Физические характеристики морской воды, изменяющиеся с изменением солености

  Большинство характеристик морской воды изменяется вмес­те с соленостью (таблица 7.3). Некоторые из таких зависимо­стей лучше описать в этой главе, посвященной морским со­лям и их эффектам; другие, например плотность и коэффи­циент теплового расширения, удобнее проанализировать от­дельно, что будет сделано в главе Плотность морской воды и ее влияние на физические и биологические процессы, посвященной плотности морской воды.

Таблица 7.3. Физические характеристики морской воды, изменяющи­еся при изменении солености

Характеристики, возрастающие с увеличением солености Характеристики, убывающие с увели­чением солености
 Плотность  Удельная теплоемкость
 Молекулярная вязкость  Точка замерзания 
 Поверхностное натяжение  Температура максимальной плотности
 Показатель преломления  Давление паров
 Электропроводность  Теплопроводность (молеку­лярная)
 Коэффициент теплового рас­ширения  
 Скорость звука  
 Осмотическое давление  

Характеристики, которые увеличиваются с увеличением солености

  Электропроводность. Проводимость морской воды опреде­ляется числом сольватированных ионов на единицу объема воды. Помимо того что электропроводность служит мерой солености морской воды, ее зависимость от содержания со­лей может быть использована и в других целях.

  Двойная смесь воды и растворенных солей содержит большое количество электрически заряженных частиц. Ког­да океаническое течение пересекает силовые линии геомаг­нитного поля, в воде индуцируются электрические токи. Од­но возможное следствие (рисунок 7.5,а) этого явления было предсказано М. Фарадеем в его лекции на заседании Королевского общества (1832 г.):

  «Теоретически представляется неизбежным, что там, где течет вода, должны возникать электрические токи: таким образом, ли­нию, идущую от Дувра к Кале по морю и назад к Дувру по земле под проливом, можно считать цепью из проводящего вещества, часть которой, когда вода движется вверх или вниз по каналу, пе­ресекает силовые линии магнитного поля Земли...»

  Океанская вода, текущая со скоростью 1 см/с, генериру­ет электрическое поле; разность потенциалов между элек­тродами, поставленными поперек потока воды на расстоя­нии 100 м друг от друга, составит в этом случае около 10 мВ. На практике прибегают к буксировке такой пары электродов за судном (на некотором расстоянии, чтобы из­бежать влияния «электрического шума», создаваемого суд­ном); измеренное напряжение переводят в значения скоро­сти течения, перпендикулярного курсу судна (рисунок 7.5,6).

  Логично предположить, что морские организмы также используют это явление, скажем в навигационных целях во время миграций. Если взглянуть еще раз на рисунок 3.4, то станет ясно, что морские животные имеют возможность каким-то образом «узнавать», в нужном ли направлении несет их течение. Большинство обитающих в воде животных, которые научились генерировать токи внут­ри организма, относится к пресноводным. Это объясняется тем, что электрические заряды в морской воде «накоротко замыкают» железы животного, служащие электродами. (Говорят, что электрический угорь, обитающий в Амазонке, умирает от собственного электрического разряда, если его хвост и голову соединить проводом; я, однако, не ставил такого опыта.) Некоторые виды рыб в Амазонке генериру­ют электрическое поле и ощущают изменения этого поля, вызываемые течениями или турбулентностью. Тем самым электрическое поле может служить навигационным прибо­ром, если вода настолько мутна, что визуальная ориентация становится для рыбы невозможной.

Рисунок 7.5. Океаническое течение, переносящее соленую воду в маг­нитном поле Земли, генерирует разность потенциалов.

Эффект Фарадея в проливе Ла-Манш

(а) Эффект Фарадея в проливе Ла-Манш. К изолированным кабе­лям подсоединены электроды, находящиеся в соленой воде (один - на одной стороне пролива, другой - на другой). Поток воды в проливе генерирует довольно ощутимую разность потенциалов, пропорциональную потоку воды; знак разности потенциалов зави­сит от направления потока. Типичное приливное течение, имеющее скорость около 1 узла (0,5 м/с), создает сигнал порядка нескольких вольт.

