Основные физико-химические свойства морской воды

Срединно-океанические хребты

Пересекают все океаны, образую единую планетарную систему общей протяженностью свыше 60 тыс. км, а общая площадь их составляет 15,2 % площади Мирового океана. Срединно-океанические хребты действительно занимают срединное положение в Атлантическом и Индийском океанах, в Тихом океане они смещены на восток к берегам Америки.

Рельеф срединно-океанических хребтов резко расчленен, причем по мере удаления от оси горные шпили сменяются зонами холмистого рельефа и еще более выполаживаются в районе сочленения с глубоководными равнинами. Хребты состоят из горных систем и разделяющих их долинообразных депрессий, вытянутых в соответствии с общим простиранием. Высота отдельных горных вершин достигает 3-4 км, общая ширина срединно-океанических хребтов колеблется от 400 до 2000 км. Вдоль осевой части хребта прослеживается продольная впадина, называемая рифтом или рифтовой долиной (рифт от англ. щель). Ее ширина от 10 до 40 км, а относительная глубина от 1 до 4 км. Крутизна склонов долины 10-40°.

 

Стенки долины ступенями разделяются на несколько уступов. Рифтовая долина – наиболее молодая и тектонически наиболее активная часть срединно-океанических хребтов, она имеет интенсивное блоково-грядовое расчленение. Ее центральная часть состоит из застывших базальтовых куполов и рукавообразных потоков, расчлененных гьярами – зияющими трещинами растяжения без вертикального смещения шириной от 0,5 до 3 м (иногда 20 м) и протяженностью десятки м.

Срединно-океанические хребты разбиты трансформными разломами, нарушающие их непрерывность в широтном направлении. Амплитуда горизонтального смещения составляет сотни км (до 750 км в экваториальной зоне Срединно-Атлантического хребта), а вертикального до 3-5 км.

 

Иногда отмечаются мелкие формы рельефа дна называемые микрорельефом, среди которого выделяют эрозионный, биогенный и хемогенный.

 

Вода это полимерное соединение молекул Н₂О, в отличие от водяного пара. В строении молекулы воды могут участвовать различные изотопы О и Н. Наибольшее распространение имеют ¹Н – легкий водород, ²Н – дейтерий (150 мг⁄л.), ¹⁶О, ¹⁷О,¹⁸О. Основную массу образуют молекулы чистой воды ¹Н₂ ¹⁶О, смесь всех остальных видов воды называется тяжелой водой, отличающейся от чистой воды большей плотностью. На практике под тяжелой водой понимают оксид дейтерия ²Н₂ ¹⁶О (D₂О), под сверхтяжелой водой – оксида трития ³Н₂ ¹⁶О (Т₂О). Последней в мировом океане содержится ничтожно малое количество – 800 грамм (в пересчете на тритий). К основным физическим свойствам воды относятся оптические, акустические, электрические и радиоактивность.

 

Оптические свойства

Обычно под ними понимают проникновение света в воду, поглощение и рассеяние его в воде, прозрачность морской воды, ее цвет.

Поверхность моря освещается непосредственно солнечными лучами (прямая радиация) и светом, рассеянным атмосферой и облаками (рассеянная радиация). Одна часть солнечных лучей отражается от морской поверхности в атмосферу, другая проникает в воду после преломления на поверхности вод.

Морская вода – полупрозрачная среда, поэтому свет не проникает на большие глубины, а рассеивается и поглощается. Процесс ослабления света носит избирательный характер. Составные части белого света (красный, оранжевый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый) по-разному поглощаются и рассеиваются морской водой. По мере проникновения в воду вначале исчезает красный и оранжевый (приблизительно на глубине 50 м), далее желтый и зеленый (до 150 м), а затем – голубой, синий и фиолетовый (до 400 м).

