1001 вопрос об океане и 1001 ответ

Физические свойства морской воды

Вода — самое удивительное из всех веществ. Она встречается в естественных условиях на поверхности Земли во всех трех своих физических состояниях: твердом, жидком и газообразном (в виде льда, воды и водяного пара). Есть вещества, которые могут существовать при типичных для земной поверхности температурах в твердом и жидком или в жидком и газообразном состояниях, но, по-видимому, не существует другого химического вещества, которое встречалось бы в природных условиях во всех трех физических состояниях.

1. Вода не имеет запаха, цвета и вкуса. 2. Вода — единственное известное нам вещество, которое встречается в естественных условиях на поверхности Земли в твердом, жидком и газообразном состояниях. 3. Вода — универсальный растворитель. Она растворяет больше солей и прочих веществ, чем любое другое вещество. 4. Воду очень трудно окислить, сжечь или разложить на составные части. Вода — химически стойкое вещество. 5. Вода окисляет почти все металлы и разрушает даже самые твердые горные породы. 6. Вода имеет уникальную способность при замерзании расширяться, вследствие чего лед плавает на воде, остающейся в жидкой фазе. 7. Вода имеет большое сродство к самой себе, самое большое из всех жидкостей. Именно поэтому вода существует в форме сферических капель — ведь сфера имеет наименьшую поверхность при заданном объеме. Поверхностное натяжение является необходимым условием капиллярных процессов, столь важных для жизнедеятельности растений и животных. 8. Вода замерзает не при температуре наибольшей плотности (4 °C), а при 0 °C[15]. 9. Вода обладает способностью поглощать большое количество теплоты и сравнительно мало нагреваться при этом. Кроме того, у воды очень высокая скрытая теплота плавления (80 кал/г) и испарения (540 кал/г), то есть она поглощает значительное количество дополнительной теплоты при неизменности температуры в процессе замерзания и при кипении. 10. Дистиллированная вода очень плохо проводит электрический ток, но даже весьма малые добавки солей превращают ее в очень хороший проводник.

Обычно измеряются или рассчитываются такие физические характеристики морской воды, как температура, плотность, давление, цвет, прозрачность, скорость звука. Для специальных исследований могут измеряться и другие характеристики, например электропроводность[16]. Часто к физическим свойствам относят и соленость (хотя, вообще говоря, это химическое свойство), так как она измеряется совместно с температурой.

Знать температуру, соленость и давление (зависящее от глубины) необходимо для расчета плотности (масса единицы объема) и течений. Для каждого района океана характерен свой диапазон изменения температуры и солености. Эти характеристики, дополненные данными о содержании растворенного в воде кислорода, помогают специалистам в области физической океанографии прослеживать движения водных масс на различных глубинах.

На дискретных глубинах температура измеряется опрокидывающимися термометрами. Для непрерывной регистрации изменений температуры с глубиной пользуются механическими батитермографами и электронными зондами.

Ртутный термометр в течение последних ста лет был основным океанографическим прибором. Его характерная особенность — сужение капилляра вблизи резервуара ртути. При опрокидывании термометра на заданной глубине столбик ртути отрывается от резервуара, и при подъеме на борт судна термометр показывает температуру, которую принял в момент опрокидывания. Для введения поправки на разность температур на глубине и на палубе применяется вспомогательный термометр.

Глубоководные опрокидывающиеся термометры изготавливаются вручную из специального закаленного стекла и тщательно калибруются. Они измеряют температуру воды с точностью 0,01 — 0,02 °C. Хотя эти термометры настолько хрупки, что океанологи приносят их на исследовательские суда в руках, они способны выдерживать давление воды на глубинах до 10 000 м, где оно достигает 1 т на 1 см ². В последние годы в обиход все больше входят электронные датчики температуры, однако на многих океанографических судах до сих пор можно встретить опрокидывающиеся термометры.

