Как мировой океан вырабатывает кислород

Кислород в мировом океане

Содержание кислорода в разных зонах мирового океана неодинаково. Его распределение в толще имеет определенные закономерности и оказывает значительное влияние на распределение рыб.

На первый взгляд может показаться, что толща мирового океана, занимающего около 70% поверхности нашей планеты, однородна, однако это далеко не так! Океанические воды различаются по множеству параметров, важнейшими из которых являются соленость и температура, так как именно они определяют плотность водных масс. Имеющиеся различия в плотности воды приводят к своеобразному «расслоению» океана — появлению в его толще хорошо обособленных водных горизонтов.

По Степанову (книга «Мировой океан: динамика и свойства вод», 1974) в вертикальной структуре толщи мирового океана выражены 4 слоя, называемых также зонами:

Границы между этими слоями размыты в различной степени и фактически представляют собой переходные слои, где происходит иногда интенсивное, а иногда и не очень, взаимодействие водных масс соседних структурных зон. Наиболее четко подобная граница выражена между поверхностной и промежуточной структурными зонами, границы между зонами, лежащими ниже, определяются сложнее.

Толщина структурных зон в разных частях океана разная.

Нижняя граница поверхностной структурной зоны отмечается в большинстве случаев на глубине 200-300 м, местами до 400 м; промежуточной — на глубине от 800 до 1800 м; глубинной — около 3000-4000 м. Придонная зона располагается от нижней границы глубинной зоны до дна океана.

Какое отношение это имеет к рыбам? Самое непосредственное, ведь в мировом океане по разным оценкам обитает около 16000 видов рыб. Глобально их распределение здесь связано в первую очередь с количеством растворенного в воде кислорода, содержание которого в океанской толще не равномерно. Оно варьирует от слоя к слою и зависит от целого ряда факторов.

Путей попадания кислорода в воду по большому счету всего лишь два: во-первых, кислород производят фотосинтезирующие водоросли (в первую очередь фитопланктон), во-вторых, кислород активно растворяется в воде при взаимодействии с атмосферой.

Указанные процессы происходят лишь в самом верхнем слое воды (глубина фотической зоны – слоя, куда свет проникает в количестве, необходимом для обеспечения фотосинтеза, — совсем небольшая – лишь в Саргассовом море она составляет 150-200 м, в остальных же морях, как правило, менее 40-50 м), из чего следует, что весь растворенный в океане кислород берется из поверхностной структурной зоны.

На самих же полюсах происходят без сомнения наиболее важные в «жизни» океана процессы, влияющие на всю глобальную структуру и состав его вод. Холодные (и потому более плотные, а значит и более тяжелые) полярные водные массы, богатые кислородом, опускаются ко дну океана, а на их место приходят более теплые водные массы умеренных широт, где в свою очередь также охлаждаются и опускаются ко дну. Сформировавшиеся таким образом циркуляционные ячейки обеспечивают доставку растворенного кислорода в глубокие океанические горизонты, причем, чем глубже горизонт, тем сильнее на него влияние полярных вод .

Наиболее выражен подобный «язык затекания» полярных водных масс в Северной Атлантике, где с увеличением глубины количество кислорода изменяет незначительно – от 7,0-7,5 мл/л в промежуточной структурной зоне до 6,5-7,0 мл/л в придонной структурной зоне. Подобная ситуация наблюдается и в южных частях Атлантического, Индийского и Тихого океанов.

Как далеко от полюсов распространяется влияние таких «языков затекания»? Исследования показывают, что очень далеко, вплоть до экватора и дальше. В экваториальной Атлантике в водах нижних (глубинной и придонной) структурных зон кислорода больше, чем в водах верхних (приповерхностной и промежуточной) именно потому, что нижние зоны формируются под воздействием холодных полярных вод, в верхние лишь за счет процессов взаимодействия с атмосферой и фотосинтеза.

Интересен характер распределения кислорода на севере Тихого океана в районе Берингова пролива. Здесь, как видно на слайде, промежуточная, глубинная и придонная зоны крайне обеднены кислородом. Связано это с тем, что водные массы этих зон формируются в первую очередь за счет Антарктических, а не Арктических (как можно было бы ожидать) вод. Доступ арктических вод в этот район «заблокирован» небольшой шириной и глубинами Берингова пролива. Похожая картина наблюдается и на севере Индийского океана в районе Бенгальского залива – на состав его вод также преимущественное влияние оказывают глубинные воды, поступающие со стороны Антарктиды.