Под прозрачностью традиционно понимают глубину погружения белого диска диаметром 30 см, на которой он перестает быть видимым. Прозрачность должна измеряться при определенных условиях, так как ее величина зависит от высоты наблюдения, времени суток, облачности и волнений моря. Наиболее точны замеры, которые проведены при спокойной, ясной погоде около полудня, с высоты 3-7 м над поверхностью воды.

Совокупность действий поглощения и рассеивания света обусловливает голубой цвет чистой (без примесей) морской воды. Окраска поверхности моря зависит от ряда внешних условий: угол зрения, цвет неба, наличие облаков, ветровых волн и т.д. Так при появлении волн море быстро синеет, а при плотных облаках – темнеет.

По мере приближения к берегам уменьшается прозрачность моря, вода зеленеет, иногда приобретает желтоватые и коричневые оттенки. В открытом море прозрачность и цвет определяются взвешенными частицами органического происхождения, планктоном. В период развития фитопланктона (весна, осень) прозрачность моря уменьшается, а цвет становится более зеленым. В центральных частях прозрачность обычно превышает 20 м, а цвет находится в пределах синих тонов. Наибольшая прозрачность (65,5 м) зафиксирована в Саргассовом море. В умеренных и полярных широтах, богатых планктоном, прозрачность воды составляет 15-20 м, а цвет моря зеленовато-голубой. В местах впадения крупных рек цвет морской воды мутно- и коричневато-желтый, прозрачность снижается до 4 м. Резко меняется окраска моря под влиянием растительных или животных организмом. Массовое скопление какого-либо одного организма может окрасить поверхность моря в желтый, розовый, молочный, красный, коричневый и зеленый цвет. Это явление называется цветением моря. В некоторых случаях в ночное время происходит свечение моря, связанное с изучением биологического света морскими организмами.

 

Акустические свойства

Определяют возможность распространения в морской воде звука – волнообразно распространяющихся колебательных движений частиц упругой среды, в качестве которой выступает морская вода. Сила звука пропорциональна квадрату частоты, которая определяется числом упругих колебаний в секунду. Поэтому от источника одной и той же мощности можно получить звук большей силы, увеличивая частоту звуковых колебаний. Для практических целей в морском деле (эхолотирование, подводная связь) используются ультразвук (звук большой частоты), который к тому же характеризуется слаборасходящимся пучком акустических лучей.

Скорость звука в морской воде зависит от плотности и удельного объема воды. Первая характеристика, в свою, очередь, зависит от солености, температуры и давления. Скорость звука в морской воде колеблется от 1400 до 1550 м/с, что в 4-5 раз больше скорости распространения звука в воздухе. Распространение звука в воде сопровождается его затуханием вследствие поглощения и рассеивания, а также преломлением и отражением звуковых волн.

На некоторой глубине в толще океанской воды имеется зона, где скорость звука минимальна, звуковые лучи, претерпевая многократное внутреннее отражение, распространяются в этой зоне на сверхдальние расстояния. Этот слой с минимальной скоростью распространения звука получил название звукового канала. Звуковой канал характеризуется свойством непрерывности. Если источник звука помещен возле оси канала, то звук распространяется на расстояние в тысячи километров (максимально зарегистрированное расстояние 19200 км). В мировом океане звуковой канал расположен в среднем на глубине 1 км. Для полярных морей характерен эффект приповерхностного расположения звукового канала (глубины 50-100 м), как результат отражения звука от поверхности моря.

После выключения источника звука какое-то время в толще воды сохраняется остаточное звучание, получившее название реверберации. Это следствие отражения и рассеяния звуковых волн. Различают донную, поверхностную и объемную реверберацию, в последнем случае рассеивание звука происходит с помощью газовых пузырьков, планктона, взвеси.