Два или три термометра помещают в раму, крепящуюся к батометру Нансена — латунному цилиндру, с помощью которого берутся пробы воды для химических анализов. Батометры через определенные интервалы прикрепляются к тросу и. опускаются за борт. Скользящий по тросу «посыльный груз» переворачивает ближайший к поверхности батометр. В момент переворачивания высвобождается прикрепленный к батометру очередной посыльный груз, и так далее, пока не перевернутся батометры всей серии.

Батометры снабжены клапанами, которые при переворачивании прибора закрываются, тем самым сохраняя в целости пробы воды с нужного горизонта. Одновременно переворачиваются и термометры, фиксируя температуру на той же глубине.

Глубину погружения термометров в момент переворачивания можно приблизительно определить по блок-счетчику, через который проходит трос. Однако точность такого определения невелика, так как под влиянием дрейфа судна и глубинных течений трос значительно отклоняется от вертикали. Для точного определения глубины один термометр защищается от давления, а другой остается незащищенным. Незащищенный термометр[17] показывает большую температуру, так как на него действует еще и давление воды. По разности показаний двух таких термометров можно определить давление на данной глубине, а давление прямо пропорционально зависит от глубины. Расчеты, выполняемые обычно на судовой ЭВМ, позволяют определить глубину с погрешностью, до 0,5%.

Этот простой, но остроумный прибор позволяет получить профиль температуры от поверхности до глубины в несколько сот метров. Датчиком температуры в нем служит 15-метровая медная трубка, заполненная толуолом и намотанная на специальный каркас. При расширении и сжатии толуола перемещается связанное с трубкой перо, которое царапает стеклянную пластинку, покрытую специальной пастой. При этом под действием давления воды на мембрану перемещается и сама пластинка, так что перо прочерчивает кривую в двух координатах — температуры и глубины. Отсчеты температуры на различных глубинах снимаются с кривой по специальной сетке в отсчетном приспособлении, куда вставляется пластинка.

Батитермограф — дешевый прибор, которым можно работать на ходу судна до 12 узлов. В отличие от опрокидывающихся термометров, дающих температуру на дискретных глубинах, батитермограф позволяет получить непрерывную запись распределения температуры по глубине..

Прежде всего глубина погружения прибора ограничена 300 м. Точность его в лучшем случае составляет 0,05 °C, что недостаточно для многих научных задач. Кроме того, каждый прибор имеет свою собственную нелинейную отсчетную сетку, поэтому снятие показаний с температурной кривой невозможно автоматизировать и эту утомительную процедуру приходится производить вручную[18]. По этим и некоторым другим причинам в настоящее время отдается предпочтение электрическим батитермографам разового действия.

Это обтекаемой формы прибор, предназначенный для измерения температуры воды в слое от поверхности до 450 м. Его можно сбрасывать с судна, движущегося со скоростью до 30 узлов. Датчик температуры соединен с находящимся на борту судна регистратором с помощью тонкого электрического провода, который обрывается при достижении зондом максимальной глубины.

В открытом океане температура воды изменяется в пределах от — 2° до 4 30 °C. Поверхностная температура в Персидском заливе в летние месяцы превышает 33 °C, а на мелководьях у берегов может достигать 36°. Основная масса воды в океане значительно однороднее по температуре: 75% объема воды имеет температуру от 0 до 6°, 50% — от 1,3 до 3,8 °C.

Самая холодная вода в море Уэдделла, в Антарктике. Холодная морская вода тяжелее теплой, поэтому она опускается и распространяется вдоль дна на север.

Пояс максимальных температур поверхностных вод расположен примерно между 5 и 10° северной широты. Причина этого заключается в том, что в южном полушарии воды значительно больше, чем в северном, поэтому поглощение солнечной энергии происходит там с меньшим приращением температуры[19].

Он зависит от характера облачности, однако суточные изменения редко превышают 0,5 °C, причем они охватывают лишь тонкий поверхностный слой. При ясной погоде температура может подниматься на 2 °C. Суточные колебания температуры воды малы по сравнению с колебаниями температуры воздуха и почвы, потому что для аналогичного изменения температуры вода должна поглотить в пять раз больше тепловой энергии, чем воздух.

На экваторе вода всегда теплая, а в полярных районах — всегда холодная, поэтому суточные и сезонные изменения температуры там невелики. В средних же широтах смена времен года вызывает заметные сезонные изменения температуры поверхностных вод.