В завершение необходимо упомянуть, что в районах поднятия глубинных вод, например, на востоке Тихого океана в районе экватора, наблюдается необычная картина – приповерхностные воды здесь крайне бедны кислородом, так как формируются за счет глубинных вод.

Источник

Фитопланктон — источник кислорода на планете

Леса, легкие планеты?
01.07.2014 Размещено в ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ЗООЛОГИЯ
Комментариев нет
Лес
Лес
Есть такое заблуждение, которое вошло даже в учебники, леса – лёгкие планеты. Леса на самом деле производят кислород, а лёгкие потребляют. Так что это скорей «кислородная подушка». Так почему же данное утверждение является заблуждением? На самом деле кислород производят не только те растения, которые растут в лесу. Все растительные организмы, в том числе и обитатели водоёмов, и жители степей, пустынь постоянно производят кислород. Растения в отличие от животных, грибов и прочих живых организмов могут сами синтезировать органические вещества, используя для этого энергию света. Этот процесс называется фотосинтезом. В результате фотосинтеза выделяется кислород. Это побочный продукт фотосинтеза. Кислорода выделяется очень и очень много, собственно говоря, 99 % кислорода, который присутствует в атмосфере Земли растительного происхождения. И только 1 % поступает из мантии, нижележащего слоя Земли.

Конечно, деревья производят кислород, однако никто не задумывается о том, что они его ещё и тратят. И не только они, все остальные обитатели леса не могут быть без кислорода. Прежде всего, растения дышат сами, это происходит в темноте, когда фотосинтез не происходит. И нужно как-то утилизировать запасы органических веществ, которые они днём создали. То есть самим питаться. А для того, что бы питаться нужно, тратить кислород. Другое дело, что растения тратят кислород куда меньше, чем его производят. А это в десятки раз меньше. Однако не стоит забывать, что в лесу ещё существуют и животные, а также грибы, а также разнообразные бактерии, которые сами кислород не производят, но тем не менее им дышат. Значительное количество кислорода, которое лес произвёл в течении светлого времени суток будет использовано живыми организмами леса, для поддержки жизнедеятельности. Однако что-то останется. И это что-то около 60 % от того, что вырабатывает лес. Этот кислород поступает в атмосферу, но остаётся там не очень долго. Дальше лес сам изымает кислород опять-таки для своих нужд. А именно на разложение останков умерших организмов. В конечном итоге на утилизацию своих собственных отходов лес зачастую тратит в 1,5 раза больше кислорода, чем вырабатывает. Назвать его кислородной фабрикой планеты после этого нельзя. Правда, существуют лесные сообщества, которые работают по нулевому кислородному балансу. Это знаменитые тропические леса.

Тропический лес
Тропический лес
Тропический лес вообще уникальная экосистема, она весьма устойчивая, потому, что расход вещества равен производству. Но опять-таки излишка никакого не осталось. Так что даже тропические леса сложно назвать кислородными фабриками.

Так почему же тогда после города нам кажется, что в лесу чистый, свежий воздух, что там очень много кислорода? Всё дело в том, что выработка кислорода очень быстрый процесс, а вот расход – процесс очень медленный.

Торфяное болото
Торфяное болото
Так что же тогда является кислородными фабриками планеты? На самом деле это две экосистемы. Среди «сухопутных», являются торфяные болота. Как мы знаем в болоте процесс разложения отмершего вещества идёт очень и очень медленно, в результате чего мёртвые части растений проваливаются вниз, накапливаются, и образуются залежи торфа. Торф не разлагается, он спрессовывается и остаётся в виде огромного органического кирпича. То есть при торфообразовании много кислорода не тратиться. Таким образом болотная растительность кислород производит, а вот сама кислород употребляет очень мало. В результате именно болота дают именно ту прибавку, которая и остаётся в атмосфере. Однако настоящих, торфяных болот на суше не так-то много, и конечно им одним поддерживать кислородный баланс в атмосфере практически невозможно. И вот здесь помогает другая экосистема, которая называется мировой океан.

Фитопланктон
Фитопланктон
В мировом океане нет деревьев, травы в виде водорослей наблюдаются только возле побережья. Однако растительность в океане всё-таки существует. И основную её часть составляют микроскопические фотосинтезирующие водоросли, которые учёные называют фитопланктон. Эти водоросли настолько малы, что зачастую каждую из них невозможно увидеть простым глазом. Зато скопление их видны всех. Когда на море видны ярко-красные или ярко-зелёные пятна. Вот это и есть фитопланктон.

