Испарение солей с поверхности океанов

Всей своей поверхностью Мировой океан соприкасается с атмосферой. И естественно, что на рубеже этих стихий между ними происходит интенсивный обмен. В обоих направлениях перемещаются газы, влага и тепло. Ежедневно в атмосфере в виде паров находится около 13 тысяч кубических километров воды. Этот постоянный фонд влаги все время пополняется за счет испарения воды с поверхности океана и расходуется, выпадая на поверхность планеты в виде осадков.

Общая масса воды, которую океан отдает атмосфере, составляет около 355 тысяч кубических километров в год. Обратно же, из воздуха в море, возвращается только 320 тысяч кубических километров. Остальная вода (35 тысяч кубо-километров), прежде чем вернуться в океан, проходит сложный цикл на суше.

Таким образом, только одна десятая часть того огромного количества влаги, которое испаряется с поверхности Мирового океана, орошает леса и поля, а девять десятых циркулируют в замкнутой системе море — атмосфера.

Величина испарения прямо пропорциональна количеству поступающего солнечного тепла, поэтому в тропической зоне в атмосферу уходит больше воды, чем возвращается в океан. В умеренных и высоких широтах, начиная примерно с 40-го градуса, осадки превышают испарение.

Как известно, газы лучше растворяются в холодной, чем в теплой воде. В своем труде «Введение в геохимию океана» академик А. Виноградов сравнивает Мировой океан с грандиозным воздушным насосом, который поглощает газы в холодных областях и отдает часть их в тропиках. В результате вертикальных конвекционных течений растворенные в воде газы пронизывают всю толщу океанской воды, вплоть до дна глубочайших впадин. По подсчетам ученого общий объем газов, растворенных в Мировом океане, примерно в три раза больше всего объема его вод.

В нижних слоях атмосферы воздух состоит из 78 процентов азота и 21 процента кислорода (кроме того, в нем имеются инертные газы, водород и углекислота, в сумме составляющие 1 процент объема). Растворимость разных газов в воде неодинакова; там, кислород растворяется в ней значительно легче азота, поэтому объемное соотношение кислорода к азоту в океанических водах равно 1:2, а не 1:4, как в воздухе.

Кислород, растворенный в водах Мирового океане, полностью обеспечивает потребность морских организмов, за его счет происходит также окисление органических и минеральных продуктов. Тем не менее в воде постоянно имеются излишки кислорода, который улетучивается в атмосферу. Особенно обильно он поступает в атмосферу в местах произрастания морских растений, в первую очередь одноклеточных планктонных водорослей.

Ученые предполагают, что весь кислород воздушной оболочки нашей планеты образовался за счет фотосинтеза и его наличие в атмосфере поддерживается зелеными растениями. Как известно, в ХХ столетии в результате роста городов и промышленных предприятий площадь суши, занятая зелеными растениями, резко сократилась. Особенно катастрофически уменьшаются лесные массивы, дающие львиную долю кислорода, синтезируемого наземной растительностью.

В этой связи роль океана в регенерации воздушной оболочки Земли еще более возрастает. Мировой океан не только обогащает атмосферу кислородом, но и способствует удалению из нее углекислого газа, который образуется в результате дыхания живых организмов и как одно из следствий разрушения горных пород и вулканической деятельности. Относительное количество этого вещества в воздухе ничтожно и равно (по объему) 0,03 процента. Однако роль его в становлении глобальных климатических условий и для нормального развития жизни совершенно несоразмерна со столь малой величиной.

Дело в том, что углекислота атмосферы задерживает тепловое излучение Земли. При уменьшении ее в атмосфере климат становится холоднее, а при увеличении наступает потепление. Согласно одной из гипотез уменьшение углекислоты в атмосфере наполовину послужило в прошлом причиной наступления оледенения. Если же количество углекислого газа в воздушной оболочке Земли возрастет, то увеличится так называемый парниковый эффект, который вызовет перегрев.

Угроза эта вполне реальна. В текущем столетии содержание углекислого газа в атмосфере вследствие сжигания большого количества органического топлива и за счет сокращения лесов уже увеличилось на 13 процентов. К счастью, на нашей планете существует океан, который постоянно извлекает из воздуха углекислый газ; в настоящее время его в морской воде содержится в 60 раз больше, чем в атмосфере. В море углекислый газ претерпевает сложные химические превращения, и в конечном итоге значительная его часть при посредстве некоторых организмов, строящих себе скелеты, связывается и входит в состав малорастворимой соли — углекислого кальция,— накапливающейся на дне в виде осадочных известковых пород.