Буксировка электродов за судном для измерения скорости океанических течений

(б) Буксировка электродов за судном для изме­рения скорости океанических течений. Два ка­беля, на концах которых, отстоящих друг от друга на 100 м, укреплены электроды, будут регистрировать разность потенциалов, если на­правление движения судна перпендикулярно движению воды в океане. В приведенном при­мере сильное океаническое течение направлено слева направо и измерительное устройство фиксирует положительную разность потенциа­лов, когда судно пересекает течение, двигаясь из точки А в точку А' . На участке от А' до В, параллельном течению, сигнал отсутствует. На обратном пути, когда судно движется от в к В' , прибор регистрирует сигнал той же величи­ны, что и на участке А А' , но противополож­ного знака.

  Показатель преломления. Этот параметр является мерой скорости света в среде. За опорное значение показателя пре­ломления (1,00) принято его значение для воздуха (точнее, для вакуума), тогда для морской воды он будет равен 1,33 (в воде свет распространяется медленнее, чем в воздухе).

  Показатель преломления в некоторой степени изменяет­ся с изменением солености — примерно на 0,2% на 1‰. Не­известно, используют ли как-нибудь это явление морские организмы. Океанологи пытались создать устройства для измерения солености на основе указанной зависимости, но промышленного воплощения такие приборы не получили. Однако эта зависимость имеет одно весьма важное примене­ние: она позволяет следить за конвективными движениями, вызываемыми изменениями солености. Мы знаем, напри­мер, что при замерзании воды соль выделяется в раствор, а это ведет к изменениям плотности в слое воды подо льдом вблизи границы раздела лед — вода. Изменение плотности порождает вертикальную конвекцию внутри жидкости. Осо­бенности такой вертикальной конвекции в лаборатории изу­чают с помощью фотографирования в поляризованном све­те, проходящем через прозрачный бак с водой. Когда струи осолоненной воды отрываются от поверхности раздела лед — вода и опускаются вниз, они изменяют показатель преломления и, таким образом, влияют на прохождение света, регистрируемого на фотопленке. Эти струи очень тонкие — толщиной около 0,1 см, но могут распростра­няться в глубину на метры. Пока ещё никому не удалось выполнить аналогичные наблюдения подо льдом в океане, хотя существуют фотографии океанских соленых струй, по­рождаемых другими механизмами.

  Скорость звука. Упругие волны - эффективный механизм передачи информации через морскую воду. Не случайно многие морские животные используют для коммуникации именно его. Звуковые волны находят многочисленные при­менения в исследованиях океанов; они используются для из­мерения глубины дна, для поиска косяков рыб и анализа численности их популяций (даже для определения конкрет­ных видов рыб) и для передачи информации.

  Скорость звука в воде зависит от ее солености, темпера­туры и давления. При атмосферном давлении на поверхно­сти моря, температуре 30 °С и солености 35‰ скорость зву­ка равна 1546,16 м/с. С увеличением солености на 1%о ско­рость звука возрастает примерно на 1,3 м/с. Изменения со­лености, вообще говоря, не главный фактор среди всех, определяющих скорость звука. В верхних слоях океана та­ким фактором является температура, поскольку при увели­чении температуры на 1°С скорость звука возрастает на 3 м/с. В глубоких слоях доминирует давление: увеличение скорости звука составляет 1,8 м/с на каждые 100 м глубины.

  Скорость звука изменяется с глубиной очень своеоб­разно. В главе Два океанологических рейса мы рассмотрим вертикальные профили тем­пературы и солености. Здесь мы лишь упомянем, что из ви­да этих профилей следует существование минимума на вер­тикальном профиле скорости звука (см. жирную кривую на рисунке 8.3). У побережья шт. Орегон этот минимум распола­гается на глубине около 400 м, а в принципе его можно най­ти практически в любом районе Мирового океана. Он имеет свое собственное название — подводный звуковой канал (ПЗК). Если поместить на этой глубине акустический пере­датчик, излучаемые им звуковые волны распространятся на очень большое расстояние. Причина состоит в том, что зву­ковые волны, стремящиеся уйти вверх или вниз с 400-м го­ризонта, возвращаются назад в зону звукового канала, ко­торая, таким образом, служит волноводом. Ученые из Вудс-Холского океанографического института помещали вмонтированные в поплавки акустические передатчики в подводный звуковой канал в районе Гольфстрима и следили за их дрейфом на протяжении тысяч километров.

  Осмотическое давление. При увеличении солености осмоти­ческое давление растет. Фундаментальное значение этого яв­ления можно понять, изучая эффекты осмотического давле­ния в морских организмах. Осмос определяется как диффузия рас­творителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую два разных раствора; она всегда направлена на то, чтобы выровнять концентрации. В океанах растворителем служит вода, которая диффундирует через мембрану в раствор с бо­лее высокой концентрацией соли.

