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
Введение. Большой лик океана и границы раздела
В массе частностей выявить большой лик океана.
Океан представляет собой систему, явление в определенных границах. И в конце концов эти границы могут оказаться более интересными, чем само явление.
Судя по солевому составу вод, на земном шаре существует лишь один-единственный океан. Его называют Мировым океаном и иногда океаносферой. Тем и другим названием стремятся подчеркнуть, что океан представляет собой единую глобальную систему. Единую по составу, структуре и функционированию. Даже в самых глубоких впадинах океана или в распресненных окраинных морях сохраняется главная константа океана — соотношение между концентрациями основных компонент солевого состава морской воды.
Возможно, если бы в эпоху Великих географических открытий морскими экспедициями руководили химики, они не стали бы расчленять океан — и тем более по морфологическим признакам, т. е. по расположению границ, разделяющих океан и сушу. При таком, сейчас общепринятом способе расчленения, как известно, географы выделяют четыре океана: Северный Ледовитый (1,2% массы и 3,6% площади), Атлантический (24,7% массы и 25,9% площади), Индийский (21,3 и 20,7%) и Тихий (52,8 и 49%) (цифры даны по А. С. Монину, 1977). Но часто называют и пятый океан — Южный (Антарктический), хотя он и не отгорожен от остальных материками или архипелагами. Для такого добавления есть серьезное основание: между этим пятым и другими океанами пролегает хотя и никак не обозначенная на карте, но вполне реальная и устойчивая граница. Незримая стена, образуемая водным потоком, в некотором отношении даже менее проницаема, чем обычные границы между океанами. Так, на этом разделе температурный контраст гораздо больше, чем на границах между Атлантическим, Индийским и Тихим океанами.
Развитой научной концепции океана, которая была бы подобна, например, геологической концепции континента, не существует. Следуя геологам, в океане часто выделяют различные водные породы (водные массы). Если пользоваться такими физическими характеристиками, как температура и плотность водных масс, то границы между океанами лягут совершенно необычным образом. Немецкий океанолог А. Дефант разделил Мировой океан всего лишь на две неравные части: сравнительно небольшую по объему теплую океаническую тропосферу и мощную холодную океаническую стратосферу (рис. 1). Граница между Теплым и Холодным сверхокеанами Дефанта отмечена на поверхности океана Главным океаническим фронтом, и ее наклон изменяется от вертикального в полярных областях до горизонтального в тропических. Воды Холодного сверхокеана Дефанта в высоких широтах занимают всю толщу от поверхности до дна. В низких широтах они уходят под Теплый сверхокеан, на глубину около километра, и даже на экваторе составляют основную часть толщи, так что средняя температура ее здесь всего 4 ° С.
Необычность квазигеологического членения Мирового океана состоит в том, что все границы между океанами жидкие, а у Теплого сверхокеана Дефанта и дно жидкое.
Несмотря на это, прямой водообмен между сверхокеанами весьма ограничен и в основном сосредоточен в немногих местах, таких, как район Исландии, где воды Гольфстрима уходят в глубины Северного Ледовитого океана, или район Гибралтарского пролива, где теплые, но плотные воды средиземноморского происхождения погружаются на глубину.
У каждого из сверхокеанов Дефанта, отвечающих основным требованиям самостоятельности, свои водные массы, атмосферные условия и, главное, своя собственная полузамкнутая циркуляция вод, которая обеспечивает материальное единство каждого из сверхокеанов.
Рис. 1. Два сверхокеана Дефанта. Если учитывать представления В. В. Шулейкина и Н. Н. Зубова, Мировой океан можно разделить на восемь самостоятельных океанов, каждый из которых характеризуется своей собственной циркуляцией.
При геофизическом взгляде на океан схема Дефанта, однако, существенно изменяется. Согласно концепции академика В. В. Шулейкина [1968], взаимодействие океана, атмосферы и космоса соответствует механизму работы тепловых машин. Главным нагревателем в глобальной тепловой машине служит экваториальная область, а холодильниками — полюса. Контраст между ними является энергетическим источником циркуляции атмосферы и океана.
Отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса) препятствует прямому обмену воздухом между нагревателем и холодильниками (за исключением, возможно, лишь самого верхнего, разреженного слоя атмосферы). Меридиональный поток сравнительно плотного тропического воздуха распадается под действием силы Кориолиса на несколько круговоротов, из которых самые большие и регулярные примыкают с севера и юга к экватору и соответственно определяют северную и южную циркуляции воды в пределах Теплого сверхокеана Дефанта. Таким образом, экватор, на котором параметр Кориолиса меняет знак, представляет собой реально существующую и важную жидкую границу, разделяющую Теплый сверхокеан на две самостоятельные части — северную и южную. Выдающийся советский океанолог Н. Н. Зубов [1956] писал: «Если согласиться с тем, что Мировой океан надо подразделить не только по морфологическим, но и по гидрометеорологическим признакам, то можно выделить следующие восемь океанов: Северный Ледовитый, Северный Атлантический, Северный Индийский, Северный Тихий, Южный Тихий, Южный Индийский, Южный Атлантический и Южный (или Антарктический). Лично я все более присоединяюсь к последней точке зрения».
Если подробнее рассматривать термическую структуру океана и его взаимодействие с атмосферой, придется выделить еще верхний, почти однородный по температуре слой толщиной обычно несколько десятков метров. Нижней границей этого слоя, жидкой, как и у Теплого сверхокеана, служит слой резкого скачка температуры, моделируемый поверхностью разрыва. Не останавливаясь на механизме процессов, которые в состоянии сколь угодно долго поддерживать разрыв, отметим лишь, что, согласно современной теории поверхности разрыва, на ней должен помещаться диполь, момент которого определяется различием в турбулентных свойствах вод по обе стороны этой поверхности [Баренблатт, Черный, 1963].
Таким образом, невидимые, реально существующие жидкие границы в океане имеют самый разнообразный характер. Мы отметили три типа этих границ: гидрологический фронт, разделяющий теплые и холодные воды, экватор, разделяющий поля с различным знаком параметра Кориолиса, и слой скачка, разделяющий воды с различными турбулентными состояниями.
По всем своим свойствам квазиоднородный пограничный слой отличается от нижележащей толщи вод несравненно больше, чем отдельные океаны друг от друга. Однако этот слой не выделяется в отдельный океан аналогично Теплому сверхокеану Дефанта. Действительно, такие же различные по свойствам пограничные слои и зоны существуют вблизи других — твердых — границ океана: у берегов и дна. Природа отметила ими всего лишь естественные разделы, являющиеся одновременно границами контакта океана и окружающей среды. Эти границы раздела-контакта имеют первостепенное значение в концепции биологической структуры океана, сформулированной В. И. Вернадским в 1926 г. [1967] еще до того, как на основе данных экспедиции на «Метеоре» в 1925 — 1927 гг. Е. Гентшель построил первую принципиальную схему распределения планктона в Мировом океане.
Согласно Вернадскому, «скопление» (концентрирование) жизни наблюдается лишь в пленках (пограничных слоях) океана, причем сгущение (максимальное концентрирование) жизни происходит в районах сближения границ раздела. Вводя термин «сгущение жизни», Вернадский, по-видимому, учитывал представление одного из основоположников термодинамики — Дж. В. Гиббса о сгущении всех свойств на границах раздела. Согласно Вернадскому, «едва ли 2% общей массы океана занято сгущениями жизни. Вся остальная его масса содержит жизнь рассеянную».
Вернадский выделяет «четыре статических скопления жизни: две пленки — планктона и донную и два сгущения — прибрежное (морское) и саргассовое». Термином «пленки», в отличие от того, что вкладывают в этот термин сейчас, так же как и термином «поверхности» (раздела), Вернадский называл географические пограничные слои любого масштаба или их совокупность, включая всю биосферу. Так, он писал: «В лике Земли выявляется поверхность нашей планеты, ее биосфера, ее наружная область, ограничивающая ее от космической среды». Говоря о планктонной и донной пленках, он имеет в виду соответственно верхний (фотический) и придонный (бентосный) слои. Саргассовым сгущением Вернадский условно обозначает районы повышенного концентрирования жизни в пределах верхнего пограничного слоя в открытом океане, не связанного с дном и берегом, и признает причину их образования пока (в 1926 г.) не ясной. В контексте его концепции последовательным было бы связывать саргассовые сгущения со сближением границы раздела океан — атмосфера с жидкими границами.