В умеренных и полярных зонах из-за низкой температуры вода насыщена углекислотой не до предела. Вследствие этого известковые отложения здесь постепенно разрушаются, и продукты распада углекислого кальция поступают в общий круговорот веществ. На мелководье же тропических морей вода пересыщена углекислым газом, что создает условия для долговременного сохранения накопившихся известковых напластований.

Запас извести служит важнейшим буфером для стабилизации климата нашей планеты. Стоит только ему слегка похолодать, как область тропической зоны несколько сужается и часть запасов известковых отложений начинает разлагаться. Это приводит к увеличению углекислого газа в обменной системе океан — атмосфера и усиливает парниковый эффект. В результате наступающего потепления тропическая зона снова расширяется.

В данном случае, как и в поддержании баланса кислорода, роль океана трудно переоценить. Именно благодаря ему возможно осуществление динамического равновесия важнейших для жизни газов в планетарном масштабе.

Не менее грандиозна роль океана в стабилизации температуры, как повседневной, так и на протяжении всей геологической истории Земли. Океан непосредственно воздействует на температуру атмосферы. Воздух сам по себе мало нагревается солнечными лучами, а получает тепло либо от нагретой земли, либо от поверхности океана. Поскольку теплоемкость воды значительно выше теплоемкости воздуха, то нагревание атмосферы происходит гораздо быстрее, чем остывание воды. Так, если при выравнивании температуры на стыке двух стихий поступивший холодный воздух подогревается теплым морем на 6 градусов, верхний стометровый слой воды остынет лишь на одну десятую градуса.

Видный советский ученый академик В. Шулейкин сравнил взаимоотношения океана и атмосферы с тепловой машиной. Главным условием работы такой машины служит разница температур. Чтобы привести в действие паровую машину, необходимо нагреть в котле воду до кипения. Полученный пар поступает в цилиндр, где он, расширяясь, передвигает поршень и производит работу. Но так паровая машина может работать только при условии, что температура наружной среды будет ниже температуры котла; в противном случае пар из него вообще не выйдет.

В приведенном примере наружная среда служит тем холодильником, который не менее необходим для работы паровой машины, чем котел, где кипятят воду.

Природные тепловые машины, работающие в океане и атмосфере, также имеют свои нагреватели и холодильники. Академик В. Шулейкин различает два рода таких «машин».

Для первого из них нагревателем служит тропическая зона океана, а холодильником — две полярные области. Здесь важно отметить, что нагреватель и холодильники этой тепловой машины находятся каждый на своем месте. В результате производимой ими работы направление переноса тепла не меняется.

Для второго рода тепловой машины Земли зимой нагревателем служит поверхность океана, а холодильником — материки. В теплую пору года роль холодильника выполняет океан, а к материкам переходит функция нагревателя. Деятельность машины второго рода порождает переменчивую по направлению муссонную циркуляцию воздуха.

Источник

Испарение солей с поверхности океанов

Потоки и метаморфозы на границе

Говоря о новом мощном биогеохимическом факторе — человеке, мы ограничились пока его влиянием на циклы углерода и кислорода. Между тем при сжигании топлива образуются и поступают в атмосферу наряду с С0₂ токсичные соединения серы и азота, а также сравнительно экзотические элементы — свинец, мышьяк, бериллий, германий, вольфрам и др. В. А. Ковда [1976], с обзорной статьей которого мы рекомендуем ознакомиться всем интересующимся вопросом охраны природы и биогеохимическими циклами, отмечает, что «влияние дополнительных масс этих «экзотических» элементов в воде и воздухе для нас еще мало известно, а то, что известно, очень тревожно».

Современное хозяйство создает огромные массы поступающих в атмосферу и через нее в океан тонкодисперсных твердых частиц (пыль, зола, сажа, ДДТ и т. п.), объединяемых общим термином — аэрозоли. Среди них особое место занимают продукты эрозии почв, лишенных растительного покрова. Эрозия почв усилилась до 1 — 2 мм в год вследствие уничтожения лесов, выжигания саванн, распашки степей и прерий. Со спутников регистрировались пыльные бури потрясающих масштабов.

