Автор: Нешиба С.
Теги: океанология рельеф морского дна дно океана океанография мировой океан физика и гидролог моря география океан океаны
ISBN: 5-03-000349-9
Год: 1991
Текст
Познание мира (Западное полушарие)
©John Bartholemew & Son Ltd. Edinburgh
ОКЕАНОЛОГИЯ
OCEANOGRAPHY
Perspectives on a Fluid Earth
Steve Neshyba
College of Oceanography
Oregon State University
John Wiley & Sons
New York/Chichester/Brisbane/Toronto/Singapore
С. Нешиба
ОКЕАНОЛОГИЯ
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О ЖИДКОЙ ОБОЛОЧКЕ ЗЕМЛИ
Перевод с английского
канд. геол.-мин. наук Б. А. Борисова,
А. Ю. Краснопевцева, Н. И. Кутузовой
под редакцией
д-ра геогр. наук В. А. Буркова
Москва «Мир» 1991
ББК 26.221
Н59
УДК 551.46
Scan- nau; Processing, OCR- waleriy. 2019
Н59
Нешиба С.
Океанология. Современные представления о жидкой обо¬
лочке Земли: Пер. с англ. — М.: Мир, 1991. — 414 с., ил.
ISBN 5-03-000349-9
Книга известного американского ученого обобщает современные знания
об океанических бассейнах и дает комплексное описание природы океанов на
фоне общей природы планеты. Океаны рассматриваются с точки зрения фи¬
зики, химии, геологии и биологии, т. е. с точки зрения сосуществования и
взаимодействия соответствующих процессов. Излагаются основы геологии
океанов и морской биологии, описываются форма бассейнов, тектоника плит
и хребтов, взаимодействие атмосферы и океанов, океанические течения и цир¬
куляция вод. Освещаются природные особенности прибрежных течений, дви¬
жение береговых осадков, особые условия морской жизни вблизи берегов и в
открытом море, особенности полярных океанов и др.
Для океанологов, морских геологов, биологов и студентов соответствую¬
щих специальностей, а также для физиков и химиков, интересующихся проб¬
лемами океанологии.
1805040600 — 245
Н 93—90
041(01) — 91
ББК 26.221
Редакция литературы по геологии и геофизике
ISBN 5-03-000349-9(русск.)
ISBN 0-471-81761-9(англ.)
© 1987, by John Wiley & Sons, Inc.
All rights reserved. Authorized translation
from English language edition published by
John Wiley & Sons, Inc.
© перевод на русский язык, Борисов Б. А.,
Краснопевцев А. Ю., Кутузова Н. Ц., 1991
От редактора перевода
На первый взгляд кажется, что книга С. Нешибы — одно из
многочисленных популярных изданий. Однако на самом де¬
ле она гораздо глубже по своему содержанию и даже может
быть использована в качестве учебного пособия как для
специалистов, так и неспециалистов в области океанологии.
Такое назначение книги заложено отчасти в самом характе¬
ре океанологической науки, который сложился исторически
и отличается органическим сочетанием и переплетением фи¬
зики и химии, биологии и геологии, т. е. фундаментальных
наук, но в той их части, которая относится к изучению океа¬
нов. Поэтому нередко говорят, что океанология — ком¬
плексная или многодисциплинарная наука. Быть специалис¬
том одинаково высокого уровня по всем морским научным
дисциплинам невозможно, однако быть в курсе их развития
весьма желательно и даже обязательно. Выполнить эту не¬
обходимость поможет книга Нешибы, написанная для ввод¬
ного университетского курса океанологов.
Текст книги разделен на семь частей, но ее структура не¬
обычна. Хотя сама книга представляет собой введение в
океанологию, она содержит еще первую часть — сжатый,
но общий обзор, где изложены причины, по которым мы
изучаем океаны, какими средствами мы этого добиваемся, а
также подводится фундамент для чтения остального мате¬
риала. Читатель, особенно неспециалист в области океано¬
логии, может по желанию ограничить свое знакомство с
океанами первой частью книги. В ней обрисована роль океа¬
нов как источников пищевых и минеральных ресурсов для
населения планеты, описано немаловажное, если не решаю¬
щее, влияние океанов на погоду и климат Земли. Особое ме¬
сто отведено морской биосфере. Рассказано о природе и
особенностях океанов как составной части общей природы
планеты. Наконец, океаны рассматриваются с позиций сосу¬
ществования и взаимозависимости протекающих в них фи¬
зических, химических, геологических и биологических про¬
цессов.
Книга написана на современном научном уровне. В ней
нашли отражение самые последние достижения в океаноло¬
гии и сопредельных науках: современная теория тектоники
литосферных плит, по-новому объясняющая историю разви¬
тия континентов и океанов; современная оценка океанов с
их громадными запасами тепла как важного звена в колеба¬
ниях погоды и климата; открытая в последние десятилетия
синоптическая изменчивость полей океанологических харак¬
теристик. Конечно, не все вопросы освещены с одинаковой
полнотой.
Язык книги доступен для любого читателя. Она не со¬
держит ни математических выкладок и формул, ни химиче¬
ских радикалов, а специальные биологические и геологиче¬
ские термины используются в разумных пределах.
Особенность книги — обильные и наглядные иллюстра¬
ции, которые дают возможность, даже не обращаясь к тек¬
сту, получить первое и довольно емкое представление о
многих явлениях и процессах, протекающих в океанах. Со¬
вокупность рисунков с полным правом можно назвать океа¬
нологическим минимумом.
Среди отечественных изданий нет монографий, подоб¬
ных книге Нешибы. Правда, начиная с 50-х годов время от
времени появлялись переводные труды, которые напоминали
«Океанологию» Нешибы. Но все они либо устарели, либо
уступают ей как по полноте, так и по уровню изложения.
«Океанология» Нешибы предназначена для широкой
аудитории: для студентов, специализирующихся по морским
дисциплинам, аспирантов, постигающих разнообразие и
единство океанских вод, для узких специалистов, интересую¬
щихся основами и достижениями своих коллег по смежным
океанским дисциплинам, наконец, для тех, кто занимается
вопросами обращения океанских ресурсов на благо человека.
Хочется поблагодарить канд. биол. наук А.В. Чесунова
за консультации по биологическим вопросам. Предисловие,
гл. 1—3, 16—19 и приложения перевел Б.А. Борисов; гл. 20,
21 — Б.А. Борисов и Н.И. Кутузова; гл. 4, 5, 12—15 и сло¬
варь терминов — Н.И. Кутузова; гл. 6—И — А.Ю. Красно-
певцев.
В.А. Бурков
Предисловие
Посвящается —
во-первых, любознательным студентам,
стремящимся — по той или иной причине —
расширить свои знания о море...
во-вторых, самому морю: за все его
красоты, так очаровавшие меня...
и Наконец, тому эфемерному родству,
которое объединяет нас с общим отчим домом —
морем — и всеми его живыми существами.
Думаю, что даже вводный курс океанологии сразу дает зна¬
ния по широкому кругу вопросов, охватывающему все ее со¬
держание. Главные основания для такого предположения
следующие.
— Тематика океанологии настолько широка, что всегда
надо соединять представления биологов со взглядами физи¬
ков, сливать воедино знания химиков и геологов и т. д. На¬
ша наука — сочетание разных научных дисциплин без какой-
либо одной главенствующей, наиболее близкая современная
аналогия «натуральной философии» Дарвина, Ньютона и
других ранних исследователей.
— Мы постоянно сталкиваемся со свойствами воды —
самого обычного вещества с весьма необычными свойствами.
— Океан — трехмерная область обитания живых су¬
ществ. Изучая океан, мы много узнаем о жизни в его холод¬
ных темных глубинах, постигаем огромные отличия той
жизни от условий обитания на хорошо освещенной ровной
поверхности.
Эта книга посвящена жидкой оболочке Земли. Я разра¬
ботал ее план после того, как сделал два вывода о студен¬
тах, посещающих мои вводные лекции по океанологии. Во-
первых, студенты в своем большинстве никогда не слыша¬
ли, что жидкость обладает структурой или подчиняется
каким-либо физико-химическим законам и вообще что-ни¬
будь «делает» помимо того, что стекает вниз по склону,—
убеждение, неверное в любом случае. Во-вторых, как это ни
парадоксально, они уверены, что в морской экосистеме дол¬
жен существовать некий вполне распознаваемый порядок:
как же, мол, иначе объяснить наблюдаемый закономерный
характер жизненных циклов различных морских организ¬
мов? В этом смысле мы все хотим найти в морской жизни
что-то такое, что напоминало бы уже известные нам вещи.
Данная книга предназначена для студентов старших кур¬
сов, но студенты разных специальностей, если рассматри¬
вать их как единую группу, имеют неодинаковую научную
подготовку. Поэтому вместо обычного введения я даю в
первых трех главах, объединенных в ч. I, общий обзор океа¬
нологии. Прочтя эти главы, студенты быстро получат глав¬
ные сведения, необходимые для изучения предмета: от при¬
чин, заставляющих нас изучать океаны, до характеристики
методов исследований — и, таким образом, приобретут
нужный уровень для продолжения курса.
Книга состоит из семи частей. Части I—V образуют ос¬
новной курс начальной океанологии, рассчитанный на поло¬
вину семестра и организованный так, чтобы показать соот¬
ношение с традиционными предметами. Часть II дает пред¬
ставление о геологических основах: о форме бассейнов, тек¬
тонике плит и океанических хребтах, о континентальных
окраинах и накапливающихся в океанах осадках. Часть III
рассказывает о физических свойствах, характерных особен¬
ностях и движениях морской воды: о взаимодействии между
морем и атмосферой, о влиянии на климат, о морских солях
и их воздействии на жизнедеятельность океанских и морских
организмов. В ч. IV исследуется динамика Мирового океана,
течения и циркуляция воды. В ч. V морская биология рас¬
сматривается с точки зрения экосистем: описываются изме¬
нения системы, способы организации морской биологии,
биогеография и те чудеса, которые производит в море свет.
Особый характер носят две главы, в которых имитируется
участие студентов в морских рейсах. В гл. 8 приводятся ма¬
териалы зимнего и летнего рейсов, иллюстрирующие сезон¬
ные изменения в открытом море и прибрежный апвеллинг*,
а в гл. 15 данные рейса CALCOFI используются для описа¬
ния основных растений и животных в пищевых цепях Кали¬
форнийского течения.
Выделяя прибрежную океанологию в отдельную часть
(ч. VI), я хотел добиться гибкости в построении своего кур¬
са. При желании уделить курсу прибрежной океанологии от¬
дельные полсеместра частью VI можно заменить части IV и
V, добавив к ним гл. 19 «Море и человек». Вместо раздела о
режиме глубинных водных масс океана тогда изучаются те¬
мы, касающиеся тех своеобразных процессов, которые вы¬
зывают прибрежные течения, вихри и апвеллинг. Тема «Пе¬
ремещение прибрежных осадков под действием приливных
течений и волн» заменяет раздел об осадконакоплении в
океанических бассейнах. В гл. 16 обращается особое внима¬
ние на морскую флору и фауну в прибрежной среде обита¬
ния, у скалистых берегов, песчаных пляжей и коралловых
рифов. Глава 18 описывает саму прибрежную зону. Глава
19, полезная в любом вводном курсе, особенно важна в кон¬
тексте изучения прибрежной части океана, так как она
включает пространное обсуждение вопросов морского пра¬
ва, рыбного промысла и загрязнения океана. Эта тематика
фокусирует внимание непосредственно на природных осо¬
бенностях прибрежной зоны океана и носит еще более меж¬
дисциплинарный характер, чем изложение основ океаноло¬
гии открытого моря в ч. I—V.
Книга может использоваться и в случае, если курс рас¬
считан на семестр. Части I—VI образуют солидный курс ос¬
нов океанологии на целый семестр. Можно также, добавив
специальную тематику из ч. VII к основным ч. I—V, полу¬
чить достаточно полный курс общей океанологии, пригод¬
ный для будущих специалистов по рыбному хозяйству, гео¬
графии и экономической деятельности. Глава 19 помимо ас¬
пектов прибрежной океанологии касается проблем мине¬
ральных ресурсов дна глубоких океанов. Глава 20 посвящена
чрезвычайно большому влиянию полярных океанов на ми¬
ровой климат и экономику. Поскольку множество вводных
курсов читается бывшими специалистами по геологии, в це¬
лях более полного освещения проблем океана в книгу вклю¬
чена гл. 21, в которой излагается история развития глобаль¬
ных геологических теорий в течение последнего полувека.
Корваллис, шт. Орегон Стив Нешиба
* В конце книги имеется «словарь терминов», к которому можно
обращаться за объяснением того или иного слова.— Прим, перев.
ПРЕДИСЛОВИЕ
7
БЛАГОДАРНОСТИ
Я рад выразить признательность всем, кто так или иначе
помогал мне в этой работе. Прежде всего я должен побла¬
годарить несчетное число студентов, чьи вопросы побудили
меня искать новые идеи и думать о том, как передать их
другим людям. Г.Ф. Фроландер, мой коллега по вводным
океанологическим курсам в Орегонском университете, был
для меня постоянным источником бодрости и уверенности.
Ч.Б. Миллер и Л.М. Смолл — специалисты по биологии
океана из того же университета — терпеливо объясняли мне
различные стороны своей научной работы и просмотрели
многие варианты рукописи. Л.А. Гордон и А. Чен — специ¬
алисты по химии океана — поделились со мной важными
сведениями, касающимися междисциплинарных аспектов хи¬
мии моря. Я в весьма большой мере использовал материа¬
лы моих полярных исследований, проводившихся совместно
с В.Т. Нилом, который предоставил мне также ряд фото¬
графий. Приношу благодарность всем моим коллегам по
Орегонскому университету за поддержку при написании
этой книги.
Благодарен я также покойному сэру Э. Булларду, чей се¬
минар по истории развития теории тектоники плит подска¬
зал мне мысль о необходимости написать главу об этом
предмете как закономерном следствии накопления новых
фактических данных. Эллен Дрейк познакомила меня с вкла¬
дом А. Вегенера в мировую геологию.
Я признателен администрации шт. Калифорния за под¬
держку проекта CALCOFI, отчеты о выполнении которого
были мне бесценным подспорьем при составлении плана
главы, посвященной описанию растений и животных из со¬
общества восточной окраинной области. Дж. Мак-Гауан,
Джо и Фрида Рид и покойный Дж. Айзекс — все из Инсти¬
тута океанографии Скриппса — оказали мне большую по¬
мощь, постоянно предоставляя нужные сведения по интере¬
совавшим меня вопросам.
Кроме, того, было много не известных мне рецензентов
рукописи, и их откровенная и благожелательная критика да¬
ла мне возможность увидеть свою работу как бы со сторо¬
ны, а многие их предложения были использованы для улуч¬
шения формы изложения материала. Особенно благодарен я
Т.М. Хаммонду, по чьей рекомендации я включил раздел о
коралловых рифах; подготовка материала по этому разделу
оказалась для меня очень приятным занятием. Я признате¬
лен также М. Хиксону за замечания по этой теме.
Йоханна Нешиба выполнила графические работы по ри¬
сункам и диаграммам; ей помогала Линда Хенсельман. Ри¬
сунки биологических объектов подготовлены Р. Роузом. И
наконец, моя жена Айрин с помощью персонального
компьютера IBM составила оригинал рукописи для изда¬
тельства. Всем им я приношу мою искреннюю благодар¬
ность.
С.Н.
Часть I
ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
Дается всестороннее описание жидкой оболочки Земли, изменчивости водной среды и вопросов, изучаемых
океанологами.
ГЛАВА 1
ЧТО НАДО ЗНАТЬ,
ПРИСТУПАЯ К ИЗУЧЕНИЮ ОКЕАНА
Анализируются многочисленные причины, заставляющие нас изу¬
чать громадные массы текучих вод, которые заполняют депрессии
в земной коре.
Прежде всего зададимся вопросом, зачем мы изучаем океа¬
ны. Почему вы, уважаемый читатель, решили посвятить
часть своего времени, отведенного на научное образование,
изучению основ того сложного комплекса знаний, который
мы называем океанологией? Однако эти вопросы, философ¬
ские по своей природе, требуют хорошо обоснованных отве¬
тов. Лучше для начала поставим следующие вопросы: «что
такое океанология?» и «зачем нужно тратить время на изу¬
чение того, как действуют океанские системы?». Такого ро¬
да вопросы носят уже более практический характер, помо¬
гая читателю сосредоточить свое внимание на более реаль¬
ных вещах. Одна из реальностей состоит в том, что о кос¬
мическом пространстве мы знаем больше, чем о внутреннем
мире нашей планеты; карты поверхности Луны составлены
с гораздо большей детальностью, чем карты дна земных
океанов. И хотя мы сочиняем песни про звезды и лунный
свет, мы поддерживаем свои физические и умственные си¬
лы, прожевывая бутерброды с рыбой и запивая их напитка¬
ми, в которые добавлена опресненная морская вода. Эту ре¬
альность труднее понять, чем самую «трудную» науку.
Действительные причины изучения океанологии кроются
в философии естествознания. Нет ничего более естественно¬
го, чем наша врожденная любознательность — желание уз¬
нать, как и почему именно происходит то, что происходит
вокруг нас. Эта глава написана для того, чтобы ответить на
некоторые из таких «как» и «почему».
Перспективы
Приступая к теме, имеет смысл определить основные при¬
чины, по которым надо изучать океаны. Это поможет выя¬
вить центральные моменты, на которых можно будет за¬
тем сосредоточить последующий детальный анализ характе¬
ра всей системы океана. Ясно, что перечень ключевых точек
не может быть исчерпывающим, поскольку объем имею¬
щихся знаний об океанах неуклонно возрастает. Сегодня в
такой перечень следует включить следующее.
• Океаны существуют, и наше любопытство перевешива¬
ет все остальные причины для их изучения.
• Океаны дают нам пищу, поэтому нужно принять как
факт нашу давнюю зависимость от океанов и использование
их в качестве источника пропитания для человечества.
• Способы транспортировки, которые можно применять
в океанах и атмосфере благодаря текучести среды, во мно¬
гих отношениях превосходят наземный транспорт, но для
их эффективного использования необходимы крупномас¬
штабные исследования течений и ветров.
• Океаны — важный источник минеральных ресурсов: от
соли до таких экзотических элементов, как магний, и от
фосфатных удобрений до прозаического песка.
• Морская вода во всех ее фазах — жидкой, твердой и па¬
рообразной — служит основной средой, через которую теп¬
ловая энергия распространяется по всей планете. Поэтому
исследования погоды и климата теснейшим образом связа¬
ны с изучением океанов.
• Морская вода, благодаря ее способности разлагать
сложные молекулярные структуры, содержит практически
все известные элементы. Однако она сохраняет свою хими¬
ческую стабильность, так что никогда не бывает ни слиш¬
ком кислой, ни слишком щелочной. Эта «автоподстройка»
играет важнейшую роль в способности морской воды под¬
держивать жизнь. Действительно, только в океанах, как
принято считать, возможно было развитие «живых» моле¬
кул на Земле.
• Морская вода в силу своих абсорбционных свойств по¬
глощает и выделяет газы, обмениваясь ими с атмосферой;
тем самым она косвенно включена в процесс переноса лу¬
чистой энергии, происходящий между Землей и космическим
пространством.
• Океаны занимают более 70% земной поверхности, и ис¬
парение воды из них превышает поступление ее с атмосфер¬
ными осадками. Поэтому именно они приводят в действие
гидрологический цикл — круговорот воды в природе,— от
которого полностью зависит вся наземная жизнь. Океан —
и в тропиках, и вблизи полюсов — нагревается и остывает
сверху вниз; его тепловой баланс почти полностью опреде¬
ляется процессами, происходящими только на его поверхно¬
сти. Атмосферная же циркуляция, наоборот, приводится в
действие снизу вверх, так как испаряющаяся морская вода
поступает в атмосферу в основании воздушного столба.
• Океаны в любой момент содержат значительную долю
всей кинетической энергии, получаемой Землей от Солнца.
Иными словами, количество солнечной энергии, запасенной
водным столбом с единичной площадью сечения, значитель¬
но превосходит величину этой энергии, содержащейся в рав¬
ном по площади сечения столбе горных пород суши или ат¬
мосферного воздуха. Поэтому, пытаясь найти источники
энергии, альтернативные минеральному топливу, мы дол¬
жны основное внимание направить на океаны.
10
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
• Океаны и суша распределены по земной поверхности
несимметрично. Это обстоятельство, будучи результатом
сложной геологической истории Земли, имеет важнейшее
значение для динамики как океана, так и атмосферы; оно же
решительно повлияло на развитие человечества.
• Океаны, если говорить о способности поддерживать
живые сообщества, предоставляют почти в 80 раз больше
пространства для жизни, чем наземный мир. Однако из-за
того, что жидкость, заполняющая океанические бассейны,
способна легко перемешиваться — во времени и в про¬
странстве,— число различных видов организмов в океанах
гораздо меньше, чем на суше.
• Морская вода, благодаря ее высокой удельной теплоем¬
кости, сохраняет сравнительно постоянную температуру,
несмотря на то, что оказывается в весьма широком диапа¬
зоне условий — от тропических зон с их избыточным сол¬
нечным нагревом до полярных зон с избыточным охлажде¬
нием, происходящим также путем излучения. Постоянство
температуры оказывает огромное влияние на образ жизни
морских организмов, делая его совершенно отличным от
способа существования наземных видов.
• Морская вода в тысячу раз плотнее воздуха, в котором
обитает большинство наземных организмов, и поэтому
формы жизни, существующие в океане, в среднем имеют
значительно меньшие размеры, чем те, что встречаются на
суше. Популярное изречение о том, что «при такой жизни
лучше быть маленьким», особенно подходит для условий
жизни в море. Однако в океане живут и крупнейшие из жи¬
вотных, когда-либо обитавших на Земле,— синие киты.
Рис. 1.1. Круговая диаграмма, демонстрирующая деление земной
поверхности на различные географические области. В конце 1979 г.
население Земли составляло около 4,34 млрд, человек. Общая пло¬
щадь поверхности земного шара равна 510 млн. км2, площадь суши
(29,22%) — 149 млн. км2, а площадь океанов и окраинных морей
(70,78%) — 361 млн. км2. На душу населения приходится 1,44 акра
(около 0,58 га) пригодных для обработки земель и 20,4 акра (8,3 га)
океана.
• Окраины океанических бассейнов, где суша встречается
с морем, относятся к областям Земли с самой высокой про¬
дуктивностью органического вещества. Их продуктивность
обусловлена тем, что это зоны сближения энергии и массы:
океаны несут к своим берегам энергию волн, собираемую с
обширных просторов водной поверхности, подверженной
действию ветра, а реки несут химическое сырье, без которо¬
го невозможна жизнь.
• Люди также устремляются к окраинам океанов, не
только создавая на побережье множество поселений, но и
перенося в заселенные прибрежные районы большую часть
всего органического материала, производимого сельским хо¬
зяйством, горными работами и промышленностью во внут¬
ренних областях материков.
• Полярные океаны («последний рубеж»), — быть может,
важнейшие области, обеспечивающие продолжение нашего
существования. Постоянство климата на Земле зависит от
энергии перехода между жидкой и твердой фазами воды и
от альбедо (способности отражать солнечные лучи) покры¬
тых льдом частей океана.
В рамках этого обоснования исследований океана заклю¬
чено великое множество сложных процессов: физических,
биологических, химических, геологических, метеорологиче¬
ских и др. В ткань перечисленных процессов вплетается и
человеческая деятельность. Наша задача — «распустить»
эту ткань на отдельные нити, описать каждую нить качест¬
венно и количественно, а затем снова соединить их, пытаясь
тем самым понять изменчивость океана, т. е. понять, «чем
вообще занимается наука о море».
Однако в более широком смысле наши «перспективы» в
океанах определяются необходимостью лучше знать, как
воздействуют океаны на нас, и наоборот. В последующих
разделах развиваются эти положения.
Океаны и производство продуктов питания
В 1962 г., когда я начал работать в области океанологии,
на каждого жителя земного шара приходилось, по грубым
подсчетам, 2,7 акра пахотной земли. Более точный анализ,
проведенный в конце 1970-х годов, показал, что этот пока¬
затель уменьшился до 1,44 акра на душу населения. Деление
земной поверхности на географические области схематичес¬
ки показано на рис. 1.1. И хотя 1,44 акра (около 0,58 га) —
вполне достаточная площадь, чтобы обеспечить жизнь и
здоровье одного человека, но вот останется ли эта площадь
пригодной для сельского хозяйства в течение длительного
времени — зависит от климатических изменений, а в них,
как мы увидим, океаны играют большую роль.
Исходя из диаграммы, показанной на рис. 1.1, каждому
человеку «выделено» также около 20 акров площади океана.
Чтобы оценить относительный потенциал суши и океана
для производства пищевых продуктов на душу населения,
рассмотрим данные о продуктивности растительного мира
суши и морей, приведенные в табл. 1.1. Чистая первичная
продукция всей суши (109 млрд т в год по сухой массе)
по сравнению с такой же характеристикой для океана
(55 млрд.т) примерно вдвое выше, несмотря на то что пло¬
щадь океанов опять-таки вдвое превышает площадь суши.
Иначе говоря, продуктивность растительного мира суши на
единицу площади больше продуктивности океана примерно
в четыре раза. Из этого можно сразу же заключить, что на¬
ши 20-акровые «наделы» в океане равноценны по количест¬
ву растительной продукции 5 акрам земли, что позволяет
оценить общую «базу пищевых ресурсов» в 6,4 акра эквива-
ГЛАВА 1. ЧТО НАДО ЗНАТЬ, ПРИСТУПАЯ К ИЗУЧЕНИЮ ОКЕАНА
11
Таблица 1.1. Сравнение различных областей суши и океана по растительной продукции (по сухой массе) [4]
Площадь, 106 км2
Чистая пррвичная продукция
на единицу площади,
г/(м2 • год) (интервал для
нормальных условий)
Мировая чистая первич¬
ная продукция, 109 т/год
Биомасса на единицу пло¬
щади, кг/м2 (в среднем)
Озера и реки
2
100—1500
1,0
0,02
Болота и марши
2
800—4000
4,0
12
Тропические леса
20
1000—5000
40,0
45
Леса умеренного пояса
18
600—3000
23,4
30
Бореальные хвойные леса
12
400—2000
9,6
20
Кустарники и облесенные земли
7
200—1200
4,2
6
Саванны
15
200—2000
10,5
4
Луга умеренного пояса
9
150—1500
4,5
1,5
Тундра и альпийские луга
8
10—400
1,1
0,6
Сухие кустарники
18
10—250
1,3
0,7
Песчаные и каменистые пустыни,
многолетние льды
24
0—10
0,07
0,02
Сельскохозяйственные земли
14
100—4000
9,1
1
Вся суша
149
109
12,5
Открытый океан
332
2—400
41,5
0,003
Шельф
27
200—600
9,5
0,01
Районы прикрепленных водорослей
и эстуарии
2
500—4000
4,0
1
Весь Мировой океан
361
55
0,009
Вся Земля
510
164
3,6
лентной суши. Но из подобного анализа вытекает и многое
другое, что необходимо взять в расчет.
Сравнивая потенциалы суши* и океана, необходимо учи¬
тывать такой важнейший фактор, как наши возможности
собрать урожай реальной растительной продукции. Обра¬
тимся к другим цифрам табл. 1.1. Заметим, что в графе
«биомасса» (которая определяется как среднее значение мас¬
сы сухого растительного материала на единицу площади в
данный момент времени) всей суше соответствует значение
12,5 кг/м2. Океаны же дают только 0,009 кг/м2. Соотноше¬
ние составляет 1389:1 в пользу суши. Это значит, что в каж¬
дый момент времени поверхность суши по сравнению с рав¬
ной по площади морской поверхностью содержит расти¬
тельности более чем в тысячу раз больше.
В чем причина столь большого различия между соотно¬
шениями для суши и океана по продуктивности (4:1) и по
биомассе (1389:1)? Казалось бы, эти значения должны быть
одинаковыми. Ответ на этот вопрос дается в гл. 3. Здесь
мы только отметим, что, поскольку морские растения име¬
ют микроскопические размеры, воспроизводятся очень
быстро и «полностью» поглощаются растительноядными
животными, количество растительного материала в воде в
любой момент времени бывает очень малым. Другими сло¬
вами, биомасса мала, и поэтому прямой «сбор урожая»
микроскопических морских растений экономически невыго¬
ден.
Если океан должен давать нам пропитание, то надо за¬
бирать его продукцию на первом уровне пищевой цепи жи¬
вотных, т. е. добывать растительноядные организмы. Но
морские растения имеют микроскопические размеры, так
что и поедающие их животные должны быть очень малень¬
кими. Главные морские растительноядные животные — вес¬
лоногие рачки (копеподы) — имеют длину в среднем около
2 мм. Хотя эти морские животные «пасутся» так же, как и
наземный скот, их малые размеры не позволяют вести их
промышленную добычу. На деле мы начинаем забирать
продукцию океана только на более высоких уровнях пище¬
вой (трофической) цепи, а именно на уровне рыб — сельдей,
анчоусов, менхеденов*. Все эти рыбы относятся к подотря¬
ду сельдеообразных (Clupeoidea); они собираются в большие
косяки (что делает их промысел экономически выгодным) и
питаются, процеживая морскую воду (что позволяет им пи¬
таться непосредственно мелкими рачками и даже очень ма¬
лыми растениями).
Сколько рыбы могут дать океаны? Райтер [3] оценил как
первичную продуктивность, так и рыбную продукцию для
трех категорий океанских вод и сделал поразительные обоб¬
щения, приведенные в табл. 1.2: общая рыбная продукция
океана составляет 241,6 млн. т/год (по сырой массе), из ко¬
торых 99% приходится на прибрежные районы океана и за-
Таблица 1.2. Оценки первичной продуктивности и рыбной продукции
для главных провинций Мирового океана [3]
Провинция
Площадь,
%
Первичная продуктивность
(углерод)
Рыбная
продукция
(по сырой
массе),
106 т/год
г/(м2 • год)
109 т/год
Открытый океан
90,0
50
16,3
1,6
Прибрежные воды
(исключая зоны
апвеллинга)
9,9
100
3,6
120
Зоны апвеллинга
0,1
300
0,1
120
Вся рыбная продукция
241,6
* Северный менхеден (menhaden, также mossbunker или pogy)—
морская рыба Brevoortia tyrannus из семейства Clupeidae (сельде¬
вых) — самая распространенная рыба Атлантического побережья
США; добывается в больших количествах для наживки, а также
для переработки на жир и удобрения.— Прим, перев.
12
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
Рыбная ловля сетями с небольших
лодок. Примитивное рыболовство —
постоянное занятие и источник пита¬
ния людей во всем мире.
ключенные в них зоны апвеллинга. Мы определяем при¬
брежные воды как те районы океана, которые находятся
над затопленными окраинами континентов, т. е. в основном
над шельфом, и занимают в совокупности около 10% всей
площади Мирового океана. Зоны апвеллинга — это особые
участки прибрежной акватории океанов, расположенные
обычно вблизи берегов. Здесь воды с больших глубин под¬
нимаются в поверхностный слой, куда проникают солнеч¬
ные лучи. Площадь зон апвеллинга составляет около 1 % от
площади районов прибрежных вод, т. е. лишь 0,1% от всей
поверхности Мирового океана, но эти зоны дают половину
всей его рыбной продукции. Напротив, 90% площади Миро¬
вого океана, обозначаемые как «открытый океан», произво¬
дят только -0,7% всей рыбы. Почему же открытый океан
так беден рыбой? Означает ли это, что первичная продук¬
тивность в открытом океане также низка и может поддер¬
живать только очень непрочную трофическую цепь? Ответы
на эти вопросы вам предстоит найти в последующих главах.
Числа, представленные в табл. 1.2, относятся к общей
рыбной продукции. Они не говорят о максимально допу¬
стимом вылове рыбы из моря. В настоящее время мировой
промысел рыбы составляет около 70 млн.т (по сырой мас¬
се) в год. Для сравнения отметим, что, по оценке Райтера,
только 100 из 240 млн.т всей рыбной продукции можно вы¬
лавливать без ущерба для животного мира. Остальное дол¬
жно сохраняться для воспроизводства, а также для питания
других плотоядных животных — морских птиц (производи¬
телей гуано), тюленей, пингвинов, лососей и китов.
Попробуем продвинуться еще на один шаг. В 1970 г.
Продовольственная и сельскохозяйственная организация
ООН (ФАО) оценила ежегодный мировой дефицит в белко¬
вом питании людей примерно в 10 млн.т. Если учесть, что
белки составляют только 10% веса свежей рыбы, то, зна¬
чит, максимально допустимый ежегодный улов 100 млн.т
дает лишь 10 млн.т белков, т. е. как раз то, что было необ¬
ходимо для покрытия белкового дефицита в мире в 1970 г.
Ясно, что добыча продовольствия из океанов не может
быть для человека панацеей от голода. В наше время нару¬
шение равновесия еще больше усилилось, так как примерно
40% мирового улова рыбы перерабатывается в рыбную му¬
ку, используемую для откорма цыплят, свиней, а также более
экзотических и ценимых на рынке видов рыбы, таких как ло¬
сось (север США), сом (юг США) и карп (страны Востока).
Проанализированные здесь величины относятся к «при¬
родной» продукции рыбы, добываемой посредством «охо¬
ты» на нее. Какова современная и потенциальная роль ма¬
рикультуры, т. е. искусственного разведения рыб и моллю¬
сков в морской воде? Часто говорят, что марикультура —
это средство создать новые источники продовольствия, ко¬
торые могли бы возместить недостаток белков в нашей пи¬
ще. Однако в действительности это нечто иное. Производ¬
ство почти всех существующих предприятий марикультуры
нацелено на клиентуру среднего и высшего класса; продук¬
ция продается в ресторанах и дорогих кулинарных магази¬
нах. Лосось и форель, выращиваемые в проточной воде до
веса в один фунт, предназначены исключительно для ресто¬
ранов, так же как и разведение креветок в районах тропиче¬
ского побережья. Недавно на острове Санта-Крус (Виргин¬
ские острова) проводились эксперименты по накачиванию в
наземные пруды богатой питательными веществами воды
из океанских глубин. В прудах выращиваются водоросли,
которые идут на откорм устриц и других фильтрующих
моллюсков. Эта процедура задумана как отрасль промыш¬
ленности для развивающихся стран, не имеющих других то¬
варов для продажи. Продвижение на рынок дорогостоящих
рыбопродуктов должно увеличить экспортные доходы этих
стран. Но такие хозяйства вряд ли помогут голодающим на¬
родам развивающихся стран преодолеть белковый дефицит.
Однако и в этом случае у марикультуры немалые воз¬
можности. Я посетил далекие районы очень слабо населен¬
ного архипелага Чонос на юге побережья Чили, чтобы свои¬
ми глазами увидеть эксперимент, доказывающий возмож¬
ность выращивания двустворчатых моллюсков мидий (Му-
tilus edulis) по товарных размеров всего за девять месяцев!
Но перевод этого эксперимента в действительное производ¬
ство — громадная социальная и техническая проблема. Не¬
сколько лет назад одна крупная зерновая фирма в США фи¬
нансировала исследования по оценке осуществимости строи¬
ГЛАВА 1. ЧТО НАДО ЗНАТЬ, ПРИСТУПАЯ К ИЗУЧЕНИЮ ОКЕАНА
13
тельства и эксплуатации морских ферм для выращивания
бурых водорослей. По проекту каждая ферма должна была
представлять собой свободно плавающее сооружение пло¬
щадью 100 тыс. акров (около 400 км2) с собственным энер¬
госнабжением и предназначалась для производства широко¬
го ассортимента пищевых продуктов и химикалиев. Было
начато много других работ по созданию ферм бурых водорос¬
лей, но до сих пор ни одной фермы реально не существует.
В предстоящие десятилетия нам все чаще надо будет да¬
вать количественную оценку всех видов пищевой продукции
моря — как «природной» (рыболовства), так и «искусствен¬
ной», получаемой путем создания морских ферм. Содержа¬
ние этой книги скомпоновано так, чтобы читатель приобрел
необходимый кругозор в тех вопросах океанологии, кото¬
рые неизбежно встретятся при получении обоснованных
оценок такого рода.
Океаны и погода
Океаны играют важнейшую роль в формировании глобаль¬
ных систем ветров и погоды, в совокупности составляющих
климат планеты. Эта тема в настоящее время привлекает
очень большой интерес по разным причинам. Один из сти¬
мулов к совершенствованию наших знаний о том, как влия¬
ют океаны на погоду и климат, связан с предметом преды¬
дущего раздела, а именно с возможностью предсказывать
изменение пищевой продукции на основе долгосрочного про¬
гноза условий роста живых организмов.
Наши знания о взаимодействии океана и атмосферы за
последние десятилетия существенно пополнились. Морские
метеорологи теперь довольно точно предсказывают погод¬
ную обстановку на периоды от нескольких дней до несколь¬
ких месяцев, а морские геофизики по материалам анализа
образцов горных пород, извлеченных при бурении из мор¬
ских осадков, реконструируют общие характеристики кли¬
матов отдаленных прошлых эпох и развитие древних океа¬
нов. Однако предсказания погоды на 2—3 года вперед все
еще очень несовершенны.
Пример взаимодействия океана и атмосферы в течение
коротких периодов времени приведен на рис. 1.2. Изолиния¬
ми на карте показана разность между действительной тем¬
пературой поверхности моря, отмечавшейся в сентябре
1978 г., и ее средней температурой по наблюдениям за
20 лет; эти отклонения называются температурными анома¬
лиями. Поверхностные воды в заливе Аляска были ано¬
мально холодными. В ч. III этой книги будет описано, как и
почему холодные поверхностные воды океана воздействуют
на изменения в атмосфере. Здесь же мы представляем толь¬
ко результат: появление гребня высокого давления, сформи¬
ровавшегося в атмосфере над холодными водами и вызыва-
Поверхностные воды более холодные,
чем в среднем за 20 лет
Гребень высокого
атмосферного давления
Рис. 1.2. Аномалии температуры поверхности моря в северной части Тихого океана: разность температур воды, измеренных с 1 по 20
сентября 1978 г., и средних за 20 лет (1948—1967 гг.) температур [2].
14
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
Распределение облаков над Север¬
ным полушарием. Фотографии, по¬
добные этой, получают регулярно с
метеорологических спутников, выве¬
денных на геостационарные орбиты,
т. е. таким образом, чтобы спутник
постоянно находился над одной и
той же точкой земной поверхности.
Спутник GOES-2 обращается на вы¬
соте 36 тыс. км, находясь над точкой
пересечения экватора и меридиана
75° з.д. Данная фотография выбра¬
на, чтобы показать ураган Дэвид,
вполне сформировавшийся вблизи
оконечности Флориды; к юго-восто¬
ку от Дэвида набирает силу ураган
Фредерик.
ющего отклонение «нормальных» западных ветров к северу.
Влажный морской воздух выносится далеко на север, во
внутренние районы Аляски. Поэтому, по мере того как
влажные воздушные массы охлаждаются, жители Фэрбанк¬
са (шт. Аляска) радуются сравнительно теплой погоде и бо-
Рис. 1.3. Содержание СО2 в атмосфере, по данным обсерватории
Мауна-Лоа на Гавайях за 1958—1976 гг., испытывает вековое повы¬
шение. Результаты наблюдений также указывают на существова¬
ние определенного годового цикла. В некоторые годы отмечается
внезапное изменение скорости возрастания концентрации СО2 (на¬
пример, в 1973 г. — предположительно из-за сокращения ввоза неф¬
ти). Сплошной линией изображено содержание СО2 в атмосфере,
вычисленное при условии, что весь газ при сжигании ископаемого
топлива переходит в воздух. Точки — измеренные значения содер¬
жания СО2 в атмосфере. (По разным источникам.)
лее обильным, чем обычно, дождям. На восточном фланге
гребня высокого давления воздушные массы перемещаются
на юг и проникают далеко во внутренние районы западных
штатов США. В Финиксе (щт. Аризона), куда приходят эти
воздушные массы, теперь уже сухие и холодные, дневные
температуры оказываются ниже, чем в Фэрбанксе, хотя Фи¬
никс расположен на 30° южнее.
Что вызывает такие аномальные температуры морской
поверхности и такую атмосферную циркуляцию? Сколько
времени это продолжается? Должны ли аномалии, перено¬
симые средними течениями в океане, изменять погодные ус¬
ловия в других местах? Эти вопросы поставлены для того,
чтобы очертить круг представлений, с которыми читатель
столкнется в следующих разделах книги.
Океаны и мировой климат —
долгосрочная зависимость
Со времени начала промышленной революции количество
сжигаемого минерального топлива растет по экспоненци¬
альному закону, поэтому неуклонно растет и содержание
диоксида углерода (углекислого газа СО2) в атмосфере. Эта
тенденция проявилась в последние годы в повышении кон¬
центрации СО2, зарегистрированном обсерваторией Мауна-
Лоа (Гавайи) в 1958—1976 гг. (рис. 1.3). Доля углекислого
газа в воздухе возрастает каждый год примерно на одну
миллионную.
Измеренные концентрации СО2 (штриховая линия на
рис. 1.3) составляют только около 52% от всего количества
углекислого газа, выделяющегося при сжигании ископаемо¬
го топлива (сплошная линия). Океаны забирают 35% из
оставшихся 48% (штрихпунктирная линия). Другие факторы,
в том числе ускорение роста трав и лесов (благодаря больше¬
му количеству СО2), объясняют остальные 13% [1, 5].
Главный резервуар длительного хранения атмосферного
СО2 — углекислый газ, растворенный в морской воде.
Он непрерывно удаляется из океана через карбонатные
осадки, выпадающие на дно. В настоящее время в атмосфе¬
ГЛАВА 1. ЧТО НАДО ЗНАТЬ, ПРИСТУПАЯ К ИЗУЧЕНИЮ ОКЕАНА
15
ре содержится около 700 • 109 т углерода в виде углекислого
газа, а в океанах углерода накоплено, как полагают, порядка
40 • 1012 т — в составе растворенного СО2 и в карбонатах.
Однако скорость обмена СО2 через поверхность моря
очень мала. Чтобы поглотить новую порцию углекислого
газа, вода из глубин должна подняться и прийти в контакт
с воздухом, а для этого требуется очень длительное время.
По нашим оценкам, для выведения глубинных атлантичес¬
ких вод на поверхность нужно около 700 лет; для вод Тихо¬
океанского бассейна это время гораздо дольше — около
2500 лет.
Каковы возможные последствия тенденции к накопле¬
нию СО2 в атмосфере? Чаще всего с увеличением содержа¬
ния СО2 связывают усиление «парникового эффекта». В хо¬
де этого процесса углекислый газ действует как ловушка для
длинноволнового излучения, идущего от земной поверхно¬
сти; результатом является повышение средней температуры
земной поверхности. Некоторые исследователи считают,
что даже небольшое увеличение этой температуры вызовет
существенное ускорение таяния полярных ледяных шапок.
Это приведет к повышению уровня моря и затоплению
крупнейших портов и культурных центров, расположенных
в низменных зонах побережья. Другие специалисты указы¬
вают на недавно замеченное увеличение содержания в возду¬
хе аэрозолей (взвешенных частиц), считая это потенциаль¬
ной причиной обратного эффекта. Возрастание «мутности»
атмосферы сократит поступление солнечной энергии на зем¬
ную поверхность, что приведет к общему похолоданию.
Означает ли это, что оба вызванных человеческой дея¬
тельностью эффекта компенсируют друг друга и температу¬
ра на Земле останется практически неизменной? Ответ мож¬
но получить только после всестороннего изучения динамиче¬
ского взаимодействия между океанами и атмосферой. Изба¬
вят ли нас океаны от излишнего углекислого газа своевре¬
менно, чтобы мы смогли избежать травмы глубоких клима¬
тических изменений, — один из вопросов, которые нам
предстоит решить в ближайшем будущем.
Эксплуатация минеральных ресурсов океана
Для нашего физического существования абсолютно необхо¬
дима соль. Более того, наша зависимость от соли, добывае¬
мой из морской воды, не менее стара, чем вся известная
нам история. Использование морской соли продолжается и
сегодня. Недавно Израиль начал сооружение комбинирован¬
ного канала-тоннеля для пополнения Мертвого моря водой
из Средиземного моря. Уровень Мертвого моря примерно
на 240 м ниже уровня Средиземного, и главная цель этого
проекта — поднять уровень воды в Мертвом море, компен¬
сируя потери из-за отведения речной воды Иордана в ороси¬
тельные системы. Добыча соли из прудов-испарителей на
южном конце Мертвого моря имеет такую же давнюю ис¬
торию, как и библейская литература, созданная в здешних
местах, и эта история тесно переплетается с развитием
древних культур. Уменьшение притока воды в результате ее
расхода на ирригацию создало крупные проблемы для работ
по добыче соли, так как уровень Мертвого моря понизился.
Какие же физические свойства воды так сильно воздейст¬
вуют на нашу историю и поведение? Вода — чрезвычайно
активный растворитель, и эта ее способность определяет
значительные концентрации в ней большинства химических
элементов. Во время второй мировой войны строились про¬
мышленные предприятия для извлечения магния из морской
воды; этот легкий металл играл важную роль в производ¬
стве вооружений. Обнаружение обширных скоплений горя¬
чих рассолов на дне Красного моря недавно проложило
путь к промышленной добыче из морской воды минералов
нескольких типов. Как будет показано ниже, такие скопле¬
ния рассолов — результат просачивания морской воды по
трещинам в молодых магматических породах, появляющих¬
ся в зонах разрастания морского дна.
Следующий после добычи соли вид эксплуатации мине¬
ральных ресурсов океана — разработка морских залежей
нефти и газа. Начав развиваться совсем недавно, нефтяные
промыслы на шельфе создали уже целый ряд проблем, свя¬
Индейцы-гуахиро собирают соль, выпаривавшуюся из мелководных прудов на побережье п-ва Гуахира в Колумбии, Южная Америка.
16
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
занных с загрязнением главных районов рыболовства. Хи¬
мические и физические процессы, используемые для разло¬
жения или удаления больших количеств пролитой нефти,
очень сложны, а биологические аспекты их применения еще
сложнее. Обработка нефтяных пленок химикалиями часто
приводит к такому «очищению», которое наносит больший
биологический ущерб, нежели сама нефть. Поскольку по
большей части нефтяные пленки встречаются в области
шельфа, для того чтобы решить, как удалить каждую та¬
кую пленку, важно располагать сведениями о прибрежных
течениях. Воистину все эти проблемы носят комплексный
характер — значит, перспективы междисциплинарных ис¬
следований в науках о море весьма существенны.
В последнее время чрезвычайно быстрое развитие сель¬
ского хозяйства в мире предъявляет повышенные требова¬
ния к промышленности, производящей удобрения. Мелко¬
водные области вблизи некоторых материков, где образова¬
лись — путем выпадения из раствора — отложения фосфо¬
ритов, представляют собой важнейший источник фосфатов.
Пока эти залежи в основном не освоены; промышленность
все еще разрабатывает древние мелководные отложения, в
настоящее время приподнятые и доступные горным рабо¬
там на суше. Кроме того, разработка подводных залежей
вблизи берега могла бы вызвать загрязнение продуктивных
рыбопромысловых участков большими массами взбаламу¬
ченных осадков. Необходимо знать, как реагируют живот¬
ные и растения, зависящие в какие-то моменты их жизнен¬
ного цикла от прибрежных вод, на изменения их среды оби¬
тания в ходе морских горных работ.
И уже совсем недавно мы обнаружили, что на обширных
пространствах дна глубоких океанов лежат многочисленные
минеральные стяжения, или конкреции. Эти желваки, как и
конкреции фосфоритов, представляют собой гидрогенные
осадки, т. е. осадки, накапливающиеся при выпадении мине¬
ралов из водного раствора. Они содержат марганец, желе¬
зо, никель, кобальт и медь в различных количествах и соот¬
ношениях, но в гораздо больших концентрациях, чем назем¬
ные руды. Таким образом, эти конкреции — важный миро¬
вой источник минерального сырья.
Какие страны будут претендовать на обладание морски¬
ми минеральными ресурсами и заявлять о своих правах на
них? Как будут решаться проблемы загрязнения, когда хо¬
зяйственная деятельность одного государства станет угро¬
зой для ресурсов другой страны? Эти и многие другие про¬
блемы требуют новых взглядов на окружающий мир, а их
можно выработать только путем изучения океанов.
Морская биосфера
Как устроена жизнь в океане? Чем отличается морская био¬
сфера от наземной? Что касается жизненного пространства,
то морская биосфера занимает в 80 раз больший объем, чем
сфера наземной жизни (рис. 1.4). Является ли большой объ¬
ем водного пространства важным фактором в организации
морских сообществ? Каковы отличительные особенности жид¬
кой оболочки Земли, определяющие характер ее биосферы?
Биологи оценивают число видов морских пелагических
растений приблизительно в 10 тыс. Пелагические организ¬
мы обитают в водах открытого океана (пелагиали), бентос¬
ные виды живут в тесной связи с океаническим дном. В от¬
личие от этого число видов одних только семенных назем¬
ных растений (Spermatophyta) составляет около 200 тыс. В
чем главные причины того, что отношение числа видов
морских пелагических растений к числу наземных так ма¬
ло — около 1:20? Как эти сведения должны повлиять на
представления, с которыми читатель приступит к исследо¬
ваниям в области наук о море?
Сравнение видов животных составляет еще более рази¬
тельный контраст: в пелагической области океана обитает
приблизительно 10—15 тыс. видов, а число современных ви¬
дов наземных животных — около 1,5 млн. Здесь отношение
числа видов — океанских к наземным— порядка 1:100, а
возможно и 1:150!
В чем главные особенности морской биосферы, приводя¬
щие к тому, что 98% пригодного для жизни пространства
Земли содержит лишь около 1% общего числа видов, обна¬
руженных на нашей планете? Или же поставим вопрос по-
другому: почему наземная биосфера с ее 2% от всего при-
Наземная биосфера (Н)
Средняя толщина — 100 м
Общая площадь суши (в горизонтальной проекции) — 149 млн. км2
Объем наземной биосферы с учетом 20%-ного увеличения площади за счет
рельефа — около 17,9 млн. км3
Океанская биосфера (О)
Средняя толщина - 3900 м
Общая площадь океана - 361 млн. км2
Объем океанской биосферы - 1411 млн. км3
Соотношение объемов жизненного пространства наземной и океанской
(пелагической) биосфер ~ 1:80
Число видов растений и животных:
Наземные
Пелаги ческие
Растения
> 200 тыс.
7—10 тыс.
Животные
> 1,5 млн.
> 10 тыс.
Соотношение числа видов наземных и океанских (пелагических) организмов
- 85:1.
Рис. 1.4. Сопоставление наземной и океанской биосфер по общему объему жизненного пространства и приблизительному числу видов рас¬
тений и животных. (Составлено по разным источникам. Число видов пелагических растений взято из материалов Греты Фрикселл, Техас¬
ский университет.)
ГЛАВА 1. ЧТО НАДО ЗНАТЬ, ПРИСТУПАЯ К ИЗУЧЕНИЮ ОКЕАНА
17
годного для жизни пространства так сильно превосходит
морскую биосферу по разнообразию видов?
Заключается ли ответ в фундаментальных отличиях спо¬
собности жидкой и твердой сред обеспечивать условия су¬
ществования живых организмов? Если это так, то нам бу¬
дет легче понять все возможности океана, если мы сопоста¬
вим свойства этих двух сред. Или же ответ состоит в том,
что океан как среда обитания трехмерен, тогда как назем¬
ный органический мир охватывает преимущественно дву¬
мерное пространство? Если главное это, то наши знания не¬
обходимо расширить путем изучения вертикальной структу¬
ры жизненного пространства океана. Получим ли мы ответ,
сравнив успешные стратегии выживания видов: океанских
относительно наземных? Или же ключ к решению связан с
тем фактом, что такая среда обитания, как вода, сама нахо¬
дится в непрестанном движении? Либо малое число извест¬
ных морских видов просто отражает то обстоятельство,
что многое в морском мире еще не изучено?
Что общего между морскими и наземными организмами
и их средами обитания? Универсальны ли принципы эколо¬
гии — законы, которым подчиняются живые существа? Ес¬
ли так, то знания, уже полученные нами за два десятка или
более лет жизни, помогут получить достаточное представ¬
ление о будущем морской биосферы.
Заключение
Между миром океана и миром суши множество различий.
Хотя мы и считаем, что все вещество Земли кое в чем по¬
добно жидкости, но природа и поведение истинно жидкого
океана все же очень сильно отличается от свойств пластич¬
ных земных недр или газовой атмосферы. Науки о море за¬
нимаются изучением формы океана, его происхождения,
свойств и изменчивости водной среды и существующих в
океане условий, способствующих развитию жизни.
Морские формы жизни — их внешний вид, поведение,
жизненные циклы — также сильно отличаются от соот¬
ветствующих наземных форм. В большой степени эти раз¬
личия обусловлены непрестанным движением океана; жиз¬
ненные циклы и поведение живых организмов должны быть
тесно увязаны с подвижностью самой вмещающей их сре¬
ды. Малое разнообразие морских видов также объясняется
непрерывным движением океана. А из-за того, что формы
жизни в океане имеют в среднем малые размеры, первые
два уровня той пирамиды, которую мы называем трофичес¬
кой цепью, — растения и растительноядные — это в основ¬
ном свободно дрейфующий планктон. Размеры тела у мор¬
ских организмов существенно меньше, чем у видов, встреча¬
емых на суше, так как вода — очень плотная среда: ее плот¬
ность в тысячу раз больше, чем плотность воздуха, т. е.
той текучей среды, в которой существуем мы. Подробное
знакомство с основными физическими свойствами воды —
важная составная часть изучения наук о море.
Инструменты анализа, используемые учеными-океаноло¬
гами, сильно отличаются от инструментов, применяемых
исследователями суши, не только потому, что океан посто¬
янно находится в движении, но и потому, что он слишком
велик. Почти непреодолимые препятствия прогрессу наук о
море обусловлены большой трудоемкостью и высокой стои¬
мостью извлечения полезных сведений из трехмерной био¬
сферы, по размерам примерно в 80 раз превышающей нашу
собственную.
Тем не менее мы за короткое время далеко продвинулись
в описании той роли, какую играют океаны на планете Зем¬
ля, и именно благодаря достигнутому в прошлом прогрессу
мы располагаем теперь новыми знаниями об океанах, до¬
статочными, чтобы оформились перспективы их изучения.
На горизонте таких перспектив находится наша конечная
цель — понимание.
Контрольные вопросы
1. Исходя из того, что на каждого из нас приходится
1,44 акра пригодной для обработки земли и 20,4 акра пло¬
щади океана, подсчитайте максимальное количество сухого
растительного материала, которое можно получить с каж¬
дого такого надела в год. Используйте данные табл. 1.1.
2. Предположим теперь, что я попрошу вас сравнить ко¬
личества сухого растительного материала, которые я мог
бы собрать со своих участков суши и океана в любой мо¬
мент времени (т. е. величины наличной биомассы). Можно
ли это сделать, используя данные табл. 1.1?
3. Почему так сильно различаются числа, характеризую¬
щие соотношение между сушей и океаном, в вопросах 1 и 2?
4. Сравните способы питания и размеры основных на¬
земных растительноядных и основных растительноядных
океана.
5. Теперь сыграем в такую игру: предположим, что пер¬
вичная продукция океанов идентична первичной продукции
суши. Мог бы при этих условиях акр площади океана про¬
кормить такое же максимальное число людей, что и акр су¬
ши? Объясните свой ответ.
6. Какое максимальное количество рыбы можно было
бы добывать, согласно Райтеру, из всех океанов при усло¬
вии сохранения устойчивых уловов?
7. Попытайтесь опровергнуть следующее утверждение:
если вылавливать, сохраняя необходимое равновесие, макси¬
мальное количество имеющейся в океанах рыбы, можно ре¬
шить все проблемы обеспечения человечества продовольст¬
вием.
8. Каково главное, самое существенное различие между
прибрежной областью и открытым океаном, которое могло
бы объяснить огромную разницу в их относительной рыб¬
ной продуктивности?
9. В краткосрочном аспекте: насколько мощным должно
быть взаимодействие океанов и атмосферы, чтобы состоя¬
ние поверхности моря могло действительно влиять на рас¬
пределение погодных условий в атмосфере?
10. В долгосрочном аспекте: объясните, почему продол¬
жительное наращивание содержания углекислого газа в ат¬
мосфере может привести к существенным изменениям кли¬
мата Земли.
11. Какова будет роль океанов в ожидаемых изменениях
климата, связанных с повышением содержания СО2 в ат¬
мосфере?
12. Следующее утверждение соответствует действитель¬
ности. Большая часть нового углерода, поступающая сегод¬
ня в океаны через границу воздух —море, быстро удаляется
из воды, накапливаясь в составе осадков на морском дне.
Объясните, какой механизм может обеспечить это быстрое
удаление углерода.
13. Какие важные химические вещества или минеральное
сырье можно добыть из океанов — как непосредственно из
воды, так и из донных осадков?
14. Почти все, что мы узнали об океанах, может привес¬
ти нас к мысли, что число видов живых существ в океанах
должно быть гораздо больше, чем на суше. Площадь океа¬
на вдвое больше, чем площадь суши, «жизненное простран¬
18
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
ство» — в 80 раз больше, и, главное, растения и раститель¬
ноядные животные, образующие основания трофической це¬
пи, в океане такие крошечные! Итак, исходя из того, что
мы до сих пор узнали об океанах, почему же там оказалось
гораздо меньше видов?
ГЛАВА 2
ПРИРОДА ОКЕАНА —
ЖИДКОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ
Сопоставляя характеристики океанского мира с более привычными
нам свойствами мира наземного, мы по-новому понимаем то, что
происходит в океанах.
В своей речи, говоря об идеях и перспективах, мы часто
прибегаем к языку метафор и сравнений. Например, выра¬
жение «сухой, как кость» у нас используется вместо более
определенного сообщения, что «содержание влаги меньше,
скажем, 8%». Или же «снежное покрывало» Земли — выра¬
жение, имеющее различный научный смысл. Слой снега не
дает нам увидеть земную поверхность, что говорит об оп¬
тических свойствах (о непрозрачности) снега; он укрывает
землю от мороза, и это позволяет считать, что снег —
сравнительно плохой проводник тепла; свежевыпавший снег
имеет текстуру, чем-то похожую на пушистое шерстяное
одеяло. Богатство языка позволяет нам подобрать подходя¬
щие метафоры, с помощью которых можно выделить
«главное свойство» и «оттенки», описать размер или значе¬
ние — от грандиозного до заурядного, показать крупнейшие
различия масштабов и едва уловимые мелкие изменения.
Мы вполне можем сказать, что снег идет и над океаном.
Однако метафора о покрывале в этом случае явно не подхо¬
дит. Какую же метафору здесь использовать? Раздумывая
над этим, мы сталкиваемся с «различиями» между облада¬
ющим текучестью океаном и такой близкой и удобной для
нас земной поверхностью, располагающейся на дне также
обладающей текучестью атмосферы. Цель данной главы —
описать эти различия и тем самым помочь себе понять те
стороны науки о море, о которых будет говориться в после¬
дующих разделах книги.
Контрасты обитаемого пространства:
третье измерение
Каковы известные нам характерные свойства нашей назем¬
ной среды обитания? Насколько она толстая, т. е. каковы
ее вертикальные размеры? Изменяется ли ее толщина при
изменении высоты относительно уровня моря? Какие харак¬
теристики среды действительно меняются, если рассматри¬
вать участки, расположенные на разной высоте, а какие
остаются без изменений?
В вертикальном направлении наша среда обитания, или
пригодное для жизни пространство, занимает около 2 м,
т. е. обычный рост человека. Если в качестве мерки мы вы¬
берем размеры самого высокого представителя нашего ор¬
ганического мира — калифорнийского красного дерева (сек¬
войи), толщина среды обитания увеличивается примерно до
100 м. В любом случае эта толщина оказывается крайне ма¬
лой по сравнению с морским миром, толщина которого ме¬
няется от плоского мелководья приливно-отливной зоны до
более чем 11-км глубины Марианского желоба — самой глу¬
бокой из известных впадин океанического дна (расположе¬
ние желоба показано на рис. 4.7).
Мы в деталях осведомлены о топографии наземного
пространства. Искусство и литература изобилуют картина¬
ми и описаниями, навеянными рельефом земной поверхно¬
сти, а наш язык полон топографических терминов. А океан,
как ни странно, мы представляем себе обычно как ровную
поверхность. На деле же «гладь» океанской поверхности по¬
зволяет увидеть сферичность Земли так наглядно, как это
невозможно на суше. Редко можно встретить картину, изо¬
бражающую морской пейзаж, где не присутствовали бы ка¬
кие-то части суши, или корабль, или птицы, или, быть
может, облака, т. е. что-нибудь такое, что отвлекло бы
взор от однообразной линии горизонта. Литература напол¬
нена описаниями разных состояний морской поверхности —
волн и штормов, брызг и «белых барашков» или изменений
цвета морской воды, — но она почти совсем лишена мета¬
фор, относящихся к внутренним областям океана.
Контрасты классификации:
«география» океанов
Для морских форм жизни внутренние области океана не ме¬
нее богаты различиями свойств, структуры и топографии,
чем терра фирма для нас. В географии суши мы по-разному
классифицируем элементы рельефа, чтобы выделить типы
почв, климатические зоны, описать пересеченность местно¬
сти, растительность и т. п. То же самое океанологи делают
в отношении океанов. Мы делим океанский мир на провин¬
ции, но теперь нам требуется и третье измерение. Мы вы¬
бираем границы пригодных для жизни различных зон на ос¬
нове научного анализа их отличий друг от друга.
На рис. 2.1, а различные биологические зоны выделены
исходя из глубины дна, а также формы и расположения ха¬
рактерных элементов строения океанического бассейна. В
этой классификации, используемой в основном биологами,
неритическими (неритовыми) водами названы области оке¬
ана, расположенные на прибрежном мелководье, которое
мы называем шельфом. Пелагические воды — это тонкий
поверхностный слой открытого океана, а батипелагичес-
кие — глубинные (и неосвещенные) нижележащие воды; в
некоторых публикациях глубинные воды подразделяются на
мезопелагические, батипелагические и даже гадопелагичес-
кие (ультраабиссально-пелагические). Биологи выделяют
также различные зоны океанического дна — бентосные зо¬
ны. Например, прибрежная зона между уровнями высокого
и низкого прилива называется литоралью, а мелководное
дно остальной части шельфа — сублиторалью. Батиаль,
абиссаль, гадаль (ультраабиссаль) — это бентосные зоны
еще больших глубин.
На рис. 2.1, б представлено другое деление на биологи¬
ческие провинции, на этот раз — основанное на свойствах
самой жидкой среды.
Провинция I. Вертикальные размеры этой эвфотической
зоны открытого океана ограничиваются уровнем, до кото¬
рого проникает более 1% солнечного света, т. е. глубиной
около 100 м. Весь фотосинтез происходит в этом тонком
слое, и практически все органическое вещество океана возни¬
кает здесь. Это одновременно и зона обмена между атмо¬
сферой и морем.
Провинция II. Огромные массы океанских глубин не име¬
ют освещения и какого-либо субстрата: здесь не происходит
фотосинтез и нет таких мест, где мог бы накапливаться ор¬
ганический материал. Пищевая база для сообщества живу¬
щих здесь организмов — это мириады мелких частиц орга-
ГЛАВА 2. ПРИРОДА ОКЕАНА — ЖИДКОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ
19
Рис. 2.1. Деление всей толщи океана на биологические
зоны.
(а) Деление океана на главные биологические зоны, основан¬
ное на глубине воды и связанных с глубиной характеристи¬
ках океанического дна. Литоральные зоны вытянуты вдоль
береговой линии, а сублиторальные соответствуют дну мел¬
ководной части океана. Неритовая зона включает неглубокие
воды над шельфом; пелагическая зона (пелагиаль) — верх¬
ний слой в открытом океане; батиаль, как и литораль, — это
провинция океанического дна, пригодная для жизни бентос¬
ных форм. Батипелагическая зона — среда обитания глубин¬
ных живых организмов.
(б) Деление океана на биологические провинции на основе
характеристик жидкой среды: I — эвфотическая зона, II —
внутренняя область, III — абиссальная зона, IV — прибреж¬
ная окраинная зона, V — прибрежная зона диссипации энер¬
гии, VI — зона эстуария, VII — подводная зона гидротер¬
мальных источников.
нического «мусора», которые называются детритом, мед¬
ленно опускаются из продуктивной провинции I и в конце
концов оседают на дне. Об этой зоне мы знаем, вероятно,
меньше, чем о любой другой, — отчасти потому, что она
во много раз больше всех остальных, а отчасти потому, что
во время каждой отдельной экспедиции мы можем «уви¬
деть» только очень малую ее часть. Обитающее в ней сооб¬
щество имеет странные формы — от крошечных животных,
которые вращают вокруг себя большие пузыри слизи и с их
помощью «захватывают» опускающиеся частицы пищи, до
небольших плотоядных, вспыхивающих биолюминесцент-
ной «приманкой» для привлечения добычи. (Советуем про¬
читать отчет Биба [1] о его наблюдениях во время погруже¬
ний на батискафе «Арктур».)
Провинция III. Большая доля органических остатков,
опускающихся из провинции I, поглощается или растворяет¬
ся в провинции II, но часть опускается на дно океана и на¬
капливается там в виде пленки органического вещества. Эта
пленка образует основание пирамиды — пищевой цепи, при¬
чем сообщество живых существ, составляющих донный ор¬
ганический мир, коренным образом отличается от организ¬
мов верхних провинций и никак не связано с ними. В дон¬
ном сообществе доминируют бентосные формы — ползаю¬
щие по дну, зарывающиеся в него или плавающие над ним.
Провинция IV. Мелководные области, располагающиеся
над шельфами, отличаются от глубоководных областей от¬
крытого океана. Они получают большое количество раство¬
ренных питательных веществ с водой, приносимой в при¬
брежную зону реками. Содержание взвеси здесь обычно вы¬
сокое, и прозрачность прибрежных вод хуже, чем в откры¬
том океане. Наличие солнечного света на всех глубинах,
включая и дно, сильно влияет на состав и поведение мор¬
ских организмов. Это зона слияния провинций I и III.
Провинция V. Воды «краевой зоны», пограничной между
сушей и морем, отличаются от других прибрежных вод
шельфа тем, что здесь рассеивается большая доля энергии
волн. Уровень прилегающих к берегу вод постоянно меняет¬
ся во время приливов и штормов. Это в высокой степени
специфическая среда обитания. Населяющее эту зону сооб¬
щество испытывает значительное влияние со стороны чело¬
веческой деятельности.
Провинция VI. Зона эстуария характеризуется в первую
очередь быстрыми изменениями содержания соли в воде.
Эта особенность порождает уникальную приспособляемость
морских организмов к перемене обстановки. Важную роль
играет фактор рассеяния энергии приливных волн. Челове¬
ческая деятельность оказывает на эту провинцию особенно
сильное влияние.
Провинция VII. Взаимодействие придонных вод и горя¬
чей магмы создает подводные гейзеры. Вокруг жерл гидро¬
термальных источников сформировалось своеобразное сооб¬
щество живых существ; их органической основой служит
локальное увеличение количества бактерий, извлекающих
энергию из химических реакций, в которых участвуют соеди¬
нения серы, содержащиеся в гидротермальных растворах.
Контрасты структурной адаптации:
подход с точки зрения «цены жизни»
Попросту говоря, наземные организмы платят гораздо бо¬
лее высокую «цену» за привилегию жить в газовой атмосфе¬
ре, чем их морские собратья, живущие в жидком океане.
Высокая плотность океанских вод дает морским организмам
плавучесть, которая уменьшает «эффективную» силу тяжес¬
ти, а относительное постоянство морских условий понижает
«стоимость» выживания.
Эффекты плавучести
Как растения, так и животные, живущие в наземной среде,
вкладывают большую долю потребляемой тепловой энер¬
гии в строительство из клетчатки или костной ткани тех
частей своего тела, с помощью которых они противостоят
расплющивающей силе собственного веса. Наземные расте¬
ния строят из клетчатки стволы и стебли, стремясь закрыть
20
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
своей тенью соседние растения и захватить больше солнеч¬
ного света. Много энергии тратят растения и на развитие
своих корней — как для обеспечения физической устойчиво¬
сти, так и для того, чтобы добраться до питательных ве¬
ществ, растворенных в грунтовых водах.
В противоположность этому морские растения не нужда¬
ются ни в корнях, ни в верхней «надстройке». Они целиком
погружены в жидкий «суп», из которого питательные ве¬
щества и вода непосредственно поглощаются через обна¬
женные мембраны отдельных клеток. Нетрудно понять, по¬
чему большинство морских растений — одноклеточные и
микроскопических размеров, размножающиеся простым де¬
лением ядра. Им нет надобности производить для этого се¬
мена. Все сказанное относится к нескольким тысячам видов
диатомей, динофлагеллят и кокколитофоров, образующих
главные семейства морских растений.
Но цикл жизни морских растений — отнюдь не сонное
царство в тихой воде. У большинства растений защитная
(однако пористая) оболочка образуется из материала, отно¬
сительно более плотного, чем морская вода. Твердый пан¬
цирь диатомей состоит из кремнезема (SiO2) — материала,
похожего на тот, из которого состоит песок. Динофлагелля¬
ты строят внешнюю мембрану из хитина — материала, по¬
хожего на целлюлозу (клетчатку) или человеческие ногти.
Кокколитофоры покрывают, свои одноклеточные тела кок¬
колитами — мелкими пластинками из карбоната кальция
(СаСО3). И хотя большая часть объема растительной клет¬
ки занята ее протоплазмой — живой субстанцией, имеющей
ту же плотность, что и морская вода, — организмы имеют
небольшую отрицательную плавучесть и, как правило, мед¬
ленно опускаются. Здоровые растительные клетки могут ис¬
пользовать некоторые особые методы противодействия не¬
достатку плавучести: они либо присоединяют к себе жиры и
липиды, плотность которых меньше плотности морской во¬
ды, либо строят оболочки особой формы, уменьшающей
скорость их опускания (см. рис. 9.9).
Морским животным также выгодно быть погруженными
в среду, плотность которой почти равняется плотности жи¬
вой протоплазмы. Обитающие в море виды вкладывают
сравнительно мало энергии в строительство костной ткани
и надстройки, поскольку фактор эффективной силы тяжести
понижен. В теле большинства настоящих рыб имеется пла¬
вательный пузырь, помогающий регулировать плавучесть:
рыбы меняют объем газов, пропуская их через стенки пузы¬
ря в кровеносные сосуды и обратно. Для рыб, передвига¬
ющихся кругами или вертикально в столбе воды, возмож¬
ность управлять своей плавучестью уменьшает количество
энергии, используемой на движение вверх-вниз (см., напри¬
мер, описание устройства миктофообразных рыб в следую¬
щем разделе).
Главное назначение скелетной структуры морских жи¬
вотных — служить каркасом для прикрепления мышц и для
того, чтобы мышцы могли изменять форму тела и тем са¬
мым приводить его в движение. Многие морские огранизмы
строят экзоскелет, а мышцы и другие части тела размеща¬
ются внутри него; у этих животных внешний скелет служит
и для других целей, например для защиты от хищников
(панцирь у крабов), или же он препятствует высыханию,
когда животное оказывается на воздухе (например, прикреп¬
ленные ракообразные во время отлива на скалистых бере¬
гах). Экзоскелетные животные получают такую защиту не
бесплатно: во время своего роста они должны периодически
сбрасывать старые оболочки, чтобы построить новые, более
вместительные. Оставаясь в такие моменты без панциря или
раковины, они становятся очень легкой добычей хищников.
Постоянство окружающей среды
Наземные животные тратят много энергии, совершенствуя
форму и строение своего тела, а также способность бороться
с экстремальными климатическими условиями. Многие из
них выработали у себя системы терморегуляции, с помощью
которых в их теле сохраняется относительно постоянная тем¬
пература; теплокровные виды постоянно отдают среде часть
вырабатываемого тепла, т. е. платят тепловой «налог» за
поддержание таких условий. Другие приобрели способность
менять свою форму и тем самым уменьшать поверхность ко¬
жи, подвергающуюся воздействию холода. Третьи использу¬
ют для тепловой изоляции чешую или перья.
В противоположность этому морские животные обита¬
ют в среде, температура которой меняется в очень малых
пределах. Им почти не требуются сложные системы тепло¬
вой регулировки: большинство морских животных — холод¬
нокровные. Однако приспособление к температуре среды
влечет за собой обратный эффект: не обладая способностью
управлять температурой своего тела, морские животные
крайне чувствительны к малым тепловым изменениям в их
водной среде обитания. Для некоторых видов, особенно
тех, которые живут в открытом океане, выбор нужной тем¬
пературы воды возможен путем простого изменения глуби¬
ны: температура воды с глубиной понижается. С другой
стороны, мигрирующие виды могут встретить на своем пу¬
ти настоящие барьеры в том месте, где меняются термиче¬
ские условия. Полагают, например, что лососевые виды
развивались в Северном полушарии, но не смогли проник¬
нуть в Южное полушарие из-за теплых поверхностных вод
экваториальной части океана. Эти воды сыграли роль теп¬
лового барьера. Мы не находим эндемичных лососевых в
реках высокоширотных районов Южной Америки.
Биологическим ограничителем развития холоднокровных
животных является то, что с понижением температуры тела
уменьшается скорость обмена веществ; следовательно, ско¬
рость «усвоения» энергии у них меньше, чем у теплокров¬
ных видов. Некоторые виды рыб приобрели комбинирован¬
ную систему холодно- и теплокровной циркуляции. Приме¬
ром может служить тунец. Это очень стремительные, быст¬
ро плавающие рыбы, находящиеся в непрерывном движе¬
нии — за пищей или в процессе миграции; их расход энергии
не может быть удовлетворен одной только холоднокровной
системой, поэтому температура тела тунцов на несколько
градусов выше, чем окружающей воды.
Контрасты движения
«Уходить в море», чтобы наблюдать и изучать изменчивый
океан и его живые сообщества, — это и есть жизнь и рабо¬
та океанолога. Но мы всегда бываем рады, когда рейс кон¬
чается и судно приближается к порту — твердой, без всякой
качки, земле. Как и все наземные животные, мы чувствуем
себя в безопасности только тогда, когда вольны распоря¬
жаться движениями своего тела. Движемся же мы всегда
практически по горизонтали. Для нас чрезвычайно важны
свободное пространство вокруг и выбранное направление, и
мы непроизвольно следим за формой и гладкостью земной
поверхности, оказавшейся в пределах прямой видимости.
Для существ, живущих в открытом океане, удобств тако¬
го рода не существует. Здесь сама окружающая среда нахо¬
дится в непрестанном движении. Уже из одного этого разли¬
чия можно вывести логические следствия, помогающие изу¬
чать наблюдаемый характер поведения морских организмов.
ГЛАВА 2. ПРИРОДА ОКЕАНА — ЖИДКОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ
21
Виды и направления движения
Морское животное может само двигаться относительно сре¬
ды, в которой оно обитает, либо может оставаться в непод¬
вижности. Если оно предпочитает двигаться, то ему надо
выбрать, в каком направлении это делать: по горизонтали,
по вертикали или по наклонной линии. В океанах жизненное
пространство имеет три измерения, но понятие «свободного
пространства» исчезает, так как вокруг нет видимых, пред¬
метных контрастов. Если мы примем этот постулат, то
сделаем важный шаг к пониманию поведения морских су¬
ществ — к пониманию того, что морские организмы стре¬
мятся отыскать какие-либо различия в окружающей среде,
приспособиться к ним, извлечь из них пользу, и все это во
всех трех измерениях.
Одним из неотъемлемых физических свойств воды (гл. 6)
является то, что она сильно поглощает и рассеивает свето¬
вые волны. Именно поэтому эвфотическая зона столь тон¬
ка — всего 100 м. Это также чрезвычайно сужает зону види¬
мости для морских животных по сравнению с тем, что до¬
ступно зрению животных наземных. Например, даже в чис¬
той морской воде все «поле зрения» имеющего глаза мор¬
ского животного представляет собой сферу с радиусом не
более 30 м. В мутных прибрежных водах этот радиус гораз¬
до меньше. Кроме того, сама вода «выглядит» одинаково
во всех направлениях. У морского животного в поле зрения
нет никаких видимых предметов, ориентируясь на которые
оно могло бы принять решение о движении в каком-то
определенном горизонтальном направлении. Однако в отно¬
шении вертикального направления выбор прост — двигать¬
ся к свету или уходить от него в темные воды, находящиеся
ниже эвфотической зоны.
Среди других факторов, влияющих на то, какое верти¬
кальное направление движения выберет животное, важную
роль играют следующие: давление, возрастающее на 1 атм с
погружением на каждые 10 м глубины, температура, быст¬
ро понижающаяся с глубиной (типичный ход ее показан на
рис. 8.3), и движение самой воды. В последующих главах
детально описывается, как океан разделяется на слои, при¬
чем каждый слой движется независимо от других. Верхний
слой приходит в движение под влиянием действующих на
поверхности ветров; этот подверженный ветровому воздей¬
ствию слой совпадает с эвфотическим слоем. Более глубо¬
кие воды не ощущают воздействия ветра, поэтому здесь
происходит дифференциация между верхней зоной, где толь¬
ко и могут существовать морские растения, и глубинными
водами. Можем ли мы теперь постулировать, что у основ¬
ных организмов, питающихся морскими растениями, должна
была развиться способность перемещаться вертикально меж¬
ду этими слоями, и если так, то чего они этим добились?
Ответ, подтверждающий правильность такого постула¬
та, будет найден, если мы рассмотрим размеры морских
растений. В большинстве своем это микроскопические одно¬
клеточные растительные организмы. Логически мы заклю¬
чаем, что животные, питающиеся такими крохотными рас¬
тениями, сами должны быть маленькими. Основными мор¬
скими растительноядными является группа животных, на¬
зываемых веслоногими рачками (копеподами). При средней
длине около 2 мм они хотя и могут плавать, но лишь очень
медленно по сравнению со скоростями океанических тече¬
ний; поэтому их относят к планктону, дрейфующему вместе
с течениями. Питаются копеподы в основном суспензией —
они захватывают микроскопические растительные клетки,
рассеянные в морской воде практически полностью в виде
взвеси. Скрытый смысл такого соотношения между расти¬
тельноядными и их пищей заключается в том, что скопле¬
ние подобных животных может быстро очистить окружаю¬
щее их пространство от растений, так как в отличие от со¬
ответствующих наземных животных — коров — это скопле¬
ние не в состоянии, дрейфуя в горизонтальном направлении,
добраться до более тучных пастбищ.
Но если веслоногие воспользуются своими слабыми спо¬
собностями плавать для перемещения вверх и вниз, соотно¬
шение между едоками и пищей изменится. Опускаясь, жи¬
вотное попадает в более глубокий слой, скорость движения
которого отличается от скорости поверхностного течения;
следовательно, перемещение животного по горизонтали
будет иным, нежели движение пастбища, на котором оно
раньше кормилось. Если теперь животное сменит направле¬
ние своего движения и снова всплывет в поверхностный
слой, оно окажется уже в какой-то другой части пастбища.
Таким образом, наш постулат становится логически обосно¬
ванным, но действительно ли морские животные ведут себя
подобным образом? В дальнейшем мы покажем, что ответ
на этот вопрос — положительный.
Глубинный звукорассеивающий слой
Во время второй мировой войны, когда потребность в мор¬
ских перевозках сильно возросла, военно-морской флот стал
получать много сообщений о мелях и рифах в тех местах,
где раньше ничего подобного не обнаруживалось. Более то¬
го, почти всегда такие сообщения посылались при ночных
рейсах через воды открытого океана. Изучение этого вопро¬
са показало, что судовые эхолоты (акустические приборы
для измерения глубины дна) регистрировали звуковые им¬
пульсы, отраженные не от дна океана, а от чего-то иного.
В дневные часы источник отражений находился на глубинах
около 300 м, однако ночью он оказывался всего в несколь¬
ких метрах от поверхности (рис. 2.2). Так было положено
начало биологическим исследованиям того, что потом ста¬
ли называть глубинным звукорассеивающим слоем.
Биологи установили, что звуковые импульсы отражают¬
ся от наполненных газом пузырей, обеспечивающих плаву¬
честь миктофообразных рыб (светящихся анчоусов и др.).
Этот отряд рыб встречается во многих районах Мирового
океана. Справедливо рассудив, что рыба мигрирует в верти¬
кальном направлении в ответ на подобную же миграцию су¬
ществ, которыми она питается, биологи для своих исследо¬
ваний использовали буксируемые сети с различными разме¬
рами ячейки на разных глубинах и в разное время суток. В
результате было выяснено, что мелкие креветкообразные
животные, такие как эвфаузииды, также мигрируют по вер¬
тикали; то же происходит и с еще более мелкими копепода¬
ми. Вся пищевая цепь перемещается в вертикальном направ¬
лении, — очевидно, в соответствии с поведением копепод,
кормящихся на своих плантациях микроскопических расте¬
ний (рис. 2.2).
Почему организмы приближаются к поверхности в ноч¬
ные часы, а не наоборот? Ясно, что такой режим поведения
коррелирует с суточными изменениями уровня освещенно¬
сти (так называемый фототаксис*), но действительно ли ин¬
тенсивность света служит определяющим фактором? Су¬
ществуют ли различия в распределении одноклеточных во-
* Фототаксис — движение свободно передвигающихся простейших
организмов в направлении на источник света или от него. — Прим,
перев.
22
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
^-Ом
100 м
•200 м
<-400 м
300м
"-500 м
Движение ленты
Рис. 2.2. (а) Поперечный разрез верх¬
ней части океана. Показаны главные
объекты, создающие явление глубинно¬
го звукорассеивающего слоя. Эхоло¬
ты — приборы, передающие (и прини¬
мающие) звуковые волны с целью изме¬
рения вертикального расстояния между
кораблем и океаническим дном.
(б) Некоторая часть звуковой энергии
рассеивается и отражается от таких
плотностных неоднородностей, как воз¬
душные пузыри миктофообразных рыб;
отраженная энергия фиксируется как
жирный след на ленте судового эхолота.
На этой ленте регистрируется хроноло¬
гия вертикальной миграции рыбного ко¬
сяка. По-видимому, миграция рыб соот¬
ветствует изменению глубины скопле¬
ний организмов, которыми питается
рыба, таких как эвфаузииды, а это в
свою очередь отражает вертикальное пе¬
ремещение растительноядных рачков —
копепод. Полосчатый вид записи эхолота
указывает на то, что рыба может скап¬
ливаться в определенных зонах глубин.
(б)
Полдень
6 ч утра
Полночь
6 ч вечера
дорослей в дневные и ночные часы, позволяющие копепо¬
дам усиленно питаться этими растениями ночью? Или же в
ночные часы копеподы оказываются в большей безопасно¬
сти от поедания эвфаузиидами? Это явление все еще изуча¬
ется. В последние годы обнаружилось, что скопления расте¬
ний действительно группируются в «пятна», распределение
которых имеет важное значение для копепод, понижая их
шансы на успех в повседневных поисках ими более тучных
пастбищ. Чего мы пока не знаем, так это точного механиз¬
ма (или механизмов) образования неоднородных пятнооб¬
разных скоплений водорослей; в самой воде могут возни¬
кать пятна неоднородностей, вызванные турбулентным дви¬
жением, и это может играть главную роль в сосредоточе¬
нии растений в отдельные пятна.
Диапазон и специфичность размеров
Морские растения открытого океана имеют малые разме¬
ры. Их можно детально изучать только с помощью микро¬
скопа. (Мы не говорим здесь об очень крупных растениях,
таких как бурые водоросли, встречающиеся на континен¬
тальных окраинах.) Большинство их — одноклеточные, и,
как указывалось в одном из предыдущих разделов, это
определяет крошечные размеры питающихся ими живот¬
ных. Действительно, поскольку растения представляют со¬
бой основание всех пищевых цепей, вся современная пище¬
вая сеть моря сформировалась как прямой результат ее за¬
висимости от мельчайших растений. Этот факт имеет в нау¬
ке о море несколько важных следствий.
Эффект дисперсии
Прежде всего, микроскопические размеры растений в соче¬
тании с движением воды приводят к тому, что раститель¬
ная продукция рассеяна по всей эвфотической зоне океана.
Отсюда непосредственно вытекает одно важное следствие:
географическая область, занятая каким-либо одним сооб¬
ществом, т. е. четко определенной последовательностью
морских организмов, составляющих трофическую сеть, дол¬
жна быть чрезвычайно большой. Это представляет рази¬
тельный контраст с обычно малыми размерами географиче¬
ских зон обитания наземных сообществ. (Вопрос о биогео¬
графических ареалах рассматривается в гл. 13.)
Но даже если морские растения очень мелки, так ли обя¬
зательно, чтобы и питающиеся ими животные тоже были
маленькими? Например, не может ли концентрация расте¬
ний в единице объема морской воды оказаться столь боль¬
шой, что растительноядные животные будут в состоянии
буквально «процеживать» воду, добывая себе пищу, а зна¬
чит, такие животные могут быть и весьма крупных разме¬
ров? В гл. 1 сообщалось, что концентрация растительного
материала в океане в каждый момент времени (т. е. биомас¬
са) весьма мала. К тому есть две основные причины.
1. Одиночные растительные клетки всегда погружаются,
хотя и медленно, в водном столбе. Они должны воспроизве¬
сти свою популяцию до ухода из освещенной солнечным
светом эвфотической зоны.
2. Снабжение растений питательными веществами огра¬
ниченно. В большинстве мест эвфотической зоны океана
значительная часть имеющихся для растений питательных
ГЛАВА 2. ПРИРОДА ОКЕАНА — ЖИДКОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ
23
Рис. 2.3. Сравнительные размеры доминирующих организмов, участвующих в трофической цепи Калифорнийского течения
(с соблюдением масштаба).
24
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
веществ — фосфатов (РОд-) и нитратов (NO^“) — «встрое¬
на» в ткань живых растений и не может использоваться для
роста новых клеток.
Из всего этого следует, что популяция растительнояд¬
ных должна быть столь же широко рассеянной. Кроме то¬
го, отдельные их особи должны быть достаточно малы,
чтобы питаться отдельными одноклеточными водорослями.
Этот мотив не прерывается и выше по трофической це¬
пи. Малые размеры и широкая дисперсия растительноядных
приводят к тому, что и плотоядные на младенческой стадии
развития должны иметь малые размеры, но присутствовать
в большом количестве, иначе они не смогут эффективно со¬
бирать свой «урожай». В итоге размеры и численность осо¬
бей на всех трофических уровнях предопределены. Крупные
плотоядные должны производить многочисленное малорос¬
лое потомство, и это заставляет морских животных раз¬
множаться яйцами.
Специфичность размеров
Мертвые тела морских растений и животных целиком или
частями медленно погружаются вниз в океанской воде. Во¬
обще говоря, это означает, что никаких «объедков» от по¬
требляемой животными пищи не остается. В отличие от со¬
ответствующих наземных животных морские хищники про¬
глатывают свою добычу сразу целиком. Это составляет ос¬
нову положения о специфичности соотношений между раз¬
мерами хищника и его жертвы. Зависимость личинок жи¬
вотных от того, что пища необходимого размера должна
быть доступна им в нужное время, хорошо известна, напри¬
мер, специалистам по товарному выращиванию устриц из
икры. Молодые устрицы в течение первых критических дней
после того, как они вылупятся из икры, должны поедать
водоросли в определенной последовательности — с возрас¬
тающим размером клеток. Любая ошибка в размере или
времени, приводящая к несоответствию размеров устричной
молоди и водорослей, может стать роковой для жизни уст¬
рицы. На рис. 2.3 изображены с соблюдением масштаба не¬
которые главные члены сообщества, обитающего в откры¬
том океане у побережья Калифорнии. Сравнение размеров
хищников и жертв ясно демонстрирует принцип: низший
член трофической цепи должен иметь размеры «на один
укус» высшего члена цепи; эта диаграмма показывает так¬
же, что данный принцип действует на всех уровнях, в том
числе микроскопических!
Второе положение возникает из анализа соотношений
конкретных размеров. К счастью для личинок, они могут
расти максимально быстро. Этому есть две причины. Во-
первых, животные, становящиеся добычей хищников, осо¬
бенно беспомощны в «переходный период». С этой точки
зрения наилучшая стратегия выживания — входить в опре¬
деленную категорию размеров и выходить из нее быстро.
Во-вторых, с точки зрения едока система должна гаранти¬
ровать ему, что его зависимость от добычи одного и того
же размера не будет слишком долгой, иначе поедание от¬
дельных видов превысит допустимую норму. Ясно, что ха¬
рактер поведения и жизненные циклы морских организмов
определяются статистическими элементами случайных
столкновений.
Контраст органического состава:
белки или углеводы?
Нам — наземным животным, для которых свободное про¬
странство играет в стратегии выживания такую важную
роль, — необходимо тратить много энергии на движение.
Эти затраты нужны, чтобы обеспечить выполнение двух
требований: во-первых, сильное земное притяжение делает
всякое перемещение постоянной борьбой с трением, а во-
вторых, для активного потребления пищи необходимо, что¬
бы скорость использования энергии была весьма высокой
во время «преследования жертвы». Таким образом, в ходе
эволюции мы стали химическими машинами, в которых вы¬
деление мышечной энергии зависит от запасов и превраще¬
ния богатых энергией углеводов. (Если эти рассуждения ста¬
новятся для вас чуточку «тяжелыми», возьмите плитку шо¬
колада и пожуйте ее.)
Морское животное, погруженное в среду, обеспечиваю¬
щую его плавучесть, меньше нуждается в таком быстром
или устойчивом выделении энергии. (Имеются исключения,
такие как лосось, который должен в течение долгого време¬
ни тратить энергию, пробираясь для нереста в верховья
рек.) Обычно преследование жертвы в морском мире проис¬
ходит очень быстро и на коротком расстоянии. Это непо¬
средственно согласуется с высказанной ранее идеей о малых
размерах зоны прямой видимости; длинный путь маневра
убегания от одного хищника с равной степенью вероятности
выведет жертву в зону видимости другого хищника. Опять-
таки мы видим сильное влияние фактора случайного столк¬
новения, определяющего стратегию выживания.
Однако морские животные все же в большой мере зави¬
сят от белков. Это объясняется двумя главными причинами.
Во-первых, игра случая при столкновениях в морской био¬
сфере заставляет ее членов воспроизводиться в больших ко¬
личествах. Наиболее эффективный метод, развившийся для
этого в природе, — это размножение яйцами. Вторая при¬
чина состоит в том, что, поскольку океан постоянно нахо¬
дится в движении, зародыши на стадии яйца, да и личинки
рассеиваются на большие расстояния. Само по себе такое
рассеяние не требует, чтобы число яиц, откладываемых од¬
ной генерацией, обязательно было большим; если бы усло¬
вия, в которых личинки могут выжить, были в океане одно¬
родными, количество сохраняющихся личинок не зависело
бы от границ области дисперсии. Но в действительности ча¬
сто бывает не так. Пятнистый характер распределения мор¬
ских растений уже сам по себе определяет то, что некото¬
рые личинки должны погибнуть от недостатка пищи. Кро¬
ме того, иногда отмечаются большие изменения свойств во¬
ды от места к месту, особенно в прибрежных районах океа¬
на, а также от типа и количества частиц вещества в суспен¬
зии. Поэтому для обеспечения выживания вида в обстановке
сильной дисперсии морские животные должны откладывать
большое количество яиц.
В яйцах должно содержаться много белков. Значит, мор¬
ские животные развивались в условиях непременной зависи¬
мости от химии белков, в то время как для соответствую¬
щих наземных животных важнейшее значение имели углево¬
ды. Мы включаем рыбу в нашу диету белкового питания.
Контрасты в круговороте
питательных веществ
К этому положению лучше всего подойти через изучение ор¬
ганизации циклов питательных веществ — наземного и оке¬
анского — в сопоставимых масштабах времени и про¬
странства. Питательные вещества определяются как хими¬
ческие элементы или ионы, используемые растительной
живой клеткой для построения панциря или ткани. В мор¬
ском мире эти питательные вещества растворены в воде в
виде ионов солей или других соединений; главными состав-
ГЛАВА 2. ПРИРОДА ОКЕАНА — ЖИДКОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ
25
Рис. 2.4. Продольный разрез Ат-
лантического океана в меридиональ¬
ном направлении, показывающий
двухслойное строение, типичное для
открытых океанов. Жирной штрихо¬
вой линией обозначен раздел между
двумя слоями воды. Органические
частицы, опускающиеся из теплого
поверхностного слоя, растворяются
в глубинном слое, и для их возвра¬
щения к поверхности требуются сот¬
ни лет.
Экватор
ляющими являются нитраты (NO^“), фосфаты (РО^—), угле¬
род и карбонаты (которые образуются в основном из рас¬
творенного углекислого газа СО2) и силикаты (в основном
кремнекислота Si(OH)4).