  У одноклеточных морских растений мембрана, в кото­рую заключена клетка, является полупроницаемой. Растение поглощает полезные для него ионы и соединения (например, PO43- , NO3-) и выбрасывает продукты распада (например, NH3) прямо через клеточную мембрану. В каком-то смысле океан — это «сосудистая» система, которая обеспечивает перенос богатой питательными веществами жидкости мимо растительной клетки. Клетка «управляет» процессом диф­фузии, регулируя осмотическое давление на мембрану; она делает это, изменяя «соленость» внутриклеточной жидко­сти.

  Позвоночные и беспозвоночные используют эффект ос­мотического давления по-разному. У беспозвоночных «соле­ность» тканевой жидкости близка к солености окружающей среды. Говорят, что такие животные находятся в «изотони­ческом» равновесии с окружающей средой.

Зависимость температуры замерзания и температуры максимальной плотности воды от солености

Рисунок 7.6. Зависимость температуры замерзания и температуры максимальной плотности воды от солености. Значение солености, при котором две температурные кривые пересекаются, а именно 24,69 ‰, разграничивает два типа вод — озерный и океанский.

  Большинство видов морских рыб должно непрерывно «преодолевать» влияние эффекта осмотического давления, вызванного различием в составах морской воды и тканевой жидкости. В биологических системах осмотическое давление часто выражается через понижение температуры замерза­ния, обусловленное присутствием соли в жидкости. Обычно морская вода с соленостью 35‰ имеет точку замерзания -1,9 °С (на рис. 7.6 показано, как понижается эта темпера­тура с увеличением солености). В отличие от этого точка замерзания тканевой жидкости морской костистой рыбы равна -0,8 °С; следовательно, разница, или осмотическое давление в таких единицах, равна 1,1. Поэтому организм морской рыбы должен постоянно затрачивать усилия, про­тивясь уходу воды в океан, вызываемому осмотическим давлением на коже и других открытых участках тела. С этим рыба справляется, заглатывая соленую морскую воду, концентрируя избыточные соли в рассоле и затем выделяя рассол через специальные «солевые клетки», находящиеся в жабрах.

  Однако и пресноводная рыба, у которой содержание со­лей в тканевой жидкости почти такое же, как у морской ры­бы (точнее, несколько меньше - около -0,6 °С в пересчете на понижение точки замерзания), должна также противо­действовать осмосу, но только в обратном направлении: ее организм должен бороться с распреснением ее тканевой жидкости. Эти рыбы имеют хорошо развитые почки, по­зволяющие им выводить избыток воды из тканевой жидко­сти.

 Анализ осмотических эффектов будет неполным, если не упомянуть некоторые виды животных (в частности, лосося), которые мигрируют из пресной воды в морскую и обратно. Лосося эта проблема не беспокоит, поскольку име­ющиеся у него рудиментарные почки обеспечивают его по­требность в пресной воде, а солевые клетки — в соленой. У крабов, живущих в воде с более высоким осмотическим дав­лением, некоторая часть избыточных солей откладывается в щиток наружного скелета: периодическое сбрасывание щит­ка освобождает животное от избытка солей. Самки морских млекопитающих сталкиваются с проблемой высокого осмо­тического давления в период кормления детенышей, так как на вырабатывание молока идет дополнительное количество воды сверх потребностей матери. В некоторых экосистемах различное отношение хищника и жертвы к солености дает жертве дополнительную возможность для спасения; так, устричные отмели располагаются выше по течению в эстуа­риях, т. е. в менее соленой воде, где морская звезда, кото­рая в данном случае выступает в роли хищника, существо­вать не может.

Характеристики, которые уменьшаются с возрастанием солености

  Удельная теплоемкость. Мы уже знаем, что удельная тепло­емкость чистой воды равна 1 кал/(г ∙ град). Добавление со­ли уменьшает удельную теплоемкость раствора; при солено­сти 35‰ и температуре 20°С она равна 0,932 кал/(г ∙ град). Изменение температуры также влияет на эту характеристи­ку; при уменьшении температуры воды, имеющей соленость 35‰, с 20 до 0°С удельная теплоемкость возрастает с 0,932 до 0,942 кал/(г ∙ град). В процессах, благодаря которым океаны смягчают климат, понижение теплоемкости с увели­чением солености особой роли не играет.

