отличается от температуры кипения пресной воды. С увеличением солености температура кипения немного увеличивается. На температуру воды очень большое влияние оказывает давление. Если некоторый объем воды перенести с поверхности моря на некоторую глубину, то вследствие сжимаемости воды этот объем уменьшается, а температура повышается. Это повышение произойдет не за счет притока тепла со стороны, а исключительно за счет внутренней энергии вещества. Такое изменение температуры называется адиабатичес-

êèì.

Тепловой баланс. На поверхности океанов и морей происходят сложные тепловые процессы. Некоторые их них приводят к потере тепла водой, другие же сопровождаются притоком тепла в воду. Основным источником прихода тепла является солнце. Тепло поступает от солнца в виде коротковолновой солнечной радиации, рассеянной атмосферой. Часть такой суммарной солнечной радиации не воспринимается водой, а отражается обратно в атмосферу (отраженная радиация). Значительную роль играет приход тепла в результате конденсации паров воды на водной поверхности. В некоторых морях существенное значение имеет поступле-

54	Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

ние или расход тепла в процессе водообмена между соседними водоемами.

В полярных морях необходимо считаться с теплом, выделяемым при образовании льда, и теплом, затрачиваемым на его таяние. Некоторые небольшие изменения в общий приход-расход тепла моря вносят неодинаково нагретые материковые воды и поступающие на его акваторию атмосферные осадки.

Алгебраическая сумма количества тепла, поступающего в воду и испаряемого водой в итоге всех тепловых процессов, называется тепловым балансом моря.

Составляющие теплового баланса вычисляются обычно в калориях на 1 см в сутки (кал/см в сутки). Верхним тонким слоем воды толщиной в 1 см поглощается 94 % поступающей на поверхность океана солнечной энергии. Вследствие перемешивания происходит передача тепла всей толще воды океана.

Тепловой баланс океана преимущественно составляют:

радиационный баланс (суммарная солнечная радиация минус обратное излучение океана);

потеря тепла на испарение;

турбулентный теплообмен между поверхностью океана и атмосферой;

внутренний теплообмен (между поверхностью океана и нижележащими слоями).

Кроме того, в общем тепловом балансе океана участвуют:

внутреннее тепло, передаваемое океану Землей;

нагревание и охлаждение океана, с происходящими в нем химическими процессами;

переход кинетической энергии в тепловую;

выделение тепла при конденсации водяных паров на поверхности океана.

Величина последних четырех характеристик крайне незначи- тельная (каждая из них менее одной тысячной доли солнечной радиации). Поэтому при рассмотрении общего теплового баланса океана они обычно не учитываются. Суммарная радиация увели- чивается от высоких широт к низким, достигая максимума около

20 с. ш. и 20 ю. ш., что объясняется малой облачностью в этих широтах, характеризующихся высоким давлением атмосферы. Наибольшая затрата тепла на испарение отмечается также в районах высокого атмосферного давления. Турбулентный теплообмен в тропических и умеренных широтах меньше других основ-

Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

55

ных составляющих теплового баланса. Нарастание его с широтой

связано с увеличением разности температур воды и воздуха. Океан поглощает тепло в поясе 30 с. ш. — 30 ю. ш. и постепенно от-

дает его атмосфере в более высоких широтах. Это важный фактор смягчения климата умеренных и полярных широт в холодную половину года. В результате испарения и турбулентного теплообмена с поверхности океана атмосфере передается 82 ккал/см2 в год, в то время как с поверхности суши — только 49 ккал/см2 в год. Отсюда следует, что океан служит главным фактором в формировании климата и погоды на Земле. Неравномерное поступление солнечного тепла на поверхность океана и изменчивость атмосферных процессов оказывают непосредственное влияние на

температуру, соленость и другие характеристики океана.

Практическое значение изучения температуры воды. Температура, наряду с другими океанологическими характеристиками, в сильнейшей степени влияет на развитие животных и растительных организмов, обитающих в море. Теплолюбивые и холодоводные организмы приурочены к определенным ареалам, знание которых важно для рыбного промысла. Известны случаи, когда резкое падение температуры весной и летом после суровых зим в Японском море приводило к прекращению промысла теплолюбивой рыбы иваси. Знание распределения температуры и солености с глубиной требуется для необходимых поправок к показаниям эхолотов при точных промерах морского дна. Велико научное значение знания режима температуры Мирового океана, без чего невозможны надежные долгосрочные гидрометеорологические прогнозы.