Наземный цикл
В типичной наземной обстановке — в поле или на лугу —
растения получают питательные вещества и возвращают их
в почву за один год, т. е. в течение годового цикла роста.
Имеются и исключения: тропические леса восстанавливают
опавшую листву быстрее, тогда как леса умеренного пояса
накапливают гумус (отмерший органический материал) в те¬
чение более длительного времени. С точки зрения про¬
странства наземная система возвращает питательные ве¬
щества в то же место, где они были взяты.
Морской цикл
Наоборот, морская система круговорота питательных ве¬
ществ контролируется механизмами, действующими долгое
время — сотни лет — и в пространстве глобального мас¬
штаба. Ключом к пониманию этих огромных различий слу¬
жат два фактора: 1) океан должен вести себя как двухслой¬
ная жидкая система и 2) механизм, перемешивающий эти
два слоя, действует в пространстве глобального масштаба.
На рис. 2.4 схематически показана работа этой системы.
Верхний слой нагревается солнечным светом; ясно, что в
экваториальных районах это нагревание сильнее, чем в по¬
лярных. Вместе с определенной системой дующих у поверх¬
ности ветров солнечный нагрев создает в океане верхний
слой, толщина которого у экватора составляет около 300 м,
в центральных частях океанов возрастает, возможно, до
600—800 м, а затем уменьшается до нуля в полярных широ¬
тах, где солнечный нагрев также слабее. Все это иллюстри¬
рует рис. 2.4.
Теплый поверхностный слой подстилается мощным сло¬
ем холодной и плотной морской воды. Этот слой достигает
самых глубоких участков океанических бассейнов, и его тем¬
пература в большинстве случаев ниже 4 °C; фактически
большая часть всей воды в океане имеет температуру ниже
2°С! Следовательно, мы можем определить положение зо¬
ны, разделяющей два слоя, измеряя температуру последова¬
тельно на разных глубинах столба морской воды. Когда
датчик температуры зафиксирует быстрое изменение в сто¬
рону более низких температур, это и будет зона раздела;
мы называем ее термоклином (см., например, рис. 8.3).
Другой способ найти границу между двумя слоями в оке¬
ане — проводить измерения с помощью прибора, определя¬
ющего плотность морской воды. Действительно, именно
разность плотностей двух слоев препятствует их быстрому
перемешиванию и тем самым объясняет, почему для осу¬
ществления морского цикла питательных веществ требуется
долгое время.
На рис. 2.4 показано, каким образом в двухслойном оке¬
ане развивается периодическая циркуляция и вода в конеч¬
ном счете перемешивается. Теплые поверхностные воды
сгоняются по направлению к полюсам, перенося избыточ¬
ное солнечное тепло к полярным районам, где нагрев недо¬
статочен. Вблизи Гренландии на севере и Антарктиды на
юге поверхностные воды остывают настолько, что их плот¬
ность возрастает, и они опускаются во внутреннюю часть
океана, становясь глубинными водными массами. Послед¬
ние расходятся по всему океану, заполняя все глубинные
части бассейна. В конце концов глубинная вода возвращает¬
ся к поверхности, в частности в зонах так называемого ап¬
веллинга. Этим и заканчивается цикл. В Атлантическом оке¬
ане он продолжается примерно 700 лет, а в Тихом — около
2500 лет.
Как влияет этот длительный цикл на круговорот пита¬
тельных веществ? Отметим еще раз, что вся протоплазма
тяжелее морской воды, особенно в соединении с материа¬
лом, составляющим скелет. Поэтому все мертвые организ¬
мы должны идти ко дну. Если этот отмерший материал не
будет использован как питательное вещество до того, как
уйдет из верхнего слоя, он соответственно поступает в глу¬
бинный слой и, таким образом, автоматически входит в
длительный цикл обновления. Пройдут сотни лет, прежде
чем азот и фосфор, растворяющиеся в глубоких водах, вер¬
нутся в эвфотическую зону и снова станут питательными ве¬
ществами для растений в теплом поверхностном слое.
Круговорот морских питательных веществ — это гло¬
бальный цикл, и данное соображение согласуется с двумя
обстоятельствами, а именно: 1) морская среда — жидкость,
26
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
Среда находится в движении
Пространство трехмерно
Адаптация к вертикальному движению
Размеры свободного пространства
не имеют значения
Ограниченная зона видимости
Дисперсия
Рис. 2.5. Стратегия поведения
морских животных — результат
взаимодействия физиологических
факторов и физических свойств
жидкой окружающей среды.
Обстановка хорошей плавучести
находящаяся в непрерывном движении, и 2) глубинные тече¬
ния опоясывают все океаны мира. Например, органический
материал, погрузившийся в холодный слой у берегов Грен¬
ландии во времена крестовых походов, теперь «вынырива¬
ет» на поверхность вблизи Антарктиды, где происходит ап¬
веллинг атлантических вод. Знание наземного круговорота
питательных веществ не помогает нам в изучении морского
цикла.
Заключение: морская стратегия выживания
Какой должна быть успешная стратегия выживания мор¬
ских организмов? Морская биологическая система, с кото¬
рой мы сегодня сталкиваемся, успешна, поскольку она су¬
ществует. На рис. 2.5 в обобщенном виде показано, как
многочисленные факторы, описанные в данной главе, вза¬
имодействуют между собой, вырабатывая успешную стра¬
тегию для морских сообществ.
Хорошая плавучесть, создаваемая жидкой средой, плюс
рассеянные и растворенные в воде питательные вещества —
важнейшие факторы в естественном отборе одноклеточных
растений, определяющие наибольшую эффективность при¬
способляемости в условиях моря. Размеры растений в свою
очередь влияют на поведение всех остальных звеньев трофи¬
ческой цепи, как и тот факт, что растительная продукция
обычно ограничена недостатком питательных веществ.
Дисперсия на значительные расстояния плюс ограничен¬
ный радиус видимости создают элемент случайности столк¬
новений особей и влияют тем самым на схему воспроизвод¬
ства. Выживание вида обеспечивается не скрытностью, мас¬
кировкой или маневрами бегства от опасности, хотя все это
имеется, а скорее производством потомства в ошеломляю¬
щем количестве. Множественное воспроизводство жестко
требует выработки большого количества белков для разви¬
тия зародышей в яйце. Много яиц — значит, личинки долж¬
ны быть малого размера, поскольку их размер ограничива¬
ется тем, что пищей растительноядных служат одноклеточ¬
ные водоросли. Большое количество яиц также обеспечива¬
ет максимальные шансы выживания вида: часть потомства
избежит поедания хищниками, а часть уцелеет при рассея¬
нии океаническими течениями.
Хотя меньшее влияние силы тяжести устраняет опреде¬
ленные требования к строению тела, небольшая отрица¬
тельная плавучесть живой протоплазмы остается. Эффек¬
тивная приспособляемость создается малыми размерами,
способностью менять форму тела и использованием особых
органов для плавания. Яйца (икра) выметываются с доста¬
точным количеством жиров и липидов, способствующих
выносу их к поверхности, где имеется пища нужного разме¬
ра, и молодь не соперничает со взрослыми особями за одни
и те же источники питания. Способность управлять плаву¬
честью позволяет каждой особи перемещаться в вертикаль¬
ном направлении, и такое поведение согласуется с диффе¬
ренциальным движением океанских слоев, обеспечивает дис¬
персию и т. д. и т. п.
Мы видим перед собой чудесный мир адаптации орга¬
низмов к условиям существования в непрерывно движущей¬
ся водной среде. Так что в отличие от нашей наземной си¬
стемы этот мир пока еще обеспечивает себе успешное су¬
ществование. В конечном счете белковый дефицит у челове¬
чества заставляет нас все больше надеяться на богатую бел¬
ками морскую систему.
Контрольные вопросы
1. Традиционное деление океанской среды на различные
«жизненные пространства» (рис. 2.1, а) проводится на осно¬
ве глубины воды с добавлением особой категории (или не¬
скольких категорий) среды обитания для организмов, непо¬
ГЛАВА 3. СПЕЦИАЛИСТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ МОРЯ
средственно связанных с донным субстратом. Другая схема
классификации (рис. 2.1, б) основывается на различии физи¬
ческих свойств океанских вод, и именно по этим свойствам
выделяются природные зоны и царства. Объясните преиму¬
щества и недостатки каждого метода.
2. Одно физическое свойство воды — плотность — объ¬
ясняет огромные различия в структурной адаптации мор¬
ских живых существ и характере приспособляемости назем¬
ных организмов. Объясните, в чем тут дело.
3. Одна физическая характеристика морской воды — по¬
стоянство теплового состояния — объясняет другие круп¬
ные различия между наземными и морскими формами жиз¬
ни. Объясните это.
4. Если большинство видов морских организмов в своем
развитии не выработали способность управлять внутренней
температурой тела, означает ли это, что они нечувстви¬
тельны к изменениям температуры морской воды? Почему
рыбаки часто тянут сеть вдоль зон, где сходятся воды раз¬
ной температуры?
5. Выражаясь иначе, верно ли, что морские организмы
более чувствительны к малым изменениям температуры
морской воды, чем наземные формы — к изменениям тем¬
пературы воздуха?
6. Какое единственное свойство морской воды больше
чем любое другое обусловливает меньшую приуроченность
к определенному местообитанию у морских пелагических ви¬
дов по сравнению с наземными видами?
7. Если приуроченность к определенному месту не харак¬
терна для поведения пелагических видов, то их разнообра¬
зие должно быть больше или меньше, чем у бентосных ви¬
дов?
8. Главное свойство океанского мира, позволяющее гово¬
рить о нем как о мире, поразительно отличающемся от ми¬
ра наземного, состоит в том, что океан находится в движе¬
нии. Опишите некоторые следствия этого для океанов.
9. Укажите различия в размерах главных наземных и
морских растительноядных животных.
10. Ваши знания о находящемся в движении океане мож¬
но оценить и другим способом. Если воды океана непрерыв¬
но движутся, почему так много видов воспроизводится пу¬
тем откладывания яиц, подверженных рассеянию на значи¬
тельные расстояния, т. е. дисперсии!
11. Если растения — первичный источник пищи, служа¬
щий основой всех трофических цепей, — состоят в океан¬
ской биосфере из таких мелких индивидуумов, то какой спо¬
соб воспроизводства, по вашему мнению, предпочтителен
для морских организмов: живорождение или откладывание
яиц? Если откладывание яиц, то какого размера должны
быть яйца?
12. Обнаруженное явление глубинного звукорассеиваю¬
щего слоя объяснено тем, что веслоногие в процессе своего
развития приобрели манеру поведения, использующую диф¬
ференциальные поверхностные течения как средство переме¬
щения от одного «пастбища» к другому, хотя активные пла¬
вательные способности у них весьма ограничены. Будет ли
логично объяснять вертикальную миграцию всех плотояд¬
ных с помощью того же самого аргумента — перемещения
«охотничьих угодий»?
13. Большинство наземных травоядных пасется в днев¬
ные часы. Почему морские растительноядные поступают
иначе? Нужно ли морским животным «видеть» траву? Или
же морская трава лунной ночью вкуснее?
14. Вспомните, как объясняла вам мать, что пища из мо¬
ря богата белками. Смогли бы вы придумать лучшее объяс¬
нение?
27
15. Напишите краткий очерк о том, как вы объясняли бы
в своей лекции для студентов четвертого семестра положе¬
ние о специфичности размеров как определяющем факторе
организации морской биосферы.
16. Напишите краткий очерк о том, как вы объясняли бы
в своей лекции студентам восьмого семестра, почему огра¬
ниченное расстояние, которое морские организмы могут
просматривать, делает их «охоту», во-первых, весьма ко¬
роткой и, во-вторых, предметом статистики случайных
столкновений.
ГЛАВА 3
СПЕЦИАЛИСТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ МОРЯ
И МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Отдельные особенности жидкой среды могут выявить лишь узкие
специалисты, но решение практических задач часто требует коллек¬
тивных усилий многих экспертов, — междисциплинарного подхода.
Вплоть до середины XVIII в. число опубликованных науч¬
ных работ было так мало, что каждый человек мог за свою
жизнь изучить всю имеющуюся информацию по всем отрас¬
лям науки — химии, биологии, математике и т. д. Но затем
положение изменилось. Сегодня мир науки принадлежит
специалистам, однако границы специализации определяются
в основном тем же самым: содержанием и широтой охвата
литературы, которую специалист может усвоить и исполь¬
зовать в своих собственных исследованиях.
Несмотря на давление специализации, океанология со¬
храняет заметный оттенок “философии естествознания”, ко¬
торой каждый из нас в значительной степени владеет благо¬
даря изучению всех основных научных дисциплин. Во мно¬
гих университетах этот многодисциплинарный аспект науки
о море поддерживается на общих занятиях по основам фи¬
зики, биологии, химии и геологии применительно к океа¬
нам. Это не означает, что в океанологии не происходит соб¬
ственной дробной специализации; она происходит, причем
ускоренными темпами. Но наша специализация направлена
на то, чтобы «изучать специфические проблемы моря на ос¬
нове комплексных, многодисциплинарных представлений».
Введение
Изучая океанологию, мы узнали, что новые идеи и откры¬
тия часто приходят, лишь если объединить специальные
знания из нескольких дисциплин. Например, биолог пытает¬
ся объяснить, как работают головные придатки (антеннулы)
веслоногих рачков (см. рис. 13.1); однако до тех пор, пока
он не учтет вязкость воды — одно из важнейших ее физиче¬
ских свойств, — адекватного объяснения он не получит.
Любая гипотеза, призванная объяснить, почему такие при¬
датки закрепились в ходе эволюции, должна удовлетворять
и физическим условиям. Ведь и сложная картина движения
водной среды, и фактор плавучести, и вертикальное переме¬
шивание приповерхностных слоев ветрами и волнами — все
это влияет на распределение растений, которые служат пи¬
щей для копепод.
Химик занимается определением химических реакций, по¬
средством которых элементы попадают в океан из рек и ат¬
мосферы и затем уходят из водной среды в осадки. В свою
очередь эти элементы также участвуют в некоторой сово¬
купности биологических реакций — процессов, влияющих на
степень и скорости растворения, разложения и выпадения
28
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
осадка. Практически половина всего объема морских осад¬
ков имеет биогенное происхождение, а поэтому геологи,
чтобы правильно интерпретировать историю осадконакоп¬
ления, должны знать морскую биологию и химию. И на¬
оборот, достижения морской геологии имеют первостепен¬
ное значение как для биолога, изучающего жизненные цик¬
лы организмов, так и для химика, исследующего реакции в
морской воде.
Итак, необходимо взглянуть на мир океана глазами
специалистов по всем классическим наукам. Цель такого об¬
зора, — во-первых, установить характер специфических за¬
дач, интересующих тех и иных специалистов, и, во-вторых,
определить области, где нужен обмен знаниями между раз¬
ными дисциплинами. Для связности рассуждений мы ис¬
пользуем общую схему строения Земли, на которой будем
отмечать задачи и темы для изучения. Многие из них отно¬
сятся к двум или трем дисциплинам; здесь и сосредоточены
интересы междисциплинарных исследований.
Взгляд со стороны физики
Специалисты по физике океана занимаются* изучением гид¬
ро- и термодинамики этой изменчивой жидкой среды. Физик
утверждает, что движения океана и атмосферы — это
следствие неодинакового нагрева земной поверхности Солн¬
цем. На рис. 3.1 показаны пучки солнечного света равного
поперечного сечения, попадающие на разные участки Земли.
Вблизи экватора они нагревают меньшую площадь, чем в
полярных зонах, поэтому экваториальная область ежеднев¬
но получает больше калорий тепла на квадратный метр.
Это объясняет явление неравномерного нагрева земной по¬
верхности и служит физическим основанием для исследова¬
ний так называемой тепловой машины Земли.
Неодинаковый нагрев создает разность температур меж¬
ду экваториальными и полярными зонами. В этом заключа¬
ется фундаментальная физическая причина, приводящая ат¬
мосферу и океан в движение. Движения жидкой оболочки
Земли — реакция на действие этой силы, направленная на
то, чтобы уравновесить неодинаковое распределение тепла
путем его переноса от экваториальных областей с избыточ¬
ным нагревом к полярным областям, где нагрев недостато¬
чен. Описания атмосферных ветров и океанических тече¬
ний — основные исходные данные для изучения теплового
баланса Земли. Мы оцениваем роли атмосферы и океана в
процессе перераспределения тепла на земном шаре как при¬
мерно равные.
Атмосфера участвует в работе тепловой машины через
сложное сочетание элементарных вихревых движений, за¬
хватывающих определенные части пространства — так на¬
зываемые ячейки Гадлея. Они схематически изображены на
рис. 3.1 (более детальное описание атмосферы приведено на
рис. 10.4).
Океанологов больше всего интересуют поверхностные
ветры, так как именно они непосредственно взаимодейству¬
ют с океаном. На рис. 3.1 показано распределение поверх¬
ностных ветров над Мировым океаном; существуют особые
«пояса» восточных и западных ветров. (Называя направле¬
ния ветров, метеорологи указывают, откуда движется воз¬
душная масса, океанологи же дают названия течениям исхо¬
дя из того, куда они направлены.) В общем эти пояса дейст¬
вительно «опоясывают» весь земной шар. Между зоной за¬
падных ветров, приуроченных к широтам 30—50°, лежат зо¬
ны восточных ветров — пассатов, дующих и над эквато¬
ром; ближе к полюсам расположены другие системы вос¬
точных ветров.
Поверхностные ветры порождают движения в поверх¬
ностном слое океанов. В самом деле, как показано на
рис. 3.1, распределение поверхностных ветров коррелирует с
распределением крупных поверхностных течений. Хотя от¬
дельные течения имеют собственные названия, например
конкретные западные и восточные пограничные течения, но
суть в том, что ветровые течения образуют закономерные
системы крупномасштабной циркуляции (круговороты); раз¬
мер этих систем в общем сравним с размерами главных оке¬
анических бассейнов — таковы, например, Северо-Тихооке¬
анский и Северо-Атлантический круговороты.
Однако существует дополнительная сила, создаваемая
вращением Земли, — сила Кориолиса (см. рис. 10.3), и
вследствие этого система течений разделяется на изолиро¬
ванные круговороты, расположенные к северу и югу от эк¬
ватора. Эти круговороты имеют противоположные направ¬
ления. По сути дела системы циркуляции в Северном и Юж¬
ном полушариях как в океане, так и в атмосфере «симмет¬
ричны» относительно экватора.
Кроме того, в результате неодинакового солнечного на¬
грева поверхностные воды у экватора оказываются более
теплыми, а значит, менее плотными, чем полярные поверх¬
ностные воды. С другой стороны, в полярных районах под
влиянием сильного охлаждения и испарения поверхностные
воды настолько уплотняются, что опускаются на глубину. В
совокупности эти факторы создают и поддерживают осо¬
бый тип вертикального движения, называемый термогалин¬
ной циркуляцией, посредством которой теплые субтропичес¬
кие воды верхнего слоя движутся к полюсам, а более холод¬
ные воды глубинного слоя — к экватору. Из этого и возни¬
кает представление, в соответствии с которым мы «модели¬
руем» океан как двухслойную систему (рис. 3.1). В верхнем
слое время полного оборота в возбуждаемых ветрами кру¬
говоротах 2—3 года, тогда как период глубинной циркуля¬
ции измеряется сотнями лет.
Чтобы вода, опустившись на глубину в зонах даунвел-
линга приполярных районов, вернулась на поверхность в зо¬
нах апвеллинга, должен существовать какой-то механизм.
Апвеллинг развивается в определенных районах. Например,
глубинные воды вынуждены подниматься на поверхность в
узких зонах вдоль побережья, где ветры бывают сильными
и направлены параллельно берегу; другие зоны апвеллинга
встречаются в виде узких полос у экватора, в частности в
Тихом океане, и широко распространены в Южном океане
вокруг Антарктиды. Зоны апвеллинга и даунвеллинга пред¬
ставляют большой интерес и для биологов — главным об¬
разом из-за круговорота питательных веществ в океане, —
и для химиков, изучающих, какие химические соединения
уходят от поверхности в глубинные воды и снова возвраща¬
ются на поверхность.
Некоторые события последнего времени выдвинули фи¬
зическую океанологию вместе с метеорологией на мировую
авансцену. Обнаружилось, что в Тихом океане восточные
экваториальные ветры сгоняют поверхностные воды к Ази¬
атскому материку, но когда эти ветры теряют силу, — а
это периодически происходит, — поверхностные воды уст¬
ремляются назад через Тихий океан таким мощным пото¬
ком, что вдоль тихоокеанских берегов Южной и Северной
Америки возникают крупные климатические изменения. Это
явление наблюдается обычно близ побережья Эквадора и
Перу примерно на рождество и носит название Эль-Ниньо
(«младенец»). Климатические исследования в настоящее вре¬
мя сильно расширились и вылились в крупные глобальные
научные программы, например TOGA (Тропический Оке¬
ан — Глобальная Атмосфера) — комплекс исследований ми-
ГЛАВА 3. СПЕЦИАЛИСТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ МОРЯ
29
Излучение
Испарение
Перенос
Атмосферная циркуляция
Ощутимое тепло
Западные ветры
Восточные ветры
Поверхностный слой
циркуляции океана
Распределение
поверхностных
ветров
Диффузия
Тепловой баланс и
передача тепла между
воздухом и морем *—
Даунвеллинг
Неодинаковый солнечный нагрев
Глубинный слой
циркуляции океана
Восточные
пограничные течения
Богатые биогенными
веществами
глубинные воды
Апвеллинг
открытого океана
Поверхностные воды ^^//////////////А^
Западные
пограничные
течения
Прибрежный апвеллинг
Рис. 3.1. Океаны с точки зрения физики.
30
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
рового масштаба с целью найти такие «связи» между океа¬
нами и атмосферой, которые могут использоваться для
предсказания будущих климатических изменений.
Области исследований
Течения. Какова скорость движения вод в океане? С появле¬
нием надежных корабельных часов (хронометров) в начале
XVIII в. моряки впервые смогли определять географическую
долготу для установления точного положения судна в море.
И сразу же стало возможным измерять снос, вызванный
поверхностными течениями. Снос — это разность между
действительным положением судна и тем местом, где оно
должно находиться. Таким способом были быстро закарти¬
рованы крупные течения. В середине XIX в. М. Мори опуб¬
ликовал сводку течений, полученную по этим данным. В его
каталоге было впервые подтверждено фактическими данны¬
ми существование направленного на север мощного течения
Гольфстрим, идущего вдоль Атлантического побережья
США. После этого ученые стали искать физическое объясне¬
ние того, почему более мощные течения развиваются у за¬
падного края океана, а не у восточного. (Оно было найдено
лишь в 1948 г. — см. гл. 11.) Сегодня Гольфстрим изучается
интенсивнее, чем когда бы то ни было, поскольку считает¬
ся, что его динамика определяет изменения погоды во всем
Северном полушарии.
Только во второй половине нашего века появились тех¬
нические возможности производить автоматические прибо¬
ры для точного измерения океанических течений. Дорогие и
непростые в обращении, эти приборы позволяют получать
значительно меньше данных прямых измерений, чем нам не¬
обходимо для адекватного описания движений океана; в не¬
которых районах океана такие измерения все еще не прове¬
дены. В значительной мере движения, происходящие в океа¬
не, носят турбулентный характер, т. е. их нельзя предска¬
зать точно. К счастью, теперь на искусственных спутниках
Земли устанавливаются датчики для дистанционных измере¬
ний, с помощью которых можно будет собирать данные,
необходимые для картирования океанических течений.
Волны. Только в жидких и газообразных средах поддержи¬
ваются волнообразные движения. В океане возникает мно¬
жество волн разного типа — от крошечных «капилляр¬
ных» волн, создающих мелкую рябь на поверхности, до
волн планетарного масштаба, включающих приливные вол¬
ны (гл. 17). Волны точно так же, как течения, переносят
энергию из одного района в другой, но в отличие от тече¬
ний они переносят очень небольшие массы воды. Волновое
движение — составная часть более общей проблемы — как
и где океаны получают и расходуют энергию движения, —
поэтому физика генерации волн продолжает оставаться
предметом изучения.
Взаимодействие океана и атмосферы. Граница между двумя
текучими средами: океаном и воздухом — центр внимания
во многих исследованиях физиков, равно как и химиков. Че¬
рез эту границу ветры передают энергию, необходимую для
развития течений. Это зона обмена газов, таких как кисло¬
род и углекислый газ. С точки зрения физика, важнейшее из
всех веществ, пересекающих эту границу, — водяной пар.
Именно та скрытая тепловая энергия, которую несет пар,
приводит в движение воздушные массы и, таким образом,
определяет саму погоду (пример был приведен в гл. 1). Мы
измеряем скорости обмена энергией через границу между
атмосферой и океаном и определяем роль океанов в переда¬
че энергии, запасенной в одном районе, к месту ее высво¬
бождения в другом районе.
С точки зрения биолога, важнейшее вещество, пересека¬
ющее эту границу в процессе диффузии, — углекислый газ
СО2. Скорость, с которой углерод захватывается органичес¬
кой протоплазмой морского живого существа, в какой-то
мере определяет скорость поступления нового количества
СО2 в океан из газовой атмосферы. Химики также изучают
эти скорости, этим же занимаются и метеорологи, посколь¬
ку удаление СО2 из атмосферы — жизненно важная часть
проблемы, создаваемой человечеством при сжигании иско¬
паемого топлива.
Научная техника. Исторически первыми методами изучения
океанов специалистами по физике были математические.
Уравнения, описывающие динамику и термику жидкости и
газа, были выведены в течение 150 лет: примерно с 1750-го
и до 1900-го года. Только в последние полвека ученые нача¬
ли применять измерительные приборы для получения дан¬
ных о действительных движениях, предсказанных этими
уравнениями. На рис. 3.2 показаны некоторые основные
приборы, применяемые для физических исследований океа¬
нов. Начиная с исторической экспедиции британского воен¬
ного судна «Челленджер» в 1872—1876 гг., физики стали из¬
мерять температуру и соленость — концентрацию раство¬
ренных солей — океанской воды и вычислять ее плотность.
По этим данным делались выводы о мощности океаниче¬
ских течений-и создавалась, таким образом, новая дисцип¬
лина — физическая океанология.
После второй мировой войны вместе с успехами элек¬
троники появились новые способы измерять температуру,
соленость и другие физические характеристики in situ, т. е. в
данном случае «прямо в воде». Например, мы измеряем те¬
перь скорость звука в океане со все большей точностью, на
все меньших расстояниях и за более короткое время. Это
позволяет изучать, как именно и насколько быстро энергия
движения в конце концов переходит в тепло. Такие данные
нужны нам для построения адекватных моделей того, как
трение изменяет динамику системы океан — атмосфера.
Главным местом, где проводятся инструментальные
наблюдения всех видов, всегда была подвижная платфор¬
ма — корабль (см., например, гл. 8). Но даже эта зависи¬
мость от корабля теперь меняется. В настоящее время для
сбора данных используются автоматические датчики на бу¬
ях; одни буи закреплены якорями, другие дрейфуют под
действием ветров и течений. Но самые последние достиже¬
ния связаны с использованием дистанционных датчиков,
установленных на искусственных спутниках Земли. К 1990 г.
мы будем иметь ежедневные сводки о мировом распределе¬
нии ветров, дующих над поверхностью моря, а также дан¬
ные о волнах и даже о цвете моря.
Взгляд со стороны биологии
Работа в океанологии специалистов-биологов, — вероятно,
самая сложная из всех морских специальностей. Именно их
трудами распутываются таинственные переплетения жиз¬
ненных циклов, замысловатым образом связанных с движе¬
ниями самогб океана — среды, в которой существуют орга¬
низмы. На рис. 3.3 это иллюстрируется тематикой соот¬
ветствующих исследований верхнего слоя океана по энерге¬
тике трофических цепей, динамике популяций, биогеографии
провинций открытого океана. По сходной тематике множе¬
ство работ ведется биологами в прибрежных частях океанов.
Работающий в океанологии биолог стремится понять пу-
ГЛАВА 3. СПЕЦИАЛИСТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ МОРЯ
31
(а) Основное оборудование физиков-океанологов. На снимке: океа¬
нологи втаскивают на борт современный электронный прибор для
измерения температуры и электропроводности воды. Установка пе¬
редает сигналы на бортовые записывающие устройства через про¬
водящий кабель-трос. Компьютеры строят непрерывные графики
температуры и солености по сигналам, поступающим от погружен¬
ного датчика. Над контейнером с датчиками укреплен блок из 12
пробоотборных бутылок (батометров); каждая из них может взять
пробу морской воды по отдельному сигналу.
(в) Автономые буйковые станции с измерителями течений в глубо¬
ком море. Океанологи располагают множеством систем приборов,
остающихся в море иногда на целый год и регистрирующих данные
с помощью автоматических автономных устройств. На снимке:
группа исследователей устанавливает систему приборов, измеряю¬
щих течения. Предмет, который держат над бортом,— поверх¬
ностный опознавательный буй, служащий для обозначения данной
системы, для того чтобы ее можно было потом легко найти. Ря¬
дом — серия из восьми буев, обеспечивающих плавучесть; к ним
прикреплен сам цилиндрический измеритель течений. Справа — не¬
сколько стальных вагонных колес, используемых в качестве якоря,
одно из них подвешено на лебедке и подготовлено к спуску.
Южная широта
(б) Станции автономных измерителей течения. В 1975 г. система из
8 станций, на каждой из которых было до 8 приборов — измерите¬
лей течений, была установлена поперек пролива Дрейка в рамках
Международной программы изучения Южного океана. Эти измери¬
тели оставались in situ целый год, затем они были извлечены, а по¬
лученные данные подверглись обработке и анализу. 10 из 19 прибо¬
ров эффективно работали в течение большей части года [7].
Рис. 3.2. Приборы и методы, используемые физиками при изучении океана.
32
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
ти и характер адаптации. Как живут и переносят все ус¬
ловия океанской среды обитания различные организмы?
В частности, каким образом в ходе миграции угрей из пре¬
сноводных европейских рек в соленые воды центральной
части Атлантического океана во время нереста (рис. 3.4) ор¬
ганизмы решают проблему управления солевым содержани¬
ем жидкости в своем теле? Помимо всего этого как мигри¬
рующие животные вообще узнают, куда им надо двигаться?
Какие сигналы получают они от окружающей среды?
Другие вопросы возникают при изучении масштабов
времени и пространства, участвующих в жизни морских ор¬
ганизмов. Как взаимодействует распределение видов расте¬
ний с крупномасштабной океанической циркуляцией? Подоб¬
ные же вопросы можно отнести и к размещению животных,
как это сделано на рис. 3.3 в виде распределения областей,
где встречаются некоторые популяции рыб и обнаружены
их значительные запасы.
Процесс фотосинтеза в условиях океана сам по себе оку¬
тан тайной. Как выживают растения, если в водной толще
интенсивность света уменьшается с глубиной так быстро?
Как зависит растительная продукция от таких физических
факторов, как вертикальное перемешивание, вызываемое
волнами и турбулентностью? Как может биолог узнать,
когда собранное им число проб достаточно для точного
описания процесса фотосинтеза в открытом море?
В поисках ответов на эти и подобные им вопросы специ¬
алист по биологии океана стремится увидеть морской мир
как бы глазами и другими чувствительными органами са¬
мих морских организмов (гл. 12). Отчасти поэтому вся эта
область науки быстро распадается на самостоятельные раз¬
делы. Специалист по прибрежному планктону видит перед
собой экосистему, весьма отличную от той, с которой име¬
ет дело исследователь планктона открытого океана; напри¬
мер, прибрежный океан гораздо более изменчив, поэтому
его обитатели должны реагировать на различные раздражи¬
тели не так, как их океанские сородичи.
Мы проводим различие между биологами, занимающи¬
мися океаном, и специалистами по морской биологии, хотя
специалисты обоих этих профилей часто работают в одних
и тех же исследовательских группах. Морские биологи со¬
средоточивают внимание на различиях в физиологии и био¬
химии морской жизни и редко выходят в море. Большая
часть их работы делается в лабораториях. Например, иссле¬
дования по энергетике трофических цепей и фотосинтезу
можно провести в лаборатории; оба этих вида работ отме¬
чены на рис. 3.3. Но главное в том, что биологи-океанологи
используют результаты лабораторных исследований для
планирования своей работы в море, в частности для того,
чтобы решить, как, когда и где отбирать пробы с научных
судов, находящихся в море, а также сколько раз надо повто¬
рять сбор данных. Если некоторое число х копепод съедает
у растительных клеток вида z в лаборатории, сохраняются
ли эти соотношения в реальном океане?
Биологи-океанологи должны взаимодействовать со спе¬
циалистами всех других дисциплин, связанных с наукой о
море. Например, цель одного исследователя — отобрать
Глубинная циркуляция
и долгосрочные циклы
биогенных веществ
Океанология
прибрежных вод:
продукция,
жизненные циклы,
эстуарии
Биология
гидротермальных
источников
Истощение биогенных
веществ
в открытом океане
Популяции рыб. Запасы рыб
Характер миграции
Живые сообщества
в полярных морях
Прибрежный анвеллинг
и краткосрочные циклы
питательных веществ
радиоизотопы,
пестициды
ФОТОСИНТЕЗ: процессы
и годовые циклы
Верхний слой:
энергетика
трофических цепей,
динамика популяций,
биогеографические
провинции
Загрязнение:
Бентосные;
трофические;
Рис. 3.3. Океаны с точки зрения биологии.
ГЛАВА 3. СПЕЦИАЛИСТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ МОРЯ
33
Рис. 3.4. Пути миграции некоторых морских
животных и преобладающие поверхностные те¬
чения [8].
(а) Европейские угри. Взрослых угрей обнару¬
живают в реках Европы и Средиземноморья,
но их нерест происходит в центральной части
Северной Атлантики — в Саргассовом море.
Путь, покрываемый во время миграции к мес¬
ту нереста и от него, следует главным течени¬
ям Северной Атлантики.
Треска. Это рыба мигрирует между нерестили¬
щами, расположенными сразу же к югу от Ис¬
ландии, и районами питания вдоль Восточно-
Гренландского течения.
Черепахи. Среди всех мигрирующих животных
особое место занимают черепахи, которые вы¬
лупляются из яиц у острова Вознесения, а пи¬
таются на просторах океана; конкретные обла¬
сти их питания до сих пор точно не известны.
(б) Лосось. Пути миграции тихоокеанского ло¬
сося известны хорошо. Области питания нахо¬
дятся в основном в заливе Аляска и в Беринго¬
вом море; на нерест он заходит далеко в реки
северо-восточного побережья Тихого океана.
Тунец. Стремительно плавающий в открытом
океане тунец отличается особенно сложным ха¬
рактером миграции, согласуя пути своего дви¬
жения между районами питания и нерестили¬
щами с зональными направлениями экватори¬
альных течений Тихого океана.
34
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
образцы типов и видов животных, образующих сложную
систему бентосных пищевых сетей, а другой исследователь
хочет установить число разных видов в некоторой экологи¬
ческой обстановке. Здесь биологи нуждаются в информации
из других дисциплин. Какова скорость отложения органиче¬
ского материала на океаническом дне (химия)? Насколько
сообщество, живущее в одном районе, зависит от глубин¬
ной океанической циркуляции, приносящей органический пи¬
щевой материал из отдаленных провинций (физика)?
Особенно важен междисциплинарный диалог между био¬
логами-океанологами и другими специалистами в двух обла¬
стях Мирового океана. Это, во-первых, система подводных
источников, обнаруженных в районе сейсмически активных
хребтов, где происходит разрастание морского дна, и, во-
вторых, полярные океаны в целом. Обе области интересны
для биологов (рис. 3.3). Геологи и геохимики помогут полу¬
чить ценные сведения для биологического изучения скопле¬
ний гидротермальных источников; физики и метеорологи
могут дать важные советы биологам, изучающим полярные
области.
Области исследований
Популяции организмов. Биологи-океанологи сосредоточива¬
ют внимание в первую очередь на динамике популяций жи¬
вых организмов. Они пытаются получить достаточно дан¬
ных, по которым можно было бы сначала изучить энерге¬
тику выбранного вида, а затем — энергетику всей трофичес¬
кой цепи.
Сами по себе популяции выделить трудно. В буквальном
смысле популяция — это совокупность особей одного вида,
чье поведение отличается от поведения другой совокупности
особей того же вида. Например, разные популяции сельдей
могут смешиваться на «пастбище», но разделяются на чет¬
ко различимые группы во время нереста (см. рис. 18.17).
Анализ внешних условий — необходимая составная часть
изучения популяции. Имеются большие биофизические и
биохимические различия между популяциями тропической и
полярной областей. Тропические воды получают много сол¬
нечного света на протяжении всего года и вертикально
устойчивы, так как теплые поверхностные воды не смеши¬
ваются легко с более глубокими холодными водами. В тро¬
пических водах содержится большое разнообразие видов,
популяции имеют, как правило, малые размеры. Полярные
области получают свою дозу солнечного света только в
определенные сезоны, эти воды холоднее, следовательно,
организмы здесь характеризуются меньшей скоростью об¬
мена веществ и включают меньшее число видов; популяции,
как правило, обладают большими размерами. Рыболовный
промысел тяготеет к высоким широтам.
Вертикальное распределение и поведение морских организ¬
мов. Глубина (давление) — еще один фактор, определяю¬
щий размещение популяций. Жизненные циклы среднеглу¬
бинных организмов и бентосных сообществ, обитающих на
океаническом дне, при специализированном изучении требу¬
ют разных подходов. Работы последнего времени показали,
что ферменты, вырабатываемые многими морскими вида¬
ми, действуют в ограниченных интервалах глубин: пример¬
но 1000—1500 м (в разных интервалах действуют разные
ферменты); следовательно, популяции, обитающие на опре¬
деленных уровнях, прочно привязаны к этим уровням. Если
среднеглубинная популяция также воспроизводится яйцами
и яйца всплывают в поверхностный слой, развиваются там
в личинки, а те начинают активно питаться, организмы
должны каким-то образом давать своему потомству воз¬
можность пользоваться двумя наборами ферментов, причем
каждый должен соответствовать тому интервалу давлений,
в котором они находятся на различных стадиях своего жиз¬
ненного цикла.
Миграции. Изучение миграций животных — составная часть
биологической океанологии. О вертикальных миграциях го¬
ворилось в гл. 2, но широко известны и горизонтальные ми¬
грации многих видов. Многие пути миграции хорошо согла¬
суются с линиями тока океанических течений, измеренных
работающими в океанологии физиками (см. рис. 3.4). Угри,
населяющие реки и эстуарии Европы, достигнув зрелости,
мечут икру в центральной части Северной Атлантики; мо¬
лодь движется по часовой стрелке вдоль течений большого
круговорота поверхностных вод и возвращается в европей¬
ские реки. Проходной (анадромный) лосось Тихого океана,
напротив, ведет кочевой образ жизни, питаясь в водах цент¬
ральной и северо-восточной частей Тихого океана, и отправ¬
ляется на нерест в реки Тихоокеанского побережья Северной
Америки. Внутри системы течений и противотечений, па¬
раллельных экватору, в Тихом океане быстро плавающий
тунец многократно преодолевает расстояние между района¬
ми питания и нереста. Какие же сигналы побуждают жи¬
вотных к этим массовым миграциям? И как могут угри от¬
личать восточные течения от западных, выбирая свои пути
миграции?
Прибрежные биологические исследования. Читатели вскоре
обнаружат (гл. 17 и 18), что мелкие прибрежные воды ведут
себя совсем не так, как воды открытого океана. Значитель¬
но отличается и биосфера прибрежных вод. Здесь больше
питательных веществ, гораздо сильнее проявляется «сезон¬
ность», которая сказывается во всем: от солнечного нагрева
и избыточного поступления пресной воды до миграции жи¬
вотных — и все это осложняется человеческой деятельно¬
стью. Именно для этой морской зоны каждый день появля¬
ется целый ряд новых «специальностей». Совсем недавно в
результате принятия в 1982 г. Конвенции по морскому пра¬
ву экономика и право прочно слились с основными науками
о прибрежной биосфере.
Сбор биологических данных
Задача отбора необходимого числа биологических образцов
требует от биолога-океанолога гораздо больших усилий,
чем от его «наземного» коллеги.
Сезонные изменения и расписание рейсов научных судов.
Биосфера поверхностных вод открытого океана испытывает
сезонные изменения, связанные с годовым циклом интенсив¬
ности солнечного освещения. Но для того, чтобы взять об¬
разцы морских организмов в разное время года, необходимо
затратить большие средства на соответствующую организа¬
цию научных экспедиций. Стоимость сбора данных в биоло¬
гии океана на несколько порядков выше, чем при наземных
исследованиях; судно, способное длительное время нахо¬
диться в открытом океане и оборудованное для отбора
проб на всех уровнях глубин, обходится не менее чем в
10 тыс. долл, в сутки. Кроме того, расписание крупных рей¬
сов планируется теперь на три года вперед.
Время сбора данных и интервал между взятиями проб. При
сборе биологических данных самое обычное снаряжение —
планктонная буксируемая сеть (рис. 3.5). Одна буксировка
ГЛАВА 3. СПЕЦИАЛИСТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ МОРЯ
35
(а) Сети Бонго для взятия проб фитопланктона. Обычно монти¬
руются парами, чтобы брать пробы планктона на двух разных глу¬
бинах; сети открываются и закрываются дистанционно, чтобы из¬
бежать попадания в пробу планктона из других слоев. «Машущее
крыло», которое держат члены команды, используется для погру¬
жения сетей на требуемые глубины.
(б) Трал Айзекса — Кидда для средних глубин (IKMT). Длинная
сеть в виде суживающегося рукава имеет входное отверстие 2x2 м.
V-образные оттягивающие вниз крылья вдоль нижнего края сети
позволяют буксировать ее горизонтально, но на глубине в несколь¬
ко тысяч метров. Устройство, установленное в центре входного от¬
верстия, измеряет объем воды, проходящий через сеть во время
буксировки.
(в) «Рыба-топорик» (тетра, из семейства харациновых.— Перев.),
извлеченная среднеглубинным тралом с глубины 800 м. Рыбы, взя¬
тые из глубинных слоев океана, обычно имеют небольшие разме¬
ры, что подтверждает представление об относительной скудости
пищи на этих глубинах.
(г) Лучевой трал для сбора бентосных организмов. Этот трал,
имеющий вид саней, волочится по дну и используется для взятия
проб живых организмов. Фотоаппараты и фотовспышки, укреплен¬
ные на перекладине, служат для двух целей: сфотографировать ор¬
ганизмы в их естественном положении перед захватом и узнать, ка¬
кие живые существа уходят от захвата или выбираются уже из са¬
мой сети.
Рис. 3.5. Оборудование и снаряжение, используемые биологами-океанологами.
36
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
для отбора пробы планктона у поверхности может быть
проведена за короткое время, скажем за час; если на это вы¬
делено достаточно много судового времени, то исследова¬
тель может каждый час повторять отбор проб в течение
всего дневного цикла работ. Чтобы избежать засорения
пробы, взятой на одной выбранной глубине, планктоном из
других слоев, биологи используют сети, открывающиеся и
закрывающиеся по команде с палубы. Для изучения гори¬
зонтального распределения организмов применяются сети с
множеством секций; открытие и закрытие последовательно
расположенных секций такой сложной сети программирует¬
ся на одно погружение или буксировку.
В тех случаях, когда нужны пробы со средних глубин,
используется снаряжение, известное под названием «трал
Айзекса — Кидда». Для сбора данных с помощью этого
трала требуется уже несколько часов работы: не только на
погружение сети и ее подъем, но и на само волочение. Спе¬
циальные винтовые лаги контролируют количество воды,
«профильтрованное» через сеть, так что оказывается воз¬
можным оценивать плотность популяции (рис. 3.5).
Биологи, специализирующиеся по бентосу, распростра¬
нили метод траления на океаническое дно. В этом случае на
каждое погружение трала требуется еще больше времени:
на одну пробу уходит до 14 ч. Для получения образцов орга¬
низмов, которые зарываются в осадки и не могут попасть в
тралы, используется особое устройство (дночерпатель), не
похожее на сети и тралы: обычно оно захватывает целый
«кусок» морского дна с илом и всем остальным.
Чтобы добыть микроорганизмы, особенно мелкий план¬
ктон, исследователи просто берут пробы воды и процежи¬
вают их через микропоровые фильтры в судовых лаборато¬
риях.
Проблема движущегося океана. Ясно, что значительные
ограничения на сбор биологических образцов накладывает
невозможность опробовать один и тот же объем воды в
разные интервалы времени — мы просто не знаем, где се¬
годня располагается столб воды, опробованный вчера. Еди¬
ничные пробы непредставительны. Мы должны проводить
множественный и повторный сбор данных, чтобы прибли¬
зительно оценить биологическую обстановку в реальном
океане.
Взгляд со стороны химии
Знаменитая океанографическая экспедиция «Челленджера»
ознаменовала начало систематических работ по сбору дан¬
ных, анализу и описанию океана. Благодаря финансовой
поддержке британского Адмиралтейства этот рейс дал воз¬
можность группе ученых собрать всевозможные физические,
химические, биологические, геологические и метеорологичес¬
кие данные по Атлантическому, Тихому и Южному океа¬
нам. Результатом экспедиции стали около 50 томов анали¬
зов и описаний.
Впервые пробы морской воды из разных океанов были
собраны вместе и проанализированы на предмет сходства
как по химическому составу растворенного вещества, так и
по характерным проявлениям морской жизни. Мы узнали,
что океаны и в самом деле хорошо перемешаны и что, хотя
содержание растворенных солей может изменяться от одного
района океана к другому в широких пределах, соотношение
концентраций различных солей остается практически одина¬
ковым. Из этого следуют два принципиальных вывода.
1. Соли хорошо размешаны в океанах. Из этого можно
заключить, что устойчивая концентрация всей совокупности
солей велика по сравнению с интенсивностью добавления
новых солей и что вода разных океанов «перемешивается»
довольно быстро.
2. Наблюдаемые различия в концентрации солей в раз¬
ных океанах следует интерпретировать как вариации содер¬
жания чистой воды в морской воде. Поскольку во внутрен¬
них областях океана источники или стоки чистой воды неиз¬
вестны, такие вариации можно объяснить только как добав¬
ление или потерю Н2О в результате контакта с атмосферой.
Последняя служит главным источником воды, которая по¬
ступает в океан в виде атмосферных осадков, и одновремен¬
но отбирает много воды посредством испарения.
Эти выводы действительно очень важны, и в дальней¬
шем все новые гипотезы об изменчивости океана должны
быть согласованы с ними. Теперь у нас появились рамки
для оценки времени, требуемого для круговорота воды,
циркулирующей в крупных океанических бассейнах. Необхо¬
димо также изучать процессы, приводящие в действие вер¬
тикальную циркуляцию, и искать способы измерения скоро¬
сти таких процессов. Возникла химическая океанология, ко¬
торая с самого начала была тесно связана с физикой океа¬
нов и атмосферы (рис. 3.6).
Химик-океанолог видит в океане сложный раствор, со¬
держащий множество компонентов. Первая задача — опоз¬
нать эти компоненты, органические и неорганические, и
точно измерить их концентрации (см. табл. 7.1). Вторая за¬
дача разбивается на три главные линии изучения.
1. Каким образом разные компоненты попадают в оке¬
аны — где источники химических веществ?
2. Как эти компоненты остаются растворенными в
морской воде — какие реакции в ней происходят?
3. Куда эти компоненты в конце концов уходят — что
представляют собой химические «стоки»? Необходимо не
только установить, какие при этом происходят процессы,
но и измерить их скорости.
Мы различаем химиков моря и химиков океана. Первые
исследуют свойства морской воды в лабораториях, устанав¬
ливают химический состав растворенных веществ и скоро¬
сти процессов. Химики-океанологи применяют полученные
химические данные к океанам и находят массу нового фак¬
тического материала, требующего изучения.
Области исследований
Углеродный цикл: баланс кислотности — щелочности. Мы
уже давно установили, что относительная кислотность проб
морской воды, взятых из мест, весьма удаленных одно от
другого, меняется только в весьма узком интервале. На
шкале водородного показателя pH, где значение 1 соот¬
ветствует высокой кислотности, а 14 — высокой щелочно¬
сти, значения для океана редко бывают меньше 7,8 или
больше 8,3. Таким образом, вода в океане слегка щелочная
(нейтральное значение равно 7) и устойчиво сохраняет такое
состояние. Какие химические процессы поддерживают это
почти нейтральное состояние pH морской воды? Такие про¬
цессы часто называют «буферными». То обстоятельство,
что эти буферные, сглаживающие процессы в океане дейст¬
вительно происходят, имеет огромное значение для поддер¬
жания жизни, иначе она не могла бы процветать в «бульо¬
не» ни со слишком высокой кислотностью, ни с высокой
щелочностью.
Химики-океанологи выделяют сейчас два главных буфер¬
ных механизма с разной шкалой времени. Диффузия угле¬
кислого газа из атмосферы в океан и диссоциация солей, та¬
ких как карбонат кальция СаСО3, приводят в действие
ГЛАВА 3. СПЕЦИАЛИСТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ МОРЯ
37
Реконструкция
химического состава
первичного океана
Химический состав
материала жерл
подводных источников
Палеоклиматические
исследования, основанные на
соотношениях изотонов в
образцах осадочных отложений;
палеореконструкции
Включение’
;в осадки
Процессы переноса
—воздух- море
Радиоактивные
изотоны
Трассирование движения
водных масс по
распределению
микроэлементов
Углеродный цикл:
баланс кислотности и
щелочности
Распределение, круговорот
и время пребывания
неорганических солей
в растворе
1олисульфидные,
Скорости образования,
круговорота и удаления
органических соединений
Речные соли
GEOSECS;
картирование химизма
Мирового океана
залежи'
Рис. 3.6. Океаны с точки зрения химии.
краткосрочный механизм. Попадая в морскую воду, моле¬
кула СО2 легко соединяется с молекулой воды, образуя
НСО3 и свободный ион Н+ или СО3 и два иона Н+. Избы¬
точные ионы Н+ изменяют состояние воды в направлении
большей кислотности, но в их присутствии диссоциирует
больше карбоната кальция и образуются новые молекулы
СО3, которые затем соединяются с избыточными Н+, об¬
разуя больше НСО3 и т.д., что ведет к снижению числа сво¬
бодных ионов Н+ и приводит воду в состояние, близкое к
нейтральному.
Измерение скоростей этих химических процессов стало
постоянной задачей химиков-океанологов. Она осложняется
неоднозначной ролью морских растений и мелких живот¬
ных, строящих раковины и панцири из карбоната кальция.
Их жизнедеятельность удаляет как ионы кальция, так и
ионы карбоната и таким образом изменяет баланс этих
ионов в буферном механизме. Следовательно, химики и био¬
логи океана должны совместно исследовать процессы, изме¬
няющие уровень pH.
Значительно более долгосрочный характер носят буфер¬
ные процессы в поверхностном слое океана, определяемые
скоростью, с которой известковые раковины и кости выпа¬
дают в осадок. Некоторая часть этого органогенного ве¬
щества растворяется и снова попадает в морскую воду; рас¬
творение усиливается с давлением, так что в глубоких час¬
тях океана СаСО3 никогда не накапливается. Напротив, глу¬
бинные воды растворяют этот материал, который встреча¬
ется в детрите, опускающемся на дно. Поэтому глубинные
воды, выходящие в конце концов на поверхность, выносят с
собой добавочное количество карбоната кальция на пользу
органической продукции в эвфотической зоне, но осущест¬
вление этого цикла требует сотен лет.
Углеродный цикл и проблема избыточного СО2. В настоя¬
щее время известно, что за период времени в несколько со¬
тен лет или больше океаны могут поглотить и удалить —
через осадки — весь избыточный углекислый газ, попадаю¬
щий в атмосферу при сжигании минерального топлива. В
этой связи химик-океанолог изучает скорости переноса ве¬
щества между воздухом и морем, между морской водой и
донными осадками и между морской водой и обитающей в
ней биотой. По существу точное определение океанов как
«стоков» будет получено только тогда, когда будут опреде¬
лены скорости процессов массопереноса.
Химия загрязняющих веществ. В последнее десятилетие хи¬
мики измерили концентрации свинца в поверхностных водах
океана, и оказалось, что они во много раз выше, чем в глу¬
бинных водах. Источник свинца — в основном его добавки
в бензине. После сгорания топлива частицы свинца выбра¬
сываются в воздух и распределяются по поверхности океа¬
нов преимущественно вдоль поясов западных ветров; в кон¬
це концов они пересекают границу воздух — море и захва¬
тываются океаном. Изучаются также циклы метана и фрео¬
на. Метан в воздухе, как и углекислый газ, участвует в со¬
здании парникового эффекта (гл. 1). Фреон, как полагают,
38
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
взаимодействует с озоном в верхней атмосфере и тем са¬
мым изменяет интенсивность ультрафиолетового излуче¬
ния, достигающего поверхности моря (гл. 14).
Количество и ассортимент новых химикатов, выпускае¬
мых человечеством в прибрежные воды и атмосферу, непре¬
рывно возрастают. Нас очень беспокоит, как это скажется
на океане — системе, поддерживающей жизнь (гл. 19). Это
многодисциплинарная проблема очень сложного характера.
Для ее решения необходимо, чтобы физики-океанологи со¬
ставили карты течений и выяснили, когда происходят круп¬
ные наводнения. В этих исследованиях должны участвовать
геологи, так как глинистые частицы, приносимые в суспен¬
зии в стоке рек, — это составные части химических реакций,
в результате которых загрязняющее вещество экстрагирует¬
ся и связывается в прибрежных осадках. Биологи в свою
очередь изучают, как загрязняющие вещества меняют жиз¬
ненные циклы морских организмов.
GEOSECS. В 1969 г., после того как было обнаружено, что
загрязняющие вещества, образующиеся при ядерных испы¬
таниях в атмосфере, попадают в глубинные области океана,
химики-океанологи и геохимики выдвинули проект, имев¬
ший целью закартировать химические характеристики на
всех глубинах океанов. Логика была проста: нам нужно по¬
лучить химическое описание глубокого океана «дочеловечес-
кой» эры. Иначе мы уже никогда не узнаем, какими были
глубинные области океанов в химическом отношении до на¬
чала человеческой деятельности. Проект получил название
GEOSECS (Geochemical Ocean Sections Study — Геохимиче¬
ское изучение океана на разрезах) и включал проведение се¬
рии рейсов вдоль и поперек всех крупных океанических бас¬
сейнов общей протяженностью 160 тыс. км с 316 станциями
сбора данных на всех глубинах вплоть до океанического дна
(рис. 3.7). К концу проведения работ по этому проекту сто¬
имость каждой станции составила 100 тыс. долл. [2].
Рис. 3.7. Рейсы экспедиций по проекту
GEOSECS. Внизу — карта Тихого океа¬
на, на которой показано распределение
изотопа радия-226 в глубинных водах
обоих Тихоокеанских бассейнов — север¬
ного и южного. Наибольшая концентра¬
ция приходится на северо-восточную
часть Тихого океана, т. е. в этом регио¬
не размещаются самые древние воды
океана. (Маршруты экспедиций — по
Атласу GEOSECS [4], данные о содер¬
жании изотопа 226Ra — из работы [1].
1 ед. изм. = 10“14 г 226Ra на 1 л воды.)
ГЛАВА 3. СПЕЦИАЛИСТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ МОРЯ
39
Один из примеров новой информации, приобретенной в
результате работ по проекту GEOSECS, — карта концент¬
рации радия-226 в глубинных водах Тихого океана (рис. 3.7).
Радий-226 — это встречающийся в природе радиоактивный
элемент, поступающий в океан снизу, со дна, как продукт
химического превращения в толще осадков. Интерпретация
полученной картины изолиний содержания 226Ra показала,
что древнее всех вод глубинные воды северо-восточной ча¬
сти Тихого океана.
Радиохимия. Роль радиохимии в океанологии неуклонно
возрастает. Она используется для анализа стабильных изо¬
топов, таких как 18О, или радиоактивных изотопов, таких
как 14С или 95Sr. Стабильные изотопы применяют для про¬
слеживания движений водных масс. Например, отношение
числа атомов 18О/16О в хорошо перемешанной морской во¬
де постоянно; когда морская вода испаряется, образующий¬
ся вначале водяной пар уносит атомы кислорода из жидкой
воды в том же соотношении. Однако вследствие того, что
атомы 18О «тяжелее», они раньше выпадают в виде атмо¬
сферных осадков. Следовательно, воздушная масса, двига¬
ясь со стороны моря во внутренние районы суши, приносит
туда дожди, в которых отношение 18О/16О становится все
меньше. Например, в снегу, падающем во внутренних райо¬
нах Антарктиды, указанное отношение изотопов исключи¬
тельно мало, оно сохраняется в составе снега и льда, мед¬
ленно скользящих обратно в море в виде ледников и отка¬
лывающихся от них тающих айсбергов. Таким образом, об¬
наружив где-либо, что отношение изотопов кислорода ниже
среднего, можно считать, что где-то недалеко происходит
приток большего, чем обычно, количества пресной воды.
Специалисты пользуются этим методом для установления
времени «взрывного» высвобождения талой воды под шель¬
фовым ледником Росса на западе Антарктиды — это случа¬
ется примерно раз в 6 лет; зная это, мы можем оценить и
скорость, с которой морские течения доставляют тепло в
Антарктиду. Такие сведения чрезвычайно необходимы для
изучения влияния Антарктиды на климат всей Земли.
Тритий 3Н — радиоактивный изотоп водорода, превос¬
ходящий обычный водород по массе в три раза. Этот изо¬
топ образовался в атмосфере в больших количествах при
ядерных взрывах на большой высоте, проводившихся в
1950-х годах, и сейчас присутствует в морской воде. Имея
период полураспада 12,3 года (объяснение термина см. на
рис. 19.23), тритий стал в настоящее время важным индика¬
тором скорости формирования и движения водных масс.
На рис. 3.8 показано распределение трития в северной части
Атлантического океана в 1972 г. Расположение изолиний од¬
нозначно свидетельствует о том,ш что поверхностные воды
(в которых прежде всего и распространился тритий, попав
из атмосферы) погружаются в районе Гренландии и медлен¬
но перемещаются на более глубоких уровнях в южном на¬
правлении (см. также рис. 11.3).
Глубина, км
Рис. 3.8. Использование радиоактивных микроэлементов в иссле¬
довании движений океанских вод.
Распределение изотопов трития 3Н изучалось в ходе экспедиции,
которая проходила по крупнейшим бассейнам западной части Се¬
верной и Южной Атлантики. Представленные данные получены в
1972—1973 гг. В начале 1950-х годов океанологи отмечали только
примерно 1 атом трития на миллиард миллиардов (1018) атомов во¬
дорода. Эта очень малая концентрация обычно используется как
стандартная тритиевая единица (Т.Е.). После образования большо¬
го количества трития как побочного продукта ядерных испытаний
в конце 1950-х годов океанологи стали обнаруживать постоянное
возрастание концентрации трития в океане. На диаграмме видно,
что к 1972—1973 гг. количество трития в поверхностных водах воз¬
росло более чем в 10 раз по сравнению с уровнем более ранних из¬
мерений. Тритий имеет период полураспада 12,3 года и в конце
концов исчезает. В настоящее время его присутствие дает возмож¬
ность проследить скорости движения глубинных вод. На рисунке
хорошо видно, что поверхностные воды Северной Атлантики опу¬
скаются до глубины 5000 м. Так можно интерпретировать погруже¬
ние изолиний содержания трития, начиная примерно с 65° с.ш.
вблизи Исландии и Гренландии [5].
Сбор данных химиками-океанологами
Основным методом получения данных всегда был отбор
проб воды для последующего анализа в лаборатории. Для
определения солености теперь требуется только около
50 см3 морской воды; в этом анализе измеряется электро¬
проводность жидкости. В то же время для определения кон¬
центраций радиоактивных элементов надо взять огромное
количество воды — до нескольких тонн. Это сильно ограни¬
чивает число проб, которое можно отобрать и обработать в
одной экспедиции.
Химики-океанологи измеряют также концентрации рас¬
творенных питательных веществ. Эти данные крайне необ¬
ходимы для биологических исследований. В общем нас
больше всего интересует содержание этих веществ в близпо-
верхностных водах, и химикам удалось разработать автома¬
тические приборы для такого анализа, позволяющие непре¬
рывно следить за содержанием питательных веществ и рас¬
творенных газов при прямой прокачке воды из моря через
судовую лабораторию (рис. 3.9).
Взгляд со стороны геологии и геофизики
Изучение морской геологии началось совсем недавно, но эта
«молодая» наука имеет дело с вещами весьма древними. Ге¬
ологи всегда интуитивно понимали, что океаническое дно и
материки в геологическом смысле как-то связаны между со¬
бой. Но, имея очень мало надежных данных о ложе океана
и находясь перед необходимостью получить объяснение
очень многих континентальных структур и процессов, они
сосредоточивали свои усилия на геологии суши. Большие ус¬
пехи были достигнуты в XIX в. благодаря Ч. Лайелю, ко¬
торый систематизировал геологию, превратив ее в совре¬
менную науку, и Ч. Дарвину, который объединил новые
знания о «геологическом» времени со своей теорией процес¬
са естественного отбора как основы происхождения видов.
Однако глобальные геологические обобщения никак не при-
40
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
(а) Тесноватая, но высокоавтоматизированная химическая лабора¬
тория на современном научно-исследовательском судне.
(б) Отбор крупнообъемных проб воды. Для некоторых анализов,
например для измерения концентрации газа радона в морской воде
вблизи подводных гидротермальных гейзеров, необходимы доволь¬
но большие объемы проб.
(в) Ночная станция. Экспедиции последних лет фокусировали вни¬
мание на анализах мельчайших частиц, взвешенных в воде, а также
самой морской воды. Чтобы получить представительную пробу,
необходимо профильтровать такой большой объем морской воды,
что весь насосный блок опускают на нужную глубину. Он на месте
фильтрует сотни литров исследуемой воды.
Рис. 3.9. Оборудование и снаряжение, используемые химиками-океанологами.
ГЛАВА 3. СПЕЦИАЛИСТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ МОРЯ
41
ходили. В океанографических экспедициях «Челленджера»
геологи не участвовали, и хотя некоторое число образцов
материала океанического дна было собрано, геология его
оставалась в общем неизученной. Наука о Земле ожидала
своего часа с нетерпением, подогреваемым новыми перспек¬
тивами в зоологии, открывшимися благодаря сбору коллек¬
ций дотоле неизвестных морских видов. Не интересовались
геологи и топографическим изучением морского дна, став¬
шим возможным после первых промеров. Первые данные о
подводных каньонах (см. рис. 5.2) были получены уже в
1903 г., но геологическая общественность в целом не вос¬
принимала их как важные открытия вплоть до того момен¬
та — уже после первой мировой войны, — когда были изо¬
бретены эхолоты, бесспорно доказавшие существование
каньонов. Значительным шагом в этой области стала публи¬
кация Б.К. Хейзеном и его коллегами (например, [6]) физио¬
графических карт Атлантического океана и других океаниче¬
ских бассейнов (см. рис. 4.1).
Морская геология в силу самой своей природы основыва¬
ется на сборе образцов горных пород и осадков. В отличие
от наземной геологии, где все изучаемое пространство мож¬
но охватить одним взглядом, сбор данных на ранних этапах
морской геологии производился почти вслепую. Системати¬
ческие рейсы, посвященные сбору образцов со дна океаниче¬
ских бассейнов, начались только в 1930-х годах. По резуль¬
татам первых таких работ были составлены карты типов
осадков морского дна (см. рис. 5.11) и началось составление
морфологических карт отдельных участков дна.
Сегодня морская геология стала менее изолированной
дисциплиной и все больше взаимодействует с геохимией и
геофизикой. Главная причина развития такого взаимодейст¬
вия состоит в разработке за последние два десятилетия тео¬
рий разрастания («спрединга») морского дна и тектоники
плит; обе эти теории выросли из более ранних гипотез о
дрейфе материков. На схеме рис. 3.10 перечислены крупные
проблемы морской геологии и геофизики, успешно решае¬
мые сегодня.
Области исследований
Морфология океанических бассейнов. Изучение проводится в
традиционном стиле описания «формы» бассейнов. Чита¬
тель должен иметь в виду, что огромные площади океани¬
ческого дна все еще не затронуты никаким видом наблюде¬
ний. То малое, что мы знаем о форме океанических бассей¬
нов, нам дали записи прецизионных эхолотов, собранные в
различных научных экспедициях. И вот теперь многие из
крупнейших форм рельефа — протяженные желоба, обшир¬
ные абиссальные равнины и такие необычные структуры,
как срединно-океанические хребты, — нанесены на карту.
Плитотектоническая революция. Несомненно, одним из
сильнейших потрясений современной науки было утвержде¬
ние, что кора нашей планеты движется по ее поверхности в
виде серии жестких «плит». Эти плиты ударяются друг о
друга, скользят относительно соседних, проскальзывают
одна под другой или одна над другой — и весь этот непре¬
рывный процесс мы теперь называем «тектоникой плит».
Анализируя эти процессы, мы узнали, что материал океани¬
ческого дна отличается от материала, слагающего матери¬
ки: «океаническая» кора тяжелее, поэтому она глубже по¬
гружается в пластичную мантию Земли и образует депрес¬
сии, которые опоясаны континентальным материалом и за¬
няты сейчас океанами.
Таким образом, многие темы, обозначенные на рис. 3.10
как крупные проблемы современного изучения океанов, свя¬
заны с этой революцией в глобальной геологии. Предмет
изучения громаден; литература уже весьма объемна. Новые
знания, добываемые почти ежедневно, расширяют влияние
морской геологии на другие науки. Никакой вопрос океано¬
логии сегодня нельзя изучать, не затрагивая в той или иной
мере тектонику плит. В нашей книге эти вопросы освеща¬
ются в общих чертах в гл. 4, а интересующийся читатель
найдет более подробное их изложение в гл. 21.
Прибрежные процессы осадконакопления и эрозии. В целом
осадки континентальных окраин в настоящее время изуча¬
ются наиболее интенсивно по нескольким причинам. По¬
требность разрабатывать нефтяные и газовые ресурсы этих
районов диктует необходимость обширного исследования
процессов прибрежного осадконакопления, скоростей этих
процессов и, что не менее важно, стратиграфии консолиди¬
рованных осадков. Геофизики стремятся изучить строение
толщи захороненных под морским дном осадочных пород,
используя для этого мощные точечные источники звуковых
волн, располагаемые у поверхности, и регистрируя с по¬
мощью чувствительных приемников волны, приходящие от
различных слоев геологического разреза морского дна. Рас¬
пространены методы отраженных и преломленных сейсми¬
ческих волн. Морские геологи анализируют образцы керна
скважин, пробуренных через слоистые отложения, чтобы
детально изучить строение разреза по ископаемым органи¬
ческим остаткам и классифицировать слои по возрасту, по¬
ристости пород и другим признакам, полезным для опреде¬
ления запасов углеводородов.
Вторая причина изучения морскими геологами континен¬
тальных окраин — деятельность людей, плотно населяю¬
щих побережье. Портовые сооружения постоянно испыты¬
вают воздействие песков, перемещающихся вдоль береговой
линии, и во многих портах и морских каналах песок, непо¬
средственно поступающий из рек или движущийся вдоль ли¬
торали, регулярно вычерпывается. Волновая энергия, вы¬
свобождающаяся в результате диссипации у берегов, размы¬
вает пляжи и создает новые отмели и песчаные косы. Ис¬
следования по береговой геологии включают также описа¬
ние реликтовых пляжей, указывающих, где проходила древ¬
няя береговая линия. Прибрежная зона океанов — удобное
для изучения место скопления обломочного материала. Ис¬
следование размеров частиц осадочного материала помогает
проанализировать «сортирующую» работу волн и течений.
Прибрежные течения обязательно надо учитывать, прини¬
мая решение о том, где производить захоронение мусора и
промышленных отходов.
Осадки океанических бассейнов. Расположение осадков раз¬
ного типа в глубинах океанов показано на картах (см.
рис. 5.11). Значительную часть морского дна покрывают
терригенные осадки, образующиеся в результате размыва
суши. Как правило, эти глубоководные илы занимают са¬
мые глубокие части океанических бассейнов. Механизмами
переноса осадков здесь служат мутьевые (турбидные) пото¬
ки, описываемые в гл. 5, и преобладающие западные ветры,
уносящие терригенную пыль далеко в море. Ледники, спол¬
зающие в море, часто несут на себе солидный груз терри¬
генного материала. Айсберги, откалываясь от ледников и
уходя в морское плавание, рассеивают этот материал по об¬
ширным пространствам.
Бблыпая часть океанического дна покрыта осадками, об¬
разованными из раковин растений, и животных. Эти осадки
42
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
Желоба
Процессы эрозии берегов и
прибрежного осадконакопления
Морфология океанических
бассейнов
Движение литосферных плит
Происхождение
и расслоенность
морских осадков
Изучение лалеоклиматов,
■по осадочным отложениям
и ископаемым остаткам
Срединно-океанические
"’хребты и разрастание
морского дна
Геология жерл
подводных источников
Подводные горы: происхождение
и история развития
; Рас пре делен ие-
абиссальных
^осадков'
Марганцевые
конкреции
(в Тихом
океане)
Шельфовые осадки
Залежи фосфоритов
Рис. 3.10. Океаны с точки зрения геологии.
называются биогенными. «Диатомовые» осадки образова¬
лись из кремнеземных панцирей диатомовых водорослей и
простейших, называемых радиоляриями (см. гл. 15). Нам
известно, что диатомеи, как правило, являются доминирую¬
щими типами растений в более холодных и богатых пита¬
тельными веществами водах; соответственно диатомовые
осадки преобладают в высоких широтах Антарктики и в се¬
верной части Тихого океана. В океанах более умеренных ши¬
рот доминируют биогенные осадки, состоящие из окамене¬
лостей отряда фораминифер (гл. 15). Эти животные строят
раковины из карбоната кальция. Вспомним, однако, что
СаСО3 растворяется в очень глубоких частях океанов (глуб¬
же 4500 м), и это объясняет, почему большая часть дна бас¬
сейнов на рис. 5.11 покрыта глубоководными илами даже в
умеренных широтах, где в менее глубоких водах образуется
большое количество раковин фораминифер.
В последние годы геологи разработали методы извлече¬
ния длинных кернов из осадков морского дна. В результате
исследований по программе JOIDES были получены образ¬
цы осадков из всех океанических бассейнов — примерно в
тех же местах, где геохимики уже исследовали столб воды
над дном. Но если геохимия воды очень мало говорит об
истории океана, то данные бурения приносят важные исто¬
рические сведения. Мы можем читать «книгу» слоистых
осадков как исторический атлас. Как показано на рис. 3.10,
исследования происхождения и расслоения морских осадков
дают материал, позволяющий делать выводы о палеокли¬
матах, характере поведения древних морских организмов и
даже о таких событиях, как древние вулканические изверже¬
ния. Например, геологи обнаружили, что одни виды живот¬
ных, в частности Globigerina pachiderma, строят спиральные
раковины, «закрученные влево» в теплых поверхностных во¬
дах, но в более холодных водах они закручены в обратную
сторону. Подсчитывая относительное содержание окамене¬
лостей обеих форм в последовательности осадочных слоев,
обнаруженных в поднятом с морского дна керне, геологи
могут реконструировать температуры поверхностных вод
океана в прошедшие геологические эпохи.
Экономически важные осадки. В последнее время морская
геология буквально наводнилась исследованиями, связанны¬
ми с эффектами разрастания морского дна. Интенсивно изу¬
чаются геотермические реакции, в ходе которых морская во¬
да взаимодействует в зонах активных срединно-океаничес¬
ких хребтов с поднимающейся магмой (см. гл. 19 и 21).
В этих районах найдены богатые залежи сульфидов полиме¬
таллов. В 1982 г. была принята Конвенция по морскому
праву, которая передает экономический контроль над при¬
брежными зонами прибрежным государствам. Эта конвен¬
ция подтолкнула многие страны к ускорению разведки твер¬
дых минеральных и нефтяных ресурсов своих континенталь¬
ных окраин.
Среди других осадков, имеющих экономическое значе¬
ние, — марганцевые стяжения (конкреции) и фосфоритные
залежи. Оба вида этих гидрогенных осадков образовались
путем осаждения из раствора морской воды. Марганцевые
конкреции обогащены марганцем, никелем, железом и
медью и встречаются в виде наростов вокруг какого-либо
ядра (часто это зубы акул или ушные кости китов). Конкре¬
ции достигают размеров в несколько сантиметров. В неко¬
торых районах, особенно в центральной части Тихого океа¬
на, эти конкреции встречаются так часто, что их можно
ГЛАВА 3. СПЕЦИАЛИСТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ МОРЯ
43
рассматривать как потенциальные минеральные ресурсы.
Фосфориты откладываются на мелководье, также путем
выпадения из раствора. Их наросты имеют неправильную
форму, но встречаются в достаточном количестве, чтобы
считать их ценными минеральными ресурсами (фосфор —
необходимая часть удобрений для сельского хозяйства).
В более теплых тропических водах карбонат кальция может
выпадать в осадок, образуя белые песчаные пляжи остро¬
вов, располагающихся на мелководьях — таких, например,
как острова Флорида-Кис.
Скорости осадконакопления. Важная задача геологической
океанологии — измерение скорости накопления осадков.
Толщина слоя песков и алевритов на шельфах увеличивается
более чем на 10 см за 1000 лет. В некоторых окраинных мо¬
рях, таких как Калифорнийский залив (куда впадает река
Колорадо), мощность осадков возрастает со скоростью до
1 м в 1000 лет. В глубоких океанических бассейнах скорость
накопления осадков составляет примерно 1 см в 1000 лет, но
накопление терригенных илов и глин в океанах происходит
вдесятеро медленнее.
(а) Коробчатый пробоотборник для изучения донных осадков. Ког¬
да нижняя часть рамы касается дна, тяжелые свинцовые грузы вти¬
скивают квадратный ящик в осадки. Перед выемкой инструмента
металлическая крышка на треугольных подвесах опускается вниз и
закрывает дно ящика, захватывая пробу грунта и защищая ее от
действия воды во время долгого пути на поверхность. Коробчатым
пробоотборником удается проникнуть только в самые верхние
30—50 см слоя осадков.
(в) Образцы керна. После извлечения керн разделяют на части и
хранят в пластиковых трубках, сохраняя первичное содержание вла¬
ги. В результате из этих образцов образуется очень ценная «библи¬
отека» информации. Ученые могут взять в руки кусочки океаниче¬
ского дна, сформировавшиеся миллионы лет назад. Обратите вни¬
мание на слоистое строение образца.
(б) Поршневая грунтовая трубка для извлечения длинных кернов
осадка. Шпагообразный предмет, свисающий со стрелы крана,—
это увисистая стальная труба, которую сбрасывают в осадки. В нее
захватывается образец (керн) длиной около 2 м. Внутри ажурной
конструкции подвешена другая поршневая трубка, длиной около
30 м. Для подъема таких длинных кернов необходимы особые уст¬
ройства и специально оборудованные суда.
Рис. 3.11. Снаряжение и оборудование, используемые в морской геологии и геохимии.
44
ЧАСТЬ I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ
Сбор данных
Принцип работы геолога-океанолога прост и очевиден: от¬
бирать образцы пород океанического дна. Но выполнение
такой работы требует громадных усилий. Вначале отбор
образцов проводился дночерпателем — черпачным пробоот¬
борником, который просто бросали на дно. Хотя такая опе¬
рация осуществляется быстро, этот инструмент не защища¬
ет образец от воздействия воды во время подъема его на
палубу корабля. Он все еще используется для быстрых
предварительных съемок. Более совершенный инструмент,
называемый коробчатым пробоотборником (рис. 3.11), до¬
ставляет исследователям защищенный образец донного ма¬
териала; с его помощью геологи могут изучать слоистость
образца осадка, а также распределение в нем роющих орга¬
низмов.
Для извлечения образцов с больших глубин используется
поршневая грунтовая трубка. Этот инструмент опускается
на выбранный участок дна, где происходит освобождение
тяжелой трубы, которая вдавливается в грунт еще на неко¬
торое расстояние. Сама проба грунта остается внутри
пластмассовой трубки; там, где грунт позволяет, удается
извлекать керны длиной до 20 м. Для получения кернов с
еще больших глубин используется модифицированная неф¬
тяная буровая установка. Самая знаменитая из таких уста¬
новок — буровое судно « Гл омар-Че л ленд жер», выполняю¬
щее программу глубоководного бурения JOIDES. Смонти¬
рованная на этом корабле буровая установка позволяет при
4-км глубине моря получать керн длиной до 1000 м.
Очень полезным средством геологического изучения по¬
верхности морского дна стала подводная фотография. На
снимках часто можно увидеть знаки ряби на осадке, образу¬
ющиеся под действием придонных течений. Видны также
следы деятельности роющих животных. Фотография — ос¬
новной метод поисков залежей марганцевых конкреций.
С изобретением автономных погружаемых аппаратов с
человеком на борту геологи могут теперь и сами опускаться
со своими пробоотборниками на очень большую глубину.
Оператор может рассматривать дно, отбирать образцы не¬
посредственно наблюдаемых пород, а также фотографиро¬
вать их in situ.
Заключение
В этой главе преследовались две цели: во-первых, кратко
описать, как специалисты в каждой из основных научных
дисциплин выделили свои собственные сферы интересов, и,
во-вторых, указать, когда и где их совместная деятельность
может внести вклад в общий прогресс понимания сложных
процессов океана. Для иллюстрации проблем каждой из
дисциплин здесь использовано одно и то же схематическое
изображение «взрезанного» земного шара, и читатели сами
могут найти ряд областей, тем или процессов, общих для
двух или более дисциплин. В пяти приводимых ниже приме¬
рах диалог между учеными разных специальностей не толь¬
ко возможен, но и просто необходим для решения задач.
1. Моделирование океана как двухслойной системы. Ра¬
но или поздно каждый океанолог начинает понимать, что
океан необходимо рассматривать как совокупность двух
слоев: теплого тонкого поверхностного слоя, на который
воздействуют солнечные лучи и ветер, и глубинного толсто¬
го слоя холодной воды. Физики применяют эту модель при
описании циркуляции. Но теоретические представления о
циркуляции должны согласоваться с распределением живых
организмов (биология), а также с картиной размещения
донных осадков, залегание которых в свою очередь определя¬
ется циркуляцией (геология); они должны соответствовать и
распределению «возраста воды» (по химическим данным).
2. Важная для всех тема тепломассопереноса через гра¬
ницу воздух — море. Многие характеристики обширных
пространств океана определяются процессами, в которых
вещество или энергия передаются через границу воздух —
море. Химики изучают газовый обмен, включая играющий
ключевую роль углекислый газ. Последний дает углерод,
необходимый для органической жизни (биология), а также
карбонатные ионы, из которых биота строит раковины, со¬
стоящие из СаСО3 и SiO2 и опускающиеся на дно, где они
превращаются в осадочные породы (геология). Для всех на¬
учных дисциплин необходима модель теплового баланса
океана, включающая солнечный нагрев и испарение
(физика).
3. История осадков. Исследование осадков дает самые
важные исторические сведения о нашей планете для послед¬
них 200 млн. лет. Осадки древнего морского ложа, ныне об¬
нажающиеся на материках, удлиняют эту историю еще
дальше в прошлое (геология). Геохимики строят модели
древних климатов, а биологи используют их для объяснения
палеонтологических данных об эволюции и вымирании жи¬
вых организмов. Осадки — главные «экономические» ресур¬
сы океанов потенциально высокой стоимости.
4. Процессы в пограничной зоне между сушей и океаном.
Люди всегда стремились жить у берега океана, привлекае¬
мые его ресурсами и возможностью передвигаться по воде.
Реки вливаются в моря, принося с собой воды и различные
материалы. Морская жизнь особенно обильна на мелковод¬
ном шельфе. Здесь исследования по всем дисциплинам до¬
полняют и подкрепляют друг друга: приливы, волны и цир¬
куляция водных масс (физика) контролируют дисперсию пи¬
тательных веществ и икринок (химия и биология) и дают
энергию, приводящую в действие процессы эрозии и осадко¬
накопления (геология).
5. Исследование глубоководных гидротермальных ис¬
точников. Геологи и геохимики выясняют химизм горячих
источников, расположенных на морском дне, а биологи раз¬
рабатывают модели системы поддержания жизни, действу¬
ющей на этой химической основе.
Контрольные вопросы
1. В гл. 2 сопоставляется круговорот растительных пита¬
тельных веществ в морской и наземной биосфере, причем
особое внимание уделяется вопросу о пространственно-
временных масштабах. Подумайте, используя материал
этой главы, что могут дать исследования океанологов раз¬
ных специальностей — физиков, биологов, химиков — для
изучения этого вопроса.
2. Допустим, вы биолог и уже в течение многих лет от¬
бираете пробы фитопланктона в поверхностных прибреж¬
ных водах. Затем приходит физик и объясняет, как происхо¬
дит апвеллинг. Как, изучив физику апвеллинга, вы можете
переосмыслить свои биологические данные?
3. Чем занимаются физики-океанологи?
4. Чем занимаются биологи-океанологи?
5. Чем занимаются химики-океанологи?
6. Чем занимаются геологи-океанологи?
7. Как подействовало бы на биолога-океанолога сообще¬
ние о том, что временной масштаб вертикальной циркуля¬
ции в основных океанах составляет сотни лет?
ГЛАВА 3. СПЕЦИАЛИСТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ МОРЯ
45
8. Имеется ли какая-либо связь между путями миграции
морских животных и системой океанических течений?
9. Если вы отвечаете на вопрос 8 положительно, то объ¬
ясните, как угорь или другая рыба узнает, когда она плы¬
вет по течению, а когда — против. Если вам трудно гово¬
рить от имени рыбы, то скажите, как бы вы узнали, идет
ли ваша «Маленькая желтая подлодка»* по течению или
против него. Не будете ли вы обеспокоены, если никто не
сможет ответить на этот вопрос?
10. Как химики-, так и физики-океанологи умеют просле¬
живать пути движения различных водных масс в океанах,
но делают они это по-разному. Объясните, как именно.
11. Проанализировав пробы воды из самых различных
частей Мирового океана, океанологи эры «Челленджера»
сделали вывод, что океаны хорошо перемешаны. Каковы
были основания для такого вывода? Для чего можно ис¬
пользовать эти сведения?
12. Обнаружив, что щелочность морской воды сохраня¬
ется в очень узком интервале, химики начали искать меха¬
низм, поддерживающий такое состояние морской воды.
Что это за механизм? Почему биологам-океанологам нельзя
оставаться в блаженном спокойствии?
13. В чем состоял проект GEOSECS и каковы были его
цели?
14. Главная цель геологической океанологии — понять,
как накапливаются осадки на морском дне. Объясните, по¬
чему эти сведения полезны биологам, физикам и химикам.
15. В последнее время геологи обнаружили некоторые
типы донных осадков, имеющие потенциальную ценность
как источники металлов. В каких формах встречаются эти
отложения и какие в них обнаружены металлы?
16. Напишите короткий очерк, развивая идею о том, что
двухслойное строение океана существенно для установления
пределов растительной продукции океана.
17. Покажите, как та же двухслойная модель объясняет,
что химикалии, поступающие на поверхность океана, в кон¬
це концов достигают его глубинных областей.
Название популярного на Западе кинофильма. — Прим, перев.
Часть II
Использование спутников для выявления формы океанических бас¬
сейнов. На этом снимке, сделанном в инфракрасной области спект¬
ра с борта спутника «Метеосат» 6 марта 1978 г., видны темный
Африканский континент и очертания восточных краев как Северо-
Атлантического, так и Южно-Атлантического бассейнов.
ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ
ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
Здесь мы рассмотрим конфигурацию океанических бассейнов, изучим процессы, формирующие пограничные
зоны между континентами и океаническими бассейнами, и исследуем, как форма бассейнов влияет на состоя¬
ние и изменчивость самих океанов.
ГЛАВА 4
МОРФОЛОГИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
Какова форма бассейнов земной коры, в которых скопилась мор¬
ская вода? Как возникли эти бассейны и как они изменяются с тече¬
нием времени? Можем ли мы связать геологию бассейнов с эволю¬
цией океана в прошедшие эпохи?
Все науки начинаются с описания. Но как описать форму
жидкой массы? Языковые средства весьма слабы, чтобы пе¬
редать специфическую информацию о крупных объемах
жидкости. Форму жидких океанов определяют два фактора:
1. Форма самих бассейнов — она и описывается в данной
главе.
2. Динамические подвижки океанов, изменяющие форму
бассейнов по сравнению с той, которая соответствует со¬
стоянию покоя океанов; этот фактор рассматривается в
ч. IV.
Общий обзор морфологии
океанических бассейнов
Если есть «восьмое» чудо света, то, несомненно, им долж¬
ны быть опубликованные всего несколько лет назад первые
подробнейшие топографические карты океанических бассей¬
нов (рис. 4.1). Первые части этих карт составили в 1959 г.
Хейзен и его коллеги, которые свели воедино все имеющие¬
ся батиметрические данные по Мировому океану. Впервые
мы можем увидеть рельеф всей земной коры в целом, впер¬
вые можем изобразить в перспективе характерные формы
рельефа и океанических бассейнов, и континентальных масс.
Эта карта все еще неполна. Она основана прежде всего
на точных промерах океанических глубин вдоль маршрутов
многочисленных научных экспедиций, совершенных в океа¬
нах, огромные площади которых до сих пор не исследова¬
ны. Предупреждаем читателя, что некоторые детали — ре¬
зультат искусной интерпретации, но общие, крупномас¬
штабные образования известны и рассматриваются в сле¬
дующих разделах.
Далее обращаем внимание читателя на то, что на карте,
показанной на рис. 4.1, имеются значительные искажения
относительных площадей суши и океанов. Это — следствие
типа глобальной проекции, использованной при изображе¬
нии сферической Земли на плоском листе бумаги. Здесь при¬
менена проекция Меркатора, на которой растянуты области
высоких (полярных) широт; например, Гренландия кажется
больше, чем вся Южная Америка, что, как известно, не со¬
ответствует действительности. Более подробно карты и
картография рассматриваются в приложении 1.
Соотношение площадей материков и океанов
Если сравнить относительные площади суши и океанов, то
взгляд на весь земной шар становится более глубоким в
двух отношениях. На рис. 4.2 показано соотношение между
площадями суши и моря для каждой полосы в 10° по широ¬
те на всем протяжении от одного полюса до другого.
Прежде всего отметим, что суша расположена главным
образом в Северном полушарии: около 68% общей площади
суши. Иначе говоря, в Северном полушарии суши вдвое
больше, чем в Южном. Далее в процессе чтения книги вы
обнаружите, что неравномерное распределение суши оказы¬
вает огромное влияние на характер климата на всем земном
шаре.
С другой стороны, сравним площади суши и океана в
обоих полушариях в широтных поясах от 30 до 60°. В поясе
Северного полушария по крайней мере половина площади
занята сушей; это зона умеренного климата, где началась
история Homo sapiens. Однако в таком же поясе Южного
полушария почти никакой суши нет; это область Южного
океана и опоясывающего земной шар Антарктического цир¬
кумполярного течения.
Наконец, вспомним, что океаны покрывают 71% площа¬
ди Земли, а суша — 29%. Кроме того, как видно по
рис. 4.1, самый большой из океанов, несомненно, Тихий: на
его долю приходится почти 50% общей площади океанов.
Остальная площадь делится примерно поровну между Ат¬
лантическим и Индийским океанами.
Сравнение высот суши и глубин океанов
Наиболее сильное впечатление производит сравнение высот
суши и глубин океанов. На искусно выполненной карте Хей¬
зена и Тарп (рис. 4.1) континенты показаны как платфор¬
мы, возвышающиеся над общим уровнем океанического
дна. Кроме того, на этой карте показаны резкие изменения
высот в районе континентальных окраин — доказательство
того, что при переходе к океаническим бассейнам существу¬
ет отчетливо выраженная граница, или край.
Насколько глубоки океаны и какова их средняя глубина
по сравнению со средней высотой суши? Ответы на эти во-
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
ГЛАВА 4. МОРФОЛОГИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ 49
Рис. 4.1. Физиографическая карта
поверхности земной коры, состав¬
ленная для континентов и океаничес¬
ких впадин (Хейзен и Тарп; из мате¬
риалов М. Тарп).
50
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
УШ**
V///A Океаны
Рис. 4.2. Сравнение площадей, занятых сушей и океанами. На гистограмме
слева каждый широтный пояс земной коры, равный 10°, разделен на две части:
выше уровня моря — суша, ниже уровня моря — океанические бассейны. (То¬
пографическая карта — по Хейзену и Тарп, гистограмма — по Свердрупу,
Джонсону и Флемингу [11].)
Рис. 4.3. Сравнение относительных высот
земной коры. Заштрихованные полосы сле¬
ва показывают площадь земной поверхно¬
сти (в процентах) по интервалам в 1000 м
выше или ниже поверхности моря. Кри¬
вая — интегральный график. Для любой
выбранной высоты соответствующая точка
на этой кривой дает процент земной по¬
верхности, занятый высотами больше вы¬
бранной. Например, если мы выберем уро¬
вень моря, то обнаружим, что чуть больше
29% земной коры располагается на боль¬
ших высотах; это — суша [11].
просы может дать рис. 4.3. Средняя высота суши — 840 м
над уровнем моря, а средняя глубина океанического
дна — около 3900 м ниже уровня моря. Кроме того, инте¬
ресны амплитуды изменения высот. Наибольшая глубина
океана, установленная до сих пор, свыше 11 000 м; она най¬
дена эхолотированием в Марианском желобе, чуть восточ¬
нее Филиппинских островов. В противоположность этому
гора Эверест достигает высоты примерно 8880 м над уров¬
нем моря.
На рис. 4.3 разница высот между континентами и океа¬
ническим дном демонстрируется еще одним способом —
с использованием гистограммы, где высоты разбиты на
1000-метровые интервалы. При этом резко выделяются две
полосы: с высотами 0—1000 м и с глубинами 4000—5000 м.
На каждую из них приходится свыше 20% поверхности Зем¬
ли. Для описания распределения с двумя пиками в статисти¬
ке применяется термин бимодальное распределение; при
этом подразумевается, что для него можно найти принци¬
пиальное объяснение. Геофизики объясняют его так: веще¬
ство, слагающее дно океанов, плотнее того, которое обра¬
зует континенты, и поэтому оно глубже «погружено» в зем¬
ную кору, чем суша. Это принцип «изостазии», к которому
мы вернемся в этой главе позднее.
Еще один способ показать различия высот — интеграль¬
ГЛАВА 4. МОРФОЛОГИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
51
ный график высотных отметок земной поверхности — так¬
же приведен на рис. 4.3. График построен следующим об¬
разом: принимая наибольшую высоту за 0%, просто при¬
бавляем величину площади земной поверхности (в %), заня¬
той каждым следующим интервалом высот, к предыдущей
суммарной площади шаг за шагом до тех пор, пока не бу¬
дет учтена вся поверхность Земли. Отметим, что кривая пе¬
ресекает нулевую высоту в точке 29%, т. е. площадь всей
поверхности суши составляет 29%. Интересно также, что
выше средней глубины океана находится всего лишь 58%
земной поверхности; 42% поверхности Земли лежит «глуб¬
же» 3900 м от современного уровня моря.
Типичный топографический профиль
океанического дна
Рельеф поверхности океанического дна характеризуют два
типичных профиля. Профиль А—А на рис. 4.4 пересекает
Атлантический океан от города Ресифи в Бразилии до горо¬
да Фритаун в Сьерра-Леоне, Африка. Профиль В—В, по¬
строенный по данным экспедиции SCORPIO, пересекает
весь Тихий океан вдоль параллели 28° ю.ш. Сравните схемы
профилей А—А и В—В с общей физиографической картой,
приведенной на рис. 4.1.
На этих двух профилях видны особенности, характерные
в
в
Рис. 4.4. Типичные профили дна океанических бассейнов: А—А через Атлантический океан [10] и В —В через Тихий океан [9].
52
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
Рис. 4.5. Расположение осей сре¬
динно-океанических хребтов на
поверхности Земли. В осевых ча¬
стях хребтов, называемых «риф¬
товыми долинами», океаническое
дно раздвигается, удаляясь от
осей хребтов. Линии профилей
А — А и В — В перенесены с
рис. 4.4.
Рождение нового острова в груп¬
пе Исландских островов. Ислан¬
дия образована вулканическим
материалом, извергавшимся из
Срединно-Атлантического хреб¬
та — зоны активного разраста¬
ния океанического дна, которая
пересекает Атлантический бас¬
сейн по всей длине. Этот вулкан,
Суртсэй, образовал новый остров
в 1966 г.
для всех океанических бассейнов, а также основные различия
между рельефом дна Тихого и Атлантического океанов. За¬
метим, что профили построены в искаженном масштабе.