 

Электрические свойства

Чистая (пресная) вода - плохой проводник электричества. Морская вода, представляя собой почти полностью ионизированный раствор, хорошо проводит электрический ток. Электропроводность зависит от солености и температуры воды, чем выше соленость и температура, тем выше электропроводность. Причем в большей степени на электропроводность влияет соленость. Например, в диапазоне температур от 0 до 25°С электропроводность возрастает лишь в два раза, тогда как в диапазоне солености от 10 до 40‰ - в 3,5 раза.

В толще морской воды существуют теллурические токи, обусловленные корпускулярным излучением солнца. Поскольку электропроводность морской воды лучше, чем твердой оболочки, то величина этих токов в океане выше, чем в литосфере. С глубиной она несколько увеличивается. При движении морской воды в ней индуцируется электродвижущая сила, пропорциональная напряженности магнитного поля и скорости движения морской воды (проводника). Измерив наведенную электродвижущуюся силу и зная напряженность магнитного поля в данном месте и в данный момент, можно определить скорость морских течений.

 

Радиоактивные свойства

Морская вода обладает радиоактивностью, поскольку в ней растворены и радиоактивные элементы. Основная роль принадлежит радиоактивному изотопу ⁴⁰К и в значительно меньшей степени радиоактивным изотопам Th, Rb, C, U и Ra. Естественная радиоактивность морской воды в 180 раз меньше радиоактивности гранита и в 40 раз меньше радиоактивности осадочных пород континентов.

 

Кроме рассмотренных физических свойств, морская вода обладает свойствами диффузии, осмоса и поверхностного натяжения.

Молекулярная диффузия выражается в перемещении частиц растворенного в воде вещества без механического перемешивания.

Явление осмоса, т.е. диффузии растворенных веществ через пористую перегородку (мембрану), имеет в основном биологическое значение, но может быть использовано и для получения чистой воды из морской.

Поверхностное натяжение – свойство воды иметь на поверхности тонкую прозрачную пленку, стремящуюся сократиться. Это явление имеет решающее значение при образовании капиллярных волн на поверхности моря.

 

Химический состав океанских вод

Морская вода отличается от воды рек и озер горько-соленым вкусом и большой плотностью, что объясняется растворенными в ней минеральными веществами. Количество их, выраженное в граммах на килограмм морской воды, называется соленостью (S) и выражается в промилле (‰). Общая соленость составляет 35‰ или 35% или 35 г на 1 кг воды. Такая соленость морской воды называется нормальной и характерна для всей массы воды, за исключением поверхностного слоя в 100-200 м, где соленость колеблется от 32 до 37‰, что связано с климатической зональностью. В аридных зонах, где испарение велико, а поверхностный сток мал, соленость увеличивается. В гумидных зонах соленость уменьшается за счет опресняющего влияния стока поверхностных вод с континента. Климат сильнее сказывается во внутренних морях. В Красном море соленость достигает 41-43‰. Особенно высокая соленость (200-300‰) наблюдается в отшнурованных от моря лагунах аридных областей (Кора-Богаз-Гол). Соленость Мертвого моря 260-270‰.

 

 

Элементный состав Солевой элементный состав

морской воды морской воды

О 85, 8% Cl 55,3 %

H 10,7 % Na 30,6 %

Cl 2,1 % SO₄ 7,7 %

Na 1,15 % Mg 3,7 %

Mg 0,14 % Ca 1,2 %

S 0,09 % K 1,1 %

Ca 0,05 % Br 0,2 %

K 0,04 % CO₂ 0,2 %

Br 0,008 %

C 0,002 %

Sr 0,001 %

Остальное меньше 0,001 %.

 

В солевом составе морской воды преобладают:

 

- хлориды 89,1 % (NaCl -77,8% - галит, MgCl₂ – 9,3% - бишофит, КCl - 2% - сильвин);

- сульфаты 10,1% (Mg SO₄ - 6,6% - эпсомит, CaSO₄ – 3,5 % - ангидрит)

- карбонаты 0,56 %

- броматы 0,3 %.

 

Газовый состав морской воды

В воде растворены: кислород, углекислый газ, азот, местами сероводород.