  Давление пара. Давление пара над поверхностью морской воды с типичной соленостью составляет 98% от давления пара над чистой водой при той же температуре. В боль­шинстве случаев учитывать это влияние солености нет необ­ходимости, поскольку куда более значителен эффект вариа­ции температуры воды (при прочих равных условиях теплая вода испаряется быстрее, чем холодная).

  Температура замерзания. Добавление соли к чистой воде значительно понижает точку замерзания солевого раствора (именно по этой причине при изготовлении мороженого в домашних условиях в воду обычно кладут соль). На рисунке 7.6 показана зависимость точки замерзания воды от солености в интервале от 0 до 35‰; при солености 32‰, характерной для полярных широт, поверхностная вода замерзает при температуре -1,7 °С.

  Поверхностные воды, находящиеся в длительном кон­такте со льдом, будут иметь как раз такую температуру. Поскольку точка замерзания тканевой жидкости рыб меня­ется от -0,6 до -0,8 °С, обычные рыбы не могут долго существовать среди льдов, если только они не адаптирова­лись к тому, чтобы защитить себя от замерзания жидкости в теле. Они испытывают особые трудности с «дыханием», так как их жаберные мембраны, которые поглощают кисло­род и выделяют продукты распада, исключительно тонки и при температуре -1,7 °С замерзают. Организм борется с этим, вырабатывая антифриз — вещество, которое, будучи перемешанным с нормальной кровью или тканевой жидкос­тью, снижает их точку замерзания настолько, чтобы защи­тить животное, т. е. в данном случае до -1,7 °С и ниже. В умеренных широтах рыбы, живущие зимой в мелководных заливах, где вероятны отрицательные температуры, «регу­лируют» снижение точки замерзания сезонно.

  Температура максимальной плотности. Океанские воды зна­чительно отличаются от вод пресных или солоноватых озер по своей температуре максимальной плотности. На рисунке 7.6 изменение этого параметра представлено в том же диапазо­не солености, что и график изменения точки замерзания, и этому есть причина. Заметьте, что две прямые пересекаются при значении солености 24,69 ‰: воды с меньшей соленос­тью ведут себя как солоноватая озерная вода. Рисунок 7.7 ил­люстрирует уникальную особенность чистой воды: ее плот­ность максимальна при температуре +4 °С, а не при точке замерзания. Давайте сравним теперь поведение озерной и морской воды с приближением их к условиям замерзания.

Плотность чистой воды достигает максимального значения 1,000 г/см3 при 4 °С

Рисунок 7.7. Плотность чистой воды достигает максимального значе­ния 1,000 г/см3 при 4 °С. При температуре замерзания 0 °С плот­ность воды несколько ниже — около 0,9995 г/см3.

  Вода в озере Крейтер в шт. Орегон почти пресная, со­держание растворенных солей в ней лишь 0,08‰, и макси­мальную плотность она имеет при +3,8 °С (рисунок 7.6). Тем­пература глубинной воды в этом озере равна +3,8 °С, и объясняется это просто. С приближением зимы поверхност­ные воды охлаждаются. Когда температура приповерхност­ной воды снижается до +3,8 °С, вода становится плотнее, чем основная масса воды в озере, или такой же плотной. Если в это время температура придонной воды выше или ниже чем +3,8 °С, то ее плотность меньше, чем у поверх­ностной воды. Таким образом, вертикальный столб воды оказывается неустойчивым и «опрокидывается», в результа­те чего вода с температурой +3,8 °С оказывается у дна. При дальнейшем охлаждении с поверхности весь столб воды в конце концов принимает температуру максимальной плот­ности. Однако, если охлаждение продолжается и после этого, поверхностная вода становится все менее плотной в связи с приближением к точке замерзания. Будучи не в состоянии по­грузиться вглубь из-за нижележащей воды большей плотно­сти, она быстро охлаждается до точки замерзания.

  В противоположность этому поверхностный слой в океа­нах замерзает до того, как успеет достичь температуры максимальной плотности. Охлаждение поверхностных вод с наступлением холодного сезона приводит к увеличению плотности и порождает вертикальную конвекцию. Однако, поскольку океанам свойственна плотностная стратификация, глубина, до которой проникает такая конвекция, в боль­шинстве случаев ограничивается несколькими сотнями мет­ров. Заметным исключением из этого правила является Юж­ный океан.