По данным Немецкой службы погоды в Гамбурге, в период с 1900 по 1950 г. в Северной Атлантике существовала тенденция к потеплению, однако с 1951 по 1963 г. отмечено понижение температуры примерно на 0,3 °C.

В общем температура в океане быстро убывает с глубиной. Для океана типична трехслойная структура: в верхнем слое (перемешанном слое) толщиной от 20 до 200 м температура однородна, в следующем за ним тонком слое (называемом термоклином) температура резко падает, ниже термоклина температура уменьшается более плавно.

Это однородный верхний слой, который нагревается солнечной радиацией и перемешивается течениями, ветровым волнением и приливами. В районах постоянных ветров, как, например, в пассатной зоне, этот слой может достигать толщины 200 м. В районах значительного дневного прогрева возникает суточный термоклин в слое от поверхности до глубины 6 — 10 м. На глубинах 30 — 100 м может образоваться также сезонный термоклин.

Даже в тропиках температура воды на глубине более 1500 м не превышает 3 °C. Однако отрицательные температуры встречаются лишь в отдельных местах.

Исследования, проведенные еще 170 лет назад, показали, что исключительно низкая температура придонных вод в тропиках может объясняться только одним — притоком вод из полярных районов. Более поздние измерения содержания растворенного в воде кислорода указывают на то, что холодная вода, будучи плотнее теплой, опускается в полярных районах и медленно распространяется вдоль океанского дна по направлению к экватору.

Это линия резкого перепада температуры, разделяющая различные водные массы и воды различного происхождения.

Такие фронты аналогичны атмосферным фронтам, которые разделяют воздушные массы различного происхождения и распознаются по резким перепадам температуры на коротких расстояниях. В океане информацию, необходимую для определения местонахождения фронта, получают с помощью батитермографа, дающего непрерывную запись распределения температуры по глубине[20].

Это может иметь место в океанических впадинах глубиной более 3500 м. Однако температура воды при этом повышается не более чем на 0,5 °C.

206. Какое влияние оказывает на океан солнечная радиация?

Солнечная радиация служит источником энергии, обусловливающей изменения температуры, испарение и возникновение течений. Она регулирует скорость фотосинтеза у всех морских растений, которые служат прямым или косвенным источником пищи для всех морских животных. Солнечная радиация оказывает влияние на размножение, поведение и миграции морских животных. И наконец, она позволяет морским животным (и аквалангистам) видеть под водой.

Более 60% приходящей солнечной энергии поглощается в верхнем метровом слое воды, а более 80% — в верхних 10 м. В прибрежных и мутных водах поглощение значительно сильнее. Энергия в видимом участке спектра пропускается значительно лучше, чем в инфракрасном и ультрафиолетовом участках. Глубже всего проникает излучение как раз тех длин волн, которые нужны растениям.

Важнейший фактор — мутность, то есть количество взвешенных в воде твердых частиц, включая осадочный материал и микроорганизмы. Большое значение имеет и высота солнца над горизонтом: глубже всего свет проникает в полдень. Условия погоды и длина волны излучения также играют свою роль. Глубже 200 м сезонные колебания прозрачности, по-видимому, малы.

Когда солнце в зените и атмосферные условия идеальны, очень слабый, однако доступный человеческому глазу сине-зеленый свет можно видеть даже на глубине 800 м. Приборы зафиксировали проникновение света на глубину 1000 м.

Это объясняется тем, что вблизи поверхности обычно много взвесей. Итальянские аквалангисты, работавшие на затонувшем судне «Иджипт» к юго-западу от французского порта Брест, сообщали, что до глубины 20 м видимость уменьшалась, а затем снова улучшилась. На глубине 120 м, где находилось затонувшее судно, свет был настолько слабый, что видимость составляла всего около 2 м.