Океаны Вернадского, схематически изображенные на рис. 2, совпадают с океанами Зубова.
Рис. 2. Океан В.И. Вернадского. Кроме придонной и поверхностной пленки можно выделить сгущения жизни на жидких границах.
Особое значение Вернадский придает прибрежному сгущению жизни, ибо оно оставило свой след во всей истории планеты как зона наиболее интенсивных биохимических превращений. Вообще концепция структуры океана создавалась геохимиком Вернадским под биогеохимическим углом зрения, и на концентрирование жизни в пограничных слоях океана он обратил особое внимание не случайно: «Такие скопления жизни являются областями мощной химической активности». К представлению об активных поверхностях раздела и о сравнительно инертной «внутренней» массе океана пришлось вернуться через полвека, когда потребовалось количественно рассчитать распределение в океане жизни и активности биохимической трансформации веществ, особенно органических загрязнений.
Весьма простая схема распределения жизни в океане, вытекающая из концепции Вернадского, довольно быстро подтвердилась гидробиологическими исследованиями и на фоне накопленного материала стала выглядеть слишком тривиальной, чтобы служить стратегическим ориентиром в исследованиях. В тоже время сама концепция, не совсем обычным образом сформулированная, отошла на второй план, была забыта или стала восприниматься как недоразумение. В значительной степени это произошло потому, что интересы в гидробиологии стали концентрироваться вокруг проблемы первичной и рыбной продуктивности верхнего слоя океана, а в морской химии сосредоточились на констатации распределения элементов — проблеме, без сомнения, важной, но, по замечанию Р. Хорна [1972], относительно второстепенной. Между тем концепция Вернадского заслуживала внимания уже хотя бы потому, что она наметила единый подход для объяснения основных общих закономерностей распределения жизни как в океане, так и на земном шаре вообще.
Другая важная схема биологической структуры океана была разработана Л. А. Зенкевичем в 1948 г., т. е. до того, как широко развернулись послевоенные биологические исследования океана в СССР и за рубежом. Как мы видим, попытки в массе частностей выявить большой лик океана опережали накопление фактического материала.
Л. А. Зенкевич наметил «как бы три плоскости симметрии в явлениях биотической и абиотической среды»: экваториальную и две меридиональные (проходящие через «середины»: одна — океанов, другая — материков), относительно которых наблюдаются различия и сходство (асимметрия и симметрия) в распределении массовых биологических явлений. Симметрично плоскости экватора чередуются следующие зоны специфического температурного режима и связанных с ним биологических особенностей: одна экваториальная, сравнительно богатая жизнью, две субтропическо-тропические с биологическим минимумом, две зоны умеренных широт с биологическим максимумом и две полярные с биологическим минимумом.
Меридиональная симметрия выражается в закономерном возрастании биомассы планктона (в 20 — 30 раз) и бентоса (почти в миллион раз) от середины океанов к шельфу и неритической зоне, а также в сходстве биологических явлений в разных океанах, по обе стороны от меридиональной плоскости, проходящей через «середины» материков. Иллюстрацией меридиональной симметрии в океане Зенкевича могут служить два средиземных моря на противоположных сторонах Атлантического океана, причем оба они содержат самые мощные на Земле сероводородные зоны (Черное море и впадина Кариако).
Нарушения меридиональной симметрии (асимметрия) также закономерны и связаны с морфологией, с мощными течениями, гидрофронтами, подъемом вод (апвеллингами) у западных побережий материков.
Не ясное при Вернадском явление сгущения жизни в ряде районов океана, которое он условно называл «саргассовым», В. Г. Богоров и Л. А. Зенкевич объясняли особенностями вертикальной циркуляции вод: «Кривая количественного развития жизни полностью соответствует характеру вертикального перемешивания, то есть, иначе говоря, глубине захвата и выносу к поверхности богатых биогенными веществами глубинных слоев».