В пограничный подслой океана поступает машинное масло и нефть — особенно при крушении танкеров. Разработка залежей нефти на шельфе резко увеличит этот вид загрязнений.

Хотя поступление антропогенных загрязнений составляет внушительные цифры, естественные катастрофические загрязнения не менее внушительны. Так, один только вулкан Котонахи выделял С0₂ порядка 10 16 т/год. Вулканический пепел и продукты извержения разносятся в атмосфере иногда на значительное расстояние. В 1912 г. после извержения вулкана Каймай на Аляске в более чем 10 000 км от него, под Петербургом, прозрачность атмосферы уменьшилась вдвое, а поступление солнечной радиации — на 80%. Обычным источником за-пыления атмосферы и понижения температуры воздуха являются лесные пожары.

Но и без катастрофических явлений существует достаточно крупномасштабный непрерывный и периодический перенос вещества через атмосферу в океан. Весенние и осенние пыльные бури в Сахаре переносят к водам северо-западной Африки значительные массы материала. В это время на палубе проходящих здесь кораблей в сутки оседает до 10 — 15 г пыли на 1 м 2 . Как показали наблюдения Д. Неринга [Nehring, 1976], при осаждении аэрозолей на поверхность воды в течение первого же часа из каждого грамма частиц поступает в воду 16 мкг фосфатного фосфора, больше 50 мкг азота нитратов и около 100 мкг аммиачного азота, а кроме того, металлы (270 мкг цинка, 17 мкг свинца, 8 мкг меди и т. д.). Это существенный источник биогенных и других элементов в активном слое, и, по мнению Неринга, именно он вызывает вспышку жизнедеятельности фитопланктона в этом районе. Однако хорошо известно, что основная причина высокой первичной продукции в этом районе — подъем глубинных вод у побережья. Интересно, что и другой знаменитый своей продуктивностью район — перуанский апвеллинг — соседствует на суше с пустыней (Атакама). Принесенные с суши минеральные частицы обнаруживаются в донных осадках даже центральных районов южной части Тихого океана — наиболее удаленных от континентов.

Другим важным источником поступления веществ в океан служат атмосферные осадки. Капли адсорбируют примеси, находящиеся в воздухе, и в атмосферных осадках обнаруживаются соединения азота и органическое вещество в концентрации, даже превышающей концентрацию их в верхнем слое морской воды.

Таким образом, через верхний пограничный слой океана совершается обмен веществами не только с атмосферой, но и с сушей. Мы не случайно говорим именно об обмене, а не просто о переносе в океан. Океан в свою очередь поставляет в атмосферу и через нее на сушу не только кислород и СО₂, но и другие газообразные соединения, а также соли. Так что иногда говорят о солевом дыхании океана. Это дыхание обнаруживают не только ученые, путем расчетов. Следы его видят часто жители приморских районов и даже областей, удаленных от океана и морей. Так, в Саратовской области наблюдали 7 — 9 апреля 1950 г. следующее явление, которое академик К. К. Марков посчитал столь интересным, что описание его воспроизвел в своей книге по палеогеографии: «Предметы начали покрываться беловатым кристаллическим налетом, похожим на иней или изморозь. На многих предметах осадок был настолько обильным, что покрывал их толстым слоем, и на вкус оказался горько-солоноватым» [1960, стр. 127]. Соли принес ветер, гулявший над Каспийским морем с 4 по 9 апреля.

Солевое дыхание океана признается столь мощным, что некоторые ученые [Россби, 1963] считают именно его причиной образования солончаковых пустынь. Показательны максимальные оценки солевого выноса с поверхности океана. Согласно расчетам Р. И. Грабовского [1953], в год выносится около 27 млрд. т солей. Это на порядок больше, чем количество солей, приносимых реками в океан (2,3 млрд. т)! Но даже умеренные и скромные оценки говорят об одном порядке величин.

На рис. 24 показано распределение концентрации морской соли в воздухе в зависимости от расстояния (высоты) от поверхности океана.