4.3.СОЛЕНОСТЬ ВОД МИРОВОГО ОКЕАНА

Âводах Мирового океана растворено огромное количество химических элементов. Их достаточно, чтобы покрыть всю поверхность суши нашей планеты слоем в 240 м. Морская вода по массе состоит на 95 % из чистой воды и более 4 % из растворенных в ней солей, газов и взвешенных частиц. Поэтому морская вода отличается от воды пресных водоемов рядом особенностей: горь- ко-соленым вкусом, удельным весом, прозрачностью, цветом, более агрессивным воздействием на строительные материалы.

Все это объясняется содержанием в морской воде значительного количества растворенных твердых веществ и газов, а также

56	Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

взвешенных частиц органического и неорганического происхож-

дения.

Количество растворенных твердых минеральных веществ (солей), выраженное в граммах на килограмм (литр) морской воды называется ее соленостью.

Общее содержание растворенных солей в морской воде составляет в среднем для открытых частей Мирового океана 35 г/кг воды, или 0,035 долей килограмма. Тысячную долю целого называют промилле, записывают знаком ‰ и обозначают символом S. Следовательно, средняя соленость Мирового океана равна 35 ‰ (S = 35 ‰). В отдельных районах Мирового океана соленость может в широких пределах отклоняться от средней величи- ны в зависимости от гидрологических и климатических условий.

В морской воде растворено много различных веществ, но представлены они неодинаково. Одни вещества содержатся в ней в сравнительно больших количествах (в граммах на 1 кг (литр) воды), другие — в количествах, исчисляемых лишь тысячными долями грамма на тонну воды. Эти вещества — микроэлементы, распространенные в морской воде.

Впервые состав морской воды был определен Дитмаром на основании исследования 77 проб, собранных в различных пунктах Мирового океана. Вся масса океанической воды представляет собой жидкое “рудное тело”. В ней содержатся практически все элементы таблицы Менделеева.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МОРСКОЙ ВОДЫ

Составная часть (соли)	Íà 1000 ã âîäû	Проценты
Хлористый натрий	27,2	77,8
Хлористый магний	3,8	10,9
Среднекислый магний	1,7	4,7
Среднекислый кальций	1,2	3,6
Среднекислый калий	0,9	2,5
Углекислый кальций	0,1	0,3
Бромистый магний	0,1	0,2
 ñ å ã î	35	100

Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

57

Теоретически в морской воде находятся все известные хими- ческие элементы, но весовое их содержание различно. Выделяют две группы элементов, содержащихся в морской воде. К первой группе относятся 11 основных элементов, которые, собственно, и определяют свойства морской воды, главнейшие из них мы уже называли; ко второй группе относятся все остальные элементы — их часто называют микроэлементами, общее содержание которых не превышает 3 мг/кг. Так, например, в 1 кг морской воды содержится 3х10—7 г серебра, 5х10—7 золота, а такие элементы, как кобальт, никель, олово, обнаруживают только в крови морских животных, улавливающих их из воды.

Основные элементы находятся в морской воде обычно в виде соединений (солей), главными из которых являются:

1) хлориды (NaCl è MgCl), составляющие 88,7 % от веса всех растворенных в морской воде твердых веществ;

2) сульфаты (MgSO4, CaSO4, Ê2SO4), составляющие 10,8 %;

3) карбонаты (CaCO3) — составляющие 0,3 %.

Изменение солености поверхностных вод Мирового океана по широтам. Соленость на поверхности океана в открытых его частях

зависит главным образом от соотношения между количеством осадков и величиной испарения. Чем больше разность температуры воды и воздуха, скорости ветра, тем больше величина испарения.

Выпадение осадков уменьшает поверхностную соленость. Кроме того, существенное влияние на изменение солености оказывает перемешивание вод океанов и морей. В полярных областях соленость изменяется при таянии, образования льда. Вблизи устьев рек соленость зависит от стока пресной воды.

Все перечисленные факторы позволяют судить об изменении солености по широтам.

Колебания солености по широтам имеют примерно одинаковый характер для всех океанов. Соленость увеличивается в направлении от полюсов к тропикам, достигает максимального зна- чения около 20—25 северных и южных широт и снова уменьшается на экваторе. Такая закономерность связана с режимом осадков и испарения.

В полосе пассатной циркуляции большую часть года сохраняется ясная, солнечная погода без осадков, постоянно дующие сильные ветры при достаточно высокой температуре воздуха, что вызывает интенсивное испарение, достигающее 3 м в год, в резу-

58	Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

льтате чего соленость поверхностных вод в тропических широтах океанов постоянно самая высокая.

Âэкваториальной зоне, где ветры очень редки, несмотря на высокую температуру воздуха, а выпадающие осадки обильны, наблюдается некоторое понижение солености.