На подобных изображениях мы вынуждены преувеличивать
вертикальный масштаб. «Истинный» масштаб океанов на
Земле можно смоделировать, подняв футбольный мяч с
мокрого поля; через несколько секунд, когда с мяча стекут
капли воды, толщина оставшейся водяной пленки будет
приблизительно соответствовать относительному верти¬
кальному размеру океанов на Земле.
Профиль А—А. Профиль по линии А—А выбран из-за то¬
го, что на нем отчетливо видно, почему депрессии в земной
коре, в настоящее время заполненные океаническими вода¬
ми, лучше всего называть «бассейнами». С удалением от
обеих береговых линий дно океана быстро понижается и за¬
тем переходит в сравнительно плоские участки, называемые
абиссальными равнинами. Их средние глубины равны при¬
мерно 5000 м. Однако в центральной части абиссальных
равнин имеется форма рельефа, возвышающаяся над их
уровнем более чем на 1000 м с обеих сторон. Это Срединно-
Атлантический хребет. Обратившись к рис. 4.1, мы увидим,
что он протягивается вдоль всего Атлантического океана с
севера на юг. Далее отметим, что хребет располагается
примерно посередине между Американским и Евро-Афри¬
канским континентами. В действительности Срединно-Ат¬
лантический хребет представляет собой лишь часть протя¬
женной системы хребтов, которая пересекает все крупные
ГЛАВА 4. МОРФОЛОГИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
53
океанические бассейны. Они являются центрами разраста¬
ния (спрединга), в которых непрерывно генерируется новое
вещество океанического дна.
Профиль В—В. Профилю В—В, пересекающему южную
часть Тихого океана, свойственны две особенности, общие
с профилем через Атлантику. Во-первых, дно океана круто
понижается от континентов до уровня абиссальных равнин,
в чем опять-таки проявляется сходство с бассейном. Во-
вторых, в Тихом океане тоже есть система хребтов (см.
рис. 4.1), хотя здесь хребет расположен не по центру океа¬
на, как в Атлантике.
Наряду с этим на профиле В—В обнаруживаются значи¬
тельные различия между дном Тихого и Атлантического
океанов. Во-первых, в Тихом океане развиты крупные глу¬
боководные желоба: один из них находится непосредственно
вблизи Южно-Американского континента — это Перуанско-
Чилийский желоб, а другой расположен северо-восточнее
Новой Зеландии — желоб Тонга-Кермадек (см. рис. 4.7).
Образование этих желобов, как будет показано в дальней¬
шем, тесно связано с формированием центров разрастания
океанического дна.
Во-вторых, дно Тихоокеанского бассейна имеет гораздо
более изрезанный рельеф, чем дно Атлантики. В Тихом оке¬
ане мы наблюдаем многочисленные возвышенности, хребты
и подводные горы. Общая карта рельефа (рис. 4.1) под¬
тверждает ту точку зрения, что в бассейне Тихого океана,
особенно в западной его части, гораздо больше гор. Многие
группы тропических островов в западной половине Тихого
океана, например Самоа, Марианские и др., представляют
собой горы вулканического происхождения, имеющие доста¬
точно большую высоту, чтобы выступать над поверхно¬
стью моря. Группа Гавайских островов выглядит как
«цепь» таких гор, образовавшихся в результате серии вулка¬
нических извержений.
Срединно-океанические хребты — единая система?
Срединно-океанические хребты, которые встречаются на
обоих профилях, показанных на рис. 4.4, представляют со¬
бой лишь часть протяженной системы таких хребтов, обна¬
руженных в океанических бассейнах. Длина этой системы
взаимосвязанных хребтов превышает 65 000 км (рис. 4.5).
Ширина хребтов, имеющих неправильную форму, не одина¬
кова: с каждой стороны от оси до слияния хребтов с абис¬
сальными равнинами она достигает 500—1000 км. Высота
хребтов над уровнем соседних равнин обычно составляет
1—2 км. В некоторых областях, особенно в группе Исланд¬
ских островов на севере Атлантики, подводный хребет фак¬
тически выступает над поверхностью воды, образуя группу
связанных между собой островов.
Научное обоснование геоморфологии
океанических бассейнов
Теперь уже читателю, по-видимому, становится ясно, что
простых описаний рельефа дна недостаточно, чтобы объяс¬
нить всю природу морфологии океанических бассейнов. По¬
чему дно Тихого океана сильнее нарушено и более изрезано,
чем Атлантического (рис. 4.4)? И наоборот, почему в Ат¬
лантике развит непрерывный хребет, который не только
расположен посередине океана (рис. 4.5), но и изгибается,
повторяя очертания берегов Американского континента на
западе и Евро-Африканского на востоке? И почему высоты
земной поверхности подчиняются бимодальному распреде¬
лению (гистограмма на рис. 4.3)?
Убедительные ответы на эти вопросы можно получить в
рамках глобальной геологической теории, называемой тек¬
тоникой плит. Это новая научная концепция, ее возраст не
превышает четверти века. Она вызвала подлинный «взрыв»
новых идей об океанах и континентах, о том, как они фор¬
мируются и перемещаются, появляются и исчезают. В ней
слились воедино две более ранние гипотезы глобальной гео¬
логии, поэтому краткое их описание послужит также описа¬
нию тектонической теории. Однако предупреждаем читате¬
ля — главное внимание в книге по-прежнему будет направ¬
лено на собственно жидкий океан. Здесь нам необходимо
дать краткий очерк глобальной геологии, чтобы не нару¬
шать стройной картины введения в океанологию. Об удиви¬
тельно быстром развитии самой теории тектоники лито¬
сферных плит будет говориться в гл. 21.
Дрейф континентов — шаг к тектонике плит
В XV в. бурно расширялись морские экспедиции, так как
алчность и любопытство гнали искателей удачи из Западной
Европы открывать новые берега. Однако до появления в
XVIII в. судового хронометра*, позволившего морякам точ¬
но определять долготу во время плавания, карты этих но¬
вых берегов были весьма приблизительными. Вместе с но¬
выми точными картами пришло поразительное открытие,
что береговые линии обеих Америк, Северной и Южной, с
большой точностью соответствуют очертаниям Африки и
части Европы. Эти наблюдения побудили ученых собирать
разнообразные данные, которые подтвердили бы или отвер¬
гли предположение о том, что эти континенты когда-то со¬
ставляли единое целое.
Одним из первых и стойких защитников теории дрейфа
континентов был Альфред Вегенер (1880—1930). В поддерж¬
ку ее он привлек данные разного рода (см. гл. 21) и объеди¬
нил их, создав свою версию того, каким образом континен¬
ты когда-то составляли огромный суперконтинент, назван¬
ный Пангеей (см. рис. 21.1). По мнению Вегенера, главный
раскол Пангеи начался около 200 млн. лет назад. По мере
того как части суперконтинента раздвигались, стали форми¬
роваться известные нам теперь континенты и возник Атлан¬
тический океан. Однако гипотеза Вегенера породила и дру¬
гие предположения: например, если Атлантический океан
молод, не должны ли породы и осадки его дна тоже быть
«молодыми»? Возникли также встречные вопросы. Напри¬
мер, если нет возможности установить источник энергии,
правдоподобный с научной точки зрения и достаточно мощ¬
ный для того, чтобы сдвигать и поворачивать целые конти¬
ненты, то как можно принимать гипотезу дрейфа всерьез?
Возраст океанического дна: геологические данные. Под¬
держкой идеи дрейфа континентов и вместе с тем объясне¬
нием геоморфологии океанических бассейнов служит тот
факт, что нигде на дне океанических бассейнов геологи не
обнаружили пород древнее 200 миллионов лет. (В отличие
от них породы некоторых континентальных масс, например
Восточной Гренландии, датируются возрастом примерно
3,8 миллиарда лет.) По этим данным можно также оценить
скорость, с которой расходятся континенты: считая ширину
* Морской хронометр, изобретенный Гаррисоном, впервые был
применен в 1761 г. во время плавания английского корабля Dept¬
ford . — Энциклопедический словарь. — С.-Петербург. Изд.
Ф. А. Брокгауз и И. А. Ефрон, 1903.— Прим, перев.
54
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
Атлантического океана равной 7000 км и разделив эту вели¬
чину на 200 млн. лет, получаем скорость расширения океана
3,5 см/год. Примерно с такой скоростью растут ногти у че¬
ловека.
Срединно-океанические хребты: моложе они или древнее?
Если возраст океанического дна имеет предел, то на ум при¬
ходит другой вопрос: где дно самое древнее, а где самое мо¬
лодое? Это важный вопрос, и ответы на него были получе¬
ны быстро. Например, на рис. 21.6 показано, что наиболее
древние участки в Тихом океане располагаются дальше все¬
го от той формы рельефа его дна, которая является ее хреб¬
том, — Восточно-Тихоокеанского поднятия. Подобные же
возрастные соотношения были установлены и для других
хребтов в других бассейнах. Следовательно, самыми моло¬
дыми частями океанических бассейнов являются хребты.
Рис. 4.6. Механизм, посредством которого новый материал вне¬
дряется в дно океанических бассейнов в зоне рифтовых долин
срединно-океанических хребтов. Источником нового материала яв¬
ляется похожий на магму астеносферный слой Земли. Затвердевшая
литосфера, образующая новое океаническое дно, перемещается в
стороны от рифта — отсюда термин «разрастание океанического
дна».
Вопрос об энергии. Вопрос об энергии был разрешен еще до
того, как геологи собрали воедино все имеющиеся сведения.
Физики и геофизики доказали, что тепло, выделяющееся в
результате радиоактивного распада веществ в глубинах Зем¬
ли, может обеспечить количество энергии, необходимое,
чтобы «сдвигать» континенты. Затем надо было описать
сам механизм движения. Поскольку самыми молодыми
участками океанических бассейнов являются хребты, меха¬
низм должен находиться в них самих, и это подводит нас
непосредственно к следующей теории.
Теория разрастания океанического дна
Если срединно-океанические хребты являются «источника¬
ми» нового материала для дна бассейнов, то этот материал
должен поступать из более глубоких горизонтов Земли:
никакого иного источника нет. По другим данным нам из¬
вестно, что земная кора входит в состав твердого слоя (ли¬
тосферы), который содержит континенты и океанические
бассейны и под которым расположен пластичный слой, на¬
зываемый астеносферой. Следовательно, новый материал
должен поступать в бассейны из астеносферы в виде очень
вязкой, расплавленной породы, которую называют магмой.
На рис. 4.6 показано, как новый материал внедряется в
структуру океанического дна.
Магма поднимается из астеносферы и проникает в собст¬
венно океаническое дно. На границе с вышележащим океа¬
ном внешняя поверхность магматического расплава охлаж¬
дается до точки затвердевания. Охлаждение вызывает сжа¬
тие только что затвердевшей корочки, в результате чего об¬
разуется множество трещин, по которым морская вода про¬
ходит вниз и охлаждает вещество, расположенное еще глуб¬
же. Это происходит в пределах зон рифтообразования. Уче¬
ные начали исследовать такие рифтовые зоны с помощью
подводных обитаемых аппаратов. Они обнаружили много¬
численные гейзеры, где перегретая вода вырывается из тре¬
щин, — явное доказательство присутствия вблизи поверхно¬
сти горячего магматического материала.
Согласно представлениям о возрасте океанического дна,
новообразованная затвердевшая кора, внедрившаяся в зоны
хребтов, должна двигаться в направлениях от хребта, как
показано на рис. 4.6. Эти особенности дна океанических бас¬
сейнов в настоящее время напряженно изучают геофизики.
Для такого движения предложено два альтернативных меха¬
низма. Первый предполагает, что вязкий материал в асте¬
носфере сам по себе образует гигантские конвективные
ячейки и что затвердевшая океаническая кора просто «увле¬
кается» ими. На рис. 4.6 этот механизм показан незакра-
Сообщество трубчатых червей на Галапагосском поднятии в вос¬
точной части Тихоокеанского бассейна — на участке рифта, где
происходит разрастание океанического дна. Фотография сделана с
научно-исследовательского подводного аппарата «Алвин». Эти чер¬
ви питаются фильтрующими бактериями из морской воды в районе
гидротермальных источников в рифтовой зоне. На глубине 3000 м,
где обитает это сообщество, бактерии извлекают необходимую для
жизни энергию, поглощая некоторые химические элементы, посту¬
пающие из магмы. Другими членами сообщества являются дву¬
створчатые моллюски, тоже фильтраторы, и питающиеся падалью
крабы.
ГЛАВА 4. МОРФОЛОГИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
55
Научно-исследовательский подводный аппарат «Алвин» на пути к
исследованию одного из участков Восточно-Тихоокеанского подня¬
тия — зоны разрастания океанического дна, протягивающейся
вдоль Тихоокеанского бассейна.
шенными стрелками. Сторонники второй концепции счита¬
ют, что хребет существенно возвышается над абиссалью
лишь вследствие того, что горячая, расплавленная магма за¬
нимает больший объем по сравнению с ее объемом после
остывания и затвердевания. Следовательно, остывший и
сильно трещиноватый поверхностный слой над магматиче¬
ским куполом просто «соскальзывает вниз» и в стороны от
высокого купола.
Для полноты модель разрастания океанического бассей¬
на должна еще включать процесс, который удаляет веще¬
ство древнего океанического дна. Этот вопрос рассматрива¬
ется в следующем разделе.
Внутренняя согласованность теории разрастания океаничес¬
ких бассейнов. Оба только что описанных механизма спо¬
собны вызвать движение новообразованной твердой лито¬
сферы в стороны от хребтов. Наблюдения определенно под¬
тверждают, что с удалением от хребтов дно становится бо¬
лее древним. Оба механизма объясняют также, почему хреб¬
ты возвышаются над окружающими их абиссальными рав¬
нинами. Кроме того, оказывается, что с удалением от хреб¬
тов возрастает мощность толщи осадков, и этот результат
соответствует увеличению возраста океанических бассейнов.
Разрастание дна. Тихий океан в сравнении с Атлантическим.
Есть ли какие-нибудь различия в самом явлении разрастания
Тихоокеанского и Атлантического бассейнов? Одно замет¬
ное различие — скорость. Ранее мы привели грубую оценку
спрединга в Атлантике — 3,5 см/год между континентами
или половина этой скорости при движении от Срединно-Ат¬
лантического хребта. Подобный расчет по рис. 21.6 дает
для Тихоокеанского бассейна гораздо большую скорость:
разделив расстояние от Нижней Калифорнии (Мексика) до
Марианского желоба (около 12 000 км) на разницу в возрас¬
те дна на этом участке бассейна (около 136 млн. лет), полу¬
чим скорость примерно 9 см/год, т. е. в 5 раз большую, чем
в Атлантическом океане.
Приподнятые древние морские тер¬
расы на западных склонах о. Сан-
Клементе, шт. Калифорния. Такие
террасы явно свидетельствуют о
том, что либо уровень моря должен
был понижаться, либо сама суша
должна была подниматься. Когда,
как здесь, наблюдается серия террас,
вероятно, суша испытывала подня¬
тие в результате ряда тектонических
(сейсмических) событий.
56
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
Можно ли этой большой разницей в скорости разраста¬
ния морского дна объяснить также, почему в Тихоокеанском
бассейне больше подводных гор, чем в Атлантике? Удовле¬
творительных ответов до сих пор не найдено. Тем не менее
логично сделать вывод, что чем большей мощностью обла¬
дает механизм разрастания океанического дна, тем вероят¬
нее, что в коре образуется больше трещин, по которым
магма внедряется в вулканические постройки, а следователь¬
но, больше должно быть и подводных гор.
Зоны разломов. На физиографической карте дна океанов
(рис. 4.1) видно, что вдоль всей системы хребтов имеется
множество нарушений. В среднем разрывы располагаются с
интервалами около 100 км. Обычно они встречаются пара¬
ми, т. е. нарушение начинается на одном склоне хребта, пе¬
реходит через гребень и продолжается вниз на другом скло¬
не. Теперь известно, что эти разрывы фактически представ¬
ляют собой расколы в дне бассейна, вдоль которых один
блок земной коры отодвигается от срединного хребта со
скоростью, отличной от скорости соседнего блока: тем са¬
мым создается целая зона разлома. (Фактические данные,
позволившие сделать это открытие, — еще одна волнующая
страница истории тектонической революции в глобальной
геологии; подробности см. на рис. 21.7 и 21.8.)
Зоны разломов убедительно доказывают, что новый ма¬
териал океанического дна в пределах разных участков систе¬
мы хребтов образуется с разными скоростями. Пока на
каждую сторону хребта нового материала выделяется по¬
ровну, сама ось хребта не изменяет своего положения. Од¬
нако в некоторых местах материал распределяется неравно¬
мерно, и ось хребта тоже смещается в поперечном направ¬
лении вдоль зоны разлома. Это отчетливо видно (рис. 4.1) в
южной части Тихоокеанского бассейна в районе 50° ю. ш.,
где Восточно-Тихоокеанское поднятие смещается на не¬
сколько сотен километров в сторону вдоль двух-трех сосед¬
них разломов. Благодаря разломам — этим своеобразным
каналам, идущим поперек хребтов, происходит обмен вода¬
ми между соседними котловинами, разделенными этими
хребтами.
Замечено также, что в некоторых зонах разломов сосед¬
ние блоки смещаются друг относительно друга по вертика¬
ли. Особого упоминания заслуживает разлом Мендосино,
который тянется на запад от Тихоокеанского побережья Се¬
верной Америки у мыса Мендосино (Калифорния). Дно оке¬
ана на северном крыле разлома из-за вертикального смеще¬
ния, называемого уступом Мендосино, располагается более
чем на 1000 м выше соседнего южного блока. Эта верти¬
кальная стена в дне бассейна протягивается на тысячи кило¬
метров в западном направлении. Она оказывает огромное
влияние на движение глубинных вод в этой части Тихого
океана.
Однако предупреждаем читателя, что не все зоны разло¬
мов, показанные на карте Хейзена и Тарп, подтверждаются
реальными промерами глубин. Изображенные здесь детали
рельефа, особенно в южной части Тихого океана, до сих пор
не подкреплены данными наблюдений.
Сиаль, сима, изостазия и закон Архимеда. Новый материал
океанических бассейнов, образующийся в центрах спрединга,
отличается от тех типов пород, которые слагают континен¬
ты. Породы континентов состоят из минералов, богатых
силикатами алюминия, и называются сиалическими. Веще¬
ство же океанического дна представлено минералами, бога¬
тыми силикатами магния, и называется симатическим; его
плотность выше плотности пород, слагающих континенты.
Как следует из рис. 4.9, и сиалическая кора континентов,
и симатическая океаническая кора «плавают» на кровле вяз¬
кой астеносферы. Кора океанических бассейнов из-за своей
большей плотности должна быть глубже погружена в ман¬
тию, чем континенты. Эта концепция, которую ученые, ис¬
следующие Землю, называют изостатическим равновесием
или просто изостазией, объясняет, почему океанические
бассейны опущены относительно континентов, а континен¬
ты приподняты над ними. Океанские воды накапливаются в
депрессиях, возникших из-за различия плотностей этих двух
материалов.
Концепция изостазии объясняет, как мы уже говорили,
бимодальный характер гистограммы высот поверхности
(рис. 4.3). Она говорит лишь о том, что суммарный вес оке¬
анической коры и покрывающей ее морской воды заставля¬
ет ложе океана находиться в настоящее время в среднем на
глубине порядка 3900 м. С другой стороны, крупные участ¬
ки суши плавают в материале мантии так, что средняя вы¬
сота их поверхности оказывается примерно на 840 м выше
уровня моря.
Интересно представить себе, какой вывод сделал бы Ар¬
химед, увидев гистограмму, изображенную на рис. 4.3.
Этот древнегреческий ученый вывел закон, согласно которо¬
му твердое тело до тех пор будет погружаться в жидкость,
пока масса вытесненной им жидкости не сравняется с общей
массой самого этого тела. Думаю, что если бы Архимед
знал о бимодальном характере распределения высот земной
поверхности, то пришел бы к заключению, что 1) Земля
внутри жидкая и 2) вещество океанических бассейнов отли¬
чается от вещества, слагающего материки: его плотность
больше, и, следовательно, оно погружается глубже в «жид¬
кую Землю».
Основные представления тектоники плит
Два глубоководных желоба, изображенных на топографи¬
ческом профиле В—В (рис. 4.4), представляют собой части
сложной системы желобов, обнаруженных во всех океани¬
ческих бассейнах. Правда, большинство желобов расположе¬
но по периферии Тихого океана (рис. 4.7). О существовании
желобов известно уже свыше полувека, но происхождение
их удалось объяснить лишь в последние два десятилетия
благодаря развитию тектоники плит. Новая тектоническая
теория стала развиваться после того, как геофизики зада¬
лись вопросом: «Если вдоль осевых зон хребтов в океани¬
ческих бассейнах постоянно добавляется новый материал и
дно океанов разрастается, то куда девается старое вещество
океанического дна?» Куда оно уходит и каким образом? Из
других источников мы знаем, что сама океанская вода су¬
ществует гораздо дольше, чем Атлантическая впадина, воз¬
раст которой 200 млн. лет (о происхождении морских солей
и морской воды см. гл. 7). Следовательно, должен сущест¬
вовать процесс, в результате которого прежнее морское дно
исчезает.
Новая теория утверждает, что вся земная кора разбита
на небольшое число отдельных плит. Истинное количество
плит достоверно не известно. По-видимому, существует
примерно 13 крупных плит, и по мере накопления все новых
данных обнаруживаются другие, более мелкие плиты. На
рис. 4.8 показаны границы основных плит, известных в на¬
стоящее время.
Как говорилось в предыдущем разделе, посвященном те¬
ории разрастания океанического дна, считают, что силы,
которые перемещают плиты по земному шару, возникают в
результате действия трения между литосферными плитами
ГЛАВА 4. МОРФОЛОГИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
57
60° 0° 60° 120° 180° 120° 60°
Бонинский, 7 — Марианский, 8 — Филиппинский, 9 — Яванский, 10 — Витязя, 11 — Тонга — Кермадек, 12 — Оби, 13 —
Южно-Сандвичев.
Рис. 4.7. Расположение крупных глубоководных желобов в океанических бассейнах:
1 — Африканская плита, 2 — Аравийская, 3 — Евразийская, 4 — Австралийская, 5 — Филиппинская, 6 — Тихоокеанская, 7 — Антарктиче¬
ская, 8 — Наска, 9 — Кокос, 10 — Карибская, 11 — Северо-Американская, 12 — Южно-Американская.
Рис. 4.8. Карта мира, на которой показаны известные крупные плиты и их границы. Обозначенные точками эпицентры землетрясений,
происшедших за период 1961 —1967 гг., приурочены к границам плит. Стрелками указаны относительные перемещения плит по их грани¬
цам [1].
58
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
и медленно движущимся веществом вязкой астеносферы.
У всех плит, реагирующих на приложенные к ним разные
силы, границы, где они соприкасаются, сталкиваясь или
проскальзывая одна относительно другой, должны быть зо¬
нами средоточия высокой сейсмической активности. (Факти¬
чески геофизики узнают, где находятся границы плит, со¬
ставляя карты эпицентров землетрясений типа той, что по¬
казана на рис. 21.9).
Типы границ плит. Границы плит делятся на три типа: ди¬
вергентные, конвергентные и границы скольжения. Средин¬
но-океанические хребты являются примерами дивергентных
границ: новообразованный материал океанической коры
расходится от осевой зоны хребта в противоположных на¬
правлениях. На границах второго типа, называемых конвер¬
гентными, происходит столкновение двух плит. В некото¬
рых местах две плиты могут просто двигаться в горизон¬
тальном направлении вдоль их общей границы, не сходясь и
не расходясь; их можно назвать границами скольжения.
Границы всех трех типов — сейсмически активные зоны.
В гл. 21 подробно описано, что геофизики могут исполь¬
зовать еще одну схему классификации плит и их границ.
Границы могут быть активными в том смысле, что отно¬
сительное перемещение происходит в настоящее время.
Кроме того, они могут быть пассивными, т. е. мы устанав¬
ливаем границы по различиям в геологии, но сейсмическая
активность отсутствует; например, сейчас установлено, что
Аппалачи представляют собой границу столкновения двух
древних плит, когда-то активную, а теперь пассивную.
Сближающиеся плиты: идея субдукции. На рис. 4.9 схема¬
тически изображена конвергентная граница между плитами,
одна из которых представлена сиалическим материалом
континента, а другая — симатической океанической корой.
В тектонике плит предполагается, что океаническая кора
будет поддвигатъся под континент примерно так, как пока¬
зано на рисунке. Термин «поддвигание» (субдукция) мы ис¬
пользуем в относительном смысле: этот процесс происхо¬
дит независимо от того, надвигается ли континент на кору
соседнего бассейна или океаническая кора поддвигается под
континент.
На рис. 4.9 показаны два варианта субдукции — в зави¬
симости от относительной скорости, с которой сближаются
две плиты.
1. Когда скорость сближения плит велика, океаническая
кора глубоко поддвигается под континент. Именно в этих
местах мы обнаруживаем глубоководные желоба. Осадки,
сносимые с континента, обычно накапливаются в желобе,
но процесс непрерывной субдукции преобладает, так что
желоб сохраняется. Трение между погружающейся океани¬
ческой корой и вышележащей континентальной массой по¬
рождает глубокофокусные землетрясения. По мере переме¬
щения коры на большую глубину трение вместе с повыше¬
нием температуры, как полагают, вызывает повторное
плавление вещества коры и внедрение новой порции горячей
магмы по трещинам в пределы континента, в результате че¬
го на поверхности образуются новые вулканы. Таково про¬
исхождение вулканических цепей, расположенных ближе к
суше от границ желобов и параллельных береговым лини¬
ям. Классическим примером является вулканическая цепь
Анд в Южной Америке.
2. Если скорость конвергенции невелика, субдукция так¬
же будет происходить, но с меньшей силой. События и про¬
цессы, сопровождающие субдукцию, тоже оказываются ос¬
лаблены (рис. 4.9). Осадки, сносимые с континента, могут
поступать в желоб быстрее, чем опускается его дно под
влиянием тектонических движений, и в результате рельеф
желоба стирается. Сейсмичность также будет очень слабой.
Примером такой границы является северо-западное побе¬
режье США, где осадки, поступающие из реки Колумбии,
заполнили некогда существовавший там желоб.
Крайним случаем, вероятно, является граница, где не
происходит никакого относительного перемещения между
континентом и океаническим бассейном. Примером такой
границы является Атлантическое побережье Северной Аме¬
рики (см. также рис. 21.12). Здесь континент и соседний бас¬
сейн движутся с одинаковой скоростью, и, таким образом,
здесь нет границы плит.
Зависимости между тектоникой
и океанскими водами
Океанологи хотят изучить, как тектоника бассейнов связана
с самими океанскими водами. Лучше всего выразить это с
использованием временных шкал. Как морфология совре¬
менных океанических бассейнов влияет на эволюцию совре¬
менных океанов? Взаимодействие твердых границ бассейна
и океанических вод на коротких интервалах времени рас¬
сматривается в гл. 11 при общем описании циркуляции оке¬
ана. Здесь же мы рассмотрим более длительные связи. Как
протяженная система срединно-океанических хребтов влияет
на движение глубинных вод? Какова связь между системой
Терригенные осадки
Андезитовые
вулканы
Желоб
Океаническая кора
Плавление
(а)
(б)
Субдукция
~1 /''' - \
„ Континент,
С
\ I
См г
'//
LLJ. 1'
Рис. 4.9. Два типа конвергенции между континентальной и океани¬
ческой корой.
(а) Конвергенция происхо¬
дит медленно или отсутст¬
вует: медленное проскальзы¬
вание континентальной и
океанической коры; слабая
сейсмическая активность,
пассивная окраина, земле¬
трясения редки; окраина за¬
полнена продуктами эрозии
(пример — современное вос¬
точное побережье США).
(б) Конвергенция происхо¬
дит быстро: резкое быстрое
поддвигание океанической
коры под континент; ско¬
рость осадконакопления
слишком мала для того,
чтобы заполнить глубоко¬
водный желоб (пример —
Перуанско-Чилийский же¬
лоб); сильные частые глубо¬
кофокусные землетрясения
(звездочки); повторное плав¬
ление в зоне трения с обра¬
зованием новых вулканов
(пример — вулканическая
горная цепь Анд).
ГЛАВА 4. МОРФОЛОГИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
59
глубоководный желоб — вулканическая цепь на границах
плит конвергентного типа и распределением воды в преде¬
лах нескольких океанов? Что нам могут дать исследования
палеоокеанов? Что происходит с «уровнем моря», если
учесть длительность тектонических процессов?
Понижения в хребтах и глубоководная циркуляция
Несомненно, система срединно-океанических хребтов дол¬
жна непосредственно влиять на движение глубинных вод не
только потому, что хребты высоко поднимаются над дном
океана, но и потому, что они существуют во всех крупных
бассейнах. Ясно, что хребты влияют на путь, по которому
глубинные воды перемещаются из одной котловины в дру¬
гую. Точнее, многочисленные понижения в системе хребтов
представляют собой каналы, по которым вода перетекает
из одной океанической депрессии в другую. Наибольшее ко¬
личество информации имеется по Атлантическому океану.
На рис. 4.10 изображена система Срединно-Атлантичес¬
кого хребта. В ней имеются крупные понижения: желоб Ро-
манш, расположенный вблизи экватора, понижение на ши¬
роте около 8° в Северном полушарии и еще одно, располо¬
женное непосредственно к югу от южной оконечности
Африки (48° ю. ш.). Кроме того, большое влияние на цирку-
Рис. 4.10. Влияние рельефа Срединно-Атлантического хребта на
движение Антарктической придонной воды по мере ее распростра¬
нения в северном направлении. Перерывы в системе хребта обеспе¬
чивают основные пути, по которым происходит обмен глубоковод¬
ных масс [15].
ляцию глубинных вод в Южной Атлантике оказывает вто¬
ростепенный хребет Китовый, который соединяет централь¬
ный хребет с Африканским континентом.
Глубоководные массы Атлантики — самые холодные и
плотные воды во всем Мировом океане. Здесь преобладает
так называемая Антарктическая придонная вода. Значитель¬
ное количество этой водной массы формируется на поверх¬
ности моря Уэдделла (кружок на рис. 4.10), отсюда она
опускается на самое дно и начинает растекаться, заполняя
наиболее глубокие участки океанических бассейнов. (Под¬
робно о том, как формируются эти воды, см. в разд. «Ги¬
гантская антарктическая ледовая машина перемешивания» в
гл. 20.)
Некоторая часть Антарктической придонной воды про¬
никает далеко в Северное полушарие, особенно в Атланти¬
ке. Продвигаясь к северу (рис. 4.10), эти воды сначала про¬
ходят вдоль западной стороны Срединно-Атлантического
хребта вплоть до экватора. Здесь через желоб Романш Ан¬
тарктическая придонная вода проникает в восточный сектор
Южно-Атлантического бассейна (Ангольскую котловину).
Затем часть этого течения направляется на юг и распростра¬
няется по всей восточной абиссальной равнине; дальнейше¬
му его продвижению препятствует Китовый хребет. Кроме
того, Антарктическая придонная вода заполняет впадину к
югу от Китового хребта, но сюда она втекает через крупное
понижение в срединном хребте в районе 48° ю. ш.
В Северном полушарии глубинное течение движется на
север по обе стороны главного хребта. Однако здесь первич¬
ная Антарктическая придонная вода оказывается значитель¬
но измененной вследствие перемешивания. Мы можем про¬
следить ее проникновение к северу примерно до 40° с. ш.
Рельеф океанического хребта, вероятно, необходимо учи¬
тывать и при изучении глубоководных биосистем, особенно
сообществ бентосных организмов. Разделение бассейнов
протяженной системой хребтов, возможно, играет опреде¬
ляющую роль в эволюции таких сообществ. Пока еще от¬
бор образцов глубоководной фауны проведен на слишком
больших расстояниях друг от друга, чтобы можно было от¬
ветить на эти вопросы.
Системы глубоководный желоб — горная цепь,
водоразделы океанических бассейнов
и соленость океанов
Если внимательно посмотреть на рис. 4.1, то можно заме¬
тить, что многие из крупных горных хребтов на континен¬
тах представляют собой вулканические цепи, связанные с
глубоководными желобами и зонами субдукции, изображен¬
ными на рис. 4.9. Для океанолога эти вулканические цепи
очень важны, так как они выделяются на континентах как
водоразделы, с которых пресные воды в конце концов сте¬
кают в соседние океаны. На рис. 4.11 показаны водосбор¬
ные бассейны для Атлантического, Тихого, Индийского и
Северного Ледовитого океанов.
Ясно, что чем крупнее горные хребты, расположенные
на Евро-Африканском и Американском континентах, тем
больший водосборный бассейн дренируется в Атлантику.
Объединяя водосборные бассейны Атлантического и Север¬
ного Ледовитого океанов — почти все пресные воды Север¬
ного Ледовитого океана в конце концов смешиваются с во¬
дами Атлантики, — мы обнаруживаем, что 80% стока круп¬
ных рек питают Атлантический океан. Остальные 20% при¬
мерно поровну делятся между Тихим и Индийским океана¬
ми (количественные оценки стока рек приведены в
табл. 18.1).
60
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
60° 0° 60° 120° 180° 120° 60°
Водосборный бассейн
Атлантического океана
(включая Северный Ледовитый)
Водосборный бассейн
Тихого океана
Водосборный бассейн
Индийского океана
Рис. 4.11. Разделение суши на водосборные бассейны для главных океанических бассейнов. Определяется расположением крупных назем¬
ных горных хребтов, которые в свою очередь являются результатом процессов столкновения и субдукции, связанных с движением плит.
Из сравнения водосборных бассейнов можно ожидать,
что воды в Атлантике должны быть заметно менее солены¬
ми, чем в других океанах. В действительности все наоборот.
Атлантика — практически самый соленый из крупных океа¬
нов (количественные значения см. на рис. 7.4). Это весьма
важный океанологический результат; именно такие наруше¬
ния равновесия приводят в действие водообмен между бас¬
сейнами, т. е. океанические течения. Несоответствие в соле¬
ности объясняется в последующих главах.
Проблема уровня моря в океанических бассейнах
До сих пор мы сравнивали все высоты и глубины по верти¬
кали с уровнем моря. Однако к настоящему времени у чита¬
теля мог появиться некоторый скептицизм в отношении то¬
го, правомерно ли использовать поверхность моря как уро¬
вень отсчета. Считается, что движение границ континентов
и дна океанов относительно и что новый материал внедря¬
ется по мере того, как старый удаляется со дна бассейнов.
Достаточно ли постоянен общий объем всех океанических
бассейнов, чтобы в них сохранялся «устойчивый» уровень
океанских вод, который можно было бы использовать в ка¬
честве точки отсчета?
Единственным «уровнем» для отсчета высот поверхно¬
сти моря может служить некоторая фиксированная точка на
ближайшем берегу. Предположим, что мы устанавливаем в
этой точке соответствующий датчик и начинаем непрерывно
записывать высоту поверхности моря. Фиксируемые за
очень короткие интервалы времени повышения и пониже¬
ния, вероятно, представляют собой колебания поверхности,
которые происходят в результате волнений, вызванных вет¬
рами, приливов и отливов или локальных штормов. Такими
кратковременными вариациями пренебрегают при изучении
длительных изменений уровня моря, прямо или косвенно
связанных с тектоническими причинами. Например, что ес¬
ли бы на всей поверхности моря, измеряемой по всему зем¬
ному шару, было зарегистрировано одинаковое изменение
уровня моря в одно и то же время? Ясно, что тогда мы
должны были бы сделать вывод, что уровень моря изме¬
нился, и стали бы искать причину.
Существует целый ряд причин, по которым уровень мо¬
ря может измениться относительно средней высоты суши
над морем, и для каждой из них характерна своя временная
шкала.
1. Может измениться средняя температура Мирового
океана. Охлаждение всех океанских вод на 1 °C должно вы¬
звать общее понижение уровня моря на 2 м. Изучение иско¬
паемых морских организмов в осадках океанического дна
показало, что в прошлые геологические эпохи, возможно,
происходило изменение температуры на 5 °C, заставлявшее
ГЛАВА 4. МОРФОЛОГИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
61
уровень моря изменяться на 10 м в течение длительных пе¬
риодов времени (рис. 4.12, а).
2. Может измениться среднее содержание солей в водах
одного из бассейнов относительно солености вод других
бассейнов. В результате изменяется средняя плотность воды
(см. гл. 9). В том океане, где средняя плотность воды мень¬
ше, чем в соседних океанах, поверхность располагается вы¬
ше (рис. 4.12, б). Примером является понижение уровня мо¬
ря на 30 см при переходе От менее соленого Тихого океана к
более соленому Атлантическому через зону Панамского ка¬
нала. Поверхность океана, плотность воды в котором боль¬
ше, будет расположена ниже. Конечно, для развития таких
(а) Теплая вода имеет меньшую плотность и занимает больший
объем, поэтому уровень теплых океанов располагается выше.
(б) Добавление в океаны пресной воды снижает концентрацию со¬
лей, уменьшая плотность морской воды и вызывая относительное
повышение уровня моря.
(в) Относительная высота уровня моря может измениться, если 1) в течение дли¬
тельного времени происходит эрозия суши или горообразование либо 2) быстро из¬
меняется скорость, с которой новая магма внедряется в океаническое дно, что вызы¬
вает изменение объема океанического бассейна.
Тысячи лет назад
(г) Уровень моря понижается пропорционально объему воды, удаляемому в ледни¬
ковые периоды. Во время максимума последнего оледенения — около 18 000 лет на¬
зад — уровень моря понизился более чем на 100 м относительно его современного
положения. Точечной кривой показан результат расчетов уровня моря вплоть до
40 000 лет назад.
Рис. 4.12. Причины колебаний уровня моря [7].
62
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
изменений требуется длительное время. Причиной их могут
служить долговременные сдвиги в режиме испарения и вы¬
падения атмосферных осадков в масштабе всей Земли. Кро¬
ме того, подобные изменения могут происходить всякий
раз, когда в результате смещения континентов открываются
или закрываются разные проливы, соединяющие океаничес¬
кие бассейны.
3. Континенты подвергаются эрозии, и сносимый с них
материал отлагается в океанических бассейнах. По-видимо-
му, существовали длительные геологические периоды, во
время которых скорости эрозии превышали скорости воз-
дымания новых горных хребтов. По мере того как сокра¬
щался относительный объем океанических бассейнов, уро¬
вень моря повышался. Эти периоды ассоциируются с круп¬
ными трансгрессиями — наступаниями океана на сушу, в ре¬
зультате которых образовались обширные внутренние мо¬
ря, подобные тому, которое занимало центральную часть
территории США в течение миссисипской эпохи — от 350
до 300 млн. лет назад (рис. 4.12, в).
4. Вода удаляется из океанов и отлагается на поверхно¬
сти суши в виде льда. Считают, что в последнюю леднико¬
вую эпоху, всего 18 000 лет назад, уровень моря на всей
Земле понизился примерно на 120 м (рис. 4.12, г). Такие
быстрые изменения имеют большое значение для исследова¬
ний геоморфологии континентальных окраин, которая рас¬
сматривается в следующем разделе.
5. Может измениться относительная средняя глубина
дна бассейнов, в результате чего изменится их объем
(рис. 4.12, в). Новая магма, внедрившаяся в дно в зоне сре¬
динно-океанических хребтов, быстро остывает до точки за¬
твердевания и начинает отодвигаться от оси хребта. Однако
в течение длительного времени она остается достаточно
теплой, теряя тепло постепенно, при этом ее объем тоже
постепенно сокращается. Если скорость внедрения новой
магмы постоянна, мы должны сделать вывод, что уменьше¬
ние объема также происходит равномерно. Следовательно,
и относительная высота системы хребтов, и уровень всего
океана должны оставаться постоянными.
Однако если скорость внедрения новой магмы эпизоди¬
чески меняется с достаточно большими интервалами време¬
ни, причем «импульсы» быстрого разрастания океаническо¬
го дна чередуются с периодами покоя, то общий объем оке¬
анических бассейнов может заметно изменяться, а вместе с
ним изменится и уровень Мирового океана.
Крупная глобальная трансгрессия морей на сушу проис¬
ходила в течение мезозойской эры — от 225 до 65 млн. лет
назад. Когда около 75 млн. лет назад она достигла макси¬
мума, огромные площади суши оказались заняты мелковод¬
ными морями. На рис. 4.13, а показано расположение кон¬
тинентов около 100 млн. лет назад. Атлантический океан
хорошо развит, но дрейф континентов далек от завершения.
Следовательно, это был период сильной тектонической ак¬
тивности, и геологи считают, что трансгрессия моря была
обусловлена главным образом этим сокращением объема
бассейнов [12].
6. Может измениться относительная площадь суши по
сравнению с площадью морей. Области, в которых имеют
место такие изменения, находятся, вероятно, у границ, где
происходят столкновения и субдукция плит. Если участки
океанического дна «наращивают» края континентов, то по
мере того, как материал соскабливается с погружающейся
плиты, образуется новая «суша».
(а) Результаты гидравлического эксперимента — на карту нанесены
поверхностные течения в Мировом океане, существовавшие в гео¬
логическую эпоху около 100 млн лет назад. Главная особенность
распределения континентов и океанов в это время — наличие от¬
крытого прохода — океана Тетис.
(б) Результаты точно такого же гидравлического эксперимента,
только проход по океану Тетис закрыт. Произошли огромные из¬
менения: теперь воды Тихого океана перетекают в Атлантику, а
это означает, что циркуляция вод вдоль экватора прекратилась.
Рис. 4.13. Схемы реконструкции древних океанических течений [8], 1 узел = 1,853 км/ч = 0,5 м/с.
ГЛАВА 4. МОРФОЛОГИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
63
Наконец, может происходить сближение (конвергенция)
плит, при котором сходятся два континента. Например,
считают, что континентальная масса, которую в настоящее
время называют Индией, в прошлом столкнулась с Евразий¬
ским континентом. Это привело к образованию обширной
области надвинутых и нарушенных сдвигами гор — Гимала¬
ев; общая площадь суши соответственно уменьшилась, по¬
скольку эти континенты испытали сжатие.
Тектоника плит и значительные события
в циркуляции океанских вод
В океанической циркуляции произошли два крупных собы¬
тия, которые сопровождали раскол Пангеи. Первым было
постепенное блокирование сквозного прохода по океану Те-
тис в период от 65 примерно до 4 млн. лет назад. Вторым
было образование Антарктического циркумполярного тече¬
ния приблизительно 38—22 млн. лет назад. Кеннетт [6]
предположил, что третье значительное событие началось
после того, как возникло Циркумполярное течение. Мощ¬
ный апвеллинг вокруг Антарктиды привел к огромной био¬
логической продуктивности в тех водах и к появлению глад¬
ких (настоящих) китов.
Закрытие прохода по океану Тетис. Как отмечалось раньше,
трансгрессия морей на сушу достигла максимума около
75 млн. лет назад. В то время океан Тетис протягивался че¬
рез весь земной шар в широтном направлении и занимал зо¬
ну от 10 до 25° с. ш. (рис. 4.13, а). Он проходил от Малай¬
зии через те регионы, которые теперь являются северной
частью Индийского океана, Средиземным морем и цент¬
ральной частью Северной Атлантики, и достигал восточной
части Тихого океана, проходя через область не существовав¬
шего тогда сухопутного моста между Северной и Южной
Америкой. Благодаря океану Тетис субтропические воды
могли циркулировать на этих широтах вокруг всего земного
шара. Постепенно, по мере того как Африка разворачива¬
лась от Срединно-Атлантического хребта, она перекрыла
океан Тетис у своей восточной оконечности, возможно око¬
ло 22 млн. лет назад. И наконец, около 3,8 млн. лет назад
достаточно вырос Панамский перешеек, нарушивший связь
Атлантического и Тихого океанов. С этого момента цирку¬
ляция вод в Северном полушарии стала почти тдкой же, как
в настоящее время.
Лейендик и др. [8] разработали модель циркуляции оке¬
анских вод Северного полушария, которая включала откры¬
тый морской проход— океан Тетис. Когда они ввели в свою
модель предполагаемое распределение ветров, воздействую¬
щих на поверхность океана, выяснилось, что в циркуляции
преобладает движение больших масс поверхностных вод на
запад (рис. 4.13, а). В Тихом океане течение, сильно напоми¬
нающее современное течение Куросио (см. гл. 11), обеспечи¬
вало перенос теплых субтропических вод к полюсу. В Ат¬
лантике также существовал перенос теплых вод к полюсу.
Эта модель циркуляции подтверждает общее мнение о том,
что климат полярных районов был гораздо теплее, чем в
настоящее время. Европа наслаждалась субтропическим
климатом, а в Арктике температуры достигали примерно
14 °C [2].
По мере сближения Азиатского и Африканского конти¬
нентов открытое водное пространство океана Тетис исчеза¬
ло. Мощное широтное течение, которое прежде опоясывало
земной шар, теперь оказалось перекрыто. В Северной Ат¬
лантике начала развиваться циркуляция, близкая к совре¬
менной (см. рис. 11.1), но связь с Тихим океаном через про¬
лив между Северной и Южной Америкой сохранялась почти
до настоящего времени и прервалась всего около 3,8 млн.
лет назад.
Сейчас мы знаем, что Центральноамериканский сухопут¬
ный мост оказал огромное влияние на циркуляцию как оке¬
ана, так и атмосферы. Например, сравнение химии углерода
по образцам, отобранным из Карибского моря и восточной
части Тихого океана, явно свидетельствуют о том, что при¬
мерно в это время соленость воды в Атлантике начала за¬
метно увеличиваться [4]. (Вспомните сделанное нами рань¬
ше замечание о сравнении соленостей вод Атлантического и
Тихого океанов.) О крупных изменениях, сопровождавших
это тектоническое событие, свидетельствуют и другие дан¬
ные. Полагают, что мощность Гольфстрима постепенно
возрастала по мере того, как из воды поднимался сухопут¬
ный мост, достигший современного состояния около
3,8 млн. лет назад. Как это ни странно, постепенное оледе¬
нение полярного региона Северной Америки также началось
около 3,8 млн. лет назад. Сейчас океанологи ищут меха¬
низм, посредством которого смыкание Панамского пере¬
шейка могло привести в конечном счете к такому оледене¬
нию (см., например, [14]).
Эволюция Антарктического циркумполярного течения. С
точки зрения океанологии самым поразительным из всех со¬
бытий, происшедших в океанах вследствие распада Пангеи,
было развитие Антарктического циркумполярного течения.
Это течение оказало огромное влияние на состояние совре¬
менного Мирового океана. Начнем рассматривать его исто¬
рию с Южного полярного региона, поскольку она прослежи¬
вается на протяжении 53 млн. лет (рис. 4.14) [5]. В этот пе¬
риод и Антарктида, и Австралия все еще были связаны с
Южной Америкой, хотя между первыми двумя происходило
раскрытие рифта. Климат в Антарктиде был тогда сравни¬
тельно теплым, и, хотя она располагалась в области Южно¬
го географического полюса, оледенение было здесь незначи¬
тельным. Поверхностные воды окружавшего Антарктиду
океана имели довольно высокие температуры, возможно
выше 15 °C, и осадки, накапливавшиеся на океаническом
дне, состояли в основном из известковых раковин морских
организмов. (Преобладание организмов, строящих ракови¬
ны из карбоната кальция, характерно для вод средних ши¬
рот.) Стрелками на рис. 4.14, а показаны предполагаемые
направления глубинных течений в это время.
Рифт между Антарктидой и Австралией расширялся.
Около 38 млн. лет назад он стал достаточно широким для
того, чтобы через него проходило крупное течение, и по су¬
ществу укоротил путь течения, который оно прежде проде¬
лывало вокруг северных берегов Австралии. Около 21 млн.
лет назад Австралия сомкнулась с Малайским архипелагом,
перерезав проход через океан Тетис. На рис. 4.14, б показа¬
на вероятная система Антарктического течения для этого
времени; теперь благодаря глубинной циркуляции воды из
Южной Атлантики могли через Индийский океан поступать
в южную часть Тихого океана.
Начало глубинной циркуляции вод вокруг Антарктиды
оказало значительное влияние на ее экосистему. Кеннетт [5]
отмечает: «Одно из самых драматических изменений в био¬
географии планктона Южного океана произошло примерно
в эоцен-олигоценовое время (38 млн. лет назад). С тех пор в
антарктическом планктоне (на видовом уровне) отчетливо
проявляется полярный облик и отражается начало развития
антарктических фаунистической и флористической провин¬
ций». Поверхностные воды резко охлаждаются, начинают
формироваться морские льды, и, как описано в гл. 20,
64
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
53 млн. лет назад
21 млн. лет назад
(д) И пролив Дрейка, и проход между Антарктидой и Австралией
закрыты.
(б) Проход между Австралией и Антарктидой хорошо развит; в
Антарктическом океане начинают формироваться морские льды, а
также формы жизни, характерные для холодных морских вод; на¬
чинает открываться пролив Дрейка.
Рис. 4.14. Развитие Антарктического циркумполярного течения.
включается механизм Гигантской антарктической ледовой
машины перемешивания.
Около 22 млн. лет назад начал открываться пролив
Дрейка между Южной Америкой и Антарктидой, которая
до этого представляла собой полуостров (рис. 4.14, б), что
позволило и поверхностным, и глубинным водам беспре¬
пятственно течь вокруг всего Антарктического континента.
Поскольку в этих широтах преобладают западные ветры,
быстро возникло Антарктическое циркумполярное течение,
ставшее самым крупным во всех океанах. Это течение захва¬
тывает как поверхностные, так и глубинные воды и, соглас¬
но расчетам, переносит в широтном поясе от 55 до 60° ю. ш.
в три раза больший объем воды, чем Гольфстрим.
Это огромное течение создает гигантский соединитель¬
ный канал между водными массами Атлантического, Тихо¬
го и Индийского океанов. Между этим течением и Антарк¬
тидой поверхностные воды остаются очень холодными.
Уникальная биологическая обстановка возникла отчасти
благодаря динамическому течению, но также и под действи¬
ем механизма Гигантской антарктической ледовой машины
перемешивания. В результате сформировалось восходящее
течение такого крупного масштаба, что продуктивность
растений здесь ограничивается освещенностью, а не коли¬
чеством питательных веществ. Здесь образовалась кратчай¬
шая в океане, самая продуктивная пищевая цепь. На ее вер¬
шине находятся гладкие киты (например, гренландский кит
Mysticetus), которые появились около 32 млн. лет назад,
т. е. по времени примерно посередине между образованием
пролива, разделившего Австралию и Антарктиду, и возник¬
новением пролива Дрейка. На рис. 20.10 представлены глав¬
ные звенья этой доминирующей пищевой цепи Южного оке¬
ана. Хотя между микроскопическими растениями и огром¬
ными гладкими китами существуют только три звена, три
трофических уровня, в этой цепи принимает участие и мно¬
жество других животных. Собственно рыбы являются вто¬
ростепенной частью этой продуктивной пищевой цепи, что
в какой-то мере объясняет, почему в Южном океане нет
крупных скоплений рыбы.
Заключение
Сравнение площадей поверхности, занятых континентами и
океанами, показывает, что в Северном полушарии преобла¬
дает суша, а в Южном — океаны. Сравнивая высоты, мы
обнаруживаем, что они тяготеют к двум средним значени¬
ям: одному — для суши, другому — для коры океанических
бассейнов. Этот результат согласуется с представлением о
том, что жесткая литосфера лежит на вязком мантийном
веществе, находясь в изостатическом равновесии. На
рис. 4.1 хорошо видны все эти особенности. Показана так¬
же система срединно-океанических хребтов с разломами и
смещениями. Поиски объяснений этих структур привели гео¬
физиков-к перевороту в глобальной геологии.
Новая теория глобальной тектоники развивалась в тече¬
ние нашего столетия, начиная с работы Вегенера — убеж¬
денного ее сторонника, предложившего концепцию дрейфа
континентов. Как только эта идея была признана правдопо¬
добной, исследователи стали искать механизм, способный
«двигать континенты», и обнаружили его в процессе, кото¬
рый теперь называют спредингом океанического дна. По
этой концепции хребты и другие элементы строения океани¬
ческих бассейнов образуются в результате внедрения новой
ГЛАВА 4. МОРФОЛОГИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
65
Настоящее время
(в) Пролив Дрейка открыт полностью. Существует Циркумполяр¬
ное течение; расположенные южнее него океаны отделены от дру¬
гих океанов.
магмы в дно в осевых зонах хребтов. Но хотя спрединг про¬
ливает свет на многие из наблюдаемых явлений, например
молодой возраст ложа океанов, он не может объяснить, что
происходило с древними океаническими бассейнами.
В конце концов единую картину геологического строения
Земли в новой глобальной тектонике удалось получить с по¬
мощью движений системы литосферных плит. Дальнейшее
развитие тектоники плит позволило объяснить природу глу¬
боководных желобов и цепочек вулканов, а также своеоб¬
разный характер распределения землетрясений.
Однако в океанологии положения новой глобальной тек¬
тоники используются главным образом для того, чтобы
объяснить эволюцию крупнейших животных — гладких ки¬
тов; понять, почему окаменелости в настоящее время нахо¬
дят именно в данных местах; для того чтобы составить
представление о том, как климатические события, например
ледниковые периоды, можно связать с циркуляцией океан¬
ских вод; чтобы представить себе, как движутся массы глу¬
бинных океанских вод, а также установить причины гло¬
бальных изменений уровня моря.
Контрольные вопросы
1. Если в Северном полушарии расположено 68% всей
суши, значит ли это, что в Южном полушарии находится
68% площади всех океанов?
2. На гистограмме, приведенной на рис. 4.3, имеется
много информации о строении земной коры. Предлагаем
поиграть с ней. Например, можете ли вы построить упро¬
щенную модель относительных высот земной коры? Одну
модель можно построить, учитывая только два интервала
высот, к которым относятся наибольшие площади, —
0—1000 м над уровнем моря и 4000—5000 м ниже уровня
моря. Если бы Архимед был жив, какой вывод он сделал
бы непосредственно из этой модели?
3. Если дно океана непрерывно отодвигается от средин¬
но-океанических рифтовых зон (хребтов) и если в настоящее
время сохраняется только «молодой» материал океаническо¬
го дна, почему все дно не изрезано и не содержит возвыша¬
ющиеся блоки, как вблизи хребтов?
4. В каком из крупных океанических бассейнов сейчас
происходят перемещения на большие расстояния — в Тихо¬
океанском или в Атлантическом? Обязательно ли разраста¬
ние от оси хребта происходит в обе стороны с одинаковой
скоростью?
5. Что представляют собой зоны разломов?
6. Иногда пишут, что Тихоокеанский бассейн окружен
«огненным кольцом». На рис. 4.7 показано, что его обрам¬
ляет также серия глубоководных желобов. Какая может
быть связь между желобами и «огнем»?
7. С точки зрения нашего изучения эволюции морской
воды, заполняющей океанические бассейны, существование
глубоководных желобов гораздо менее важно, чем при¬
сутствие протяженных горных цепей на континентах вблизи
тех их окраин, где есть желоба. Объясните это.
8. Теория спрединга морского дна должна предусматри¬
вать также изменение время от времени скорости этого
процесса. Как скорость разрастания дна может влиять на
уровень воды в бассейне?
9. Между дном Тихоокеанского и Атлантического бас¬
сейнов имеется несколько существенных различий. Расска¬
жите хотя бы о двух из них.
10. На рис. 4.9 показаны два типа конвергенции плит и
один тип дивергенции. Возможны ли другие типы конвер¬
генции, дивергенции или просто скольжения плит? Назовите
регион, где в результате дивергенции образовался важный
проход для океанических течений. В каком регионе конвер¬
генция ликвидировала древнее океаническое течение?
11. Какая связь может существовать между эволюцией
гладких китов и тектоническим перемещением плит?
12. Вот вопрос получше. Если континенты непрерывно
подвергались эрозии под влиянием гидрологического цикла,
куда делся весь этот материал? Сейчас на дне океанов его
нет — возраст дна в настоящее время нигде не превышает
примерно 200 млн. лет. Следовательно, на нем не может
быть «древних» осадочных отложений.
13. И еще лучший вопрос. Сейчас, когда мы знаем, как
формируются океанические бассейны, нам известно также,
что они не могли быть намного глубже, чем в настоящее
время. Тогда каковы были бы океаны, если бы мощность
континентальной коры была вдвое большей, чем сейчас?
14. На дне океанов вдали от континентальных окраин
найдены относительно крупные булыжники. Логика подсказы¬
вает по крайней мере два естественных процесса, в результате
которых они могли отложиться. Какие это процессы?
15. Как мы приходим к выводу, что дно океанов дви¬
жется от разрастающегося хребта со скоростью от 4 до
8 см/год?
16. Напишите краткое объяснение того, почему все гра¬
ницы между океаническими бассейнами и континентами не
являются a priori границами плит.
17. Очевидно, что самые крупные животные, когда-либо
существовавшие на Земле, — синие киты — сравнительно
недавно пришли в морскую биосферу, присоединившись к
66
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
ней лишь около 30 млн. лет назад. Какими уникальными
особенностями Южного океана, возникшими в то же самое
время, можно объяснить, почему это животное развивалось
именно так?
18. Очевидно, что примерно до 4 млн. лет назад доволь¬
но мощный поток теплых поверхностных вод перемещался
из Северной Атлантики через полюс в северную часть Тихо¬
го океана. Что произошло около 3,8 млн. лет назад, нару¬
шив эту связь между океанами? Кратко опишите некоторые
последствия, к которым привело это событие.
ГЛАВА 5
КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ОКРАИНЫ
И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
Исследуем специфические переходные зоны между континентами и
океанами. Большая часть истории развития Земли как экосистемы
зафиксирована в осадочных отложениях современных океанических
бассейнов.
Где кончается континент и начинается океанический бас¬
сейн? Это принципиальный вопрос, и ответить на него
очень важно. Теория границ плит дает нам возможность
классифицировать окраины как активные, пассивные, испы¬
тывающие субдукцию и т. д. Однако по собираемым образ¬
цам мы обнаруживаем, что каждая окраина представляет
собой ошеломляющую мозаику из твердых пород и рыхлых
осадков. Какой же мы делаем вывод? Оказывается, в геоло¬
гическом прошлом моря многократно затопляли края суши,
каждый раз перерабатывая породы прежних континенталь¬
ных окраин, прорезая новые берега и приобретая новые
слои осадков.
Через эту динамически развивающуюся континенталь¬
ную окраину переносится материал, который отлагается на
дне океанов. Кроме того, вода океанических бассейнов, под¬
вергающаяся воздействию интенсивных процессов в зонах
континентальных окраин, часто несет «отпечатки» этих
процессов в своем химическом составе. Поэтому окраины и
осадки океанических бассейнов рассматриваются в одной
главе.
Общая характеристика континентальных
окраин
Основные положения
Изучение континентальных окраин началось гораздо позже,
чем развитие других разделов океанологии. По-видимому,
первым применением научного метода в геологии континен¬
тальных окраин было измерение гравитационного поля.
Большой интерес к геологии континентальных окраин воз¬
ник во время второй мировой войны в связи с потребно¬
стью в нефти, а также с необходимостью каждой страны
иметь точные карты своих собственных континентальных
окраин в целях обороны. При разведке на нефть была раз¬
работана техника регистрации сигналов, возбуждаемых по¬
верхностными взрывами и отражающимися от слоев, слага¬
ющих морское дно. Этот метод, получивший название ме¬
тода отраженных волн, наряду с методом преломленных
волн стал также хорошо служить морским геологам в ка¬
честве нового инструмента исследования морского дна. Ин¬
терпретация новых данных позволила отделить собственно
континентальные породы от продуктов эрозии, накопив¬
шихся на больших глубинах вдоль континентальных окраин.
Впервые геологи смогли «увидеть» окраины континентов на
большой глубине.
Идеализированная модель континентальной
окраины
Считающаяся теперь стандартной схема строения континен¬
тальных окраин возникла по мере накопления все большего
количества данных. Эта идеализированная схема изображе¬
на в виде разреза на рис. 5.1, а [4]. Двигаясь от берега к мо¬
рю, мы сначала пересекаем шельф, затем континентальный
склон и, наконец, континентальное подножие. Границы,
разделяющие эти части окраины континента, называют «пе¬
регибом» шельфа и «основанием» склона. Заканчивается
континентальная окраина у абиссальной равнины.
Эти три участка окраины различаются средним углом
наклона к абиссальной равнине. Шельф — очень плоская зо¬
на; очевидно, он представляет собой часть континента.
Наибольшая крутизна свойственна континентальному скло¬
ну, и, следовательно, вероятнее всего именно он является
самим «краем» континента. Континентальное подножие мы
определяем как океанический эквивалент аллювиального
конуса выноса, который часто можно наблюдать у подно¬
жия горы, т. е. континентальное подножие целиком сложе¬
но материалом, снесенным сверху. В последующих разделах
эти детали морфологии описаны подробнее.
Сравнение профилей некоторых реальных окраин
континентов
Указанные на рис. 5.1, а средние размеры, хотя и дают об¬
щее представление о типичной континентальной окраине,
могут ввести читателя в заблуждение. Полезнее сравнить
профили, проходящие через некоторые реальные окраины
континентов. На рис. 5.1, б выбранные разрезы изображе¬
ны так, что точки перегиба шельфа у них совпадают. Это
вытекает из идеи о том, что край континента приходится на
континентальный склон. Сравним профили через три раз¬
ные континентальные окраины.
1. Здесь повторен профиль через типичную окраину кон¬
тинента, изображенный на рис. 5.1, а. Этот разрез реальной
окраины, идущий от Нью-Йорка в сторону моря, приведен с
целью показать, что форма континентальной окраины, не
являющейся активной в тектоническом смысле, образуется
преимущественно в результате накопления материала, сне¬
сенного с континента и отложенного главным образом на
континентальном склоне и подножии.
2. На профиле, построенном начиная от залива Кука,
Аляска (штрихпунктирная линия), показана окраина, кото¬
рая представляет собой типичную конвергентную границу
плит. Узкая долина — Алеутский желоб — достигает глу¬
бин более 5000 м.
3. Третий профиль, показанный штриховой линией,
представляет собой континентальную окраину у берегов Ка¬
лифорнии, возле города Лонг-Бич. Два пика около берега —
острова Каталина. Заметим, что вся зона шельфа имеет не¬
правильную форму и в основании склона накапливается
очень мало осадков. Такая форма шельфовой зоны свиде¬
тельствует о том, что в пределах самой континентальной
окраины происходило образование разрывов и складок.
Кроме того, на шельфе у Лонг-Бича имеются значительные
запасы нефти.
ГЛАВА 5. КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ОКРАИНЫ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
67
Прибрежная
равнина
1*Т
I I
I I
Шельф
Континентальное
подножие
Рис. 5.1. Строение континенталь¬
ных окраин [4].
Ширина 0-600 км
Континентальный
склон
■*г >1*-
Средняя ширина 75 км | Ширина |
I 2°- I
| 100 км |
1 (Средний уклон 1,7м/км(0,1°)| Средний |
Уклон 1-10 м/км
1
1
1 1
| | Нью-Йорк
| уклон |
I 70м/км |
1
1
! ' 4
1 (4°) 1
Уровень моря
1
Перегиб шельфа, в среднем 130 м '
1
ж 1
\'/'
1
1
1. (б) 7
Континентальная терраса
—
(а)
(а) Средние размеры континентальных окраин и амплитуды колебания этих размеров
на земном шаре очень изменчивы. Глубина основания склона 1,5—3,5 км. Вертикаль¬
ный масштаб увеличен в 20 раз.
Расстояние, мор.мили
(б) Континентальные окраины трех типов размещены таким образом, что все перегибы
шельфа на графике находятся в одной и той же точке. На профиле, проходящем через
Нью-Йорк, представлена типичная пассивная окраина. На профиле через зал. Кука
(Аляска), где изображена тектонически активная окраина, отчетливо видна зона субдук-
ции с хорошо развитым глубоководным желобом. На профиле через Лонг-Бич показана
активная зона, где нет глубоководного желоба, — здесь плиты скользят одна мимо дру¬
гой не сталкиваясь.
Континентальные окраины
с точки зрения морского права
В 1982 г. 177 стран подписали соглашение, названное Кон¬
венцией по морскому праву. Эта конвенция послужила тол¬
чком к тому, чтобы государства договорились по двум во¬
просам, касающимся океанов. Во-первых, на какое расстоя¬
ние от принадлежащих стране берегов распространяется ее
юрисдикция? Во-вторых, кто «владеет» экономическими ре¬
сурсами остальной части океана? Первый из этих вопросов,
в настоящее время определяемый как вопрос о границах
особой экономической зоны (ЭЗ), рассматривается в начале
гл. 19. Взглянув на рис. 19.3, читатель поймет, как изобра¬
женная на рис. 5.1, а геологическая модель служит в то же
время и моделью границ ЭЗ.
Тектоника плит на краю континента
Гипотезы глобальной тектоники возникли примерно в то же
самое время, когда была проведена топографическая съемка
континентальных окраин. Логично было бы применить ги¬
потезу распада суперконтинента Пангеи, чтобы посмотреть,
насколько хорошо можно «подогнать» друг к другу разные
континенты. В 1965 г. Буллард и др. [2] составили програм¬
му для компьютера, чтобы проверить все возможные вари¬
анты соединения континентов и выявить наибольшее соот¬
ветствие. Они обнаружили, что наилучшее совмещение до¬
стигается, если в качестве «края континента» использовать
изобату 1000 м (500 морских саженей). На рис. 5.2 приведена
блок-диаграмма тектонического строения края континента.
Континентальный склон
Уровень глубины 1000 м попадает в область континенталь¬
ного склона (рис. 5.2), поэтому мы начнем описание с него.
Большинство континентальных склонов имеет хорошо вы¬
раженную верхнюю границу там, где пологий уклон шельфа
резко сменяется крутым в верхней части континентального
склона. Средняя для Земли глубина этого перегиба равна
примерно 130 м.
Обычно вначале уклон составляет около 4°. Под укло¬
ном подразумевается градиент, с которым растет глубина
68
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
Рис. 5.2. Основные особенности пе¬
реходной зоны между континентами
и океаническими бассейнами.
дна; уклон в 4° соответствует изменению глубины в 7 м на
расстоянии 100 м по горизонтали. Он остается постоянным
вплоть до глубины 1000 — 2000 м, где угол наклона меняет¬
ся. На континентальной окраине, содержащей глубоковод¬
ный желоб, уклон часто увеличивается, по мере того как
склон погружается на большую глубину ко дну желоба. На
окраинах, не имеющих глубоководных желобов, например у
восточного побережья США, угол наклона уменьшается при
переходе к более пологому континентальному подножию.
Континентальный склон представляет собой зону пере¬
хода, которая соединяет два характерных высотных уровня
земной поверхности (рис. 4.3) — средний уровень суши над
поверхностью моря, равный 840 м, и средний уровень дна
океанических бассейнов на глубине 3900 м. Может показать¬
ся странным, что эта переходная зона столь узка, обычно
всего около 35 км. Континентальное подножие, напротив,
может простираться на сотни километров от основания
склона по направлению к абиссальной равнине открытого
моря.
Можно предполагать, что главной особенностью конти¬
нентального склона является накопление осадков, поступаю¬
щих сюда в результате эрозии континентов, и это действи¬
тельно так. Примерно 3/4 объема осадков, имеющихся во
всех океанических бассейнах, находится в узкой полосе кон¬
тинентальных окраин, и основная часть этих осадков, как
показано на рис. 5.2, приходится на континентальные скло¬
ны и подножия.
Два вопроса, связанные с областями континентальных
склонов, необходимо обсудить особо. Первый — об относи¬
тельно равномерном их наклоне, а второй — о каньонах с
крутыми стенками, пересекающих собственно континенталь¬
ный склон.
Формирование континентального склона
Материал, сносимый с континента, доставляется реками к
континентальной окраине и обычно сначала откладывается
на шельфе. Затем прибрежные течения постепенно переме¬
щают продукты эрозии к его краю — перегибу шельфа; от¬
сюда они выносятся вниз, на поверхность континентального
склона. За достаточный период времени этот литогенный
материал (что означает его происхождение из пород конти¬
нентов) накапливается и формирует собственно континен¬
тальный склон. Накопление продолжается до тех пор, пока
вертикальный угол естественного откоса неконсолидирован¬
ного осадка не достигнет критического значения. Дальней¬
шее добавление материала создает в некоторых местах не¬
устойчивое равновесие, и часть склона начинает сползать.
Этот процесс продолжается, пока весь участок не достигнет
в конце концов постоянного среднего наклона. Наклон за¬
висит от двух факторов. Во-первых, по размеру зерен скло¬
новые осадки изменяются от песка до тонких илов; более
крупные зерна образуют более крутой уклон. Во-вторых, на
угол наклона влияет энергия, которая передается данному
участку склона, например, от сильных океанических тече¬
ний, идущих вдоль склона, или от сильных землетрясений.
Одно из доказательств сползания — присутствие многочис¬
ленных «оползневых масс», которые показаны на рис. 5.2.
ГЛАВА 5. КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ОКРАИНЫ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
69
80°
75°
70°
65°
45°
40°
35е
30°
25е
Рис. 5.3. Физиографическая карта восточ¬
ного побережья США [6].
Образование геологических разрывов на континентальных
склонах. Поскольку разница между средними высотными
отметками суши и дна океанов очень велика — почти
5000 м, — считают, что от края континента откалываются
крупные блоки. Геологи называют этот процесс сбросооб-
разованием. Он может придавать окраине континента тер¬
расовидный характер, особенно на континентальном склоне.
Три таких террасы читатель может найти на профиле через
залив Кука (рис. 5.1, б). В конце концов они могут запол¬
няться осадками и исчезать. Примером очень крупной тер¬
расы является плато Блейк у берегов штатов Флорида и Се¬
верная и Южная Каролина. Оно протягивается примерно на
200 км в сторону моря при одной и той же глубине около
800 м (рис. 5.3).
Другие нарушения континентального склона. Хотя для кон¬
тинентальных склонов типичны однородные осадки и оди¬
наковые углы наклона, их рельеф часто нарушается обнаже¬
ниями скальных пород явно не осадочного происхождения.
Это свидетельствует о том, что первоначальные окраины
континентов имели весьма неправильную форму. Многочис¬
ленные осадочные ловушки, в настоящее время заполнен¬
ные, иногда исследуют с целью определить, нет ли в них за¬
лежей нефти.
Подводные каньоны
Немногие объекты морской геологии, когда они были опи¬
саны впервые, так возбуждали интерес ученых, как прореза¬
ющие континентальные окраины крупные подводные каньо¬
ны. На рис. 5.2 типичный каньон с крутыми стенками пере¬
секает и шельф, и континентальный склон. На рис. 5.3 об¬
ширный участок, взятый из серии физиографических карт
Хейзена и Тарп, содержит несколько каньонов. Самый круп¬
ный из них, каньон Гудзон, протягивается на сотни кило¬
метров; он начинается на шельфе перед устьем реки Гудзон,
глубоко врезается в континентальный склон и подножие и
затухает в основании континентальной окраины на абис¬
сальной равнине Северной Атлантики.
70
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
Горизонтальный масштаб, мили
Рис. 5.4. Сравнение рельефа по профилям через Большой каньон и
через каньон Монтерей — подводный каньон у берегов зал. Монте¬
рей, Калифорния. И по размерам, и по форме эти каньоны очень
похожи [11]. Вертикальный масштаб в 5 раз крупнее горизонталь¬
ного. 1 фут ~ 0,3 м, 1 миля » 1,6 км.
Размеры подводных каньонов. Перепад высот у подводных
каньонов может быть весьма внушительным и не уступать
рельефу подобных каньонов на суше, например Большого
каньона. На рис. 5.4 сравнивается рельеф Большого каньона
и подводного каньона Монтерей у берегов Калифорнии. На¬
земные и подводные каньоны сравнимы не только по разме¬
рам и амплитудам рельефа, но, кроме того, и у тех и у дру¬
гих развиты разветвленные системы питающих каньонов.
Соотношение каньонов и крупных рек. Наземные и подвод¬
ные каньоны различаются в одном чрезвычайно важно от¬
ношении — их зависимости от крупных рек. Геологам очень
хорошо известны силы, которые обусловливают форму и
врезание речных русел, но как развиваются подводные
каньоны — до сих пор твердо не установлено. Все наземные
каньоны — как современные, так и древние — возникли в ре¬
зультате эрозии под действием рек. На континентах ветровая
эрозия обычно развивается по менее прочным геологическим
формациям или по линиям структурных разрывов. (В геоло¬
гии термин «разрыв» обозначает зону, где два крупных бло¬
ка земной коры скользят один относительно другого.)
Крупные подводные каньоны, напротив, ни с какой
крупной рекой непосредственно не связаны, например два
больших каньона около мыса Хаттерас (рис. 5.3). Каньон
Монтерей тоже относится к этой категории. Короче говоря,
несоответствие между расположением известных рек и
крупных подводных каньонов — одна из волнующих про¬
блем современной морской геологии.
Каньоны и изменения уровня моря. Не могли ли каньоны
сформироваться в прошлые геологические эпохи, когда уро¬
вень моря был гораздо ниже и сами речные русла протяги¬
вались в сторону моря по крайней мере до перегиба шель¬
фа? В висконсинскую ледниковую эпоху (10—120 тыс. лет
назад) уровень моря был на 100—150 м ниже, а в период ил-
линойсского оледенения (240—360 тыс. лет назад) он пони¬
жался примерно на 200 м.
Большинство крупных подводных каньонов простирается
далеко за пределы перегиба шельфа и даже глубже 200 м.
Многие из них тянутся вниз по поверхности собственно кон¬
тинентального склона, пока не исчезнут, а другие, например
каньон Гудзон, протягиваются через континентальное под¬
ножие до абиссальной равнины. Чтобы сам речной поток
вызвал врезание каньона, он должен был бы, входя в океан,
погружаться до больших глубин. Этого не бывает. Плот¬
ность речной воды, даже несущей осадки, меньше плотно¬
сти морской воды, и выталкивающая сила просто разносит
ее от устья реки по поверхности моря.
Если бы уровень моря понизился
примерно на 1000 м, мы, вероятно,
смогли бы «увидеть» подводные
каньоны, которые по рельефу очень
похожи на эти верховья Большого
каньона р. Колорадо. Утесы на зад¬
нем плане снимка представляли бы
собой прежнюю береговую линию, а
плато на переднем плане — шельф, в
который был врезан подводный
каньон вместе с древовидной систе¬
мой питающих русел.
ГЛАВА 5. КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ОКРАИНЫ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
71
Другое объяснение врезания каньона — поднятие берега.
В течение геологического времени, по мере того как проис¬
ходило поднятие, существовавшие реки могли медленно
пропиливать каньоны; когда же впоследствии окраина ис¬
пытала погружение, каньоны должны были в ней остаться
как часть уже сформировавшегося рельефа. Но если принять
это объяснение, то вследствие широкого распространения
каньонов в настоящее время придется допустить буквально
массовый подъем континентальных окраин. Крупные под¬
водные каньоны обнаружены на окраинах всех океанов,
включая Северный Ледовитый.
Турбидные потоки и врезание каньона. В 1950-е годы группа
морских геологов из Скриппсовского океанографического
института показала, что под водой смесь песка, ила и воды
может перемещаться на значительные расстояния, не теряя
массы переносимого материала. Считают, что эти потоки,
названные турбидными (мутьевыми), или, правильнее,
плотностными течениями, достигают очень высоких ско¬
ростей. Как показывают теоретические расчеты, возможны
скорости вплоть до 80 км/ч в зависимости от типа и коли¬
чества осадков, а также наклона морского дна, по которому
перемещается поток.
Что же является доказательством существования в оке¬
ане мутьевых потоков? Классический случай, описываемый
в большинстве работ по океанологии, — обрыв серии
трансатлантических телеграфных кабелей в Северной Ат¬
лантике. Кабели были проложены известными курсами на
континентальном склоне у берегов острова Ньюфаундленд.
Поскольку компании, проложившие кабели, точно знали,
когда был оборван и где лежит каждый из них, они сумели
показать, что огромный подводный оползень мог разорвать
все кабели, если он двигался со скоростью около 60 км/ч!
Впоследствии мы закартировали каньон Конго и установи¬
ли, что он проникает до самого речного русла на сушу на
расстояние, вероятно, до 20 км. Река Конго несет огромный
груз осадков. Измерения в каньоне Конго показали, что
около 50 потоков в год можно отнести к типу турбидных.
Каковы же физические причины, способные создать тур¬
бидные потоки? Прежде всего это землетрясения. Сотрясе¬
ния могут привести слой неконсолидированных осадков в
полужидкое состояние. Такая жидкость должна обладать
очень большой плотностью из-за огромной массы взвешен¬
ных частиц. Даже если частицы находятся во взвешенном
состоянии только короткое время, жидкость может начать
двигаться. По мере того как это происходит, поток стано¬
вится все более турбулентным, увлекает с собой еще боль¬
ше осадков и, теряя устойчивость, вырастает в мощный
плотностной поток.
Правда, специалисты не пришли еще к согласию о том,
достаточной ли способностью к эрозии обладают плотност¬
ные течения. Все сходятся во мнении, что турбидные пото¬
ки ответственны за намывные русловые структуры, наблю¬
даемые на поверхностях аллювиальных конусов выноса в
области континентальных подножий (см. рис. 5.2). Однако
не решен еще вопрос, достаточна ли их мощность для раз¬
мывания твердого вещества гранита и кварцсодержащих по¬
род, слагающих стенки многих глубоких каньонов.
Мутьевые потоки в каньонах, не связанных с реками. Есть и
другая причина возникновения мутьевых потоков, с по¬
мощью которой можно объяснить, как сформировались
каньоны вдали от устьев рек. В гл. 18 читатель узнает, что
повсюду вдоль берегов постоянно перемещаются значитель¬
ные количества песка. Этот процесс, называемый литораль¬
ным переносом, происходит за счет энергии волн, разбива¬
ющихся о пляж; это основной процесс, благодаря которому
пески распределяются вдоль океанских берегов. В конце кон¬
цов такие осадки попадают в верховья каньона и захватыва¬
ются им. Затем каньон становится тем путем, по которому
осадки переносятся к внешним границам континентальной
окраины, обычно в виде эпизодических турбидных потоков.
Континентальный шельф
Шельф представляет собой мелководный край континента.
Он — неотъемлемая часть самого континента, а не океани¬
ческого бассейна. Присутствие этих платформоподобных
плоских участков на всех континентах доказывает способ¬
ность океанов врезаться в континенты и размывать поверх¬
ность их окраинных зон. Следовательно, доминирующими
процессами формирования шельфа являются эрозия и осад¬
конакопление. По словам Шепарда [11], «один из основных
принципов геологии состоит в том, что процессы эрозии и
накопления осадков стремятся либо понизить уровень суши,
либо повысить, т. е. приблизить его к уровню моря».
Действительно, континентальный шельф можно рас¬
сматривать как отдельную динамическую систему, которую
контролируют три фактора: 1) поток осадочного материа¬
ла, который переносится через границу континента, с суши
в океанический бассейн; 2) скорость этого потока, при кото¬
рой энергия его оказывается достаточно большой для того,
чтобы перемещать осадки до шельфа, размещать их по
шельфу и выносить материал за его пределы, и 3) история
формирования и разрушения шельфа.
Распределение шельфовых зон на земном шаре
На рис. 5.1, а видно, что средняя ширина всех шельфов рав¬
на 75 км, а средняя глубина воды в точке, где шельф перехо¬
дит в континентальный склон, 130 м. Уникальной особен¬
ностью шельфов является то, что колебания глубины пере¬
гиба шельфа в среднем весьма невелики, но ширина шель¬
фов изменяется в самых широких пределах из всех зон кон¬
тинентальных окраин — от 0 до более 1000 км для шельфа у
берегов Сибири в Северном Ледовитом океане. На рис. 5.5
показано распределение шельфов по земному шару.
С первого взгляда на Америку видно, что с атлантичес¬
кой стороны и Северной и Южной Америки шельф гораздо
шире, чем с тихоокеанской. Причина этого ясна. Западные
берега представляют собой, вообще говоря, границы, об¬
разовавшиеся в результате столкновения Американской и
Тихоокеанской плит. Атлантическое же побережье — пас¬
сивная окраина. Его обширные прибрежные равнины, эстуа¬
рии и шельфовые области обладают обильными запасами
рыбы. Мексиканский залив также богат ресурсами — и
рыбными, и минеральными. Двигаясь вдоль восточного по¬
бережья на юг, мы видим обширные шельфовые зоны у се¬
веро-восточного берега Южной Америки, соответствующие
дельтам крупных рек — Амазонки и Ориноко. Южнее, у бе¬
регов южной части Аргентины, обширная шельфовая зона
включает Фолклендские острова и сравнительно мало иссле¬
дована.
Вдоль Тихоокеанского побережья шельфы узкие, во мно¬
гих регионах — всего несколько километров. Только в Бе¬
ринговом море мы обнаруживаем действительно обширные
мелководные континентальные окраины. Шельф Берингова
моря огромен, простирается примерно на 500 км в ширину и
более чем на 700 км в длину.
Шельф Берингова моря чрезвычайно продуктивен в отно-
72
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
шельфовые области у берегов Сибири; 2) богатые ресурсами шель¬
фы Берингова и Чукотского морей у берегов Аляски; 3) Канадский
Арктический архипелаг и Гудзонов залив, тоже относительно мало
исследованные; 4) восточное побережье США и полуостров Новая
Шотландия; 5) Мексиканский залив вместе с Карибским морем и
обширными отмелями возле устьев рек Ориноко и Амазонки около
стемой Австралии — Новой Гвинеи; 8) система Индонезийского ар¬
хипелага; 9) шельф Восточно-Китайского моря и 10) шельфы Север¬
ного и Балтийского морей в Европе. (Из-за искажения, присущего
проекции Меркатора, в высоких широтах площади кажутся больше
истинных.)
шении рыболовства. Далеко на севере в Канадском Аркти¬
ческом архипелаге сейчас ведется разведка на нефть. На вос¬
точном побережье Северной Америки имеются крупные
мелководные внутренние моря — Гудзонов залив и море
Баффина. В течение длительного времени они играли важ¬
ную роль в жизни северного племени иннуитов*.
Вероятно, самый обширный и наименее исследованный
шельф находится у холодных арктических берегов Сибири.
У берегов Восточной Сибири он протягивается в Северный
Ледовитый океан более чем на 1000 км; большую часть вре¬
мени он покрыт многолетним паковым льдом, и о его ре¬
сурсах известно мало. Шельф Северной Европы, напротив,
не только широк и простирается от Британских островов до
внутренней мелководной части Балтийского моря, но и, кро¬
ме того, обладает богатыми ресурсами и хорошо изучен.
Для Азии также характерны обширные шельфовые зо¬
ны — от покрытого льдом Охотского моря до архипелага
* Иннуиты — одно из эскимосских племен Америки в отличие от
юитов, или азиатских эксимосов, а также — арктические эскимосы
в отличие от алеутов. Иннуиты (а также юиты) значит «люди».
(См. Webster’s New International Dictionary: Second Edition, London,
G. Bell & Sons, Ltd., 1958.) — Прим, nepee.
Индонезии. Австралия тоже имеет широкий шельф, особен¬
но на севере вместе с островом Новая Гвинея.
Некоторые из этих шельфов, вероятно, хорошо известны
читателю в другом смысле. Например, обширный шельф
Берингова моря между Аляской и Сибирью, вместе с еще
большим шельфом около обращенных к полюсу берегов
этих земель, представляет собой «сухопутный мост», по
которому древние люди переселились в Северную Америку.
В течение плейстоценовой эпохи — периода, охватывающе¬
го последний миллион лет геологической истории, — не¬
сколько ледниковых циклов вызвали опускание уровня моря
ниже средней глубины этого огромного шельфа. С другой
стороны, крупные шельфовые регионы, такие как Беринго¬
во море и Северное море у берегов Норвегии и Великобри¬
тании, являются основными районами рыболовства. В неко¬
торых из них имеются и значительные запасы нефти. Дру¬
гие — главным образом мелководный шельф, соединяющий
тысячи островов архипелага Индонезии, пятой страны мира
по плотности населения, — государства считают своей суве¬
ренной территорией. Действительно, в настоящее время за
право владения шельфом ведутся войны. Короткая война
между Великобританией и Аргентиной в 1982 г., предлогом
для которой послужили Фолклендские острова, на самом
деле велась из-за потенциально богатых своими ресурсами
ГЛАВА 5. КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ОКРАИНЫ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
73
(а) Слоистые осадки в пределах пассивной окраины. Клиновидная форма слоев объясни-
ется их опусканием.
(б) Наращивание континента осадками (аккреция) на активной окраине, испытывающей
субдукцию.
Рис. 5.6. Два типа континентальных окраин (вид в разрезе).
шельфовых зон вокруг этих островов. По-видимому, из
шельфовых областей на востоке лучше всего известна та,
которая простирается к востоку от северо-восточных бере¬
гов Австралии и обрывается на своем перегибе знаменитым
Большим Барьерным рифом.
Описание шельфов земного шара
Если глубина перегиба шельфа на удивление постоянна по
всему земному шару, следует ли из этого, что для шельфов
повсюду характерен особый тип строения? И да и нет.
Да — если рассматривать лишь чехол поверхностных осад¬
ков, нет — если считать шельф не чем иным, как частью
континентальной окраины и рассматривать его в разрезе.
Главное здесь то, что в течение геологического времени
континентальные окраины были свидетелями многократных
трансгрессий и регрессий океана. Шельфовые зоны были со¬
зданы и переработаны самой последней серией наступлений
и отступлений моря, вызванных чередованием ледниковых
эпох и межледниковых периодов; эти трансгрессии — ре¬
грессии послужили причиной однообразия рельефа и глубин
перегиба шельфа, которые мы наблюдаем сегодня.
Глубинное строение. Рассмотрим сначала глубинное строе¬
ние шельфов (рис. 5.6). Под чехлом современных отложений
мы обнаруживаем осадки с беспорядочной текстурой от
консолидированных илов до карбонатных песков и даже бо¬
лее грубого материала. Окраины континентов — первое и
главное место отложения материала, который сносится с
внутренних частей континентов. С течением геологического
времени дополнительный вес осадков, накапливавшихся
слой за слоем, вызывает их погружение; под действием это¬
го веса залегающие глубже слои перемещаются вниз, в ман¬
тию, поскольку прибрежный регион стремится сохранить
свое изостатическое равновесие. Там, где эти слои выходят
на поверхность, их называют «реликтовой» структурой.
В зоне пассивной (в смысле границ плит) окраины
(рис. 5.6, а) мы обнаруживаем слоистую структуру того ти¬
па, который называют «нависающим краем». Последова¬
тельно залегающие слои имеют форму клиньев; под ними
74
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
могут лежать породы континента, нарушенные разрывами,
или они могут быть сами нарушены разрывами. Зная, что
море то наступало на сушу, то отступало, можно рассмат¬
ривать эти слои как исторические свидетельства взаимо¬
действия океана с континентом вдоль изменчивой границы,
всегда находящейся в движении. Керны, полученные из неф¬
тяных скважин, — наши основные свидетели этих структур,
особенно расположения зон разломов (в которых часто
встречаются нефтяные и газовые ловушки).
В зоне активной континентальной окраины слои выгля¬
дят иначе (рис. 5.6, б). Кроме того, испытывающая субдук-
цию океаническая кора может быть лишена своего осадоч¬
ного чехла. Пачка слоев может быть срезана с погружаю¬
щейся коры и накапливаться в виде призмы новой «суши»,
которая присоединяется к континенту (геологи используют
для нее термин «аккреционная призма»; см. также
рис. 21.13). Считают, что собственно шельф обычно очень
узок. Вдали от моря можно обнаружить реликтовые терра¬
сы, которые представляют собой древние пляжи и пред-
фронтальные зоны пляжей, поднявшиеся во время более
ранних процессов аккреции. Одну из своих самых любимых
реликвий — зуб ископаемой акулы — я откопал в Чили на
одной такой террасе вдали от моря около города Кокимбо;
этот зуб особенно дорог мне, поскольку ту же самую мест¬
ность когда-то посетил Чарлз Дарвин, путешествуя на ко¬
рабле «Бигль» [3]; он тоже нашел окаменелости и понял,
что это место — реликтовый пляж.
Современный осадочный чехол шельфа. В целом мы обна¬
руживаем, что текстура поверхностных осадков постепенно
изменяется от грубозернистого песка вдоль предфронталь-
ной зоны пляжа (до глубины порядка 50 м) до алевритовых
фракций и даже более тонких илов в пределах зон среднего
и внешнего шельфа. Это распределение в значительной сте¬
пени соответствует интенсивности физических процессов,
которые перемещают осадок.
Из схем, приведенных на рис. 5.6, может возникнуть впе¬
чатление, что дно шельфа гладкое и лишено рельефа. Это,
безусловно, не так, особенно там, где ширина шельфа вели¬
ка и способные перемещать осадки гидравлические силы об¬
условлены главным образом действием волн и вызванных
штормами шельфовых течений. Шельфы Атлантического
побережья США вполне соответствуют этому типу. На
рис. 5.7 показана геоморфологическая карта шельфа Средне¬
атлантического залива — структуры, которая протягивается
от Лонг-Айленда до шт. Виргиния. Рельеф дна здесь весьма
разнообразен: встречаются банки, определяемые как отме¬
ли, сложенные неконсолидированным материалом морского
дна; очень важные для прохода кораблей русла и многое
другое. Своевременное составление и уточнение карт измен¬
чивого рельефа шельфовых областей входит в обязанности
Национальной службы исследования океана (прежде — Бе¬
реговой и геодезической службы США).
Источники энергии на шельфе. Рассмотрим кратко источни¬
ки энергии, действующие на шельфе, и вопрос о том, какая
их мощность достаточна для перемещения осадков и форми¬
рования береговой линии. На рис. 5.8 представлена общая
модель, применимая для любого шельфового региона. Глав¬
ные источники энергии — волны, вызываемые ветром, дру¬
гие длинные волны, прибрежные течения и речной сток.
Уже давно известно, что текущая над песчаным дном во¬
да может располагать песок в виде мелких волн. Чтобы
установить, существует ли такая песчаная рябь на шель¬
фе, океанологи произвели фотосъемку шельфа у берегов
шт. Орегон до глубин, превышающих 200 м [8]. Они обна¬
ружили знаки ряби по всему шельфу и показали, что вы¬
звать их образование и, следовательно, движение осадков
могут ветровые волны. Как читатель узнает из гл. 17, ос¬
новная часть энергии ветровых волн высвобождается тогда,
когда они разбиваются в зоне прибоя при глубине воды до
15 м. Вот почему прибрежные осадки представлены грубозер¬
нистыми песками; тонкозернистые фракции в этой зоне, ха¬
рактеризующейся высокой энергией, остаются в виде взвеси.
Приливные течения не обеспечивают полного переноса
осадков вдоль открытого побережья. Однако в руслах рек и
Рис. 5.7. Типичные для обширных шельфов элементы рельефа, образовавшиеся под
действием волн, рек, прибрежных течений и течений, вызванных штормами. На рисун¬
ке изображен Среднеатлантический залив [12].
ГЛАВА 5. КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ОКРАИНЫ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
75
Рис. 5.8. Физические процессы, обусловливающие перемещение, размыв и отложение прибрежных осадков.
эстуариях они являются главной движущей силой. В средней
и внешней частях шельфа главными переносчиками тонко¬
зернистого аргиллитового материала являются устойчивые,
не меняющие направления прибрежные течения. Об этом
свидетельствует множество примеров. В Мексиканском за¬
ливе мы обнаруживаем илы из выноса реки Миссисипи, пе¬
ренесенные на запад вплоть до южного окончания шт. Те¬
хас у Браунсвилла, т. е. на 800 км. Илы и алевриты из устья
реки Ориноко покрывают шельф на расстоянии свыше
1000 км вдоль северо-восточного побережья Южной Америки.
Вероятно, наиболее важным источником энергии являет¬
ся локальный зимний шторм. Экспериментальные исследо¬
вания у берегов шт. Вашингтон [7] показывают, что при¬
донные течения, достаточно сильные, чтобы перемещать
донные алевритовые осадки, существуют приблизительно в
продолжение 4% времени, и эти эпизоды четко коррелиру¬
ют с локальными зимними штормами. У побережья Атлан¬
тики эти штормы всегда бывают «северо-восточными».
Они начинаются по мере того, как ячейки низкого атмо¬
сферного давления (штормовые ячейки) перемещаются
вдоль Атлантического побережья в северном направлении;
ветры и волны, которые достигают берега, движутся с севе¬
ро-востока. Штормовые течения, образующиеся во время
этих событий, вызывают массовое перемещение осадков на
дне шельфовой области, слагающих отмели, изображенные
на рис. 5.7.