Кислород поступает в воду двумя путями:

- из атмосферы,

- за счет фотосинтеза фитопланктона (зеленых растений)

6 СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ +6О₂+674 ккал (свет + хлорофилл).

 

Его содержание сильно колеблется от 5 до 8 см³ на литр и зависит от температуры, солености и давления. Растворимость кислорода сильно понижается при повышении температуры, поэтому его много в высоких широтах. Имеет место сезонные колебания, при повышении температуры кислород выделяется в атмосферу и наоборот, так осуществляется динамическое взаимодействие атмосферы и гидросферы. Такая же обратная зависимость существует между содержанием кислорода и соленостью: чем больше соленость, тем меньше кислорода. Зависимость же содержания кислорода от давления прямая: чем больше давление, тем больше кислорода растворено в воде. Наибольшее количество кислорода содержится на поверхности воды (за счет атмосферы и фотосинтеза) и на дне (за счет давления и меньшего расхода организмами) до 8 см³ на литр – эти две пленки сливаются в береговой зоне. В средней части водоема содержание кислорода – наименьшее – 2-3 см³ на литр. Благодаря вертикальной и горизонтальной циркуляции вод в океанах почти всюду содержится свободный кислород. Кислород расходуется на дыхание растений и животных и окисление минералов.

 

Углекислый газ содержится в воде 1) частично в свободном растворенном состоянии и 2) в химически связанной форме в составе карбонатов и бикарбонатов. Суммарное содержание СО₂ в воде более 45 см³ на литр, из которых только половина падает на долю свободного СО₂. Источники углекислого газа: атмосфера, вулканические газы, органика и речные воды. Расход: фотосинтез, образование карбонатных минералов. Содержание СО₂ также регулируется температурой, в верхних прогретых слоях морских вод растворимость СО₂ падает и он выделяется в атмосферу. Создается его нехватка, что приводит к образованию нерастворимого карбоната кальция СаСО₃ , который выпадает в осадок. В холодных водах отмечается высокое содержание СО₂.

Азот содержится в воде в количестве 13 см³ на литр и поступает в основном из атмосферы.

 

Сероводород распространен ограниченно и приурочен к замкнутым котловинным морям, сообщающимся с Мировым океаном с помощью узких мелководных проливов. Это нарушает водообмен между ними. Например, Черное море, заражение сероводородом начинается, примерно, с глубины 150 м и увеличивается с глубиной, а в придонной части достигает 5-6 см³/литр. Сероводород продуцируется бактериями из сульфатов:

 

СаSO₄ + CH₄ → H₂S +CaCO₃+H₂O

 

Кроме того, в водах Мирового океана растворено некоторое количество органического вещества (до 10 г/л в Азовском море), присутствует также определенное количество мути и взвеси.

 

Температура вод Мирового океана

Основной источник тепла, получаемый Мировым океаном, - Солнце. От него тепло поступает в виде коротковолновой солнечной радиации, состоящей из прямой радиации и радиации, рассеянной атмосферой. Часть радиации отражается обратно в атмосферу (отраженная радиация). Дополнительное тепло Мировой океан получает в результате конденсации паров воды на поверхности моря и за счет теплового потока, идущего из недр Земли. В то же время океан теряет тепло при испарении, эффективном излучении и водообмене. Алгебраическая сумма количества тепла, поступающего в воду и теряемое водой в итоге всех тепловых процессов, называется тепловым балансом моря. Поскольку средняя температура воды Мирового океана за многолетний период наблюдений остается неизменной, то все тепловые потоки в сумме равны нулю.