Биологическая концепция Зенкевича, в отличие от концепции Вернадского, не ограничивалась распределением жизни и ее активности в океане, но касалась также вопросов видового разнообразия, видообразования и частично структурно-функциональных характеристик экосистем. Популярное изложение этой концепции и се дальнейшего развития советскими океанологами дано в интересной статье Н. Г. Виноградовой [1976].
Сопоставляя различные по характеру концепции структуры океана, легко увидеть, что они не исключают, а дополняют друг друга. Более полная в биологическом отношении схема Зенкевича является биогеографическим обобщением эмпирического материала, концепция Вернадского дает ключ к фундаментальному объяснению глобальных закономерностей распределения жизни, схематизированных Зенкевичем, связывая их с расположением внешних и внутренних границ в Мировом океане, а схемы Дефанта, Шулейкина и Зубова помогают вскрыть геофизическую сущность этих границ и наметить связь между общими закономерностями распределения жизни, с одной стороны, и геофизическими особенностями и гидрометеорологическими условиями — с другой.
Сравнивая океаны Вернадского и Зенкевича, обратим внимание на полярную асимметрию распределения суши и океана на земном шаре. В северном полушарии площадь суши в два раза больше, чем в южном, и гораздо больше площадь шельфа; соответственно площадь океана в южном полушарии больше, чем в северном. Поэтому в соответствии с концепцией Вернадского в северном полушарии, можно ожидать значительно большего концентрирования жизни, чем в южном. И это действительно наблюдается (рис. 4, кривая 1). Но ведь это означает нарушение характерной для океана Зенкевича симметрии относительно экваториальной плоскости (кривая 2).
2 .»>
Рис. 3. Рыбопродуктивность Мирового океана (по П.А. Моисееву, 1969). 1 — 10, 2 — 10, 3 — 100, 4 — 200, 5 — 500, 6 — 1000, 7 — 3000 кг/км 2 .
Сравнение кривых на рис, 4 может обескуражить: они показывают совершенно разный характер меридионального распределения жизни — резко асимметричное, соответствующее схеме Вернадского, и симметричное по схеме Зенкевича, но в то же время обе кривые соответствуют данным биологических наблюдений в океане. Кажущийся парадокс находит простое объяснение: в схеме Вернадского речь идет о средних значениях концентрации в каждом широтном поясе на единицу площади поверхности, а в схеме Зенкевича — об общей биомассе в каждом широтном поясе. Если перейти к одним и тем же единицам (умножить на площадь океана в поясе в схеме Вернадского или разделить на эту площадь в схеме Зенкевича), то обе схемы окажутся почти одинаковыми.
Рис. 4. Меридиональное распределение биомассы планктона. По схеме: 1 — В. И. Вернадского; 2 — Л. А. Зенкевича; меридиональное распределение: 3 — отношения площади поверхности суши к площади поверхности океана в каждом 10-градусном поясе, 4 — гидрофронтов; 5 — льда.
Океаны Вернадского и Зубова на картах распределения первичной продукции (рис. 5),зоопланктона (рис.6) и рыбопродуктивности (рис. 3), в отличие от обычных географических карт, отчетливо отмечены пограничными сгущениями жизни и биологической продуктивности — прежде всего в прибрежной полосе и на шельфе, а также в районах жидких границ: экватора и Главных фронтов (рис. 5, 6).
орг/ (л-год).»>
Рис. 5. Распределение годовой первичной продукции (по Ф. Гесснеру, 1969). На карту нанесен Главный океанический фронт 1 — 50; 2 — 50 — 100; 3 — 100 — 200; 4 — 200 мг, С орг/ (л-год).
Локализация характерна для многих гидрофизических процессов, ответственных за формирование условий океанической среды обитания организмов.
Рис. 6. Распределение зоопланктона в активном слое (верхние 100 м) Тихого океана (по В. Г. Богорову, 1967). 1 — 200, 2 — 100 — 200, 3 — 50 — 100, 4 — 50 мг/мsup3/sup.
Так, весьма локализованы явления апвеллингов, интенсивно питающих верхний фотический слой океана биогенными элементами, от которых зависит первичная продукция в океане, а значит, и продукция на всех последующих уровнях пищевой цепи. Локализовано и питание кислородом основной массы океана на глубинах более 1000 м. Оно осуществляется (путем погружения и адвекции богатых кислородом полярных вод) всего лишь из трех районов — арктического, субарктического в Атлантике и антарктического, площадь которых в сумме, по подсчетам В. Н. Иваненкова, составляет менее 10% площади Мирового океана. Соотношение объемов вод, питающих кислородом и питаемых им районов океана, еще более контрастно.