Шельф и изменения уровня моря
Из всех зон, составляющих континентальную окраину, —
шельфа, склона и подножия, — наиболее непосредственно
изменения уровня моря влияют на шельф. Прибрежные рав¬
нины с плоскими приливно-отливными зонами и маршами
вместе с эстуариями — все является частью этого динами¬
ческого режима (см. также гл. 18). На все эти области, как
схематически изображено на рис. 5.9, влияет повышение и
понижение уровня моря.
Трансгрессия моря. Уровень моря, начиная с последнего мини¬
мума (18 000 лет назад), быстро повышался (см. рис. 4.12, г) и
около 2000 лет назад почти достиг современного положе¬
ния. С тех пор он продолжает подниматься, но гораздо
медленнее. С 1930 г. уровень моря у побережья Атлантики
повышается со скоростью 3 мм/год, т. е. поднялся всего
примерно на 15 см. В настоящее время происходит транс¬
грессия моря, хотя и относительно медленная.
Что происходит во время медленной трансгрессии моря
с предфронтальной зоной пляжа? На рис. 5.9 схематически
изображены два варианта такой ситуации. В первом случае
(см. рис. 5.9, а, где приведен разрез шельфовой зоны) море,
уровень которого поднимается, медленно размывает пред-
фронтальную зону пляжа. Она становится основным источ¬
ником нового осадочного материала для шельфа, и этот ма¬
териал распределяется по шельфу в виде тонкого покрова
современных отложений (рис. 5.9, б). Значительная его
часть перемещается вдоль береговой линии (объяснение ли¬
торального переноса см. на рис. 18.10). Часть этого перено¬
симого вдоль берега материала попадает в подводный кань¬
он и по нему проделывает путь до абиссальных равнин;
другая часть заносится внутрь эстуариев и отлагается там.
Конечно, река доставляет весь груз своих осадков в при¬
брежную зону независимо от морской обстановки. Но когда
уровень моря медленно поднимается, болотистые низменности
и марши прибрежной равнинной области также получают
больше воды во время приливов, и при таком новом затопле¬
нии откладываются дополнительные осадки (рис. 5.9, б). Ис¬
следования прибрежной равнины Атлантического океана по¬
казали, что наращивание обширных болотистых низменно-
76
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
Рис. 5.9. Источники и места отложения
прибрежных осадков во время трансгрессии
(а, б) и регрессии (в, г) моря.
стей «поглощает» практически все тонкие илы, которые
приносят текущие по ним реки [10].
Это неожиданный результат, имеющий некоторые важ¬
ные для нас следствия. Например, мы знаем, что многие за¬
грязняющие химические вещества достигают прибрежной
зоны уже в связанном виде с другими частицами — обычно
с более тонкими фракциями типа глины. То, что они накап¬
ливаются в пределах заболоченных низменностей, а не пере¬
носятся через шельф по направлению к абиссальным глуби¬
нам, имеет большое значение для экологии береговой зоны.
ГЛАВА 5. КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ОКРАИНЫ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
77
Рис. 5.10. Мощность донных отложений в Мировом океане [1].
Регрессия моря. Противоположный случай — регрессия
моря — изображен на рис. 5.9, в и г. Когда уровень моря
понижается, волны размывают существующие на морском
дне осадки. Сам обширный шельф становится источником
осадочного материала. Часть осадков откладывается в
предфронтальной зоне пляжа по мере того, как она переме¬
щается вместе с отступлением воды.
Когда море отступает, «истоки» реки занимают более
высокое положение относительно уровня моря и, следова¬
тельно, способность реки к эрозии возрастает. Вместо
пойм, где откладывались новые осадки, материал в резуль¬
тате эрозии выносится с прибрежных равнин на шельф и в
открытый океан.
Глубоководные осадки
Далее мы рассмотрим осадочный материал, покрывающий
обширное пространство океанического дна, и зададимся сле¬
дующими вопросами. Какова мощность осадков, залегаю¬
щих на дне океанических бассейнов? С какой скоростью они
накапливаются? Относятся ли осадки повсюду к одному и
тому же типу, т. е. позволяют ли различия в типах вещест¬
ва, составляющего осадки, определять, какие биологические
и геохимические процессы происходят в самом океане? И
каковы зависимости между материалом дна бассейнов и
процессами, происходящими в прибрежной зоне?
Мощность океанических осадков
На рис. 5.10 показано, как изменяется от места к месту
мощность осадков, перекрывающих океаническую кору.
Сплошными линиями изображены срединно-океанические
хребты — центры разрастания новой океанической коры.
Если посмотреть на распределение осадков в связи с распо¬
ложением центров спрединга, тотчас же вырисовывается
довольно интересная картина. Прежде чем проанализиро¬
вать ее детали, укажем принятые интервалы мощностей: за¬
штрихованные площади соответствуют мощности осадков
до 100 м, закрашенные черным площади — мощности бо¬
лее 1000 м, а незакрашенные участки между ними следует
понимать как области, в которых мощность осадков заклю¬
чена между этими экстремальными значениями.
Мощность осадков, связанных с хребтами. На океанических
хребтах слои осадков, несомненно, повсюду самые мало¬
мощные. Конечно, этого следовало ожидать, поскольку
хребты — наиболее молодые участки океанического дна.
Осадки, которые связаны с хребтами (рис. 5.11), относятся
главным образом к типу известковых илов. И, как было
показано ранее (см. 4.1 и 4.6), зоны хребтов представляют
собой относительно мелководные участки океанических бас¬
сейнов, так как возвышаются на 2000 м над уровнем сосед¬
них абиссальных равнин. Общий вывод состоит в том, что
в мелководных частях океанических бассейнов преобладают
известковые илы. В дальнейшем мы рассмотрим эту корре¬
ляцию подробнее.
Размещение самых мощных осадков. На рис. 5.10 черным
цветом показаны осадки, мощность которых превышает
1000 м. Мы сразу же приходим к поразительному выводу:
оказывается, самые мощные осадки развиты вблизи конти¬
нентов. В частности, они встречаются чуть мористее пере¬
гиба континентального склона. Чтобы проверить это, чита¬
тель может попытаться «наложить» зоны, закрашенные
черным на рис. 5.10, на рис. 5.5, где показано распределение
шельфов на земном шаре.
Эта корреляция позволяет вывести по крайней мере че¬
тыре следствия. Во-первых, из аргументов тектоники плит
мы знаем, что океаническая кора остывает и опускается
с удалением от хребта, в зоне которого происходит спре-
динг; в результате осадки стремятся перемещаться по на¬
правлению к наиболее глубокой части бассейна. Во-вторых,
78
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
Г ’ • . | Известковые V////A Кремнистые
Г ♦ ’ : -I илы Y////A илы
I 1 Осадки
I I шельфа и
склона
| ~ I Глубоководные Г<>
I—— I илы
Ледниковые
наносы
Осадки
глинистые
или
отсутствуют
Рис. 5.11. Распределение современных осадков на дне океанов [1].
к этим закрашенным черным цветом площадям относится
большинство зон континентального подножия; обратясь к
рис. 5.2, мы увидим, что они представляют собой зоны ко¬
нечного отложения терригенного материала. В-третьих,
наибольшие площади мощные толщи осадков занимают в
Атлантическом океане, почти целиком окруженном пассив¬
ными окраинами и хорошо развитыми континентальными
подножиями. В противоположность этому осадки Тихооке¬
анского бассейна, почти со всех сторон окруженного конти¬
нентальными окраинами, в которых происходит субдукция,
не занимают таких больших площадей и не достигают та¬
ких мощностей. В-четвертых, существует прямая корреля¬
ция между закрашенными черным цветом зонами развития
мощных осадочных отложений и крупнейшими реками ми¬
ра. В Атлантику поступает осадочный материал из огром¬
ного водосборного бассейна через Амазонку, Ориноко, Кон¬
го, Нил, Миссисипи и всех крупных рек Арктического бас¬
сейна. Кроме того, наблюдается прямая корреляция зачер¬
ненных зон к западу от Индии — с рекой Инд, а к восто¬
ку — с реками Ганг и Брахмапутра, несущими самый боль¬
шой в мире груз осадков (данные о реках см. в табл. 18.1).
Типы океанических осадков
На рис. 5.12 в обобщенном виде представлены главные ис¬
точники осадков и способы их переноса и отложения. Глав¬
ным источником материала служат минеральные продукты
эрозии ядра континентов или древних осадочных пород,
пепловые обломки, извергавшиеся из вулканов, и горячие
растворы гидротермальных источников, развитых вдоль
подводных хребтов. Они проходят через морскую воду либо
во взвешенном, либо в растворенном состоянии.
Осадки, образующиеся из взвешенных частиц. Весь отло¬
жившийся на континентальных окраинах материал явно пе¬
реносился в виде твердой фазы, но литогенный материал
мы находим и на абиссальных равнинах, вдали от любых
мест, где возможно отложение осадков турбидными пото¬
ками. Это отложения «красных» глин, которые впервые
были обнаружены в образцах, полученных с большой глуби¬
ны во время экспедиции корабля «Челленджер». Ученые до
сих пор не пришли к единому мнению о том, как этот мате¬
риал накапливается в глубокой части бассейнов, но значи¬
тельная его доля поступает с континентов в виде пыли, ко¬
торая переносится ветром далеко в море.
Картина распределения красных глин (рис. 5.11) имеет
две характерные особенности: 1) эти глины встречаются в
умеренных широтах, что, возможно, связано с зонами пре¬
обладания западных ветров, и 2) в Тихом океане они покры¬
вают центральные части главных круговых течений, где
мощность осадков невелика. Скорость отложения красных
глин, как видно из табл. 5.1, ниже, чем других типов осадков.
Еще один процесс, который выносит терригенный мате¬
риал в море, — это перенос горных пород или других об¬
ломков айсбергами. Айсберги представляют собой куски ма¬
териковых ледников, оторвавшиеся после того, как матери¬
ковый ледник сполз с берега. На моем столе лежит образец
породы, который я взял с Ледового острова Т-3, когда он
дрейфовал в 300 км от Северного полюса, т. е. в центре Се¬
верного Ледовитого океана.
Осадки, выпавшие из раствора под воздействием раститель¬
ных и животных организмов. То, что основная масса глубо¬
ководных отложений имеет биогенное происхождение, было
установлено вскоре после анализа образцов, полученных
экспедицией «Челленджера». В скелетном веществе морских
растений и животных образуются три твердых компонента
осадочных отложений: карбонат кальция в форме кальцита
или арагонита, аморфный, или опаловый, кремнезем и фос¬
фат кальция, например апатит.
ГЛАВА 5. КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ОКРАИНЫ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
79
Метеориты
Продукты выветривания и
вулканический пепел
Г идротермальные
источники
Взвешенные частицы
Растворение в морской воде
Рис. 5.12. Типы и способы отложения
осадков (по [11] и другим источникам).
Кварцевые пески,
глинистые минералы,
другие минералы
Известковые илы,
кремнистые илы ,
обломки скелетов и
раковин животных
Железомарганцевые конкреции,
фосфориты,
сульфиды тяжелых металлов,
карбонаты
Таблица 5.1. Скорости накопления современных осадков на океаническом дне [1]
Фации
Область
мм/тыс.лет
Источник
Терригенные илы
Бордерленд Калифорнии
50—2000
Bandy, 1960
Абиссальная равнина Сеара
200
Hayes et al., 1972
Известковые илы
Северная Атлантика (40—50°с.ш.)
35—60
McIntyre et al., 1972
Северная Атлантика (5—20°с.ш.)
40—14
Schott, 1935
Экваториальная Атлантика
20—40
Schott, 1935; Ericson et al., 1956
Карибское море
~28
Emiliani, 1966
Экваториальная часть Тихого океана
5—18
Hays et al., 1969
(последний 1 млн. лет)
Восток экваториальной части Тихого океана
~30
Blackman, 1966
Восточно-Тихоокеанское поднятие (0—20°ю.ш.)
20—40
Blackman, 1966
Восточно-Тихоокеанское поднятие (~30°ю.ш.)
3—10
Blackman, 1966
Восточно-Тихоокеанское поднятие (40—50°ю.ш.)
10—60
Blackman, 1966
Кремнистые илы
Экваториальная часть Тихого океана
2—5
DSDP (Berger, 1973)
Антарктика (Индийский океан)
2—10
Lisitzin, 1972
Северная и экваториальная Атлантика
2—7
Южная Атлантика
2—3
Maxwell et al., 1970
Красные глины
Север северной части Тихого океана
(илистые осадки)
10—15
Opdyke and Foster, 1970
Центр северной части Тихого океана
1—2
Opdyke and Foster, 1970
Тропическая зона северной части Тихого океана
0—1
DSDP (Berger, 1973)
1. Кальцит. Организмы, способствующие осаждению
кальцита, — это моллюски, некоторые водоросли, губки и
иглокожие, например морские звезды, но больше всего
кальцита, несомненно, накапливают члены группы форами¬
нифер. Это мелкие зоопланктонные организмы пелагичес¬
кой провинции. В более теплых водах преобладают расти¬
тельноядные (фактически всеядные) формы; на схеме их рас¬
пространения (рис. 5.11) отчетливо видна приуроченность
этих организмов к умеренным и тропическим широтам.
(Схематическое изображение одного из видов фораминифер
см. на рис. 15.6). Некоторые семейства растений тоже связы¬
вают кальцит; кокколитофоры (см. рис. 15.5) способствовали
осаждению достаточного количества кальцита для формиро¬
вания знаменитых Меловых утесов Дувра в Англии.
В распределении известковых осадков есть и другая ха¬
рактерная особенность. Эти осадки занимают более мелко¬
водные части бассейнов, особенно области на хребтах. Не¬
которые геологи описывают известковые илы как «снег, по¬
крывающий горы глубокого океана» [1]. Скорость их накоп¬
ления (например, 35—60 мм за тысячу лет — табл. 5.1) на¬
много превышает скорость накопления осадков любого дру¬
гого типа в открытом океане, поэтому они и являются до¬
минирующими.
Однако если известковый материал откладывается так
быстро, почему он не преобладает на всем океаническом
дне? Прежде всего потому, что на больших глубинах каль¬
цит растворяется и, следовательно, не накапливается в осад¬
ке. Вопросы, связанные с растворением кальцита на глуби¬
не, занимают геохимиков в течение целого столетия; отве¬
ты на них до сих пор ищут, и новые данные только услож¬
няют проблему. Основная причина, почему абиссальные во¬
ды растворяют так много падающих на дно раковин, за¬
ключается в том, что живые организмы в поверхностных
водах поглощают кальцит из верхних слоев воды гораздо
80
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
быстрее, чем речной сток может его восполнить. В резуль¬
тате верхние слои воды оказываются сильно недосыщенны-
ми, а затем, когда океанские воды перемешиваются, недо-
сыщенные воды в конце концов приходят в соприкосновение
с кальцитом, накопившимся на глубине, и растворяют его.
2. Кремнезем. Кремнеземный цикл отличается от каль¬
цитового. В эвфотической зоне силикат легко усваивается
растениями, в частности диатомовыми водорослями, и про¬
стейшими животными, которые называются радиоляриями
(см., например, рис. 15.6). На глубине кремнезем растворя¬
ется не так быстро и легко, как кальцит. В результате мы
часто находим отложения кремнистых илов даже на боль¬
ших глубинах. Существует четкая корреляция между зонами
очень высокой продуктивности растений и зонами развития
кремнистых осадков. Донные осадки в области апвеллинга
должны содержать множество остатков панцирей диатомо¬
вых водорослей, какие мы встречаем, например, в Южном
океане (рис. 5.11).
Там, где древние отложения кремнистого вещества ока¬
зались подняты выше уровня моря, их добывают с про¬
мышленными целями. Материал, называемый «диатомовой
землей», или диатомитом (по диатомовым водорослям), на¬
ходит множество применений. Поскольку панцири диатомей
очень мелкие и одинаковые по размеру, диатомовая земля
служит, например, прекрасным фильтром для городских си¬
стем водоснабжения. Возможно, самое замечательное при¬
менение этому материалу нашел Альфред Нобель, соеди¬
нивший диатомит с нитроглицерином и получивший недето¬
нирующее взрывчатое вещество, названное динамитом.
3. Фосфат кальция. К отложениям фосфата кальция от¬
носятся такие предметы, как рыбьи зубы и слуховые кос¬
точки китов. Хотя эти предметы составляют лишь незначи¬
тельную часть объема морских осадков, они, по-видимому,
играют полезную роль, служа центрами, вокруг которых из
раствора морской воды осаждаются другие вещества.
Осадки, выпадающие из раствора в результате химичес¬
ких процессов. Некоторые отложения, обнаруженные на дне
океанов, образуются путем химического осаждения из мор¬
ской воды; мы называем их гидрогенными осадками. К ним
относится целый ряд веществ. Один из типов осадков, изу¬
чающийся уже более столетия, — так называемые марган-
Рис. 5.13. Пришлифованный срез типичной марганцевой конкре¬
ции. Размеры конкреций различны, но обычно диаметр достигает
примерно 6 см. Часто конкреции наращиваются тонкими слоями
вокруг ядра, например вокруг зубов акул или слуховых косточек ки¬
тов. Наращивание происходит очень медленно, со скоростью по¬
рядка нескольких десятков атомов в сутки по толщине (У. Дин,
Геологическая служба США).
«Черный курильщик», сфотографированный с подводного исследо¬
вательского аппарата «Алвин» на Восточно-Тихоокеанском подня¬
тии в зоне спрединга. Такие источники перегретой морской воды
через трещины во внедрившейся магме привносят в вышележащую
холодную морскую воду растворенные химически активные вещест¬
ва; многие химические компоненты, например сульфиды железа и
марганца, осаждаются вокруг таких источников.
гих химических элементов и встречаются в виде свободно
залегающих твердых тел неправильной формы размером
около 6 см (рис. 5.13). В табл. 5.2 перечислено большое ко¬
личество соединений (в основном металлов), которые осаж¬
даются в виде характерных конкреций.Главные компонен¬
ты — марганец и железо (конкреции называют теперь желе¬
зомарганцевыми), второстепенные — алюминий, натрий и
кальций. Конкреции имеют слоистую структуру, окислы ме¬
таллов чередуются в них с глинистыми минералами.
Происхождение конкреций все еще изучается, но все со¬
гласны с тем, что скорость их роста чрезвычайно мала —
всего несколько миллиметров за миллион лет! Иначе гово-
Таблица 5.2. Химический анализ типичной марганцевой конкреции,
отобранной на станции 248 в экспедиции на «Челленджере» в точке
с координатами 37°41' с.ш., 177°04' з.д. на глубине 5304 м* [11]
Окислы
% по массе
Окислы
% по массе
А12О3
6,04
NiO
0,53
ВаО
0,58
р2о5
0,30
В2О3
0,010
К2О
1,45
CdO
0,0011
Sc2O3
0,0015
СаО
2,10
Ag2O
0,0016
СоО
0,17
Na2O
3,37
СиО
0,80
SrO
0,18
Ga2C>3
0,0029
T12O
0,009
GeO2
0,0007
SnO2
0,03
Fe2C>3
21,4
TiO2
0,56
La2O3
0,02
WO3
0,006
PbO
0,15
V2O5
0,071
MgO
0,90
УЮз
0,003
MnO
31,62
ZnO
0,70
МоОз
0,06
ZrO2
0,015
Источник: данные по Riley J. Р. and Sinhaseni R, J. Marine Res.
17, 466—482, 1985.
* Данные приведены в процентах (по массе) оксида в раствори¬
мой части вещества конкреции.
ГЛАВА 5. КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ОКРАИНЫ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
81
ря, за сутки конкреция становится толще всего на несколько
атомов. Эти отложения обнаружены во всех океанических
бассейнах, но особенно много их в Тихом океане; подсчита¬
но, что на 50% площади Тихоокеанского бассейна найдены
не скрытые осадками конкреции. Разведка проводится с по¬
мощью фотосъемки (см., например, рис. 19.4).
Исследователей все время беспокоит один вопрос. Если
скорость роста мала, как могут конкреции оставаться на
поверхности дна? Хотя наибольшие скопления конкреций
более или менее совпадают с той же самой (заштрихован¬
ной на рис. 5.10) площадью, где мощность осадков не пре¬
вышает 100 м, развитые здесь глинистые осадки накаплива¬
ются гораздо быстрее, со скоростью 1—2 мм/тыс. лет. При
такой скорости осадконакопления типичная конкреция дол¬
жна быть погребена примерно за 60 000 лет! Возможно,
конкрециям помогают сохраниться черви и другие роющие
животные. Интересно отметить, что «Челленджер» обнару¬
жил первые конкреции свыше 100 лет назад!
Недавно мы нашли корки железомарганцевых окислов на
обширных пространствах, занятых подводными вулканами,
и на плато Блейк у Атлантического побережья США. Для
этого типа аккреции течения должны быть достаточно
сильными, чтобы дочиста смывать с поверхности пород
другие осадки, например известковые илы.
Фосфориты (состоящие в основном из апатита) тоже об¬
разуются в результате осаждения из раствора в виде желва¬
ков неправильной формы или в виде слоя, покрывающего
морское дно. Обычно мы обнаруживаем эти отложения на
мелководье с низким содержанием растворенного кислоро¬
да. Этой категории соответствуют области апвеллинга, по¬
скольку высокая продуктивность органической жизни в них
приводит и к высокому содержанию органики в осадке. Та¬
ким образом удовлетворяются два условия, необходимые
80° 60° 40° 20° 0° 20°
I/ / 7~'\ Более 99% окаменелостей относится
\//к полярной ассоциации
(а)
(а) Изолинии количества окаменелостей (в %), относящихся к вы¬
сокоширотной ассоциации фораминифер.
для образования фосфоритов: сильный дефицит кислорода в
разлагающихся органических соединениях и значительное
поступление органических соединений фосфора, освобожда¬
ющихся в ходе такого разложения.
Недавние открытия гидротермальных источников вдоль
активных срединно-океанических хребтов добавили еще одну
важную категорию гидрогенных осадков — сульфиды тяже¬
лых металлов, которые накапливаются на поверхности дна
вблизи гидротермальных источников. Перегретая морская
(6) Реконструкция температур поверхности моря для августа
18 000 лет назад, основанная на распределении ассоциаций форами¬
нифер.
(в)
(в) Карта распределения современных температур поверхности мо¬
ря для августа [9].
Рис. 5.14. Палеоокеанологические исследования.
82
ЧАСТЬ II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
вода, стремительно вытекающая из трещин в новой магма¬
тической коре, богата соединениями серы. По мере того как
вода источников быстро охлаждается, смешиваясь с окру¬
жающей ее холодной морской водой, из раствора осаждает¬
ся целый ряд сульфидов металлов. Сульфиды накапливают¬
ся вокруг в виде корок. Сейчас исследователи используют
подводные аппараты, чтобы посетить такие места, ото¬
брать образцы и попытаться оценить экономический потен¬
циал этих отложений.
Наконец, существуют оолиты. Вероятно, каждый из вас
когда-нибудь проводил дневные часы, нежась на оолитовом
песке. Такие пески образуются в мелких теплых тропических
водах в результате прямого осаждения карбоната кальция.
Этот процесс происходит, когда насыщенная СО2 вода
быстро нагревается, так что нормальное извлечение карбо¬
ната кальция организмами, строящими раковины, идет мед¬
леннее, чем возникает пересыщение раствора. В результате
вокруг каких-нибудь ядер (фекальных комочков или зерен
кварца) осаждается карбонат кальция, образуя шарики, сла¬
гающие «белые песчаные» пляжи тропических островов.
Глубинная седиментология
в применении к океану
Океанологи знают, что океаны и атмосфера тесно взаимо¬
связаны и что океаны, вероятно, играют важную роль в
ледниковых циклах и межледниковьях. В последнее время
благодаря тому, что при работах по Проекту глубоководно¬
го бурения было получено огромное количество образцов
керна глубоководных осадков, мы узнали много нового о
том, как вел себя океан во время ледникового периода. На
рис. 5.14, а точками показаны места отбора керна в Север¬
ной Атлантике.
Результатом одного из первых исследований этих кернов
было составление каталога видов ископаемых раковин, най¬
денных в керне в слоях, отложившихся 18 000 лет назад.
Это было время последнего глобального оледенения, конец
висконсинской регрессии (см. рис. 4.12, г). Исследователи
выделили окаменелости, относящиеся к ассоциации форами-
нифер, которые, как сейчас известно, являются видами, оби¬
тающими в полярных океанах. Их подсчитали и провели на
карте изолинии, в результате чего обозначились регионы,
где эти животные преобладали в сообществе ископаемых
организмов (рис. 5.14, а). Проявилась четкая закономер¬
ность, что 18 000 лет назад краем полярного океана служи¬
ла широкая полоса от Испании до Новой Шотландии, т. е.
гораздо южнее края современного полярного океана.
Кроме того, поскольку мы знаем температуру поверх¬
ностных вод, предпочтительную для каждого вида форами-
нифер, мы смогли построить схему вероятного распределе¬
ния температур на поверхности океана для августа 18 000 лет
назад (рис. 5.14, б)! Сравните изолинию 10 °C для того вре¬
мени с современной (рис. 5.14, в): тогда она не простира¬
лась севернее северного окончания Испании, а сейчас эта
изолиния достигает Исландии.
Данные по окаменелостям можно использовать еще од¬
ним способом. Если мы выбираем какой-то определенный
вид ископаемых, то количественная оценка производится
последовательно для каждого слоя (отложившегося в другое
время) в керне; затем, нанеся эти данные на график в зави¬
симости от времени, мы получаем четкую картину цикличе¬
ского распространения количества особей. Крупные циклы
характеризовались периодами 20 000, 40 000 и 100 000 лет.
Интересно, что несколько лет назад югославский математик
М. Миланкович писал, что спусковым механизмом для лед¬
никовых эпох могли послужить изменения в земной орбите.
Например, перигелий земной орбиты перемещается по вре¬
менам года с периодом 21 000 лет; сейчас ближе всего к
Солнцу Земля бывает, когда стоит зима в Северном полу¬
шарии. В течение 40 000-летнего цикла угол между поляр¬
ной осью (осью вращения) и плоскостью эклиптики изменя¬
ется от 22 до 24,5°; в настоящее время он равен примерно
23,5°. На широте 23,5° находятся тропики Рака и Козерога.
В течение 100 000-летнего цикла эксцентриситет земной ор¬
биты изменяется от эллипса почти до круга и обратно. Хо¬
тя есть основания коррелировать ледниковые эпохи с этими
параметрами орбиты и с историей осадконакопления, мы
все еще точно не знаем порядок событий во время леднико¬
вых эпох. Следующий раз пик одного из параметров земной
орбиты наступит через 3000 лет.
Заключение
Идеальная модель геоморфологии континентальных окраин
сравнивается с очертаниями нескольких реально существую¬
щих бассейнов. Для разных окраин в рельефе континенталь¬
ного склона обнаруживаются общие черты: повсюду шири¬
на его колеблется от 20 до 100 км, а уклон в среднем равен
4°. В пределах континентального склона на глубинах между
1000 и 3000 м находится истинный край континента.
Одна из самых удивительных структур в рельефе конти¬
нентальной окраины — подводный каньон. Некоторые из
них прорезаны глубже, чем Большой каньон. Одно из объ¬
яснений их формирования — турбидное течение. Многие
каньоны не являются продолжением современных рек. Этот
факт доказывает, что они образовались не в течение послед¬
них ледниковых эпох, когда уровень моря был ниже. Объяс¬
нить, как образуются эти каньоны вдали от устьев рек, воз¬
можно, помогает открытие того, что поверхностные волны
могут перемещать огромные массы пляжных песков парал¬
лельно берегу и в конце концов переносить их в область пи¬
тания подводного каньона. Кроме того, прибрежные осадки
накапливаются на континентальных склонах в результате
непосредственного переноса через край — так называемый
перегиб — шельфа. Весьма равномерное погружение конти¬
нентальных склонов на всем земном шаре свидетельствует о
том, что их наклон сохраняется благодаря периодическому
сползанию склоновых осадков.
Области шельфа особенно важны для человечества. Они
представляют собой связующее звено между континентами
и открытыми океанами в том смысле, что весь материал,
сносимый с суши, должен быть перенесен через шельф.
Рельеф шельфа формируется под воздействием волн в при¬
брежной зоне, но довольно однообразная средняя глубина
перегиба шельфа во всем мире указывает на его четкую
связь с изменениями уровня моря в прошлом. В течение гео¬
логических эпох, когда море наступало на сушу (как это
происходит в настоящее время), предфронтальная зона пля¬
жа размывалась и ее материал откладывался на всем шель¬
фе, а также в эстуариях и на заболоченных прибрежных рав¬
нинах. В периоды регрессий предфронтальные зоны пляжа
формировались снова, а эстуарии сильно размывались, так
же как марши и заболоченные равнины.
Глубоководные осадки позволяют нам проникнуть в эво¬
люцию океанов. Они представляют собой сокровищницу ис¬
торических данных о развитии глобальной геологии, обеспе¬
чивают информацию о вулканической деятельности в про¬
шлом и о древнем климате Земли. Недавно на дне океанов
были открыты огромные потенциальные минеральные ре¬
сурсы от марганца до фосфоритов.
ГЛАВА 5. КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ОКРАИНЫ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ БАССЕЙНОВ
83
Контрольные вопросы
1. Как, по-вашему, следует отвечать на вопрос: «Где
кончается континент и начинается океанический бассейн?»
2. Иначе говоря, какая деталь всей континентальной
окраины является наиболее характерной, не меняющейся от
континента к континенту по всему земному шару?
3. Какая характеристика континентального склона явля¬
ется наиболее постоянной: ширина, или уклон, или то и
другое? Почему типичный угол наклона равен примерно 4°
на континентальном склоне (т. е. почему не 8° или не 2°?)?
4. Каждый из нас видел аллювиальные конусы выноса у
подножий горных хребтов на суше. Аналогами каких эле¬
ментов континентальных окраин они являются? Некоторые
из вас поднимались в горы и, вероятно, видели так называе¬
мые осыпи и проходили по ним. Что соответствует им на
континентальной окраине?
5. Образцы, отобранные с континентального подножия,
вероятно, представляют собой смесь частиц разных разме¬
ров от булыжников до песка и алеврита. В результате како¬
го механизма осадконакопления в одном месте могли отло¬
житься частицы столь разных размеров?
6. Подводные каньоны бывают глубокими или мелкими,
длинными или короткими. Какая общая особенность каньо¬
нов свидетельствует против их образования в течение тех
геологических эпох (ледниковых), когда уровень моря был
ниже?
7. На континентальных окраинах заметно преобладают
два интервала глубин: зона 0—135 м для шельфов и зона
2000—4000 м для континентального подножия. Как тогда
можно объяснить формирование плато Блейк, которое рас¬
полагается на глубине около 800 м?
8. Чем можно объяснить то, что а) все шельфовые зоны
в мире очень ровные и б) перегиб шельфа всегда обнаружи¬
вают в среднем на глубине 135 м?
9. Из-за какого геологического явления интерпретация
осадочных структур шельфа столь трудна?
10. Что является источником осадков для процесса осад¬
конакопления на шельфе в периоды трансгрессии моря? Что
представляют собой «стоки» (понижения рельефа, где на¬
капливаются осадки)?
11. На первый взгляд может показаться, что во время
трансгрессии осадки, которые выносятся реками, в море
должны быстро перемешиваться. По-видимому, это не так.
Объясните почему.
12. Используя рис. 5.11, подробно опишите, где мы на¬
ходим самые мощные глубоководные осадки, и объясните
почему.
13. В Атлантическом и Индийском океанах мы обнару¬
живаем осадки типа известковых илов, связанные со средин¬
но-океаническими хребтами. Объясните, как они образуются.
14. Что значит термин «ледниковые наносы» по отноше¬
нию к осадкам океанического дна?
15. Осадки какого типа накапливаются с наибольшей
скоростью? В каких широтах они накапливаются быстрее
всего? Осадки какого типа откладываются медленнее всего?
16. Если марганцевые конкреции формируются с такой
исключительно низкой скоростью, каким образом они мо¬
гут оставаться «на кровле» другого осадка на океаническом
дне?
17. Кратко опишите, как палеонтологи могут восстано¬
вить температуру поверхности моря, которая, вероятно, су¬
ществовала в течение одного месяца (августа) в 18001 г. до
н. э.?
Часть III
Южный океан вблизи Антарктиды. Здесь мы обнаруживаем воду во
всех трех ее фазах: в виде жидкости, льда и пара. Перья пара под¬
нимаются от поверхности жидкости слева в центральной части
снимка; они заметны потому, что испарившаяся жидкость сконден¬
сировалась и затем замерзла в виде мельчайших частиц, которые
отражают свет. На горизонте видны многочисленные гигантские
плоские айсберги, отражающие свет низкого летнего солнца,— кар¬
тина очень напоминает описанную капитаном Джеймсом Куком и
касающуюся его первого путешествия вокруг Южного полюса в
1772—1775 гг.
МОРСКАЯ ВОДА: ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА,
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Здесь мы узнаем о том, как основные свойства вещества под названием «вода» отражаются на работе зем¬
ной экосистемы.
ГЛАВА 6
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ
Рассмотрим свойства воды, находящейся в разных состояниях —
твердом, жидком и газообразном, — и прямые следствия изменчи¬
вости этих свойств, касающиеся работы земной экосистемы.
Занимаясь океанологией, необходимо знать свойства
простой воды. К ним относятся теплоемкость, скрытая теп¬
лота парообразования и плавления, вязкость и некоторые
другие характеристики. Воду можно считать обычным ве¬
ществом, но по своим свойствам она, конечно, далеко не
обычна.
В океанах вода присутствует и в жидком, и в твердом
состоянии, а в атмосфере — еще и в виде пара. Земная эко¬
система питается энергией Солнца, но именно вода, а не
какое-нибудь другое вещество распределяет эту энергию по
поверхности Земли и по толще океанов. Изучая, каким об¬
разом вода выполняет эту задачу, вы занимаетесь океаноло¬
гией — наукой о свойствах и изменчивости огромных масс
воды на Земле. Чтобы стать квалифицированными океано¬
логами, вы должны хорошо представлять себе все основные
свойства воды — свойства, которые определяются ее моле¬
кулярной структурой.
Что такое вода?
Вода может существовать в жидком, твердом и газообраз-
ном состояниях. В каждом из этих состояний она обладает
другими свойствами, которые объясняются особенностями
строения ее молекулы (рис. 6.1).
Вода — жидкость
Очевидно, что вода — это текучая субстанция. Но то же са¬
мое справедливо и по отношению к воздуху в атмосфере.
Жидкая вода отличается от воздуха тем, что поведение ее
отдельной молекулы во многом определяется влиянием всех
соседних с ней молекул. В противоположность этому моле¬
кула атмосферного газа находится в случайном движении и
влияние соседних молекул проявляется только при ее столк¬
новениях с ними. Молекула воды постоянно «ощущает»
присутствие соседних молекул, и этой особенностью опреде¬
ляются два важных свойства воды, находящейся в жидком
состоянии.
1. Вода практически несжимаема. В качестве единицы
давления при изучении океанов используется бар; 1 бар
определяется как вес столба атмосферного воздуха с единич¬
ной площадью сечения (для стандартного состава воздуха
давление на уровне моря равно 1,013 бар, или 1013 мбар).
Ниже поверхности моря давление быстро растет с глубиной
вследствие высокой плотности морской воды (в тысячу раз
превышающей плотность воздуха). На глубине 10 м оно со¬
ставляет 2 бар (1 бар дает вышележащая атмосфера, а еще
1 бар — вес столба воды от поверхности до глубины Юм),
на глубине 20 м — 3 бар и т. д. У дна моря на типичной
абиссальной равнине, которая располагается на глубине
4000 м, давление равно приблизительно 401 бар. Но, не¬
смотря на очень высокое давление в глубинах океана, океан¬
ская вода сжимается незначительно. Иначе говоря, объем,
занимаемый данным числом молекул воды, очень мало из¬
меняется при увеличении давления. Это сопротивление во¬
ды изменению объема означает ее малую сжимаемость —
свойство, обязанное тому, как природа сконструировала мо¬
лекулу Н2О. При изменении давления на 1 мбар на поверх¬
ности моря соответствующее изменение высоты 4000-го
столба воды составит всего лишь 0,01 м (0,00025%); если
бы Земля лишилась всей своей атмосферы, уровень воды
поднялся бы лишь на Юм. Из всего сказанного мы заклю¬
чаем, что изменения плотности морской воды, обусловлен¬
ные давлением, оказывают пренебрежимо малое влияние на
вертикальные движения воды в океанах. Предположим, на¬
пример, что мы опустили батометр для отбора проб воды
на глубину 4000 м, закрыли клапаны, чтобы вода не выли¬
валась, и подняли батометр на палубу. Увеличение объема
заключенной в него воды будет пренебрежимо малым. (Ко¬
му это на руку — так это океанологам! Отбор проб сжимае¬
мой жидкости с больших глубин, т. е. под большим давле¬
нием, был бы трудной, дорогостоящей и небезопасной про¬
цедурой.) Рассмотрим теперь для сравнения расширение та¬
кого газа, как гелий, в воздушном шаре, поднимающемся с
поверхности Земли. На высоте 5 км атмосферное давление
вдвое меньше, чем на уровне моря, и при прочих равных ус¬
ловиях объем газа внутри шара на этой высоте удвоится.
Вывод очевиден: океанологи могут пренебрегать расшире¬
нием и сжатием морской воды, испытывающей значитель¬
ные перемещения по вертикали (что характерно, например,
для районов апвеллинга).
При сжатии воздуха его температура возрастает. В зем¬
ной атмосфере температура воздуха на уровне моря пример¬
но на 10 °C выше, чем на высоте 1 км. Почти несжимаемая
океанская вода ведет себя совершенно иначе. Хотя давление
86
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Положительно заряженный конец
Отрицательно заряженный конец
а Ядро атома: кислорода О Электрон, общий для атомов (+) и (-)
или водорода Н кислорода и водорода
Если бы мы могли разглядеть молекулу воды, то увидели бы нечто
похожее на изображенную на рисунке картинку: два атома водоро¬
да Н, тесно связанные с одним атомом кислорода О. Молекулярная
масса воды 18, из них 16 единиц дает кислород, а 2 — водород.
Размер молекулы определяется средним расстоянием между ядра¬
ми О и Н и составляет примерно 0,1 ммкм (1О~10 м).
Почему природа избрала именно такую конструкцию — один
О и два Н? Дело в том, что ни атомы кислорода, ни атомы водо¬
рода не ведут себя как отдельные объекты. Каждый из них стре¬
мится соединиться с другими атомами. О и Н, как и все атомы во¬
обще, состоят из ядер, содержащих плотно упакованные нейтроны
и протоны, и обращающихся вокруг них электронов. Именно рас¬
положение электронов на внешних оболочках (орбиталях) атома
определяет, как этот атом взаимодействует с другими атомами.
Атом кислорода содержит восемь электронов, атом водорода —
только один.
Представить себе, как соединяются в пространстве атомы кис¬
лорода и водорода, можно следующим образом. Центральное ме¬
сто занимает тяжелое ядро атома кислорода: два его электрона об¬
разуют тесно связанную пару на внутренней оболочке, а остальные
шесть электронов занимают внешнюю оболочку. В соответствии с
правилами заполнения электронных оболочек она более устойчива,
когда заполнена восемью электронами; поэтому атому кислорода
не хватает двух электронов для того, чтобы находиться в наиболее
предпочтительном для себя состоянии. Каждый атом водорода
Области результирующего
электрического заряда
в молекуле
также нуждается в одном электроне, который мог бы составить
пару его единственному электрону. Соединяясь, два атома водоро¬
да и один атом кислорода обобществляют свои электроны, образуя
весьма устойчивую молекулу; иными словами, образующаяся моле¬
кула с общими электронами идеально удовлетворяет правилу за¬
полнения электронных оболочек.
Хотя обобществление электронов дает физически устойчивую
молекулу, электрическое поле вокруг нее оказывается неоднород¬
ным. Если, находясь в атоме водорода, его электрон нейтрализует
положительно заряженный протон в ядре, то в молекуле воды он
часть своего времени находится в оболочке атома кислорода. В ре¬
зультате вблизи ядер атомов водорода возникают положительные
заряды. Аналогичным образом у кислородного конца молекулы
должен существовать отрицательный заряд. Расположенные по
разные стороны заряды образуют так называемый электрический
диполь. С ним связаны многие уникальные свойства воды. Напри¬
мер, если поместить воду во внешнее электрическое поле, молеку¬
лы воды выстроятся так, что их дипольные моменты будут ориен¬
тированы вдоль поля; этим объясняется то, что вода обладает
большой диэлектрической проницаемостью — около 80 (для срав¬
нения — диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1). Следо¬
вательно, в воде два любых заряда притягиваются друг к другу в
80 раз слабее, чем в вакууме. Благодаря этому вода является ис¬
ключительно сильным растворителем, и потому от нее так сильно
зависит жизнь на Земле.
Рис. 6.1. Молекула воды.
в столбе воды быстро возрастает с глубиной, связанное с
этим повышение температуры воды невелико — примерно
0,1 °C на 1 км глубины. Если бы вода вела себя в этом от¬
ношении подобно воздуху, обитающие у дна океана живые
организмы просто сварились бы в горячей воде.
Вследствие малой сжимаемости воды звуковые волны
могут распространяться в ней с большой скоростью и почти
без затухания. Колебания давления в звуковой волне распро¬
страняются со скоростью около 1500 м/с, т. е. примерно в
пять раз быстрее, чем в воздухе. Кроме того, звук может
распространяться в океанах на большие расстояния; не слу¬
чайно многие обитатели моря используют для коммуника¬
ции акустический канал. Мы все наслышаны о недавних от¬
крытиях, касающихся «разговора» китов и дельфинов. Дру¬
гой особенностью поведения морских животных, которая
по-видимому, тесно связана со способностью звуковых волн
быстро и легко распространяться в морской воде, является
объединение многих видов рыб в косяки. Каждая отдельная
рыба ощущает изменения давления, возникающие при пово¬
роте соседней рыбы, и поворачивает в ту же сторону. Быст¬
рое распространение информации через весь косяк приводит
к тому, что он почти как одно целое изменяет направление
своего движения.
2. Вода — вязкая жидкость, хотя ее коэффициент вязко¬
сти очень мал (см. табл. 6.1). Движение отдельных молекул
воды зависит от наличия и влияния соседних молекул, так¬
же находящихся в движении. Из-за этого возникает своего
рода сопротивление трения, другое название которого —
вязкость. Некоторые жидкости, например автотракторное
масло, имеют большую вязкость. Однако для движений в
масштабах, много больших длины свободного пробега мо¬
лекулы, вязкость может быть иной. Динамика океанических
круговоротов и течений зависит от «вязкого сопротивле¬
ния», которое очень невелико.
ГЛАВА 6. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ
87
Плотный косяк рыбы у мыса Сан-Лукас (Нижняя Калифорния,
Мексика), сфотографированный ныряльщиком.
Чтобы понять, при каких размерах тела вязкое сопро¬
тивление становится существенным, рассмотрим копеподу,
длина которой составляет в среднем 2 мм. В таких масшта¬
бах вязкость невелика и копепода может двигаться без осо¬
бых затруднений. Но фитопланктон, которым питается ко¬
пепода, настолько мал, что для пищевого поведения копепо¬
ды вязкость воды становится существенным фактором
(сравнить размеры копеподы и фитопланктона можно с по¬
мощью рис. 2.3). Расстояния между щетинками на конечно¬
сти копеподы, с помощью которых она питается, равны
лишь нескольким микронам — всего в несколько тысяч раз
больше молекулы воды. Таким образом, копепода «добыва¬
ет» питание из вязкой жидкости! Иными словами, микро¬
скопический фитопланктон «ощущает» океан как чрезвычай¬
но вязкую жидкость, в которую он очень медленно погру¬
жается. В действительности у фитопланктона часто наблю¬
даются волосяные выросты, с помощью которых он может
дольше находиться в «подвешенном» состоянии, противо¬
действуя силе тяжести (см. рис. 9.9).
Вода также — твердое вещество или газ
Вода — необычная жидкость в том смысле, что в существу¬
ющих на Земле климатических условиях она также доста¬
точно часто встречается в твердом и газообразном состоя¬
ниях.
Фазовые состояния воды. Фазовые превращения чистой во¬
ды можно проиллюстрировать на так называемой фазовой
Таблица 6.1. Физические свойства воды, важные для океанологии
Свойство
Характеристика
Отношение к океанологии
I группа: свойства, влияющие на земной климат и океанскую биосферу
Удельная теплоемкость
1 кал тепла изменяет температуру
1 г чистой воды на 1 °C; выше, чем у
других широко распространенных в
природе веществ
Обладая способностью поглощать и высвобождать боль¬
шое количество тепловой энергии, вода смягчает резкие ко¬
лебания климата на Земле. Благодаря этому же свойству
температура в океане изменяется в узких пределах и боль¬
шинство морских организмов являются холоднокровными
Скрытая теплота парообразования
1 г нагретой до кипения чистой воды
нужно сообщить 540 кал, чтобы пре¬
вратить ее в пар
Из-за того что это огромное количество тепла является
принадлежностью воды в парообразной фазе, перенос пара
в атмосфере играет определяющую роль в переносе в по¬
лярные районы избытка тепла, образующегося при погло¬
щении солнечной радиации в тропиках. Процесс высво¬
бождения этого скрытого тепла обеспечивает энергию для
образования тропических циклонов, тайфунов и ураганов
Скрытая теплота плавления
Чтобы превратиться в лед, 1 г чистой
воды при точке замерзания должен
потерять 80 кал
Когда океанические течения выносят лед из полярных об¬
ластей, теплота плавления «остается» на месте. По этой
причине лед играет важную роль в концентрации тепловой
энергии, переносимой вокруг земного шара. Что касается
биосферы, то ледяная поверхность служит «крышей» и
«полом» для самых разных организмов — от птиц до
моржей
Т еплопроводность
Наибольшая среди всех широко рас¬
пространенных в природе жидкостей
На молекулярном уровне тепло передается через воду при¬
мерно в сто раз быстрее, чем соли. Эта разница в скорости
обеспечивает существование уникального механизма пере¬
мешивания, называемого двойной диффузией, благодаря
которому массы воды в толще океана обмениваются теп¬
лом и солями
88
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Таблица 6.1. (продолжение).
Свойство
Характеристика
Отношение к океанологии
II группа: свойства, важные для химических и биологических процессов
Растворяющая способность и элект¬
рическая прочность
Молекула воды является диполем, ко¬
торый способствует диссоциации
многих соединений. Ее высокая элект¬
рическая прочность дает возмож¬
ность отдельным элементам сущест¬
вовать в свободном виде
Морская вода представляет собой «решетку» из молекул
воды с многочисленными сольватированными ионами и
неорганическими комплексами. С точки зрения биологов,
морская вода со всеми растворенными в ней веществами
— это питательный «бульон» для микроскопических орга¬
низмов, растительных и животных
Поверхностное натяжение
Наибольшее среди всех распростра¬
ненных в природе жидкостей
Из-за того что большинство морских растений и многие
из морских животных (простейшие) представляют собой
одноклеточные организмы, взвешенные в морской воде,
они потребляют нужные им химические вещества через
мембрану, которая отделяет ткани тела от окружающего
их «бульона»; поверхностное натяжение воды существенно
влияет на эти процессы
Прозрачность и показатель преломле¬
ния
Вследствие высокой электрической
прочности вода легко поглощает элек¬
тромагнитное излучение на всех дли¬
нах волн, за исключением видимого
диапазона
Окно прозрачности воды попадает на длины волн, соответ¬
ствующие зелено-голубому свету, т. е. те, которые отвеча¬
ют пику в спектре излучения Солнца. Поэтому растения в
океанах могут обитать примерно до 100-м глубины. Кроме
того, некоторые морские организмы выработали способ¬
ность к биолюминесценции в этом же окне прозрачности, а
их глаза приобрели наибольшую чувствительность по отно¬
шению к этому же зелено-голубому свету
III группа: свойства, важные для физических, геологических и биологических процессов
Плотность
Плотность морской воды изменяется
обратно пропорционально темпера¬
туре и прямо пропорционально содер¬
жанию солей
В такой жидкой среде, как вода, даже очень небольшие ва¬
риации плотности могут порождать и поддерживать очень
сильные течения. Это создает серьезные трудности для
океанологов, которые, для того чтобы рассчитывать океа¬
нические течения, должны измерять температуру и соле¬
ность с высокой степенью точности. С точки зрения
биолога, плотность воды настолько высока, что морские
организмы не тонут в ней; растения не тратят много энер¬
гии, чтобы шевелить своими отростками, а животные —
чтобы двигать конечностями. С точки зрения геолога,
плотность воды достаточно высока, чтобы песок и ил мо¬
гли в ней находиться во взвешенном состоянии и перено¬
ситься на большие расстояния
Сжимаемость (степень уменьшения
объема воды при увеличении давле¬
ния)
Вода имеет небольшую сжимаемость;
при изменении атмосферного давле¬
ния на уровне моря на 1 мбар столб
океанской воды средней глубины из¬
меняет свою высоту на 1 см
Для океанологов это свойство важно в чисто практическом
смысле: проба воды, поднятая с большой глубины, не ра¬
зорвет батометр и не нанесет увечья команде. Другое
следствие то, что вода легко передает звук (колебания дав¬
ления) на большие расстояния; поэтому звук является важ¬
ным средством коммуникации для разнообразных морских
организмов
Вязкость (способность воды сопро¬
тивляться изменению формы)
Имея небольшую вязкость, вода с лег¬
костью турбулизуется
Волны в океанах могут переносить энергию на расстояния
в тысячи километров, теряя на трение незначительную ее
часть. Морские обитатели могут двигаться в воде без осо¬
бых затрат энергии; вязкость становится существенной по¬
мехой лишь при очень малых их размерах. Одноклеточные
растения в море проводят свою жизнь практически во взве¬
шенном состоянии, так как для них вода представляет со¬
бой очень вязкую среду
ГЛАВА 6. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ
89
Температура, °C
Рис. 6.2. Фазовая диаграмма для чистой воды.
На уровне моря вода в зависимости от температуры может су¬
ществовать в любом из трех состояний: в виде льда, жидкости или
пара. Чтобы молекула Н2О могла перейти из одного состояния в
другое, ее внутренняя энергия должна существенно измениться. На¬
пример: 1) Чтобы перейти из твердого состояния в жидкое (точка
с), каждый грамм Н2О должен поглотить 80 кал. 2) Для перехода
из жидкого состояния в газообразное (точка а) каждый грамм ки¬
пящей воды должен поглотить приблизительно 540 кал. 3) Чтобы
испарить 1 г воды, находящейся при обычной температуре моря
(точка д), нужно затратить те же 540 кал плюс некоторое добавоч¬
ное количество тепла. Эта так называемая полная теплота парооб¬
разования рассчитывается по формуле
Теплота парообразования (кал) = 596 — 0,52 х температура (°C).
диаграмме (рис. 6.2). При давлении 1 бар (типичное давле¬
ние на уровне моря) вода в зависимости от температуры
может существовать во всех трех состояниях. Используемая
в настоящее время шкала Цельсия определяется по крайним
точкам — точке замерзания (0 °C) и точке кипения (100 °C)
чистой воды при нормальном атмосферном давлении на
уровне моря. Разбиение шкалы Цельсия на 100 интервалов
(градусов) — чистая условность; для этого можно было вы¬
брать любое другое число. В то же время выбор жидкой во¬
ды как среды, внутренние свойства которой должны быть
стандартными при температурных измерениях на всем зем¬
ном шаре, был сделан мудро: вода имеется повсюду, а уро¬
вень моря можно определить в любой точке земного шара.
Вода не переходит из одного состояния в другое просто
так. Каждый переход облагается «пошлиной» в виде затрат
тепловой энергии; общепринятой единицей для измерения
тепловой энергии является калория. Чтобы превратить воду
в пар, нужно сообщить ей определенное количество калорий
тепла; чтобы превратить пар в жидкость, от него нужно от¬
нять столько же калорий. Точнее, количество калорий зави¬
сит от того, при каких давлении и температуре происходит
изменение состояния; вот почему для объяснения этого ос¬
новного свойства воды используется фазовая диаграмма.
Переход из жидкого состояния в пар — теплота парообра¬
зования. Например, при нормальном атмосферном давлении
и температуре 20 °C (точка b на рис. 6.2) для испарения 1 г
Н2О требуется 585,6 кал. Это довольно ощутимая величина:
ее хватило бы на то, чтобы повысить температуру чашечки
чая на 6 °C. С поверхности Мирового океана ежегодно испа¬
ряется слой воды толщиной примерно 1,2 м. Подробнее мы
поговорим об этом в следующих разделах.
Переход из жидкого состояния в твердое — теплота плавле¬
ния. При температуре замерзания 1 г воды должен поте¬
рять около 80 кал, чтобы превратиться в кристаллический
твердый лед (точка с на рис. 6.2). Вода в твердом состоя¬
нии также играет важную роль в земной экосистеме. Во-
первых, ледяной покров изолирует поверхностные воды
океана от атмосферы. Вследствие этого океаны получают
меньше солнечной радиации, поскольку значительная часть
ее отражается ледяной поверхностью; меньше тепла и ухо¬
дит из океанов, поскольку последний изолирован от атмо¬
сферы. Во-вторых, при образовании морского льда большая
часть солей, растворенных в морской воде, переходит в ле¬
жащую ниже жидкость, плотность которой в результате
увеличивается. Этот процесс может продолжаться, пока
«струи» очень холодной и очень соленой воды не начинают
погружаться в глубину. Такое часто случается в Южном по¬
лушарии, где льдом, образующимся вокруг Антарктиды,
зимой покрыто 8% поверхности океана (летом лед тает и
площадь ледяного покрова уменьшается до 1%). В масшта¬
бе всех океанов сезонные изменения ледяного покрова про¬
исходят на площади около 18 000 000 км2, причем ежегодно
замерзает и тает около 18 000 км3 воды. Тепло, то высво¬
бождаемое, то поглощаемое в процессе образования и тая¬
ния льда в Южном океане, дает существенный вклад в гло¬
бальный тепловой бюджет океанов.
Связь между теплосодержанием
и температурой чистой воды
Энергетика фазовых превращений воды более детально по¬
казана на графике изменения температуры 1 г чистой во¬
ды, происходящего по мере добавления тепла (рис. 6.3).
Вспомним, что температура в градусах — это только один
способ описать, сколько тепловой энергии (в калориях) со¬
держится в веществе, т. е. сколько запасено в нем внутрен¬
ней энергии. Отметьте на графике 25 °C — типичное значе¬
ние температуры в лабораторных условиях. Для нагревания
воды до точки кипения (100 °C) потребуется 75 кал (участок
а —Ь). Каждая калория, добавляемая к 1 г воды, повышает
его температуру на 1 °C. Мы определили сейчас одну из
фундаментальных характеристик воды — ее удельную теп¬
лоемкость. Из табл. 6.1 следует, что среди всех достаточно
широко распространенных твердых и жидких веществ вода
имеет наибольшую теплоемкость. Это означает, что при
поглощении равного количества тепла другие вещества на¬
греваются сильнее, чем вода. В следующем разделе мы про¬
анализируем некоторые океанологические аспекты данного
свойства воды, а сейчас ограничимся только одним замеча¬
нием: способность воды поглощать и высвобождать боль-
90
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
-25
Добавляемое или отнимаемое тепло Н, кал/г
Участок а — Ь. Температура воды растет пропорционально коли¬
честву поглощенного тепла. Наклон графика ЬН/ЬТ определяет
фундаментальную характеристику, называемую удельной теплоем¬
костью. Она выражает, сколько требуется тепла, чтобы поднять
температуру воды на определенную величину. Среди распростра¬
ненных в природе жидких и твердых веществ вода имеет наиболь¬
шую теплоемкость — 1 кал/(г-град).
Участок b — с. Воде, нагретой до точки кипения, для перехода из
жидкого состояния в газообразное нужно передать дополнитель¬
ную тепловую энергию. Эта энергия называется скрытой тепло¬
той парообразования’, на уровне моря (при давлении 1 атм) она
равна 540 кал/г. Необходимую энергию молекулы приобретают ли¬
бо непосредственно от внешнего источника, каким является сол¬
нечная радиация, либо косвенным образом — накапливая энергию в
результате столкновений с другими молекулами жидкости.
Участок а — d. Если отбирать тепло у воды, ее температура пони¬
жается. Чистая вода начинает замерзать при 0 °C, но морскую
можно охладить до —1,9 °C (поскольку точка замерзания раствора
соли ниже).
Участок d — е. Переход воды из жидкого состояния в твердое ха¬
рактеризуется скрытой теплотой плавления. При 0 °C 1 г воды
должен потерять 80 кал, чтобы превратиться в лед.
Участок а — с'. Морская вода испаряется и не будучи доведена до
кипения. Фазовый переход в этом случае требует большего коли¬
чества тепла, чем 540 кал/г (см. уравнение под рис. 6.2).
Рис. 6.3. Изменение температуры 1 г чистой воды в случае добав¬
ления (или отвода) тепла; начальная температура (точка а) равна
25 °C.
шие количества тепла и при этом не очень сильно менять
свою температуру объясняет ее важнейшую роль в смягче¬
нии климата на Земле.
Передача 75 кал 1 г воды при температуре 25 °C приво¬
дит к нагреванию ее до точки кипения (100 °C). При добав¬
лении дополнительного количества тепла температура воды
больше не растет: вместо этого отдельные молекулы ее от¬
рываются от своих соседей и покидают жидкость в виде во¬
дяного пара. Этот процесс продолжается, пока вся жид¬
кость не испарится; после того как 1 г воды был нагрет до
100 °C, на его испарение должно быть израсходовано приб¬
лизительно 540 кал. Эта величина называется скрытой теп¬
лотой парообразования. Важно отметить, что 1 г испарив¬
шейся Н2О «забирает» эту тепловую энергию у жидкости.
Водяной пар, попавший в атмосферу, несет значительный
«полезный груз» скрытой энергии, которая может выде¬
литься лишь при конденсации пара (превращении его в
дождь или мокрый снег). Если пар переносится ветром да¬
леко от места образования, это значит, что система
«Курящееся море» на свободном ото льда пространстве в Арктике.
Вода, испаряющаяся с поверхности моря, в холодном арктическом
воздухе быстро замерзает, превращаясь в кристаллики льда; эти
испарения и видны на фотографии. Под действием ветра (на снимке
он направлен из нижнего правого угла в верхний левый) морской
«дым» разделяется на отдельные струи, ориентированные по вет¬
ру. В умеренных и тропических районах океана такие же структуры
образует водяной пар, однако глазу они не видны. Иногда облака
«кристаллического пара» поднимаются на сотни метров в высоту;
раньше путешественники часто принимали их за далекие горы или
массивы суши.
океан — атмосфера обеспечивает перенос достаточного ко¬
личества тепловой энергии вокруг земного шара.
Возвращаясь к рис. 6.3, мы видим, что отняв 25 кал у 1 г
воды, находящейся при комнатной температуре (25 °C), мы
понизим ее температуру до точки замерзания чистой воды
(0 °C). После этого потребуется отнять у воды еще 80 кал,
чтобы превратить ее в кристаллическое вещество — лед. На
протяжении всего процесса кристаллизации температура
жидкой воды и льда остается равной 0 °C. Когда вся жид¬
кость «перейдет» через линию раздела фаз и превратится в
лец, дальнейший отвод тепла вызовет понижение темпера¬
туры льда. Заметим, однако, что при потере 1 кал тепла по¬
нижение температуры ДГ у льда и у воды различно:
АТ’льда = 2ДГВОды, из чего следует, что удельная теплоем¬
кость твердой Н2О составляет около 0,5 кал/(г»град).
В океанах тепло, выделяющееся в результате превраще¬
ния воды в лед, уходит либо в атмосферу, вызывая нагрев
холодного воздуха, либо в окружающую незамерзшую воду,
температура которой в результате также повышается. Про¬
цесс превращения воды в лед как бы препятствует образова¬
нию нового льда. Другие океанологические аспекты описан¬
ного свойства воды будут рассмотрены ниже. Поставим
здесь только один вопрос. Предположим, вам нужно опрес¬
нить некоторое количество воды, чтобы сделать ее пригод¬
ной для питья, и за израсходованную на этот процесс энер¬
гию приходится платить. Как вы будете в таком случае ве¬
сти опреснение: выпаривая воду или замораживая ее?
Некоторые океанологические следствия
высокой удельной теплоемкости воды
Большие массы воды существенно смягчают колебания кли¬
мата на соседних с ними участках суши. Этот факт известен
всякому, кто имел возможность или мечтал жить на побе-
ГЛАВА 6. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ
91
(а) Изменение по широте потока падающей солнечной радиации и
потока уходящей от Земли радиации (приведены среднегодовые
значения, осредненные по широтным полосам Северного полуша¬
рия). Примерно у 40° с. ш. падающий и уходящий потоки компен¬
сируют друг друга. Севернее этой параллели Земля теряет больше
тепла, чем получает: этот дефицит покрывается направленным к
полюсу потоком тепла в океанах и в атмосфере [6].
(б) Один квадрант сечения Земли, показывающий, что максималь¬
ное значение поток тепла к полюсу принимает у 40° с. ш. Пред¬
ставлен результирующий поток, обусловленный океаническими и
воздушными течениями, которые вносят примерно одинаковый
вклад в перенос тепла. Океанические течения переносят к полюсу
теплую воду, а воздушные течения в атмосфере переносят водяной
пар, содержащий большое количество скрытой теплоты [6].
(в) Говоря о переносе тепла к полюсам в океа¬
нах и атмосфере, применяют термин «поток».
Стрелки отражают количество тепла, перено¬
симого через единичную площадку в единицу
времени.
Рис. 6.4. Перенос тепла к полюсам в океанах и атмосфере,
режье. Физическая подоплека его совершенно понятна: вода
может накапливать или высвобождать большое количество
тепла, в то время как ее температурные изменения остают¬
ся небольшими.
Мы уже знаем (рис. 3.1), что приповерхностные ветры и
океанические течения представляют собой отклик атмосфе¬
ры и океанов на неравномерное нагревание поверхности
Земли под воздействием солнечной радиации. Они отража¬
ют механизмы, которые стремятся сгладить эту неравно¬
мерность. В стационарном случае это достигается перено¬
сом избытка тепла от низких широт к полярным областям,
где солнечного тепла поступает мало. Всю систему теплопе-
реноса иллюстрирует рис. 6.4. В пределах тематики этой
главы важно понять роль воды как «рабочего вещества»
глобальной «тепловой машины».
Перенос тепла к полюсам
Посмотрим, как обстоит дело в реальности. На рис. 6.4, а
показано распределение среднегодового потока падающей
солнечной радиации (коротковолновой, ультрафиолетовой,
видимой и инфракрасной) в сравнении со среднегодовым по¬
током уходящей радиации (длинноволновым излучением
«черного тела», сходным с тепловыми «волнами», испускае¬
мыми нагретой печью). Ясно, что в тропиках поток падаю¬
щей радиации превышает поток уходящей, а в полярных
областях — наоборот. Кривые потоков падающего и уходя¬
щего излучений пересекаются в окрестности примерно
40° с. ш.; отсюда следует, что весь избыток тепла должен
переноситься из низких широт через 40-ю параллель, чтобы
компенсировать дефицит тепла в высоких широтах.
92
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Нам нужно найти подходящий способ выразить скорость
переноса тепла к полюсам. Океанологи используют понятие
«поток тепла», распределение которого показано на
рис. 6.4, в. Эта величина определяется как количество тепла,
переносимое через единичную площадку за единицу времени;
поток тепла может быть равен, скажем, 1000 кал/(м2 • с).
Одинаковая длина стрелок на рисунке означает, что океаны
и атмосфера вносят примерно одинаковый вклад в перенос
тепла к полюсам; об этом свидетельствуют лучшие из су¬
ществующих на сегодняшний день оценок ветров и течений.
Стрелка, относящаяся к океанам, показывает, что поток
тепла в них направлен к полюсу: течения полярного направ¬
ления несут теплую воду, а течения экваториального на¬
правления — холодную. Тепловой поток в атмосфере также
направлен к полюсу, и это означает, что южные ветры не¬
сут с собой более влажный (содержащий больше водяного
пара) воздух, чем ветры северные. Тот факт, что свое мак¬
симальное значение поток тепла принимает у 40° с. ш., ил¬
люстрирует рис. 6.4,6.
Роль океана в переносе тепла видна из схемы циркуляции
в Северной Атлантике. Из рис. 6.5 понятно, что основным
течением, пересекающим параллель 40° в Северном полуша¬
рии с юга на север, является Северо-Атлантическое
течение — продолжение потока теплой воды под названием
Гольфстрим, следующего вдоль Атлантического побережья
США. Гольфстрим выносит 26 млн. м3/с воды (почти поло¬
вину своего максимального расхода) из областей океана, на¬
ходящихся южнее 20° с. ш. Это тропические и субтропиче¬
ские поверхностные воды с температурой выше 25 °C. Все¬
го через 40-ю параллель в направлении к Северному полюсу
переносится 48 млн. м3 теплой воды в секунду; ветви
Северо-Атлантического течения достигают полярных морей
у берегов Норвегии и Гренландии. Складывая числа, приве¬
денные на рис. 6.5 для течений, пересекающих параллель
40° с севера на юг, мы получим только 44 млн. м37с, при¬
чем следует учесть, что текущие на юг воды холоднее. (Ве¬
роятно, примерно 4 млн. м3 воды в секунду испаряется или
теряется по каким-либо другим причинам в северных широ¬
тах.)
Какую роль играет высокая удельная теплоемкость воды
применительно к рассматриваемым нами вопросам? Если
считать, что средняя температура воды, текущей к полюсу,
на 10 °C выше, чем воды, текущей к экватору, то результи¬
рующий перенос тепла к полюсу должен составлять в рас¬
чете на секунду 10 кал на 1 г воды, участвующей в обмене,
или 10 млн. кал на 1 м3 воды, или 4 • 1013 кал для всей Се¬
верной Атлантики.
Океаны из спирта. Попробуем поиграть цифрами иначе.
Предположим, что океанические бассейны заполнены не
водой, а какой-то другой жидкостью. Как изменятся в этом
случае приведенные выше числа? Например, этило¬
вый спирт имеет удельную теплоемкость лишь
0,5 кал/(г • град) — вдвое меньшую, чем вода. Чтобы обес¬
печить такую же величину меридионального переноса тепла,
скорости течений в океане из спирта должны быть вдвое
больше. Однако поверхностные течения в океане создаются
ветром и не совсем очевидно, что ветер над океаном из
спирта будет дуть вдвое сильнее. Если бы жидкость в та¬
ком гипотетическом океане не текла вдвое быстрее, не мог
бы поддерживаться существующий баланс между приходом
и расходом тепла. В результате в низких широтах темпера-
Заштрихованы районы, где поверхностные воды теплее, чем в среднем по океану (расчет велся по широтным
полосам). Числа обозначают объемный перенос воды (в млн. м3/с), а стрелки указывают направление течения.
Жирная линия вдоль Атлантического побережья США — Гольфстрим. Он — главный «переносчик» теплой во¬
ды (и, следовательно, тепловой энергии) из тропических районов океана в полярные; часть теплой воды посту¬
пает в Северный Ледовитый океан в районе Норвегии.
Сравните информацию, которую дает эта схема, с картиной меридионального переноса тепла, показанной
на рис. 6.4. Если выбрать в качестве границы параллель 40°, то окажется, что перенос теплой воды на север
примерно равен переносу воды на юг: 48 и 44 млн. м3/с соответственно [5].
Рис. 6.5. Перенос теплой поверхностной воды к полюсу в Атлантическом океане.
ГЛАВА 6. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ
93
Рис. 6.6. Муссоны в Индийском океане —
это сезонное явление, объясняемое различи¬
ем в удельной теплоемкости пород суши и
воды.
Летом в результате нагревания высоких су¬
хих континентальных плато Гималайского
хребта возникают восходящие воздушные
потоки и влажный воздух засасывается на
континент со стороны Аравийского моря.
Над морем дуют преимущественно юго-за¬
падные ветры. Муссонные дожди выпада¬
ют тогда, когда влажный воздух поднима¬
ется вверх по горным склонам и излишек
влаги конденсируется (сплошные стрелки).
Зимой происходит обратный процесс. Вы¬
сокие плато охлаждаются гораздо сильнее,
чем поверхность моря. В этот сезон над
Аравийским морем дуют северо-восточные
ветры (пунктирные стрелки).
тура возросла бы, а в полярных областях стало бы еще хо¬
лоднее. Эти изменения происходили бы до наступления но¬
вого равновесия, при котором разность температур между
полюсами и экватором была бы значительно больше, чем
сейчас, а следовательно, ветры — сильнее. (Право, нам здо¬
рово повезло, что океаны на Земле состоят из воды, а не из
виски.) Практически термодинамика Мирового океана пря¬
мо связана с тем, что вода имеет высокую теплоемкость.
Муссоны и бризы
Тот факт, что удельная теплоемкость воды существенно
больше, чем удельная теплоемкость пород суши, объясняет
и другие явления. Рис. 6.6 иллюстрирует одно из них, наб¬
людаемое в Аравийском море, на западном побережье Ин¬
дии и в Гималаях, находящихся в глубине континента. Ле¬
том Гималаи, как и ближайшие к ним районы океана, по¬
глощают большое количество тепла, идущего от Солнца,
однако горные породы нагреваются сильнее из-за того, что
их удельная теплоемкость невелика. Теплые горные масси¬
вы нагревают нижний слой воздуха (благодаря теплопро¬
водности), и тот поднимается над хребтами в виде теплых
струй — термиков. В результате на сушу засасывается
влажный воздух с Аравийского моря. Когда этот воздух
поднимается вдоль склонов Гималаев, значительная часть
содержащейся в нем влаги конденсируется и выпадает в ви¬
де дождя. Такой процесс идет на протяжении большей ча¬
сти лета, называемой сезоном муссонов. В противополож¬
ность описанной ситуации зимой, когда поток солнечной ра¬
диации уменьшается, циркуляция меняет знак: холодный су¬
хой воздух движется вниз по склонам гор и растекается над
Аравийским морем.
Дж. Миченер в своем эпическом повествовании [2] опи¬
сывает, как использовали эту смену поверхностных ветров с
полугодовым периодом индийские и аравийские купцы. Зи¬
мой их суда, подгоняемые ветром, плыли на юг вдоль побе¬
режья Африки, а в сезон муссонов возвращались назад на
север*.
Морской бриз, хорошо знакомый жителям побережья,
также объясняется различием в удельной теплоемкости су¬
ши и воды. Из рис. 6.7 можно понять, почему морской бриз
ежедневно меняет направление на противоположное. Если
днем суша и море получают равное количество тепла от Со¬
лнца, температура суши растет быстрее, чем воды. В ре¬
зультате нагретый воздух, расположенный над сушей, начи¬
нает подниматься, а ему на смену на сушу засасывается воз¬
дух с моря. Это движение и образует дневной бриз. Ночью
температура суши падает быстрее, чем температура воды у
берега, и холодный воздух перетекает от берега в океан —
возникает ночной бриз.
Роль свойств воды во взаимодействии
океанов и атмосферы
J\q сих пор мы говорили о двух следствиях того факта, что
океаны сглаживают колебания глобального климата.
Рис. 6.4 показывает, что океаны наряду с атмосферой под¬
держивают равновесие в распределении тепла по земному
шару. Теплые поверхностные воды перемещаются к полю¬
сам, а холодные воды возвращаются к экватору. Однако ка¬
кие процессы обеспечивают передачу тепла от теплых вод
* Интересный факт: древние парусные суда могли плыть только по
ветру. Чтобы заставить их двигаться против ветра, потребовалось
изобрести киль. Таким образом, первые мореплаватели были вы¬
нуждены становиться «хорошими метеорологами»: их жизнь зави¬
села от направления ветра и от их способности предсказывать ве¬
тер. До того как появление искусственных спутников Земли позво¬
лило «наблюдать» за распределением ветра, наиболее надежные
оценки ветров над океанами удавалось получать путем обработки
тысяч наблюдений, выполняемых на судах.
94
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Уходящая радиация, глубокая ночь
1 I И
(а) Дневной бриз. Под воздействием однородного потока солнеч¬
ной радиации температура суши, удельная теплоемкость которой
меньше, растет быстрее, чем температура моря вблизи берега.
Поднимающиеся термики — струи воздуха, нагретого от суши,—
освобождают место для холодного морского воздуха, который за¬
сасывается на берег.
(б) Ночной бриз. Ночью суша остывает быстрее, чем море. Поздно
вечером воздух, охладившийся над сушей, начинает течь в сторону
моря.
Рис. 6.7. Морской бриз характеризуется суточным циклом в смене направления ветра (на берег и с берега) и объясняется различием в зна¬
чениях удельной теплоемкости суши и воды.
суше и барическим системам в полярных областях? Вспом¬
ним, что тепловой бюджет океанских вод, пересекающих
40-ю параллель в Северном полушарии, как свидетельствует
рис. 6.5, не сбалансирован; теряемые в виде пара 4 из
48 млн. м3/с переносимой на север воды должны играть
определяющую роль в упомянутой передаче тепла. Кроме
того, при анализе этой проблемы необходимо привлекать к
рассмотрению как океаны, так и атмосферу, а также про¬
цессы взаимодействия между ними.
Взаимодействие океанов и атмосферы —
I: перенос тепла путем теплопроводности
Нагревают ли океаны вышележащий слой воздуха или воз¬
дух нагревает воду, зависит от того, каковы знак и величи¬
на разности температур между ними. На рис. 6.8 представ¬
лены два случая: холодного воздуха над теплой водой и
теплого воздуха над холодной водой. В обоих случаях тепло
переносится благодаря физическому контакту этих сред. По¬
этому первое объяснение скорости переноса тепла между
ними основывается на понятии теплопроводности —
свойстве, которое тесным образом связано с молекулярной
структурой среды (данные, касающиеся воды, см. в
табл. 6.1). Но в действительности, как мы увидим ниже, пе¬
ренос тепла между воздухом и водой определяется не толь¬
ко молекулярной теплопроводностью.
Случай 1: холодный воздух над теплым океаном. Когда теп¬
лая вода отдает тепло непосредственно контактирующему с
ней слою холодного воздуха, поток тепла направлен вверх
(рис. 6.8, а). Теперь в игру вступает новый фактор: по мере
нагревания приповерхностный воздух становится легче, чем
холодный вышележащий воздух. В результате возникает не¬
устойчивое расслоение и выше- и нижележащие объемы
воздуха меняются местами. Иными словами, стремясь
вновь прийти в состояние равновесия, воздушный столб как
бы переворачивается.
В нагреваемом снизу морском воздухе быстро образуют¬
ся вертикальные конвективные ячейки, одна из которых
схематически показана на рис. 6.8,а. Высота подъема тер-
миков зависит от многих факторов, но в целом чем больше
разность температур между воздухом и водой, тем больше
поток тепла и тем больше высота, до которой поднимают¬
ся теплые струи. Не столь уж редки ячейки с вертикальным
размером в сотни метров.
Океаны ведут себя прямо противоположным образом.
Если в воздухе конвективная циркуляция возникает при на¬
гревании снизу, то конвекция в морской воде может возник¬
нуть в том случае, когда та охлаждается сверху, т. е. с по¬
верхности. В результате охлаждения плотность воды в по¬
верхностном слое возрастает. Если охлаждение достаточно
сильное, толща воды может стать неустойчивой, и тогда в
ней образуются отдельные вертикальные ячейки типа тех,
что возникают в атмосфере. Ячейки в океанах обычно зна¬
чительно меньше, чем в атмосфере, но все-таки достигают
десятков метров в глубину (рис. 6.8, а). Этот процесс пере¬
носа тепла продолжается до тех пор, пока воздух не нагре¬
ется, а вода не охладится настолько, что начальная разница
температур исчезнет.
Случай 2: теплый воздух над холодным океаном. Слу¬
чай 2 иллюстрирует рис. 6.8,6. Здесь поток тепла направлен
вниз — от теплого воздуха к холодной воде. Теряя тепло,
приповерхностный воздух охлаждается, и его плотность
увеличивается. В результате воздушный столб становится
более устойчивым и вертикальная конвекция не развивает¬
ся. При достаточно сильном охлаждении температура воз¬
духа у поверхности воды может снизиться до точки росы;
водяной пар в этом случае конденсируется, и образуется ту¬
ман.
Полосы тумана обычно возникают вблизи берега там,
где поднявшаяся на поверхность холодная вода контактиру¬
ет с воздухом. Однажды мне пришлось ехать на машине по
панамериканской автостраде из центральных районов Юж-
ГЛАВА 6. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ
95
Теплый морской воздух
(а) Холодный воздух у морской поверхности нагревается благодаря
теплопроводности. Нагреваемый снизу столб воздуха становится
неустойчивым, и в нем возникают конвективные ячейки, в которых
нагретый воздух поднимается, а находившийся вверху холодный —
опускается. Ячейки достигают сотен метров в высоту. Вертикаль¬
ная конвекция может возникать и в приповерхностном слое океана,
если вода отдает много тепла холодному воздуху; в воде ячейки
имеют гораздо меньший размер — 10—20 м по вертикали.
(б) Тепло передается от воздуха морю. Теряя тепло, приповерх¬
ностный слой воздуха становится тяжелее, так что вертикальная
конвекция подавляется. Если воздух охлаждается очень быстро, его
температура может упасть ниже точки росы; в этом случае атмо¬
сферная влага конденсируется в виде тумана. Такая ситуация часто
наблюдается в районах апвеллинга, где на поверхность выходит хо¬
лодная глубинная вода.
Рис. 6.8. Взаимодействие океанов и атмосферы — следствия обмена теплом между океаном и атмосферой путем теплопроводности.
ной Америки на север. На одном из участков дорога идет
вдоль перуанского берега, где интенсивный прибрежный ап¬
веллинг — обычное явление. Полосы тумана, которые были
видны над морем в километре от берега, выдавали места
выхода на поверхность холодных глубинных вод. У Орегон¬
ского и Калифорнийского побережий, где апвеллинг также
представляет собой повторяющееся явление, некоторые рас¬
тения, обитающие на берегу, «научились» в процессе эволю¬
ции забирать влагу прямо из оседающих на их листья ка¬
пель тумана. Примером может служить мамонтово дерево,
достигающее такой высоты, какая невозможна для других
видов деревьев, использующих для подачи воды вверх по
стволу только давление в корнях. Дендрологи, анализируя
годовые кольца деревьев, могут сказать, когда имели место
сезоны «сильного» и «слабого» апвеллинга; в некоторых
случаях удается восстановить хронологию таких событий за
последние несколько тысяч лет.
Взаимодействие океанов и атмосферы —
II: перенос тепла при испарении
Прямая передача тепла от поверхности океана вышележа¬
щему слою воздуха играет не самую важную роль во взаи¬
модействии океанов и атмосферы и в глобальном бюджете
тепла. Этот механизм был описан в предыдущем разделе
главным образом для того, чтобы объяснить читателю, в
чем суть процесса конвекции океанов и атмосферы.
Как можно видеть из величин, составляющих тепловой
бюджет океана и приведенных в табл. 6.2, примерно в де-
Таблица 6.2. Тепловой баланс океана [1]
Суммарный
приток тепла
Коротковолно¬
вая радиация
Условные Суммарные потери тепла Условные
единицы единицы
100
Уходящая длинновол- 41
новая радиация
Уход явного тепла в 5
атмосферу
Уход скрытого тепла в 54
атмосферу при испа¬
рении
100
сять раз больше тепла переносится благодаря испарению
воды. Этот факт объясняется исключительно большой вели¬
чиной скрытой теплоты парообразования, т. е. тепловой
энергии, которую уносит вода, покидающая океаны при ис¬
парении.
Сухой воздух. Воздух — это смесь газов, главным образом
азота N2(78% по объему), кислорода О2(21%) и аргона
Аг (1%). Другие составляющие присутствуют в небольших
количествах; из них наиболее важными являются углекис¬
лый газ СО2 (0,03%) и озон О3, поскольку СО2 поглощает
длинноволновую радиацию, а О3 — ультрафиолетовую.
Воздух обладает большой сжимаемостью. На данной
высоте над уровнем моря давление атмосферы равно весу
96
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
вышележащего столба воздуха с единичным сечением. Дав-
ление падает с высотой по экспоненциальному закону, и по¬
этому объем воздуха, который вследствие конвекции пере¬
мещается вверх, расширяется. В соответствии с универсаль¬
ными газовыми законами расширение поднимающегося воз¬
духа приводит к падению его температуры. В стандартной
атмосфере падение температуры составляет примерно 10 °C
на 1 км высоты.
Влажный воздух. Когда молекула воды покидает океан и
переходит в атмосферу, она вытесняет одну из молекул га¬
за, входящего в состав воздуха. Эта концепция вытеснения
основывается на работах по исследованию газов А. Авога-
дро (1776—1856) и Дж. Дальтона (1766—1844). Авогадро по¬
казал, что при одинаковых температуре и давлении равные
объемы различных газов содержат одно и то же количество
молекул. Дальтон установил, что полное давление смеси не¬
скольких газов равно сумме парциальных давлений отдель¬
ных составляющих. Мы воспользуемся этими соображения¬
ми для дальнейшего изучения взаимодействия океанов и ат¬
мосферы. На рис. 6.9 изображены два столба воздуха с оди¬
наковыми площадями поперечного сечения, опирающиеся на
поверхность моря. Столб сухого воздуха содержит только
стандартные газовые составляющие — азот с молекулярной
массой 28 и кислород с молекулярной массой 32. Столб
влажного воздуха содержит некоторое количество молекул
воды и в соответствии с законами, описывающими поведе¬
ние газов, имеет на такое же количество меньше молекул N2
и О2. Однако из-за того что молекулярная масса воды рав¬
на лишь 18, т. е. меньше, чем суммарная масса N2 и О2, вы¬
тесненных водяным паром, столб влажного воздуха должен
весить меньше. Иными словами, давление, оказываемое
столбом влажного воздуха на морскую поверхность, мень¬
ше того давления, которое создает столб сухого воздуха.
С этим обстоятельством связано происхождение приме¬
няемых в метеорологии терминов: атмосферный «макси¬
мум» (область высокого давления) для сухой воздушной
массы и атмосферный «минимум» (область низкого давле¬
ния) для влажной воздушной массы. В одной из последую¬
щих глав мы рассмотрим вопрос о том, как благодаря раз¬
нице давлений, создаваемых сухими и влажными массами
над океанами, рождается ветер, иначе говоря, какое влияние
оказывает испарение воды с поверхности океанов на рас¬
пределение ветров. Пока же сосредоточим внимание на об¬
мене теплом между океанами и атмосферой.
Роль скрытой теплоты парообразования
в работе тепловой машины
Теперь становится понятным высказанное ранее утвержде¬
ние, что океаны и атмосфера примерно в равной степени от¬
ветственны за работу по переносу тепловой энергии к полю¬
сам (как показано на рис. 6.4, в). Атмосфера извлекает теп¬
ловую энергию из океанов в форме водяного пара и перено¬
сит пар, а вместе с ним и скрытую теплоту парообразова¬
ния к полюсам. Вопрос о том, каким образом эта энергия в
конце концов высвобождается в полярных областях, также
имеет однозначный ответ. Она передается окружающему
воздуху, а в конце концов и суше, когда водяной пар конден¬
сируется и выпадает на землю в виде дождя или снега. Из
этого можно заключить, что вода — настоящее рабочее те¬
ло в тепловой машине Земли: и в жидкой форме, когда спо¬
собность переносить тепло обусловлена ее большой удель¬
ной теплоемкостью, и в форме пара, когда интенсивный пе¬
ренос тепла связан с большой величиной скрытой теплоты
парообразования.
Тепловой бюджет океана. В конечном счете, разумеется, во¬
ду для тепловой машины поставляют именно океаны. В
табл. 6.2 проводится сравнение суммарного количества теп¬
ла, получаемого океанами, с тем теплом, которое они отда¬
ют. Заметим, что тепло, теряемое океанами в результате
прямого обмена с атмосферой, невелико по сравнению с по¬
терями тепла, обусловленными обратным тепловым излуче¬
нием и испарением. Потери тепла на испарение наиболее
значительны и играют самую важную роль. Это связано с
тем, что у воды велика скрытая теплота парообразования.
В среднем с поверхности океана испаряется около 1,2 м во¬
ды в год.
Рассмотрим вновь гипотетический океан, состоящий из
спирта. У этилового спирта скрытая теплота парообразова¬
ния равна всего 200 кал/г (почти втрое меньше, чем у
воды). Если бы спиртовой океан терял тот же слой толщи¬
ной 1,2 м в год, его тепловой бюджет оказался бы абсолют-
Молекулы Молекулы
Холодный воздух имеет большую плотность, чем теплый, по¬
скольку объем, занимаемый газом, растет с температурой (при по¬
стоянном давлении). Сухой воздух имеет большую плотность, чем
влажный, поскольку смесь азота, кислорода и водяного пара легче
смеси только азота и кислорода.
Молекулярная масса азота N2 = 28,
молекулярная масса кислорода О2 = 32,
молекулярная масса воды Н2О = 18.
Поэтому, если часть молекул N2 и О2 замещена молекулами
водяного пара, плотность газовой смеси меньше, чем когда воздух
не содержит водяного пара. В результате этого давление на уровне
моря под столбом сухого воздуха больше, чем под столбом влаж¬
ного. По этой причине масса сухого воздуха называется областью
высокого давления (атмосферным максимумом), а масса влажно¬
го — областью низкого давления (атмосферным минимумом). Ког¬
да две массы воздуха, сухая и влажная, соседствуют, как показано
на рисунке, между двумя точками на поверхности возникает пере¬
пад давления. Эта разность давлений и порождает ветер у морской
поверхности как реакцию атмосферы на действие сил, заставляю¬
щих воздух перемещаться из области высокого давления в область
низкого давления.
Рис. 6.9. Как воздух в вертикальном столбе становится «сухим» или «влажным».
ГЛАВА 6. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ
97
Грозовое облако над океаном. За год
с поверхности океанов испаряется
слой воды толщиной 120 см; значи¬
тельная часть этих потерь компенси¬
руется выпадением осадков над мо¬
рем.
но несбалансированным, поскольку потери тепла не компен¬
сировали бы приток солнечной радиации. Температура океа¬
на начала бы расти и увеличивалась, пока не было бы до¬
стигнуто новое состояние равновесия. Чтобы с поверхности
такого океана испарялось вдвое больше жидкости (что тре¬
буется для поддержания теплового баланса), атмосфера
должна переносить в два раза больше паров спирта, а спо¬
собна ли она на это — далеко не очевидно. Если бы атмо¬
сфера не могла обеспечивать перенос требуемого количества
тепла к полюсам (а при меньшем значении скрытой тепло¬
ты парообразования это было бы труднее), температура на
полюсах понизилась бы. В результате глобального увеличе¬
ния разности температур между экваториальными и по¬
лярными областями усилились бы ветры и течения. Сумми¬
руя сказанное, можно утверждать, что климат Земли таков,
каков он есть, именно благодаря особым физическим
свойствам воды.
Роль испарения в атмосферной конвекции
В рамках схемы, иллюстрируемой рис. 6.8, явление верти¬
кальной конвекции и образования конвективных ячеек в слое
холодного воздуха, расположенного над поверхностью мо¬
ря, непосредственно связано с нагреванием снизу (и потерей
устойчивости) столба воздуха. Что, если в дополнение к по¬
току явного тепла будет существовать поток водяного па¬
ра в атмосферу? С учетом сказанного ответ ясен: «впрыски¬
вание» водяного пара в нижнюю часть столба воздуха так¬
же приводит к уменьшению плотности воздуха и делает его
еще более неустойчивым. Вертикальная конвекция становит¬
ся гораздо более интенсивной по сравнению с тем случаем,
когда нагрев осуществляется лишь путем обмена явным
теплом. Восходящие потоки теплого влажного воздуха про¬
никают в атмосферу на большую высоту — зачастую на¬
столько высоко, что водяной пар начинает конденсировать¬
ся с образованием облаков.
Эти идеи можно развить. На самом деле вертикальная
конвекция может происходить, и притом довольно интен¬
сивно, даже в том случае, когда температуры воздуха и во¬
ды одинаковы; одного только испарения достаточно для
приведения в действие механизма конвекции. Это условие
часто выполняется в тропиках, чем и объясняются встреча¬
ющиеся там над океанами пушистые облака и постоянная
дымка в воздухе. Справедливо и обратное утверждение: да¬
же в отсутствие потока водяного пара может существовать
поток явного тепла. Это условие выполняется всякий раз,
когда приповерхностный воздух теплый и количество водя¬
ных паров в нем близко к насыщению. Полосы тумана в
районах апвеллинга у побережья Перу, о которых я упоми¬
нал, относятся именно к такому случаю.
На основании сказанного мы можем заключить, что ус¬
ловия для оптимального теплового потока из океанов в
атмосферу существуют всегда, когда над теплым океаном
располагается холодный сухой воздух. Эти условия выпо¬
лняются в нескольких районах. У северо-восточного побе¬
режья Северной Америки холодный сухой воздух сходит с
Канадского щита и Гренландии и растекается над теплой
водой Северо-Атлантического течения. Это — область ин¬
тенсивного испарения и охлаждения поверхностной воды.
Аналогичные явления наблюдаются в Японском и Восточ¬
но-Китайском морях, над которыми движутся холодные су¬
хие воздушные массы, сходящие с Сибирского щита.
Рис. 6.10 представляет собой фотографию этого азиатского
района, сделанную с искусственного спутника Земли в фев¬
рале 1979 г. во время внезапного появления холодной и су¬
хой континентальной воздушной массы над Восточно-Ки-
98
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Рис. 6.10. Фотография участка Восточно-Китайского моря, сде¬
ланная со спутника в 11 ч 36 мин 17 февраля 1975 г. во время круп¬
номасштабного судового (NAHA) и буйкового (SPAR) эксперимен¬
та; расстояние между судном и буем равно 315 км. Заметны хоро¬
шо развитые конвективные ячейки, образующиеся, когда холодный
сухой воздух, отрывающийся от Манчжурско-Корейского плато,
движется над Восточно-Китайским морем (на фотографии — свер¬
ху вниз). Ячейки проявляются в картине распределения облачности,
которая сопутствует мощной вертикальной конвекции в атмосфере.
Цепочка вихрей в центре объясняется движением воздуха через го¬
ристый остров у южной оконечности Корейского полуострова [4].
тайским морем. Ячеистая структура облачности возникала
по мере того, как влажный воздух в конвективных ячейках
поднимался на все большие высоты. Здесь в результате паде¬
ния давления воздух охлаждался и значительная часть пара
конденсировалась, образуя облака.
Роль испарения в океанической конвекции
На рис. 6.8 показано, что потери явного тепла поверхност¬
ным слоем океанов приводят к увеличению плотности
охлаждающейся морской воды, потере устойчивости водной
толщей и последующему развитию вертикальных конвек¬
тивных ячеек. Теперь мы покажем, что испарение воды с
поверхности моря также может инициировать конвекцию в
верхнем слое. В этом случае, однако, в действие вступают
два эффекта, которые приводят к гораздо более интенсив¬
ной конвекции, чем в случае одного лишь охлаждения.
1. Потери тепла на испарение в 10 раз превышают поте¬
ри явного тепла (см. табл. 6.2). Энергию, необходимую для
отрыва от жидкой поверхности, молекулы воды получают в
основном двумя путями: благодаря солнечной радиации и
обмену энергией между соседними молекулами, что приво¬
дит к охлаждению остающейся жидкости. (Второй эффект
хорошо известен жителям районов с жарким сухим клима¬
том, где для кондиционирования воздуха используются ис¬
парители.) Как и в случае потерь явного тепла, охлаждение
морской поверхности сверху приводит к потере устойчиво¬
сти водной толщей и развитию вертикальной конвекции.
2. Морская вода — двухкомпонентная жидкость, состоя¬
щая из Н2О и растворенных в ней солей. Соли не участвуют
в испарении, и когда поверхностная вода испаряется, соде¬
ржавшиеся в ней соли «забирает» остающаяся жидкая вода;
в результате ее плотность растет, а это ведет к развитию
вертикальной конвекции.
Все вместе — потери тепла и обогащение солями поверх¬
ностного слоя воды в районах интенсивного испарения —
быстро приводит к перемешиванию поверхностного слоя
океана. Теперь читатель может понять смысл сделанного
ранее утверждения: «Всякая масса воды в океанских глуби¬
нах, которую можно идентифицировать по строго опреде¬
ленным значениям температуры и солености, приобрела та¬
кие температуру и соленость раньше, когда имела возмож¬
ность взаимодействовать с атмосферой». Читатель вправе
задать дополнительные вопросы. До какой глубины может
проникать конвективное перемешивание? В каких районах
Мирового океана этот поверхностный процесс выражен наи¬
более ярко? Прежде чем ответить на эти вопросы, мы до¬
лжны подробно изучить другое физическое свойство
воды — ее плотность, зависимость плотности от притока
тепла и солей. Ниже мы вернемся к проблеме взаимодейст¬
вия океанов и атмосферы.