Распределение температуры по поверхности Мирового океана зависит, главным образом, от широты местности, поэтому наибольшие температуры располагаются в приэкваториальной зоне (термический экватор). Искажающее влияние оказывают материки, преобладающие ветры, течения. Многолетние наблюдения показывают, что средняя температура поверхностных вод равна 17,54^о С. Самый теплый – Тихий океан (19,37^о), самый холодный – Северный Ледовитый океан (-0,75^о). С глубиной температура понижается. В открытых частях океана это происходит сравнительно быстро до гл. 300-500 м и значительно медленнее до гл. 1200-1500 м; ниже 1500 м температура снижается очень медленно. В придонных слоях океана на глубинах ниже 3 км температура держится преимущественно +2^оС и 0^оС, достигая -1^о С в Северном Ледовитом океане. В некоторых глубоководных впадинах с гл. 3,5 – 4 км и до дна температура воды несколько повышается (например, Филиппинское море). Как аномальное явление следует рассматривать существенный рост температуры придонного слоя воды до 62^оС в некоторых впадинах Красного моря. Такие отклонения от общей закономерности – следствие влияния глубинных процессов, происходящих в земных недрах.

Верхний слой воды (в среднем до 20 м) подвержен суточным колебаниям температуры, его выделяют как деятельный слой. Переход от деятельного слоя к нижнему слою низких температур совершается в относительно тонком слое, который называется термоклином.Основные характеристики термоклина следующие:

- глубина залегания – от 300-400 м (в тропиках) до 500-1000 м (в субтропиках),

- толщина – от нескольких см до десятков метров,

- интенсивность (вертикальный градиент) –0,1-0,3^о на 1 м.

 

Иногда различают два термоклина: сезонный и постоянный. Первый образуется весной и исчезает зимой (его гл. 50-150 м). Второй, называемый «главным термоклином», существует круглогодично и залегает на относительно больших глубинах. Два типа термоклина встречаются в умеренных климатических зонах.

Термоклин характеризуется также изменением оптических свойств воды, этим пользуются рыбы, убегающие от хищников: они ныряют в термоклин, и хищники теряют их из виду.

Установлено также, что в течение последних 70 млн. лет температура глубинных вод Мирового океана понизилась с 14 до 2^оС.

 

Плотность морской воды

 

Плотность любого вещества – это величина, измеряемая массой вещества в единице объема. За единицу плотности принимается плотность дистиллированной воды при температуре 4^оС и нормальном атмосферном давлении. Плотность морской воды – это масса морской воды (в г.), заключенной в 1 см³. Она зависит от солености (прямая зависимость) и температуры (обратная зависимость). Плотность морской воды при температуре 0^оС и солености 35‰ составляет 1,028126 г/см³.

По поверхности плотность распределена неравномерно: она минимальна в экваториальной зоне (1,0210 г/см³) и максимальна в высоких широтах (1,0275 г/см³). С глубиной изменение плотности зависит от изменения температуры. Ниже 4 км плотность морской воды изменяется мало и достигает у дна 1,0284 г/см³.

 

Давление морской воды

Давление в морях и океанах возрастает на каждые 100 м на 1 Мпа или на 10 атм. Ее величина зависит также и от плотности воды. Рассчитать давление можно по формуле:

 

Р = Н ּρ/100,

Где:

Р – давление в Мпа,

Н – глубина, для которой производится расчет,

ρ плотность морской воды.

 

Под действием давления вышележащих слоев уменьшается удельный объем морской воды, т.е. она сжимается, но эта величина незначительна: при S =35‰ и t = 15^оС она равна 0, 0000442. Однако, если бы вода была абсолютна несжимаема, то объем Мирового океана увеличился бы на 11 млн. км³, а его уровень поднялся бы на 30 м.

Кроме термоклина (скачка температуры), выделяется и скачок давления – пикноклин. Иногда в морском бассейне выделяют несколько пикноклинов. Например, в Балтийском море известны два пикноклина: в интервале глубин 20-30 м и 65-100 м. Пикноклин используется иногда в качестве «жидкого грунта», позволяющего нейтрально уравновешенной подводной лодке лежать на нем, не работая винтами.