Как же поступают соли с поверхности океана в атмосферу? Очевидный путь — разбрызгивание соленой морской воды на несколько метров в высоту во время прибоя или сильного ветра. Но, оказывается, кроме этого грубо механического способа есть и более тонкий, повсеместный: лопание пузырьков воздуха. Но много ли солей могут «перетаскать» пузырьки и высоко ли они поднимут соли? Расчеты показали, что за сутки пузырьки поставляют в атмосферу до 0,01 мкг солей с 1 м 2 поверхности. В сумме с поверхности океана это составляет 1 — 10 млрд. т солей в год! А высота, на которую пузырьки забрасывают соли, составляет от десятков сантиметров до 1 км. Последнее, конечно, с помощью потоков воздуха. Изучить, как это происходит, удалось Макинтайру и Бланчарду путем экспериментального моделирования на установке «микроокеан» и скоростной фотосъемки.

«Происхождение свободных, видимых простым глазом воздушных пузырьков в океане кажется несколько таинственным», — пишет Р. Хорн [1972], рассматривая физ-химию пузырьков. Действительно, образование пузырьков при сильном перенасыщении воды кислородом возможно лишь на весьма ограниченных участках океана с очень большой первичной продукцией. Они образуются волн и захвате при этом воздуха, при локальном падении давления вследствие интенсивного движения вод. Но основным источником образования пузырьков микроскопического размера служат вездесущие внутренние поверхности раздела воды — со взвесями и микроорганизмами. Оторвавшись от их поверхности (рис. 25), газовый микропузырек, заключенный в оболочку ПАВ морской воды, поднимается кверху, адсорбируя по пути из окружающей его воды органические вещества и даже взвеси и живые бактерии. Многочисленные эксперименты показали, что таким образом, на «воздушном шаре», могут перемещаться в пограничный подслой биогенные элементы, особенно фосфаты.

Рис. 24. Распределение соли в атмосфере над морем. Кружки — осредненные данные (по Р. Хорну, 1972), кривая -модельный профиль.

Поскольку по мере подъема микропузырька вверх гидростатическое давление падает, газ пузырька расширяется, т. е. его размер и подъемная сила также при опрокидывании увеличиваются, он разгоняется до 10 см/с и, как бронебойный снаряд, легко пробивает пограничный подслой. Взрыв пузырька выбрасывает в воздух раздробленную на мельчайшие капли (диаметром 0,001 — 0,01 мм) верхнюю часть его оболочки — пленки. Эти пленочные капли и поднимаются воздушными потоками над поверхностью моря до 1 км. На дне взорвавшегося пузырька образуется и выбрасывается вверх со скоростью 1000 см/с капля диаметром 0,1 мм. Эта «тяжелая» капля, несущая 0,03 мкг солей, пролетает вверх до 10 см.

Рис. 25. Воздушный пузырек пробивает пограничный слой и поставляет морскую соль в воздух (по Р. Хорну, 1972).

Бланчард, тщательно изучавший реактивные капли, отмечает, что, поскольку они образуются на дне взрывающегося пузырька, из двойного электрического пограничного слоя в каплю втягиваются воды нижней «обкладки конденсатора», несущие положительный заряд. Аэроионам часто приписывают целебное действие морского воздуха. Таким образом в атмосферу переносятся не только вещества, но и электрический заряд. Поверхность всех аэрозолей в сотни тысяч раз больше поверхности Мирового океана.

В 1949 г. М. В. Левитский, а затем и другие советские исследователи (Г. Е. Немерюк, С. В. Бруевич и В. Д. Корж) обнаружили, что при испарении воды, даже без каких-либо лопающихся пузырьков, в воздух попадает значительное количество солей: в конденсатах атмосферной влаги найдено 0,01 — 1 мг/л солей. Кое-какое удовлетворительное объяснение столь необычно большому выносу солей путем простого физического испарения нашли. Предполагают, что выносятся гидрати-рованные ионы, т. е. испаряется вода, а ионы, связанные с ней, хоть и слабо, тоже поднимаются, как на воздушных шарах. При этом по непонятным причинам происходит закономерное изменение солевого состава морской воды: как показано В. Д. Коржем [1976], соотношение концентрации отдельных солей в атмосферной влаге равно их соотношению в морской воде, взятому в степени 2/3. Этому «закону 2/3» удовлеворительного объяснения, несмотря на попытки, так до сих пор найти и не удалось. Но свой закон В. Д. Корж использовал, чтобы оценить долю элементов (отдельных и в сумме) морского происхождения в реках континентов. Получилось, что в реках до 15% солей (в среднем, а бор, иод, хлор и некоторые другие — в основном) поступили с поверхности океана.

Источник