Заключение
Основная тема гл. 6 имеет принципиальное значение: мы не
можем заниматься вопросами океанологии, не изучив внача¬
ле, что такое вода. Изучая же воду, нужно прежде всего
иметь в виду следующее: гидросфера и атмосфера Земли ве¬
дут себя определенным образом именно в силу характерных
физических свойств воды. Вода практически несжимаема,
что имеет два важных следствия: во-первых, мы можем без
труда отбирать пробы воды с больших глубин, а во-
вторых, она не закипает при высоком давлении. Вода имеет
наибольшую из обычных жидкостей и твердых веществ теп¬
лоемкость, и благодаря этому свойству океаны могут
транспортировать большое количество тепла к полюсам,
компенсируя неравномерный нагрев земной поверхности
солнечной радиацией. Теплота парообразования у воды
больше, чем у других широко распространенных в природе
жидкостей, благодаря чему атмосфера вносит важный вклад
в меридиональный перенос тепла. Вода — поистине «рабо¬
чее тело» тепловой машины Земли.
Нигде роль воды не проявляется столь отчетливо, как во
взаимодействии океанов и атмосферы. Тот факт, что пар,
поступивший в атмосферу, делает воздух более «плавучим»
по сравнению с сухим воздухом, объясняет существующее
на Земле распределение ветров и барическое поле (см., на¬
пример, рис. 3.1). Однако причину и следствие этого взаи¬
модействия трудно различить, поскольку именно ветер —
движущая сила для поверхностных океанических течений.
Как мы увидим в следующей главе, испарение и выпадение
осадков в глобальном масштабе объясняют различия между
океанами, находящие отражение во всех науках о море,
включая столь далекие друг от друга вопросы, как химия
океана, седиментология или специфические процессы адап¬
тации морских организмов.
ГЛАВА 7. МОРСКИЕ СОЛИ
99
Контрольные вопросы
1. Пользуясь табл. 6.1, перечислите те физические харак¬
теристики, значения которых у воды больше, чем у других
распространенных в природе жидкостей.
2. В силу большой плотности воды давление в океанских
глубинах весьма велико. Каково оно (в барах) на 100-м глу¬
бине? На глубине 4000 м?
3. При сжатии газа его температура повышается. В ат¬
мосфере Земли воздух на уровне моря сжат весом вышеле¬
жащего столба воздуха, но его температура относительно
низка, поскольку тепло, выделяющееся при сжатии, может
излучаться в космос. В толще океанов этот процесс невоз¬
можен. Здесь выделяющееся тепло быстро поглощается во¬
дой. Почему в таком случае температура воды на больших
глубинах не так высока?
4. В этой главе мы определили понятие удельной тепло¬
емкости*, у воды она равна 1 кал/(г • град). Часто эту ха¬
рактеристику называют теплозапасом. Выразите в одном
предложении смысл утверждения: «Вода обладает большим
теплозапасом».
5. Тепловую энергию, связанную с процессом испарения
воды, часто называют «скрытой теплотой». Как вы дума¬
ете, почему в данном случае используется слово «скрытая»?
6. Изучая роль замерзания и испарения морской воды в
изменчивости условий, существующих в океанах, полезно
анализировать, как изменяется тепловая энергия при фазо¬
вых переходах — жидкой воды в лед или пар и льда или па¬
ра в жидкую воду.
а) Что происходит с 80 кал, которые выделяет 1 г жид¬
кой воды, превращающейся в лед? (Откуда берется это теп¬
ло? Куда оно уходит?)
б) Какова судьба тех 540 кал, которые участвуют в испа¬
рении? (Откуда берется эта энергия? На что она расходует¬
ся?)
в) Опишите обратные процессы — превращение льда в
жидкую воду и т. д.
7. Следствием высокой теплоемкости воды является то,
что направленные к полюсам теплые поверхностные тече¬
ния а) очень важны, б) умеренно важны, в) играют незначи¬
тельную роль в смягчении климата полярных областей (вы¬
берите правильный ответ).
8. Следствием высокой теплоемкости воды являются
возобновляющиеся каждый день морские бризы, которые
дуют перпендикулярно береговой линии. Объясните это ут¬
верждение.
9. Тепло от нагретой поверхности воды передается вверх
холодным массам воздуха над океанами благодаря двум
процессам. Что это за процессы и какой из них играет наи¬
более важную роль в глобальном переносе тепла между оке¬
анами и атмосферой?
10. Из материала, изложенного в данной главе, можно
заключить, что атмосфера нагревается в основном снизу, а
океан сверху. Согласны ли вы с этим выводом? Подкрепите
свой ответ доказательствами.
11. Если на предыдущий вопрос вы ответили положи¬
тельно, объясните следующий факт. Испарение и обмен яв¬
ным теплом ведут к потерям тепла поверхностным слоем
океанов, и, таким образом, в больших масштабах времени
океаны охлаждаются сверху. Помогут ли разрешить эту
проблему данные, приведенные в табл. 6.2?
12. Предположим, что рис. 6.4,6 опущен. Могли бы вы
на основе рис. 6.4, а показать, что на какой-то широте в об¬
ласти между 0 и 90° с. ш. должен существовать максимум
потока тепла в направлении к полюсу?
13. Скажите коротко, в чем разница между сухим и
влажным воздухом.
14. Верно ли, что в области пониженного давления ат¬
мосферы обязательно содержится большое количество водя¬
ного пара, или, по-другому, должна ли область высокого
давления непременно быть сухой?
15. Ветры возникают вследствие разности давлений у по¬
верхности Земли. Можно ли сказать то же самое о придон¬
ных течениях в океане?
ГЛАВА 7
МОРСКИЕ СОЛИ
Каково происхождение, время пребывания и судьба солей, раство¬
ренных в морской воде, а также какие дополнительные особенно¬
сти океанов объясняются тем, что вода соленая?
Соленый вкус морской воды — наиболее известная ее осо¬
бенность, равно как и одна из самых интересных.
В морской воде, лишенной растворенных солей и газов,
жизнь в том виде, в каком мы сейчас ее наблюдаем, просто
не могла бы существовать. Большинство древнейших иско¬
паемых организмов относится к морским видам, откуда сле¬
дует естественный вопрос: когда в древности океаны нако¬
пили достаточное количество растворенных солей, чтобы в
них могла начать развиваться жизнь (если она действитель¬
но зародилась именно там)? Другой вопрос: продолжает ли
соленость воды расти? Сейчас мы полагаем, что нет.
Изучение проблемы солености морской воды затрагива¬
ет почти все разделы науки о море. Скорость диффузии со¬
лей в воде — важная часть явления перемешивания, изучае¬
мого физиками. Биологи, обращаясь к циклу солей, исследу¬
ют скорости роста растений. Химики занимаются измерени¬
ем скоростей газообмена между океанами и атмосферой,
временем «жизни» солей и проблемой их выпадения в оса¬
док. Геологи анализируют распределение и возраст таких
осадков, а геохимики строят общую картину распределения
солей в океанах. По этим причинам нам кажется уместным
посвятить солям отдельную главу.
Происхождение солей
В какой именно момент геологического времени океаны
впервые стали солеными — точно не известно. Все, что мы
знаем о солях, было получено из трех источников и позво¬
ляет предположить, что вода стала соленой вскоре после
того, как она стала заполнять древние депрессии в земной
коре. Первый источник сведений — характеристики ископае¬
мых остатков. Среди ископаемых позднего докембрия (свы¬
ше 600 млн. лет назад) находят остатки роющих червей, по¬
хожих на тех, которые до сих пор проделывают норы в
мягких осадках на морском дне. В кембрийский период
(свыше 500 млн. лет назад) существовали животные, обла¬
дающие скелетом, примером которых являются трилобиты.
Эти родственники крабов имели наружный сегментирован¬
ный скелет и, по-видимому, питались детритом, имеющим¬
ся на океаническом дне; похожие на них морские животные
100
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Соляные плоскотины вблизи Уэндо¬
вера, шт. Юта. Когда вода из древ¬
них морей или солоноватых озер ис¬
парялась, растворенные в ней ве¬
щества выпадали в осадок, образуя
различные минеральные соли.
существуют и сегодня. Все это свидетельствует о том, что в
ту раннюю эпоху организмы уже были приспособлены к
жизни в соленой воде.
Вторым источником данных является анализ солей,
оставшихся после высыхания морей в древних депрессиях.
Эти древние соли подобны тем, которые мы находим в сов¬
ременных эвапоритах. Третий источник связан с получен¬
ным недавно выводом о том, что каждому компоненту
морской соли свойственно характерное время пребывания
(период цикла обращения) — интервал, заключенный между
моментом, когда он попадает в морскую воду, и моментом,
когда он выпадает из нее, переходя в донные осадки. Сред¬
ние значения периода цикла обращения элементов, у которых
этот параметр удалось измерить (табл. 7.1), много меньше,
чем вычисленный возраст самой океанской воды. Это гово¬
рит о несостоятельности любой гипотезы, объясняющей наб¬
людаемые в настоящее время концентрации солей простым
накоплением их на протяжении геологической истории Земли.
Содержание солей в морской воде равно в среднем 34 г
на 1000 г раствора. Отношение этих двух величин принято
называть соленостью и выражать в промилле (частях на
тысячу), что в данном случае записывается как 34%о. Хотя
растворенные соли в океанах хорошо перемешаны, соле¬
ность варьирует в широких пределах, и эти вариации указы¬
вают на существование областей с повышенной интенсив¬
ностью выпадения атмосферных осадков, речного стока или
испарения. Иначе говоря, соленость является мерой того,
как быстро Н2О поступает в соленый «бульон», который
мы зовем океаном, и покидает его.
Химические элементы в морской воде
У воды по сравнению с другими распространенными на
Земле жидкостями растворяющая способность наиболее ве¬
лика (см. табл. 6.1). То, что она расщепляет молекулы хи¬
мических соединений, объясняется биполярной формой мо¬
лекулы воды. Рис. 7.1 иллюстрирует диссоциацию молеку¬
лы обычной поваренной соли, хлорида натрия NaCl, на от-
Рис. 7.1. Хлорид натрия NaCl диссоцииру¬
ет в воде на ионы натрия (заряженные по¬
ложительно) и хлора (заряженные отрица¬
тельно). Поскольку молекула воды сама по
себе поляризована, она может присоеди¬
няться к ионам и нейтрализовывать их; в
результате образуется более крупная части¬
ца, называемая сольватированным ионом.
ГЛАВА 7. МОРСКИЕ СОЛИ
101
Таблица 7.1. Элементы, присутствующие в морской воде: концентрации 81 из известных 92 природных элементов по измерениям в поверх¬
ностном слое, в толще океана или в обоих этих слоях [1, 3, 7, 8]
Атомный
номер
Элемент
Вещество Характеристика
Среднее значение
концентрации
Время пребывания, годы
по осадкона- по стоку рек
коплению
1
Водород
н2
2
Гелий
3
Литий
4
Бериллий
5
Бор*
Неорганиче¬
ский бор
6
Углерод**
ЕСО/
7
Азот**
N2
Нитраты
8
Кислород
Растворен¬
ный О2
9
Фтор
10
Неон
11
Натрий*
12
Магний*
13
Алюминий
14
Кремний* *
Силикаты
15
Фосфор* *
Фосфаты
16
Сера*
Сульфаты
17
Хлор*
Хлориды
18
Аргон
19
Калий*
20
Кальций*
21
Скандий
22
Титан
23
Ванадий
24
Хром
25
Марганец
26
Железо
27
Кобальт
28
Никель
29
Медь
30
Цинк
31
Галлий
32
Германий
33
Мышьяк
As (V)
34
Селен
Se (IV)
35
Бром*
Бромиды
36
Криптон
37
Рубидий
Биогенного или гидротермального
происхождения
Небиогенный газ
Консервативный
Биогенного типа, но концентрация
растет с глубиной
Консервативный
Биогенный
Небиогенный газ
Биогенный
Содержание зависит от биологиче¬
ских процессов
Консервативный
Небиогенный газ
Консервативный
Консервативны й
Биогенный
Биогенный
Консервативный
Консервативный
Небиогенный газ
Консервативный
Коррелирует со щелочностью кар¬
бонатов
Консервативный
Коррелирует с биогенными вещест¬
вами (силикатами и фосфатами
или нитратами)
Концентрация максимальна на по¬
верхности; на глубине коррелиру¬
ет с лабильными биогенными эле¬
ментами и характеризуется отри¬
цательной корреляцией с раство¬
ренным кислородом
Коррелирует с биогенными вещест¬
вами; отрицательная корреляция с
растворенным кислородом
Как у марганца
Коррелирует с биогенными вещест¬
вами (фосфатами и силикатами)
Сходна с биогенными элементами,
но концентрируется в осадочном
материале; выносится с промежу¬
точных глубин
Коррелирует с биогенными вещест¬
вами (силикатами)
Коррелирует с биогенными вещест¬
вами (силикатами)
Коррелирует с биогенными вещест¬
вами (фосфатами)
Коррелирует с биогенными вещест¬
вами (силикатами и фосфатами)
Консервативный
Небиогенный газ
Консервативный
108 г/кг
1,9 нмоль/кг
178 мкг/кг
2- 107
0,2 нг/кг
150
4,4 мг/кг
2200 мкмоль/кг
590 мкмоль/кг
30 мкмоль/кг
857 г/кг
1,3 мг/кг
8 нмоль/кг
10,781 г/кг
2,6 • 108
2,1 • 108
1,28 г/кг
4,5 • 107
2,2 • 107
1 мкг/кг
100
110 мкмоль/кг
8- 103
3,5 • 104
2 мкмоль/кг
2,712 г/кг
19,353 г/кг
15,6 мкмоль/кг
399 мг/кг
1,1 • 107
1 • 107
415 мг/кг
8,0 • 106
1 • 106
< 1 нг/кг
5,6 • 103
< 1 нг/кг
160
< 1 мкг/кг
1,0- 104
330 нг/кг
350
10 нг/кг
1400
40 нг/кг
140
2 нг/кг
1,8- 104
480 нг/кг
1,8 - 104
120 нг/кг
5,0 • 104
390 нг/кг
1,8- 105
10—20 нг/кг
1,4 - 103
5 нг/кг
7 • 10’
2 мкг/кг
170 нг/кг
67 мг/кг
3,7 нмоль/кг
124 мкг/кг
2,7 • 105
102
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Таблица 7.1. (продолжение).
Атомный
номер
Элемент
Вещество
Характеристика
Среднее значение
концентрации
Время пребывания, годы
по осадкона¬
коплению
по стоку рек
38
Стронций
Коррелирует с биогенными вещест-
7,8 мг/кг
1,9 • 107
вами (фосфатами)
39
Иттрий
В первом приближении консерва-
13 нг/кг
7,5 • 103
тивный
40
Цирконий
< 1 мкг/кг
41
Ниобий
1 нг/кг
300
42
Молибден
Консервативный
11 мкг/кг
5,0 • 105
43
Технеций
44
Рутений
0,5 нг/кг
45
Родий
46
Палладий
47
Серебро
3 нг/кг
2,1 • 106
48
Кадмий
Коррелирует с биогенными вещест-
70 нг/кг
5,0 • 105
вами (фосфатами)
49
Индий
0,2 нг/кг
50
Олово
Неконсервативный, антропогенный
0,5 нг/кг
5,0 • 105
51
Сурьма
Консервативный
0,2 мкг/кг
3,5 • 105
52
Теллур
53
Иод
Иодиты
Коррелирует с биогенными вещест¬
59 мкг/кг
вами (нитратами и фосфатами)
54
Ксенон
Небиогенный газ
0,5 нмоль/кг
55
Цезий
Консервативный
0,3 нг/кг
4 - 104
56
Барий
Коррелирует с биогенными вещест¬
11,7 мкг/кг
8,4 • 104
вами (силикатами) и щелочностью
57—71
Лантан и
Коррелируют с биогенными вещест¬
1,1 • 104
лантаноиды
вами или с глубиной
72
Гафний
< 8 нг/кг
73
Тантал
<2,5 нг/кг
74
Вольфрам
< 1 нг/кг
1,0- 103
75
Рений
4 нг/кг
76
Осмий
77
Иридий
78
Платина
79
Золото
11 нг/кг
5,6 • 105
80
Ртуть
Коррелирует с биогенными вещест¬
6 нг/гкг
4,2 • 104
вами (силикатами)
81
Таллий
Консервативный
12 нг/кг
82
Свинец
Неконсервативный, антропогенный
1 нг/кг
2 • 103
83
Висмут
10 нг/кг
4,5 • 104
84
Полоний
85
(Астат)
86
Радон
87
(Франций)
88
Радий
89
Актиний
90
Торий
91
Протактиний
<0,7 нг/кг
350
92
Уран
Консервативный
3,2 мкг/кг
5 • 105
* Относительные концентрации этих восьми элементов во всех океанах постоянны.
•• Эти элементы, обычно называемые биогенными, входят в состав питательных веществ, используемых растениями в качестве пищи.
дельные элементы — ионы. Ион натрия Na+ называется
катионом, он несет положительный заряд; ион хлора —
хлорид-ион С1— — называется анионом и несет отрицатель¬
ный заряд. В природе Na+ и С1— соединяются друг с дру¬
гом, образуя твердое вещество, а их избыточные заряды
при этом взаимно нейтрализуются. В морской воде в силу
того, что молекула Н2О сама представляет собой электриче¬
ский диполь (см. рис. 6.1), свободные ионы, как правило,
нейтрализуются молекулами воды, которые окружают
ионы определенным образом (рис. 7.1).
Соединение «ион плюс вода», называемое сольватиро¬
ванным ионом, велико по размеру и обычно не является
ГЛАВА 7. МОРСКИЕ СОЛИ
103
Пар, выходящий из фумарол вулкана
Асо на о. Кюсю в Японии. Перегре¬
тый пар, выходящий из активных
вулканов, образуется в основном за
счет подземных вод, попавших в тре¬
щины остывающей магмы, но часть
пара возникает из ювенильной воды,
которая здесь впервые выходит на
поверхность.
электрически нейтральным*. Отдельные ионы все-таки мо¬
гут соединяться в воде друг с другом. В табл. 7.1, где пред¬
ставлены современные (1983 г.) данные о растворенных в
морской воде элементах, указаны также «предпочтитель¬
ные» химические состояния для каждого такого элемента:
например, углерод присутствует в виде СО2 (растворенного
углекислого газа), сера — в виде SO^— (сульфат-иона) и
т. д. Коротко говоря, именно благодаря высокой растворя¬
ющей способности Н2О в состав морских солей входит
большинство известных химических элементов.
Концентрации
В табл. 7.1 приведены средние значения концентраций мно¬
гих элементов, обнаруженных в морской воде. Читатель до¬
лжен иметь в виду, что эти цифры не претендуют на абсо¬
лютную точность и в будущем, по мере развития наших
знаний, могут быть пересмотрены. Как и следовало ожи¬
дать, концентрации элементов далеко не одинаковы; они
могут быть велики (один только хлор при солености
19,353 %о обеспечивает 55 % массы солей), малы (фтор при¬
сутствует в количестве приблизительно 1 млн-1) и даже
крайне малы (содержание золота составляет 10—5 млн-1).
♦ Один из способов опреснить соленую воду — это пропустить ее
между двумя электродами, подсоединенными к положительному и
отрицательному концам электрической батареи. Сольватированный
ион Na+ притягивается к отрицательному (-) электроду, а ион
С1~ — к положительному ( + ). Посередине потока, текущего между
электродами, вода обеднена солью, и, откачав ее, можно получить
«пресную» воду. На самом деле этот метод пригоден только для
воды с соленостью менее 5%о. Тот факт, что вода является столь
хорошим «растворителем» (читай: нейтрализатором), означает,
что для разделения практически нейтральных сольватированных
ионов требуются сильные электрические поля, а это влечет за со¬
бой значительные затраты.
Распределения
Химические элементы распределены в океанах не одинако¬
во. Различные типы распределения концентраций, которые
можно измерить, позволяют разбить растворенные в воде
элементы на четыре группы.
1. Консервативные элементы. Восемь основных элементов
дают 99,5% всего растворенного материала. Их концентра¬
ции много больше, чем их «поток» в океаны в результате
эрозии континентальной коры или вулканической деятельно¬
сти. Иными словами, их времена пребывания значительно
превышают те несколько тысяч лет, которые необходимы
для полного перемешивания воды в океане. Отношения их
концентраций всегда постоянны; этот факт постоянства от¬
носительных концентраций консервативных элементов бу¬
дет рассматриваться ниже в этой главе. В табл. 7.1 консер¬
вативные элементы помечены звездочкой (*).
2. Биогенные элементы. Концентрации элементов, которые
играют важную роль в питании морских растений, и по вер¬
тикали, и по горизонтали распределены неравномерно. Кон¬
центрации этих элементов обычно низки в поверхностных
водах, где растения их интенсивно поглощают, и возраста¬
ют на глубине, где в результате разложения органического
материала эти элементы возвращаются в раствор. В
табл. 7.1 основные биогенные элементы отмечены двумя
звездочками.
3. Микроэлементы. Третьими по порядку их вклада в массу
солей являются элементы, встречающиеся в крайне малых
концентрациях — менее 1 млн-1. В табл. 7.1 различные эле¬
менты, находящиеся в воде в пренебрежимо малых концент¬
рациях, охарактеризованы как элементы биогенного типа.
Хотя собственно биогенными элементами они не считают¬
ся, их распределение, сходное с распределением биогенных
элементов, объясняется тем, что, подобно последним, они
ассимилируются многими морскими организмами. Известно,
104
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
н
*:•
Li
Ве*<
_B_
ж
i
• •••
:o*
F
Ne.
• ••
Na
Mg
Al
CI
• •
Ar*.
• •
са.
Sc
Ti
V
Cr’4
Mn
Fe4:
Co
NL4’
Cu'-'-
Zn$
Ga
Ge‘:
As^
Se
Br
• •
Kr •
• •
Rb
Sr4:
Y
Zr
Nb
Mo
Ag
Cd4
In
Sn
Sb
• •
Xe*.
• •
Cs
Ba4:-
Hf
Ta
W
Au
Hg^
Tl
Pb
Bi
•••
Rn;
Ra
Рис. 7.2. Элементы, растворенные в
морской воде и показанные в виде
периодической таблицы — классифи¬
кация Гросса [4].
Биогенные
элементы
И Элементы
’’биогенного” типа
Q Элементы,
необходимые для
роста растений
что микроэлементы играют жизненно важную роль в химиче¬
ских процессах, происходящих в теле живых организмов.
4. Растворенные газы. В наибольших концентрациях в воде
присутствуют те газы, которые входят в состав атмосфер¬
ного воздуха. Таким образом, у поверхности вода обычно
насыщена азотом и кислородом. Однако с глубиной сход¬
ство теряется. Так, например, углекислый газ служит основ¬
ным источником углерода при построении протоплазмы (в
табл. 7.1 углерод классифицируется как биогенный
элемент); его концентрация с глубиной возрастает, и в этом
отношении он сходен с питательными веществами.
Гросс [4] группирует элементы иным образом (рис. 7.2),
основываясь на периодической системе Менделеева. Из его
классификации ясно видно, что микроэлементы, необходимые
для роста растений, являются переходными элементами.
Источники, стоки и время пребывания
Источники и стоки
В табл. 7.2 восемь основных консервативных ионов разбиты
на два класса — катионы и анионы.
Катионы. Катионы определяются как положительно заря¬
женные частицы. Они попадают в океаны благодаря вывет¬
риванию континентальных пород. Основной элемент, по¬
ставляющий катионы, — натрий. Хотя эрозия пород явля¬
ется непрерывным процессом в пределах гидрологического
цикла, это не означает, что катионы накапливаются в морс¬
кой воде. Все перечисленные в таблице катионы постепенно
удаляются из морской воды, так как попадают в состав
донных осадков.
Важно отметить, что скорости поступления и удаления
катионов определяются различными процессами. Скорость
эрозии зависит главным образом от того, как быстро эле¬
менты переходят в растворенное состояние в ходе гидроло¬
гического цикла — непрерывного процесса, происходящего в
Таблица 7.2. Основные компоненты морских солей
Катионы
Анионы
Натрий
Хлорид
Магний
Сульфат
Кальций
Бромид
Калий
Борат
«тепловой машине» Земли. В отличие от этого скорость
удаления определяется в основном концентрацией элемента
в морской воде, поскольку скорости многих химических ре¬
акций зависят от числа атомов или молекул, которые спо¬
собны вступать в реакцию. Поэтому концентрация соли рас¬
тет до тех пор, пока скорость ее удаления не сравняется со
скоростью поступления; эта концентрация будет «равновес¬
ной». Так, по оценкам геохимиков, для того чтобы концент¬
рация натрия достигла своего современного равновесного
значения, должно было пройти 600 млн. лет; для калия эта
величина составляет лишь 30 млн. лет.
Анионы. Анионы — это отрицательно заряженные ионы.
Основными поставщиками анионов, растворенных в морс¬
кой воде, являются фумаролы и горячие подводные источ¬
ники, сопровождающие вулканическую деятельность. Благо¬
даря фумаролам и горячим источникам производится «дега¬
зация» мантийного материала. Вода сама является продук¬
том дегазации, и океаны образовались в результате ее акку¬
муляции. Если из глубин Земли постоянно поступает новый
материал, логично полагать, что объем океанской воды уве¬
личивается, хотя и с исключительно малой скоростью. По
одной из оценок скорость образования воды равна
0,4 км3/год; при такой скорости депрессии, образующие
современные океаны, могли бы заполниться лишь за
4 млрд. лет.
В отличие от катионов концентрации анионов, по-
видимому, не достигают равновесного состояния. Элемен¬
ГЛАВА 7. МОРСКИЕ СОЛИ
105
ты, образующие анионы и не включенные в осадки, называ¬
ются «избыточными летучими», и основным среди них яв¬
ляется хлор. Состав избыточных летучих, вероятно, менял¬
ся во время охлаждения земной коры, когда из верхней ман¬
тии избирательно выделялись различные составляющие. В
противоположность этому состав веществ, образующихся
при выветривании из континентальных пород, является бо¬
лее постоянным; правда, скорость выветривания на протя¬
жении геологического времени, возможно, менялась. Отме¬
ченные неопределенности означают, что отношения кон¬
центраций катионов и анионов в прошлом могли меняться,
но временные шкалы таких вариаций велики. Чтобы этот
вопрос прояснился, необходимо провести новые всесторон¬
ние исследования; это особенно важно теперь, когда на дне
океанов обнаружены гидротермальные источники. Здесь мы
будем считать, что отношения концентраций восьми основ¬
ных ионов остаются постоянными.
Время пребывания
Каждый тип ионов, проходящий через такой резервуар, как
океан, имеет свой собственный, характерный именно для
него цикл обращения и, следовательно, свой временной мас¬
штаб этого цикла, называемый «временем пребывания».
Цикл обращения некоторых ионов, например натрия, охва¬
тывает миллионы лет. В то же время железо и алюминий
проходят через океаны всего лишь за несколько сотен лет. В
силу того что оба этих иона играют заметную роль в био¬
логических процессах, они, вероятно, быстро связываются с
осадками.
В целом ионы с низкой реактивной способностью имеют
наибольшие времена пребывания; примерами служат на¬
трий, магний, калий и литий. Они встречаются, как прави¬
ло, в виде свободных ионов, не связанных с другими эле¬
ментами, и поэтому не принимают в превращениях органи¬
ческого вещества столь активного участия, как алюминий и
железо. По многим причинам полезно знать среднее значе¬
ние времени пребывания каждого элемента. Для определе¬
ния этих величин используются два метода.
Время пребывания, определяемое по скорости речного сто¬
ка. В самом первом методе определения времени пребыва¬
ния, предложенном Бартом [1], требуется знать как общее
количество данного иона в Мировом океане, так и ско¬
рость, с которой он поступает в океаны. Положим для при¬
мера, что X = 150 млн. т — общее количество растворен¬
ного золота в современных океанах. Вычислим теперь сум¬
марное количество золота, которое приносится в океаны
всеми реками земного шара, скажем, за год; пусть оно рав¬
но х = 600 т. Тогда 600 т/год — это скорость поступления
золота в море. Поделив полное количество золота X на
скорость его поступления х, получим 250 000 лет — среднее
время пребывания, определяющее, как долго один атом зо¬
лота находится в растворенном состоянии в морской воде,
прежде чем переходит в донные осадки.
Однако не все соли, переносимые реками, попадают в
океан впервые. Основная часть большинства солей, выноси¬
мых реками, участвует в циклах многократно. Возьмем
наш пример с золотом. Предположим, что половина «ново¬
го» золота попадает в океан вместе с продуктами эрозии
континентальных пород, а вторая половина — это золото,
проходящее уже не первый цикл. Тогда скорость, которую
мы должны принять для оценки времени пребывания, равна
300 т/год. Вновь находя отношение Х/х, получим, что вре¬
мя пребывания золота должно составлять около 0,5 млн.
лет. В табл. 7.1 приведены времена пребывания ряда эле¬
ментов, вычисленные по методу Барта.
У читателя может возникнуть вопрос: как вовлекаются
соли в многократный цикл обращения? Каков его меха¬
низм? Насколько сейчас известно, основную роль здесь
играют морские брызги, образующиеся как в открытом мо¬
ре, так и у берега при опрокидывании волн. Если капля
морской воды, оказавшаяся в воздухе, достаточно мала и
может пребывать во взвешенном состоянии, то после испа¬
рения воды остается маленький кристаллик морской соли,
который воздушные потоки способны перенести на большие
высоты. Такие частички соли в действительности являются
основным типом ядер, на которых конденсируется влага,
давая начало дождевым каплям, т. е. они играют важную
роль во всем гидрологическом цикле. Другим источником
капель является «вспенивание» морской воды. Когда волна
в море разрушается, вода захватывает мельчайшие пузырь¬
ки воздуха и образует, выражаясь поэтическим языком, «со¬
леную пену». После выхода на поверхность моря пузырек
воздуха лопается и силы поверхностного натяжения застав¬
ляют его схлопнуться; при этом в воздух с силой выбрасы¬
вается одна или несколько капель воды. Если эти капли на¬
ходятся в воздухе во взвешенном состоянии, вода может ис¬
паряться, оставляя ядра конденсации в виде кристалликов
соли.
Время пребывания, определяемое по скорости включения в
осадки. Во втором методе, описанном Голдбергом и Арре¬
ниусом [3], для определения времени пребывания использу¬
ется скорость, с которой данная соль включается в осадки
морского дна. Взяв колонки донных осадков, Голдберг и
Аррениус измерили годовой прирост отложений и относи¬
тельное содержание данной соли в определенном слое осад¬
ков. Зная пространственное распределение выбранного слоя,
они оценили годовую скорость отложения этой соли. Раз¬
делив известное полное количество солей, растворенных в
морской воде, на скорость их осаждения, они нашли време¬
на пребывания ряда элементов. Их результаты близки к ре¬
зультатам Барта, так что полученные оценки времени пре¬
бывания основных ионов мы можем считать достаточно
надежными.
Биогенные элементы, микроэлементы
и растворенные газы
Один интересный способ представить четыре группы
ионов — это «наложить» их на периодическую таблицу
(рис. 7.2). При этом некоторые элементы попадут в не¬
сколько групп. Можно видеть также, какие элементы жиз¬
ненно важны для роста растений, а какие обладают сход¬
ным с ними распределением, но таковыми не считаются.
Наиболее интересен углерод: это макроэлемент, встречаю¬
щийся главным образом в виде бикарбонат-ионов (COj~,
НСО^-), он входит в состав растворенного газа (в виде
СО2), он же принимает участие в образовании органических
молекул, а потому его можно отнести к биогенным элемен¬
там.
Биогенные элементы
К основным биогенным элементам относится азот (в виде
нитрат-иона NO^), фосфор (в виде фосфат-иона РО^~) и
кремний (в виде кремнекислоты Si(OH)4). Они играют важ¬
ную роль в жизни растений, и поэтому их распределение су¬
щественно отличается от распределений основных компо¬
106
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
нентов (макроэлементов). Концентрации биогенных элемен¬
тов почти всегда малы в поверхностном слое, где они по¬
требляются растениями, и возрастают с глубиной, так как в
глубоких слоях происходит разложение органического мате¬
риала. В гл. 8 мы проанализируем вертикальные профили
питательных, или биогенных, веществ, полученные по дан¬
ным гидрологической станции в северо-восточной части Ти¬
хого океана.
Микроэлементы
На рис. 7.2 представлены элементы, содержание которых в
морской воде незначительно: измеренные концентрации их
не превышают 1 млн-1. Вертикальное распределение неко¬
торых из этих элементов сходно с вертикальным распреде¬
лением биогенных элементов. Значение их двояко.
1. Биологи обнаружили, что многие морские организмы
усваивают ионы некоторых микроэлементов, изменяя их
концентрации. Например, отношение концентраций железа
и калия в клетке растения гораздо больше, чем в окружаю¬
щей его морской воде. Так же ведет себя большинство пере¬
ходных элементов, таких как железо, магний, цинк, медь и
кобальт (рис. 7.2). Эти металлы играют важную роль в
формировании активных центров в молекулах ферментов,
обеспечивая их специфические функции; атомы таких метал¬
лов обычно находят вблизи тех участков молекулы фермен¬
та, где происходит химическое взаимодействие между фер¬
ментом и субстратом.
Мы могли бы классифицировать эти микроэлементы и
как биогенные элементы. Первые эксперименты по произво¬
дству морской воды для аквариумов, при которых в чистую
воду добавляли в нужных концентрациях основные соли,
окончились неудачей. Собственно это и послужило толчком
к поискам в морской воде ингредиентов, не учтенных в пер¬
воначальных опытах.
2. Из микроэлементов могут состоять частицы, находя¬
щиеся в воде во взвешенном состоянии. Так, во всех океанах
в очень малых количествах присутствуют мельчайшие ча¬
стички терригенной пыли, которая поставляется промыш¬
ленными выбросами, а также такими природными явления¬
ми, как извержения вулканов.
Растворенные газы
Газы, растворенные в морской воде, — это инертные газы
(рис. 7.2), а также основные составляющие атмосферного
воздуха — азот и кислород. Углерод, как и в атмосфере,
присутствует в виде углекислого газа. Элементарный азот в
общем не относят к биогенным элементам, поскольку фи¬
топланктон открытого океана обычно потребляет азот в
форме иона NOj". Важным исключением из этого правила
служат сообщества кораллов, где основную растительную
продукцию дают синезеленые водоросли, потребляющие
азот в виде растворенного газа N2. Изотоп радона 222Rn
иногда используют в качестве трассера при изучении движе¬
ния жидкости вблизи морского дна; этот газ входит в со¬
став выделений из мантии в областях спрединга океаниче¬
ского дна.
Определение солености —
правило постоянства концентраций
Диттмар [2], проанализировав 77 проб морской воды, ото¬
бранных во время экспедиции «Челленджера», обнаружил,
что, хотя суммарная концентрация солей менялась в широ¬
ких пределах, относительные содержания основных компо¬
нентов были во всех пробах одними и теми же. Теперь мы
знаем причину этого: основные компоненты соли имеют
большие времена пребывания и хорошо перемешаны по все¬
му океану, так что отношения их концентраций оказывают¬
ся консервативными свойствами морской воды. Этот факт
определяет «правило постоянства концентраций» с по¬
мощью которого мы находим суммарную концентрацию со¬
лей, т. е. соленость, опираясь на измеренную концентрацию
только одного из основных компонентов. В качестве тако¬
вого обычно используют хлорид-ион — отчасти потому,
что он является преобладающим в морской воде, но еще и
потому, что измерить его концентрацию можно непосредст¬
венно титрованием раствора. (Этот метод, однако, является
довольно тонким, и лаборанты должны обладать достаточ¬
ным опытом, чтобы получать точные и устойчивые резуль¬
таты.) Таким образом, поскольку титрование на хлор во
всем мире служит основным методом измерения солености,
океанологи договорились иметь специальную лабораторию
стандартов, из которой все океанографические учреждения
получают воду со стандартным содержанием хлора. Благо¬
даря этому государства и отдельные ученые могут обмени¬
ваться данными и быть при этом уверенными, что все дан¬
ные были получены одним и тем же стандартным спосо¬
бом. Измерив хлорность воды, соленость можно вычислить
по эмпирической формуле:
Соленость (%о) = 1,8065 х хлорность (%о).
Полученные значения солености используются затем для
вычисления плотности (см. гл. 9), а также для изучения осо¬
бенностей движения воды или морских организмов в океа¬
нах по картам распределения солености.
Современные океанологические суда снабжены сложны¬
ми электронными приборами, которые измеряют электро¬
проводность морской воды (зависящую от концентрации
ионов и температуры воды) и преобразуют эти данные не¬
посредственно в значения солености в промилле. Использо¬
вание электронных приборов имеет явные преимущества.
Так, если для титрования необходимо отобрать пробу морс¬
кой воды, то электропроводность измеряется in situ. По
этой причине мы можем получать более плавный профиль
солености (гораздо больше точек измерений по вертикали).
Кроме того, метод, основанный на измерении электропро¬
водности, имеет лучшее разрешение — 0,003% по сравне¬
нию с 0,01% у метода титрования на хлор.
Распределение солености в Мировом океане
Взяв данные по солености вод всех океанов и отнеся каждое
значение к соответствующему объему воды, Монтгомери [6]
построил первую кривую распределения солености в Миро¬
вом океане (рис. 7.3). Изложив его метод, мы сможем разо¬
браться и в этом графике. Вначале Монтгомери разделил
объем всех океанов на некоторое число «кубиков» одинако¬
вого размера. Обратившись к массиву данных по солености,
он определил соленость каждого кубика воды, а затем раз¬
бил кубики на группы по значениям солености с дискретнос¬
тью 0,1%о. После этого он вычислил процентное содержание
кубиков в каждой группе. Так, соленость около 6% всех ку¬
биков воды из всех океанов характеризовалась значениями
между 34,4 и 34,5%о (нижняя пунктирная прямая на рис. 7.3).
Соленость наиболее многочисленной группы кубиков (свы¬
ше 40% всего объема) имела значения от 34,6 до 34,7%о;
практически все эти кубики относятся к Тихому океану.
Для тех, кто представляет себе сравнительные размеры
ГЛАВА 7. МОРСКИЕ СОЛИ
107
Тихий 34,62
Индийский 34,76
Атлантический 34,90
Мировой океан 34,72
Тихий 34,65
Индийский 34,73
Атлантический 34,90
Мировой океан 34,69
Рис. 7.3. Распределение солености в Мировом океане (по Монтго¬
мери [6]).
океанов, нет ничего странного в том, что Тихий океан до¬
минирует над другими океанами в распределении любой ха¬
рактеристики. Удивляет другое (о чем мы уже упоминали в
гл. 4), а именно то, что средняя соленость Тихого океана
меньше, чем Атлантического: 34,62%о против 34,9О%о. И это
при том, что в Атлантический океан попадает 80% всего ре¬
чного стока. Так почему же Атлантический океан более со¬
леный? Мы дадим объяснение этому, используя сведения об
испарении из гл. 6, о распределении ветров из гл. 3 и о кон¬
центрациях солей в морской воде.
Для начала взгляните на карту солености поверхностных
вод Мирового океана (рис. 7.4). Вода с наибольшей соленос¬
тью, свыше 37,ОО%о, встречается в Северной Атлантике
между 20 и 30° с. ш. В 3000 км к юго-западу от этого места,
в Панамском заливе в Тихом океане, вода на поверхности
имеет наименьшую соленость — менее 28,ОО%о. Эти две об¬
ласти разделяет узкая полоса суши, связывающая Северную
и Южную Америку. В качестве первой гипотезы, объясняю-
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
ПЕРЕНОС ВОДЫ В АТМОСФЕРЕ МЕЖДУ ОСНОВНЫМИ
ОКЕАНИЧЕСКИМИ БАССЕЙНАМИ
Почему Атлантический океан солонее, чем Тихий? Если учесть, что
Атлантический океан получает 80% всей пресной речной воды Зем¬
ли, он должен быть наименее соленым!
Если вы хотите объяснить этот парадокс, вам придется оты¬
скать «утечку» пресной воды из Атлантического океана. На самом
деле вода уходит по двум «каналам», каждый из которых имеет
весьма большие размеры. С востока вода Средиземного моря, име¬
ющая вследствие повышенного испарения очень высокую соленость
(более 36%о; см. рис. 9.3 и 9.4), втекает в Атлантический океан на
промежуточных глубинах. На западе вода, испарившаяся с поверх¬
ности центральной части Северной Атлантики и Карибского моря,
уносится из акватории Атлантического океана северо-восточными
пассатами. В конечном счете эта влага выпадает над Тихим океа¬
ном в так называемой Внутритропической зоне конвергенции
(ВТЗК).
Свидетельства переноса пресной воды между океанами можно
найти по обе стороны перешейка, соединяющего Северную и Юж¬
ную Америку. В Северной Атлантике встречается очень соленая по¬
верхностная вода (с соленостью выше 37%о), а в Тихом океане —
сильно распресненная вода (с соленостью ниже 34%о), где она обна¬
руживается по языкам низкой солености, вытянутым в западном
направлении от Панамского перешейка.
На основе немногих имеющихся данных я оценил, что каждую
секунду пассаты переносят примерно 0,5 млн. м3 пресной воды. От¬
части вследствие этого переноса уровень воды на тихоокеанском
конце Панамского канала на 0,3 м выше, чем на атлантическом
конце. Разумеется, эта вода должна каким-то образом возвращать¬
ся в Атлантический океан. Логично предположить, что возврат
обеспечивается Антарктическим циркумполярным течением — тем
его участком, который проходит через пролив Дрейка и огибает
мыс Горн в Южной Америке.
Рис. 7.4. Основная карта из работы
[9]. Цифры у кривых — соленость
(в %о).
108
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
щей такую разницу в солености, может служить предполо¬
жение, что в центре Северной Атлантики велико испарение
и, соответственно, осолонение поверхностной воды, в то
время как в восточной части Тихого океана выпадает очень
много осадков, распресняющих воду в поверхностном слое.
Но как вода попадает из Атлантического океана в Тихий?
Ее переносят пассаты, дующие преимущественно на запад
(восточные ветры): они несут влагу через сухопутный «мо¬
стик» между двумя Америками и «сбрасывают» ее в виде
дождя в Тихом океане. Действительно, внимательный ана¬
лиз показывает, что изолиния 34,О%о в Тихом океане точно
оконтуривает область сильных тропических ливней, называ¬
емую Внутритропической зоной конвергенции. Условие не¬
разрывности требует, чтобы избыточная вода возвращалась
в Атлантический океан. Это обеспечивается мощным Ан¬
тарктическим циркумполярным течением, проходящим че¬
рез пролив Дрейка около мыса Горн.
Физические характеристики морской воды,
изменяющиеся с изменением солености
Большинство характеристик морской воды изменяется вмес¬
те с соленостью (табл. 7.3). Некоторые из таких зависимо¬
стей лучше описать в этой главе, посвященной морским со¬
лям и их эффектам; другие, например плотность и коэффи¬
циент теплового расширения, удобнее проанализировать от¬
дельно, что будет сделано в гл. 9, посвященной плотности
морской воды.
Таблица 7.3. Физические характеристики морской воды, изменяющи¬
еся при изменении солености
Характеристики, возрастающие с
увеличением солености
Характеристики, убывающие с увели¬
чением солености
Плотность
Молекулярная вязкость
Поверхностное натяжение
Показатель преломления
Электропроводность
Коэффициент теплового рас¬
ширения
Скорость звука
Осмотическое давление
Удельная теплоемкость
Точка замерзания
Температура максимальной
плотности
Давление паров
Теплопроводность (молеку¬
лярная)
Характеристики, которые увеличиваются
с увеличением солености
Электропроводность. Проводимость морской воды опреде¬
ляется числом сольватированных ионов на единицу объема
воды. Помимо того что электропроводность служит мерой
солености морской воды, ее зависимость от содержания со¬
лей может быть использована и в других целях.
Двойная смесь воды и растворенных солей содержит
большое количество электрически заряженных частиц. Ког¬
да океаническое течение пересекает силовые линии геомаг¬
нитного поля, в воде индуцируются электрические токи. Од¬
но возможное следствие (рис. 7.5, а) этого явления было
предсказано М. Фарадеем в его лекции на заседании Коро¬
левского общества (1832 г.):
«Теоретически представляется неизбежным, что там, где течет
вода, должны возникать электрические токи: таким образом, ли¬
нию, 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, пе¬
ресекает силовые линии магнитного поля Земли...»
Океанская вода, текущая со скоростью 1 см/с, генериру¬
ет электрическое поле; разность потенциалов между элек¬
тродами, поставленными поперек потока воды на расстоя¬
нии 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 из¬
бежать влияния «электрического шума», создаваемого суд¬
ном); измеренное напряжение переводят в значения скоро¬
сти течения, перпендикулярного курсу судна (рис. 7.5,6).
Логично предположить, что морские организмы также
используют это явление, скажем в навигационных целях во
время миграций. Если читатель еще раз взглянет на
рис. 3.4, ему 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 внут¬
ри 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 генериру¬
ют электрическое поле и ощущают изменения этого поля,
вызываемые течениями или турбулентностью. Тем самым
электрическое поле может служить навигационным прибо¬
ром, если вода настолько мутна, что визуальная ориентация
становится для рыбы невозможной.
Показатель преломления. Этот параметр является мерой
скорости света в среде. За опорное значение показателя пре¬
ломления (1,00) принято его значение для воздуха (точнее,
для вакуума. — Перев.)*, тогда для морской воды он будет
равен 1,33 (в воде свет распространяется медленнее, чем в
воздухе).
Показатель преломления в некоторой степени изменяет¬
ся с изменением солености — примерно на 0,2% на 1%о. Не¬
известно, 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 примене¬
ние: она позволяет следить за конвективными движениями,
вызываемыми изменениями солености. Мы знаем, напри¬
мер, 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. Осо¬
бенности такой вертикальной конвекции в лаборатории изу¬
чают с помощью фотографирования в поляризованном све¬
те, 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 распростра¬
няться в глубину на метры. Пока еще никому не удалось
выполнить аналогичные наблюдения подо льдом в океане,
хотя существуют фотографии океанских соленых струй, по¬
рождаемых другими механизмами.
ГЛАВА 7. МОРСКИЕ СОЛИ
109
Рис. 7.5. Океаническое течение, переносящее соленую воду в маг¬
нитном поле Земли, генерирует разность потенциалов.
(д) Эффект Фарадея в проливе Ла-Манш. К изолированным кабе¬
лям 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 зави¬
сит от направления потока. Типичное приливное течение, имеющее
скорость около 1 узла (0,5 м/с), создает сигнал порядка нескольких
вольт.
(б) Буксировка электродов за судном для изме¬
рения скорости океанических течений. Два ка¬
беля, на концах которых, отстоящих друг от
друга на 100 м, укреплены электроды, будут
регистрировать разность потенциалов, если на¬
правление движения судна перпендикулярно
движению воды в океане. В приведенном при¬
мере сильное океаническое течение направлено
слева направо и измерительное устройство
фиксирует положительную разность потенциа¬
лов, когда судно пересекает течение, двигаясь
из точки Л в точку Л' . На участке от Л' до В,
параллельном течению, сигнал отсутствует. На
обратном пути, когда судно движется от В к
В' , прибор регистрирует сигнал той же величи¬
ны, что и на участке Л Л' , но противополож¬
ного знака.
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 при¬
менения в исследованиях океанов; они используются для из¬
мерения глубины дна, для поиска косяков рыб и анализа
численности их популяций (даже для определения конкрет¬
ных видов рыб) и для передачи информации.
Скорость звука в воде зависит от ее солености, темпера¬
туры и давления. При атмосферном давлении на поверхно¬
сти моря, температуре 30 °C и солености 35%о скорость зву¬
ка равна 1546,16 м/с. С увеличением солености на 1%о ско¬
рость звука возрастает примерно на 1,3 м/с. Изменения со¬
лености, вообще говоря, не главный фактор среди всех,
определяющих скорость звука. В верхних слоях океана та¬
ким фактором является температура, поскольку при увели¬
чении 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 своеоб¬
разно. В гл. 8 мы рассмотрим вертикальные профили тем¬
пературы и солености. Здесь мы лишь упомянем, что из ви¬
да этих профилей следует существование минимума на вер¬
тикальном профиле скорости звука (см. жирную кривую на
рис. 8.3). У побережья шт. Орегон этот минимум распола¬
гается на глубине около 400 м, а в принципе его можно най¬
ти практически в любом районе Мирового океана. Он имеет
свое собственное название — подводный звуковой канал
(ПЗК). Если поместить на этой глубине акустический пере¬
датчик, излучаемые им звуковые волны распространятся на
очень большое расстояние. Причина состоит в том, что зву¬
ковые волны, стремящиеся уйти вверх или вниз с 400-м го¬
ризонта, возвращаются назад в зону звукового канала, ко¬
торая, 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 осмоти¬
ческое давление растет. Фундаментальное значение этого яв¬
ления можно понять, изучая эффекты осмотического давле¬
ния в морских организмах (см. вставку «Дополнительный
материал» на с. ПО). Осмос определяется как диффузия рас¬
творителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую
два разных раствора; она всегда направлена на то, чтобы
110
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Рис. 7.6. Зависимость температуры замерзания и температуры
максимальной плотности воды от солености. Значение солености,
при котором две температурные кривые пересекаются, а именно
24,69 %о, разграничивает два типа вод — озерный и океанский.
выровнять концентрации. В океанах растворителем служит
вода, которая диффундирует через мембрану в раствор с бо¬
лее высокой концентрацией соли.
У одноклеточных морских растений мембрана, в кото¬
рую заключена клетка, является полупроницаемой. Растение
поглощает полезные для него ионы и соединения (например,
РО^~, NO^)h 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 диф¬
фузии, регулируя осмотическое давление на мембрану; она
делает это, изменяя «соленость» внутриклеточной жидко¬
сти.
Позвоночные и беспозвоночные используют эффект ос¬
мотического давления по-разному. У беспозвоночных «соле¬
ность» тканевой жидкости близка к солености окружающей
среды. Говорят, что такие животные находятся в «изотони¬
ческом» равновесии с окружающей средой.
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 замерза¬
ния, обусловленное присутствием соли в жидкости. Обычно
морская вода с соленостью 35%о имеет точку замерзания
— 1,9 °C (на рис. 7.6 показано, как понижается эта темпера¬
тура с увеличением солености). В отличие от этого точка
замерзания тканевой жидкости морской костистой рыбы
равна —0,8 °C; следовательно, разница, или осмотическое
давление в таких единицах, равна 1,1. Поэтому организм
морской рыбы должен постоянно затрачивать усилия, про¬
тивясь 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 со¬
лей в тканевой жидкости почти такое же, как у морской ры¬
бы (точнее, несколько меньше — около —0,6 °C в пересчете
на понижение точки замерзания), должна также противо¬
действовать осмосу, но только в обратном направлении: ее
организм должен бороться с распреснением ее тканевой
жидкости. Эти рыбы имеют хорошо развитые почки, по¬
зволяющие им выводить избыток воды из тканевой жидко¬
сти.
Анализ осмотических эффектов будет неполным, если не
упомянуть некоторые виды животных (в частности,
лосося), которые мигрируют из пресной воды в морскую и
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
ЭФФЕКТЫ ОСМОТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
У МОРСКИХ ОРГАНИЗМОВ
Гипотония. Костистые рыбы в морской среде являются гипотони¬
ками. Чтобы осмотическое давление в тканевой жидкости остава¬
лось на достаточно низком уровне, необходимом для существова¬
ния этих видов, организм рыбы через специальные клетки, распо¬
ложенные в жабрах, выделяет концентрированный рассол. Некото¬
рые морские организмы имеют почки, задача которых прямо про¬
тивоположна, а именно поддерживать высокое осмотическое давле¬
ние в тканях тела; эту задачу они выполняют, извлекая воду из
тканей и выбрасывая ее в окружающую среду. Некоторые биологи
считают, что почки представляют собой орган, развившийся в ту
пору, когда рыбы переходили из соленой воды в пресную. Последу¬
ющее возвращение некоторых видов в океан привело к тому, что
этот рудиментарный орган стал мешать приспосабливаться к но¬
вой среде, и в результате развились органы, выделяющие
рассол, — солевые клетки.
Изотония. Морские беспозвоночные в общем являются изотоника¬
ми по отношению к своей среде обитания. Это означает, что отно¬
сительная «соленость» их тканевой жидкости близка к солености
морской воды. Многие виды обладают способностью приспосабли¬
ваться к изменениям солености в довольно большом диапазоне.
Например, у пескожила Arenicola marina, живущего в воде с точкой
замерзания —1,72 °C, температура замерзания тканевой жидкости
равна —1,7 °C; у того же вида, живущего в Балтийском море
(—0,77 °C), температура замерзания тканевой жидкости составляет
лишь —0,75 °C. Когда беспозвоночное попадает в морскую воду с
соленостью, выходящей за пределы диапазона, к которому может
приспособиться данный вид, животное погибает.
Гипертония. Пресноводные рыбы и рыбы, живущие в слабосоле¬
ных водоемах, являются гипертониками по отношению к окружаю¬
щей среде. Им приходится бороться с неизбежным влиянием осмо¬
тического давления, приводящим к увеличению содержания воды в
клетках до такого объема, что начинается разбухание тканей. Дей¬
ствительно, если внутреннее давление воды в клетках слишком ве¬
лико, мембраны могут разрушиться. В качестве предохранительно¬
го органа и развились почки.
Для достижения того же результата у рыб имеются и другие
приспособления. Например, чешуя рыб представляет собой плот¬
ные пластинки, которые изолируют нижележащий кожный покров
от контакта с водой и, следовательно, препятствуют нежелатель¬
ной диффузии воды внутрь тела.
ГЛАВА 7. МОРСКИЕ СОЛИ
111
обратно. Лосося эта проблема не беспокоит, поскольку име¬
ющиеся у него рудиментарные почки обеспечивают его по¬
требность в пресной воде, а солевые клетки — в соленой. У
крабов, живущих в воде с более высоким осмотическим дав¬
лением, некоторая часть избыточных солей откладывается в
щиток наружного скелета: периодическое сбрасывание щит¬
ка освобождает животное от избытка солей. Самки морских
млекопитающих сталкиваются с проблемой высокого осмо¬
тического 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 эстуа¬
риях, т. е. в менее соленой воде, где морская звезда, кото¬
рая в данном случае выступает в роли хищника, существо¬
вать не может.
Характеристики, которые уменьшаются
с возрастанием солености
Удельная теплоемкость. Мы уже знаем, что удельная тепло¬
емкость чистой воды равна 1 кал/(г • град). Добавление со¬
ли уменьшает удельную теплоемкость раствора; при солено¬
сти 35%о и температуре 20 °C она равна 0,932 кал/(г • град).
Изменение температуры также влияет на эту характеристи¬
ку; при уменьшении температуры воды, имеющей соленость
35%о, с 20 до 0 °C удельная теплоемкость возрастает с 0,932
до 0,942 кал/(г • град). В процессах, благодаря которым
океаны смягчают климат, понижение теплоемкости с увели¬
чением 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 боль¬
шинстве случаев учитывать это влияние солености нет необ¬
ходимости, поскольку куда более значителен эффект вариа¬
ции 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 рис. 7.6
показана зависимость точки замерзания воды от солености
в интервале от 0 до 35%о; при солености 32%о, характерной
для полярных широт, поверхностная вода замерзает при
температуре —1,7 °C.
Поверхностные воды, находящиеся в длительном кон¬
такте со льдом, будут иметь как раз такую температуру.
Поскольку точка замерзания тканевой жидкости рыб меня¬
ется от —0,6 до —0,8 °C, обычные рыбы не могут долго
существовать среди льдов, если только они не адаптирова¬
лись к тому, чтобы защитить себя от замерзания жидкости
в теле. Они испытывают особые трудности с «дыханием»,
так как их жаберные мембраны, которые поглощают кисло¬
род и выделяют продукты распада, исключительно тонки и
при температуре —1,7 °C замерзают. Организм борется с
этим, вырабатывая антифриз — вещество, которое, будучи
перемешанным с нормальной кровью или тканевой жидкос¬
тью, снижает их точку замерзания настолько, чтобы защи¬
тить животное, т. е. в данном случае до —1,7 °C и ниже. В
умеренных широтах рыбы, живущие зимой в мелководных
заливах, где вероятны отрицательные температуры, «регу¬
лируют» снижение точки замерзания сезонно.
Температура максимальной плотности. Океанские воды зна¬
чительно отличаются от вод пресных или солоноватых озер
по своей температуре максимальной плотности. На рис. 7.6
изменение этого параметра представлено в том же диапазо¬
не солености, что и график изменения точки замерзания, и
этому есть причина. Заметьте, что две прямые пересекаются
при значении солености 24,69 %о: воды с меньшей соленос¬
тью ведут себя как солоноватая озерная вода. Рис. 7.7 ил¬
люстрирует уникальную особенность чистой воды: ее плот¬
ность максимальна при температуре +4 °C, а не при точке
замерзания. Давайте сравним теперь поведение озерной и
морской воды с приближением их к условиям замерзания.
Вода в озере Крейтер в шт. Орегон почти пресная, со¬
держание растворенных солей в ней лишь О,О8%о, и макси¬
мальную плотность она имеет при +3,8 °C (рис. 7.6). Тем¬
пература глубинной воды в этом озере равна +3,8 °C, и
объясняется это просто. С приближением зимы поверхност¬
ные воды охлаждаются. Когда температура приповерхност¬
ной воды снижается до +3,8 °C, 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 °C, то ее плотность меньше, чем у поверх¬
ностной воды. Таким образом, вертикальный столб воды
оказывается неустойчивым и «опрокидывается», в результа¬
те чего вода с температурой +3,8 °C оказывается у дна.
При дальнейшем охлаждении с поверхности весь столб воды
в конце концов принимает температуру максимальной плот¬
ности. Однако, если охлаждение продолжается и после этого,
поверхностная вода становится все менее плотной в связи с
приближением к точке замерзания. Будучи не в состоянии по¬
грузиться вглубь из-за нижележащей воды большей плотно¬
сти, она быстро охлаждается до точки замерзания.
В противоположность этому поверхностный слой в океа¬
нах 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 боль¬
шинстве случаев ограничивается несколькими сотнями мет¬
ров. Заметным исключением из этого правила является Юж¬
ный океан.
Температура
максимальной
Точка замерзания
Рис. 7.7. Плотность чистой воды достигает максимального значе¬
ния 1,000 г/см3 при 4 °C. При температуре замерзания 0 °C плот¬
ность воды несколько ниже — около 0,9995 г/см3.
112
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Заключение
На восемь химических элементов приходится более 99,5%
всех растворенных в океанах солей. Всего же в морской воде
обнаружено свыше 80 различных элементов в концентраци¬
ях от 19,353%о (хлор) до ничтожно малых, следовых кон¬
центраций, лежащих на границе чувствительности современ¬
ных приборов; к последним элементам относится, напри¬
мер, индий с концентрацией менее 10“12. Восемь элементов
называются консервативными, поскольку отношения их
концентраций остаются одинаковыми независимо от райо¬
на, глубины или суммарного содержания солей, называемо¬
го соленостью. Из этой восьмерки четыре относятся к ка¬
тионам, происхождение которых, как считают, связано
главным образом с эрозией континентальных пород, а че¬
тыре — к анионам, поступающим в океан, по-видимому, в
результате вулканической деятельности из расплавленного
мантийного материала.
К настоящему времени океанологи осознали существен¬
ную роль микроэлементов, которые присутствуют в морс¬
кой воде в следовых количествах, но важны для жизненного
процесса. В тканях организмов такие элементы всегда соде¬
ржатся в гораздо больших концентрациях, чем в окружаю¬
щей воде. Примером может служить йод. Клетки живых
организмов могут накапливать эти элементы, поскольку по¬
следние необходимы для взаимодействия между фермента¬
ми и субстратом. Химия микроэлементов дает ключ к реше¬
нию некоторых проблем загрязнения окружающей среды.
Каждый элемент обладает своим характерным временем
пребывания в морской воде — интервалом между тем мо¬
ментом, когда он попадает в море, и моментом, когда он
осаждается на дне океана. Времена пребывания полезно
знать, так как по ним можно проверять многие геохимиче¬
ские теории.
Химия реакций, в которых участвуют биогенные элемен¬
ты, определяет скорость обращения нитратов и фосфатов,
играющих важную роль в росте растений. Океанологи по¬
стоянно измеряют и анализируют распределение этих эле¬
ментов в Мировом океане.
От концентрации солей зависят многие фундаменталь¬
ные физические характеристики морской воды. Из них наи¬
более важны парциальное давление солей в воде (осмотиче¬
ское давление), понижение точки замерзания воды и темпе¬
ратура максимальной плотности. Первая из них в большой
степени определяет эволюцию физиологии и поведение мор¬
ских организмов, а от второй и третьей зависят физические
процессы, идущие в поверхностных водах полярных райо¬
нов, например количество льда, образующегося и тающего
в процессе охлаждения и нагревания морской воды, что яв¬
ляется частью цикла огромной «тепловой машины» Земли.
Контрольные вопросы
1. Океанологи утверждают, что соли, растворенные в
морской воде, это те же соли, что образуются при выветри¬
вании горных пород и выделяются из горячих источников
вблизи вулканов. В этом случае следует проверить такую
гипотезу: «Вся соль, находящаяся сейчас в океанах, является
результатом аккумуляции за геологическое время». Под¬
твердите или опровергните ее.
2. Восемь ионов (из 81 элемента, найденного в морской
воде) составляют 99,5% всей массы растворенных солей.
Назовите эти ионы.
3. Какие элементы из этой восьмерки необходимы для
жизни растений? Какой из них имеет наибольшее время пре¬
бывания в океанах?
4. В чем различие между вертикальными распределения¬
ми консервативных и биогенных элементов?
5. Обнаружено, что некоторые микроэлементы распреде¬
лены в вертикальном столбе воды подобно биогенным эле¬
ментам, однако к последним их не относят. Почему?
6. В гл. 7 сделана попытка объяснить происхождение
всех растворенных солей. А как объяснить происхождение
самой воды?
7. Источники солей мы определили, каковы же их воз¬
можные стоки?
8. Какие виды растений и животных в море вносят ос¬
новной вклад в формирование осадков, состоящих из карбо¬
ната кальция?
9. Какие растения и животные вносят главный вклад в
образование кремнистых осадков?
10. На ближайшее будущее намечаются разработки неко¬
торых осадочных отложений на морском дне. На роль до¬
бываемых претендуют главным образом два кандидата. Ка¬
кие и почему?
11. Большая часть всех солей, приносимых в океаны ре¬
ками, уже побывала в океане. Как может соль вовлекаться в
кругооборот, если при испарении воды она остается в океа¬
не?
12. Опишите два основных метода, позволяющие опреде¬
лять времена пребывания ионов в морской воде.
13. Перечислите основные ионы биогенных элементов.
14. Железо, магний, цинк, медь и кобальт называются
микроэлементами. Какое значение концентрации служит ус¬
ловной границей, разделяющей микроэлементы и более рас¬
пространенные элементы?
15. Если измерить концентрации микроэлементов в тка¬
невой жидкости, то обнаружится, что они значительно вы¬
ше, чем в воде. Почему?
16. Сформулируйте кратко правило постоянства кон¬
центраций. Применимо ли оно ко всем ионам, находящимся
в морской воде?
17. Какой океан самый соленый? Если вы утверждаете,
что Атлантический, объясните, как это может быть, если в
Атлантику попадает львиная доля всего речного стока (об¬
ратитесь к рис. 4.11).
18. Проанализируйте влияние осмотического давления на
морские организмы. Например, морская рыба, помещенная
в пресную воду, погибает от разбухания тканей. Пресновод¬
ная рыба, помещенная в морскую воду, погибает от обезво¬
живания. Эти примеры рисуют крайние ситуации, но помо¬
гают понять, в чем суть вопроса. Объясните ее.
19. Температура воды в самых глубоких слоях озера
Крейтер в шт. Орегон равна +3,8 °C. Почему?
20. Объясните в двух словах, почему на Ледяном острове
Т-3 Лаборатория арктических исследований ВМС США по¬
теряла бульдозер. Когда машина переезжала по поверхно¬
сти линзы пресной воды, она проломила лед и опустилась
на дно линзы. Это произошло в декабре, т. е. через четыре
месяца после того, как в этом районе Арктики начались мо¬
розы! Как могло случиться, что под тонким слоем льда
оказалась вода, если учесть, что дело происходило в декаб¬
ре и всего в 500 км от Северного полюса?
ГЛАВА 8. ДВА ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЙСА
113
ГЛАВА 8
ДВА ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЙСА
Мы отправляемся в экспедицию, чтобы увидеть, каков океан в дей¬
ствительности, и сформулировать новые представления о структу-
ре водной толщи.
Скорее всего немногим из вас посчастливится когда-нибудь
принять участие в настоящей океанологической экспедиции.
Тем не менее прочтение предыдущих глав уже подготовило
вас к этой роли. Вы уже можете проводить измерения в ре¬
альном океане, собирать фактические данные и искать ра¬
зумные объяснения тому, что обнаружите.
Для начала познакомимся с планами двух океанологичес¬
ких экспедиций, проведенных у берегов шт. Орегон (схема
работ показана на рис. 8.1). После этого подумайте, что
вам придется делать в рейсе (рис. 8.2). Остается только по¬
желать вам: «Доброго пути!» (не забудьте взять с собой
таблетки от качки). Пусть вам сопутствует удача и вы вер¬
нетесь домой, собрав процентов восемьдесят от того коли¬
чества данных, которое вы планировали получить.
Цель этой главы — проанализировать данные измере¬
ний. Северо-восточная часть Тихого океана — типичный
океанический район, так что методика анализов и общие
выводы о структуре водной толщи, основанные на этих
данных, имеют прямое отношение и к другим районам Ми¬
рового океана.
Основные гидрологические данные
Начиная с 1966 г. океанологи из Орегонского университета
дважды в месяц совершали экспедиции в океан на научно-
исследовательском судне, двигаясь при этом из Ньюпорта,
шт. Орегон, на запад до точки, отстоящей от берега на
265 км. Их задачей было собрать физические, химические и
биологические данные и объединить их в одну картину, ко¬
торая давала бы представление о сезонных и межгодовых
вариациях в этом секторе северо-восточной части Тихого
океана. В табл. 8.1 перечислены все виды данных, получен¬
ных в двух рейсах: зимнем (4 января 1968 г.) и летнем (9 ию¬
ля 1968 г.)
04 янв 68 0434 GCT
Угол наклона троса 2
Сухой 49,8 Влажный 46,1
Направление ветра 33
Скорость 5
Давление 32
Направление зыби 31
Н4 Т7
Облачность 6 АМТ
Объяснение данных
Расшифровка заголовков. Подобно представителям других
наук, океанологи очень внимательно следят за тем, чтобы
данные по каждой станции были снабжены сведениями, ко¬
торые потребуются при дальнейшем анализе. Многие из
этих сведений записываются в сокращенном виде, как пока¬
зано ниже для январского рейса 1968 г.
NH-105 Каждой станции присваивается свой
номер.
44° 39, Г с.ш., 126° 31,Г з.д. Станция была выполнена на указан¬
ных широте и долготе.
Дата — 4 января 1968 г.; время
всегда дается Гринвическое (по 24-ча¬
совому циферблату).
Угол, который составляет с верти¬
калью уходящий в воду трос, равен
2°.
Значения температуры, измеренной
«сухим» и «влажным» термометра¬
ми; разность температур является
мерой влажности воздуха.
Истинное направление ветра равно
330°.
Измеренная скорость ветра равна 5
узлам (~2,5 м/с).
Барометрическое (атмосферное) дав¬
ление равно 1032 мбар.
Эти данные описывают состояние
морской поверхности во время про¬
ведения наблюдений: средняя высота
волн равна 4 м, период 7 с, направ¬
ление, в котором они распространя¬
ются, 310°.
Доля покрытого облаками небосвода
составляет 6/10.
Неравномерные интервалы глубин. В верхнем слое пробы
воды отбирают достаточно часто: в первых 100 м глубины
расстояния между батометрами, используемыми для отбора
проб, составляют 10, 20 и 25 м. В глубоких слоях пробы от-
Научно-исследовательское судно
«Якина», на котором в 1960—1970-х
годах совершали рейсы сотрудники
Школы океанографии Орегонского
университета.
114
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Продолжительность каждого рейса составляла трое суток. Целью экспедиций было
изучение вертикального и горизонтального распределений температуры, солености, кис¬
лорода и питательных веществ на разрезе, идущем от Ньюпорта. Экспедициями руко¬
водили У. Берг и С. Нешиба. Начальник технической службы — Б. Уиатт. Капитан —
X. Линзи. Исследования финансировались Научно-исследовательским управлением ВМС
США и Национальным научным фондом. 1 мор. миля = 1,853 км.
Рис. 8.1. Схема работ в рейсах научно-исследовательского судна «Якина» 4 января и 9 ию¬
ля 1968 г.
ГЛАВА 8. ДВА ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЙСА
115
Чтобы привезти из рейса пробы морской воды с глубин, нужно опустить в море трос, к
которому подвешены специальные емкости для отбора проб — батометры, обычно в
количестве 20 штук, размещенные на тросе с такими интервалами, чтобы оказаться на
заданных глубинах после того, как трос полностью вытравлен. Спустя некоторое вре¬
мя, нужное для того, чтобы прикрепленные к батометрам термометры приняли темпе¬
ратуру окружающей воды, по тросу пускают грузик. Он заставляет батометры опроки¬
дываться и закрываться. Поскольку термометры при этом также опрокидываются,
ртутный столбик отрывается от основной массы ртути; это позволяет определять, ка¬
кой объем имел столбик на данной глубине. Лаборант измеряет угол, на который трос
отклоняется от вертикали вследствие дрейфа судна или из-за подводных течений. В ре¬
альных условиях трос редко идет вертикально, хотя обычно принимаются меры к то¬
му, чтобы сделать угол наклона минимальным.
Расположение гидрологических станций планируется заранее (см. рис. 8.1). Задача
капитана — выйти на точку и удерживать судно в данном месте в течение всего време¬
ни измерений. Это нелегкая задача, так как работы на глубоководной станции обычно
длятся около 4 ч. Если из-за плохой погоды план работ приходится менять, руководи¬
тель экспедиции составляет новый график, решая, какие станции можно пропустить, а
какие заменить, чтобы обеспечить максимальный объем измерений. На каждой станции
приходится также решать, насколько близко от дна должен располагаться последний
батометр. Существует реальная опасность, что трос зацепится за дно и оборвется. Сто¬
имость оборудования может быть различной: планктонная сеть стоит несколько сотен
долларов, полная серия батометров с термометрами — 40 тыс. долл., а специальные
электронные приборы — несколько сотен тысяч долларов. Неослабное внимание уче¬
ных и команды — решающий фактор в обеспечении безопасности работ и сохранности
оборудования. Работа идет вахтовым методом — по 4 ч с 8-ч перерывами на отдых,
круглые сутки, день за днем.
После возвращения из рейса оборудование промывают и сушат, чтобы избежать
коррозии от соли. Важнейшие пробы — образцы планктона и других организмов — не¬
медленно обрабатываются или должным образом консервируются для последующего
анализа. Только после этого члены экспедиции могут позволить себе как следует отдох¬
нуть.
После рейса в возможно более короткий срок проводится предварительный анализ
данных. Затем печатают отчеты с данными измерений, и принимавшие участие в рейсе
ученые обмениваются замечаниями, которые учитываются при планировании последу¬
ющих экспедиций. Экспедиции большинства научно-исследовательских судов в США фи¬
нансируются Национальным научным фондом. Чтобы дорогостоящее судовое оборудо¬
вание можно было использовать с максимальной отдачей, ученые должны планировать
исследования на несколько лет вперед.
Рис. 8.2. Гидрологические станции, на которых проводились измерения в рейсах
научно-исследовательского судна «Якина» на разрезе, начинающемся от Ньюпорта.
116
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Наблюденные
Интерполированные
Таблица 8.1. Гидрофизические и гидрохимические данные, собранные у берегов шт. Орегон зимой и летом 1968 г.: глубина отбора пробы
D, температура воды Г, рассчитанная соленость S, содержание растворенного кислорода Ог, концентрации биогенных веществ РОд, NO3"
и Si(OH>4, измеренные в пробах*
NH-105; 44°39,1' с.ш., 126°31,1' з.д.; 04 янв 68 0434 GCT угол наклона троса 2; сухой 49,8 влажный 46,1; направление ветра 33; скорость
5; давление 32; направление зыби 31 Н 4Т 7; облачность 6 АМТ
D, м
Г, °C
S, %о
Ог, мл/л
РО4 ~,
мкмоль/кг
NO3~,
мкмоль/кг
Si(OH)4,
мкмоль/кг
Z, м
Г, °C
S, %о
0
9,13
32,399
6,54
0,74
3,1
4
0
9,13
32,40
25,09
10
9,16
32,396
6,66
0,69
2,8
3
10
9,16
32,40
25,09
30
9,16
32,395
6,55
0,76
3,1
4
20
9,16
32,40
25,09
50
9,13
32,399
6,51
30
9,16
32,40
25,09
75
7,92
33,231
4,49
1,73
17,0
22
50
9,13
32,40
25,09
100
8,16
33,596
3,62
1,99
24,0
28
75
7,93
33,24
25,93
125
7,94
33,834
3,02
2,19
27,5
33
100
8,16
33,60
26,18
149
7,78
33,851
2,96
150
7,77
33,88
26,46
199
7,11
33,944
2,58
2,23
31,2
35
200
7,10
33,94
26,60
300
6,14
34,008
1,79
2,73
36,7
53
250
6,57
33,98
26,70
401
5,48
34,072
1,11
2,95
39,1
66
300
6,15
34,01
26,78
601
4,65
34,201
0,42
3,28
43,1
82
400
5,49
34,07
26,91
801
4,10
34,308
0,26
3,39
44,7
99
500
5,01
34,14
27,02
1001
3,50
34,414
0,32
3,38
44,0
125
600
4,65
34,20
27,11
1005
3,47
34,421
0,39
3,39
44,6
700
4,36
34,26
27,18
1202
3,05
34,473
0,60
3,32
45,2
137
800
4,10
34,31
27,25
1207
3,06
34,480
0,56
3,36
44,2
1000
3,51
34,41
27,40
1408
2,65
34,512
0,67
3,30
44,4
1200
3,05
34,47
27,49
1609
2,33
34,549
0,94
3,23
43,3
1500
2,49
34,53
27,58
1810
2,08
34,574
1,24
3,17
42,5
2000
1,91
34,61
27,69
2012
1,90
34,608
1,56
3,05
41,8
2500
1,76
34,64
27,73
2213
1,78
34,616
1,77
3,02
41,5
2414
1,78
34,635
1,89
3,01
41,4
169
2615
34,645
2,49
3,00
42,4
175
* Значения, соответствующие действительным глубинам, на которых брали пробы, интерполировались так, чтобы в отчете могли быть указаны значения на
стандартных горизонтах.
бирают через 200 м. Причина состоит в том, что, как мы
знаем из опыта, в верхнем слое характеристики воды меня¬
ются с глубиной гораздо быстрее, чем в более глубоких сло¬
ях. Соответственно для построения кривых вертикального
распределения параметров нужно иметь больше точек вбли¬
зи поверхности. Чтобы убедиться в сказанном, достаточно
взглянуть на вертикальные профили, построенные по этим
данным (рис. 8.3).
Интерполированные данные. В соответствии с международ¬
ными соглашениями все гидрологические данные публику¬
ются, причем в таблицах приводятся значения, относящиеся
к стандартным горизонтам. Новый набор данных мы полу¬
чаем путем интерполяции первоначальных данных — либо с
помощью компьютера, либо строя вертикальные профили и
снимая с них значения параметров на стандартных горизон¬
тах.
Единицы. Единицы измерений всегда указываются в табли¬
цах. Содержание кислорода (единственный растворенный
газ, который определялся в этих рейсах) дано в миллилит¬
рах на литр морской воды. Концентрации питательных ве¬
ществ РО^~, NO^“h Si(OH)4 приводятся в микромолях на
килограмм (химическая запись) и не интерполируются.
Точность измерений. Температура округляется до 0,01 °C;
опытные океанологи, имеющие в своем распоряжении на¬
дежные термометры, действительно могут измерять темпе¬
ратуру in situ с такой точностью. На сегодняшний день
электронные датчики температуры дают в 10 раз лучшее
разрешение — 0,001 °C, однако для периодической проверки
работы электронных схем до сих пор применяют термомет¬
ры. Соленость приведена с точностью 0,001%о, откуда сле¬
дует, что измерения велись электронными приборами, а не
химическими методами, дающими меньшую точность.
(Правда, погрешность измерений судового солемера состав¬
ляет лишь около О,ООЗ%о.) Почему мы нуждаемся в столь
точных измерениях температуры и солености? Дело в том,
что океанологи оценивают скорости течений, рассчитывая
изменения плотности воды от станции к станции, а рассчи¬
тать плотность можно, лишь имея точные данные о темпе¬
ратуре и содержании растворенных солей (см. прило¬
жение 2).
Измерения концентраций питательных веществ прово¬
дятся по возможности сразу после того, как батометр под¬
нят на палубу. Однако трудности, связанные с работой на
борту судна, не всегда позволяют это сделать. В таких слу¬
чаях к пробам воды добавляют фиксирующие вещества, не
дающие организмам в пробе размножаться. Но, несмотря
ГЛАВА 8. ДВА ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЙСА
117
Наблюденные Интерполированные
Таблица 8.1. (продолжение).
NH-105; 44°39,1' с.ш., 126°31,1' з.д.; 09 июля 68 2330 GCT; угол наклона троса 2; сухой 66,2 влажный 62,2; направление ветра 23; скорость
06; давление 17; направление зыби 24 Н 03Т06; облачность 6 АМТ
D, м
Г, °C
S, %о
Ог, мл/л
роГ,
мкмоль/кг
no3;
мкмоль/кг
Si(OH)4,
мкмоль/кг
Z, м
Г, °C
S, %о
Ot
0
17,68
29,751
5,80
0,30
8
0
17,69
29,76
21,37
10
16,11
31,428
5,90
0,30
2
10
16,11
31,43
23,01
30
14,84
32,468
6,05
0,43
1
20
15,50
32,20
23,74
50
10,64
32,505
7,12
0,48
1
30
14,84
32,47
24,09
75
9,17
32,573
6,65
0,65
0,9
3
50
10,64
32,51
24,93
100
8,18
32,949
5,42
1,28
10,8
13
75
9,17
32,58
25,22
125
7,59
33,294
4,73
1,36
10,7
13
100
8,18
32,95
25,67
150
7,71
33,656
3,95
2,00
22,3
28
150
7,71
33,66
26,29
201
7,21
33,868
3,45
2,10
27,9
35
200
7,22
33,86
25,52
251
6,66
33,913
3,09
2,38
30,6
39
250
6,67
33,91
26,63
301
6,09
33,962
2,25
2,36
28,3
47
300
6,10
33,96
26,75
402
5,24
34,000
1,58
2,65
32,0
57
400
5,25
34,00
26,88
603
4,66
34,202
0,42
2,87
79
500
4,87
34,09
27,00
805
4,03
34,306
0,23
600
4,66
34,20
27,11
996
3,53
34,398
0,23
700
4,35
34,26
27,19
1005
3,50
34,402
0,27
2,93
800
4,05
34,30
27,26
1195
3,13
34,471
0,42
3,04
121
1000
3,52
34,40
27,39
1206
3,03
34,459
0,43
2,97
1200
3,08
34,47
27,48
1394
2,70
34,512
0,93
3,11
39,6
133
1500
2,50
34,53
27,58
1594
2,34
34,548
1,20
2,97
2000
1,93
34,60
27,69
1793
2,11
34,577
1,46
3,06
38,8
2500
1,71
34,64
27,73
1992
1,93
34,603
1,81
2,86
35,4
143
2191
1,85
34,623
3,03
2390
1,77
34,633
1,84
2,93
37,9
158
2590
1,65
34,641
2,04
2,73
34,0
161
на принимаемые меры предосторожности, результаты тако¬
го запоздалого анализа часто уже нельзя считать достовер¬
ными.
«Плохие» данные. «Плохие» точки — скорее правило, чем
исключение. Одна из главных причин, по которым нужно
строить вертикальные профили разных параметров (как на
рис. 8.3), состоит в необходимости выявить точки, настоль¬
ко далеко «отскакивающие» от плавных кривых, что их
приходится считать подозрительными. Источники ошибок
неисчислимы: крышка батометра может захлопнуться до
того, как трос будет вытравлен на всю длину; неправильно
может работать лебедка; кратковременные сбои в электро¬
питании во время некоторых процедур химического анализа
могут привести к изменениям температуры в холодильнике,
где хранятся пробы, — этот список можно продолжать по¬
чти до бесконечности.
Анализ данных — I: вертикальные
распределения
После обработки полученных в рейсе данных приступают к
построению графиков, показывающих вертикальное рас¬
пределение каждого из измеренных параметров. Какой из
них анализировать вначале — определяет исследователь.
Мы начнем с температуры и солености (рис. 8.3) с целью
изучить основные элементы структуры океана, опираясь на
распределение консервативных характеристик. Кислород к
таковым не относится (животные потребляют его, а расте¬
ния производят), но анализ кислородного минимума позво¬
ляет прийти к важным заключениям.
Профили температуры
Термоклин. Характерной особенностью водного столба по¬
чти в любом месте, за исключением высоких широт, являет¬
ся главный (постоянный) термоклин; часть слова «клин»
(-cline — англ.) указывает на быстрое убывание температу¬
ры с глубиной. Главный термоклин в районе станции NH-
105 отделяет теплый верхний слой от относительно более
холодной глубинной воды, где температура слабо меняется
по вертикали. На рис. 8.3 показан также сезонный термо¬
клин; в слое между 30 и 50 м температура воды в июле ме¬
няется более чем на 4 °C.
Хорошо перемешанный слой. К январю поверхностная вода
на станции NH-105 охладилась до 9,13 °C. Вместо сезонного
термоклина мы видим 50-м столб воды, однородной по
температуре. Эта вертикальная однородность проявляется
также в распределении солености и кислорода. Причины по¬
явления такого хорошо перемешанного слоя известны: он
возникает в результате вертикальной конвекции, которая в
118
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Соленость, %о
Температура,°C
Кислород, мл/л
свою очередь вызывается охлаждением воды с поверхности
(этот процесс описан в гл. 6; см. рис. 6.8), и вертикального
перемешивания штормами. Глубина хорошо перемешанного
слоя характеризует суммарные эффекты штормов и процес¬
сов перемешивания в период, предшествовавший рейсу. Дан¬
ные по хорошо перемешанному слою требуются биологам,
которые изучают изменение во времени первичной продук¬
ции (см. гл. 14 и определение «критической глубины»). Эта
информация нужна также при расчете теплового бюджета:
глубина и температура верхнего перемешанного слоя служат
мерой того, как много тепла ушло из океана в атмосферу.
Температура глубинных слоев. Глубинные воды всегда яв¬
ляются самыми холодными, однако ниже 1000 м скорость
падения температуры с глубиной невелика почти во всех
океанах. При построении графиков вертикальных распреде¬
лений вертикальный масштаб для глубоких слоев, как пра¬
вило, изменяют и все данные по водному столбу представ¬
ляют на одном листе. По этой причине вертикальная шкала
глубин на рис. 8.3 разорвана и масштаб глубин в нижней ча¬
сти рисунка сжат в десять раз. В противном случае графики
оказались бы слишком растянутыми.
Профили солености
Слой, в котором соленость меняется наиболее быстро, на¬
зывается галоклином. Поскольку температура и соленость
являются независимыми характеристиками морской воды,
нет причин, по которым галоклин должен обязательно рас¬
полагаться в том же диапазоне глубин, что и термоклин.
Одна из причин, по которой я выбрал для анализа стан¬
цию NH-105, состоит в том, что исключительно низкая со¬
леность, измеренная в июле (29,75%о), в целом не характер¬
на для поверхностных океанских вод. Следовательно, дол¬
жен существовать источник пресной воды, который мог бы
обусловить такое сильное распреснение. В том районе, о ко¬
тором идет речь, этим источником служит шлейф вод реки
Колумбия. Почему же в таком случае влияние речной воды
незаметно в январе?
Ответ на этот вопрос дают результаты измерений, вы¬
полненных на судах, которые пересекли в разных направле¬
ниях прибрежную зону от Северной Калифорнии до Бри¬
танской Колумбии. Мы обнаружили, что течения вблизи бе¬
рега меняются от сезона к сезону. Летом к берегу подходит
Калифорнийское течение, которое увлекает речную воду на
юг, — отсюда и ее следы на станции NH-105 в июле. Зимой
у берега возникает направленное на север течение Давидсо¬
на, оно и уносит речную воду к заливу Аляска.
Профили кислорода
Насыщение вблизи поверхности. Поверхностные воды, на¬
ходящиеся в контакте с атмосферой, обычно насыщены кис¬
лородом. Именно так и обстоит дело на станции NH-105.
Кислородный минимум на глубине 800 м. В процессе фото¬
синтеза вырабатывается кислород: растения разлагают
СО2, удерживают углерод и выделяют О2. Но процесс фо-
ГЛАВА 8. ДВА ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЙСА
119
Фосфаты, мкмоль/кг
Нитраты, мкмоль/кг
Силикаты, мкмоль/кг
тосинтеза ограничен верхней, освещаемой солнцем эвфоти-
ческой зоной, глубина которой не превышает 100 м. Более
глубокие слои могут только терять кислород: во-первых,
его потребляют при дыхании живые организмы, во-вторых,
он расходуется на окисление органических соединений. Из-за
того что значительная часть мертвых растений и животных
уходит из продуктивной эвфотической зоны, опускаясь в
глубину, на разложение органических веществ идет свобод¬
ный кислород, содержащийся в нижележащих слоях.
Вода с минимальным содержанием кислорода считается
более древней, поскольку она должна была терять кислород
в течение наиболее продолжительного времени. Кислород¬
ный минимум на глубине 800 м (рис. 8.3) можно объяснить
именно так: вода на этой глубине находилась в контакте с
атмосферой (и, следовательно, обогащалась кислородом) в
более давние времена, чем выше- и нижележащая вода.
Определив глубину залегания кислородного минимума в ря¬
де районов Мирового океана, океанологи смогли восстано¬
вить картину движения водных масс от момента их образо¬
вания на поверхности до постепенного «исчезновения» в
океанских глубинах. Примером служит классическая работа
Георга Вюста, о которой подробно говорится в гл. 9 (см.
рис. 9.6).
Сезонная изменчивость; до какой глубины океан
«чувствует» сезонные колебания?
Вертикальные профили некоторых консервативных характе¬
ристик могут служить подспорьем при изучении сезонных
вариаций и их причин. Основываясь на одних только профи¬
лях температуры, мы можем взять горизонт 100 м в качест¬
ве уровня, ниже которого водный столб не «чувствует» се¬
зонных изменений: глубже 100 м летние и зимние верти¬
кальные профили идентичны. Исходя из особенностей про¬
филей солености, за уровень, ниже которого отсутствуют се¬
зонные изменения, мы должны принимать глубину 400 м, а
судя по кислородным профилям — 600 м. Возникающий
здесь вопрос весьма важен, и он не давал покоя исследовате¬
лям со времени возникновения океанологии. Итак, насколь¬
ко «далеко» мы можем распространить наши выводы об
изменчивости океанов, отталкиваясь от данных измерений
на одной-единственной станции!
Проблема заключается в том, что океаны находятся в
постоянном движении. Невозможно отличить изменения,
вызванные вертикальным перемешиванием, от тех, что об¬
условлены горизонтальным движением различных водных
масс через точку наблюдений. Например, течения, перенося¬
щие различные водные массы через станцию NH-105, могут
порождать различия в летних и зимних значениях концент¬
рации кислорода на любой глубине между 100 и 600 м.
Иными словами, трудно разделить данные измерений на
две части: «среднее» состояние и «переменную» часть, кото¬
рую можно либо приписать локальным причинам, либо счи¬
тать привнесенной извне.
Чаще всего в качестве уровня, глубже которого сезон¬
ные изменения, происходящие на поверхности, не «чувству¬
ются», принимают нижнюю границу главного термоклина.
На станции NH-105 она находится на глубине 400 м.
120
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Вертикальные профили питательных веществ
Профили питательных веществ (рис. 8.4) гораздо более
изменчивы, чем профили консервативных характеристик,
описанные выше. Заметьте также, что для некоторых гори¬
зонтов данные измерений отсутствуют. Несмотря на эти
обстоятельства, из анализа приведенных профилей мы мо¬
жем сделать три важных вывода.
Низкие концентрации на поверхности. Выбрав 100-м гори¬
зонт в качестве нижней границы эвфотической зоны, мы за¬
ключаем, что в слое от 0 до 100 м, где обитают растения,
содержание питательных веществ всегда невелико — и ле¬
том, и зимой. Это является хорошим примером обеднения
биогенными веществами, которое часто наблюдается в по¬
верхностных водах открытых океанов. Далее, летние кон¬
центрации, естественно, ниже зимних: из-за того что летом
при сильном солнечном освещении первичной продукции
производится больше, обеднение воды питательными ве¬
ществами также значительнее.
Обеднение азотом (лимитирующий фактор). Содержание
азота обычно падает до критического значения раньше, чем
содержание других биогенных элементов. Июльские данные
по станции NH-105 показывают, что верхний 75-м слой
практически лишен нитратов, в то время как фосфаты там
еще присутствуют. Почти все имевшиеся нитраты были по¬
глощены живыми растениями, так что для роста и воспро¬
изводства организмов «свободных» нитратов не осталось.
Отсюда можно заключить, что продукция растений, воз¬
можно, достигла пика еще до наступления июля. (Данные,
подтверждающие этот вывод, рассматриваются в гл. 12.)
Максимумы содержания нитратов и фосфатов. На профилях
нитратов и фосфатов максимумы обнаруживаются в опреде¬
ленной области глубин — там, где располагается кислород¬
ный минимум. Является ли это просто совпадением, или же
между данными параметрами существует объяснимая кор¬
реляция? Когда на разложение органического материала из
воды забирается кислород, продукты разложения оказыва¬
ются в той же самой воде. Именно поэтому можно ожи¬
дать корреляции между высокими концентрациями NO^"h
РО|~ и низкими концентрациями растворенного кислорода.
Если вспомнить, что органический детрит непрерывно по¬
ступает вниз из верхних слоев, следует признать, что со¬
вместные процессы, приводящие к уменьшению содержания
О2 и увеличению NO^“h РО|—, также происходят непрерыв¬
200 м
Станции ньюпортского гидрологического разреза
но. Кроме того, чем дольше идут такие процессы, тем ниже
становится содержание О2 и выше концентрации питатель¬
ных веществ. Это также подтверждает вывод о том, что
кислородный минимум служит индикатором относительно
большего возраста воды.
Анализ данных — II: разрезы
Если построить вертикальные профили всех характеристик,
можно многое узнать о структуре океана. Следующий
шаг — объединить в одну общую картину данные по всем
водным столбам (станциям), полученные в определенном
рейсе. Возьмем, к примеру, данные по станциям от NH-5 (5
миль от берега) до NH-165 (165 миль от берега) от поверх¬
ности до глубины 200 м. По ним можно построить то, что
принято называть разрезами, показывающими распределе¬
ние характеристик на вертикальном сечении океана. Сначала
мы строим сетку из точек, в которых были отобраны про¬
бы; ее можно использовать для построения разрезов в поле
всех характеристик — температуры, солености, кислорода и
т. д.; пример такой сетки показан на рис. 8.5. Каждая точка
сетки соответствует одной пробе. Из табл. 8.1 мы выбира¬
ем данные по интересующей нас характеристике (например,
концентрации фосфатов) и наносим их значения на сетку,
после чего проводим изолинии, т. е. линии равных величин
(например, 2,00 мкмоль/кг), как показано на рис. 8.6, а. Для
сравнения летних и зимних условий мы строим оба разреза
на одной сетке*.
* При построении разрезов (проведении изолиний) океанологи всег¬
да оказываются перед дилеммой. С одной стороны, кажется
естественным точно интерполировать между измеренными величи¬
нами. С другой стороны, нельзя не учитывать тот факт, что пробы
на станциях отбираются далеко не в одно и то же время (в случае
одновременных измерений мы говорим о «синоптических» данных).
Говоря прямо, неясно, насколько обоснованны разрезы как метод
анализа данных, «извлеченных» из жидкого, пребывающего в по¬
стоянном движении океана с судна, которое само не стоит на мес¬
те. На практике эту трудность пытаются обойти тем, что при¬
держиваются одного молчаливого соглашения — избегать слишком
далеко идущих выводов на основе одних лишь разрезов.