Каждая из этих маленький водорослей производит огромное количество кислорода. Потребляет сама очень мало. Из-за того, что они интенсивно делятся, количество производимого ими кислорода растёт. Одно фитопланктонное сообщество производит за день в 100 раз больше чем лес, занимающий такой объём. Но при этом тратят они очень мало кислорода. Потому, что когда водоросли умирают, они сразу проваливаются на дно, где их сразу же едят. После чего тех, кто их съел, едят другие, третьи организмы. И до дна доходят настолько мало останков, что они быстро разлагаются. Вот такого долгого, как в лесу, разложения, в океане просто нет. Там утилизация идёт очень быстро, в результате чего кислород фактически не тратится. И поэтому происходит «большая прибыль», и вот она и остаётся в атмосфере. Так что «лёгкими планеты» стоит считать вовсе не леса, а мировой океан. Именно он заботится о том, что бы нам было чем дышать.

Источник

Учёные: в мировом океане кончается кислород

Чем бы они ни занимались — скрывались от хищников, переваривали пищу и так далее — всяким организмам требуется кислород. Но заполучить этот жизненно важный элемент морской флоре и фауне становиться все сложнее, показывают недавние исследования.

За последнее десятилетие уровень кислорода в океане резко упал, и эта настораживающая тенденция связана с изменением климата, объясняет Андреас Ошлис (Andreas Oschlies), океанограф Центра исследований океана имени Гельмгольца в Киле, Германия, чья команда отслеживает уровень кислорода в океане по всему миру. «Нас изумило, как разительны перемены, как быстро падает уровень кислорода, и как велики последствия для морских экосистем», — ужасается он.

Само по себе то, что с потеплением океаны теряют кислород, ученых не удивляет, но масштаб этого падения требует срочных мер, предупреждает Ошлис. Недавние исследования показывают, что уровень кислорода в некоторых тропических регионах за последние 50 лет упал на 40%. В других местах оскудение оказалось менее радикальным — в среднем по миру уровень кислорода сократился на 2%.

Однако морские животные — как большие, так и микроскопические — реагируют даже на незначительные изменения уровня кислорода, устремляясь в зоны с более высоким его содержанием или меняя поведение, обнаружили Ошлис и его коллеги. В результате этих поведенческих корректировок животные могут стать добычей для новых хищников или угодить в районы, бедные пищей. Изменение климата создает серьезные проблемы для морской флоры и фауны уже сейчас — например, окисление среды — однако острее всего перед обитателями морей стоит дезоксигенация или потеря кислорода, объясняет Ошлис. В конце концов, дышать надо всем, говорит он.

Пищевая сеть — масштабная проблема

Нагреваясь, океан теряет кислород по двум причинам: во-первых, чем теплее жидкость, тем меньше газа она может удержать. Вот почему газированные напитки на солнце выдыхаются быстрее, объясняет Ошлис. Во-вторых, когда тает полярный морской лед, на поверхности образуется слой талой воды, отличающейся по своим свойствам от холодных и более соленых вод на глубине. Так получается своего рода «крышка», которая мешает течениям перемешивать поверхностные воды с глубинными. И поскольку кислород поступает в эту среду обитания через поверхность — либо непосредственно из атмосферы, либо от обитающего на поверхности фитопланктона — чем слабее смешивание, тем меньше его проникает на глубину.

Некоторые прибрежные районы по обе стороны экватора являются от природы «горячими точками» с низким содержанием кислорода, потому что их воды, где цветущие водоросли потребляют кислород, разлагая мертвую материю, богаты питательными веществами. Но изменения в других экосистемах, в том числе в открытом океане и вокруг полюсов, особенно настораживают Ошлиса и его коллег, потому что эти регионы никогда не считались уязвимыми. Климатические прогнозы на будущее склонны недооценивать потери кислорода, а между тем они уже идут полным ходом, сообщили Ошлис с коллегами в журнале «Нейчэ» (Nature). И это еще одна причина, почему развитие событий требует особо пристального внимания, предупреждает он.