Аквалангистам, пользующимся маской с плоским стеклом, подводные объекты кажутся увеличенными примерно на 30%. Это вызвано различием коэффициентов преломления света в воде и в воздухе, заключенном в маске. Аквалангист к этому привыкает и бессознательно вводит соответствующую поправку, однако при подводной фотографии возникают серьезные трудности. Для того чтобы устранить искажение объекта, — стекла в подводных фотобоксах делают изогнутыми. Путем подбора кривизны можно добиться того, что искажения будут минимальными.

Это делается с помощью метода, который применяли в ВМС США еще в 1804 г. В тот год появилось сообщение о том, что с направлявшегося в Триполи фрегата «Президент» вблизи южной части средиземноморского побережья Испании была опущена белая фарфоровая тарелка, привязанная к лотлиню. Она была видна вплоть до глубины 44 м. Это и была глубина видимости, или прозрачность. В течение длительного времени для измерения прозрачности пользуются диском Секки — белым диском диаметром 30 см. Его опускают в воду до тех пор, пока он не скроется из виду.

Прозрачность вод Саргассова моря, находящегося в центре Северной Атлантики, приближается к прозрачности дистиллированной воды. В этом районе диск Секки исчезает из виду на рекордной глубине — 65 м. Воды Тихого океана в среднем прозрачнее вод Атлантического и Индийского океанов.

214. Как производятся точные измерения прозрачности?

Более точные данные о прозрачности можно получить с помощью приборов, в которых датчиком служит фотоэлемент. Измеряется либо световой поток, проникающий с поверхности моря, либо, если в приборе имеется собственный источник света, — количество световой энергии, пропускаемой определенным слоем воды[21].

Отцом подводной фотографии считается французский гидробиолог Луи Бутан. В 1892 г. он сделал свой первый подводный снимок; это была фотография средиземноморского краба. Луи Бутан проработал над созданием подводных камер восемь лет. Его третья (и последняя) камера представляла собой тяжелую коробку, изготовленную из меди и стали. Ее привязывали к плавающему на поверхности винному бочонку. Луи Бутан написал книгу о подводной фотографии, в которой не только описал изобретенную им аппаратуру и методику подводной фотосъемки, но и изложил свои взгляды на значение фотографии для изучения подводной флоры и фауны.

В начале 1926 г. профессор гидробиологии колледжа Гуше в Балтиморе Уильям X. Лонгли послал в «Нейшнл Джиогрэфик джорнэл» («Национальный географический журнал») статью о животном мире коралловых рифов. Хотя в те времена цветная фотография только зарождалась (тогдашние фотопластинки требовали секундной выдержки), редакция журнала настояла на том, чтобы статья сопровождалась цветными иллюстрациями. Поэтому руководитель фотолаборатории журнала Чарлз Мартин и Лонгли отправились в район отмели Драй-Тортугас, чтобы сделать нужные снимки. Они понимали, что для подводной фотосъемки потребуется хорошее освещение (электрические лампы-вспышки тогда еще не были изобретены). Чтобы обеспечить достаточную освещенность, во время каждого снимка на плоту, находившемся на поверхности, поджигался фунт порошка магния. Магниевая вспышка освещала дно на глубине 3–5 м с такой же интенсивностью, как 2400 ламп-вспышек. Так впервые была получена серия цветных фотографий подводного мира. В январском номере «Нэйшнл Джиогрэфик джорнэл» за 1927.г. были опубликованы результаты их работы.

В чистой мелкой воде глаз человека автоматически корректирует цветовые оттенки, однако на фотопленке все приобретает зелено-голубую окраску. Голубые и зеленые фильтры значительно улучшают цветопередачу, однако для получения истинных цветов лучше всего пользоваться искусственными источниками света вблизи объекта.

Первый подводный кинофильм был снят в 1914 г. англичанином Дж. Уильямсоном. Специально для съемки этого фильма была изготовлена стальная сфера с иллюминаторами из высокопрочного стекла. Сфера опускалась с баржи на глубину 9 м, в ней могли разместиться два оператора с кинокамерами. Первый подводный фильм рассказывал о мире коралловых рифов в районе Багамских островов.