Известный океанолог из Океанографического института Скрип-
пса Дж. Рид говорит по этому поводу так: «Есть «усреднители» и
есть «ревнители». Усреднители сглаживают данные, очищая их от
небольших вариаций (от станции к станции, по глубине, по време¬
ни), так как хотят получить картину «в целом». Ревнители держат¬
ся за каждую точку, предпочитая ломать голову над объяснением
встречающихся вариаций. И те и другие пытаются найти физичес¬
кие законы, которые управляют динамикой океанов».
Рис. 8.5. Построение сетки, на которой мож¬
но показать распределения характеристик
морской воды, полученных при измерениях
судна «Якина» на ньюпортском гидрологичес¬
ком разрезе в январе и июле 1968 г. Положение
станции наносится точно; точки соответствуют
горизонтам, на которых отбирались пробы.
Обычная процедура построения разрезов состо¬
ит в следующем: у каждой точки проставляют
измеренные значения параметра и затем прово¬
дят изолинии, соответствующие целым значе¬
ниям данной величины. В представленном при¬
мере изолиния, соответствующая температуре
8 °C, проводится путем интерполяции между
соседними точками, в которых значения темпе¬
ратуры меньше и больше 8 °C. (Из табл. 8.1.)
ГЛАВА 8. ДВА ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЙСА
121
Распределение питательных веществ
Летнее и зимнее распределения и фосфатов, и нитратов
очень сильно различаются; это хорошо видно на разрезах,
изображенных на рис. 8.6.
Согласно данным январского рейса 1968 г., зимой изоли¬
ния 2 мкмоль/кг концентрации фосфатов идет относительно
ровно на протяжении всего разреза (165 миль); глубина изо¬
линии изменяется в небольших пределах — от 115 до 135 м.
Напротив, в июле глубина той же изолинии существенно
варьирует на разрезе: от 200 м на станции NH-165 до 0 на
станции NH-5! Ряд других июльских изолиний тоже выхо¬
дит на поверхность: летом поверхностные воды в 15-миль-
ной зоне у берега столь же богаты фосфатами, что и вода
на глубине 100 м в 165 милях от берега.
Изолинии концентрации нитратов меняются по характе¬
ру от зимы к лету таким же образом. Июльские изолинии
10 и 20 мкмоль/кг выходят на поверхность в 15-мильной зо¬
не у берега. Одно важное различие между распределением
фосфатов и нитратов состоит в том, что, начиная со стан¬
ции NH-45, в верхнем слое толщиной около 60 м нитраты
практически отсутствуют (на станции NH-45, где начинается
этот слой, его нижняя граница лежит на глубине 30 м); ни¬
же мы вернемся к этому явлению. Заметим, что зимняя изо¬
линия 20 мкмоль/кг концентрации нитратов идет так же
квазигоризонтально, как и изолиния 2 мкмоль/кг концент¬
рации фосфатов.
Складывается представление, что изменения в распреде¬
лении фосфатов и нитратов от зимы к лету происходят в
85-мильной полосе у берега, причем наиболее резкие измене¬
ния отмечаются в пределах 35 миль. Мористее станции
NH-85 изолинии идут почти горизонтально вплоть до стан¬
ции NH-165 и зимой, и летом. Условия на станции NH-165
можно рассматривать как типичные для открытого океана.
Чтобы подтвердить это, на рис. 8.6 приведены две точки,
относящиеся к станции NH-565, которая, располагаясь в
565 милях от Ньюпорта, явно дает условия открытого океа¬
на. Концентрация фосфатов 1 мкмоль/кг на станции NH-565
обнаружена лишь на 12 м глубже, чем на профиле NH-165,
хотя сама эта станция расположена в 400 милях от NH-165;
изолиния 10 мкмоль/кг концентрации нитратов на станциях
NH-565, NH-165 лежит примерно на одной и той же глубине.
Рис. 8.6. Поперечные разрезы для концентра¬
ций питательных веществ по данным ньюпорт¬
ского гидрологического разреза. Сплошные ли¬
нии относятся к летним условиям (9 июля
1968 г.), пунктирные, проведенные для сравне¬
ния,— к зимним (4 января 1968 г.). Их пересе¬
чения обозначены кружками. Данные по стан¬
ции NH-565 были добавлены для того, чтобы
показать, что в открытом океане изолинии
концентрации фосфатов и нитратов идут почти
горизонтально. Из этого следует, что «откло¬
нение» вверх изолиний у берега является ре¬
зультатом прибрежного апвеллинга [1].
(б) Разрез в поле концентрации нитратов.
122
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
У читателя может возникнуть естественный вопрос: ка¬
ким образом летние изолинии концентраций питательных
веществ могут подняться к поверхности с глубины 100 м,
если 1) поверхностный слой всегда обеднен питательными
веществами и 2) стратификация океана по плотности всегда
устойчива, т. е. более легкая вода располагается вверху, а
более тяжелая — внизу? Разве не должны богатые пита¬
тельными веществами более глубокие воды лежать под
«спудом» менее плотных верхних слоев? Оказывается, если
приложить достаточное усилие, плотностной «барьер»
можно преодолеть. У берега ветры могут быть столь силь¬
ны, что «искривляют» поле плотности. На рис. 8.6 изобра¬
жено не что иное, как «моментальный снимок» происходя¬
щего в океане апвеллинга — подъема глубинных вод.
Сезонные изменения в распределении питательных
веществ — предмет острого интереса биологов и рыбаков.
Летом в прибрежной зоне, богатой питательными вещест¬
вами, первичная продукция очень велика, а отсюда следует,
что и в остальных звеньях пищевой цепи должно вырабаты¬
ваться много продукции (обратитесь еще раз к данным по
рыбным запасам для районов апвеллинга и открытого океа¬
на, приведенным в гл. 1). Специалисты по физике океана ис¬
следуют апвеллинг со стороны его физических характерис¬
тик, анализируя действующие силы, течения, временные
масштабы генерации апвеллинга ветром и т. д.
В 1970-е годы проводились работы в рамках крупного
проекта под названием CUEA (Coastal Upwelling Ecosystem
Analysis — «Анализ экосистем прибрежного апвеллинга».) В
них участвовали ученые всех специальностей; измерения ве¬
лись в районах прибрежного апвеллинга у берегов штатов
Орегон и Калифорния, у северо-западного побережья Африки
и северо-западного побережья Перу. (Чтобы понять, почему
для исследования в рамках одного проекта были выбраны
столь удаленные друг от друга районы, см. рис. 15.13.)
Распределение плотности
Какой физический процесс ответствен за явление апвеллин¬
га? Мы сможем кое-что сказать на этот счет, если постро¬
им в том же масштабе разрез в поле плотности морской во¬
ды (рис. 8.7,а).
Обратимся к табл. 8.1 и возьмем данные по плотности
из графы ог Эта удобная «условная единица» выбрана океа¬
нологами для того, чтобы избежать полной десятичной за¬
писи значения плотности. Посмотрим на первый ряд изме¬
ренных величин для января 1968 г.: при температуре 9,13 °C
и солености 32,399 %о плотность морской воды равна
1,02509 г/см3 (метод расчета плотности по температуре и
солености описан в гл. 9). В разделе интерполированных ве¬
личин находим графу о[ и в ней значение 25,09. На рис. 8.7, а
изолиния плотности, помеченная числом 25, — это линия
постоянной плотности со значением 1,02500 г/см3, или по¬
стоянной условной плотности ot = 25.
Особенности разрезов в поле плотности. В целом изолинии
плотности на рис. 8.7, а очень похожи на изолинии концент¬
рации питательных веществ. Сезонные изменения также
происходят в 85-мильной полосе у берега, а изолиния
ot = 26 зимой также идет приблизительно горизонтально.
Летом изолиния о( = 26, которая вдали от берега распола¬
гается примерно на такой же глубине, что и изолинии
1,5 мкмоль/кг фосфатов и 10 мкмоль/кг нитратов, выходит
на поверхность в той же 15-мильной зоне от берега, что и
соответствующие изолинии концентрации питательных ве¬
ществ.
Однако между распределением характеристик двух ука¬
занных типов есть и одно важное различие. Между станция¬
ми NH-45 и NH-105 располагается линза воды пониженной
плотности, нижняя граница которой лежит на глубине 15 —
20 м. Линза соответствует шлейфу вод реки Колумбия; сле¬
ды той же распресненной морской воды мы находим и на
вертикальных профилях отдельных характеристик.
Анализируя разрезы в поле плотности, можно увидеть,
что квазигоризонтальное движение морской воды происхо¬
дит вдоль поверхностей постоянной плотности (изопикниче¬
ских поверхностей). Иными словами, через границу раздела
слоев с разной плотностью не осуществляется перемешива¬
ние. Ниже это соображение будет представлено в виде тео¬
ремы.
Теорема перемешивания океанских вод:
вода движется вдоль поверхностей
постоянной плотности
Из гл. 6 мы узнали, что вертикальная конвекция возникает
в том случае, когда устойчивое распределение плотности в
водном столбе нарушается в результате охлаждения с по¬
верхности. Как ведет себя вода, когда к ней приложена си¬
ла, не нарушающая стратификацию? Оказывается, вода
движется вдоль изопикнических поверхностей*, если внешнее
воздействие достаточно сильно, вода будет заглубляться
или подниматься в той мере, в какой это необходимо для
того, чтобы оставаться в том же плотностном слое.
Эта теорема горизонтального движения, которую труд¬
но доказать математически, наглядно иллюстрируется
рис. 8.7, а — для этого достаточно обратить внимание на
значения консервативных характеристик вдоль изолинии
плотности (изопикны). Если температура и соленость не
изменяются на выбранной изопикне, мы можем исключить
вертикальное перемешивание из числа процессов, благодаря
которым изопикны, изображенные на рис. 8.7, а, поднима¬
ются к поверхности. Такой подъем можно объяснить лишь
тем, что поверхностная вода, которая первоначально нахо¬
дилась вблизи берега, отошла от него, а более глубокая во¬
да поднялась, чтобы восполнить потерю. На рис. 8.7, а зна¬
чения температуры и солености на поднимающейся к по¬
верхности изопикне о( = 26 в летний период примерно по¬
стоянны от станции NH-165, где изопикна лежит на глубине
115 м, до станции NH-5, где она выходит на поверхность.
Поднимающаяся глубинная вода выносит с собой на поверх¬
ность в больших количествах нитраты и фосфаты — это и
есть апвеллинг.
Чтобы завершить вывод теоремы, необходимо показать,
что апвеллинг является непрерывным процессом. За возник¬
новение апвеллинга отвечает сила трения между ветром и
верхним слоем воды (этот механизм описан в гл. 10). По¬
верхностная вода будет двигаться от берега до тех пор, по¬
ка существует ветер определенного направления. Таким об¬
разом, поднимающаяся с глубины вода непрерывно уходит
от берега, давая место новой воде с глубины и т. д. У побе¬
режья шт. Орегон ветры, благоприятствующие апвеллингу,
начинают дуть в апреле, поэтому в июле апвеллинг уже
устанавливается, как и показывают наши поперечные раз¬
резы.
Мне бы хотелось завершить этот раздел рассуждением о
том, насколько широкую полосу захватывает апвеллинг. К
сожалению, специалисты пока не пришли в этом вопросе к
единому мнению, и, для того чтобы до конца прояснить си¬
туацию, необходимы дальнейшие исследования. Одно об¬
стоятельство, однако, может послужить некоторой подсказ-
ГЛАВА 8. ДВА ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЙСА
123
(а) Изолинии плотности (изопикны) на ньюпортском гидрологическом разрезе для лет¬
него периода. Значения плотности приведены в единицах условной плотности о( (напри¬
мер, при плотности 1,025 г/см3 о( = 25). Над и под изопикной а( = 26 указаны значения
соответственно температуры и солености, полученные измерениями на данных глуби¬
нах. Относительное постоянство значений Т и 5 вдоль этой кривой позволяет предпо¬
ложить, что вода движется примерно вдоль изопикны о( — 26, поднимаясь с глубины
120 м на станции NH-165 к поверхности в районе станции NH-5. Это — результат ап¬
веллинга. В целях сравнения изображена изопикна = 26 для зимы, когда апвеллинг не
наблюдается.
(б) Сравнение летнего расположения изопикны а( = 26 и изолиний концентрации нитра¬
тов 20 мкмоль/кг и концентрации фосфатов 2 мкмоль/кг. Высказанная при анализе
рис. 8.7, а идея о том, что направленное к берегу движение воды происходит вдоль изо¬
пикн, объясняет, каким образом фосфаты и нитраты переносятся с глубины 120 м (вда¬
ли от берега) к поверхности [1].
Рис. 8.7. Механизм прибрежного апвеллинга, генерируемого ветром.
124
ЧАСТЬ III. МОРСКАЯ ВОДА СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ
Танкер, прокладывающий путь в
штормящем море. Волны, генерируе¬
мые ветром,— главный источник
энергии для формирования в океане
верхнего «хорошо перемешанного
слоя».
кой. Устье реки Колумбии находится в 150 милях к северу
от Ньюпорта, но к тому времени, когда шлейф речных вод
пересекает ньюпортский гидрологический разрез, его запад¬
ный край находится у станции NH-105 (рис. 8.7,6.) Ясно,
что именно ветры отгоняют шлейф от берега. Можем ли
мы принять границу шлейфа в качестве границы зоны ап¬
веллинга? Мне кажется, основания для этого можно найти
на рис. 8.7,6, где изображена также зона почти полного от¬
сутствия нитратов, упоминавшаяся нами при анализе
рис. 8.6. Обратите внимание, как близко подходят обеднен¬
ные нитратами воды к шлейфу речных вод. В шлейф пита¬
тельные вещества попадают из двух источников — это соб¬
ственно вынос из реки и вышедшие на поверхность в ре¬
зультате апвеллинга глубинные воды, с которыми воды
шлейфа перемешиваются по мере того, как ветер отгоняет
их от берега; соответственно вода в шлейфе еще не обедне¬
на биогенными веществами. В поверхностные воды к западу
от шлейфа (и под ним) питательные вещества уже не посту¬
пают, и поэтому по мере потребления нитратов их количе¬
ство уменьшается и первичная продукция падает.
Заключение
Мы можем сказать, что побывали в настоящей океанологи¬
ческой экспедиции и вернулись домой, получив реальные
данные. Последние обрабатываются и представляются в ви¬
де, пригодном для использования другими исследователями:
большая их часть представлена в виде значений, привязан¬
ных к стандартным горизонтам. При химическом анализе
проб воды нужно быть очень внимательными; по мере воз¬
можности мы используем «нормальную» воду (международ¬
ный стандарт морской воды) для периодической проверки в
рейсе правильности работы аппаратуры и ее калибровки.
Как правило, вначале мы строим вертикальные профили
каждой характеристики, ища в них такие особенности, кото¬
рые объясняли бы поведение океанологических полей и
морских форм жизни. Среди этих особенностей — глубина
верхнего перемешанного слоя как мера многих процессов
(от первичной продукции до геохимических процессов), а
также минимум в распределении кислорода и максимум в
распределении питательных веществ, указывающие на пове¬
дение глубинных вод.
Обычно судно движется перпендикулярно берегу, для то¬
го чтобы получить данные по «разрезу» в направлении от
берега. Многое из того, что мы изучаем, связано с переме¬
щением воды или каких-то объектов от суши в море или на¬
оборот, поэтому такие разрезы дают наилучшую информа¬
цию. Почти классическим примером, почерпнутым из дан¬
ных нашего рейса, служит разрез, на котором видна линза
воды из реки Колумбия, обнаруживаемая у северо-запад¬
ного побережья США в июле. Поперечные разрезы позволя¬
ют оценить скорость установления режима апвеллинга, воз¬
можное влияние его на миграцию рыб и т. д. При анализе
наших разрезов особое внимание было обращено на при¬
брежный апвеллинг — характерное явление для северо-
восточной части Тихого океана, оказывающее большое вли¬
яние на местную экономику. Июльский рейс дал нам под¬
робные сведения о хорошо развитом апвеллинге. Теперь мы
знаем, что локальные ветры деформируют поле плотности
и поля других характеристик, в результате чего в прибреж¬
ную зону попадают богатые питательными веществами во¬
ды с глубины 100 — 200 м.
Сравнивая поперечные разрезы питательных веществ и
плотности, мы приходим к теореме перемешивания: вода в
стратифицированном океане стремится двигаться вдоль по¬
верхностей постоянной плотности.
Контрольные вопросы
1. Рис. 8.2 показывает, что водные столбы, из которых
брались пробы на ньюпортском гидрологическом разрезе,
далеко не вертикальны. В чем причина этого и какие меры
принимает капитан судна, чтобы свести такое искривление к
минимуму?
2. Почему при отборе проб батометр Нансена должен
перевернуться?
3. До изобретения опрокидывающихся термометров из¬
мерение температуры в толще воды было поистине труд¬
ным делом. В одном из применявшихся тогда измерителей
использовался обычный стеклянный термометр, в котором
бульбочка с ртутью была заключена в восковой шар. Для
чего это было сделано? Применялся и другой прибор: это
был термометр со специальной второй «стрелкой», которая
ГЛАВА 8. ДВА ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЙСА
125
«запоминала» максимальное отклонение основного указате¬
ля температуры при погружении до определенной глубины.
Можете ли вы сказать, в чем были недостатки такого уст¬
ройства?
4. По мере того как наши знания об океанской воде по¬
полнялись, все более необходимым становилось отбирать
пробы воды как можно ближе ко дну. Насколько трудна эта
задача? Придумайте устройство, которое позволяло бы уче¬
ным, находясь на борту судна, определять расстояние ото
дна, на котором взята проба.
5. Какова точность, с которой мы можем измерять
температуру воды in situl Какова точность измерений соле¬
ности? Почему океанологи стремятся к столь высокой точ¬
ности этих измерений?
6. Почему горизонты, на которых берутся пробы (и ко¬
торые определяются расстояниями между батометрами на
тросе), в общем располагаются не с равными интервалами
по вертикали?
7. Измерив на каждой станции температуру, соленость,
концентрации ионов химических элементов и другие харак¬
теристики, ученые приступают к анализу. Как правило, на¬
чинают с того, что строят вертикальные профили измерен¬
ных переменных для каждой станции. Как вы думаете, по¬
чему — с точки зрения проверки правильности данных —
поступают именно таким образом? Как объяснить это с по¬
зиции специалиста по физике моря? Биолога? Химика?
8. Вблизи поверхности концентрация кислорода макси¬
мальна. Количество кислорода в поверхностном слое боль¬
ше зимой, чем летом. Уровни насыщения для большинства
газов, растворенных в морской воде, изменяются с измене¬
нием температуры, причем более холодная вода удерживает
больше кислорода.
а) Почему в таком случае глубинные воды океана содер¬
жат в целом меньше кислорода, чем поверхностные воды?
б) Если биологическое потребление кислорода (БПК)
приводит к уменьшению его содержания в глубинных водах,
почему придонная вода часто содержит больше кислорода,
чем вода на промежуточных глубинах? Не связано ли это с
тем, что на разной глубине вода имеет разный «возраст»?
Не следует ли из этого, что придонная вода может быть на
самом деле «моложе», чем вода на промежуточных глуби¬
нах. Если так, то какой физический смысл может иметь эта
гипотеза?
9. Объясните, как можно было бы определить глубину,
ниже которой океан «не чувствует» сезонные колебания кли¬
мата, происходящие на поверхности?
10. Можете ли вы объяснить, почему концентрации пи¬
тательных веществ NO^~h РОд- (рис. 8.4) имеют максиму¬
мы примерно на той же глубине, где располагается мини¬
мум кислорода?
11. Вертикальные профили содержания нитратов показы¬
вают, что на глубине 400 м концентрация нитратов в июле
примерно на 7 мкмоль/кг меньше, чем в январе. Объясняет¬
ся ли это тем, что фитопланктон потребляет нитраты ле¬
том на такой глубине? Если нет, то в чем причина?
12. Исследовав вертикальные профили как носители тех
изменений, которые претерпевают океанологические поля,
мы приступаем к построению разрезов в поле каждой пере¬
менной. Для этого мы наносим на сетку (как на рис. 8.5) из¬
меренные значения соответствующей величины для каждой
станции; данные берутся из таблицы (типа табл. 8.1). Затем
проводим изолинии, т. е. линии равных значений данной ха¬
рактеристики (как на рис. 8.6 для NO^~ и РО^—).
а) Для района апвеллинга типична «гигантская» разница
между летней и зимней картинами распределения питатель¬
ных веществ в поперечном сечении. Реальна ли эта разница?
б) Теперь, когда вы сформулировали определенное мне¬
ние на этот счет, скажите мне, в чем состоит эта гигантская
разница?
в) Как утверждает специалист по физике моря, относи¬
тельное постоянство температуры и солености на изопикни¬
ческой поверхности = 26 (рис. 8.7, а) свидетельствует о
том, что вода в океане движется вдоль поверхностей посто¬
янной плотности, а не пересекает их. Согласны ли вы с
этим утверждением? Характерно ли это только для зоны
апвеллинга или для всего океана?
Часть IV
Солнце, море и небо.
ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
Здесь мы опишем, во-первых, расположение водных масс в океанах, а во-вторых, их движение под действием
основных сил.
ГЛАВА 9
ПЛОТНОСТЬ МОРСКОЙ ВОДЫ
И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ФИЗИЧЕСКИЕ
И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Плотность — важнейшая характеристика морской воды, в большой
степени определяющая и движение самой жидкости, и особенности
поведения морских организмов.
Общее число океанологических экспедиций, начиная с экс¬
педиции на английском военном корабле «Челленджер»
(1873—1876 гг.), исчисляется тысячами, а число станций
наблюдения — сотнями тысяч. С накоплением данных оке¬
анологи поняли, что между океанами существуют различия,
выражающиеся, в частности, в распределении солености
(гл. 7); в связи с этим они начали искать основу для состав¬
ления «карт» океанов. Одним из лучших параметров для
картирования океанов была признана плотность — фунда¬
ментальная физическая характеристика морской воды. Уче¬
ные разработали методику расчета плотности через две не¬
зависимые характеристики, которые на нее влияют, — тем¬
пературу Т и соленость S. Так родился ставший универсаль¬
ным метод картирования океанов — метод Т, S-диаграмм.
Нанеся значения Т и S, рассчитанные по данным измере¬
ний (см., к примеру, табл. 8.1, где приведены данные по
станции NH-105), на такую диаграмму в виде Т, S-кривой,
можно узнать об изменениях плотности морской воды в
рассматриваемом столбе от поверхности до дна. По форме
кривой можно судить о том, каковы эти изменения. Для
каждого региона океана характерна своя собственная Т, S-
кривая. Именно поэтому данный метод был выбран для со¬
ставления карт океанов.
Т, S-диаграмма
Построим Т, S-кривую, используя миллиметровку (рис. 9.1).
По вертикальной оси будем откладывать значения солено¬
сти в частях на тысячу (промилле), взяв в качестве диапазо¬
на реальных изменений солености в океанах интервал от 30
до 35%о; по горизонтальной оси мы нанесем значения темпе¬
ратуры в интервале от -2 до 24 °C. Поскольку плотность
воды почти целиком зависит от температуры и солености,
каждая точка на плоскости будет соответствовать опреде¬
ленному значению плотности.
Метод Г, S-диаграмм основан на расчете плотности во¬
ды по парам значений Т и S с использованием эмпирической
формулы. (Те, кто любит математику и желает проанализи¬
ровать эту формулу, могут обратиться к приложению 2.)
Формула составлена так, что охватывает все возможные
комбинации Г и S, встречающиеся в океанах. По рассчитан¬
ным значениям плотности на плоскости в координатах (Г, S)
строится семейство кривых — изолиний плотности. На рис.
9.1 каждая из этих кривых соответствует определенному
значению плотности, выражаемому в единицах о( (тех, что
были использованы при анализе данных гидрологической
станции в гл. 8), но сама плотность обозначается р; напри¬
мер, на рис. 9.1 кривая с о( = 22 отвечает плотности
р = 1,02200 г/см3.
Процедура построения Г, S-кривых в некоторой степени
позволяет понять особенности изменчивости океанов.
1. Линии постоянной плотности суть кривые*, это свиде¬
тельствует о том, что с изменением Т и S плотность воды
меняется нелинейно. Отмеченная особенность связана с дву¬
мя фундаментальными физическими параметрами воды,
указанными в табл. 6.1: ее коэффициентом теплового рас¬
ширения и растворяющей способностью. В большей степени
на кривизну линий постоянной плотности влияет нелиней¬
ность коэффициента теплового расширения.
Характер искривления изолиний плотности указывает на
то, что изменения температуры слабо влияют на плотность
очень холодной воды. Например, точка А типична для Г, S-
характеристик поверхностной воды в Арктике; поскольку
вблизи точки А изолинии плотности идут почти вертикаль¬
но, значительные изменения температуры приводят лишь к
небольшим изменениям плотности воды. Так мы приходим
к важному выводу: в полярных широтах на динамику океан¬
ских вод влияют лишь изменения солености.
Точка В находится в области таких значений Г и S, ко¬
торые характерны для поверхностных вод тропического ре¬
гиона. Здесь изменения плотности воды зависят от измене¬
ний и температуры, и солености, поэтому в низких широтах
динамика океана определяется изменениями обеих характе¬
ристик.
2. Прямая XY на рис. 9.1 иллюстрирует другую нелиней¬
ную особенность морской воды. Предположим, мы взяли
пробы воды равного объема с характеристиками, соот¬
ветствующими точкам X и Y. Плотность воды в обеих этих
пробах одинакова, хотя и температура, и соленость разли¬
чаются. Если теперь мы смешаем две пробы в сосуде боль¬
шего объема, то получим смесь с характеристиками, соот¬
ветствующими точке Z, т. е. с температурой и солено¬
стью — средними между значениями в точках X и Y. Одна¬
ко плотность смеси окажется на целых 0,2 ед. о( больше,
чем плотность каждой пробы в отдельности. Какое значе¬
ние имеет этот результат? Из него следует, что в океане
два объема с различными Т, S-характеристиками могут
сблизиться, перемешаться и быстро утонуть. Ниже мы
остановимся на этом подробнее.
128
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
Рис. 9.1. Т, 5-диаграмма. Позволя¬
ет определить плотность морской
воды по известным значениям тем¬
пературы и солености. Например,
вода с температурой 19,0 °C и соле¬
ностью 31%о имеет плотность
1,02200 г/см3 (а( = 22). Кривые —
семейство изолиний плотности, охва¬
тывающее диапазон значений темпе¬
ратуры и солености, характерный
для морской воды в реальных усло¬
виях.
Как пользоваться Т, S-диаграммой —
картирование океана и смешение вод
Представление реального водного столба
в пространстве координат (Г, 5)
Как воспользоваться методом Т, 5-диаграмм для изучения
реального океана? На рис. 9.2 приведен график, соответ¬
ствующий станции NH-105 ньюпортского разреза, который
мы уже анализировали в гл. 8. На этот раз, однако, оц по¬
строен в координатах Т и 5 (изображен лишь график для
июля 1968 г.). Читатель может проверить точность постро¬
ения. Из табл. 8.1 возьмем пару значений Г и 5 для июля
1968 г., измеренных на глубине 50 м (Т = 10,64°С,
5 = 32,5О5%о), и нанесем соответствующую точку на коор¬
динатную сетку рис. 9.2. Она должна попасть в точку, кото¬
рая на этом графике помечена цифрой 50. Существует не¬
сколько причин, по которым океанологи обычно указывают
значения глубин около Г, 5-кривой. Заметим, например, что
добрая половина всей Г, 5-диаграммы для станции NH-105
соответствует лишь верхним 75 м водного столба.
Если мы соединим все нанесенные на плоскость точки,
то получим кривую, которая будет иметь определенную
«форму», характерную для данного места Мирового оке¬
ана. Ни в каком другом месте Г, 5-кривая не повторит в
точности кривую, соответствующую станции NH-105. Кри¬
вая пересекает множество изолиний плотности на Т, 5-диаг¬
рамме — от ot = 21,2 на поверхности до ot = 27,7 на глуби¬
не 2500 м. Следовательно, мы можем использовать этот
график для анализа изменения плотности с глубиной на
станции NH-105. По сути дела мы учимся читать «карту
океана».
ГЛАВА 9. ПЛОТНОСТЬ МОРСКОЙ ВОДЫ
129
т,°с
Рис. 9.2. Т, S -кривая для водного
столба станции NH-105, выполнен¬
ной 9 июля 1968 г. (44°39,Г с.ш.,
126°31,Г з.д.). Температура и соле¬
ность измерялись на поверхности и
на 20 других горизонтах. Каждая па¬
ра измеренных значений дает одну
точку (•) на Т, S -диаграмме; форма
кривой, соединяющей все точки, яв¬
ляется особенностью данного водно¬
го столба. По этой причине Т, S -диа¬
граммы иногда называют диаграм¬
мами водных масс; они отражают
особенности структуры водного
столба, возникающие, когда слои
различных водных масс располага¬
ются друг над другом.
Распределение плотности в водном столбе
На рис. 9.2 Т, S-кривая для станции NH-105 разбита на от¬
дельные участки (А—Е). Рассмотрим их по очереди.
A. Чему соответствует участок А — в общем понятно.
Здесь, в интервале глубин от поверхности до 30 м, чрезвы¬
чайно быстро меняется соленость — от менее чем ЗО%о до
32,5%о. Этот интервал отвечает шлейфу вод реки Колумбии,
которые медленно перемешиваются с поверхностными во¬
дами океана.
B. Участок В объяснить тоже просто. Он соответствует
слою, лежащему ниже шлейфа речной воды на глубинах от
30 до 75 м, где изменяется только температура, причем из¬
меняется существенно. Это проявление летнего прогрева —
процесса, в ходе которого не меняется содержание солей (за
исключением тонкого поверхностного слоя, где происходит
испарение). Могут ли солнечные лучи нагреть воду до глу¬
бины 75 м? Да, могут. В данном случае мы имеет свиде¬
тельство того, что свет проникает в глубину по меньшей
мере на 75 м. (Количественные характеристики проникнове¬
ния света в океан можно определить из рис. 14.1.)
C. Точка С не относится к июльскому водному столбу;
она соответствует набору всех январских данных для слоя
от поверхности до глубины 50 м и дает нам возможность
судить о сезонных изменениях, происходящих в верхнем
слое. Весь слой до глубины примерно 100 м можно тракто¬
вать как прибрежные воды с очень изменчивыми характе¬
ристиками, на которые оказывают влияние такие процессы,
как речной сток, летний прогрев и зимнее охлаждение.
D. Точка D не лежит на Т, S-кривой для станции
NH-105, но соответствующая ей плотность равна среднему
между значениями плотности на глубинах 100 и 500 м для
станции NH-105; в этом интервале график имеет заметный
изгиб. Еще более важно то, что эта плотность равна той,
130
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
(а) Поперечный разрез, показывающий поток Средиземноморской воды в Северную
Атлантику.
вторгаясь в Северо-Атлантическую центральную воду в диапазоне глубин 1000—1500 м.
(в)
(в) Т, S-кривые для двух станций, показанных на рис. (6). Т, S-кривая для станции 1,
расположенной неподалеку от источника Средиземноморской воды, имеет характерный
резкий изгиб; на станции 2, расположенной дальше от источника, Средиземноморская
вода уже в определенной мере перемешана с окружающими водными массами, поэтому
характерный изгиб на Т, S -кривой сглажен.
Рис. 9.3. Распространение Средиземноморской воды в Северной Атлантике.
ГЛАВА 9. ПЛОТНОСТЬ МОРСКОЙ ВОДЫ
131
которая соответствует вершине «горба» на данном искрив¬
ленном участке графика, т. е. 26,3 ед. аг
Обратимся к теореме смешения вод, о которой шла речь
в гл. 8. Возможно ли, чтобы некая масса воды с данной
плотностью, образовавшаяся где-то в другом месте, внедри¬
лась в водную толщу в районе станции NH-105 на со¬
ответствующем уровне плотности (глубине)? Если вода
«D-типа» образовалась достаточно далеко от района изме¬
рений, ее первоначальные характеристики — температура и
соленость (описываемые точкой D) — должны были бы из¬
мениться в результате перемешивания с выше- и нижележа¬
щей водой. Другими словами, если станция NH-105 нахо¬
дится достаточно близко к тому месту в океане, где форми¬
руется вода D-типа, соответствующая ей Т, S-кривая дол¬
жна проходить почти точно через точку D. И наоборот, ес¬
ли станция NH-105 расположена очень далеко от источника
воды D-типа, характеристики воды D-типа в результате пе¬
ремешивания окажутся настолько измененными в районе
станции, что ее невозможно будет обнаружить. В этом слу¬
чае Г, S-кривая для станции NH-105 не имела бы соответст¬
вующего горба; вместо него располагался бы отрезок пря¬
мой, показанный на рис. 9.2 пунктиром.
Е. Этот участок, соответствующий слою от 500 до
2500 м, имеет «правильную» форму. Судя по изменению
плотности, этот слой слабо стратифицирован. Во всем
2000-м диапазоне глубин температура и соленость меняются
медленно и монотонно. Весь слой можно рассматривать как
одну водную массу.
Понятие водной массы — новая теорема. Анализируя от¬
дельные участки Т, S-кривой для станции NH-105, мы на са¬
мом деле учились выделять различные типы воды в столбе
от поверхности до дна. Если, отталкиваясь от результатов
такого анализа для одной станции, мы попытаемся распро¬
странить полученные результаты на весь океан, то придем к
выводу, что океаны состоят из переслоенных масс воды,
располагающихся одна над другой. Именно так и обстоит
дело в действительности. Дальнейшее обобщение приводит
к формулированию новой теоремы об изменчивости океана.
На каждой гидрологической станции можно обнаружить
расслоение водной толщи, характерное только для данного
района океана; форма Т, S-кривой как раз и отражает такое
расслоение и может использоваться для выделения водных
масс того района океана, где была выполнена станция.
Использование Т, S-диаграммы для анализа перемещений
водных масс. Сформулированная выше теорема является
мощным аналитическим средством в руках океанологов.
Т, S-кривая для одной станции показывает, как располага¬
ются различные водные массы в данном месте. А не может
ли в таком случае серия Т, S-кривых, соответствующих ря¬
ду станций на большой акватории океана, например по всей
Северной Атлантике, дать указание на то, как различные
водные массы движутся через океанические бассейны, каж¬
дая вдоль своего уровня плотности?
Ответ на этот вопрос оказывается положительным.
Рис. 9.3 иллюстрирует, как масса воды, называемая Среди¬
земноморской промежуточной водой, образуется в Среди¬
земном море, вытекает через Гибралтарский пролив и дви¬
жется вниз вдоль шельфа и континентального склона Ат¬
лантического океана, пока не достигает глубины 1500 м.
Это уровень, на котором плотность Атлантической воды
равна плотности Средиземноморской воды. На данной глу¬
бине Средиземноморская вода начинает распространяться
веером в горизонтальном направлении, проникая в Север¬
ную Атлантику, как показано на рис. 9.3, б. На рис. 9.3, в
приведены Т, S-кривые для двух гидрологических станций к
западу от Гибралтарского пролива. Ясно, что по изгибам
кривых можно «проследить» за распространением Среди¬
земноморской воды от ее источника.
Картирование океанов на основе выделения водных масс.
«Водная масса» обозначает буквально массу воды. Вместе с
тем этот термин применяется к такой массе воды, в которой
температура и соленость примерно однородны (иногда гово¬
рят о Т, S-характеристиках водной массы). Существование
больших объемов морской воды с определенными Т, S-
характеристиками предполагает, что вся вода в пределах
этого объема сформировалась в одном месте и при одних
условиях. Вспомним, что характеристики морской воды мо¬
гут измениться, только когда она соприкасается с атмосфе¬
рой, поскольку на границе вода — воздух существуют пото¬
ки тепла и влаги.
Взятые в совокупности, эти соображения приводят к сле¬
дующим выводам: 1) водные массы отчетливо различаются
по своим Т, S-характеристикам, поскольку они образуются
в разных местах земного шара; 2) если водная масса покину¬
ла поверхность, ее характеристики сохраняются; 3) сама она
движется в океане вдоль данного уровня плотности; 4) ее
присутствие в водном столбе, где проведены измерения, об¬
наруживается по форме Т, S-кривой на данной станции. Эта
концепция картирования океанов по расположению водных
масс является основой для классификации вод Мирового
океана.
Сравнение водных масс в разных океанах
Различия между водными массами из разных океанов легче
всего увидеть, если нанести на одну и ту же Т, S-диаграмму
данные измерений отдельных гидрологических станций, ха¬
рактерных для определенных секторов океана. На рис. 9.4
сопоставляются пять Т, S-кривых для станций, выполнен¬
ных в Северной Атлантике, Южной Атлантике, на средних
широтах северной части Тихого океана, в высоких широтах
северной части Тихого океана и в субарктических водах.
Пунктирная линия относится к станции NH-105, выполнен¬
ной у побережья шт. Орегон.
Видно, что каждая из Т, S-кривых не похожа на другие.
Наиболее сильно они различаются в верхних 1000 м (эти
участки кривых выделены жирными линиями). Ближе всего
друг к другу в этом интервале глубин кривые для северной
части Тихого океана и Южной Атлантики, тогда как в Се¬
верной Атлантике соленость значительно выше. Этот факт
соответствует сделанному ранее выводу о том, что в Север¬
ной Атлантике велико испарение с поверхности и поэтому
вода более соленая. Наибольшую соленость из всех имеет
Средиземноморская вода — примерно 36,5%о на графике.
Вода в северной части Тихого океана гораздо менее соленая,
в том числе и в районе станции NH-105, о чем уже говори¬
лось выше.
В дополнение к Т, S-кривым для разных станций на
рис. 9.4 показаны пять различных типов водных масс, изо¬
браженных в пространстве Т — S. Как и точка D, о кото¬
рой шла речь при анализе данных станции NH-105, эти вод¬
ные массы имеют свои характерные значения Т и S. Среди¬
земноморская вода была описана выше. Глубинная вода в
Северной Атлантике уникальна по своим свойствам. Чита¬
тель мог бы заранее сказать кое-что об особенностях ее
формирования, обратившись к гл. 3, где рассматривался во¬
прос о том, сколько трития попадает в глубинные воды
132
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
Жирные участки кривых относятся к верхнему слою — от 100 до 1000 м глубины; тон¬
кие участки относятся к глубоким слоям. Кривая для станции NH-105, выполненной у
Орегонского побережья, взята с рис. 9.2 (приведен только тот ее участок, который от¬
вечает интервалу глубин 100—2500 м).
Отдельные эллипсы отмечают характерные значения температуры и солености ос¬
новных типов водных масс: Антарктической придонной, Антарктической циркумполяр¬
ной, Северо-Атлантической глубинной, Антарктической промежуточной и Средиземно¬
морской.
Структура Южно-Атлантической водной массы наиболее необычна. В верхних
1000 м доминирует центральная водная масса. Ниже отмечается присутствие Антаркти¬
ческой промежуточной воды, ядро которой проявляется в виде резкого изгиба кривой.
Еще глубже залегает Северо-Атлантическая глубинная вода. Затем кривая входит в об¬
ласть Антарктической циркумполярной воды и в конце концов — в область Антаркти¬
ческой придонной воды.
Рис. 9.4. Т, S -кривые, относящиеся к различным водным массам в разных океанах.
(рис. 3.8). Об Антарктической придонной водной массе го¬
ворилось в гл. 4, где разбирался вопрос о движениях глу¬
бинных вод через разломы в срединно-океанических хреб¬
тах. Как мы уже отмечали ранее, из всех водных масс она
имеет наибольшую плотность. Антарктическая промежу¬
точная вода — очень специфическая водная масса, образую¬
щаяся на границе Южной Атлантики и Южного океана. Мы
вернемся к ней в дальнейшем, а сейчас заметим только, что
она залегает на глубине около 1000 м.
Т, 5-кривая для Южной Атлантики изогнута сильнее
других, приведенных на этом рисунке. Это объясняется тем,
что водный столб в этом районе океана пересекает слой Ан¬
тарктической промежуточной воды на глубине около 1000 м
и Северо-Атлантической глубинной воды на глубине около
3000 м. Сильные изгибы Т, 5-кривой указывают на то, что
в обоих слоях вода избежала перемешивания, нивелирующе¬
го особенности водной массы.
Наконец, заметим, что с увеличением глубины все кри¬
вые сходятся в одной области, соответствующей одной
специфической водной массе. Это вода Антарктического цир¬
кумполярного течения — своеобразного динамического кана¬
ла, в котором происходит перемешивание вод всех океанов.
Классификация секторов Тихого океана
на основе выделения водных масс
Рис. 9.4 иллюстрирует водные массы в разных океанических
бассейнах. Однако мы проанализировали лишь немногие из
сотен станций, данные по которым хранятся в архивах. Ес¬
ли построить и сравнить между собой многие Т, 5-кривые,
то можно увидеть, что различные (очень большие) секторы
океана характеризуются кривыми почти одинаковой формы
и, следовательно, одинаковой переслоенностью водных
масс. Это открывает возможность картирования океана'.
мы объединяем районы океана со сходными Т, 5-кривыми и
присваиваем каждой такой области свое название.
Усилиями первых океанологов было сделано много. Они
показали, что океаны в самом деле можно картировать и
что число районов океана, классифицированных таким пу¬
тем, весьма мало\ На рис. 9.5 выделены восемь секторов,
которые целиком покрывают Тихий океан от Субарктики до
Антарктики. Одна из поразительных особенностей этой
карты — зеркальное расположение секторов в Северном и
Южном полушариях.
Океанологи присваивают названия и переходным зонам
ГЛАВА 9. ПЛОТНОСТЬ МОРСКОЙ ВОДЫ
133
Переходные зоны
Рис. 9.5. Классификация вод Тихого океана, осно¬
ванная на характеристиках водных масс [3]:
СарВ — Субарктическая вода,
ЦСЗТВ — Центральная вода северо-западной
части Тихого океана,
ЦСВТВ — Центральная вода северо-восточной
части Тихого океана,
ТЭВ — Тихоокеанская экваториальная во¬
да,
ЦЮЗТВ — Центральная вода юго-западной
части Тихого океана,
ЦЮВТВ — Центральная вода юго-восточной
части Тихого океана,
САнВ — Субантарктическая вода,
АЦПВ — Антарктическая циркумполярная
вода.
между секторами. Примерами могут служить Субарктичес¬
кая конвергенция, Субтропическая конвергенция и Поляр¬
ный фронт. (Последний часто называют Антарктической
конвергенцией; это место, где формируется Антарктическая
промежуточная вода.)
Звездочкой помечена знакомая нам станция NH-105. Она
попадает в водную массу, известную под названием Субарк¬
тической воды (САрВ), которая располагается вдоль всего
западного побережья США.
Плотностная структура
Атлантического океана
Атлантический океан меньше по размерам, чем Тихий, и на
его берегах расположены европейские научные центры, ор¬
ганизовывавшие океанологические экспедиции, поэтому для
него впервые была построена плотностная структура. Базу
данных составили результаты известной экспедиции в Ат¬
лантический океан на немецком исследовательском судне
«Метеор» (1925—1927 гг.). На основе этих данных Георг
Бюст дал в 1935 г. детальное описание Атлантического оке¬
ана. Гордон, выполнивший в 1978 г. перевод на английский
язык работы Бюста, писал:
«Свой основной вклад в океанологию Бюст внес в качестве на¬
учного руководителя Германской экспедиции в Атлантику. Это бы¬
ло время, когда государства отправляли суда в длительные экспе¬
диции, снабжая их новыми точными приборами и научными мето¬
дами. Цель была проста: выявить наиболее общие черты океани¬
ческой стратификации и циркуляции. Это время было особенно ув¬
лекательным для людей с пытливым умом, возможно в чем-то по¬
хожее на наши первые попытки завоевать космическое простран¬
ство».
В результате этой экспедиции впервые был получен по¬
перечный разрез целого океана в поле плотности. Я взял из
работ Бюста одну его схему не только потому, что она име¬
ет историческое значение, но и потому, что Атлантика — и
Северная, и Южная — представляет собой с точки зрения
стратификации весьма специфический океан. На рис. 9.6, за¬
имствованном непосредственно из работы Бюста, изобра¬
жены все водные массы и воспроизведена картина циркуля¬
ции в Атлантическом океане. Бюст выделяет в океане тро¬
посферу (верхний слой) и стратосферу (более глубокие
слои).
Тропосферные водные массы
И в Северном, и в Южном полушарии в тропосфере выделя¬
ется центральная линзообразная масса теплой соленой во¬
ды — центральная водная масса; она эквивалентна Тихооке¬
анской центральной воде (рис. 9.6). Толстая линза Цент¬
ральной воды в Северной Атлантике имеет свое название —
Саргассово море. Обратите также внимание на заштрихо¬
ванную область, обозначенную буквой М, ниже Саргассова
моря. Это — Средиземноморская вода.
Глубинные водные массы
В стратосфере Атлантического океана выделяют четыре ос¬
новные водные массы.
Северо-Атлантическая глубинная вода. Водная масса, об¬
разующаяся в зоне Полярного фронта Северной Атлантики,
опускается на глубину, заполняет практически весь северный
бассейн и медленно движется к Южному океану. Вблизи Ан¬
тарктиды Северо-Атлантическая глубинная вода поднимает¬
ся к поверхности; все ее путешествие от Арктики до Ан¬
тарктики занимает около 700 лет.
Антарктическая промежуточная вода. В окрестности По¬
лярного фронта вокруг Антарктиды, примерно около
134
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
I —| Распространение
I на западе
Распространение
на востоке
Zs — Антарктическая промежуточная вода, ZN — Арктическая
промежуточная вода, Tq — Северо-Атлантическая верхняя глубин¬
ная вода, Тт — Северо-Атлантическая средняя глубинная вода,
Ти — Северо-Атлантическая нижняя глубинная вода, В$ — Антарк¬
тическая придонная вода, BN — Арктическая придонная вода, М —
поток Средиземноморской воды, Р — Полярный фронт.
Рис. 9.6. Меридиональный разрез Атлантического океана. Показа¬
ны водные массы, распространяющиеся на север и на юг. Эта схе¬
ма, опубликованная Бюстом в 1935 г., основана на анализе данных,
полученных во время экспедиции на исследовательском судне «Ме¬
теор», когда были выполнены одни из первых наблюдений такого
рода в Атлантическом океане. Разрез тянется от Исландии до Ан¬
тарктиды.
50° ю.ш. (см. также рис. 9.5), встречаются и смешиваются
две водные массы, прибывающие с разных направлений. На
север непосредственно от континента в тонком поверхност¬
ном слое движется холодная вода (с температурой около
0 °C), сильно распресненная вследствие таяния морского
льда. На юг к Полярному фронту движется Южно-Атланти¬
ческая центральная вода, довольно теплая и соленая. Когда
эти две водные массы смешиваются, образующаяся водная
масса опускается и начинает распространяться в северном
направлении под Центральной водой в виде Антарктической
промежуточной воды, названной так потому, что она зани¬
мает среднее положение между тропосферой и более глубо¬
кими слоями. Эта вода пересекает экватор и попадает в се¬
верную половину океана, еще не потеряв свои индивидуаль¬
ные черты (на рис. 9.6 она обозначена как Z5).
Антарктическая придонная вода. Эта самая холодная и
плотная вода в Мировом океане (Bs) формируется вблизи
Антарктиды зимой в период образования льдов. Ее продви¬
жение на север прослеживалось в гл. 4 в связи с рельефом
океанического дна.
Антарктическая циркумполярная вода. На схеме Бюста
область, занимаемая Антарктической циркумполярной во¬
дой, заштрихована; ее название связано с тем, что она дви¬
жется вокруг Антарктиды в виде мощного Циркумполярно¬
го течения. В пределах этой области встречаются водные
массы всех океанов, и благодаря ей все океаны оказываются
связанными между собой (на рис. 9.6 она обозначена
АЦПВ).
Кислородный минимум — дополнительные свидетельст¬
ва расслоения водных масс. Вюст использовал слои мини¬
мального содержания О2 в качестве свидетельства расслое¬
ния водных масс. Так, верхний минимум, выделенный на
рис. 9.6, располагается между движущейся на север Антарк¬
тической промежуточной водой и распространяющейся на
юг Северо-Атлантической глубинной водой. Кислородный
минимум, лежащий глубже, отделяет Северо-Атлантичес¬
кую глубинную воду от Антарктической придонной воды.
Объяснение этих минимумов не отличается от того, кото¬
рое было дано при анализе профилей станции NH-105. Если
две водные массы движутся в противоположных направле¬
ниях одна над другой, между ними должен располагаться
тонкий слой воды, который не движется вообще и поэтому
постепенно обедняется кислородом.
Распределение плотности
и биологические процессы:
от планктона до китов
В этом разделе мы поговорим о том, как удается некото¬
рым видам морских организмов «справляться» с окружаю¬
щей их жидкой средой в условиях, когда небольшое разли¬
чие в плотности между организмом и морской водой непо¬
средственно влияет на его образ жизни и поведение. Начнем
с утверждения: средняя плотность живого вещества, вклю¬
чая внутренний или внешний скелет, больше, чем средняя
плотность морской воды, так что морские организмы дол¬
жны тонуть. Поэтому все обитатели моря используют
определенные приемы и «приспособления» для того, чтобы
ГЛАВА 9. ПЛОТНОСТЬ МОРСКОЙ ВОДЫ
135
парить, т. е. оставаться в течение продолжительного време¬
ни на нужной глубине. Различные виды должны уметь на¬
ходиться в определенном диапазоне глубин, чтобы добы¬
вать пищу и обеспечивать нормальную работу ферментов,
которые чувствительны к изменениям давления.
Регулирование плавучести у кашалота
По причинам, которые не вполне ясны, основной пищей ка¬
шалотов служат гигантские кальмары, обитающие на глу¬
бинах от 300 до 2000 м. Как млекопитающее, которое ды¬
шит воздухом, кашалот в состоянии покоя обязательно дол¬
жен находиться на поверхности. Плавучесть, необходимая
для того, чтобы компенсировать вес его скелета, и защита
от больших потерь внутреннего тепла обеспечиваются сло¬
ем так называемого китового жира. Он легче воды и у всех
китов служит для теплоизоляции. Однако у кашалота в про¬
цессе эволюции появилось дополнительное приспособление
для повышения плавучести — огромная жировая подушка в
голове, заполненная особого рода жировоском — спермаце¬
том (рис. 9.7). Почему это китообразное использует два
различных механизма увеличения плавучести, если осталь¬
ные имеют только один? А может быть, основное назначе¬
ние спермацетового органа — вовсе не увеличение плавуче¬
сти? Китобои давно знают, что спермацет — это довольно
«своеобразный» жир. Данные последних исследований по¬
зволяют предположить, что спермацетовый орган дает жи¬
вотному отрицательную плавучесть, а не положительную,
и что не имея его, кашалот не мог бы нырять на глубину до
2 км за своей излюбленной пищей.
Чтобы понять, как работает этот механизм, рассмотрим
вначале свойства самого спермацета. Как и большинство
жидкостей, его можно заморозить, но превращается он при
этом не в твердый «лед», а в гель (желеобразную массу на¬
подобие желатина). Важно отметить, что при желатиниро¬
вании объем, занимаемый спермацетом, сокращается. Бо¬
лее того, фазовый переход жидкость — гель происходит
при температуре и давлении, которые характерны для глу¬
бины около 100 м в океане.
Следствия этого обстоятельства любопытны. Допустим,
во-первых, что животное умеет каким-то образом понижать
температуру находящегося в его организме спермацета. Тог¬
да объем его тела при погружении на большую глубину
должен уменьшаться и уменьшаться существенно, если
учесть огромные размеры его головы. Это означает, что
средняя плотность тела должна возрастать так же, как воз¬
растает с глубиной плотность морской воды. Отсюда следу¬
ет, что при погружении животное может поддерживать ней¬
тральную плавучесть и даже приобретать отрицательную
плавучесть и таким образом экономить энергию, которую в
противном случае оно должно было бы затрачивать на то,
чтобы погружаться, активно работая хвостом (вспомним,
что в неподвижном состоянии кашалот будет плавать на по¬
верхности). Преимущество очевидно: чем меньше энергии
требуется, чтобы добраться до мест, где обитает добыча,
тем больше энергии останется на то, чтобы преследовать ее.
Следующий вопрос состоит в следующем: нуждается ли
кашалот в дополнительных средствах для того, чтобы ныр¬
нуть на глубину? Рис. 9.8 показывает, что в экваториальной
зоне плотность воды на глубине 1500 м на 0,5% больше,
чем на поверхности. На кита весом 50 т, , начавшего погру¬
жение с нейтральной плавучестью, на глубине 1500 м дейст¬
вовала бы выталкивающая сила в 250 кг. Образно говоря, в
этом случае кашалот должен был бы работать в форсиро¬
ванном режиме.
Регулирование плавучести во время погружения. Ясно,
что в начале погружения основная часть спермацета нахо¬
дится в жидком состоянии. В процессе погружения кашалот
открывает дыхательное отверстие, пропуская холодную
морскую воду через широкий прямой носовой канал, прохо¬
дящий через жировую подушку (рис. 9.7). В результате теп¬
ло быстро передается от спермацета воде, которая затем
«извергается» из тела. В конечном итоге от спермацета от¬
нимается столько тепла, что он желатинируется; соответст¬
венно средняя плотность тела кашалота возрастает и урав¬
нивается с плотностью окружающей воды. В каком-то
смысле животное «проглатывает» свой путь вниз! Однако
из-за того, что продолжительность ныряния ограничена
возможностями организма, помимо регулирования плавуче¬
сти кашалот, вероятно, использует активное заглубление с
помощью хвоста.
Необычный ракурс самца кашалота
[5]. Обратите внимание на неболь¬
шую нижнюю челюсть, зубы кото¬
рой входят в углубления на верхней
челюсти; огромный «нос», содержа¬
щий спермацетовый орган и занима¬
ющий треть длины тела; небольшие
плавники и половой орган, находя¬
щийся ближе к хвосту.
136
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
Нижняя челюсть
Голова кашалота составляет примерно одну треть общей
длины тела. В организме этого животного, весящего 30 т,
может содержаться до 2,5 т спермацета (жировоска), на¬
ходящегося в спермацетовом органе в верхней челюсти
животного. Когда животное плавает на поверхности и
температура его тела равна 33° С, спермацет представля¬
ет собой прозрачную жидкость. Но извлеченный из тела
кашалота спермацет при температуре воздуха 18° С за¬
стывает, превращаясь в мягкую податливую желеобраз¬
ную массу.
Продольный разрез головы иллюстрирует основные
детали спермацетового органа, а также правый и левый
носовые каналы, по которым, когда кашалот находится
на поверхности, воздух поступает в легкие. Когда живот¬
ное находится под водой, по этим носовым каналам
может протекать вода, омывающая спермацетовый ор¬
ган.
Тепло, запасенное в спермацете, может уходить не¬
посредственно через мышечную ткань и подкожный жи¬
ровой слой в холодную окружающую воду. Чтобы охла¬
дить спермацет, кашалот располагает и другой возмож¬
ностью — он открывает доступ холодной воде в дыха¬
тельное отверстие, пропускает ее через воздушный ме¬
шок и через широкий, но плоский правый носовой канал,
проходящий через весь спермацетовый орган. Тепло пе¬
редается от спермацета воде, в результате чего сперма¬
цет затвердевает. Мышцы вокруг спермацетового органа
обеспечивают всасывание и выброс воды.
Рис. 9.7. Кашалот Plyseter catedon [2].
ГЛАВА 9. ПЛОТНОСТЬ МОРСКОЙ ВОДЫ
137
Регулирование плавучести при всплывании. Затраты
энергии, необходимые для возвращения на поверхность, ка¬
шалот может уменьшить, если каким-то образом обратит в
жидкое состояние желатинированный спермацет. Для этого
требуется некоторое количество тепла, которое на больших
глубинах трудно получить. Если же температура окружаю¬
щей воды на глубине меньше, чем температура желатиниро¬
ванного спермацета, передача последнему избыточного теп¬
ла вообще невозможна.
Кашалот, однако, имеет внутренний источник тепла, ко¬
торое запасается в мышечных тканях. Поскольку кашалот
обладает прекрасной «термоизоляцией» благодаря слою
подкожного жира, он практически не отдает избыточное
тепло окружающей морской воде путем теплопроводности.
Животное прокачивает через мышечные ткани кровь, «заби¬
рающую» это избыточное тепло; затем нагретая кровь по¬
дается в кровеносную систему спермацетового органа, где
под действием тепла спермацет разжижается. Благодаря
этому кашалот также экономит время. В обычных условиях
из-за хороших изолирующих свойств подкожной жировой
прослойки кашалот может обмениваться теплом только с
вдыхаемым им воздухом, а этот процесс идет весьма мед¬
ленно из-за низкой удельной теплоемкости воздуха. По¬
скольку кашалот использует тепло тела для расплавления
спермацета, к моменту, когда он всплывает на поверхность,
температура его мышечных тканей понижается, вследствие
чего плотность его тела оказывается соответствующей ней¬
тральной плавучести (на поверхности)! Для следующего по¬
гружения ему остается лишь запастись кислородом и осво¬
бодиться от газообразных продуктов метаболизма, таких
как СО2, — задача, с которой прекрасно справляются легкие.
Наблюдения показывают, что в обычных условиях каша¬
лот погружается со скоростью около 2 м/с (это соответст¬
вует быстрой ходьбе человека). Таким образом, погружение
на глубину 1000 м занимает около 8 мин. Возвращение на
поверхность происходит быстрее — со скоростью 2,5 м/с.
Итого на путь туда и обратно у кашалота уходит около
15 мин; еще 35 мин остается для поиска и преследования до¬
бычи. Вынырнув на поверхность, кашалот обычно отдыха¬
ет примерно 10 мин, делая от 40 до 50 вдохов, чтобы насы¬
тить мышечные ткани кислородом. После этого он снова
готов к погружению.
Механизмы, обеспечивающие плавучесть планктона
Не менее замечательны способы, которыми пользуются
микроскопические морские организмы, для того чтобы
оставаться в освещенном солнцем поверхностном слое оке¬
ана. Мельчайшие морские растения и животные обознача¬
ются одним собирательным термином — планктон. Но для
дальнейшей детализации используют производные этого
термина. Фитопланктон — это растительные организмы,
тогда как термин зоопланктон относится к организмам
большего размера, как правило животным. Если крупные
взрослые особи откладывают икру и проходят в своем раз¬
витии стадию личинки, то их личинки объединяют под на¬
званием меропланктона*, иначе говоря, к планктонному со¬
обществу эти организмы принадлежат лишь на определен¬
ном этапе жизненного цикла — в «молодом возрасте».
Многие организмы остаются маленькими даже во взрослом
состоянии; на всех стадиях своего развития они не выходят
за пределы мира планктона и называются голопланктоном.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
СРАВНЕНИЕ УСЛОВИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ,
С КОТОРЫМИ ВСТРЕЧАЕТСЯ КАШАЛОТ
НА СВОЕМ ПУТИ
В своих годовых миграциях по поверхности океана кашалот перехо¬
дит из экваториальных вод в субполярные. Соответствующий пере¬
пад температуры на поверхности достигает 20 °C. Значения плот¬
ности поверхностных вод на экваторе на 0,4% меньше, чем поляр¬
ных вод (при одной и той же солености).
Каким образом животное регулирует свою плавучесть, чтобы
оставаться в состоянии нейтральной плавучести на протяжении все¬
го пути следования? Один способ — изменять объем воздуха в лег¬
ких. Другой — изменять температуру спермацета, находящегося в
голове животного. Плотность спермацета растет при уменьшении
температуры, и это позволяет кашалоту компенсировать увеличе¬
ние плотности воды при продвижении на север. Поскольку ско¬
рость перемещения животного не очень велика, температура окру¬
жающей его воды меняется медленно. Таким образом, животное
располагает достаточным временем для того, чтобы спермацет
принял температуру, соответствующую окружающим условиям.
С такими же изменениями температуры кашалот сталкивается
в экваториальных водах, когда он ныряет на глубину 1500 м и бо¬
лее. (Кашалоты питаются в экваториальной зоне Тихого океана.
Благодаря апвеллингу здесь высока первичная продукция и в боль¬
шом количестве представлены различные звенья пищевой цепи,
включая те виды, которые служат излюбленной пищей кашалотов.)
В полярных водах на глубине 1500 м изменение плотности со¬
ставляет около 0,2%: если на поверхности животное обладает
нейтральной плавучестью, то на глубине оно будет иметь положи¬
тельную плавучесть величиной 0,2% от веса тела. В экваториаль¬
ной зоне водная толща стратифицирована по плотности сильнее и
перепад плотности между поверхностью и глубиной, на которую
ныряет кашалот, составляет 0,5%. Отсюда следует, что какой-либо
один механизм регулирования плавучести не может обеспечить оп¬
тимальные условия существования кашалота и в том и в другом
регионе: животное должно использовать несколько механизмов ре¬
гулирования плавучести.
Рис. 9.8.
138
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
Для организмов, размеры которых меньше 0,1 мм
(100 мкм), вода в океане представляет собой по-настоящему
вязкую среду. «Плавание» в том виде, как мы его понима¬
ем, им недоступно. Очень мелкие организмы, включая боль¬
шинство морских растений, целиком зависят от вертикаль¬
ных движений воды. Ключевым фактором, от которого за¬
висит их существование, является то обстоятельство, что
водная толща устойчиво стратифицирована по плотности, и
поэтому в ней невозможны резкие вертикальные движения.
Фитопланктон. Морской фитопланктон размножается не
половым путем, а делением, стадии икринки он не прохо¬
дит. В богатом питательными веществами и хорошо осве¬
щенном солнцем поверхностном слое время воспроизвод¬
ства, например, диатомеи может составлять всего 24 ч.
«Стратегия» существования таких организмов состоит в
том, чтобы оставаться в эвфотической зоне достаточное
время для воспроизводства. Но и для микроскопических рас¬
тений задача эта не проста, поскольку их средняя плотность
равна около 1,04 г/см3, а плотность морской воды
1,026 г/см3. Нравится им это или нет, но они должны то¬
нуть. Чтобы противодействовать неизбежному погруже¬
нию, они используют то обстоятельство, что в малых мас¬
штабах вода является вязкой средой.
Зоопланктон и пелагические личинки. Большинство морских
животных проходит в своем развитии стадию икринки.
Первое требование состоит в том, чтобы вылупившиеся ли¬
чинки имели возможность получать пищу нужного разме¬
ра — обычно очень малого. Это означает, что родитель
должен снабдить икринки достаточным количеством жира,
чтобы они могли плавать. Другое требование относится к
самой икринке: она должна быть устроена так, чтобы ей не
вредили эффекты осмотического давления, приводящие к
уходу внутренней жидкости в морскую воду или, наоборот,
к проникновению в икринку нежелательных ионов.
Вылупившись из икринок, личинки должны сами удержи¬
ваться в эвфотической зоне. Многие из них способны пла¬
вать. Но даже при этих условиях преимущество имеют те, у
кого вырастают отростки, шипы или другие приспособле¬
ния, противодействующие погружению за счет увеличения
вязкого сопротивления.
Плавучесть растений и животных
В целом живой организм не полагается на какой-либо один
механизм, обеспечивающий его плавучесть. Перечислим раз¬
личные способы, используемые растениями и личинками
для того, чтобы не тонуть. Некоторые из этих способов ил¬
люстрирует рис. 9.9.
1. Изменения состава тканевой жидкости. Одна из воз¬
можностей изменения плотности — это замена тяжелых
ионов легкими, если это позволяет физиологическая функ¬
ция данного иона. Например, у многих студенистых планк¬
тонных животных, таких как медузы, ионы кальция Са2+
или магния Mg2+ замещены ионами натрия Na+ или калия
К + , благодаря чему уменьшается удельный вес тела. Воз¬
можна замена тяжелого сульфат-иона SO2- на легкий хло-
рид-ион С1“. По сути фокус с заменой состоит в том, что¬
бы избавиться от двухвалентных ионов. В телах организ¬
мов накапливается иногда и одновалентный ион аммония
(NH^ — возможно, потому, что он доступен как побочный
продукт катаболизма (разложения органических тканей).
2. Уменьшение количества материала, идущего на стро¬
ительство раковин. Многие микроскопические организмы
имеют внешние скелеты. Например, представители отряда
фораминифер строят раковины из карбоната кальция; дру¬
гие простейшие, такие как радиолярии, используют для это¬
го кремнезем SiO2; последнее относится и к диатомовым
водорослям. Изучение радиолярий пелагиали показало, что
по сравнению с фораминиферами у них тоньше раковины
или больше отверстия в раковинах, или то и другое. У го¬
ловоногих (к которым относятся, например, кальмары),
внутренний скелет построен из хрящевого материала: пред¬
ставители рода Loligo населяют пелагиаль, и скелет у них
тоньше, чем у представителей рода Sepia, относящихся к
бентосным животным. (У кальмаров в тканях накапливаются
также в относительно больших количествах ионы аммония).
3. Изменение формы тела. Излюбленный фокус эволю¬
ции — изменять форму организма; это осуществляется не¬
сколькими способами. Посмотрим вначале на диатомовые
(рис. 9.9).
У некоторых диатомей обнаруживается не радиальная, а
двусторонняя симметрия: они напоминают удлиненные
перья. Хорошим примером служит род Nitschia. Легко по¬
нять, как будет вести себя в жидкости тело такой формы
под действием силы тяжести — всем знакомо кружение лис¬
та, медленно падающего на землю.
Другие диатомеи, такие как Rhizosolenia styliformis, обла¬
дают радиальной симметрией, исключая кончик несиммет¬
ричной формы. Он играет такую же роль в замедлении па¬
дения, как и перьевидная форма растений иных видов.
У иных диатомовых развиваются отростки в виде длин¬
ных тонких колючек; к ним относятся, например, Chaeto-
ceros decipiens (см. также рис. 15.3). Эти растения часто со¬
единяются друг с другом в цепочки. Благодаря колючкам
увеличивается вязкое сопротивление при погружении орга¬
низма и, следовательно, скорость погружения уменьшается.
Вязкость имеет к рассматриваемым здесь вопросам са¬
мое непосредственное отношение. В полярных районах оке¬
ана, например, где температура очень низкая, вязкость во¬
ды больше, чем в тропиках. Из этого следует, что в низких
широтах растения и животные должны быть, так сказать,
более колючими. Хорошим примером могут служить дино¬
флагелляты вида Ceratium macroceros*. те из них, что живут
в тропических водах, имеют более длинные колючки, чем их
собратья из полярных районов.
Тропические виды по сравнению с полярными имеют и
более развитое «оперение». Эта особенность — перьевид-
ные отростки — есть следствие приспособления к малой
вязкости теплой воды и служат для увеличения вязкого со¬
противления. Так, тепловодная копепода Calocalanus имеет
перьевидные отростки, а у Acartia clausi, живущей в более
холодных прибрежных водах, их нет.
Другой возможностью изменять форму тела, не наращи¬
вая новых клеток, является «включение» морской воды в
ткани тела. Мезоглея — это такая ткань, которая легко на¬
капливает воду. Тела некоторых пелагических кишечнопо¬
лостных, таких как медузы, состоят в основном из мезо¬
глеи. Благодаря увеличению размеров, не сопровождаемому
увеличением веса, повышается вязкое сопротивление при
движении в воде. Эта особенность распространена среди
беспозвоночных, для которых не представляют проблемы
эффекты осмотического давления, так как они могут регули¬
ровать состав тканевой жидкости, приближаясь к состоя¬
нию изотонического равновесия.
4. Использование жира. Жиры и липиды, входящие в со¬
став тканей или структур, — часто встречающееся средство
увеличения плавучести. У радиолярий можно обнаружить
капельки жира, прикрепленные к колючим отросткам, у ко-
ГЛАВА 10. СИЛЫ, ПРИВОДЯЩИЕ В ДВИЖЕНИЕ ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРУ
139
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
ОСОБЕННОСТИ ФОРМЫ ПЛАНКТОНА, КОТОРЫЕ
ПОМОГАЮТ ЕМУ ИЗБЕЖАТЬ БЫСТРОГО ПОГРУЖЕНИЯ
(а) Небольшие представители фитопланктона и зоопланктона часто
имеют такую форму тела, которая помогает им уменьшить ско¬
рость погружения за счет увеличения отношения площади попереч¬
ного сечения (от которой зависит вязкое сопротивление) к весу. На¬
пример, это отношение велико, если сам организм очень мал. У ор¬
ганизмов простой сферической формы площадь поперечного сече¬
ния растет как квадрат радиуса, тогда как объем, а значит, и вес
организма растут пропорционально кубу радиуса. Это отношение
увеличивается, если организм имеет форму, отличную от сферичес¬
кой. Многие представители фитопланктона — тонкие и плоские,
другие — тонкие и длинные. И та и другая форма позволяют за¬
медлить скорость погружения; организмы ведут себя при погруже¬
нии примерно так же, как падающий с дерева лист.
(б) Скорость погружения уменьшается с увеличением отношения
площади поверхности организма к занимаемому им объему. Этому
способствуют длинные тонкие отростки. Они наблюдаются у мно¬
гих диатомовых, таких как Chaetoceros spp.
(в) Перед динофлагеллятами вида Ceratium macroceros, живущими
в высоких широтах, где холодная вода имеет большую плотность и
вязкость, проблема парения стоит не так остро, как перед их со¬
братьями, обитающими в низких широтах, где вода теплее и по¬
этому имеет меньшую плотность и вязкость. Соответственно у ди¬
нофлагеллят из высоких широт отростки короче.
(г) Оперение. Перьевидные отростки дают еще больший эффект в
смысле увеличения отношения площади поверхности организма к
его объему. Кроме того, отдельные волоски оперения расположены
так тесно, что вода, которая в этих масштабах является очень вяз¬
кой жидкостью, не может течь между ними. Таким образом, опере¬
ние создает такое же вязкое сопротивление, как и сплошная пласти¬
на, но весит намного меньше. У копепод, обитающих в тропиках
или в средних широтах, например у вида Calocalanus pavo, перье¬
видные структуры могут быть весьма обширными и сложными.
пепод можно найти жировые капли в тканях тела. У позво¬
ночных, например кашалота, о котором речь шла выше, в
теле также могут быть запасены большие количества жира.
У гигантской акулы запасы жира столь велики, что она
может свободно держаться на поверхности. У трески жир
откладывается в печени.
5. Использование газа. Низкая плотность газа делает его
эффективным «материалом» для повышения плавучести.
Рыбы располагают плавательным пузырем, в который газ
выделяется из сети кровеносных сосудов. Процесс заполне¬
ния пузыря газом или удаления газа идет очень медленно,
поэтому рыба должна избегать резкого погружения или
всплытия. (Бывает, что рыба просто «взмывает» вверх: ес¬
ли по какой-то причине она оказывается на меньшей глуби¬
не, газ в ее плавательном пузыре расширяется в согласии с
газовыми законами; при этом, если рыба не может с по¬
мощью плавников и хвоста преодолеть приобретенную по¬
ложительную плавучесть или удалить из пузыря избыточ¬
140
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
ный газ, она теряет «управление» и ее выталкивает вверх со
все возрастающей скоростью. Иногда это приводит к гибе¬
ли рыбы: она буквально взрывается изнутри.)
У каракатицы (родственницы кальмара) газ накапливает¬
ся в порах жестких раковин. У некоторых моллюсков, таких
как наутилус, одна или несколько камер, на которые разде¬
лена их спиральная раковина, наглухо закрыты и находя¬
щийся внутри камер газ обеспечивает необходимую плаву¬
честь.
6. Плавание. Если все остальное не помогает, ради того,
чтобы выжить, приходится двигаться! Используемые для
этого способы отличаются большим разнообразием. Копе¬
пода, в силу своих небольших размеров (2 мм) испытываю¬
щая трудности с передвижением в вязкой среде, полагается
на «хватательные» функции двух длинных антеннообразных
отростков. Те виды, что принимают участие в суточных ми¬
грациях, объясняющих существование глубинного звукорас¬
сеивающего слоя (рис. 2.2), могут дважды в день преодоле¬
вать расстояние 100 м по вертикали.
Представители отряда динофлагеллят полагаются на два
жгутика; «размахивая» ими, как плетьми, эти организмы
медленно двигаются в воде. Один жгутик отходит от ниж¬
ней части тела, и с его помощью динофлагелляты противо¬
действуют погружению. Другой жгутик помещается в попе¬
речном желобке, окружающем тело (см. рис. 15.4); полага¬
ют, что организмы пользуются им в процессе питания. Ди¬
нофлагелляты занимают промежуточное положение между
растениями и животными: некоторые виды относятся к
плотоядным, но все они содержат хлоропласт, предназна¬
ченный для фотосинтеза.
У медузы по нижней кромке колоколообразного тела
проходит нитевидное кольцо, способное сокращаться. С по¬
мощью резких сокращений этого кольца животное выбрасы¬
вает воду наружу и может двигаться в вертикальном на¬
правлении. Органы равновесия, находящиеся вокруг кромки
колокола, сообщают животному, где верх.
Заключение
Плотность морской воды — фундаментальная физическая
характеристика. Она зависит от температуры Т и солености
S, причем эта зависимость далеко не линейная. Строя коор¬
динатную сетку с переменными Г и S и проводя на ней ли¬
нии постоянной плотности, океанологи получают полезный
метод анализа — Г, S-диаграмму. Если данные некоторой
гидрологической станции нанести на такую диаграмму, по¬
лученная кривая будет иметь определенную форму, харак¬
терную для водной толщи в данном районе океана. Проана¬
лизировав сотни тысяч наборов данных, океанологи смогли
разбить Мировой океан на некоторое число секторов, каж¬
дый из которых характеризуется Т, S-кривой определенной
формы. Например, Тихий океан делится на восемь таких
секторов. Переходные зоны между этими секторами служат
важными физическими границами, разделяющими течения
или отмечающими места конвергенции поверхностных вод.
Они оказываются и важными биологическими границами,
разделяющими сообщества морских организмов.
Жизнь в море тесно связана с плотностью морской во¬
ды. Особенно это относится к микроорганизмам; многие из
них приспособились к распределению плотности и могут па¬
рить, не погружаясь, благодаря тому что имеют тонкие ра¬
ковины и отростки или особую форму тела, накапливают в
организме жир либо используют другие способы. Но про¬
блема регулирования плавучести не относится исключитель¬
но к миру мельчайших организмов. У одного из крупнейших
животных на земном шаре — кашалота развился уникаль¬
ный механизм управления плавучестью и во время погруже¬
ния, и во время всплывания, благодаря которому он может
нырять на большую глубину и подниматься на поверхность,
затрачивая минимальное количество мускульной энергии.
Контрольные вопросы
1. Коротко сформулируйте, по каким признакам планк¬
тон разделяют на а) фитопланктон, б) зоопланктон, в) го¬
лопланктон и г) меропланктон.
2. Перечислите четыре основных способа регулирования
плавучести, которыми пользуются планктонные организмы
для того, чтобы парить на нужной глубине.
3. Опишите, благодаря каким двум способам планктон¬
ные организмы, имеющие раковины, избегают быстрого
погружения.
4. У акулы нет плавательного пузыря, дающего положи¬
тельную плавучесть, как у других рыб. Поэтому, чтобы не
утонуть, она должна постоянно находиться в движении. Ее
передние плавники действуют как подводные крылья, а
хвост несимметричен. Повышение плавучести обеспечивает¬
ся и другой ее особенностью, из-за которой свежее мясо
акулы пахнет аммиаком. Что это за особенность?
5. У кашалота имеется уникальная система регулирова¬
ния плавучести. Опишите ее.
6. Китообразные, мигрирующие из полярных вод в тро¬
пические и обратно, например серый кит или кашалот, про¬
ходят через воды с различной плотностью. Кашалот может
легко приноровиться к этому, изменяя температуру сперма¬
цета. Как регулируют плавучесть другие китообразные?
7. Ключевым моментом в гл. 9 является вывод о том,
что в разных регионах океана располагаются различные
водные массы. Не могли бы вы в нескольких словах, на¬
глядно и точно выразить, что подразумевается под терми¬
ном «водная масса».
8. Чем объясняется изгиб Т, S-кривой в окрестности точ¬
ки D на рис. 9.2?
9. По тому, как сближаются Т, S -кривые, соответствую¬
щие различным водным массам, на рис. 9.4, мы можем за¬
ключить, что та область, где они сходятся, определяет ха¬
рактеристики Антарктической придонной воды. Согласны
ли вы с этим утверждением или вы склонны считать, что
эта «общая область» соответствует Антарктической цир¬
кумполярной воде (АЦПВ)?
10. Я иногда употребляю обозначение АЦПВ для обо¬
значения воды, участвующей в «Большом связующем тече¬
нии». Какие основания описывать АЦПВ таким образом?
11. Г, S -кривая, соответствующая Северо-Атлантической
центральной воде, проходит через область, соответствую¬
щую Северо-Атлантической глубинной воде. Почему, одна¬
ко, Т, S-кривая Южно-Атлантической центральной воды
также приближается к этой области (рис. 9.4)?
12. Какие явно различные водные массы можно выде¬
лить вблизи Антарктиды? Как называется хорошо выра¬
женная структура, отделяющая Южный океан, окружающий
Антарктиду, от остальных океанов? Предположим, вы пе¬
ресекаете эту структуру на корабле. Какие характеристики
воды следует измерять, чтобы на основании полученных
данных можно было заметить, когда вы окажетесь в Юж¬
ном океане?
13. Сколько различных водных масс (рис. 9.5) упомина¬
ется в классификации Тихого океана (Южный океан в расчет
ГЛАВА 10. СИЛЫ, ПРИВОДЯЩИЕ В ДВИЖЕНИЕ ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРУ
141
не принимать)? Объясните в нескольких словах, в чем состо¬
ит симметрия водных масс северной и южной частей Тихого
океана.
14. Объясните, как, основываясь на существовании слоя
минимального содержания кислорода, можно сделать вы¬
вод о существовании «границы» между расположенными
друг над другом водными массами.
15. Почему Средиземноморская вода погружается на глу¬
бину 1500 м в Атлантическом океане, прежде чем начать
распространяться в нем дальше? (Посмотрите на пунктир¬
ную линию на рис. 9.4.)
ГЛАВА 10
СИЛЫ, ПРИВОДЯЩИЕ В ДВИЖЕНИЕ
ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРУ
И океаны, и атмосфера — текучие среды, в которых движение воз¬
никает под действием сил нескольких типов; одна из них — зага¬
дочная сила Кориолиса.
Вначале мы опишем силы, влияющие на движение воздуха и
воды. Рассуждения носят достаточно общий характер, так
что читателю не грозит утонуть в деталях, прежде чем он
овладеет основными приемами анализа метеорологических
и океанологических явлений. Сами «силы» объяснить про¬
сто. В результате мы убеждаемся, что вода в океанах течет
не вниз по склонам «возвышенности», а огибает ее.
Типы сил
Поверхностные силы
С силой, действующей на поверхности, мы знакомы из жи¬
тейского опыта; она носит название силы трения или каса¬
тельного напряжения. Коротко говоря, поверхностная сила
есть воздействие одного тела, скользящего по другому. Ес¬
ли оба тела твердые (скажем, хоккейная шайба и лед), то,
как подсказывает нам наш сухопутный опыт, их взаимо¬
действие характеризуется коэффициентом трения между
этими телами. Но когда одно или оба «тела» суть жидко¬
сти, трение оказывается более сложным. Мы видим, что
жидкость изменяет форму подчас до неузнаваемости. При¬
мером может служить размешивание сливок в чашке кофе
при помощи ложки. В таких случаях более уместно говорить
о напряжении, выражающемся через скорость деформации
отдельных частиц (элементарных объемов) жидкости.
Таким образом, две жидкие субстанции могут воздейст¬
вовать друг на друга; когда воздух движется над водой, то
одна среда тормозит другую. Мы хорошо знаем, что ветры
приводят в движение воду на поверхности океанов, и этот
процесс должен обеспечиваться передачей количества движе¬
ния от ветра воде. Это и есть касательное напряжение ветра
(или просто — касательное напряжение), действующее на
поверхность моря. Точно так же некая масса воды, движу¬
щаяся рядом с другой массой, поверх нее либо снизу (в слу¬
чае вертикального расслоения), оказывает на эту вторую
массу воздействие в виде сдвигового напряжения.
В этой главе основное внимание уделяется поверхност¬
ной силе, с которой ветер действует на воду. Именно это
касательное напряжение порождает волны, которые мы ча¬
сто наблюдаем на море и ощущаем, находясь на борту суд¬
на. Оно же приводит к движению воды в верхнем слое океа-
Буй ТОТЕМ, принадлежащий Орегонскому университету и использу¬
емый для изучения процессов взаимодействия океана и атмосферы.
на, создавая так называемую поверхностную циркуляцию.
И наконец, оно приводит к перемешиванию воды от поверх¬
ности до некоторой глубины, играющему важную роль в
жизни растений, осуществляющих фотосинтез.
Объемные силы
Жидкость может также реагировать на силы, которые дей¬
ствуют внутри ее объема. Классическим примером является
сила тяжести, действующая одинаково на каждую частицу
воды независимо от того, где эта частица располагается —
на поверхности или в глубине. Существуют и другие виды
объемных сил, воздействующих на жидкости. В океанах та¬
ких дополнительных сил две — сила давления и сила Корио¬
лиса.
Сила тяжести. Что такое сила тяжести — каждому хорошо
известно. Когда мы пытаемся держаться наплаву, гравита¬
ционное притяжение Земли представляет собой силу, на¬
правленную вниз; ей противодействует, на что мы, собст¬
венно, и рассчитываем, выталкивающая сила, связанная с
тем, что мы вытесняем некоторое количество воды. То же
рассуждение применимо к частице воды, находящейся ниже
поверхности океана. Если ее плотность меньше, чем плот¬
ность окружающей жидкости, на частицу действует сила,
направленная вверх, поскольку выталкивающая сила в этом
случае превосходит силу тяжести, и наоборот.
В некоторых видах движения воды в океане основным
фактором является разбаланс между силой тяжести и сила¬
ми плавучести. Возьмем, к примеру, айсберг, тающий в со¬
леной воде (рис. 10.1, а). Айсберги образуются из снега,
142
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
(я) Что происходит с водой, образующейся при таянии айсберга?
Талая вода поднимается к поверхности, поскольку она легче, чем
окружающая морская вода на той же глубине. Поднимаясь, она ув¬
лекает за собой часть морской воды; в результате образуется
смесь, соленость которой растет по мере того, как продолжается
процесс вовлечения. Выйдет ли образующаяся смесь на поверхность
моря, как показывают стрелки с левой стороны айсберга, или до¬
стигнет состояния равновесия, сравнявшись по плотности с окружа¬
ющей морской водой где-то на промежуточной глубине, как пока¬
зано справа на рисунке,— зависит от двух факторов: 1) от страти¬
фикации плотности в данном месте океана и 2) интенсивности тур¬
булентного перемешивания вблизи айсберга. Чем сильнее турбу¬
лентность, тем быстрее талая вода смешивается с морской водой и
тем больше вероятность того, что она начнет удаляться от айсбер¬
га на некоторой глубине, так и не достигнув поверхности. В любом
случае тающий айсберг представляет собой настоящий насос, кача¬
ющий с глубины богатые питательными веществами воды. Каж¬
дый год от Антарктиды отправляются в плавание айсберги, общий
вес которых превышает миллион миллионов тонн.
(6) Что происходит с солью, которая выделяется при замерзании
морской воды? В новом льде соль концентрируется в виде отдель¬
ных включений рассола; рассол имеет такую высокую соленость
(более 100—2ОО%о), что не замерзает. В конце концов он «прокла¬
дывает» себе дорогу вниз через лед, попадая в лежащий подо
льдом слой воды. Постепенно вода подо льдом становится на¬
столько тяжелой, что начинает погружаться, перенося соль в глу¬
бокие слои океана.
Рис. 10.1. Вертикальное перемешивание в полярных районах океа¬
нов, обусловленное наличием сил плавучести.
спрессованного и превратившегося в ледниковый лед, поэто¬
му они почти целиком состоят из чистой воды.
Плотность воды, образующейся при таянии айсберга на
любой глубине, будет близка к плотности чистой воды при
температуре замерзания — около 0,99800 г/см3; поэтому та¬
лая вода будет выталкиваться вверх объемной силой и под¬
ниматься к поверхности по бокам айсберга. Достигнет ли
она поверхности, зависит прежде всего от того, как быстро
поднимающаяся пресная вода перемешивается благодаря
турбулентности с окружающей морской водой. В любом
случае ясно одно: эту смесь талой воды с морской как бы
качает наверх некий насос*. Такой насос может поднимать
богатые питательными веществами глубинные массы воды
в эвфотическую зону. Таким образом, айсберг может быть
причиной локального «апвеллинга» [2].
Явление, противоположное таянию льда, — замерзание
воды. Морской лед, только что образовавшийся в океане с
соленостью 35%о, удерживает внутри себя всего 5%о солей.
Остальные ЗО%о выделяются как концентрированный рас¬
сол. На рис. 10.1, б показано, как этот рассол перемешива¬
ется с водой, находящейся подо льдом. Когда вода погло¬
тит некоторое критическое количество солей, она может
стать столь плотной, что опустится в более глубокие слои.
Именно так образуется Антарктическая придонная вода.
Сила давления. На рис. 10.2, а показано поперечное сечение
океана с некоторой выбранной «уровенной» поверхностью
(которая в малых масштабах представляет собой горизон¬
тальную плоскость. — Ред.). По определению уровенная по¬
верхность всюду перпендикулярна локальному вектору силы
тяжести; шарик, положенный на твердую уровенную по¬
верхность, не покатится.
В океанах, разумеется, нет твердых поверхностей. Если
вместо шарика взять «частицу» воды, она будет стремиться
всплыть, так же как вода, образующаяся при таянии айсбер¬
га, или утонуть, как Средиземноморская вода, вливающаяся
в Северную Атлантику. Сила давления направлена по верти¬
кали и исчезает только тогда, когда частица воды окружена
водой той же плотности, что и ее собственная плотность.
Таков случай так называемого «гидростатического» равно¬
весия. В этом случае силы, действующие в вертикальном на¬
правлении, уравновешены и мы считаем, что частица воды,
изображенная на рис. 10.2, а, находится в состоянии гидро¬
статического равновесия.
Однако независимо от этого частица может испытывать
действие некоторой результирующей горизонтальной силы,
если не равны силы давления, действующие на нее сбоку и
направленные вдоль уровенной поверхности. Горизонталь¬
ная сила обусловлена одним из двух следующих факторов
или же ими обоими.
* Несколько лет назад бурно обсуждались доводы за и против
предложения буксировать айсберги из Антарктики в районы, где не
хватает пресной воды, например в Южную Австралию или Сан-
Диего. Высказывалось предположение, что в порту, где вода соле¬
ная, айсберг под воздействием солнечного тепла будет таять в ос¬
новном в верхней части и пресная вода будет накапливаться на по¬
верхности моря, не перемешиваясь с морской водой. В этом случае
пресную воду можно было бы просто качать с поверхности. В дей¬
ствительности быстрее всего айсберг тает по краям, а не в верхней,
относительно небольшой своей части, открытой для солнечных лу¬
чей. Иначе говоря, тепло, необходимое для таяния, ему легче полу¬
чить от окружающей морской воды, чем от солнца. Всплывающая
по бокам айсберга талая вода так быстро смешивается с морской
водой, что ее уже невозможно использовать как питьевую.
ГЛАВА 10. СИЛЫ, ПРИВОДЯЩИЕ В ДВИЖЕНИЕ ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРУ
143
(я) Шарик или частица воды, помещенные на уровенную поверх¬
ность, не будут двигаться, если на них не действуют горизонталь¬
ные силы давления.
Поверхность моря
ДР=(Р1-Р2)>0
.Уровенная*. *
поверхность
Начальное движение'
частицы
Сила тяжести
■ • .’ к.
(в)
(б) Ниже наклонной поверхности моря давление вдоль уровенной
поверхности меняется просто потому, что от места к месту изменя¬
ется высота столба воды от поверхности моря до этого уровня.
Столб 1 выше столба 2, поэтому давление Р х больше давления Р г
Разница объясняет наличие результирующей силы давления, под
действием которой частица должна двигаться с ускорением влево.
(в) Разность давлений может возникнуть и тогда, когда в столбе 1
плотность воды больше, чем в столбе 2. В этом случае Р { опять-
таки больше Р 2 с вытекающими отсюда теми же последствиями.
Нужно иметь в виду, что ускорение, о котором шла речь в (6)
и (в), определяет только начальное направление движения частицы
воды. Едва начав двигаться, частица попадает под влияние другой
объемной силы — силы Кориолиса (см. рис. 10.9).
Рис. 10.2. Возникновение сил давления на глубине.
1. Наклон поверхности моря (рис. 10.2, б). Если поверх¬
ность моря наклонена, высота столба воды над уровенной
поверхностью изменяется от точки к точке. Давление Рр
действующее на частицу воды с одной стороны, не уравно¬
вешивается давлением Р2, действующим на частицу с дру¬
гой стороны, так что результирующая горизонтальная сила
давления ДР заставляет частицу двигаться с ускорением
вдоль уровенной поверхности. Наклон поверхности моря
может порождать течения в глубинах океана.
2. Неоднородное распределение плотности морской во¬
ды (рис. 10.2, в). Даже если поверхность моря горизонталь¬
на, давление вдоль уровенной поверхности в толще океана
может меняться из-за различия средней плотности в сосед¬
них водных столбах. Давление Рр оказываемое столбом бо¬
лее плотной жидкости, превосходит давление Р2, создавае¬
мое таким же столбом менее плотной жидкости. В этом
случае частица воды также испытывает воздействие резуль¬
тирующей разности давлений ДР и будет двигаться в соот¬
ветствующем направлении — по горизонтали.
Сила Кориолиса. Движение воды на нашей сферической вра¬
щающейся Земле испытывает влияние еще одной объемной
силы, которую мы назовем «отклоняющим эффектом, обус¬
ловленным вращением Земли». Французский математик
Г. Кориолис (1792 — 1843) первый выразил этот эффект
количественно, почему теперь он и носит его имя. Мы все
испытываем влияние этого эффекта, но не подозреваем об
этом, поскольку тесно «связаны» с Землей благодаря тре¬
нию между подошвами ботинок и поверхностью земли или
между автомобильными колесами и покрытием дороги. Од¬
нако в мире таких слабовязких жидкостей, как океанская во¬
да и атмосферный воздух, при описании пути, проходимого
жидкой частицей на вращающейся сферической Земле, этот
эффект нужно учитывать. Сила Кориолиса относится к объ¬
емным силам.
Рис. 10.3 иллюстрирует физические принципы, лежащие
в основе эффекта Кориолиса, хотя пушечное ядро, рассмат¬
риваемое в этом примере, является не жидким, а твердым
телом и в отличие от огромных океанов невелико по разме¬
ру. Рассмотрим более подходящий пример. Выделим в оке¬
ане прямоугольный участок акватории; пусть толщина вы¬
резанного параллелепипеда равна 2 м, а в горизонтальной
плоскости он будет иметь такие же размеры, как футболь¬
ное поле. Чтобы учесть малую вязкость воды, представим
себе, что это «футбольное поле» заполнено болельщиками,
двигающимися так, что они не задевают друг друга, и пото¬
му трение между ними отсутствует. Каждый болельщик в
этом случае представляет индивидуальную частицу воды.
Допустим, что вначале все болельщики обращены лицом в
одну сторону. Для начала пусть они сделают один шаг
144
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
КОРОТКО ОБ УСКОРЕНИИ КОРИОЛИСА
Фигурист приступает к вращению вокруг вертикальной оси в поло¬
жении, когда его руки вытянуты в сторону, а одна нога — назад
(а). Усилием мышц он придает своему телу начальное вращение и
сразу же встает на носок, чтобы уменьшить трение о лед. Наконец
он плотно прижимает руки к телу и сдвигает ноги (б). В результате
скорость вращения резко возрастает. Чтобы остановиться, фигу¬
рист вновь выбрасывает руки в стороны и отводит назад ногу.
Физический принцип, лежащий в основе этого приема, называ¬
ется «законом сохранения момента количества движения». Его
можно выразить формулой
Момент
Масса
Скорость
Среднее расстояние
количества =
тела х
вращения
х точек тела от оси
движения
фигуриста
(рад/с)
вращения
В отсутствие трения момент количества движения должен со¬
храняться. Масса тела фигуриста не меняется, но, поскольку он
прижимает руки к телу и сводит вместе ноги, скорость его враще¬
ния должна возрасти, чтобы момент количества движения не изме¬
нился.
Перенесем эти рассуждения на движение объекта у поверхности
Земли. Предположим, что пушка, стоящая на экваторе, стреляет в
направлении Великобритании, так что ядро летит вдоль Гринвич¬
ского меридиана (в). Допустим, ядро долетает до широты Гринви¬
ча (52° с.ш.); упадет ли оно к востоку от города, в самом городе
или к западу от него?