Âумеренной полосе осадки преобладают над испарением и соленость в связи с этим понижается.

Равномерное изменение поверхностной солености нарушается благодаря наличию океанических и прибрежных течений, а также в результате выноса пресных вод крупными реками (Конго, Амазонка, Миссисипи, Брахмапутра, Меконг, Хуанхэ, Тигр, Евфрат и др.).

Область самой высокой солености Мирового океана (S = 37,9 ‰), не считая некоторых морей, лежит к западу от Азорских островов. Соленость морей тем больше отличается от солености океана, чем меньше моря сообщаются с океаном, и зависит от их географического положения. Соленость вод большую, чем воды океана, имеют моря: Средиземное — на западе 37—38 ‰, на востоке 38—39 ‰; Красное — на юге 37 ‰, на севере 41 ‰; Персидский залив — на севере 40 ‰, в восточной части 41 ‰. Соленость на поверхности морей Евразии колеблется в широких пределах. В Азовском море в средней его части составляет 10—12 ‰, а у берегов 9,5 ‰; в Черном море — в средней части 18,5 ‰, а в севе- ро-западной части 17 ‰; в Балтийском море при восточных ветрах 10 ‰, при западных и юго-западных 20—22 ‰, а в Финском заливе, в отдельные дождливые годы, при восточных ветрах соленость уменьшается до 2—3 ‰. Соленость полярных морей в удаленных от берега районах составляет 29—35 ‰ и может несколько изменяться в зависимости от притока вод из других областей океана.

Бессточные моря (Каспийское и Аральское) имеют соответственно среднюю соленость 12,8 ‰ и 10 ‰.

Изменение солености по глубине. По глубине заметные коле-

бания солености происходят лишь до 1500 м, а ниже этого горизонта соленость меняется незначительно. В ряде мест величина солености стабилизируется начиная с меньшей глубины.

Âприполярных областях при таянии льда соленость с глубиной повышается, а при образовании льда — понижается.

Âумеренных широтах соленость мало изменяется с глубиной.

Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

59

Âсубтропической зоне соленость быстро убывает до глубины 1000—1500 ì.

Âтропической зоне соленость нарастает до глубины 100 м, затем убывает до глубины 500 м, после чего незначительно увели- чивается до глубины 1500 м и ниже остается неизменной.

На распределение солености по глубине так же, как и на поверхности, влияют горизонтальные перемещения и вертикальная циркуляция водных масс.

Распределение солености на поверхности Мирового океана на картах показано при помощи линий, называемых изогалины — т. е. линии равной солености.

Âразличные периоды года соленость тоже имеет свои колебания. Для анализа изменения солености во времени строится график — галиноизоплет, на котором по вертикальной оси выписывается величина солености, а по горизонтали — время наблюдения. Горизонтальное распределение солей на различных глубинах существенно отличается от распределения ее по поверхности. Это объясняется рядом причин. Одна из них состоит в том, что распределение воды в океане по слоям определяется ее плотностью, а так как температура воды с глубиной обычно понижается, то для устойчивого равновесия не требуется повышения солености по мере увеличения глубины. Соленость с глубиной может понижаться (анагалинность), возрастать (катагалинность) или оставаться неизменной (гомогалинность).

Так, например, в высоких широтах обильные осадки распресняют поверхностную воду, делают ее менее плотной, что вызывает большую устойчивость вод и препятствует перемешиванию. Поэтому в районах минимальной поверхностной солености не обязательно ожидать аналогичного положения солености на глубине. Большую роль в нарушении согласованности в горизонтальном распределении солености на поверхности и на глубинах играют глубинные течения. Так, в горизонте 75—150 м у экватора в Тихом и Атлантическом океанах уже не прослеживается вторич- ный минимум солености, свойственный поверхностным горизонтам. Здесь поверхностные воды подстилаются горизонтом высокосоленой воды (36 ‰), глубинными экваториальными противотечениями Кромвела и Ломоносова.

Происхождение солей в Мировом океане. На вопрос о проис-

хождении солей в Мировом океане ученые еще не дали определенного ответа. До недавнего времени имелись два предположения

60	Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

на этот счет. Согласно первому вода Мирового океана была соленой со времени его возникновения. Согласно второму океан осолонялся постепенно, вследствие выноса солей в океан реками и благодаря вулканической деятельности.

Âподтверждение правильности первого предположения приводятся анализы состава древнейших отложений калийной соли, образовавшихся в отдаленные эры существования Земли. Эти отложения возникли вследствие усыхания морских бассейнов с соленой водой. Остатки древних морских организмов, сохранившихся в упомянутых отложениях, дают основания предполагать, что они существовали в соленых водах. К тому же вода является прекрасным растворителем, и невозможно предполагать, что воды первичного океана были пресными.