Для того чтобы сфотографировать океанское дно, необходимо искусственное освещение. Пионером в этой области стал Гарольд Эджертон из Массачусетского технологического института. Разработанный им стробоскопический источник света позволяет фотографировать дно в глубоководных районах на ходу судна.

Подводное телевидение применяется начиная с 1951 г. для определения местоположения объектов на дне, для осмотра кабелей, а также для биологических и геологических исследований.

Рыбы, живущие вблизи поверхности, снабжены естественным камуфляжем: спина у них обычно темного цвета с голубым или зеленым оттенком, а нижняя часть тела — серебристая или светлая. На тех глубинах, куда еще проникает видимый свет, рыбы либо серебристого цвета, либо окрашены в бледные оттенки коричневого или серого. На больших глубинах морские организмы обычно имеют темную окраску.

По-видимому, свечение организмов необходимо для освещения, приманивания добычи, привлечения особей противоположного пола, а возможно, и для отпугивания врагов.

Некоторые глубоководные рыбы, перемещаясь по вертикали в поисках пищи, заходят в освещенную зону. Другие все время пребывают в темноте; они могут видеть лишь свечение других организмов.

Море имеет синий цвет по той же причине, что и небо, а именно вследствие молекулярного рассеяния солнечного света. Коротковолновое световое излучение, соответствующее синему участку спектра, лучше рассеивается на молекулах, чем длинноволновое.

Цвет моря зависит от присутствия взвешенных в воде частиц, от глубины, характера облачного покрова и других факторов. В открытом море вода обычно синего цвета, особенно в тропических и субтропических районах. Вблизи берегов вода бывает зеленой из-за присутствия в ней частиц желтого цвета, смешивающихся с синей водой. Большие концентрации растворенных веществ могут дать желтоватый оттенок. Коричневый цвет воды объясняется присутствием взвешенного ила. Зеленоватый цвет придают воде водоросли. Очень плотные популяции мельчайших растений и животных могут сообщить воде красную или коричневую окраску. Кроме того, цвет моря постоянно меняется из-за того, что солнце то скрывается за облаками, то вновь появляется в просветах. Зависит цвет моря и от высоты солнца над горизонтом.

Это шкала, включающая различные оттенки желтого, зеленого и голубого цветов; определение цвета морской воды производится на белом фоне диска Секки. В Океанографическом управлении ВМС США принята следующая описательная цветовая кодовая шкала:

Цвет морской воды, наблюдаемый на фоне диска Секки, сравнивается с цветом эталонных растворов (в наборе из 11 ампул), получаемых при смешении в различных пропорциях двух солей: сульфатаммония меди (медный купорос с нашатырным спиртом) и нейтрального хромовокислого калия[22].

Плотность морской воды зависит от температуры, солености и давления. Средняя плотность морской воды составляет 1,025. Это означает, что данный объем морской воды в 1,025 раза тяжелее того же объема дистиллированной воды. Плотность возрастает при понижении температуры, повышении солености и увеличении давления (глубины).

Через каждые 10 м глубины давление увеличивается на 1 атм (примерно 1 кг/см²). На глубине 1000 м давление составляет около 100 атм: этого достаточно, чтобы сжать кусок дерева до половины его начального объема, так что он начнет тонуть.

Батискаф «Триест» подвергался на дне Марианского желоба давлению 1100 атм. Роберт Тот подсчитал, что батискаф при этом выдерживал вес двух с половиной авианосцев. Корпус батискафа диаметром 218 см при толщине стенок 87 мм был сжат давлением воды на 2 мм, так что от него даже отстала краска. На дне менее глубокого желоба Пуэрто-Рико (самого глубокого в Атлантике), на глубине 8390 м, французский батискаф «Архимед» выдержал давление около 840 атм.

В прибрежных водах, где плотность сильно меняется, ее иногда измеряют непосредственно ареометром. В открытом океане, где нужна высокая точность, плотность не измеряется, а рассчитывается по температуре, солености и глубине (давлению).

Самая плотная вода в районе Антарктики: там она имеет не только низкую температуру, но и высокую соленость. При образовании льда остающаяся вода становится более соленой и тем самым более плотной.