Ответ. Достигнув 52° с.ш., ядро окажется ближе к оси враще¬
ния Земли, чем в момент выстрела. Скорость его обращения вокруг
оси Земли должна возрастать с приближением к оси, поэтому ядро
должно упасть восточнее Гринвича, как показано на рисунке. Мож¬
но рассуждать и иначе. В момент выстрела ядро имеет восточную
составляющую скорости, соответствующую его положению на эк¬
ваторе, т. е. около 1600 км/ч, которую оно сохраняет летя на се¬
вер. На широте Гринвича восточная составляющая скорости всех
объектов на поверхности Земли равняется лишь 1100 км/ч. Таким
образом, за время полета ядро сместится на восток дальше, чем
сам Гринвич, и по этой причине упадет восточнее города.
Эти рассуждения можно обобщить. Любой объект, движущий¬
ся на вращающейся сферической Земле, будет отклоняться от на¬
правления первоначального движения: в Северном полушарии —
вправо, в Южном — влево. Отклонение объясняется влиянием так
называемой силы Кориолиса, возникающей из-за вращения Земли.
Эта сила всегда направлена под прямым углом к вектору скорости
объекта. Ее величина определяется уравнением
Рис. 10.3.
Ускорение Угловая
(отклоняющая = 2 х скорость
сила) вращения
Земли
х Синус х Скорость
широты объекта
Отметим, что отклоняющая сила тем больше, чем выше ско¬
рость объекта; она равна нулю на экваторе (синус широты равен
нулю) и достигает максимума на полюсах.
Можно рассчитать и величину отклонения, вызываемого этой
силой:
Отклонение =
Угловая
скорость
вращения
Земли
х СинУс х Ск°Р°сть х (Время)2
широты объекта
Ясно, что объект, движущийся с малой скоростью от одной
фиксированной точки к другой, отклоняется сильнее, чем объект,
который движется по тому же пути быстро; причина состоит в
том, что время нахождения в пути входит в формулу для величины
отклонения в квадрате. Чтобы лучше понять сказанное, рассмот¬
рим некоторые примеры. Угловая скорость вращения Земли со¬
ставляет 7,3-10“5 рад/с; широту места возьмем равной 45°, тогда
синус широты равен 0,707.
Пример 1. Пуля, вылетающая из ружья со скоростью 900 м/с, за
0,3 с пролетит 270 м; величина отклонения невелика — около 4 мм.
Пример 2. Автомобиль, движущийся со скоростью 60 км/ч, за
1 мин продвинется на 1 км; отклонение (без учета трения колес о
дорогу) составит 30 см.
Пример 3. Морское течение, имеющее скорость 1 узел (1 мор. миля
в час, т. е. около 1,852 км/ч), за 1 ч переносит воду на расстояние
1 мор. мили. Отклонение составит 0,186 мор. мили, или около
20% от пути, пройденного частицами воды.
Вывод. Сила Кориолиса незримо присутствует в природе и за¬
ставляет существенно отклоняться морские течения.
ГЛАВА 10. СИЛЫ, ПРИВОДЯЩИЕ В ДВИЖЕНИЕ ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРУ
145
вперед. Поскольку их движение «отклоняется» силой Кори¬
олиса, они должны сделать по шагу вправо. Вновь прини¬
мая движение вбок за истинное движение, на которое также
должна действовать отклоняющая вправо сила, заставим
всех болельщиков сделать один шаг назад; наконец, чтобы
учесть отклонение, связанное с этим последним шагом, за¬
ставим всех сделать один шаг влево. Отметим, что каждый
следующий шаг делается под прямым углом к тому «смеще¬
нию», с которым связано отклонение. Заметим далее, что
каждая «частица» вернулась на свое первоначальное место,
так что траектория каждой частицы представляет собой
квадрат. Наконец, направление, в котором смотрит каждый
болельщик, само по себе не изменилось, т. е. хотя каждый
из них проделал замкнутый путь, ни один не оказался по¬
вернутым. Теперь, чтобы перейти к реальному океану, нуж¬
но подняться достаточно высоко над стадионом. В этом
случае перед вами откроется картина, напоминающая реаль¬
ный океан, когда вся масса жидкости находится в постоян¬
ном движении, причем каждый элемент ее все время завора¬
чивает, но не вращается.
Отсюда мы можем сделать несколько выводов о том,
как влияет на движение сила Кориолиса.
1. Движущийся объект отклоняется вправо в Северном
полушарии и влево — в Южном.
2. Величина отклонения наибольшая на полюсах и равна
нулю на экваторе.
3. Хотя отклоняющий эффект мы приписываем дейст¬
вию некоторой силы на движущийся объект, эта сила явля¬
ется «фиктивной», так как она не производит над объектом
работы. Эта сила всегда перпендикулярна направлению дви¬
жения объекта; поскольку в направлении силы перемещение
отсутствует, «работа» не совершается.
4. Отклоняющий эффект больше и диаметр круговой
траектории меньше, если скорость движущегося объекта
меньше. Например, отклоняющий эффект обнаруживается и
в атмосфере, и в океане, но вода в океанах течет медленнее,
так что результирующее отклонение океанических течений
заметнее, чем отклонение ветра.
Чтобы лучше понять эффект отклонения, прочитайте,
что написано о силе Кориолиса в пояснительном тексте к
рис. 10.3. Нам же будет достаточно того, что вы просто
знаете о ее существовании. Дж. Миченер в своем эпическом
повествовании [1] рассказывает о перегоне стада крупного
рогатого скота из Техаса на север, в районы Среднего Запа¬
да. Он указывает, что в голове движущегося стада с той и
другой его стороны находились верхом на лошадях пастухи,
задача которых состояла в том, чтобы направлять стадо.
Но если животные, испугавшись чего-либо, кидались впе¬
ред, один из двух пастухов, находившихся по краям стада,
оказывался в гораздо большей опасности быть растоптан¬
ным, чем другой. Который? Тот, что скакал справа. Поче¬
му? С уверенностью ответить на этот трудно, но история,
рассказанная Мишенером, была правильной в том смысле,
что бросающееся вперед стадо должно отклоняться вправо,
по крайней мере в нашем полушарии.
Стационарное движение
Теперь читатель знаком со всеми физическими принципами,
с помощью которых можно объяснить, как вода в океанах и
воздух в атмосфере движутся под действием приложенных к
ним сил. Однако, прежде чем переходить к построению
окончательной картины, важно подчеркнуть, что то, что на
самом деле мы наблюдаем в этих подвижных средах, отно¬
сится к так называемому стационарному состоянию. Следо¬
вательно, мы должны принять как факт идею, что особен¬
ности циркуляции океанов и атмосферы сегодня такие же,
какими они были год, или десять, или тысячу лет назад.
Это не означает, что течения или ветры сегодня не отлича¬
ются от тех, что были вчера или будут завтра. Такое ут¬
верждение скорее означает, что отсутствуют изменения
среднего состояния на протяжении длительных интервалов
времени — скорость Гольфстрима, к примеру, в ближайшие
десять лет не удвоится. Мы и впредь будем наблюдать ва¬
риации в движении атмосферного воздуха, например повто¬
ряющееся появление тропических ураганов в Карибском мо¬
ре, и в движении воды в океанах, например отрыв крупных
вихрей от Гольфстрима, но мы воспринимаем эти вариации
как стационарное состояние на фоне многообразия слож¬
ных движений этих текучих сред — мы можем «видеть» их,
когда бы ни пожелали.
Распределение ветров,
дующих над океанами
Зная теперь, что такое сила Кориолиса, мы можем объяс¬
нить, почему ветры, дующие над землей, распределены так,
что образуют широтные пояса. Как газообразная оболочка
нашей планеты, атмосфера должна испытывать влияние от¬
клоняющего эффекта, равно как внутреннего давления и си¬
лы тяжести.
Следуя за воздушной частицей
На рис. 10.4 показан путь, который проходит частица воз¬
духа, находящаяся под воздействием указанных сил. Движе¬
ние начинается вблизи экватора в полосе восточных ветров,
где частица воздуха содержит влагу, испарившуюся с по¬
верхности воды. По мере того как частица поднимается в
столбе воздуха благодаря конвекции, она смещается на за¬
пад; в этом причина восточных ветров в экваториальной зо¬
не. Двигаясь на запад, она отклоняется к северу под дейст¬
вием силы Кориолиса, даже если и продолжает поднимать¬
ся вследствие высокого содержания пара. Поднявшись на
большую высоту и продвинувшись на север дальше, чем на
запад, воздух высвобождает лишнюю влагу в виде дожде¬
вых осадков и охлаждается вследствие расширения и излуче¬
ния тепла в направлении от земли. К тому времени, когда
частица достигает северной широты 30°, она уже потеряла
влагу и тепло и сжалась до такой степени, что начинает
опускаться к поверхности моря. Опускание приводит к то¬
му, что частица начинает двигаться в восточном направле¬
нии, что соответствует зарождению западных ветров сред¬
них широт. Двигаясь в горизонтальном направлении, она
продолжает отклоняться вправо, так что проекция траекто¬
рии частицы на поверхность земли к этому времени превра¬
щается в подобие круга. Когда частица приближается к
уровню моря, она движется быстро и при этом отклоняется
назад к юго-западу, что соответствует системе ветров, на¬
зываемых пассатами. В Северном полушарии они называ¬
ются северо-восточными пассатами, в Южном — юго-вос¬
точными. Путь частицы завершается, когда она вновь ока¬
зывается у поверхности моря вблизи экватора. В результате
этих движений и возникает система ветров в виде поясов,
очень напоминающая схему, показанную на рис. 3.1.
Области высокого и низкого давления и ветры
Наличие в поясах ветров крупных масс суши изменяет нари¬
сованную нами картину. Пояса вынуждены соединяться
146
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
Конденсация влаги
Начало подъема теплой влажной
воздушной частицы
Замедление поднимающейся
частицы в горизонтальном
направлении относительно
поверхности Земли (причина
восточного ветра)
.Восточные
•Закручивание траектории частицы
у поверхности под действием силы
Кориолиса (причина пассатов)
Ускорение опускающейся
частицы в горизонтальном
направлении относительно
поверхности Земли (причина
западного ветра)
Отклонение частицы силой
Кориолиса
Начало
^движения
высота;
^подъема
^частицы
Проекция траектории
- частицы на
поверхность моря
Поднимаясь, воздушная частица удаляется от оси вращения Земли
и в силу закона сохранения момента количества движения замедля¬
ет горизонтальное движение относительно поверхности Земли.
Наблюдатель воспринимает это замедление как восточный ветер.
Потеряв влагу и охладившись, частица начинает опускаться, уско¬
ряясь в горизонтальном направлении. Благодаря этому в полосе
широт от 40 до 50° возникает пояс западных ветров. То, что опус¬
кающаяся частица лишена влаги, объясняет наличие на этих широ¬
тах областей высокого давления. Замыкание траектории частицы
происходит благодаря силе Кориолиса: частица отклоняется под ее
действием к юго-западу, что служит причиной возникновения пас¬
сатов. Жирной кривой на рисунке показана истинная траектория
частицы.
Рис. 10.4. Траектория движения воздушной частицы, силы, заставляющие ее двигаться, и обусловленная этим система ветровых поясов у
поверхности Земли. (Помните, что в метеорологии за направление ветра принимается то направление, откуда он дует.)
друг с другом вдоль окраин континентов. По этой причине
над центральным районом каждого океана располагается
характерная область высокого давления. На рис. 10.5 пока¬
зан атмосферный максимум над северной частью Тихого
океана; его центр лежит к северо-востоку от Гавайских ост¬
ровов. Летом атмосферный минимум (называемый Алеут¬
ским. — Ред.), или область низкого давления, нависает над
Беринговым морем. Между этими двумя центрами давления
располагается пояс западных ветров; направление ветров
показано на рисунке стрелками. К северу от центра низкого
давления в Беринговом море дуют ветры обратного направ¬
ления — восточные, а к югу от гавайского максимума пас¬
саты Северного полушария сходятся с пассатами Южного
полушария, порождая восточные ветры в экваториальной
зоне.
На рис. 10.5 линии тока вокруг алеутского минимума на¬
правлены по кругу против часовой стрелки. Причина это¬
го — влияние силы Кориолиса на движение воздуха, кото¬
рый приповерхностные ветры стремятся перенести непо¬
средственно из центра области высокого давления в центр
области низкого давления. Другими словами, воздух «стре¬
мится» двигаться в направлении уменьшения давления (см.
также рис. 6.9). И здесь по мере того как воздушная части¬
ца начинает движение в горизонтальной плоскости, ее тра¬
ектория отклоняется вправо; окончательное «стационарное»
равновесие сил предполагает, что ветры дуют вокруг цент¬
ров и высокого, и низкого давления.
Одно дополнительное замечание: доходит ли когда-ни¬
будь избыточный воздух от центра высокого давления к
центру низкого давления, так что различие в давлениях на
уровне моря между этими областями сглаживается? Ответ
положительный. На самом деле линии тока медленно рас¬
кручиваются относительно центров давления вследствие не-
прекращающейся работы сил трения. Отсюда следует дру¬
гой вопрос: если дующие по спирали ветры вокруг центров
высокого и низкого давления постепенно «уничтожают»
разницу давлений между двумя центрами, почему эти обла¬
сти все же продолжают существовать над океанами? Оказы¬
вается, «тепловая машина» Земли постоянно «усиливает»
обе области, а ветры, дующие над океанами, — это ^пре¬
кращающиеся попытки природы ослабить различие в давле¬
ниях. Следовательно, наблюдаемые структуры в распреде¬
лении ветров имеют стационарный характер.
Последний вопрос: следует ли из всего сказанного, что
изменчивость ветров ото дня ко дню и от сезона к сезону
незначительна? Вовсе нет. Нарисованная выше стационар¬
ная картина представляет собой «осредненный» результат.
Например, мы видим, что атмосферный максимум у Гавай¬
ских островов весной смещается к северо-востоку, а осенью
возвращается назад. В то же время алеутский минимум
ГЛАВА 10. СИЛЫ, ПРИВОДЯЩИЕ В ДВИЖЕНИЕ ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРУ
147
Ветры зимой
Рис. 10.5. Сезонные смещения ат¬
мосферного максимума и минимума
в северной части Тихого океана.
Каждый замкнутый контур — изоли¬
ния атмосферного давления на уров¬
не моря; в летний период давление в
центре максимума выше 1020 мбар,
а в центре минимума — ниже
990 мбар. У северо-западного побе¬
режья США летние ветры благопри¬
ятствуют апвеллингу (см. рис. 10.8).
В, Н — области высокого и низкого
давления соответственно.
Ветры летом
осенью сдвигается к заливу Аляска, т. е. к юго-востоку, а
весной возвращается на свое место над Беринговым морем.
Эта двухъячейковая «система» испытывает сезонные коле¬
бания, но в осредненном виде картина является стационар¬
ной. Влияние таких сезонных изменений на океан достаточ¬
но велико. В следующих разделах мы увидим, что сезонный
апвеллинг у берегов шт. Вашингтон, Орегон и Северной Ка¬
лифорнии прямо связан с колебаниями в системе атмосфер¬
ной циркуляции. Для этого нам нужно рассмотреть послед¬
ний аспект взаимодействия океана и атмосферы — эффект
Экмана.
Взаимодействие океана и атмосферы — III:
реакция поверхностных вод на касательное
напряжение ветра
В 1893 г. Фритьоф Нансен начал свое знаменитое трехлетнее
путешествие по Северному Ледовитому океану на ставшем с
тех пор легендарным судне «Фрам». Нансен зорко подмечал
природные явления и после нескольких месяцев дрейфа
вместе с ледяным полем пришел к выводу, что лед движет¬
ся под углом 20° вправо от преобладающего направления
ветра (рис. 10.6, а). Он предположил, что причиной являет¬
ся отклоняющий эффект, связанный с вращением Земли, и
по завершении путешествия поручил проанализировать дан¬
ную проблему студенту, которого звали В. Экман. Этому со¬
бытию было предназначено войти в историю океанологии.
Сделав несколько упрощающих предположений, Экман
получил аналитическое решение, показавшее следующее. Ес¬
ли ветер постоянной силы дует над однородным по плотно¬
сти океаном и между ним и поверхностью воды имеется
трение, то:
1. Тонкий слой вблизи поверхности воды движется под
углом 45° вправо от направления ветра в Северном полуша¬
рии или влево — в Южном. Причина этого — отклоняющее
действие вращения Земли, т. е. сила Кориолиса.
2. Каждый более глубокий слой ведет себя таким же об¬
разом по отношению к вышележащему слою, т. е. всякий
148
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
слой движется вправо относительно слоя, расположенного
непосредственно над ним.
3. Следовательно, на некоторой глубине вода движется в
направлении, противоположном направлению приповерх¬
ностного ветра.
4. Просуммировав перенос воды по всем слоям, затрону¬
тым этим процессом, получим, что в Северном полушарии
суммарный перенос направлен под углом 90° вправо от
ветра.
Теория Экмана стала своего рода «вехой» в океанологи¬
ческих исследованиях. Впервые океанологи получили воз¬
можность объяснить многие наблюдаемые особенности дви¬
жения воды в океане. Среди них апвеллинг у побережий
континентов и в зонах дивергенции в открытом океане, а
также тот факт, что в центральных частях всех океанов уро¬
вень моря выше, т. е. на поверхности океанов существуют
водные возвышенности. Рассмотрим подробнее некоторые
из этих эффектов.
Судно «Фрам», отплывающее из Осло в июне 1893 г. На этом суд¬
не совершил экспедицию Ф. Нансен.
Стометровая исследовательская платформа «Флип», плавающая в
вертикальном положении. Основная ее часть (90 м) находится ниже
уровня моря, что делает ее очень устойчивой и придает ей относи¬
тельную неподвижность. Платформа создана в Институте океано¬
графии Скриппса и предназначена главным образом для исследова¬
ния распространения звука под водой; она не имеет собственного
двигателя, поэтому ее приходится буксировать. Устойчивость
платформы делает ее идеальным средством для измерения потоков
тепла и влаги с поверхности океана.
Возвышения поверхности
в центральных частях океанов
В центре Северной Атлантики уровень моря на 1 м выше,
чем по краям океана; далее, верхний слой в центральной
части океана обладает исключительно большой мощностью
(несколько сотен метров) и имеет однородную по глубине
температуру. Океанологи называют эту поверхностную во¬
ду «18°-ной водой»; у мореплавателей уже давно это место
получило название Саргассова моря. На схеме Вюста
(рис. 9.5) она представлена линзой центральной тропосфер¬
ной воды. Как объяснить существование этой громадной
массы однородной поверхностной воды? Ответ ясен из
рис. 10.7: распределение ветра у поверхности моря под об¬
ластью высокого давления таково, что поверхность воды
образует стационарную возвышенность. В процессе своего
роста эта возвышенность становится достаточно высокой
для того, чтобы скорость движения воды в центральную
часть океана под действием ветра сравнялась со скоростью
«стекания» воды с возвышенности. Эта картина отражает
стационарное равновесие в системе вода — ветер. Важно
понять, что водная возвышенность сохраняется в виде по¬
стоянной структуры; в последующих разделах мы увидим,
что вокруг нее циркулируют течения.
Апвеллинг
В некотором смысле апвеллинг — это явление, обратное
«накоплению воды в виде возвышенности». Если распреде¬
ление ветра таково, что результирующий экмановский пере¬
нос приводит к дивергенции («расхождению») вод, в релье¬
фе поверхности моря создается «ложбина». В океане уход
поверхностной воды из данной области компенсируется
притоком другой воды. Для иллюстрации рассмотрим не¬
сколько примеров.
1. В Северном полушарии поверхность океана под тропи¬
ческим циклоном, ураганом или тайфуном подвергается воз¬
действию ветров, направленных против часовой стрелки.
Согласно идее Экмана, поверхностные воды должны течь
в радиальном направлении от центра шторма. Это яркий
пример дивергенции поверхностных вод. Океан восполняет
потерю поверхностных вод простейшим из возможных спо¬
собов: во время наиболее интенсивных фаз штормов вода
поступает к поверхности с глубоких слоев — возникает
апвеллинг.
ГЛАВА 10. СИЛЫ, ПРИВОДЯЩИЕ В ДВИЖЕНИЕ ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРУ
149
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
ИСТОРИЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ «ВЕТРОВОГО ДРЕЙФА»
1. 1893 г. Ф. Нансен отправляется на судне «Фрам» в Северный
Ледовитый океан. Судно попадает в ледяной плен и дрейфует вмес¬
те со льдом. Многократные измерения направления дрейфа судна и
ледяного покрова показали, что судно и лед дрейфуют в среднем
под углом 20° к направлению, в котором дует преобладающий ве¬
тер (а).
2. 1896 г. Спустя три года Нансен возвращается в Норвегию и
возобновляет свою преподавательскую деятельность в университе¬
те. Он поручает своему студенту В. Экману заняться теоретиче¬
ским решением задачи движения судна и льда под действием ветра.
3. 1905 г. Экман публикует теорию дрейфовых течений. В ней
утверждается, что в Северном полушарии ветер заставляет тонкий
поверхностный слой воды в океане двигаться под углом 45° вправо
от направления ветра. Каждый последующий более глубокий слой
движется под углом вправо от направления движения вышележаще¬
го слоя, который воздействует на него благодаря силе трения. Ско¬
рость движения слоев уменьшается с глубиной. На определенной
глубине поток воды направлен против ветра, дующего у поверхно¬
сти (6). Океанологи называют эту глубину глубиной трения.
Для наших целей важно то, что если просуммировать все пото¬
ки до глубины трения, то окажется, что суммарный перенос в верх¬
нем слое океана направлен под углом 90° к направлению, в кото¬
ром дует ветер: вправо от него в Северном полушарии и влево — в
Южном.
Рис. 10.6.
Над каждым океаническим бассейном (примерно над центральной
его частью) располагается область высокого атмосферного давле¬
ния, которой соответствует антициклоническая система ветров.
(Циклоническая циркуляция связана с областями низкого давления;
помимо прочего это относится к тропическим циклонам, тайфунам
и ураганам.) В Северном полушарии антициклоническая циркуляция
соответствует направлению ветра по часовой стрелке, как показано
на данной карте Северной Атлантики. Вследствие эффекта Экмана
результирующий перенос в верхнем слое океана, обусловленный ан-
тициклонической циркуляцией ветра, направлен к центру области
высокого давления (на рисунке — В). Иными словами, под атмо¬
сферным максимумом возникает конвергенция (схождение) поверх¬
ностных вод. В результате уровень моря здесь повышается; эта об¬
ласть называется Саргассовым морем. Незакрашенные стрелки
указывают направление движения поверхностной воды — под
углом 90° вправо от направления преобладающего ветра.
Рис. 10.7. Как возникает водная возвышенность в центральных
районах океана.
150
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
2. Если ветер у поверхности дует параллельно берегу, ус¬
ловия близки к тем, что возникают в океане под циклоном,
только в этом случае берег как бы отсекает половину пло¬
щади «циклона». Апвеллинг возникает и в этом случае.
Рассмотрим некоторые примеры ветров, дующих у бере¬
га. На рис. 10.8 показано поперечное сечение через прибреж¬
ную зону океана. Допустим, речь идет об Орегонском побе¬
режье и ветер в данном случае северный (рис. 10.8, а). Из-за
эффекта Экмана поверхностная вода вынуждена двигаться
от берега в открытое море. Ей на смену приходит вода с не¬
которой глубины, до которой не распространяется воздей¬
ствие ветра. (См. также анализ результатов измерений на
станции NH-105 на рис. 8.7, б.)
Смена направления ветра на обратное у Орегонского по¬
бережья приводит к прекращению апвеллинга, вместо кото¬
рого у побережья устанавливается даунвеллинг (опускание
вод) (рис. 10.8, б). Каждый год в середине сентября рас¬
пределение ветра у побережья шт. Орегон меняется: северо-
западные ветры (благоприятствующие апвеллингу) сменя¬
ются юго-западными (благоприятствующими даунвел-
лингу). Условия, необходимые для начала апвеллинга, вос¬
станавливаются в последнюю неделю марта, подобно ла¬
сточкам, возвращающимся в Капистрано во время весеннего
равноденствия.
Как уравновешены силы
при стационарном движении
До сих пор мы различали начальную тенденцию к движе¬
нию воды в океане и воздуха в атмосфере и наблюдаемые
стационарные особенности течений. Это мы делали с
целью показать, что начальная реакция текучих сред на
внешнее воздействие отличается от конечного равновесного
состояния. То, что мы видим в каждый момент времени,
наблюдая за движением воздуха или воды, — это стацио¬
нарное состояние. Океаны и атмосфера за свою долгую ис¬
торию миновали промежуточные состояния и теперь нахо¬
дятся в состоянии «постоянства».
Важно, однако, отличать «однородность движения» от
«постоянства динамики движения». Первое означает от¬
сутствие всяких изменений, и это не то, что мы наблюдаем
в действительности. Мы находим вариации движений воды
в океанах, масштабы которых исчисляются часами, сутка¬
ми, сезонами и даже годами. И все же должен существовать
способ описания истинного «стационарного» состояния. Яв¬
ляется ли стационарное состояние тем состоянием, которое
испытывает постоянные изменения? Если так, нужно ли
определить пространственно-временные масштабы этих из¬
менений? На это можно ответить и утвердительно, и отри¬
цательно.
Стационарное движение
Изучая собранные за десятки лет данные наблюдений за
движением воды на поверхности океана, океанологи пришли
к выводу, что примерно на 75% наблюдаемые течения су¬
ществуют вследствие равновесия сил, когда «возвышенно¬
сти» и «ложбины» в рельефе поверхности океана обеспечи¬
вают силу давления, а наблюдаемая скорость течения ука¬
зывает величину и направление силы Кориолиса; эти две
силы и находятся в равновесии (рис. 10.9).
Последовательность схем на рис. 10.9 соответствует
установлению течений в океане. Пусть вначале ровная, спо¬
койная поверхность моря возмущается, скорее всего под
действием ветра, в результате чего на поверхности появля-
Спуск на воду тороидального буя, оснащенного приборами для из¬
мерения потока количества движения в океан при штормовых вет¬
рах. Это мероприятие было частью программы STREX, проводи¬
мой в заливе Аляска в 1980 г.
ется возвышенность (рис. 10.9, а). Независимо от того, как
возникает это возмущение, океан, наполненный жидкостью
с малой вязкостью, стремится тут же вернуться к первона¬
чальному состоянию. Частицы воды начинают двигаться
по склонам возвышенности под непосредственным воздей¬
ствием силы давления, направленной от центра возвышен¬
ности. Но едва начав двигаться, частица отклоняется от
своего прямого пути вниз по склону под действием силы
Кориолиса. Вернемся к рис. 10.3 и вспомним, что величина
отклоняющей силы, которая равна нулю в отсутствие дви¬
жения, возрастает по мере того, как вода все быстрее спу¬
скается по склонам возвышенности. Точно так же по мере
увеличения скорости растет и отклонение (рис. 10.9, б). Но
две эти силы, сила давления и сила Кориолиса, не уравнове¬
шивают друг друга полностью, пока 1) вода не начинает
течь вокруг возвышенности, так что сила Кориолиса оказы¬
вается направленной к ее центру — противоположно силе
давления, направленной от центра, и 2) скорость течения не
возрастает настолько, что сила Кориолиса сравняется с
противодействующей ей силой давления по величине. По
достижении этих условий система приходит в состояние
равновесия: возвышенность продолжает существовать (по
крайней мере, большая ее часть), а вода течет вокруг возвы¬
шенности (рис. 10.9, в)*.
* Тот факт, что вода в океане не «течет вниз по склону возвышен¬
ности», для человека, привыкшего мерить все на «сухопутный» ма¬
нер, может показаться невероятным.
Рис. 10.8. Апвеллинг и даунвеллинг, порождаемые ветром благодаря эффекту Экмана.
(а) Явление, называемое экмановским перено¬
сом (или ветровым дрейфом), объясняет, поче¬
му апвеллинг происходит у одних участков по¬
бережья и не происходит у других. На этой
схеме экмановский перенос, создаваемый север¬
ным ветром, направлен от берега. Это и есть
необходимое условие апвеллинга. Обратите
внимание на повышение уровня моря в направ¬
лении от берега.
(6) То же побережье, но теперь ветер дует с
юга. Экмановский перенос направлен от моря,
теплая вода прижимается к берегу, и уровень
моря в этом направлении повышается. Силь¬
ный ветер может создать такой сильный поток
теплой воды к берегу, что та будет вынуждена
в каком-то месте погружаться.
(в)
На схемах показано: 1) как нестационарные течения постепенно
достигают стационарного состояния и 2) как океанические течения
огибают возвышения и понижения морской поверхности.
(а) Возвышенность на поверхности моря. Частица воды, находяща¬
яся на вершине возвышенности, начинает двигаться вниз по склону.
Стрелка указывает направление силы давления, которая ускоряет
частицу.
(б) Положение частицы в некоторый более поздний момент. Начав
движение вниз по склону, частица в силу эффекта Кориолиса откло¬
няется вправо (пунктирная линия). Незакрашенная стрелка указыва¬
ет направление ее скорости, а пунктирная — силу Кориолиса. Сила
Кориолиса в этот момент еще не уравновешивает силу давления,
направленную вниз по склону, поэтому частица движется по расши¬
ряющейся спирали.
(в) Частица уже ускорилась до такой степени, что сила Корио¬
лиса и сила давления, действующие в противоположных направле¬
ниях, уравновешивают друг друга. Движение вышло на стационар¬
ный режим, и частица движется вокруг возвышенности. Если бы
трение отсутствовало, течение вокруг возвышенности существова¬
ло неопределенно долго. Однако на самом деле трение, конечно,
есть, и поэтому течения представляют собой медленно раскручива¬
ющиеся спирали, что приводит к постепенному исчезновению воз¬
вышенности.
Однако если область высокого давления в атмосфере, породив¬
шая возвышенность, продолжает ее «поддерживать», то конечное
стационарное состояние будет характеризоваться балансом скоро¬
стей: скорости, с которой вода под воздействием ветра движется к
центру возвышенности, и скорости, с которой спиральные течения
уносят воду с возвышенности.
Рис. 10.9. Как возникают нестационарные и стационарные течения.
152
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
Нестационарное движение — общая модель
циркуляции
Что представляют собой те 25% движения воды в океане,
которые не объясняются равновесием указанных выше сил?
Ответ состоит в том, что равновесие сил существует и в
этом случае, но теперь мы должны включить в схему до¬
полнительные силы.
Этими силами являются: 1) касательное напряжение вет¬
ра, действующее на поверхность воды, 2) силы инерции,
связанные с наличием у движущейся массы воды количества
движения (объемная сила), 3) внутреннее трение, обуслов¬
ленное вязкостью самой воды (также объемная сила), 4) тре¬
ние о дно океана (поверхностная сила, аналогичная касатель¬
ному напряжению ветра) и 5) приливообразующие силы.
Физики создают все новые модели для объяснения на¬
блюдаемых в океане движений. Поскольку в мгновенном ба¬
лансе участвует много сил, такие модели часто строят с уче¬
том широкого динамического диапазона изменения перемен¬
ных, описывающих эти силы, с тем чтобы математическая
модель смогла воспроизвести то, что наблюдается в дейст¬
вительности. Такие модели называют моделями общей цир¬
куляции. Исследования на моделях требуют привлечения
мощного компьютера. В таких моделях учитывается и ат¬
мосфера. На сегодня (1986 г.) ученые соревнуются в том,
кто первым создаст «правильную» модель. Как мы узнаем,
что модель «правильная»? Оказывается, что если модель
может предсказать нестационарное движение, то она пра¬
вильная. Следующий раздел посвящен анализу двух таких
«тестов».
Экваториальное подповерхностное противотечение
в Тихом океане (течение Кромвелла)
В 1952 г. молодой ихтиолог Т. Кромвелл участвовал в
японской экспедиции по изучению рыб в экваториальной зо-
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
ЭКВАТОРИАЛЬНОЕ ПОДПОВЕРХНОСТНОЕ
ПРОТИВОТЕЧЕНИЕ В ТИХОМ ОКЕАНЕ
(а) Зона схождения северо-восточных и юго-восточных пассатов в
Тихом океане (метеорологический экватор) смещена к северу от гео¬
графического экватора примерно на 5°. Под действием пассатов у
Азиатского континента уровень моря повышается примерно на 1 м
по отношению к Американскому побережью. Обратный поток этой
воды течет вдоль экватора, но уже ниже поверхности. Показанный
здесь жирной пунктирной линией, этот поток называется Эквато¬
риальным подповерхностным противотечением.
Рис. 10.10.
(б) Разрез Экваториального подповерхностного течения по мериди¬
ану 140° з.д. Его размеры в поперечном направлении — около
200 км к северу и к югу от экватора, но по глубине оно охватывает
довольно тонкий слой: между глубинами 100 и 300 м. Скорости те¬
чения достигают 1 м/с, а воды оно переносит примерно столько
же, сколько Гольфстрим у берегов Флориды.
Симметрия этого течения в поперечном направлении и тот
факт, что его ядро располагается непосредственно на экваторе, по¬
зволяют предположить, что оно является «захваченным» течением.
Восточный поток удерживается у экватора просто потому, что при
отклонении его к северу или к югу сила Кориолиса заставляет его
вернуться в прежнее положение — к экватору.
(в) Поскольку юго-восточные пассаты в Тихом океане пересекают
экватор (см. рис. а и в ) и при этом к северу от экватора сила Кори¬
олиса отклоняет течение вправо, а к югу — влево, на экваторе воз¬
никает дивергенция (расхождение) поверхностных вод. В результате
более глубокая вода «подсасывается» к поверхности, т. е. возника¬
ет апвеллинг.
ГЛАВА 10. СИЛЫ, ПРИВОДЯЩИЕ В ДВИЖЕНИЕ ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРУ
153
не Тихого океана. Он заметил, что когда рыболовные сна¬
сти погружались на глубину 100 м, они начинали быстро
двигаться на восток. Подробно измерив распределения тем¬
пературы и солености поперек экватора, Кромвелл первым
описал ранее неизвестное мощное океаническое течение.
Вначале оно носило его имя, но сейчас его называют Эква¬
ториальным подповерхностным противотечением.
Это течение весьма необычно (рис. 10.10). Оно обнару¬
жено в Тихом океане почти вдоль всего экватора. Вода в
нем движется на восток в очень тонком слое — на глубинах
от 100 до 300 м; в горизонтальной плоскости течение огра¬
ничено полосой, простирающейся на 200 км к северу и к югу
от географического экватора. Оно переносит примерно та¬
кой же объем воды, что и Гольфстрим, со скоростью до
1 м/с.
Причина и определяющие факторы. Когда Экваториальное
подповерхностное противотечение было открыто и нанесено
на карту, быстро нашли объяснение его происхождения.
Вспомним наши рассуждения о внутритропической зоне кон¬
вергенции (рис. 7.4): пассаты в Северном и Южном полуша¬
риях сходятся друг с другом не на экваторе, а между 5 и 10°
с. ш. Таким образом, ветры, пересекающие географический
экватор, являются юго-восточными пассатами Южного по¬
лушария. Прямым следствием этого является накопление
экваториальных поверхностных вод у Азиатского континен¬
та; следовательно, на западном конце экваториальной зоны
Тихого океана образуется водная возвышенность. Это воз¬
можно потому, что на географическом экваторе сила Кори¬
олиса в точности равна нулю*, поверхностная вода движется
прямо по ветру и скапливается у берегов Азии, поднимаясь
примерно на 1 м по сравнению с уровнем моря на амери¬
канской стороне.
Постепенно вода начинает скользить прочь от этой воз¬
вышенности — в данном случае на восток в виде тонкой
прослойки между глубинами 100 и 300 м. Именно этот воз¬
вратный поток и тащил рыболовные снасти на судне, где
плавал Кромвелл. Из-за того что сила Кориолиса на эква¬
торе равна нулю, Экваториальное подповерхностное проти¬
вотечение реагирует только на одну силу — силу давления,
направленную от водной возвышенности. Это единственное
в Мировом океане течение, обладающее таким свойством.
Однако что заставляет это течение оставаться в эквато¬
риальной зоне на протяжении тысяч километров от берегов
Азии до Америки? Все дело в том, что, когда течение пыта¬
ется отклониться от экватора, оно попадает в более высо¬
кие широты либо Северного, либо Южного полушария, где
сила Кориолиса уже существенна. Смещение течения к севе¬
ру приводит к его отклонению вправо и возвращению в эк¬
ваториальную зону. Если же течение зайдет слишком дале¬
ко в Южное полушарие, отклоняющая влево сила заставит
его также вернуться к экватору и т. д. Таким образом, тече¬
ние Кромвелла является потоком, «захваченным в
ловушку».
Апвеллинг на экваторе в Тихом океане. Захватывается ли
также в ловушку течение, направленное на запад вдоль эква¬
тора в Тихом океане? Нет. Под воздействием юго-восточ¬
ных пассатов поверхностные воды здесь, как уже говори¬
лось выше, движутся на запад. Поверхностная вода, находя¬
щаяся к северу от экватора, отклоняется вправо, удаляясь
от нулевой параллели. Точно так же вода, движущаяся на
запад и находящаяся к югу от экватора, отклоняется влево,
т. е. снова от экватора. В результате возникает зона дивер¬
генции поверхностных вод (в слое между поверхностью и
Экваториальным подповерхностным противотечением) и,
как следствие,— подъем более глубоких вод к поверхности
(рис. 10.10, в). Таким образом, экваториальная зона Тихого
океана оказывается весьма продуктивной в биологическом
отношении и помимо других животных, например тунца,
здесь можно встретить кашалотов.
Эль-Ниньо — специфическое явление в экваториальной зоне
Тихого океана. В 1983 г. на Перу, страну с сухим климатом,
обрушились проливные дожди; ливневые потоки причинили
огромные разрушения и унесли многие человеческие жизни.
Такого сильного наводнения в истории страны не было с
1500 г. В том же году на Калифорнийское побережье обру¬
шились сильнейшие волны, которые размыли берег и разру¬
шили множество строений. Колонии морского ежа Dia¬
dem а, обитающего в коралловых рифах Карибского моря, в
1985 г. сильно поредели: с 14 000 особей на гектар до менее
1 особи на гектар! Что же явилось причиной столь значи¬
тельных нарушений климатических условий? Большинство
специалистов указывают на одного и того же виновника —
Эль-Ниньо.
Что такое Эль-Ниньо? По укоренившейся традиции так
называют появление на поверхности моря у берегов Перу
необычно теплой воды в декабре или на рождество, отсюда
и название — Эль-Ниньо, т. е. младенец Христос по-испан¬
ски. Обычно поверхностная вода у Перуанского побережья
имеет довольно низкую температуру вследствие сильного
апвеллинга. (Вспомните, что мы говорили о полосах при¬
брежного тумана в гл. 6.) Это район интенсивного рыбо¬
ловства; здесь в больших количествах добывают анчоус, ко¬
сяки которого нагуливаются в богатых пищей районах ап¬
веллинга. Но с вторжением теплой поверхностной воды
продуктивность планктона резко падает и косяки анчоуса
рассеиваются. В наше время уменьшение добычи анчоуса
наносит серьезный удар по производству рыбной муки в Пе¬
ру, и это ощущается затем во всем мире*.
Океанологи в течение длительного времени пытались
найти причины явления Эль-Ниньо. В 1979 г. У. Куинн по¬
казал, что в последние 100 лет с возникновением Эль-Ниньо
коррелировало изменение разности атмосферных давлений
над Дарвином (Австралия) и островом Пасхи в юго-восточ¬
ной части Тихого океана. Сами эти изменения управляются
атмосферным явлением очень большого масштаба, называе¬
мым Южным колебанием. Куинн предложил ввести индекс,
который позволил бы количественно выразить состояние
этого повторяющегося атмосферного явления и предсказы-
* В 1973 г., после весьма значительного Эль-Ниньо (1972 г.), мне
случилось пить пиво с двумя голландцами, которые жаловались на
рыбопродукты. Голландия в больших количествах импортирует
рыбную муку, используя ее как корм для бройлеров. Эль-Ниньо
1972 г. не позволило Перу выполнить контракты по поставке рыб¬
ной муки. Голландцы, с которыми я беседовал, были вынуждены
отправиться в Нью-Йорк, чтобы договориться о поставке соевых
бобов в качестве замены, и цена на сою подскочила до немысли¬
мых высот — свыше 10 долл, за бушель. Выгоды, которые сулила
продажа соевой муки, были так велики, что многие техасские ско¬
товоды распахали свои пастбища под эту культуру. Фермеры в
северо-западном регионе Тихоокеанского побережья США, разводя¬
щие норок, объединились для закупки и организации запасов белко¬
вых продуктов, с тем чтобы защитить свои рынки, а это вынудило
компании, сбывающие гранулированный корм в хозяйства аква¬
культуры, закупать пшеницу с высоким содержанием белка у про¬
изводителей виски, так как рынок рыбных отходов оказался под
контролем фермеров, разводящих норок. И все это из-за одного
Эль-Ниньо!
154
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
Печальные последствия сильного
волнения на побережье Калифорнии
были всего лишь одним из результа¬
тов Эль-Ниньо 1982— 1983 гг., «от¬
голоски» которого ощущались во
многих районах земного шара.
вать Эль-Ниньо. С тех пор были проведены многочислен¬
ные исследования, причем особое внимание ученые обрати¬
ли на Эль-Ниньо 1983 г. Однако как связано это явление с
Экваториальным подповерхностным противотечением?
Современное понимание этого вопроса таково. Под воз¬
действием Южного колебания в экваториальной зоне Тихого
океана происходят резкие ослабления пассатов. Это означа¬
ет, что крупная водная возвышенность, в обычных условиях
создаваемая ветрами у берегов Азии, не может более удер¬
живаться там слабыми ветрами, из-за чего возникает обрат¬
ный поток. Волны теплой воды быстро распространяются в
экваториальной зоне Тихого океана, причем основную роль
в этом играет Экваториальное подповерхностное противо¬
течение. Массы теплой поверхностной воды возвращаются
к восточной окраине Тихого океана, наталкиваются на побе¬
режье Эквадора и разделяются на северную и южную ветви.
Не вдаваясь в детали, можно сказать, что южная ветвь,
распространяясь на юг вдоль берега, и проявляется как Эль-
Ниньо. Северный поток имеет более сложное строение, но
движение больших масс теплой поверхностной воды на вос¬
токе экваториальной зоны Тихого океана приводит к воз¬
никновению штормов, которые в свое время произвели та¬
кие опустошения на пляжах Малибу-Бич.
Меандры Гольфстрима и вихри. На рис. 6.5 изображена схе¬
ма циркуляции в Северной Атлантике, дающая упрощенное
представление о переносе тепла в этом океаническом бассей¬
не. С 1960-х годов возможности наблюдения за Гольфстри¬
мом были значительно расширены благодаря картам по¬
верхностной температуры, измеряемой с искусственных
спутников Земли. Такие синоптические карты покрывают
большой район Северной Атлантики. На них видно, что
стрежень Гольфстрима вовсе не имеет «правильной» формы
и не изгибается плавно, как следует из рис. 6.5; течение
сильно искривляется, и эти искривления подобны меандрам
речного русла, причем смещения стрежня возрастают после
отрыва течения от побережья Америки, когда оно начинает
свой путь на восток через Северную Атлантику (рис. 10.11).
Карты температуры, измеренной со спутников в после¬
довательные моменты времени, показывают, что крупные
меандры в конечном счете стремятся «оторваться» от ос¬
новного течения и становятся при этом изолированными
«вихрями» диаметром до 1000 км. В этих образованиях кри¬
визна линий тока весьма велика, так что простое равновесие
между силой давления и силой Кориолиса не выполняется.
Применительно к меандрам и вихрям существенным элемен¬
том в балансе сил, управляющих их движением, являются
инерционные силы, связанные с ускоренным движением по
криволинейным траекториям. Более того, оторвавшись от
течения, вихри медленно мигрируют на запад; это указыва¬
ет на то, что важную роль в их динамике должно играть
трение.
После открытия вихрей Гольфстрима океанологи начали
исследовать другие течения, чтобы узнать, не происходят
ли с ними такие же процессы. Все большее количество дан¬
ных показывает, что такие вихри существуют практически
повсеместно в океанах, хотя динамические процессы, от¬
ветственные за их происхождение, могут различаться. Они
найдены на Полярном фронте, отделяющем Антарктичес¬
кую поверхностную воду от Центральной воды Южного по¬
лушария, обнаружены они повсеместно и в Тихом океане.
Некоторые океанологи даже полагают, что в любой мо¬
мент времени во всех вихрях Мирового океана заключено
больше кинетической энергии, чем в основных океанических
круговоротах. Здесь предстоит узнать еще многое.
Заключение
Жидкие среды могут реагировать на действие и поверхност¬
ных, и объемных сил. Поверхностной силой, которая почти
всегда учитывается при анализе динамики вод в океане, яв¬
ляется касательное напряжение, создаваемое ветром; имен¬
но оно порождает волны и океанические течения на поверх¬
ности океанов. Существует три вида объемных сил, дейст¬
вующих на большие массы жидкости: сила притяжения Зем¬
ли; сила давления (которую можно сравнить с увлечением
ГЛАВА 10. СИЛЫ, ПРИВОДЯЩИЕ В ДВИЖЕНИЕ ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРУ
155
Рис. 10.11. Меандры Гольфстрима [4].
Это мощное течение, которое ведет себя спо¬
койно у побережья США от Флориды до мыса
Хаттерас, после того как поворачивает на вос¬
ток и отрывается от берега, начинает меандри-
ровать. Обратите внимание на петлю, которую
образовывало течение в районе 62° з.д. 18
апреля; 28 апреля, оторвавшись от течения,
она уже превратилась в вихрь, который нес
теплую воду Саргассова моря (находящегося к
югу от Гольфстрима). Этот вихрь с теплым
ядром оказался в холодной воде моря Лабра¬
дор, находящегося к северу от Гольфстрима.
Большой меандр, заметный на первых трех
картах на южной стороне течения, 10 мая, по¬
сле отрыва, образовал вихрь с холодным яд¬
ром, оказавшийся в Саргассовом море. Теплые
и холодные вихри вращаются в противополож¬
ных направлениях; вспомните течения, окру¬
жавшие возвышенность на поверхности моря
(рис. 10.9).
тела вниз по склону холма на суше, но в океане она может
возникать или из-за наклона уровня моря, или из-за нерав¬
номерного распределения плотности); сила Кориолиса.
В большой степени движение воды в океане является стаци¬
онарным процессом; под этим подразумевается, что движе¬
ние непрерывно во времени.
Изучая, как действует касательное напряжение ветра на
поверхность океанов, можно многое узнать о крупномас¬
штабных движениях как в атмосфере, так и в океане. Про¬
исхождение восточных ветров в экваториальной зоне объяс¬
няется тем, что поднимающиеся частицы воздуха должны
двигаться медленнее, чем вращается Земля. Западные ветры
в средних широтах возникают, когда сухой холодный воздух
опускается к поверхности океана и вынужден приобретать
составляющую скорости на восток. Оба типа ветров возни¬
кают в силу сохранения момента количества движения. Кон¬
тиненты изменяют поясное распределение ветров, так что
пояса преобразуются в ячейки, располагающиеся над каж¬
дым океаническим бассейном. Область опускания воздуха
становится областью высокого давления, или атмосферного
максимума, над центральным районом океана; с севера и с
юга она граничит с областями низкого давления, или атмо¬
сферного минимума. Именно такая структура объясняет су¬
ществующее распределение ветров.
Вследствие отклоняющего эффекта, создаваемого враще¬
нием Земли, ветер не гонит воду на поверхности океана в
том же направлении, куда он дует. Вначале океан реагирует
так, что поток воды на поверхности направлен под прямым
углом к ветру. Этот механизм отвечает в основном за при¬
брежный апвеллинг и за подъем вод на экваторе в Тихом
океане. Этот же механизм создает в каждом океане водную
возвышенность, соответствующую структуре атмосферного
максимума. Но как только такая возвышенность образова¬
лась, океан быстро приходит в равновесное состояние, ха¬
рактеризующееся балансом сил, при котором течения на по¬
верхности океана устремляются вокруг возвышенности, а не
вниз по ее склонам.
Исключением из этого правила служит Экваториальное
подповерхностное противотечение в Тихом океане, сущест¬
вование которого объясняется тем, что на экваторе сила
Кориолиса равна нулю. Оно является составной частью апе¬
риодического явления, известного под названием Эль-
Ниньо.
Контрольные вопросы
1. «Большие вихри содержат маленькие, которые пита¬
ются их скоростью, а те в свою очередь содержат еще мень¬
шие и т. д., пока в игру не вступит вязкость». Так говорит¬
ся о турбулентной жидкости. Из тех четырех сил, которые
рассматривались в этой главе, какие скорее всего участвуют
в этом процессе?
2. Хотя в тексте речь об этом не шла, но не можете ли
вы объяснить, в чем разница, когда сливки смешиваются с
кофе и когда сливки размешиваются в стакане с кофе? В ка¬
ком случае требуется ложка?
3. а) Трение — это тот механизм, благодаря которому
атмосфера обменивается энергией с океанами. Взаимодейст¬
вие осуществляется в двух основных масштабах, далеко от¬
стоящих друг от друга. Об одном из них (большем) шла
речь в этой главе. Что это за масштаб и каковы основные
элементы циркуляции, соответствующие ему в атмосфере и
в океанах?
б) Второй из этих масштабов проявляется в таких харак¬
теристиках, как глубина верхнего хорошо перемешанного
слоя, упомянутого при анализе вертикальных профилей в
гл. 8. Какие структуры возникают в океанах под воздейст¬
вием атмосферных процессов, если диссипация этих струк¬
тур приводит к формированию верхнего перемешанного
слоя?
4. Что должно происходить с водой, образующейся при
таянии глубоко сидящего айсберга?
156
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
5. Что должно происходить с морской водой, с которой
перемешивается талая вода?
6. Опишите два типа условий, при которых может воз¬
никнуть горизонтальная сила давления, действующая на
жидкую частицу в толще океанов.
7. Подвергается ли частица жидкости во внутренней час¬
ти океана давлению со стороны вышележащего столба во¬
ды? Если да, то должна ли эта частица непременно переме¬
щаться в вертикальном направлении?
8. Все предыдущие вопросы довольно трудны. Теперь
легкий вопрос. Какие два названия имеет сила, действую¬
щая на частицу воды лишь в тех случаях, когда частица дви¬
гается?
9. Что вы ответите, если вас спросят, почему сила Кори¬
олиса не совершает работы?
10. Если сила Кориолиса не совершает работы, почему
она называется силой?
11. Все ли движущиеся объекты на Земле испытывают
воздействие силы Кориолиса? Если все, почему вы не заме¬
чаете ее, когда едете на автомобиле?
12. Какова связь между «смещением метеорологического
экватора» и тем фактором, что экваториальная зона в Ти¬
хом океане является местом, где в большом количестве до¬
бывают кашалотов?
13. Влияет ли сила Кориолиса на те объекты (в том чис¬
ле частицы жидкости), которые вначале вынуждены дви¬
гаться в широтном направлении?
14. Объясните, почему в изменении ветров у Орегонского
побережья наблюдается регулярность в годовом масштабе,
напоминающая периодичность муссонов?
15. Теперь мы добрались до какой-то непонятной водной
возвышенности, располагающейся приблизительно в цент¬
ральной части каждого океанического бассейна. Что служит
причиной образования подобных возвышенностей?
16. На схеме Вюста, изображенной на рис. 9.6, представ¬
лены свидетельства существования таких возвышенностей.
Что это за свидетельства?
17. А теперь трудный вопрос: ответьте на него — и вы
поймете все остальное. Если под действием касательного
напряжения ветра вода на поверхности океана начинает пе¬
ремещаться под прямым углом к ветру, то почему течения в
основных океанических круговоротах направлены по ветру?
18. Напишите небольшой трактат на тему: изменения,
происходящие в столбе морской воды при таянии айсберга
и при образовании нового льда.
ГЛАВА 11
ЦИРКУЛЯЦИЯ В ОКЕАНАХ
Как движется вода в океанах — в верхнем слое ветрового переме¬
шивания и в глубинах, где определяющим фактором является рас¬
пределение плотности?
Названия океаническим течениям начали давать, вероятно,
первые мореплаватели; сегодня это продолжают делать
океанологи. Читая эту и другие книги, вы встречали много
таких названий, причем некоторые упоминались без какого-
либо объяснения, поскольку они должны быть известны
большинству читателей. Но курс океанологии будет непол¬
ным, если не привести в нем наименования всех частей океа¬
нов, т. е. не включить в него океанографию. Этой задаче и
посвящена данная глава.
Однако в отличие от мореплавателей, которые видят
только поверхность моря, мы должны назвать и описать
элементы трехмерного океана. Это занятие не лишено поль¬
зы. До сих пор океан подавался читателю по кусочкам.
Описывая последовательно все элементы циркуляции, мы
придем к конечной цели — пониманию того, как эти эле¬
менты складываются в целостную картину.
Круговороты в центральных
поверхностных водах
Глядя на океаны в целом, можно убедиться в том, что по¬
верхностная циркуляция представлена круговоротами — по
одному в каждом океаническом бассейне (рис. 11.1) — и
каждый круговорот носит название соответствующего бас¬
сейна. Правда, первые мореплаватели не могли представить
себе картину океанической циркуляции в глобальном мас¬
штабе. Представления о циркуляции поверхностных вод
складывались по кусочкам, причем отдельным звеньям кру¬
говоротов давались названия как индивидуальным течени¬
ям. Эта практика сохранилась и в наши дни.
В описании к рис. 11.1 названия поверхностных течений
сгруппированы по круговоротам. Отметим, что каждый
круговорот имеет четыре звена. Причина здесь не в том,
что мы хотим облегчить читателю их запоминание, а в
том, что в каждом круговороте отчетливо выделяются за¬
падное пограничное течение, восточное пограничное тече¬
ние и соединяющие круговорот в одно целое течения ши¬
ротного направления.
Отличительные особенности центральных
круговоротов
Симметрия полушарий. Круговороты в Северном и Южном
полушариях симметричны относительно экватора. Этого
можно ожидать, поскольку основные черты поверхностной
циркуляции обусловлены воздействием ветра, а распределе¬
ния ветров в двух полушариях являются зеркальным ото¬
бражением одно другого. Причина симметрии в том, что на
экваторе меняется знак отклонения течений под действием
силы Кориолиса.
Мощные западные пограничные течения. Течения, направ¬
ленные к полюсам и располагающиеся на западных окраи¬
нах океанических бассейнов, гораздо мощнее течений обрат¬
ного направления (направленных к экватору) на восточных
окраинах океанов. Под словом «мощнее» подразумевается,
что западные пограничные течения уже, имеют большую
скорость и охватывают более толстый слой, чем течения у
восточных окраин океанов. Перечислим пять основных за¬
падных пограничных течений: Гольфстрим (в Северной Ат¬
лантике), Куросио (на севере Тихого океана), Восточно-Ав¬
стралийское (на юге Тихого океана), Бразильское (в Южной
Атлантике) и течение Мыса Игольного на юге Индийского
океана).
То, что восточные и западные пограничные течения су¬
щественно различаются между собой, известно уже несколь¬
ко столетий, но объяснение этому было дано лишь в 1948 г.
Как показал Стоммел [2] из Вудс-Холского океанографичес¬
кого института, различие в характере течений объясняется
тем, что сила Кориолиса возрастает от экватора к полюсам
(см. рис. 10.3). В целом изменение с широтой отклоняюще¬
го эффекта вращения Земли имеет два следствия: 1) течение
в круговороте усиливается на западной окраине океана и
ГЛАВА 11. ЦИРКУЛЯЦИЯ В ОКЕАНАХ
157
60°
0°
60°
120°
180°
120°
60°
Центральный круговорот северной части Тихого океана'.
1. Куросио.
2. Северо-Тихоокеанское.
3. Калифорнийское.
4. Северное Пассатное.
Центральный круговорот южной части Тихого океана'.
5. Восточно-Австралийское.
6. Западных Ветров (часть Антарктического циркумполярного те¬
чения).
7. Гумбольдта (Перуанское.— Ред.).
8. Южное Пассатное.
Центральный круговорот Индийского океана'.
17. Мыса Игольного.
18. Западных Ветров (часть Антарктического циркумполярного те¬
чения).
19. Западно-Австралийское.
20. Южное Пассатное.
Субарктический круговорот Северной Атлантики'.
26. Ирмингера.
27. Восточно-Гренландское.
28. Лабрадорское.
10. Северо-Атлантическое.
Центральный круговорот Северной Атлантики'.
9. Гольфстрим.
10. Северо-Атлантическое.
11. Канарское.
12. Северное Пассатное.
Центральный круговорот Южной Атлантики'.
13. Бразильское.
14. Западных Ветров (часть Антарктического циркумполярного те¬
чения).
15. Бенгельское.
16. Южное Пассатное.
Субарктический круговорот северной части Тихого океана:
21. Аляскинское.
22. Аляскинский поток.
23. Склоновое течение Берингова моря (Поперечное.— Ред.).
24. Камчатское.
25. Ойясио.
(29 — Межпассатное противотечение, 30 — Сомалийское
течение. — Ред.)
Рис. 11.1. Поверхностные течения Мирового океана.
2) центр водной возвышенности внутри каждого круговоро¬
та тоже смещается к западу.
Скорость пограничных течений на западе океанов намно¬
го больше, чем скорость восточных пограничных течений
обратного направления. В ядре Гольфстрима направленное
к полюсу течение достигает скорости 2 м/с и более. В про¬
тивоположность этому в направленном к экватору Канар¬
ском течении скорость составляет лишь 0,1—0,2 м/с, т. е.
примерно в десять раз меньше. Такие же соотношения ха¬
рактерны для других круговоротов.
Западные пограничные течения охватывают и значитель¬
но большую толщу воды. Гольфстрим проникает до глуби¬
ны по меньшей мере 2000 м. Почти в каждом современном
учебнике, где речь идет об океанических течениях, приводит¬
ся поперечный разрез западной части Атлантического океа¬
на, на котором в графическом виде представлено поле ско¬
ростей Гольфстрима, подчеркивающее исключительную
природу этого потока. Данные, использованные для постро¬
ения рис. 11.2, были получены во время выполнения разреза
от мыса Хаттерас на восток — поперек Гольфстрима. Тече¬
ние обнаруживается над перегибом шельфа, где проходит
граница между шельфом и континентальным склоном, с
удалением от берега скорость течения возрастает и достига¬
ет максимума 180 см/с на поверхности примерно в 75 км от
берега; практически весь перенос сосредоточен в прибрежной
полосе шириной 160 км. С глубиной ядро течения несколько
158
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
Карта Гольфстрима, составленная Бенджамином Франклином и опубликованная в Лондоне в 1786 г.,— первая карта этого мощного за¬
падного пограничного течения. (Из библиотеки Конгресса США.)
смещается в направлении открытого моря и касается дна на
континентальном подножии на глубине около 3000 м, но ско¬
рость течения здесь падает практически до нуля.
Глубже по краям ядра Гольфстрима обнаружены проти¬
вотечения. С тем из них, что расположено дальше от бере¬
га, связано движение Северо-Атлантической глубинной во¬
ды через весь Атлантический океан; ее источник — поверх¬
ностные воды у берегов Гренландии, а поднимается она на
поверхность у берегов Антарктиды (см. также схему Бюс¬
та — рис. 9.6). Эта глубинная циркуляция также усиливает¬
ся у западных окраин океанов (см. рис. 11.3).
Восточные пограничные течения. В отличие от западных
пограничных течений восточные имеют меньшие скорости,
занимают более широкую полосу, но более тонкий слой во¬
ды. На рис. 11.1 каждое из восточных пограничных тече¬
ний— Калифорнийское, Гумбольдта (Перуанское.— Ред.),
Бенгельское и Канарское — показано несколькими тонкими
стрелками. Перенос в этих течениях в основном ограничен
слоем от поверхности до глубины 500 м, а скорость редко
превышает 20 см/с; ширина же этих течений может дости¬
гать 1000 км (см. также карту течений Северной Атлантики,
приведенную на рис. 6.5).
Пояса западных ветров и возбуждаемые ими течения. Пере¬
нос к полюсам в западных пограничных течениях прослежи¬
вается лишь до широт примерно 45° в обоих полушариях.
На этих широтах — в согласии с распределением ветра,
т. е. наличием пояса западных ветров, — линии тока в кру¬
говоротах поворачивают на восток. В Северном полушарии
эти восточные потоки суть Северо-Тихоокеанское и Северо¬
Атлантическое течения. (В северной части Индийского океа¬
на аналогичного потока нет, поскольку к северу от экватора
в океане недостаточно места для образования стационарно¬
го круговорота.)
В Южном полушарии отсутствуют преграды в виде мас¬
сивов суши для потоков восточного направления. Благодаря
этому в полосе широт между 53 и 65° западные ветры гонят
поверхностные воды вокруг всего земного шара. Это так
называемое Антарктическое циркумполярное течение
(АЦТ). Таким образом, в Южном полушарии аналоги Севе¬
ро-Тихоокеанского и Северо-Атлантического течений факти¬
чески входят в АЦТ. Некоторые океанологи называют АЦТ
течением Западных Ветров Южного океана. Древним море¬
плавателям оно было хорошо известно — ведь они предпри¬
нимали рискованные попытки обогнуть мыс Горн, чтобы
добраться из Европы до Тихого океана. Мало того что при¬
ходилось идти против западного ветра, сильные течения и
высокие волны делали плавание вокруг мыса Горн одним из
самых опасных океанических маршрутов.
Асимметрия экваториальных (пассатных) течений
Как видно из рис. 11.1, в Тихом океане Южное Пассатное
течение временами пересекает географический экватор,
тогда как Северное Пассатное течение смещено к зоне
9—18° с.ш. Метеорологам давно известно, что пассаты в
двух полушариях не симметричны относительно экватора, в
особенности в Тихом океане; об этом явлении они говорят
как о «смещенном метеорологическом экваторе». Его поло¬
жение не фиксировано в тропической атмосфере: зимой в
Северном полушарии зона конвергенции северо-восточных и
ГЛАВА 11. ЦИРКУЛЯЦИЯ В ОКЕАНАХ
159
(а) На этой карте побережья Северной Америки показано течение
Гольфстрим. От Флориды до мыса Хаттерас течение держится
границы между шельфом и континентальным склоном. У мыса
Хаттерас оно отрывается от континента и идет на восток, пересе¬
кая Северную Атлантику. Штриховой прямой показано положение
разреза, данные которого были использованы для построения кар¬
ты распределения скоростей (б).
Расстояние от берега, м
(б) Распределение скоростей на поперечном сечении Гольфстрима у
мыса Хаттерас. На поверхности ядро Гольфстрима располагается
примерно в 75 км от берега, скорость течения здесь около 2 м/с.
Течение прослеживается до глубин свыше 2000 м. Заштрихованная
область соответствует противотечению экваториального направле¬
ния, переносящему Северо-Атлантическую глубинную воду, кото¬
рая образуется у берегов Гренландии, к Антарктиде [1].
Рис. 11.2. Характеристики Гольфстрима.
юго-восточных пассатов располагается около 5° с.ш., а ле¬
том она смещается иногда до 10° с.ш. Таким образом,
Коста-Рика орошается дождями муссонного типа с июля по
сентябрь, а в Колумбии наиболее сильные ливни наблюда¬
ются с декабря по февраль. Именно смещенный метеороло¬
гический экватор и является причиной несимметричного рас¬
положения экваториальных течений в океане.
В Северной Атлантике метеорологический экватор также
смещен, но не в такой степени, как в Тихом океане. Анало¬
гичное смещение в Индийском океане тесно связано с нали¬
чием муссонов в этом регионе, причем сезонные изменения
ветра служат причиной ежегодного развития и затухания
основного вдольберегового течения — Сомалийского (см. 30
на рис. 11.1). Сомалийское течение появляется у берегов Ке¬
нии и Сомали в июне—августе; зимой оно практически исче¬
зает, а иногда возникает течение обратного направления.
Лишь в последние годы океанологи начали изучать это те¬
чение, которое в период своего наибольшего развития по
скорости и расходу соперничает с Гольфстримом и поэтому
является важным элементом циркуляции поверхностных вод
Мирового океана.
Субполярные круговороты
Субарктический и субантарктический круговороты примы¬
кают соответственно с севера и с юга к основным океани¬
ческим круговоротам. В каждом из них циркуляция имеет
иной знак, чем в соседнем основном круговороте, поскольку
субполярные круговороты располагаются между поясами
западных ветров (находящимися ближе к экватору) и вос¬
точных (расположенными ближе к полюсу). Чтобы осве¬
жить в памяти картину распределения ветров, читатель мо¬
жет вернуться к рис. 3.1 и 7.4. Пока коснемся лишь субарк¬
тических круговоротов; о субантарктической циркуляции мы
поговорим более подробно, когда речь пойдет о полярных
океанах, в гл. 20.
Отличительные особенности субарктического
круговорота в северной части Тихого океана
Мы уже обращали внимание на этот круговорот в связи с
вопросом о миграции лосося (рис. 3.4). Здесь мы отметим
еще некоторые его особенности. Во-первых, субарктический
160
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
Айсберг, севший на мель вблизи
Годхавна на западном побережье
Гренландии. Каждый год от ледни¬
ков Западной Гренландии отрывает¬
ся большое число таких айсбергов,
попадающих в море Лабрадор.
круговорот поставляет поверхностные воды в Северный Ле¬
довитый океан через мелководный Берингов пролив. Это
единственная связь между Тихим и Атлантическим океана¬
ми в Северном полушарии, но она не очень существенна.
Перенос воды через Берингов пролив невелик — от 1 до
3 млн. м3/с, т. е. менее 1/10 расхода Гольфстрима у берегов
Флориды.
Во-вторых, цепочка Алеутских островов образует прони¬
цаемый барьер для этого круговорота. Поверхностные во¬
ды попадают в Берингово море через ряд межостровных
проходов в этой цепочке; среди них одним из наиболее важ¬
ных является пролив Унимак недалеко от оконечности полу¬
острова Аляска. В Беринговом море часть воды течет вдоль
границы между шельфом и континентальным склоном к по¬
луострову Камчатка, поворачивая на юг и образуя Камчат¬
ское течение. К югу от Камчатки располагается цепочка Ку¬
рильских островов, не мешающая поверхностной воде попа¬
дать в Охотское море. Отсюда берет начало течение Ойясио
(Курильское), которое, соединившись с Куросио и Северо-Ти¬
хоокеанским течением, замыкает субарктический круговорот.
Расчлененный рельеф дна и изрезанность береговой ли¬
нии делают субарктический круговорот в Тихом океане од¬
ним из самых сложных круговоротов. В циркуляции Тихого
океана он играет важную роль. Выше мы описывали связь
между этим субарктическим круговоротом и миграциями
тихоокеанского лосося. Большие скопления рыбы, в основ¬
ном сельди, наблюдаются там, где холодное течение
Ойясио встречается с теплым течением Куросио. Но основ¬
ным местом рыбного промысла являются обширные мелко¬
водные районы Берингова моря. Суда четырех стран —
СССР, США, Японии и Южной Кореи — вылавливают в
Беринговом море миллионы тонн рыбы; возможно, что в
сандвиче, которым вы вчера закусывали, был минтай из Бе¬
рингова моря.
Отличительные особенности субарктического
круговорота в Атлантическом океане
Северо-Атлантическое течение поставляет значительное ко¬
личество воды в Северный Ледовитый океан. Вода Гольф¬
стрима попадает в далекие северные районы (через Северо-
Атлантическое течение) — в Баренцево море, лежащее к
северо-востоку от Норвегии, и в район Исландии (рис. 11.1).
Однако севернее Полярного круга циркуляция приобретает
очень сложный характер. Основной направленный на запад
поток в северной части круговорота — это Восточно-Грен¬
ландское течение, которое огибает мыс Фарвель на южной
оконечности Гренландии и «подпитывает» поверхностные
воды моря Баффина, расположенного к западу от Гренлан¬
дии. Здесь поток делает петлю, поворачивая теперь на юг и
переходя в Лабрадорское течение, а затем замыкает круго¬
ворот, соединяясь с Северо-Атлантическим течением у бере¬
гов Ньюфаундленда.
От ледников, расположенных на западном побережье
Гренландии, отламываются многочисленные айсберги, ко¬
торые попадают в Лабрадорское течение, несущее их в зону
конвергенции с Северо-Атлантическим течением. Именно
один из таких айсбергов и оказался на пути «Титаника» в
известную роковую ночь. Но основная особенность этого
круговорота — обильные запасы рыбы.
На Большой Ньюфаундлендской банке треску ловили со
времен исторического путешествия Эрика Рыжего в X в.*
Этот район рыболовства лежит в зоне конвергенции холод¬
ного Лабрадорского течения и теплого продолжения
Гольфстрима. Ситуация весьма напоминает ту, что связана
с конвергенцией течений Ойясио и Куросио на северо-западе
Тихого океана. У берегов Норвегии теплые поверхностные
воды Северо-Атлантического течения встречаются с холод¬
ными водами Северного Ледовитого океана. Здесь, на гра¬
нице двух водных масс, которой соответствуют резкие пере¬
пады температуры, называемые фронтами, сосредоточены
запасы норвежской сельди.
* Основной примысел трески вблизи Ньюфаундленда начали вести
лишь после легендарной экспедиции сэра Мартина Фробишера в
XVI в., отправившегося на поиски Северо-Западного прохода. Мо¬
тивировал он это поисками «золота» в краях, которые теперь на¬
зываются полуостровом Лабрадор; это было «дутое золото» выс¬
шей марки. Настоящую славу Англии принесло совсем другое его
сообщение — об огромных серебристых косяках трески.
ГЛАВА И. ЦИРКУЛЯЦИЯ В ОКЕАНАХ
161
Как показано на рис. 11.1, в Восточно-Гренландском те¬
чении только часть воды принадлежит субарктическому кру¬
говороту Северной Атлантики. Часть потока образуют во¬
ды северной части Тихого океана, попавшие в Северный Ле¬
довитый океан через Берингов пролив. Дополнительным ис¬
точником служат могучие сибирские реки: они впадают в
Северный Ледовитый океан, и их вода в конце концов попа¬
дает в Северную Атлантику. Подробнее об этом будет идти
речь в гл. 20.
Циркуляция в глубинных слоях океана
В предыдущих главах мы выяснили, что глубинные слои
океанов «не чувствуют» воздействия ветра. Вместе с тем не¬
равномерное нагревание поверхности солнечными лучами
так изменяет глобальное распределение плотности морской
воды, что в глубинных слоях может происходить «опроки¬
дывание» водных масс. Наряду с этим мы узнали, что такие
характеристики глубинных вод, как температура и соле¬
ность, приобретаются только на поверхности, где испарение
и охлаждение так изменяют плотность воды, что она погру¬
жается вглубь до некоторого равновесного уровня. Этот
процесс называется даунвеллингом. В некоторых районах
он очень интенсивен, и я называю его в этих случаях «зеле¬
ной дырой», чтобы подчеркнуть, что в плотностной страти¬
фикации океана происходит прорыр — в зеленоватой воде
океана как бы пробивается дыра. Поскольку в результате
даунвеллинга поверхностный слой теряет воду, должен су¬
ществовать компенсационный поток воды с глубины к по¬
верхности. Такой подъем мы называем апвеллингом. Схема
глубинной циркуляции изображена на рис. 11.3.
Основные зоны даунвеллинга
Наиболее сильным изменениям температура и соленость по¬
верхностных вод подвергаются в полярных и субполярных
районах; это и есть зоны наиболее интенсивного даунвел¬
линга. Имеются три такие зоны, и, что интересно, в каж¬
дой из них действуют свои процессы, приводящие к возник¬
новению даунвеллинга.
Антарктический полярный фронт. В зоне Антарктического
полярного фронта вода промежуточной плотности образу¬
ется в результате смешения относительно теплых Цент¬
ральных и Субантарктических поверхностных вод с холод¬
ными слабосолеными поверхностными водами, покидающи¬
ми область таяния льдов Антарктиды. Эта зона, которую
называют также Антарктической конвергенцией (рис. 9.5)
или просто Полярным фронтом (рис. 9.6), служит источни¬
ком Антарктической промежуточной воды. В гл. 9 говори-
60°
0°
60°
120°
180°
120°
60°
75°
60°
30°
0°
30°
60°
Районы, где
образуются
и погружаются
глубинные и
придонные воды
Районы,где
образуются и
погружаются
промежуточные
.Основные направления
перемещения глубинных
I и придонных вод
Основные районы
апвеллинга
XX X X
XXX
воды
Рис. 11.3. Циркуляция в глубинных слоях океанов [3].
162
ЧАСТЬ IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ
лось о том, что смесь двух водных масс с одинаковыми
плотностями, но различными температурами и соленостями
имеет большую плотность, чем каждая из этих масс, и дол¬
жна опускаться глубже того уровня, на котором происходит
смешение.
Арктические полярные фронты. В Северном полушарии
имеется несколько районов, где образуются водные массы
большой плотности. В зонах взаимодействия течений
Ойясио и Куросио в Тихом океане, Лабрадорского течения и
продолжения Гольфстрима в Северной Атлантике смешение
холодных и теплых водных масс приводит к образованию
воды промежуточной плотности, но этот процесс не столь
ярко выражен, как в зоне Антарктического полярного фрон¬
та (рис. 11.3).
Однако по крайней мере в двух местах вблизи Гренлан¬
дии в результате исключительно быстрого испарения и
охлаждения образуется очень плотная вода (рис. 11.3). Как
уже говорилось выше, когда холодный сухой континенталь¬
ный воздух проходит над океаном, плотность поверхност¬
ной воды может возрасти настолько, что начнется мощный
даунвеллинг — зеленые дыры, — благодаря чему модифи¬
цированная поверхностная вода проникает в глубочайшие
океанические впадины. Таковы источники Северо-Атланти¬
ческой глубинной и придонной вод, расход которых около
5 млн. м3/с. Существенно, что поверхностные слои в этих
зонах даунвеллинга у берегов Гренландии питаются водой
высокой солености, переносимой на север Гольфстримом и
его продолжением. (Важная роль этого явления объясняется
в следующем разделе, где рассматривается взаимосвязь
между циркуляцией в верхнем и глубинных слоях.)
Образование Антарктической придонной воды. Эта самая
плотная в Мировом океане вода возникает у берегов Ан¬
тарктиды, в основном в море Уэдделла (рис. 11.3). Антарк¬
тическая придонная вода образуется, когда в Южном полу¬
шарии стоит зима, причем к ее формированию приводит
главным образом выделение растворенных в морской воде
солей при ее замерзании и превращении в лед (см. также
рис. 10.1,6). Вода подо льдом оказывается «перегружен¬
ной» солями до такой степени, что начинает погружаться
на дно. Через эту зеленую дыру опускается примерно
25 млн. м3/с воды с соленостью 34,68%о и температурой ни¬
же 0 °C, что приблизительно в пять раз превышает ско¬
рость опускания Северо-Атлантической глубинной воды у
берегов Гренландии.
Глубинные течения
Горизонтальные течения в глубинах океана гораздо слабее
течений на поверхности. Мы предпочитаем говорить о глу¬
бинных движениях не как о «течениях», а как о «распро¬
странении» воды. И все-таки океанологи выявили несколько
зон, в которых концентрируются глубинные потоки; эти зо¬
ны показаны на рис. 11.3. Тихий и Индийский океаны — ос¬
новные потребители глубинной и придонной воды, тогда
как Атлантический океан — главный ее поставщик.
Пути основного переноса воды глубинными потоками
проходят главным образом вблизи западных окраин океани¬
ческих бассейнов. Лучше всего мы представляем себе глу¬
бинный поток под Гольфстримом (см., например, попереч¬
ный разрез Гольфстрима на рис. 11.2); этот поток довольно
узок, расположен сразу за ядром Гольфстрима, дальше от
берега, проходит на глубинах свыше 2000 м, а скорости в
нем не превышают 10 см/с.
Взаимодействие поверхностной и глубинной
циркуляции — некоторые следствия
Можно считать, что те 5 млн. м3 Северо-Атлантической
глубинной воды, которые образуются каждую секунду у бе¬
регов Гренландии, теряются поверхностным слоем. В та¬
ком случае должен существовать компенсирующий приток
воды в поверхностный слой Северной Атлантики. Около
3 млн. м3/с воды поступает из Северного Ледовитого океа¬
на (примерно столько же, сколько Тихий океан поставляет в
Северный Ледовитый через Берингов пролив). Недостаю¬
щие 2 млн. м3/с плюс такое же количество, теряемое Ат¬
лантическим океаном из-за испарения и переносимое с воз¬
душными потоками в Тихий океан (см. рис. 6.5), должно ка¬
ким-то образом возмещаться. Мы знаем, что прибрежный
апвеллинг — не столь мощное явление, чтобы обеспечить
целиком возврат этого объема воды.
Оказывается, Северная Атлантика «импортирует» по¬
верхностные воды из Южной Атлантики благодаря трансэк¬
ваториальному переносу в Южном Пассатном течении. Эта
связь становится понятной, если взглянуть на схему поверх¬
ностной циркуляции на рис. 11.1. Такой довольно значи¬
тельный перенос вод через экватор — явление, присущее
только Атлантике. Северное Пассатное течение, а затем
Гольфстрим и его продолжение в виде Северо-Атлантичес¬
кого течения несут эту «импортную» воду к берегам Грен¬
ландии — к зеленым дырам, где и происходит «замыкание»
баланса поверхностных вод.
Однако мы не можем говорить о сбалансированности
прихода и расхода вод Северной Атлантики, пока не объяс¬
ним, что происходит с 5 млн. м3 воды, которые ежесекунд¬
но уходят в глубинные слои. Из сказанного выше следует,
что они также должны пересекать экватор, двигаясь из Се¬
верного полушария в Южное; перенос осуществляется бла¬
годаря потоку Северо-Атлантической глубинной воды, дви¬
жущейся через экватор к Антарктиде.
Апвеллинг как компенсация даунвеллинга
Требование баланса масс между верхним и нижележащими
слоями океана, а также между Северной и Южной Атланти¬
кой позволяет получить окончательное объяснение двух ас¬
пектов движения воды в океане. Ясно, что на обширной ак¬
ватории Атлантического океана должен существовать ин¬
тенсивный апвеллинг, обеспечивающий возвращение в по¬
верхностный слой и той воды, которая погрузилась в ре¬
зультате даунвеллинга у берегов Гренландии, и той, с кото¬
рой связано формирование придонной воды у Антаркти¬
ды ,— всего около 30 млн. м3/с (что также примерно соот¬
ветствует расходу Гольфстрима у Флориды). Если прибреж¬
ный и экваториальный апвеллинг не в состоянии обеспечить
такой поток, то в чем же здесь дело?
Мощный апвеллинг у берегов Антарктиды. Подъем к по¬
верхности Северо-Атлантической глубинной воды происхо¬
дит главным образом в Южном океане у берегов Антаркти¬
ды. Таким образом, основной механизм, который мы
ищем, — это не прибрежный апвеллинг. Как следует из схе¬
мы Бюста (рис. 9.6), мощный подъем Северо-Атлантичес¬
кой глубинной воды и является недостающим звеном в цепи
взаимодействия между верхним и глубинными слоями океа¬
на. Именно этот апвеллинг обеспечивает высокую продук¬
цию фитопланктона на большой площади вокруг Антаркти¬
ды, а вместе с ней и скопления криля, большое количество
пингвинов, тюленей, птиц и, разумеется, гладких китов.
ГЛАВА И. ЦИРКУЛЯЦИЯ В ОКЕАНАХ
163
Повсеместный диффузный апвеллинг в океанах. В течение
многих десятков лет океанологи были озадачены существо¬
ванием постоянного термоклина. Находящийся на глубине
около 300 м в тропиках и 800 м в центральных водах посто¬
янный (главный) термоклин обнаруживается в океанах по¬
всеместно. Чем же обеспечивается его существование? Поче¬
му при наличии постоянного потока солнечного тепла диф¬
фузия тепла вниз не приводит к постепенному размыванию
термоклина?
Стоммел выдвинул гипотезу, согласно которой непре¬
рывная диффузия тепла вниз на некотором уровне в точно¬
сти компенсируется направленной вверх диффузией холод¬
ной воды и этот второй процесс имеет такое же повсемест¬
ное распространение в океане, как и сам термоклин. В пред¬
ложенной Стоммелом модели глубинной циркуляции, на ко¬
торой основан рис. 11.3, использовано предположение о
том, что распространение глубинной воды вверх через тол¬
щу океана отчасти обеспечивается ее перемешиванием с вы¬
шележащими слоями. В некотором смысле речь идет о по¬
всеместном диффузном апвеллинге.
Насколько быстрым может быть такой диффузный ап¬
веллинг? Если разделить поток, обусловленный даунвеллин-
гом в зеленых дырах (30 млн. м3/с), на площадь всех океа¬
нов, то мы получим грубую оценку скорости диффузного
апвеллинга — около 1 см/сут.
Модель Стоммела была тут же взята на вооружение
биологами, которые давно задавались вопросом, каким об¬
разом вдали от берега может поддерживаться даже мини¬
мальная первичная продукция при неизбежном уменьшении
нитратов. Отчасти это возможно благодаря диффузному
подъему богатых питательными веществами глубинных вод.
Заключение
Раньше или позже, но читатель должен изучить географиче¬
ский аспект науки об океанах — океанографию. Понятие
«океанография» эквивалентно географическому описанию
континентов, их названий и расположений, но относится к
водным массам (рис. 9.5). Далее, описание расположения на
континентах различных стран в океанографии соответствует
тому, что вы даете названия течениям и определяете их по¬
ложение. Тем самым оправдывается работа по обозначению
поверхностных «структур» Мирового океана.
Однако в одном отношении океанография отличается от
географии. В океанографии мы рисуем трехмерную картину
среды. Вот почему в эту главу мы включили описание глу¬
бинных слоев океана. Насколько труднее в этом смысле за¬
дача океанографа, который не может ни увидеть глубины
океана, ни отправиться туда и должен описывать в неизмен¬
ных понятиях то, что беспрестанно меняется! Необходимо,
абсолютно необходимо уметь описывать и поверхностные,
и глубинные слои океанов; в противном случае мы не мо¬
жем охарактеризовать взаимодействие между ними, интен¬
сивный региональный апвеллинг и множество других явле¬
ний и процессов в океане.
Чтобы совершить путешествие в любом круговороте,
поверхностной воде требуется от 1 года до 3 лет. Глубин¬
ной воде для того, чтобы пройти весь путь, нужны сотни
лет. Поверхностные течения переносят огромные количест¬
ва воды, которая служит «рабочим телом» в тепловой ма¬
шине Земли. Гольфстрим в том месте, где он отходит от
мыса Хаттерас, переносит около 60 млн. кубометров воды
в секунду. Некоторые течения достаточно сильны, хотя и
располагаются существенно ниже поверхности: у Экватори¬
ального противотечения в Тихом океане расход составляет
30 млн. м3/с. Наиболее полноводное из всех течений и
единственное, охватывающее и поверхностный, и глубин¬
ные слои, — это Антарктическое циркумполярное течение,
расход воды которого в три раза больше, чем у Гольфстри¬
ма. Эта великая «океанская река» протекает через все основ¬
ные океанические бассейны. Через пролив Дрейка, к югу от
мыса Горн в Южной Америке, она переносит поверхност¬
ную воду из Тихого океана в Южную Атлантику. Тем са¬
мым обеспечивается возврат поверхностной воды, которая
прежде была перенесена из Северной Атлантики в северную
часть Тихого океана в виде влаги воздушными потоками,
пересекающими перешеек в Центральной Америке.
Изучение взаимодействия между поверхностной и глу¬
бинной циркуляцией помогает прояснить особенности дви¬
жения воды в океанах. В одной только Атлантике около
30 млн. кубометров поверхностной воды погружается еже¬
секундно в глубинные слои; в основном данный процесс
идет в море Уэдделла вблизи Антарктиды. Необходимость
замещения этой воды служит причиной трансэкваториаль¬
ного переноса поверхностной воды из Южной Атлантики в
Северную и мощного регионального подъема Северо-Атлан¬
тической глубинной воды к поверхности в Южном океане.
Апвеллинг и объясняет существование здесь величайшей в
мире популяции животных организмов — антарктического
криля и скопления самых крупных из млекопитающих — си¬
них китов.
Контрольные вопросы
Классическим способом изучения основных океанических те¬
чений является метод «морской почты». Предположим, мы
бросили закупоренную бутылку в океан. По какому пути
она будет плыть и куда приплывает? Рассмотрим эти воп¬
росы на примерах.
1. Майкл Рокфеллер, сын Нельсона Рокфеллера, пропал
во время экспедиции в Новую Гвинею, где он занимался фо¬
тосъемкой. Могла ли кассета с пленкой быть выброшена на
принадлежащий Рокфеллерам участок побережья Лонг-
Айленда? Проследите за возможными путями кассеты и на¬
зовите течения, в которых она могла путешествовать.
2. Новобрачные, проводившие медовый месяц на Гавай¬
ских островах, бросили в Тихий океан две бутылки из-под
шампанского с записками. Одна бутылка была найдена на
японском побережье около Иокогамы, а другая — у города
Джуно на Аляске. Когда молодожены получили назад свои
«послания», они увидели, что бутылка, вернувшаяся из
Иокогамы, больше обросла водорослями и морскими уточ¬
ками, чем другая бутылка. Можете ли вы объяснить поче¬
му? Назовите и покажите на карте основные течения Тихого
океана, которые, по вашему мнению, участвовали в достав¬
ке этой «корреспонденции».
3. Имеются две основные причины, по которым поверх¬
ностная вода из Южной Атлантики пересекает экватор и по¬
падает в систему циркуляции Северной Атлантики. Можете
ли вы описать глобальные процессы, которые обеспечивают
этот трансэкваториальный перенос в Атлантическом океа¬
не? Почему ничего подобного не наблюдается в Тихом океа¬
не? Указание: см. рис. 6.5 и 11.3.
4. В гл. 9, где шла речь о водных массах, Антарктиче¬
ское циркумполярное течение было названо «Большим связу¬
ющим течением». Основания для этого становятся еще бо¬
лее весомыми, если посмотреть на карту глубинной циркуля¬
ции на рис. 11.3. Объясните смысл сделанного утверждения.
Часть V
Как организовать изучение морской биосферы?
МОРСКАЯ БИОСФЕРА
В этой части обрисованы контуры тонкой организации сообществ живых организмов, которые до сих пор
еще плохо изучены из-за скрывающих их глубин темных вод.
ГЛАВА 12
ГЛАВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ
НА МОРСКУЮ БИОСФЕРУ
Морская биосфера на протяжении всей своей истории находится
под постоянным воздействием факторов внешней среды, на что
живые организмы отвечают развитием своеобразных приспособле¬
ний.
Общий обзор V части
В первых четырех частях этой книги раскрыты широкие
перспективы науки о море. В них показано, какие физиче¬
ские законы управляют режимом океана. Теперь у нас есть
основа, необходимая для того, чтобы выстроить приемле¬
мое представление о том, что же такое морская экосисте¬
ма, как она устроена и почему ведет себя именно так. Сле¬
дующий шаг отражает наблюдение, сделанное известным
английским исследователем моря Алистером Харди:
«Некоторые думают, что слово «экология» — это просто совре¬
менное название того, что они всегда называли естествознанием...
Мне кажется, что между этими понятиями существует важное раз¬
личие, и... должно быть ясно, что мы под этим подразумеваем.
Я определил бы экологию как отрасль науки, которая рассмат¬
ривает взаимоотношения между живыми организмами и окружаю¬
щей их средой. Естествознание же — это описание природы. Эко¬
логия идет дальше; как наука она регистрирует взаимосвязи в орга¬
ническом мире количественно — она их измеряет. Если мы отмеча¬
ем, что распространение какого-то вида рыб ограничивается теп¬
лыми океанскими водами и что эти рыбы питаются различными
видами креветок, — это чистое естествознание. Если же мы можем
определить температуру воды и степень солености, которые огра¬
ничивают распространение данного вида рыб, и путем серии вскры¬
тий определяем средний процентный состав их пищи в разное вре¬
мя года и для особей разного возраста, вот тогда мы начинаем
кое-что понимать в их экологии.
Однако цель экологии — не просто численно выразить взаимо¬
связи организмов с окружающей средой, но... со временем, шаг за
шагом, глубже проникнуть в законы, действующие в мире живых
существ» [3].
Открытое море
Мысль о том, что в мире живых организмов действуют
особые законы, — вот то главное, что отличает экологию от
других наук. Физиология, биохимия и биофизика — это лабо¬
раторные науки, которые описывают сложные механизмы
самой жизни, но они основываются на поведении электронов,
атомов и молекул, слагающих органические вещества. Эколо¬
гия по праву становится наукой, поскольку в нее в качестве
неотъемлемой составной части входит количественная оцен¬
ка взаимосвязей организмов как живых существ.
На рис. 12.1 показан один способ построения каркаса
морской биосферы. Здесь отражены главные составляющие
океана, которые были описаны раньше. К ним добавлены
следующие факторы, которые будут раскрыты в ч. V.
1. Механика океанских вод. Неравномерный солнечный
нагрев приводит в действие ветры и течения, а также верти¬
кальное перемешивание воды. Везде, кроме высоких широт,
постоянно существующие термоклины и галоклины созда¬
ют двухслойное строение. Граница слоев — устойчивый
барьер, через который перемешивание идет медленно, по¬
средством диффузии. Из этого следует также разделение
биосферы на две разные части: эвфотическую и бентосную.
2. Пищевые цепи. Солнечная энергия питает сложные со¬
общества жизни. Существует два таких сообщества: одно —
в пределах зоны проникновения света и другое, занимающее
более глубокие слои океана. Они связаны детритным зве¬
ном. Пищевые цепи образуют трофические уровни (не пу¬
тать с глубинами). Вверху размещаются автотрофы — рас¬
тения, способные к органическому синтезу. За ними следу¬
ют уровни гетеротрофных организмов, начинающиеся рас¬
тительноядными и продолжающиеся несколькими ступеня¬
ми хищников.
3. Абиотический круговорот. Химические элементы не¬
прерывно поступают из рек, выбросов вулканов и из под¬
водных источников. Лишние соли удаляются химическим
путем через осадконакопление.
4. Фактор разложения. Для каждой экосистемы, которая
не имеет доступа к неорганическим пищевым ресурсам, не¬
обходимо, чтобы органическое вещество вступало в повтор¬
ный цикл. Эту функцию везде выполняют бактерии.
Интересно, что наши экологические исследования в море
могут быть продвинуты дальше, чем на суше. Это, по край¬
ней мере частично, происходит из-за того, что мы одомаш¬
нили много растений и приручили стольких животных, ко¬
торые служат нам пищей. Действительно, многие одомаш¬
ненные виды так изменились в результате генетической се¬
лекции и затем их развели в таких огромных количествах,
вытесняя тем самым природную фауну и флору из лучших
мест обитания, что мы никогда не сможем изучить естест¬
венную экологию оставшихся наземных видов. Например,
мы очень полагаемся на опыты с зерновыми, но зерновые,
какими мы их знаем сегодня, генетически настолько отлича¬
ются от своих предков, что продолжение их существования
в свою очередь целиком зависит от нас. Мы должны уби-
166
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Z*
-г
Средняя инсоляция 7 • 106 кал/(м2. сут)
99% солнечной энергии — в механических процессах
1% - на биологические процессы; первичная продукция равна 70 000 кал/(м2 сут)
Круговорот
1-й трофический уровень,
автотрофы (растения)
Г
20% растительноядным
На поддержание жизни
20% - на следующий трофический уровень; 14 000 кал^м^сут)
Круговорот
i <
Отмершие организмы
Круговорот 4=^
Круговорот
Накопление
детрита
Проникновение
в глубины
Круговорот
питательных
и химических
веществ
/фекальный материал
/Дополнительные ступени (до трех
( 20% - на следующий трофический
Х^ровень; 560,112 и 22 кал/(м2- сут)
4;. • На поддержание жизни
Фекальные комочки
С - =
Отмершие организмы
; На поддержание жизни
: ЧЛ1
20% - на следующий трофический уровень; 2800 кал/ (м2 - сут)
Фекалии у
Ж
^777/У777/////////////////7//^7//////У/УУУ/'УУ>/у/у//
У/уУ/Барьер устойчивости к вертикальному перемешиванию//
,^0^^ZZZZZZzzzzzZZZZZZZZzzzzzzzZZZZZZZZZZZ^zzzZ/
НИЖНИЙ, ГЛУБИННЫЙ СЛОЙ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЙ ТЕРМОГАЛИННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
2-й трофический уровень,
гетеротрофы
(растительноядные)
20% плотоядным
I
ВЕРХНИЙ СЛОЙ ОКЕАНА, ИСПЫТЫВАЮЩИЙ ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЕТРА
ПЛОТОЯДНЫМ
20%
Донные рыбы, креветки
Черви, бактерии
3-й трофический уровень,
гетеротрофы (плотоядные)
Донные осадки
—X
трофические уровни
(плотоядные)
Рыбы
Хищничество
Хищничество
Рис. 12.1. Экосистема океана — общее представление.