Очевидной является правильность второго предположения об изменчивости солености и солевого состава под влиянием речного стока и процессов дегазации Мантии Земли. И особенно справедливо это утверждение для периода, предшествовавшего появлению биологического регулятора солевого состава.

Âпоследние годы выдвинута еще одна гипотеза по поводу происхождения солености Мирового океана, являющаяся как бы синтезом различных сторон рассмотренных только что предположений. Согласно этой гипотезе:

1.Воды первичного океана были солеными с момента его возникновения, но их соленость и солевой состав, безусловно, были иными, чем теперь.

2.Соленость Мирового океана и состав его солей по своему генезису являются результатом сложных и длительных процессов, связанных с историей развития Земли. Роль одного только речного стока хотя и может объяснить накопление всей массы солей по количеству, но недостаточна для объяснения существующего ныне состава. Поступление главнейших катионов в воды океана действительно обязано процессам выветривания горных пород и речному стоку, большинство же их, наверное, поступило из недр земных.

3.Соленость менялась в течение всего периода существования Мирового океана, как в сторону ее повышения, так и в сторону понижения, а не односторонне, как это следует согласно второму предположению. К концу палеозоя, судя по составу солей существующих тогда морей и впоследствии высохших, химический состав океана был уже близок к современному.

Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана			61

ÐÈÑ. 11

4. Соленость и состав воды меняются и в настоящее время, но этот процесс настолько медленный, что из-за недостаточной чувствительности методов химического анализа люди не могут заметить эти изменения. Смена геологических периодов, резко отличающихся характером горообразовательной, вулканической деятельности, а также климатическими условиями, появление жизни в океане — вехи, знаменующие направленность процесса изменчивости солевого состава и солености Мирового океана.

4.4. ОПТИЧЕСКИЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИРОВОГО ОКЕАНА

Оптические свойства морской воды. Поверхность моря освещается непосредственно солнечными лучами (прямая радиация) и светом, рассеянным небесным сводом (рассеянная радиация), т. е. частью солнечных лучей, которые на своем пути к Земле оказались рассеянными атмосферой и облаками.

Средняя освещенность горизонтальной поверхности прямыми лучами Солнца, находящегося точно в зените, равна 140 тыс. люкс.

Падая на поверхность моря, солнечные лучи частично отражаются в атмосфере, а частично уходят в воду после преломления у поверхности воды (рис. 11). Ослабление света, проходящего че-

62	Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

рез воду, происходит за счет совокупного действия процессов поглощения и рассеяния. При рассеянии происходит только изменение направления световых лучей и уход их в сторону, а при поглощении свет превращается в другую форму энергии — в основном в тепловую и в незначительной части в химическую.

Прозрачность морской воды зависит от характера процессов поглощения и рассеяния света, главным образом от размеров и количества взвешенных в воде частиц (взвесей) органического и неорганического происхождения. Прозрачность не зависит ни от температуры, ни от солености морской воды. Под прозрачностью понимают глубину погружения белого диска (диаметром 30 см), на которой он перестает быть видимым с поверхности моря. Самая большая прозрачность — 79 м — установлена в море Уэдделла (Антарктида).

Цвет и цветение морской воды. Цвет морской воды обусловливается совокупным действием поглощения и рассеяния света в воде. Основная роль при этом отводится рассеянному потоку световой энергии, исходящему из глубин моря.

Индивидуальные особенности цвета воды каждого моря, так же, как и величина его прозрачности, зависят в основном от процесса рассеяния света крупными включениями. Необходимо иметь в виду, что большое значение имеют количество и размеры взвешенных частиц органического и неорганического происхождения, содержание в воде растворенных газов и т. д.

Окраска поверхности моря зависит от разного рода внешних условий: от угла зрения, под которым наблюдатель смотрит на морскую поверхность, от цвета небесного свода, времени суток, наличия облаков, от состояния поверхности моря (зыбь, рябь, волнение, шторм), от размеров волн, наличия взвешенных частиц и т. д. Замечено, что при возникновении волн море начинает быстро синеть, а при сплошных облаках цвет моря кажется более темным.

Оказывается, что вода поглощает и рассеивает световые лучи разного цвета неодинаково.

Общей закономерностью, свойственной всем океанам и морям, является некоторое уменьшение прозрачности по мере приближения к берегам. Цвет воды при этом также меняется; вода зеленеет, а иногда приобретает желтоватые и даже коричневатые оттенки. Объясняется это тем, что прибрежные воды опресняются стоком рек, богатым различными взвесями. К тому же на при-