Однако наиболее характерна отмеченная Вернадским биогеохимическая локализация в пограничных слоях и зонах. Современные исследования позволяют нанести на карту океана Вернадского, например, такие данные. Верхний пограничный слой, занимающий 2% объема океана, снабжает органическим веществом остальные 98% его объема, причем, согласно расчетам Б. А. Скопинцева [1975], около 80% органического вещества потребляется организмами и окисляется в этом же пограничном слое и около 90% — в верхнем 200-метровом слое. Бескислородные (анаэробные) зоны океана, даже такие мощные, как тысячеметровая толща Черного моря или впадины Кариако, заполняются сероводородом, который производит придонная бактериальная пленка толщиной, составляющей всего тысячные доли процента толщины «заражаемого» сероводородом столба воды. Прибрежные зоны и шельф, т. е. 7,6% площади Мирового океана, дают основную часть улова рыбы, и они же теперь основной поставщик загрязнений всего Мирового океана.
Много новых результатов принесли экспериментальные исследования всегда вызывавших интерес макро-скопических границ разделов океан — атмосфера, океан — литосфера, гидрофронты, вода — лед и др. И на микроскопических границах — термохалинной, образуемых пузырьками газа, взвешенными частицами, одноклеточными и многоклеточными организмами,- также исследованы и обнаружены новые физические, химические и биологические эффекты.
Разнообразны попытки и соответствующих теоретических и концептуальных обобщений. Отметим здесь лишь некоторые из обобщений, фактически являющиеся продолжением работы над идеями Вернадского о структуре океана.
В формулировках Вернадского обращает на себя внимание то, что он избегает терминов «граница раздела», «поверхность раздела», «пограничный слой», «придонный слой», используя вместо них «пленки», просто «поверхности». И не случайно. Обладая ярко выраженным системным складом мышления, Вернадский допускал рассмотрение граничащих природных сред лишь в их взаимодействии, и для него границы разделав большей мере, что океан, даже мысленно отграниченный от атмосферы или дна, есть фикция. Исключение жесткой физической границы и вопросы динамического взаимодействия различных сред лежат в основе концепции контактных зон моря, разрабатываемой не только в гидрометеорологии, но и в морской биологии [Виноградов, 1968, 1971], и в литодинамике океана [Лонгинов, 1977]. В спорных и не вполне понятных авторами этой книги теоретических построениях А. И. Вейника [1973] контактным парам отводится едва ли не главенствующая роль в природе вообще.
В русле концепции Вернадского и концепции контактных зон лежат схемы квазиконцентрической циркумграничной структуры океана, согласно которым основная, внутренняя, масса его вод представляет собой инертную область, сравнительно бедную жизнью, а вспышки активности в них имеют место лишь на внутренних жидких и твердых границах раздела [Айзатуллин и др., 1976; Добровольский, Лебедев, 1977]. Внутренняя масса окружена активными пограничными слоями (или иерархией пограничных слоев разного масштаба вплоть до мономолекулярного), которые непосредственно участвуют во взаимодействии с окружающей средой. Между этими контрастными областями пролегает переходный слой. Как ни отвлеченны от богатой многообразными оттенками реальности такая схематизация и соответствующие ей модели, они все же позволяют не только представить общую картину в целом, но и делать определенные практические выводы, в том числе о процессах самоочищения океана от загрязнения.
Мыслям Вернадского о биогеохимической активности пленок различного масштаба и о сгущении свойств в них созвучны представления об уникальных свойствах поверхностей раздела и объектов самого разного масштаба — от мельчайших частиц вещества и взвешенных в земном океане органо-минеральных частиц и живых клеток до взвешенного в океане вселенной космического тела — планеты Земля [Айзатуллин, 1966; Гробстайн, 1968; Лебедев и др., 1974]. Об этих активных поверхностях, о сгущении свойств в них и пойдет далее речь.
Источник