Даже незначительное снижение напрямую сказывается на поведении в толще воды зоопланктона — мельчайших организмов, составляющих низшее звено пищевой цепи, отмечается в отчете «Сайенс эдванс» (Science Advance) от декабря 2018 года. «Они очень чувствительные», — объясняет Карен Вишнер (Karen Wishner), океанограф из Университета Род-Айленда. Даже больше, чем ожидалось, признается она. Некоторые виды устремляются на глубину в более прохладные воды, насыщенные кислородом. «Но в какой-то момент у них просто не получается уйти еще глубже», — отмечает она. Чем глубже и холоднее, тем сложнее становится добывать пищу и размножаться. Зоопланктон и рыбы, которые его поедают, сами служат пищей целому ряду хищников, — например, кальмарам и китам — поэтому их поведение и состояние неминуемо скажется на всей пищевой цепи.

Помимо сбоев в пищевой сети, по мере привыкания к более низким уровням кислорода животные сталкиваются и с другими физиологическими проблемами. Так, китайские креветки в бедной кислородом воде начинают слабее двигать хвостами, чтобы экономить энергию. От этого они теряют подвижность и ловкость, отмечает недавнее исследование по физиологии морских и пресноводных организмов, опубликованное в прошлом месяце. Кроме того, с понижением уровня кислорода самцы начинают вырабатывать меньше подвижных сперматозоидов, — причем этот сбой так и не выправляется у последующих поколений, даже если уровень кислорода нормализуется, отметил журнал «Нейчэ коммьюникейшенз» (Nature Communications) в 2016 году.

В бедной кислородом среде могут пострадать и основные сенсорные функции, например, зрение и слух, говорит Лилиан Маккормик (Lillian McCormick), аспирант Калифорнийского университета в Сан-Диего. Из полученных ею предварительных данных следует, что даже небольшое снижение кислорода приводит к ухудшению зрения у ряда видов зоопланктона. (К слову, то же самое происходит и с людьми на большой высоте: они теряют остроту ночного зрения и хуже различают цвета). Многие виды зоопланктона полагаются на зрительные сигналы, — это позволяет им перемещаться по толще воды и избегать хищников, поэтому с потерей зрения они перестанут их улавливать и сделаются более уязвимыми, объясняет она.

Некоторые существа к низкому содержанию кислорода более терпимы, — например, медузы. Но последствия дезоксигенации почувствуют все без исключения животные, которым нужен кислород, отмечает Брэд Сейбел (Brad Seibel), океанограф из Университета Южной Флориды. Они с Вишнером вместе работали над недавним исследованием зоопланктона. «Любое снижение уровня кислорода снизит живучесть и плодовитость», — отмечает он.

Сокращение ареала

С сокращением богатых кислородом регионов сократятся и ареалы промысловых рыб, — например, тунца, чей лов ежегодно составляет сумму в 42 миллиарда долларов США, — вынудив их мигрировать к новым рубежам. В северо-восточной части тропической Атлантики среда обитания тунца — а с ней и масштаб рыбного промысла — сократилась с 1960 по 2010 год на 15%.

Прибрежное рыболовство столкнется с трудностями вследствие сельскохозяйственных стоков, которые ускоряют цветение водорослей. При последующем гниении тратится огромное количество кислорода, — этот процесс мы уже наблюдали в Мексиканском заливе близ устья Миссиссипи. Некоторые виды рыб пускаются прочь из этих «мертвых зон» на поиски зон, богатых кислородом, — ближе к границам своего естественного ареала. Эта скученность облегчает задачу рыбакам, но при этом создает ощущение ложного изобилия. В долгосрочной перспективе ничего хорошего из этого не выйдет, предрекает Сейбел.

Для решения всеобщей проблемы снижения кислорода Ошлис в сентябре прошлого года помог организовать международную конференцию в Киле. Ее участники подписали импровизированный документ под названием «Кильская декларация по дезоксигенации океана» с тем, чтобы привлечь внимание всех государств, Организации Объединенных Наций и общественности и призвать к незамедлительным действиям. Подписанты хотят, чтобы правительства и международные организации предприняли более серьезные шаги с целью замедлить изменение климата и сократить загрязнение побережья сточными водами, которое усугубляет снижение уровня кислорода. Новую декларацию исследователи смоделировали по образцу Монакской декларации от 2008 года, которая, по мнению Ошлиса, в свое время довела важность проблемы окисления океана до сознания многих.

«Для общественности и различных правительственных и международных организаций это должно стать предупреждением о том, что это важная проблема», — объясняет Вишнер. Всего декларацию подписали более 300 ученых из порядка 30 стран. Сейбел, один из подписантов, говорит без обиняков: «Думаю, будущее нас ждет самое печальное».

Источник