Так океанологи обозначают условную плотность. Например, плотность, равная 1,025, записывается так: σ_t = 25,0.

Если известно вертикальное распределение плотности морской воды, то можно рассчитать направление и скорость течений. Вертикальное распределение плотности необходимо знать и для определения устойчивости водной массы: если масса неустойчива, то есть если более плотная вода лежит выше менее плотной, будет происходить перемешивание.

Морская вода практически несжимаема. Точнее говоря, ее коэффициент сжимаемости составляет всего 0,000 046 на 1 бар при нормальных условиях. Отклонения этой величины за счет изменения температуры и солености невелики. Под действием давления молекулы воды несколько сближаются друг с другом, вследствие чего плотность ее немного увеличивается. Если бы вода была абсолютно несжимаемой, то, по расчетам Океанографического управления ВМС США, уровень Мирового океана оказался бы на 27 м выше.

В морской воде звук распространяется в 4,5 раза быстрее, чем в воздухе[23]. Скорость его распространения зависит от температуры, солености и давления. С увеличением любого из этих факторов скорость звука возрастает.

Ее можно рассчитать, зная температуру, соленость и глубину — три основные характеристики, измеряемые на океанографических станциях. В течение многих лет этот метод был единственным. В последние годы скорость звука в морской воде стали измерять непосредственно. Измерители скорости звука работают на принципе измерения отрезка времени, за который звуковой импульс проходит определенное расстояние.

Звуковые колебания, возникшие при подводном взрыве, произведенном исследовательским судном Колумбийского университета «Вема» в 1960 г., были зарегистрированы на расстоянии 12 000 миль. В подводном звуковом канале у побережья Австралии была взорвана глубинная бомба, и примерно через 144 мин звуковые колебания достигли Бермудских островов, то есть почти противоположной точки земного шара.

Это зона, в которой скорость звука сначала уменьшается с глубиной до некоторого минимума, а затем увеличивается за счет роста давления. Возбуждаемые в этой зоне звуковые волны не могут из нее выйти, так как искривляясь возвращаются к оси канала. Попав в такой канал, звук может пройти тысячи миль.

Это сокращение английских слов «sound fixing and ranging» (обнаружение источников звука и измерение расстояния до них). В системе СОФАР используется звуковой канал на глубинах 600 — 1200 м. По засечкам с нескольких станций приема можно установить местоположение источника звука в этом канале с точностью до 1 мили. Во время второй мировой войны с помощью этой системы удалось спасти многих летчиков, сбитых над морем. На их самолетах имелись небольшие бомбы, которые взрывались под действием давления при достижении глубины залегания звукового канала.

Гидролокатор работает на том же принципе, что и радиолокатор, только вместо радиоволн в нем используются звуковые (акустические) волны. Гидролокатор может быть активным или пассивным. Активная система излучает звуковые колебания и принимает отраженный сигнал, или эхосигнал. Для определения расстояния надо взять половину произведения скорости звука на время, прошедшее между излучением звукового импульса и приемом отраженного сигнала. Пассивная система работает в режиме прослушивания, и с ее помощью можно определить лишь направление, в котором находится источник звука. Гидролокатор используется для обнаружения подводных лодок, навигации, поиска косяков рыбы и для определения глубины. В последнем случае гидролокатор представляет собой обычный эхолот.

Вследствие различий в плотности морской воды звуковые волны в океане не распространяются прямолинейно. Направление их искривляется вследствие изменения скорости звука в воде. Это явление и называется рефракцией. Кроме того, звуковая энергия рассеивается на взвесях и морских организмах, отражается от поверхности и дна и рассеивается на них и, наконец, ослабляется при распространении сквозь толщу воды.

К шумам моря относятся шумы волн и прибоя, шумы, вызываемые атмосферными осадками, сейсмической и вулканической деятельностью, и, наконец, звуки, издаваемые рыбами и прочими морскими организмами. Шумы, вызванные движением судна, работой механизмов, добывающих полезные ископаемые, а также шумы, создаваемые во время подводных и надводных океанографических работ, возникающие вне самих платформ и измерительной аппаратуры, тоже считаются шумами моря.