рать злаки, обмолачивать зерно и снова сеять его; совре¬
менные зерновые, оставленные на произвол судьбы, не мо¬
гли бы успешно воспроизводиться.
Отдельные структуры, показанные на рис. 12.1, пред¬
ставляют собой обобщения весьма сложной системы. Тем
не менее морскую экосистему изучать все-таки проще, чем
наземную. Как показано в следующих главах, число различ¬
ных биогеографических провинций совсем невелико. Количе¬
ство видов в морской биосфере заметно меньше, чем в на¬
земной. Экология моря успешно развивается и по другой
причине. Морскую биосферу можно анализировать, объеди¬
няя составляющие ее организмы в группы; например, мы
можем изучать фитопланктон методами, похожими на те,
что применяются в химии растворов. Именно жидкая окру¬
жающая среда позволяет морской экологии опережать в
своем развитии экологию суши.
Термины и определения
Сначала дадим определения новых терминов, необходимых
для описания биосферы моря.
Экосистема. Часть природной среды, в которой живая и
неживая материя находится в состоянии непрерывного вза¬
имного обмена; при этом обмен поддерживается необрати¬
мым потоком имеющейся энергии.
Строго говоря, «в состоянии непрерывного взаимного
обмена» значит, что система закрыта для поступления из¬
вне всего, кроме энергии. В настоящее время при изучении
океанов мы вынуждены отклоняться от строгости — систе¬
ма слишком обширна, а пробы отбираются на слишком
большом расстоянии одна от другой. Поэтому мы делим
систему на более мелкие части до тех пор, пока не станет
возможным оценивать количественно все факторы. Напри¬
мер, мы можем изучать экосистему эвфотической зоны от¬
крытого океана, не учитывая влияния речного стока.
Сообщество. Группа популяций различных видов, кото¬
рые живут вместе во всей географической области. По¬
скольку эти популяции встречаются вместе, биологические
факторы — такие, как хищничество или конкуренция, —
воздействуют на все сообщество. Обычно физические усло¬
вия тоже являются общими, например у литорального сооб¬
щества, обитающего на скалистых берегах.
Популяция. Все особи некоторого вида, связанные с од¬
ной географической областью обитания. Однако важно от¬
метить, что особи одного вида могут принадлежать к раз¬
личным популяциям. Например, во всем заливе Мэн ветре-
ГЛАВА 12. ГЛАВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА МОРСКУЮ БИОСФЕРУ
167
чается один вид атлантической сельди, но особи объединя¬
ются в разные популяции по областям, в которых они ме¬
чут икру, — на отмели Джорджес-Банк, на отмели к юго-
западу от полуострова Новая Шотландия или в других ме¬
стах. Распознать популяции внутри вида бывает трудно,
особенно там, где они в некоторые сезоны смешиваются,
например в местах питания.
Компонент. Различимая функция внутри какой-либо эко¬
системы. Обычно говорят, что экосистема состоит из четы¬
рех компонентов: автотрофов — видов, способных синте¬
зировать органические соединения из неорганического мате¬
риала с помощью световой энергии; гетеротрофов — ви¬
дов, источниками энергии для которых служат химические
соединения из органических веществ, синтезированных ав¬
тотрофами или другими гетеротрофами; абиотического
материала — питательных веществ и минеральных элемен¬
тов, необходимых для жизни, и редуцентов — видов, раз¬
лагающих органические соединения до основных элементов.
Экологическая ниша. Работа, которую организмы вида
выполняют в пределах сообщества. Например, бактерии
производят работу по разложению тел отмерших растений
и животных.
Местообитание. Физическое местоположение организма
в географическом ареале, занятом сообществом. Например,
рыба хек занимает зону глубин около 140 м вдоль шельфа.
Трофический уровень. Уровень в пирамиде систем
хищник — жертва, которые составляют пищевую (трофиче¬
скую) цепь (рис. 12.1). Второй трофический уровень состоит
из растительноядных животных (фитофагов), питающихся
растениями; третий трофический уровень представляет со¬
бой первый уровень плотоядных и т. д. В океанах существу¬
ет четкая зависимость между номером трофического уровня
и размером организма. Трофические уровни не следует пу¬
тать с физическими глубинами океана, на которых обитают
виды. Редуценты встречаются на каждом трофическом
уровне, в том числе и на первом, состоящем из растений.
Пищевая цепь. Путь обмена между видами, по которому
пища переносится от одного трофического уровня к друго¬
му, образуя пищевую сеть; например, диатомовые водорос¬
ли, копеподы, эвфаузииды и киты.
Пищевая сеть. Пирамида трофических уровней, включа¬
ющая в себя множество сложных трофических отноше¬
ний — пищевых цепей. Сложность возрастает по мере того,
как меняется способ питания; например, поедаемые виды
заменяются другими в зависимости от того, сокращаются
или растут их популяции.
Доминирующий вид. Внутри трофического уровня обыч¬
но есть один вид, плотность которого превосходит плотно¬
сти других видов. Например, среди морских растений перво¬
го трофического уровня один вид динофлагеллят может
быть представлен подавляющим числом особей. Доминиро¬
вание часто представляет собой сезонное явление, например
появление больших масс динофлагеллят, вызывающее так
называемые красные приливы. Кроме того, доминирование
связано с жизненным пространством в сообществе. На¬
пример, мидия (двустворчатый моллюск) будет вытеснять
другие прикрепленные виды в приливно-отливной зоне сооб¬
ществ скалистого берега.
Хищник — жертва. Любая пара видов организмов, через
которые энергия органического вещества переносится с од¬
ного трофического уровня на другой.
Конкуренция. Конкурентное взаимодействие между осо¬
бями как необходимое средство самоограничения. Конкурен¬
ция может быть из-за пищи или территории, хотя обычно
это взаимосвязано.
Экологическая сукцессия. Процесс изменения сообществ,
при котором популяции и отношения хищник — жертва из¬
меняются со временем. Само сообщество в целом сохраня¬
ется, но претерпевает изменения. В том географическом
ареале, который остается стабильным в течение длительно¬
го времени, конечное сообщество называется климаксовым.
Если происходит резкое нарушение, так называемая пертур¬
бация, климаксовое сообщество может вернуться на более
раннюю стадию развития — одну из тех, через которые оно
проходит, развиваясь в нормальном случае по направлению
к стадии климакса. Но конечным результатом когда-то сно¬
ва будет то же самое климаксовое сообщество.
Пертурбация. Аномальный стресс, испытываемый сооб¬
ществом. Повседневные стрессы являются нормальными, и,
следовательно, их нельзя считать пертурбациями.
Первичная продукция. Количество биомассы раститель¬
ного вещества, производимого в единицу времени, которое
измеряется в любых удобных единицах, например в тоннах
в сутки.
Биомасса. Количество живой протоплазмы, которая су¬
ществует в какой-то момент времени. Обычно мы говорим
о биомассе данного трофического уровня, например сельде¬
вых. Гипотетический способ узнать численные значения
биомассы для данного объема океана — профильтровать
его через серию сит с постепенно уменьшающимся разме¬
ром ячеек. Масса всех животных, взятых из сита с самыми
крупными ячейками, вероятно, будет биомассой более высо¬
ких трофических уровней. Биомасса, захваченная самым
тонким фильтром, должна быть биомассой фитопланкто¬
на — первого трофического уровня.
Системные факторы
Как организована биосфера моря? Если бы мы сумели от¬
крыть основные законы, управляющие поведением живых
организмов, можно было бы предсказать организацию био¬
сферы. Мы же, наоборот, можем разработать модели орга¬
низации систем и проверить их наблюдениями в природе,
надеясь обнаружить закономерности, которые позволят
сформулировать основные законы. Как мы неоднократно
указывали, факторы, которые определяют физические
свойства гидросферы, настолько отличаются от наземных
факторов, что необходимые модели и исследования не мо¬
гут охватить их все. Однако методика использования моде¬
лей одна и та же во всех экологических исследованиях.
Полностью эту идею иллюстрирует схема, изображенная
на рис. 12.2. Здесь перечислены контролирующие физиче¬
ские и биологические факторы, которые необходимо под¬
робно описать, прежде чем можно будет разработать мо¬
дель морской биосферы. Из физики нам нужно воспользо¬
ваться соответствующими описаниями всех движений, про¬
исходящих в океанах, — от мелкомасштабной турбулентной
диффузии до огромных круговоротов. Из биологии нам по¬
требуются точные описания динамики популяций. Все это
нужно затем «согласовать» с наблюдаемыми структурами
систем морских организмов, которые выясняются путем от¬
бора проб.
Процесс отбора проб — камень преткновения в совре¬
менных исследованиях. Например, нам нужно иметь число¬
вые значения концентрации видов, но их трудно получить
из-за того, что плавающие животные стараются избежать
наших сетей. Более или менее точную картину распределе¬
ния организмов можно установить, только решив эту проб¬
лему и после того, как устранены другие сложности с аппа¬
ратурой. И наконец, высокая стоимость кораблей и морских
168
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
ФАКТОРЫ
ФИЗИЧЕСКИЕ
ХИМИЧЕСКИЕ
Свет — интенсивность и цвет
Температура, соленость,
плотность
Распределение
питательных
веществ
Круговороты,течения, вихри Щелочность
Апвеллинг, прибрежный
и океанический
Ветры и волны, приливы
БИОЛОГИЧЕСКИЕ
Размножение
Антропогенный
Хищничество
Конкуренция
Потенциал роста
Стадии роста
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
Тип субстрата:
песок, скальная
порода, ил
Рельеф дна
Рис. 12.2. Факторы, влияющие на органи¬
зацию морской биосферы.
Конвекция и дисперсия
&А/ХЛ: 'г- - 'V'''' -''' 1
Фильтр, создаваемый различными
ограничениями при отборе проб
Размеры проб: взятый объем,
время отбора пробы
Лабораторная ошибка
убд Способ отбора проб
//У Ускользание организмов от захвата
Механические проблемы:
загрязнение сетей
JkzJ Стоимость корабля
аблюдаемые
рейсов заставляет нас разрабатывать модели на основе не¬
полных данных. В целом трудности в отборе проб затемня¬
ют истинную организацию схем поведения, которая сущест¬
вует в действительности.
Системная модель сообщества
живых организмов
В упрощенной форме любую деятельность, которая превра¬
щает вход в выход, можно моделировать как систему. Под
«системой» на рис. 12.3 может подразумеваться целое сооб¬
щество морских организмов, свойственная ему пищевая цепь
или только отдельный трофический уровень — принципы
действия одинаковы.
Обратная связь
Основным для действия системы элементом является то,
что обычно называют «контур обратной связи». Он имеет
три характеристики: знак — плюс или минус, величину в
процентах от сигнала на выходе, возвратившегося на вход,
и время запаздывания. Запаздывание есть всегда, так как у
биологических систем нет «знаний» и они не могут предви¬
деть события, как люди.
В целом, применяя обратную связь к системам живых ор¬
ганизмов, можно сравнить ее с решением задачи «методом
проб и ошибок». Задача заключается в том, чтобы сформи¬
ровалось устойчивое сообщество; предпринимавшиеся в при¬
роде пробные решения, не принесшие успеха, — это именно
те пробные сообщества, которые оказались неудачными и
просто исчезли. Мы видим только удачные сообщества.
Рассмотрим отрицательную обратную связь. У системы
есть некий вход; например, сочетание весеннего солнечного
освещения и достаточного количества питательных веществ
в поверхностных водах вызывает «цветение» (вспышку чис¬
ленности и биомассы фитопланктона). Сначала питатель¬
ные вещества имеются в изобилии и «цветение» продолжа¬
ется. Но по мере роста популяции растений концентрация
питательных веществ, обеспечивающая ее продукцию, сни¬
жается. Это — отрицательная обратная связь, она служит
тормозом для роста популяций. Поедание какого-то вида
хищником, несомненно, представляет собой отрицательную
обратную связь, которая контролирует плотность популя¬
ции вида-жертвы.
С другой стороны, положительная обратная связь — это
то, что способствует росту популяции. В качестве примера
можно использовать понятие о пороговой концентрации
вида-жертвы. Когда хищник переключается с одного пред¬
почтительного вида жертвы на другой, биологический
пресс — влияние отрицательной обратной связи на популя¬
цию прежней жертвы — резко снижается. Здесь уменьшение
величины отрицательной обратной связи оказывает такое
же воздействие, как и возрастание положительной.
Естественный контроль с помощью обратной связи игра¬
ет ключевую роль в объяснении разнообразия экологических
ниш. Рыба подвергается воздействию паразитов, и если бы
этот стрессовый фактор развивался беспрепятственно, он
мог бы уничтожить огромные количества рыбы и нарушить
устойчивость сообщества. В некоторых системах влияние
этой отрицательной обратной связи уменьшается в резуль¬
тате развития видов креветок-чистильщиков, которые пита¬
ются паразитами. Разнообразие видов увеличивается, и си¬
стема становится стабильной.
Величина обратной связи (в %)
В обоих только что приведенных примерах отрицательная
обратная связь сглаживает амплитуду изменений внутри си¬
стемы живых организмов. Уменьшение продукции фито¬
планктона было вызвано истощением пищевых ресурсов (а
также пастбищной нагрузкой — выеданием фитопланктона
растительноядными животными), и рост популяции парази¬
тов вызвал увеличение числа креветок. В целом рост видо¬
вого разнообразия в пределах пищевых цепей приводит к
уменьшению величины сигналов обратной связи внутри кон¬
кретных контуров и, следовательно, к увеличению стабиль¬
ности всего сообщества. Иначе говоря, при большом видо¬
вом разнообразии единичное изменение не вызывает в си¬
стеме коренных перемен.
ГЛАВА 12. ГЛАВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА МОРСКУЮ БИОСФЕРУ
169
Система
По определению биологический пресс — это сигнал отрицательной
обратной связи в пределах биологической системы. Примеры’, хищ¬
ничество — пресс по отношению к виду-жертве; истощение пище¬
вых ресурсов — прессовый фактор; чрезмерное вертикальное пере¬
мешивание в верхней части эвфотической зоны может быть прес¬
сом.
Сигналы положительной обратной связи определить несколько
труднее. Примеры’, чрезмерный пресс по отношению к виду-хищни¬
ку становится положительной обратной связью для вида-жертвы;
возникновение убежища может оказать положительное влияние на
продукцию системы в целом.
Величина в процентах, обозначенная овалом, указывает интен¬
сивность сигнала обратной связи по отношению к интенсивности
сигнала на выходе. Пример’, если сигнал должен перейти с одного
трофического уровня на соседний, то величина сигнала уменьшает¬
ся за счет низкой естественной эффективности перехода между тро¬
фическими уровнями.
Запаздывание обычно относится к разнице во времени между
изменением на выходе и моментом, когда импульс этого изменения
ощущается на входе. Пример: рост продукции растений может
обеспечить питанием дополнительное количество фитофагов, но до
тех пор, пока такие дополнительные фитофаги действительно не
возникнут в результате размножения, пастбищная нагрузка изменя¬
ется не слишком сильно.
Рис. 12.3. Сигналы обратной связи внутри экосистемы — суть ра¬
боты системы.
Эффективность превращения и обратная связь
Чертой, общей для всех пищевых цепей, является неизбеж¬
ная потеря химической энергии во время перехода на более
высокие трофические уровни. «Эффективность» этого прев¬
ращения в системе морских организмов низка — около 20%.
Из этого следует, что пертурбация, возникающая в основа¬
нии пищевой сети, не будет распространяться через всю
сеть с одинаковой силой. В результате энергетические поте¬
ри при переходе с одного трофического уровня на другой
сглаживаются. Но пертурбация, которая происходит в си¬
стеме хищников, стоящих на верхнем уровне плотоядных,
может распространяться к основанию пищевой сети с уди¬
вительными последствиями.
В двух проведенных в Канаде экспериментах по динами¬
ке популяций молоди нерки были произведены две пертур¬
бации. В первом эксперименте 90% естественных хищников,
питающихся молодью нерки, были удалены из озера, и это
увеличило биомассу молоди нерки в течение одного года на
300%. Если учесть, что эффективность перехода с одного
трофического уровня на другой равна 20%, влияние на вид-
жертву (молодь нерки), вероятно, в этом случае оказалось в
несколько раз большим. Во втором эксперименте количе¬
ство растворенных в озере питательных веществ увеличили
на 100% (удвоили), и в результате биомасса молоди нерки
возросла всего на 30% (в этом случае можно предположить
30%-ную эффективность перехода с одного трофического
уровня на другой). Сравнивая эти два события, получаем
резкую, десятикратную разницу в биомассе вида среднего
трофического уровня в зависимости от того, где система ис¬
пытала пертурбацию — у вершины или у основания.
Запаздывание в контуре обратной связи
Характерное запаздывание сигнала обратной связи так же
важно для устойчивости системы, как и величина его или
знак. Вспомним вопрос о специфичности размеров в морс¬
кой экосистеме, рассмотренный в гл. 2 на примере устрич¬
ной молоди, которой на начальных стадиях жизненного ци¬
кла требуется пища «нужного» размера. В пелагическом ми¬
ре потенциальное наличие пищи нужного размера гаранти¬
руется разными физическими размерами многочисленных
видов фитопланктона. Но для каждого вида фитопланктона
характерен свой собственный набор условий окружающей
среды, который должен существовать перед «цветением»
вида. Поэтому среди водорослей доминирующий вид быст¬
ро сменяется в течение весеннего сезона. На графике общей
Рис. 12.4. Годичный цикл общей первичной продукции. Каждый
вид водорослей дает максимум при определенных, предпочитаемых
только им условиях изначально непостоянных температуры, налич¬
ных питательных веществ и освещенности, как показано здесь в ви¬
де последовательных пиков 1, 2 и 3. Обобщающая кривая — штри¬
ховая линия — представляет собой сумму отдельных кривых. Воз¬
можно, что некоторый вид совсем не достигнет максимума или за¬
поздает с ростом. Такие события могут сильно повлиять на пище¬
вую цепь, особенно если от «цветения» именно этого вида зависит
питание личинок животных частицами определенного размера.
170
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
первичной продукции (рис. 12.4) показана серия отдельных
пиков обилия разных видов.
В природе для роста устричной молоди необходимо,
чтобы весьма изменчивые условия возникновения пика фи¬
топланктона совпадали во времени с нуждами устричной
молоди в данный момент. Бывает, что один из видов вооб¬
ще «терпит неудачу» с достижением максимума или его
рост задерживается. Такие события могут вызвать резкую
пертурбацию в пищевой цепи, особенно если от этого мак¬
симума зависит пища определенного размера, необходимая
для личинок каких-либо животных в критические ранние пе¬
риоды их развития. Такова сложность «обратной связи» в
океанической системе живых организмов.
Годичный цикл продукции
На рис. 12.4 рассматривается годичный цикл продукции в
виде серии пиков, образуемых многими видами. Это гипо¬
тетическое представление, так как на вид кривой продукции
растений влияют многие факторы. Главным среди них явля¬
ется световой цикл, интенсивность выедания и истощение
растворенных питательных веществ.
Факторы, определяющие растительную продукцию
На рис. 12.5 изображен годовой ход растительной продук¬
ции и продукции организмов следующих двух трофических
уровней — растительноядных (зоопланктон) и первых пло¬
тоядных (сельдевидные) животных. Кривая разделена по
времени на несколько периодов, так что мы можем рас¬
смотреть специфические механизмы, управляющие ее фор¬
мой.
Период а. В течение этого периода интенсивность света
мала и часты зимние штормы. Осенью и особенно в
ноябре — декабре охлаждение поверхностных вод уменьша¬
ет плотностное расслоение воды, которое возникает в ре¬
зультате летнего прогрева (см. сезонный термоклин на
рис. 8.3). Поэтому энергии зимних штормов достаточно для
того, чтобы полностью перемешивать поверхностный слой
воды до значительной глубины (50 м в случае NH-105). Сле¬
довательно, в более глубоких водах необходимые для расте¬
ний питательные вещества при перемешивании воды посту¬
пают в эвфотическую зону (механизм положительной обрат¬
ной связи). Таким образом возникает предпосылка для ве¬
сеннего максимума продукции.
Период б. В феврале и марте интенсивность освещения
увеличивается и продолжительность дня быстро растет. В
ответ на это резко увеличивается скорость роста раститель-
Рис. 12.5. Годичные циклы продукции первых трех трофических
уровней: фитопланктона (Р), зоопланктона (Z) и первых плотояд¬
ных (в данном случае сельдей Н).
ной продукции. Но в апреле эта скорость снижается; пик
роста приходится на период г. Такое замедление роста объ¬
ясняется двумя причинами. Во-первых, во время максимума
расходуется значительная доля питательных (биогенных)
веществ, этих веществ все еще достаточно, но их труднее
получить из-за того, что солнечное тепло быстро создает
новый сезонный термоклин — барьер для вертикального пе¬
ремешивания. Во-вторых, популяция растительноядного
зоопланктона к этому времени заметно увеличивается, поэ¬
тому пресс выедания усиливается. Выедание представляет
собой негативную для растений обратную связь.
Период в. В этот период главной причиной уменьшения
продукции растений является пастбищная нагрузка. Истоще¬
ние пищевых ресурсов продолжается; большая часть нитра¬
тов, имевшихся в природе к началу периода весенних макси¬
мумов продукции, переместилась в придонные осадки в виде
фекальных комочков растительноядных веслоногих рачков-
копепод. Кроме того, копеподы направляют химическую
энергию в яйца и личинки своего потомства. Размножение
представляет собой положительную обратную связь.
Период г. Периоды бив вместе обеспечивают пик про¬
дукции в период г, т. е. собственно в период г не происхо¬
дит процесса образования пика продукции. Однако полезно
рассмотреть, как может выглядеть график, если пополнение
запасов питательных веществ не ограничено, например при
апвеллинге. Падение кривой продукции в период в должно
быть гораздо менее резким, по крайней мере до осени и свя¬
занного с ней уменьшения освещенности.
Период д. В средних широтах первые осенние штормы
приходятся на сентябрь. Они обеспечивают энергию для
вертикального перемешивания и могут «поднять» неболь¬
шое количество питательных веществ снизу вверх; посколь¬
ку в это время года солнечного света еще достаточно, имеет
место скромный осенний максимум продукции растений.
Продукция и биомасса
На данном этапе полезно связать понятия продукции и био¬
массы с графиком годичной продукции, изображенным на
рис. 12.5. Здесь мы подразумеваем, что в зоопланктоне пре¬
обладает вид копепод. Сельди, относясь к отряду сельде¬
образных, могут питаться непосредственно из трофического
уровня копепод, отфильтровывая их из воды с помощью
специальных жаберных тычинок. Здесь три кривые соот¬
ветствуют друг другу с точки зрения непосредственного
превращения. Например, в мае продукция растений равна
примерно 200 т; продукция зоопланктона за то же самое
время составляет около 40 т, т. е. 20% продукции растений
идет на образование новой биомассы в виде копепод. По¬
добным же образом майская продукция биомассы сельдей
равна примерно 8 т, или 20% продукции копепод.
Теперь обратимся к рис. 12.6, на котором представлена
наличная биомасса тех же самых трофических уровней в те¬
чение года. Почему кривые здесь располагаются в обратном
порядке по сравнению с кривыми, приведенными на
рис. 12.5? Сравнение биомасс показывает, что биомасса
сельдей больше, чем копепод, а биомасса копепод больше,
чем фитопланктона! Тем не менее кривые продукции совер¬
шенно верны в том смысле, что масса образующихся расте¬
ний должна быть больше массы копепод и т. д.
Наблюдаемый обратный порядок кривых биомассы об¬
условлен несколькими факторами.
1. Во-первых, одноклеточные растения размножаются
очень быстро. При благоприятных условиях новое поколе¬
ние возникает каждые 24 ч (табл. 12.1) и биомасса удваива-
ГЛАВА 12. ГЛАВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА МОРСКУЮ БИОСФЕРУ
171
Рис. 12.6. Наличная биомасса на тех же трех трофических уров¬
нях. Биомасса оценивалась как общая масса всех особей данного
вида (или трофического уровня) в постоянном объеме морской во¬
ды за выбранный интервал времени.
ется! Каждые 24 ч 50% биомассы может быть съедено; при
этом такое же количество растений, какое было днем рань¬
ше, останется, чтобы снова размножаться, и т. д. Даже ес¬
ли в какой-то момент вес растений (биомасса) ограничен,
суточная продукция будет той же самой.
Для сравнения укажем, что репродуктивный период ко¬
пепод продолжается от 2 недель до 2 месяцев, а отдельные
особи живут несколько месяцев. В этом случае мы измеряем
продукцию на основании чистого накопления массы в пре¬
делах популяции за установленный период времени. Подоб¬
ное утверждение справедливо и для сельдей; у них репродук¬
тивный период продолжается 1—2 года, а жизнь отдельной
рыбы — 2—3 года.
2. Скорость обмена веществ уменьшается по мере увели¬
чения размеров тела (табл. 12.1). Обмен веществ определя¬
ют как сумму химических изменений в живых клетках, обес¬
печивающую энергию для всех процессов жизнедеятельно¬
сти организмов. В первом приближении обмен веществ
уменьшается пропорционально массе тела в степени 0,7. На¬
пример, скорость обмена веществ сельди массой 100 г будет
примерно в 20 раз меньше, чем у копеподы, масса которой
0,005 г. Это правило справедливо и на межвидовом, и на
внутривидовом уровне; обмен веществ у мелкой сельди про¬
исходит быстрее, чем у крупной. В процессе жизнедеятель¬
ности более крупные организмы расходуют меньше энергии
на единицу массы.
Полезно проанализировать пример с простыми диатоме¬
ями и копеподой.
Таблица 12.1. Продолжительность репродуктивного цикла и
скорость метаболизма для некоторых морских организмов разного
размера
Организмы
Размеры
Продолжитель¬
ность репродук¬
тивного цикла
Скорость обмена
веществ (по от¬
ношению к 1000
для фитопланк¬
тона)
Диатомеи
50 мкм
1—2 дня
1000
Копеподы
0,2 см
От 2 недель до
2 месяцев
40
Сельди
10 см
1—2 года
2
Лососи
150 см
3—4 года
1
Этап 1. Из относительных размеров организмов, приве¬
денных в табл. 12.1, мы вычисляем, что общая масса одной
копеподы равна массе примерно 105 тысяч диатомей, если
считать, что тела и тех и других имеют сферическую фор¬
му. Это значит, что для того, чтобы одна копепода воспро¬
извела одного потомка, который затем растет до размеров
взрослой особи, при 20%-ной эффективности превращения
должно быть съедено и переработано 525 тысяч диатомей.
Этап 2. Делясь ежедневно, одна диатомовая водоросль
даст 524 тысячи потомков за 19 дней. Этот период времени
вполне совпадает с репродуктивным циклом копепод, про¬
должающимся от 2 недель до 2 месяцев.
Этап 3. Чтобы обеспечить дневной рацион копеподы,
что за 19 дней должно составить 524 тысячи диатомей, ин¬
тенсивность выедания должна быть равна 27 600 целых диа¬
томей в день.
Этап 4. Теперь проведем эксперимент в аквариуме, на¬
чав с 27 600 диатомей и одной копеподы; после того как в
первый день количество растений удвоится, 27 600 из них
будет съедено, а 27 600 снова останется. К концу 19-го дня
все еще останется 27 600 диатомей, а копепод станет уже
две; одну из них съедят на следующем трофическом уровне,
и останется 1 копепода плюс 27 600 диатомей.
Этап 5. Теперь вычислим, что если отобрать наличную
биомассу из аквариума в какой-то момент времени, то от¬
ношение массы диатомей к массе копепод в лучшем случае
будет равно 1:4 (27 600 диатомей составляют 1/4 часть мас¬
сы одной копеподы). Но за 19-дневный цикл продуктивно¬
сти диатомеи обгонят копепод и отношение их станет 5:1
(524 тысячи диатомей весят в 5 раз больше, чем одна копе¬
пода).
Возвращаясь к кривым, изображенным на рис. 12.6, мы
делаем вывод, что наличная биомасса более крупных орга¬
низмов превосходит биомассу более мелких. Если бы мы
могли взять какой-то объем морской воды и профильтро¬
вать ее через серию все более тонких сит, мы обнаружили
бы, что вес сельдей больше веса зоопланктона, а вес послед¬
него больше, чем фитопланктона.
Устойчивость пищевых сетей
Здесь мы соединим некоторые идеи, которые раньше выска¬
зывались порознь. Рассматривая устойчивость сообществ
живых организмов, можно учитывать все факторы, перечис¬
ленные на рис. 12.2, как управляющие функционированием
системы.
«Устойчивость — это способность системы сохраняться
после небольшого внешнего возмущения» [4]. Обычно силь¬
ные колебания любого из этих факторов отрицательно вли¬
яют на каждую экосистему, и в неустойчивых экосистемах
амплитуда колебаний будет расти до тех пор, пока система
не разрушится. Мы можем выделить некоторые характери¬
стики, которые сопровождают устойчивость экосистемы.
Разнообразие в системе хищник — жертва. Как пример
сложности пищевых сетей обычно приводят экосистему
тропического океана. Истощение одного вида-жертвы слу¬
жит сигналом для хищника, заставляя его обратиться к дру¬
гому источнику питания. Разнообразие видов в системе
хищник — жертва определенно является стабилизирующим
фактором. Действительно, он включает различные контуры
обратных связей: переключаясь на другую жертву, хищник
вступает в положительную обратную связь с прежней, но
устанавливает отрицательную обратную связь с новой
жертвой.
172
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Погруженные в воду части прибреж¬
ных сооружений обеспечивают пре¬
восходное убежище для разных сооб¬
ществ морских организмов. Крупные
популяции различных животных от
пелагических рыб (таких, как эти) до
донных видов (например, камбалы)
собираются к этим конструкциям.
Сама конструкция покрывается кор¬
ками из водорослей, главным обра¬
зом синезеленых, и животных, в ос¬
новном гидроидов, усоногих рачков
и актиний.
Убежище. Морской мир изобилует организмами, адаптация
которых к определенным экологическим нишам становится
возможной благодаря убежищам. Некоторые широко из¬
вестные убежища служат питомниками для мелкой рыбы,
которая ищет защищенное от хищников место, стремясь к
щелям коралловых рифов. Морские черви и порцелланид-
ные крабы спасаются от разрушительного действия волн,
поселяясь в пространствах между раковинами на поселениях
двустворчатых моллюсков в литоральных зонах скалистого
берега.
В мире морских сообществ недавно открыто и множе¬
ство других примеров. Внутри твердого панциря морских
ежей можно обнаружить маленького краба-горошинку. Он
проникает в панцирь хозяина, будучи еще совсем крошеч¬
ным, и в конце концов вырастает слишком большим, чтобы
выйти из нее. Для этой пары убежище, кроме того, пред¬
ставляет собой часть симбиоза. Некоторые рыбы выделяют
особую слизь, которая покрывает их тело и позволяет им
проникать между щупальцами книдарий, таких как порту¬
гальский кораблик, не подвергаясь опасности быть парали¬
зованными стрекательными клетками этих щупалец. Книда-
рии с помощью стрекальных клеток ловят свои жертвы
(см. рис. 15.10).
Убежище имеет большое значение и в открытом океане.
В Саргассовом море Северной Атлантики слои плавающих
водорослей обеспечивают убежище целому ряду видов. В
1966 г., проводя наблюдения севернее Гавайских островов, я
видел плавающие деревянные ящики из-под апельсинов.
Многочисленные мелкие рыбешки заплывали в убежище,
которым служил этот ящик, и выходили из него; на рассто¬
янии около 10 м от ящика медленно плавал крупный дель¬
фин май-май, который, возможно, претендовал на это мик¬
росообщество как на собственные охотничьи угодья.
Существование убежищ, буть то скала, животное или де¬
трит для камуфляжа, позволяет многообразным формам
жизни увеличивать и расширять масштабы пищевых
сетей — все это факторы, которые поддерживают устойчи¬
вость сообщества.
Пути миграции. Мы не знаем внутренних причин боль¬
шинства путей миграции, наблюдаемых у морских организ¬
мов. Но мы действительно наблюдаем миграцию видов-
хищников в более продуктивные районы питания каждую
осень. Точно так же вероятно, что пути перемещений видов-
жертв представляют собой механизм, позволяющий им из¬
бежать хищников. Так пытаются объяснить вертикальную
миграцию копепод в случае глубинного звукорассеивающего
слоя. При анализе путей миграции учитывается много дру¬
гих факторов: поиски пищи соответствующего размера и
концентрации, стремление избежать болезней и паразитов
или сосредоточение особей для размножения.
Мы можем рассматривать миграции как поведенческие
схемы, которые позволяют успешно пережить изменение ус¬
ловий в океане. Европейский угорь продолжает мигриро¬
вать к Саргассову морю для нереста даже несмотря на то,
что Северо-Атлантический бассейн за 200 млн. лет стал ши¬
ре, и, таким образом, его сообщество продолжает сущест¬
вовать.
Пороговые концентрации. Часто наблюдается сосредоточе¬
ние большого числа особей в малом объеме воды. Прекрас¬
ный пример представляют стайные рыбы, такие как менхе-
ден. Наблюдая за ними, биологи сделали вывод, что стай¬
ность полезна для выживания, так как хищник приходит в
замешательство, сталкиваясь с необходимостью выбора из
многочисленных целей; соответственно вероятность поимки
каждой особи уменьшается. Действительно, жертва стре¬
мится изменить механизмы обратной связи, которые управ¬
ляют поведением самогб хищника.
Считают, что пороговые концентрации с таким же успе¬
хом оказывают и противоположное действие. Когда кон¬
центрация предпочитаемой добычи падает ниже некоторого
желательного уровня, хищник может перенести поиски пи¬
щи на другой вид и, возможно, в другой район. Ослаблен¬
ная популяция первоначальных жертв оказывается, таким
образом, защищенной от слишком сильного сокращения
численности. В итоге система контролирует сама себя, по
ГЛАВА 12. ГЛАВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА МОРСКУЮ БИОСФЕРУ
173
мере необходимости превращая выедание (отрицательная
обратная связь) в защитный фактор (положительная обрат¬
ная связь).
Пятнистость. Мы часто обнаруживаем, что морские орга¬
низмы сгруппированы в виде отдельных пятен; равномерное
распределение является исключением, а не правилом. Такая
пятнистость обычно связана с двумя разными процессами.
Один представляет собой преднамеренное поведение орга¬
низмов, которые собираются вместе для размножения или
защиты от врагов. Но пятнистость возникает и под дейст¬
вием внешних причин. Например, концентрация питатель¬
ных веществ вдоль фронтальной зоны между соседними
водными массами может обусловить высокие концентрации
водорослей по сравнению с областями, удаленными от
фронтальных зон. Системы ветров могут вызвать сближе¬
ние и расхождение поверхностных вод; если организмы от¬
носительно малоподвижны, то они тоже будут испытывать
сгущение или разрежение. Известно, что в пределах этих
вод происходят турбулентные движения самых разных про¬
странственных масштабов и турбулентные вихри могут из¬
менять концентрацию особей. Какова бы ни была причина,
мы обнаруживаем пятнистое распределение фитопланктона,
зоопланктона и пелагических рыб во всех океанах Земли и
приходим в выводу, что в устойчивости сообществ пятни¬
стость играет важную роль.
Статистическая вероятность столкновения. Для рассмотре¬
ния явления «пятен» можно обратиться и к вероятности
столкновения хищника и жертвы. На эту вероятность явно
оказывает влияние пятнистость. Большая часть того, что
описывается в современной литературе по морской биоло¬
гии, основана на статистических анализах, но какую именно
статистику нужно использовать — не всегда ясно.
Здесь оказывает влияние принцип «неопределенности».
Мы считаем, что наш набор данных точно представляет
живую экосистему в опробованном объеме воды. В действи¬
тельности это справедливо для каких-то временных и про¬
странственных масштабов, но неверно для других. Кроме
того, мы используем статистические методы, которые ос¬
нованы на математических допущениях, соответствующих
континентальному миру, но применимы ли они к миру океа¬
нов? Процессы в морской биосфере протекают в про¬
странствах разных масштабов, которые изменяются от не¬
скольких сантиметров до расстояний, равных ширине океа¬
на, т. е. тысячам километров, и в разномасштабных отрез¬
ках времени — от нескольких секунд до нескольких лет, не¬
обходимых для того, чтобы частицы переплыли все океани¬
ческие просторы. Вообще мы работаем в «темной» обла¬
сти, где много неясного.
Дисперсия. В среде, которая сама находится в движении,
такой фактор, как дисперсия (рассеяние), помогает экосисте¬
ме оставаться устойчивой. Дисперсия икры и личинок стре¬
мится обеспечить, чтобы по крайней мере часть потомства
развивалась в «подходящей» среде обитания. Те из них, ко¬
торые попадают в воды с оптимальными условиями темпе¬
ратуры и солености, выживут и будут способствовать рас¬
пространению вида. Таким образом, экосистема может
адаптироваться к постоянным изменениям климата, смеща¬
ясь в новые географические области. Подобную же роль
играет дисперсия в выживании прибрежных организмов бен¬
тоса, многие из которых чувствительны к изменениям в ха¬
рактере субстрата. Например, постепенное заиливание уста¬
новившейся устричной банки нейтрализуется дисперсией ве¬
дущих пелагический образ жизни личинок устриц на более
обширную географическую область. Дисперсия увеличивает,
таким образом, вероятность того, что часть потомства по¬
падет на подходящий субстрат.
Пертурбации: типы, источники
и интенсивность
Что представляют собой пертурбации для экосистемы? В
общем это все то, что расстраивает «нормальное» взаимо¬
действие между членами экосистемы или нарушает источ¬
ник энергии, который позволяет ей функционировать. Нор¬
мой являются средние физические условия во всей географи¬
ческой области, занятой данной системой; при средних ус¬
ловиях система функционирует нормально: со средними ско¬
ростями производства продукции, сезонными пиками актив¬
ности организмов и т. д.
Вспомним из предыдущего рассмотрения статистики,
что масштабы как пространства, так и времени — неотъем¬
лемая часть описания поведения животных. То же самое от¬
носится и к описанию случаев пертурбации. Эти положения
лучше всего изложить на конкретных примерах.
Промысел дандженесских крабов
у берегов штата Орегон*
Ловцы крабов у берегов шт. Орегон обнаруживают сильную
изменчивость в количестве выловленных крабов в разные
годы (табл. 12.2). Вес улова крабов от года к году между
1969 и 1978 гг. меняется как на небольшую величину —
53 498 фунтов (1970—1971 гг.), так и на весьма значитель¬
ную — 11 768 354 фунта (1976—1977 гг.); напротив, средне¬
годовой улов за эти 10 лет был равен 9 718 342 фунта. Хотя
эти значения, вероятно, следует скорректировать с учетом
интенсивности лова в течение каждого года, эти данные все
же ясно показывают, что иногда годичная продукция крабов
в этих водах под действием какой-то причины существенно
нарушалась.
После низкого вылова крабов в 1973 г. ученых из Оре¬
гонского университета попросили изучить проблему сокра¬
тившегося улова. На основании этого исследования был
сделан вывод, что быструю гибель молоди дандженесских
крабов мог вызвать аномальный прибрежный ветер, поэто¬
му промысловая добыча его могла сократиться несколько
Таблица 12.2. Добыча дандженесских крабов у берегов шт. Орегон
по годам [2] (1 фунт «453 г)
Год
Вес, фунты
Изменение год от года, фунты
1969
9 783 998
1970
14 929 347
53 498
1971
14 875 849 (
1972
6 762 259 J
1973
2 349 645
1974
3 917 625
1975
4 026 937
1976
8 134 065
11 768 354
1977
19 902 419 (
1978
12 501 274 J
Средний улов 9 718 342
Всего
97 183 418
* Дандженесский краб — большой съедобный краб (Cancer Magister),
обитающий у Тихоокеанского побережья США.— Прим, перев.
174
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Ловцы лангустов, выходящие из залива Камберленд.
Поднятие вручную ловушки для лангустов с глубины 100 м.
Ящичные ловушки, изготовленные кустарным способом из мест¬
ных пород дерева.
Измерение длины панциря лангуста Jasus frontalis. Рыбаки являют¬
ся членами кооператива, сбывающего улов.
Кустарное рыболовство с помощью ящичных ловушек на о-вах
Хуан-Фернандес, Чили. Один из этих островов, Мас-а-Тьерра, был
островом, где жил в пещере Александр Селькирк — потерпевший
лет спустя. Как и большинство морских животных, крабы
проходят пелагическую стадию развития личинок; молодая
личинка переживает серию линек, которые заканчиваются
стадией мегалопы в конце весны. На этой стадии молодь
покидает поверхностные воды и, уже превратившись во
взрослых, переселяется на дно шельфа.
Как мы узнали в предыдущих главах, северные ветры,
дующие вдоль вытянутого в меридиональном направлении
Орегонского побережья, создают здесь режим апвеллинга;
часть этой динамической системы включает перенос от бе¬
рега тонкого слоя поверхностной воды. Если такой ветер
дует в течение короткого времени, когда личинки дандже¬
несского краба находятся в стадии мегалопы, они уносятся
от берега вместе с поверхностной водой. Тогда, по мере то¬
го как личинки начинают мигрировать ко дну, многие особи
кораблекрушение моряк, чьи приключения на отдаленном острове
вдохновили Даниеля Дефо на написание его классического романа
«Робинзон Крузо» (фото автора).
гибнут вдали от берега, где слой воды слишком глубок для
того, чтобы стать для взрослых крабов нормальным место¬
обитанием в прибрежной экосистеме. Таким образом, эти
крабы утрачиваются.
Анализ схемы распределения ветров показал, что такие
аномальные ветры действительно имели место в 1970 г. Ис¬
следование привело к выводу, что гибель личинок крабов в
тот год проявилась в последующие годы в виде резкого со¬
кращения промысловой добычи крабов.
Теперь возникает вопрос, является ли такое событие пер¬
турбацией. Нет, не является. Сами такие нарушения пред¬
ставляют собой часть нормальных условий для экосистемы
Орегонского побережья. Другими словами, сообщество ор¬
ганизмов, существующее здесь в настоящее время, опреде¬
ленно состоит из взаимодействующих видов, которые все
ГЛАВА 12. ГЛАВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА МОРСКУЮ БИОСФЕРУ
175
В результате извержения вулкана
Сент-Хеленс в мае 1980 г. речное
русло было засыпано пеплом и алев¬
ритом.
вместе образуют устойчивую экосистему для географичес¬
кой области, где аномальные ветры — неотъемлемая часть
условий.
Вулкан Сент-Хеленс, 1980 г.
В мае 1980 г. произошло чрезвычайно сильное извержение
вулкана Сент-Хеленс. Вулканический пепел покрыл огром¬
ные площади на юго-востоке шт. Вашингтон. Тепло, выде¬
лившееся во время извержения, растопило накопившийся
снег, и эта вода, смешавшись с пеплом, образовала гигант¬
ские грязевые потоки. Реки в окрестностях вулкана были за¬
громождены отложениями обломков и пепла. Было ли это
событие пертурбацией для экосистемы, к которой принадле¬
жат анадромные лососевые? (Анадромные, или проходные,
рыбы мигрируют из пресных вод в соленые и обратно.)
Очевидно, на этот вопрос следует дать положительный
ответ. Существовавшие прежде слои гравия вдоль реки
Тутл, где нерестились лососи, были смыты или покрыты
илом и пеплом. Кроме того, изменились и кислотность, и
содержание взвеси в водах реки Колумбия, что повлияло на
беспозвоночных животных, а также и рыб. Пепловые обла¬
ка переносились в восточном направлении над шт. Айдахо и
Монтана, и выпадавший из них пепел оказывал воздействие
на огромные площади возделываемых земель. Здесь добав¬
ление новых минералов служило своего рода удобрением,
если они выпадали в умеренных количествах. На обширных
территориях водосборного бассейна реки Колумбия произо¬
шли химические изменения.
Однако вулканы на северо-западном побережье США не
раз извергались подобным образом на протяжении геологи¬
ческого времени. По отношению к ближайшим окрестно¬
стям горы Сент-Хеленс извержение является локальной пер¬
турбацией; началась и продолжается сукцессия сообществ к
стадии климакса. Однако в масштабе всего Тихоокеанского
побережья с его многочисленными вулканами единичное из¬
вержение не является пертурбацией; скорее это нормальное
физическое событие в пределах крупной области. В целом
бассейны северо-западного побережья США и связанная с
ними геологическая активность Каскадных гор вместе пред¬
ставляют собой особую экосистему. Ее характер, вероятно,
был бы другим, если бы на нее время от времени не влияли
вулканические извержения.
Устрицы Олимпик
Когда в середине XIX в. Тихоокеанское побережье впервые
заселили выходцы из Европы, мелкие внутренние воды за¬
лива Пьюджет-Саунд изобиловали природными устричны¬
ми банками, особенно вдоль полуострова Олимпик, от ко¬
торого произошло название устриц. Этот вид дает некруп¬
ные взрослые особи, сочные и вкусные, и множество нагру¬
женных устрицами лодок было отправлено в Сан-
Франциско и другие прибрежные поселения. Поскольку по¬
сле хищнической добычи продукция устриц упала, из Япо¬
нии завезли новых устриц, пытаясь найти быстрее расту¬
щий вид, который удовлетворял бы спрос рынка. К сожале¬
нию, среди новых личинок были и личинки смертоносных
хищных улиток Ocenebra japonica, которые являлись чужи¬
ми для вод залива Пьюджет-Саунд, но быстро в них раз¬
множались. Устрицы Олимпик понесли особенно тяжелые
потери из-за этих улиток, которые просверливали отверстия
в их раковинах и съедали мясо моллюсков прямо на месте.
Было ли это событие пертурбацией для прибрежной эко¬
системы Тихоокеанского побережья? Безусловно, да. Более
того, после того как сверлящие улитки однажды здесь обо¬
сновались, их уже невозможно было уничтожить, и экоси¬
стема навсегда изменилась. Хотя какая-то естественная про¬
дукция устриц Олимпик сохраняется и в настоящее время,
равновесные уровни между устрицами и сверлящими улит¬
ками таковы, что значительной продукции устриц никогда
уже не будет.
Осушение заболоченных земель у побережья
штатов Северная и Южная Каролина
Обширные пространства мелких шельфовых вод в прибреж¬
ной зоне шт. Северная и Южная Каролина богаты морски¬
ми формами жизни. Геологически шельф представляет со¬
бой продолжение низменностей и заболоченных лесов этого
176
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
ПЕРТУРБАЦИЯ В СИСТЕМЕ ЭСТУАРИЕВ
НА ПОБЕРЕЖЬЕ ШТАТОВ СЕВЕРНАЯ
И ЮЖНАЯ КАРОЛИНА
Водоем для молоди креветок
Ежегодное воздействие стока
поддерживает соленость в эстуарии
в пределах 17-22% 0
в период;пока он происходит
'//
*4 46
Благодаря пористой, губчатой структуре
залесенных болотистых низменностей
сток зимних и весенних дождей
растягивается на несколько месяцев
Взрослые креветки
бвдали от берега^
Переход к осушению с помощью
дренажных канав сокращает период стока,
увеличивая его скорость
Теперь соленость воды в эстуарии
уменьшается до более низких значений,
и это происходит на более ранних этапах
периода стока
Меньше //
//7 взрослых '
креветок
Использование эстуария как выростного
водоема для креветок прекращается.
Рис. 12.7. По Барберу (личное сообщение).
участка Атлантического побережья США. Здесь существует
много эстуариев, в верхних частях которых развиты узкие
морские заливы, врезанные в сушу и играющие роль при¬
родных дренажных каналов, пронизывающих береговые
равнины.
Среди множества видов морских организмов, которые
зависят от обитания в эстуариях в течение какой-то части
их жизненного цикла, важную роль играют креветки, напри¬
мер вид Paneaus setiferus. Эти креветки размножаются в мо¬
ре, но молодь мигрирует в эстуарии в то время года, когда
велик сток пресных вод; после нескольких месяцев, прове¬
денных в этих богатых пищей «садках», молодые взрослые
особи возвращаются в открытые воды шельфа. Соленость
вод в эстуариях, где проходит их личиночная стадия, мень¬
ше за счет речного стока, а содержание органического ве¬
щества в них выше благодаря смыву его частиц с суши. Ис¬
следования показали, что соленость эстуарных вод контро¬
лируется скоростью стока, а та в свою очередь зависит от
скорости просачивания воды через заросшие травой болоти¬
стые низменности и пористые пласты, на которых растут
ближайшие леса (рис. 12.7).
Недавно на месте этих лесов были созданы крупные фер¬
мы. Деревья вырубили дочиста, для более быстрого осуше¬
ния составили карты замель в горизонталях и прорыли но¬
вые каналы, чтобы ускорить сток. Эти действия более или
менее надолго нарушили годовой цикл изменения солености
в эстуариях: теперь воздействие весеннего стока ощущается
намного быстрее и эстуарные воды сильнее замутнены
илом и менее солены, чем раньше. Результат этого оказался
пагубным для прибрежной популяции креветок, которая ли¬
шилась своих питомников с особыми условиями, к которым
животные адаптировались. Эта программа преобразований
произвела пертурбации длительного характера не только в
популяции устриц, но и в установившейся человеческой по¬
пуляции прибрежного региона, питание которой зависело от
добычи креветок.
ГЛАВА 13. ОРГАНИЗАЦИЯ МОРСКОЙ БИОСФЕРЫ
177
Заключение
Эта глава начинает ч. V, посвященную морской биосфере, с
описания терминов и определений, относящихся к биологи¬
ческим системам. Биологи-океанологи считают, что их ра¬
боту чрезвычайно затрудняет отсутствие надежных данных.
Нехватает биологических данных практически всех видов —
от недостаточных проб концентраций животных до фактов
многолетних изменений в последовательностях пиков фи¬
топланктона. Существуют два главных ограничения: высо¬
кая стоимость проведения систематических измерений в те¬
чение достаточно длительного периода, необходимых для
получения достоверных статистических результатов, и чрез¬
вычайно долгое время, требующееся для анализа отобран¬
ных проб, особенно если при этом необходимо использо¬
вать микроскоп.
Что же касается отобранных проб, то биологи оценива¬
ют их эффективность с точки зрения полноты диапазона
морских организмов. На первых трофических уровнях есть
растения размером в одну миллионную долю метра, кото¬
рые служат пищей организмам всего в 10 раз крупнее и все
еще микроскопическим. На том конце шкалы размеров, где
находятся самые крупные из них, есть животные, которые
могут вырваться из сетей. Биологическую систему, как и в
любую другую, можно смоделировать, если известны соот¬
ветствующие контуры обратных связей, но для того, чтобы
эта модель была реалистичной, должны быть известны все
такие контуры. Получить «адекватные» пробы из биосфе¬
ры с таким огромным диапазоном размеров — серьезная
трудность для успешного моделирования.
Морская биосфера имеет еще одно отличие. Поскольку
растения так малы, но имеют очень короткие репродуктив¬
ные циклы, возможно, что наличная биомасса растительно¬
го вещества в океане меньше, чем биомасса растительнояд¬
ных. Этот фактор очень затрудняет отбор проб, так как вы¬
бор времени для взятия проб создает дополнительные огра¬
ничения.
Внутри любой экосистемы очень важно определить эле¬
менты, обеспечивающие ее устойчивость. Названия их похо¬
жи на те, что установлены для наземных систем, но приме¬
нение этих названий к океанам может быть совсем иным.
Например, убежище — важный элемент, скажем, в действи¬
ях мыши, укрывающейся от совы, но в морском мире убе¬
жище в таком смысле не существует, за исключением убе¬
жищ у некоторых бентосных видов. С другой стороны, дис¬
персия играет примерно ту же роль в выживании видов в
морских условиях, что и на суше.
Рассматривая факторы, от которых зависит организация
морской биосферы, мы определяем и те, что могут ее раз¬
рушить. В некоторых описанных примерах разрушение си¬
стемы происходит не в результате настоящей пертурбации,
а в других — наоборот, вызвано именно пертурбацией.
4. Чтобы понять, как работают обратные связи в биоло¬
гических системах, следует, например, сравнить общую
устойчивость пищевой цепи с устойчивостью пищевой сети.
Объясните, почему промысловое рыболовство, обеспечива¬
ющее рыбой потребности людей, может стать менее устой¬
чивым, чем добыча рыбы для производства рыбной муки.
5. В тексте объясняется разница между продукцией и
биомассой. Кратко расскажите, что вы знаете об этой раз¬
нице.
6. Какие два фактора больше всего влияют на то, что в
открытом океане биомасса растительноядных животных
превышает биомассу растений?
7. Кратко объясните, почему с помощью кривой первич¬
ной продукции, приведенной на рис. 12.5, нельзя учесть, как
изменяется продукция каждого вида растений в течение го¬
да.
8. Какие факторы, обеспечивающие устойчивость систе¬
мы, вы считаете самыми интересными в сообществе мор¬
ских организмов? Обеспечивают ли они устойчивость ваше¬
го собственного сообщества?
9. По-видимому, чем выше разнообразие видов в сооб¬
ществе, тем оно устойчивее. Докажите это.
10. В некотором смысле рассматривать факторы, обеспе¬
чивающие устойчивость системы, не так уж полезно, по¬
скольку у нас нет возможности наблюдать экосистемы, ко¬
торые стали неустойчивыми. Верно ли это?
11. Еще раз рассмотрите связь между фактором случай¬
ного столкновения и физическими свойствами морской во¬
ды. Были бы морские экосистемы иными, если бы организ¬
мы могли видеть на большие расстояния! Опишите это.
12. На первый взгляд может показаться, что дисперсия,
которая является частью движущейся, часто турбулентной,
среды обитания (например, внутренней области океана),
должна быть фактором, нарушающим устойчивость систе¬
мы. Докажите это или опровергните.
13. Постройте временной график добычи дандженесских
крабов по годам. Используйте табл. 12.1. (Для примера по¬
смотрите, как построен график на рис. 12.5.) Проявляется
ли на этом графике цикличность? Если да, то через сколько
лет цикл повторяется?
14. В течение 1983—1984 гг. средства массовой информа¬
ции часто сообщали о явлении Эль-Ниньо у берегов Перу и
Калифорнии. И в 1972, и в 1976 гг. течения Эль-Ниньо были
сильными. Какую вы обнаруживаете связь между этим яв¬
лением и изменениями добычи дандженесских крабов?
15. Какой тип пертурбации из приведенных в тексте при¬
меров различных пертурбаций в экосистеме наносит наи¬
больший ущерб: извержение вулкана Сент-Хеленс или дея¬
тельность человека, например организация прибрежных
ферм в шт. Северная и Южная Каролина?
ГЛАВА 13
Контрольные вопросы
1. Основной материал ч. V суммирован на рис. 12.1, где
показана экосистема океанов. Коротко расскажите о четы¬
рех важнейших сторонах этого обзора, используя информа¬
цию, полученную из данного рисунка.
2. Согласно Харди [3], что должна раскрыть экология?
3. Представим себе пищевую цепь с четырьмя трофиче¬
скими уровнями, в которой верхняя популяция плотоядных
животных уничтожается тяжелой болезнью. Оцените влия¬
ние этого события (тип обратной связи) и его интенсив¬
ность для каждого из первых трех трофических уровней.
ОРГАНИЗАЦИЯ МОРСКОЙ БИОСФЕРЫ
Как изучают морскую биосферу: на базе таксономии? На основе
способов питания? Исходя из подвижности? Или по географическо¬
му распределению существующих видов?
В предыдущей главе был сделан набросок биосферы моря,
причем в весьма общем плане. Однако у большинства из нас
интерес и волнение, вызываемые жизнью моря, возрастают
именно в том случае, когда мы все больше детализируем
178
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Таблица 13.1. Типы морских водорослей [2]
наблюдаемый объект и он становится для нас все более
специализированным и определенно все более сложным.
Для подтверждения этой тенденции давайте бросим беглый
взгляд на зубы копепод (см. рис. 13.2); я, например, был
просто поражен увеличенным изображением крошечных зу¬
бов крошечного океанского вегетарианца размером всего в
несколько миллионных долей метра! Более того, в каждом
малюсеньком зубе есть еще более маленький канал, через
который растительноядное животное впрыскивает пищева¬
рительные соки прямо в разгрызаемую оболочку раститель¬
ной клетки. Дело в том, что нас совершенно поражают
специфические структуры и особенности форм морской жиз¬
ни. Это приводит к парадоксу. Если отдельные особенности
приятно изучать, а общие утверждения надоедают, то как
следует построить изложение морской биосферы, чтобы
«завлечь» читателя как можно сильнее?
Ясно, что одним из способов может быть рассмотрение
сообщества в соответствии с провинциями, охарактеризо¬
ванными в гл. 2; вероятно, это скучно. Другие схемы явля¬
ются более гибкими. Например, для системы живых орга¬
низмов, основанной на микроскопических растениях, инте¬
ресно составить пищевую сеть в целом на основе способов,
или механизмов, питания. Здесь мы рассмотрим некоторые
главные приемы, используемые морскими биологами для
разделения биосферы на части, которые легко проанализи¬
ровать и понять.
Таксономический метод
Морские биологи по традиции рассматривают организацию
жизни моря, используя таксономическую схему, в которой
многие виды сгруппированы в несколько типов в зависимо¬
сти от сложности их строения и эволюции в течение геоло¬
гического времени. Основная причина заключается в том,
что биосферу можно адекватно описать, только если ее
членам присвоены названия в соответствии с принятой си¬
стематикой. Появлением используемой в настоящее время
таксономической схемы мы обязаны известному ботанику
Карлу Линнею (1707—1778). Она содержит иерархию уров¬
ней, называемых таксонами, в которые сгруппированы ор¬
ганизмы.
Таксон
Царство
Тип
Класс
Отряд
Семейство
Род
Вид
Пример: Пурпурный морской еж
Животные (Animalia)
Иглокожие (Echinodermata)
Морские ежи (Echinoidea)
Морские ежи (Echinoida)
Стронгилоцентротиды
(Strongylocentrotidae)
Strongylocentrotus
S. purpuratus
Главная цель таксономического метода — присвоить
каждому виду свое собственное единственное наименование.
Другая задача — сгруппировать организмы в естественные
единицы, последовательность которых вытекает из схемы
происхождения, т. е. из родословного древа.
В царство растений (Plantae) группируют все автотроф¬
ные организмы — как морские, так и наземные. Виды мор¬
ских растений обычно относят к подцарству низших расте¬
ний (Thallophyta). Это растения без корней, листьев и сосу¬
дистой ткани; к ним относится фитопланктон, а также мор¬
ские водоросли. В табл. 13.1 перечислены несколько типов
морских растений и их характеристики и приведены приме¬
ры. Все они — члены подцарства низших растений и отли¬
чаются от представителей другого подцарства — высших
Тип
Характеристика
Примеры
Синезеленые
водоросли
(Cyanophyta)
Мельчайшие плавающие одно¬
клеточные растения, у которых
нет обособленных клеточных
ядер (генетическое вещество
рассеяно в клетке); часто окра¬
шены в сине-зеленый цвет бла¬
годаря присутствию пигмента
фикоцианина
Синезеленые
водоросли
Золотистые
водоросли
(Chrysophyta)
Мельчайшие плавающие или
прикрепленные одноклеточные
растения, имеющие обособлен¬
ное ядро и тело (клетку), заклю¬
ченное в выделяемую им дву¬
створчатую оболочку из крем¬
незема; обычно в них присутст¬
вует бурый или желтый пиг¬
мент и хлорофилл
Диатомовые
водоросли
Пиррофитовые
водоросли
(Pyrrophyta)
Чрезвычайно мелкие плаваю¬
щие одноклеточные растения
(чтобы рассмотреть детали
строения требуется увеличение
по крайней мере в 500 раз); име¬
ют один или два нитевидных
жгутика, которые используют¬
ся как органы движения, и
обычно несколько целлюлоз¬
ных пластинок, образующих
составную оболочку
Динофла¬
гелляты
Бурые
водоросли
(Phaeophyta)
Крупные (макроскопические)
морские водоросли бурого цве¬
та, прикрепляющиеся к при¬
брежным скалам и к твердому
субстрату шельфа; некоторые
из них содержат полые газовые
пузырьки, дающие им возмож¬
ность плавать, если они не при¬
креплены к субстрату; содер¬
жат бурые пигменты и хло¬
рофилл
Ламинарии,
саргассовы
водоросли
Зеленые
водоросли
(Chlorophyta)
Зеленые морские водоросли;
(некоторые из них очень мел¬
кие, состоят из одной или не¬
скольких клеток, другие — бо¬
лее крупные, похожие на мох
или латук; более крупные фор¬
мы прикреплены ко дну; хлоро¬
филл является главным или
единственным пигментом
Ульва
Красные
водоросли
(Rhodophyta)
Красные или пурпурные мор¬
ские водоросли, длиной обычно
несколько дюймов, никогда не
бывают массивными; кроме
красных пигментов в них есть
хлорофилл; иногда содержат
также известь (в таком случае
они похожи на кораллы или лен¬
товидные пластинки на поверх¬
ности скал); обычно прикрепле¬
ны к субстрату
Красные водо¬
росли, багрян¬
ки, кораллина
ГЛАВА 13. ОРГАНИЗАЦИЯ МОРСКОЙ БИОСФЕРЫ
179
Таблица 13.2. Наиболее важные типы морских беспозвоночных [2]
Тип
Характеристика
Примеры
Простейшие
Мельчайшие одноклеточные
животные, морские формы ча¬
сто с известковой или кремне¬
земной раковиной; от микро¬
скопических водорослей отли¬
чаются отсутствием хлорофил¬
ла; плавающие или бентосные
формы
Фораминифе¬
ры, радиоля¬
рии
Губки
(Porifera)
Многоклеточные прикреплен¬
ные формы без рта и централь¬
ной пищеварительной полости;
растут на морском дне
Губки
Кишечно¬
полостные
(Coelenterata)
Многоклеточные прикреплен¬
ные или плавающие формы с
радиально-симметричным те¬
лом и ртом, ведущим в цент¬
ральную кишечную полость, но
без вторичной полости тела;
одиночные или колониальные
Медузы, мор¬
ские анемоны,
кораллы
Иглокожие
(Echinoder-
mata)
Радиально-симметричные вто¬
ричнополостные, главным об¬
разом свободно живущие на
морском дне, иногда прикреп¬
ленные или плавающие фор¬
мы; поверхность тела обычно
покрыта шипами; одиночные
Морские ежи,
морские звезды
Плоские черви
(Platyhelminthes)
Двусторонне-симметричные,
уплощенные, червеподобные
формы, рот и пищеварительная
система присутствуют у сво-
бодноживущих форм и отсут¬
ствуют у некоторых паразити¬
ческих
Турбеллярии,
трематоды,
ленточные
черви
Первичнопо¬
лостные (Asc-
helminthes)
Тело цилиндрическое, черве¬
образное, суживающееся к кон¬
цам, с ротовым отверстием и
пищеварительной полостью;
первичная полость тела; види¬
мая сегментация отсутствует;
часто ведут паразитический об¬
раз жизни
Круглые черви
Кольчатые
черви
(Annelida)
Тело удлиненное, червеобраз¬
ное, уплощенное или цилиндри¬
ческое, хорошо выражена сег¬
ментация, имеется рот и пище¬
варительный тракт; в основ¬
ном бентосные организмы
Многощетин-
ковые черви
Членистоногие
(Arthropoda)
Тело двусторонне-симметрич¬
ное, покрыто наружным хити¬
новым панцирем; имеются хо¬
рошо развитые членистые пар¬
ные конечности, рот с челюстя¬
ми и сложный кишечник
Креветки, кра¬
бы, омары
Моллюски
(Mollusca)
Тело двусторонне-симметрич¬
ное (хотя иногда закручено в
спираль); обычно строят за¬
щитную известковую ракови¬
ну, имеющую одну, две или не¬
сколько створок; рот и кишеч¬
ник хорошо развиты, но вто¬
ричная полость тела редуциро¬
вана
Морские улит¬
ки, двустворки,
осьминоги
растений (Embryophyta) — стратегией размножения. У выс¬
ших растений женские органы размножения сохраняются до
тех пор, пока не произойдет оплодотворение и развитие за¬
родыша. К ним относятся все наземные растения и лишь
несколько видов морских, такие, как общеизвестные мор¬
ские травы и мангровые деревья.
К царству животных относятся гетеротрофные организ¬
мы. Морские животные в целом устроены так же сложно,
как и наземные, так что они являются членами почти всех
тех типов, что и наземные животные. Биологи обычно раз¬
деляют животных для исследования на два больших мно¬
жества, которые, строго говоря, не являются таксонами:
беспозвоночные — организмы, у которых отсутствует спин¬
ной хребет, и позвоночные, или хордовые. В табл. 13.2
Фелл обобщает характерные особенности наиболее извест¬
ных морских беспозвоночных. Размеры их в основном неве¬
лики (за исключением некоторых поистине крупных видов,
таких как гигантские кальмары). Самые мелкие — однокле¬
точные простейшие, к которым относится такой отряд, как
фораминиферы. Более крупные животные хорошо нам из¬
вестны: это креветки, омары, медузы. По размерам медузы
относятся к крупнейшим — некоторые виды достигают 2 м
в диаметре. К типу членистоногих принадлежат животные,
обычно называемые ракообразными (Crustacea), например
креветки, веслоногие рачки (копеподы) и крабы; у этих жи¬
вотных есть общий признак — наружный скелет, покрыва¬
ющий все тело. Кроме того, встречаются моллюски, напри¬
мер наутилус (кораблик) с разделенной на камеры ракови¬
ной, и обычные двустворки и устрицы; их объединяет нали¬
чие твердой раковины, из которой они могут высовываться.
И наконец, в типе хордовых имеются классы морских
позвоночных. Они перечислены в табл. 13.3. В эти классы
входят все крупные животные — от рыб и морских птиц до
млекопитающих, таких как киты и морские свиньи.
Классификация по способам питания
Самый многочисленный вид живых организмов на нашей
Земле — это одноклеточные морские растения, имеющие
микроскопические размеры и плавающие в океанском
«бульоне». В мире морской биосферы они являются проду¬
центами, и, следовательно, среди морских форм жизни ме¬
ханизмы питания охватывают гораздо более широкий дина¬
мический диапазон, чем среди наземных. Мы можем ис¬
пользовать разнообразие способов питания как метод орга¬
низации изучения жизни моря.
Организмы, питающиеся взвесью
Сравнительно небольшая разница между плотностями воды
и протоплазмы, живой или мертвой, превращает океан в
суспензию, образованную мельчайшими частицами прото¬
плазмы, рассеянной в толще воды. В поверхностном слое
находятся главным образом одноклеточные водоросли.
Глубже мы обнаруживаем небольшие кусочки поверхност¬
ных организмов, которые погибли и медленно погружают¬
ся, одновременно подвергаясь воздействию бактерий, разла¬
гающих то, что раньше было телом животного. Возле океа¬
нического дна течения непрерывно перемещают осадок и
взмучивают накопившийся там материал. Поэтому не уди¬
вительно, что у многих гетеротрофов развилась способ¬
ность питаться, отфильтровывая это взвешенное органиче¬
ское вещество из воды. Опишем животных, типичных для
каждого такого уровня в толще морской воды.
180
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Таблица 13.3. Классы морских позвоночных типа хордовых [2]
Класс
Общеупотребительные Скелет
названия
Характеристики тела
Примечания
Круглоротые
(Cyclostomata)
Миноги и миксины
Исключительно
хрящевой
Хрящевые рыбы
(Chondrichtyes)
Акулы и скаты
Исключительно
хрящевой
Костные рыбы
(Osteicthyes)
Костные рыбы, тресковые, Костный и
камбала, сельдевые, угри, хрящевой
Тело угреподобное, парные
плавники отсутствуют, рот
снабжен присоской, челюстей
нет
Истинные рыбы с парными
плавниками и парными челю¬
стями (одна или обе пары плав¬
ников иногда отсутствуют)
Водные животные, плавающие с
помощью движений хвоста; плав¬
ники служат для приобретения
устойчивости; дыхание через жа¬
бры в воде
окуневые и т. д.
Пресмыкающиеся
(Reptilia)
Морские крокодилы, мор¬
ские черепахи и морские
змеи
Костный и хря¬
щевой
Птицы
(Aves)
Млекопитающие
(Mammalia)
Морские и береговые пти¬
цы, пингвины, чайки, крач¬
ки и т. д.
Дельфины и киты, тюлени,
ламантины и т. д.
Костный и хря¬
щевой
Костный и
хрящевой
Холоднокровные; откладыва¬
ют яйца; покрытые чешуей чет¬
вероногие
Теплокровные; откладывают
яйца; покрыты перьями; имеют
четыре конечности
Теплокровные, живородящие;
покрыты шерстью; вырабаты¬
вают молоко; имеют четыре ко¬
нечности
Первоначально наземные четве¬
роногие животные, снова приспо¬
собившиеся к жизни в море; ис¬
пользуют конечности как плавни¬
ки и дышат воздухом при помощи
легких
Копеподы и водоросли в поверхностном слое. Особое значе¬
ние для понимания экосистемы океана имеет основа пита¬
ния растительноядных животных — выедание микроскопи¬
ческих растений. Лишь в самые последние годы мы доби¬
лись существенного прогресса в рассмотрении деталей этого
важного процесса. Впервые морские биологи смогли задать
вопрос, «выбирают» ли копеподы водоросли, и если да, то
по каким признакам. Электронные «счетчики частиц» сейчас
позволяют нам оценивать количество и размеры частиц в
лабораторных питательных резервуарах. В результате по¬
следовательных измерений в течение циклов питания копе¬
под мы установили, какие частицы они едят и с какой ско¬
ростью.
Скоростное фотографирование (фильм снимался со ско¬
ростью 1000 кадров в секунду) позволило проследить движе¬
ние конечностей копепод во время питания. На рис. 13.1 схе¬
матически изображено то, что удалось узнать в ходе одного
такого эксперимента. Для конечностей и ротовых частей ко¬
пеподы вода является вязкой средой. Следовательно, у во¬
ды, которую подгребают конечности во время питания, нет
никакого остаточного импульса — она перестает течь, как
только животное прекращает нагнетать воду. Видно, что
вода двигалась ко рту отдельными «толчками» в результате
чередующихся подталкивающих действий ротовых придат¬
ков.
«Фильтрующие ракообразные, такие как копеподы или эвфау-
зииды, извлекают из воды растения в форме частиц с помощью се¬
ти щетинок (волосоподобных выростов наружного скелета). Вто¬
рая антенна и ногочелюсть движутся по порядку соответственно
вперед и назад, проталкивая воду из окружающего объема на один
«шаг» по направлению к брюшной стороне тела. Затем взмах ман¬
дибулярного щупика от спины к брюшку проталкивает ее в про¬
дольном направлении и в сторону брюшка сразу за концом второй
максиллы. Эта последовательность действий повторяется, переме¬
щая воду к телу ракообразного и вокруг него в виде серии отдель¬
ных толчков. Процесс резко прерывается, когда частица пищи до¬
стигает животного. Затем вторая максилла движется в продольном
направлении, растопыривая щетинки. Частица продвигается между
растопыренными тонкими выростами второй максиллы, которые
затем захватывают ее. Эти выросты стягиваются все ближе и бли¬
же друг к другу и к стенке тела, выдавливая вязкую воду через про¬
странство между сетулами (маленькими волосками на щетинках).
Существует также обратная последовательность движений, вытал¬
кивающая воду из пространства между вторыми максиллами; она
используется для того, чтобы отбросить частицы, которые ока¬
зываются нежелательными. Съедобные захваченные частицы от-
ребаются от второй максиллы средней, ближайшей, долей пер¬
вой максиллы, которая для этой цели вооружена прочными иг¬
лами. Они проталкивают пищу через пространство посередине
между губными щупиками, которые закрывают заднюю сторону
рта» [9].
Копепода, по-видимому, способна обнаруживать части¬
цы до того, как они коснутся какой-либо части самого жи¬
вотного. В этом смысле копеподы не являются «прямыми
фильтраторами», но выбирают или отвергают взвешенные
частицы как возможную пищу. Размер частицы — лишь
один из нескольких критериев отбора, хотя, очевидно, важ¬
ный: например, было обнаружено, что копеподы питаются
частицами двух разных размеров и не едят частицы проме¬
жуточного размера. На полученных с помощью электронно¬
го микроскопа фотографиях структуры челюстей копеподы
обнаружились их сложные и высокоразвитые зубы, необхо¬
димые, вероятно, для того, чтобы разгрызать кремнезем¬
ные раковины диатомей (рис. 13.2).
Флеминг [3] провел интересный опыт, выявивший эффек¬
тивность питания копепод. Он приготовил раствор (с заве¬
домо достаточным количеством питательных веществ), со¬
держащий диатомеи и копеподы, в котором равномерно
распределенная биомасса диатомей оставалась постоянной,
т. е. плотность копепод была как раз такой, чтобы они съе¬
дали новый суточный прирост диатомей. Затем он увеличил
плотность копепод вдвое и измерил сокращение биомассы
диатомей — около 75% за 5 дней, явное истощение пище-
ГЛАВА 13. ОРГАНИЗАЦИЯ МОРСКОЙ БИОСФЕРЫ
181
Рис. 13.1. Последовательность действий копеподы во время пита¬
ния. Черные полоски — это окрашенные струйки из микропипетки.
Толстыми стрелками показаны движения вторых максилл и первой
максиллы на рис. е. Кружочками отмечены положения водоросли,
а тонкими стрелками — ее движения. В первой колонке рисунков
копепода показана слева и первая максилла, чтобы лучше было
видно, отведена в сторону. Во второй колонке рисунков копепода
показана спереди. Пищевой поток обтекает вторую максиллу до
тех пор, пока к ней не приблизится водоросль (а, б). Водоросль за¬
хватывается (в, г) направленным наружу резким движением и (6, е)
направленным внутрь взмахом второй максиллы [6].
182
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
(а) Вид Calanus plumchrus. Длина тела (взрослой особи) — 5 мм.
Детали строения двух дорсальных зубов левой мандибулы.
На этих фотографиях, сделанных с помощью сканирующего элек¬
тронного микроскопа, видны все детали строения зубов двух видов
копепод. Вас нисколько не должно удивлять, что у копепод разви¬
лись такие зубы. Вспомните, что они питаются фитопланктоном,
например диатомеями с их твердыми кремнеземными раковинами
длиной около 20 мкм. Показанные здесь зубы достигают в попе¬
речнике примерно 5 мкм. На раковину диатомеи приходится при¬
мерно 4 зуба, которые копепода может использовать, чтобы раз¬
грызть ее. Кроме того, эти кальцинированные зубы, так похожие
(6) Вид Acartia longiremis. Длина тела (взрослой особи) — 2 мм.
Деталь строения вентрального конца правой мандибулы.
на наши собственные, имеют внутренние каналы, через которые
копепода впрыскивает ядовитую жидкость в протоплазму разгры¬
заемой диатомеи. Эта жидкость представляет собой фермент, сход¬
ный с нашей слюной, участвующей в процессе пищеварения. Как
можно ожидать, зубы более старых особей в значительной степени
изношены в результате разгрызания раковин, имеющих твердость
песка (SiO2). (Из работы: Sullivan Barbara К., Miller С.В., Peter¬
son W.T. and Soeldner А.Н.. A SEM Study of the Mandibular
Morphology of Boreal Copepods.)
Puc. 13.2. У копепод есть зубы!
вых ресурсов. При увеличении плотности копепод в 5 раз по
сравнению с равновесным значением они уничтожают всю
популяцию диатомей как раз за 5 дней — доказательство
эффективности способа питания копепод!
Фильтраторы, выделяющие слизь. Среди морских живот¬
ных очень широко распространено использование слизистых
пленок для сбора взвешенных частиц. Этот способ применя¬
ется видами, принадлежащими фактически к каждому типу.
Распределение использующих слизь животных четко связано
с распределением плотности взвешенных частиц. Поэтому
множество видов их обнаружено в поверхностном слое во¬
ды, где плотность частиц выше всего, а также возле океани¬
ческого дна, где волнения, вызванные течениями и деятель¬
ностью самих животных, имеют тенденцию взмучивать
донные осадки. На средних глубинах в океане, где взвешен¬
ных частиц мало, слизевый способ питания не является до¬
минирующим; в этой зоне преобладают активные взаимоот¬
ношения типа хищник — жертва.
В приповерхностных водах водятся сальпы — фильтра¬
торы длиной несколько сантиметров, имеющие тело бочон¬
кообразной формы (рис. 13.3, а). С помощью мускульных
обручей, идущих вокруг тела, это животное прокачивает во¬
ду сквозь себя и через имеющий коническую форму слизи¬
стый покров, который отфильтровывает частицы из потока
воды. Этот покров представляет собой фильтр, который
непрерывно образуется с одной стороны и расходуется с
другой. На сделанных с помощью электронного микроскопа
фотографиях слизистого покрова видны отверстия исключи¬
тельно правильной формы и одинакового размера, пло¬
щадью порядка 1 мкм. Сальпы являются членами подтипа
оболочников (Urgchordata) класса Thaliacea и часто встреча¬
ются в открытом океане.
В поверхностных слоях воды, но на бблыпих глубинах
обнаруживают также представителей подотряда ложнокры¬
лоногих из отряда заднежаберных. Эти животные образуют
огромный, до метра в диаметре, пузырь из слизистой плен¬
ки; размер самого животного — всего несколько сантимет¬
ров. Находясь во взвешенном состоянии в воде, этот пу¬
зырь так велик, что буквально крутится течением воды и
захватывает падающий детрит на свою липкую поверх¬
ность. Время от времени животное поглощает весь пузырь
целиком и затем выпускает следующий.
Другие животные покрывают слизистой пленкой отрост¬
ки и периодически стирают пленку вместе с захваченными
ею частицами или отсасывают обогащенную пищей слизь
вдоль отростков по направлению ко рту. Морские лилии,
относящиеся к типу иглокожих (Echinodermata), классу кри-
ноидей (Crinoidea), направляют слизь к ротовому отвер¬
стию. Это самые древние и в некотором смысле самые при¬
митивные из ныне существующих классов иглокожих, к ко¬
торым относятся также морские звезды и морские ежи. Не¬
которые виды криноидей, называемые морскими лилиями,
прикреплены к субстрату дна и стелются подобно стеблям
растений в придонных течениях (рис. 13.3, б). Они питаются
при помощи пиннул — коротких отростков, прикрепленных
к стебельчатой «руке», в которой есть покрытые слизью ка¬
налы. Когда к пиннулам прикасается взвешенная частица,
они «забрасывают» ее в ближайший канал. Реснички внутри
каналов волнообразными движениями проталкивают слизь
вдоль каналов к ротовому отверстию (рис. 13.3, в).
Некоторые черви тоже используют слизистые мембра¬
ны, через которые прокачивается вода. Хорошо известный
пример — червь Urechis саиро, обнаруженный на заиленных
мелководьях. Он выкапывает U-образную нору с входом и
выходом и выпускает слизистую мембрану через входное
ГЛАВА 13. ОРГАНИЗАЦИЯ МОРСКОЙ БИОСФЕРЫ
183
(а) Одиночная особь оболочника Thalia democratica (вид слева). Эти
животные, обычно называемые сальпами, имеют бочонкообразное
тело, окруженное просвечивающей целлюлозной «туникой». Коль¬
цевые мускульные обручи сжимают тело, прогоняя воду через него,
что обеспечивает как питание, так и продвижение вперед. Мелкие
клетки фитопланктона в поступающей воде отфильтровываются
слизистыми тяжами, которые вырабатывает эндостиль. Эти тяжи
собраны на жаберном гребне и затем переходят в кишечник [8].
(б) Стебельчатая криноидея Ptilocrinus pinnatus, иногда называемая (в) «Рука» криноидеи, на которой видны ножки и заполненный
морской лилией [1].
слизью канал, по которому захваченный детрит перемещается к ро¬
товому отверстию.
Рис. 13.3. Примеры использования слизи фильтраторами.
отверстие. Затем, сокращая мышцы, червь прокачивает во¬
ду через нору, время от времени поглощая слизистую плен¬
ку, на которую налипли взвешенные частицы.
К широко известным животным, питающимся взвешен¬
ными частицами, относятся и те, которых едим мы сами,
например, съедобные морские моллюски — устрицы, мидии
и другие; все они — представители типа моллюсков (Мо1-
lusca) и все относятся к бентосной фауне. Более того, все
эти животные применяют определенный механизм выбора и
отказа, чтобы, фильтруя воду, выделить из всей взвеси ор¬
ганическое вещество. Деятельность человека может резко
повлиять на этих фильтраторов: углубление каналов для су¬
доходства имеет тенденцию взмучивать большое количество
тонкого ила, который замедляет рост двустворчатых мол¬
люсков из-за того, что 1) ил засоряет их фильтровальные
приспособления, 2) животные расходуют больше энергии на
184
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Ловля устриц в Чесапикском заливе.
Устрицы питаются, отфильтровывая
частицы органического вещества,
взвешенного в воде.
промывание засоренных фильтров и 3) увеличение времени,
используемого на промывание фильтров, сокращает «про¬
дуктивное» время питания (Г.Ф. Фролендер, личное сообще¬
ние).
Животные, питающиеся донными осадками
Накопление органического обломочного материала на океа¬
ническом дне приводит к возникновению пищевой цепи, ко¬
торая, по крайней мере в глубоких водах открытого океана,
поразительно отличается от цепи, занимающей зону про¬
никновения света. Энергия на входе в бентосную пищевую
цепь заключена в веществе, уже «отмершем», но все еще со¬
держащем большие количества потенциальной химической
энергии.
В океанических осадках обнаружено множество бакте¬
рий. Здесь они играют роль редуцентов. Их деятельность
приводит к разложению органических веществ обломков
большого размера, например тела рыб или опавших талло¬
мов бурых водорослей. Впоследствии мелкие частицы ста¬
новятся частью взвеси, от которой зависят обитающие на
дне фильтраторы. Фактически существенную долю взвеси
составляют тела самих бактерий.
После бактерий наиболее многочисленными организма¬
ми в бентосной пищевой цепи являются черви. Самая значи¬
тельная часть их особей относится к типам роющих орга¬
низмов, которые проделывают ходы в слое накопившихся
осадков. Они питаются, пропуская ил через свой пищевари¬
тельный тракт, в котором органические компоненты разла¬
гаются ферментами. Черви в свою очередь становятся важ¬
ным источником пищи для многих более крупных живот¬
ных, в том числе для многих видов «плоских рыб», таких
как камбала, палтус и другие члены отряда камбал.
Многие питающиеся донными осадками виды (так назы¬
ваемые детритофаги. — Ред.) перемещаются по поверхно¬
сти слоя осадков, а не сквозь него; они захватывают круп¬
ные частицы в обломочных отложениях. Среди них обраща¬
ют на себя внимание офиуры; с появлением подводных фо¬
токамер и накоплением в связи с этим фотографий океани¬
ческого дна океанологи обнаружили, что эти животные ши¬
роко распространены во всех океанах земного шара от тро¬
пиков до полярных регионов. Они питаются, заглатывая
смесь осадков преимущественно на участках с высоким со¬
держанием органического вещества и, таким образом, дей¬
ствуют в какой-то степени избирательно. Офиуры относят¬
ся к классу офиуроидей (Ophiuroidea), принадлежащих к ти¬
пу иглокожих.
Гораздо менее «привередливыми» среди питающихся
осадками животных являются те, которые просто скребут
поверхность осадочного слоя. Типичные примеры — улитки
(моллюски) и голотурии (иглокожие). У рода Сиситапа
развились специальные щупальца, которые животное снача-
Иглокожие на глубине 1800 м, сфотографированные с подводного
исследовательского аппарата «Алвин». Видны две офиуры вместе с
морским ежом и голотурией Peloptides gigantea; все они питаются
органическим детритом, который собирают на дне океана.
ГЛАВА 13. ОРГАНИЗАЦИЯ МОРСКОЙ БИОСФЕРЫ
185
ла покрывает слизью, а затем, ползя по дну, поводит ими
взад-вперед. Время от времени оно очищает щупальца сво¬
им ротовым аппаратом, чтобы снять собранную органику и
снова покрыть щупальца слизью.
Прямая пищевая цепь хищник — жертва
Взаимодействие между хищниками и жертвами не требует
здесь специального разъяснения. Мы привыкли считать, что
океанские животные питаются именно так, и подтвержде¬
ние этому обнаружено по всему пространству океанов. Од¬
нако это не самый распространенный способ питания.
Организмы, питающиеся в симбиозе
Точно так же, как и в наземных экосистемах, в морской
встречается множество примеров симбиоза среди организ¬
мов. Классическими исследованиями установлено три ком¬
бинации организмов.
Паразитизм. Прямыми паразитическими ассоциациями яв¬
ляются те, где один организм (паразит) вредит другому ор¬
ганизму (хозяину). Пример — заражение лососевых бактери¬
ями рода Vibrio, которые могут убить хозяина; это заболе¬
вание похоже на холеру у человека. Для морских биологов
паразитические черви и трематоды в мышцах или внутрен¬
них органах морских животных — обычные проблемы пато¬
логии.
Комменсализм. Комменсализм представляет собой связь, вы¬
годную для нахлебника, но не имеющую заметных последст¬
вий для хозяина. Примером служит существование маленько¬
го краба-горошинки внутри раковины живого двустворчатого
моллюска: краб получает важное для него убежище, не ока¬
зывая никакого пагубного влияния на моллюска.
У многих приморских народов деликатесом считаются
гонады морских ежей. Открывая панцирь морского ежа, ча¬
сто можно найти маленького краба, который пробрался
внутрь морского ежа, пока был крошечной личинкой, но
слишком вырос, чтобы выйти наружу. Хотя эта связь еще
не совсем понятна, люди извлекают из нее прямую пользу.
Безошибочный способ выбрать свежего морского ежа —
это посмотреть, жив ли еще в нем краб-комменсал.
Мутуализм. Мутуализмом называют связь, при которой и
хозяин, и квартирант приносят друг другу пользу. В мире
морской биосферы есть много тому примеров. И новым, и
широко распространенным примером являются клетки жи¬
вых водорослей внутри прозрачной ткани некоторых живот¬
ных. Полипы рифовых кораллов содержат зооксантеллы —
водоросли-симбионты. Когда эти водоросли попадают на
солнечный свет, они растут и размножаются, используя в
качестве строительного материала побочные продукты об¬
мена веществ, происходящего в тканях животных: азот (из
мочевины или аммиака), фосфаты, углекислый газ и др.
Животное в свою очередь употребляет часть водорослей в
пищу и, кроме того, использует кислород, который являет¬
ся побочным продуктом фотосинтеза.
Даже некоторые очень крупные животные содержат
водоросли-симбионты. Гигантский двустворчатый моллюск
Tridacna, живущий на Большом Барьерном рифе у берегов
Австралии, растягивает ткань своей мантии на края извест¬
ковой раковины, чтобы подставить водоросли-симбионты
солнечному свету; множество оттенков, которые видны в
мантийной ткани, — это оттенки внедрившихся в нее водо¬
рослей. Иногда, как в случае с червем Convoluta roscoffensis,
первичные взаимоотношения симбиоза сменяются полной
зависимостью хозяина от водорослей. Это животное дейст¬
вительно становится все более прозрачным во взрослом со¬
стоянии, поскольку оно «принимает солнечные ванны» на
пляжных песках, чтобы обеспечить водорослям необходи¬
мый свет.
Организация, основанная на особых
пищевых цепях
Некоторые специализированные, обычно региональные, пи¬
щевые цепи резко отличаются от нормальных, типичных
для открытого океана. Это может быть хорошим основани¬
ем для построения курса биологической океанологии. Здесь
приводятся некоторые из наиболее характерных пищевых
цепей.
Мутуализм в действии. Различные
рифовые рыбы собираются на «стан¬
циях чистки», где более мелкие
рыбы-губаны, темные со светлыми
полосками, очищают их от парази¬
тов, отмерших тканей и т. д.
186
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Шельф Берингова моря — обширная область шириной около 500 м
и длиной около 700 км со средними глубинами примерно 75 м —
высокопродуктивен. В весенние месяцы, когда льды отступают к
северу, наблюдатели насчитывают вдоль края пакового льда до
40 тысяч моржей. Каждый взрослый морж съедает в день около
2 бушелей (1 бушель « 73 л. — Перев.) двустворок. Животное ис¬
пользует два своих длинных клыка, чтобы, вспахивая ими дно, вы¬
копать двустворчатых моллюсков.
Что же это за пищевая цепь, которая поддерживает продукцию
такой огромной популяции двустворок? Дельты рек Юкон и Ку-
скоквим представляют собой обширные низменности, а приливы в
этом районе высоки. Этим объясняется существование затопляе¬
мых во время приливов обширных плоскотин и болотистых низ¬
менностей, на которых буйно растет морская трава. Поздней вес¬
ной, когда вскрываются скованные морозом в зимнее время реки и
дробятся плавучие льды, соскабливаются целые пласты морской
травы. Тысячи тонн травы отрываются и выносятся на прибреж¬
ные края шельфа Берингова моря. Здесь отмерший растительный
материал начинает разлагаться бактериями до частиц, достаточно
мелких для того, чтобы стать частью взвеси в этих водах. Вместе с
телами самих отмерших бактерий взвешенные в воде растительные
частицы становятся основным источником пищи для фильтрато-
ров, например двустворчатых моллюсков. Пищевая цепь, в кото¬
рой первичный материал представляет собой отмершее органичес¬
кое вещество, называется сапрофитной пищевой цепью.
Рис. 13.4. Сапрофитная пищевая цепь Берингова моря: морская
трава — бактерии — взвешенные частицы — двустворчатые мол¬
люски — моржи.
Сообщества восточных окраин океанов. Одна особенность,
общая для восточных окраин всех крупных океанов, — при¬
брежный апвеллинг. В гл. 15 мы рассмотрим биологию од¬
ной из них — системы Калифорнийского течения. На
рис. 15.13 показано, что все более высокие трофические
уровни четырех сообществ восточной окраины включают
одни и те же роды животных. Эта общая закономерность
распространяется также и на более низкие трофические
уровни. Подробное описание этого сообщества и его пище¬
вых цепочек мы отложим до гл. 15.
Пищевая цепь Южного океана. Сообщество организмов
Южного океана очень своеобразно во многих отношениях.
Во-первых, возможно, это самая короткая пищевая цепь,
которая в то же время является столь «протяженной». Ко¬
ротко говоря, она состоит из диатомей и микроскопических
простейших организмов, ракообразных Euphausia superba
как основных растительноядных и китов, тюленей и различ¬
ных птиц в качестве хищников, стоящих на вершине трофи¬
ческой цепи. Во-вторых, цепь из трех трофических уров¬
ней обладает огромной потенциальной продуктивностью.
В-третьих, эта область находится так далеко и так долго в
течение года покрыта паковыми льдами, что вряд ли мы
скоро разберемся в переплетении ее трофических отношений
(см. гл. 20).
Сапрофитная пищевая цепь Берингова моря. Другое своео¬
бразное сообщество организмов встречается на огромных
площадях мелководного шельфа Берингова моря (рис. 13.4).
Материал, который образует основание пищевой цепи в
этом море, представляет собой органическое вещество, сне¬
сенное с самого континента. В дельтах рек Юкон и Кускок-
вим развиты затопляемые во время приливов и половодий
обширные равнины. Это источники морской травы, кото¬
рая выносится на шельф во время весеннего паводка. Бакте¬
рии разлагают отмерший растительный материал на орга¬
нические частицы, способные находиться во взвешенном со¬
стоянии; взвесь включает и мертвые тела бактерий, и все
это становится пищей для фильтраторов, таких как двуст¬
ворки. В системе Берингова моря есть один дополнитель¬
ный фактор, который делает ее уникальной. Зимой весь
шельф покрыт паковым льдом, а летом снова появляется
открытое водное пространство. Плавучие льдины служат
местом лежбищ для огромного числа моржей, которые вы¬
капывают со дна двустворчатых моллюсков специально
приспособленными для этого клыками.
Организация, основанная на подвижности
организмов
Еще один способ классификации морских организмов осно¬
вывается на способах их передвижения. Они подразделяют¬
ся на нектон, планктон, бентос и нейстон.
Нектон. К нектону относятся животные, способные дви¬
гаться достаточно быстро независимо от океанических тече¬
ний. Многие животные имеют большие размеры. У них
есть скелетные структуры, к которым прикреплены мышцы
и в зависимости от которых форма их тела искривлена, что
позволяет достичь результирующей движущей силы. К не¬
ктону относятся многие типы животных: рыбы, птицы,
морские млекопитающие и рептилии, а также некоторые го¬
ловоногие моллюски, например кальмары. Основная часть
этих животных — рыбы, которые могут двигаться двумя
способами. Преобладающий способ — изгибание тела из
стороны в сторону относительно продольной оси — плава¬
ние. Несколько видов движется, манипулируя плавниками, а
не самим телом; они имеют увеличенные брюшные или
спинные плавники, которые колеблются, как, например, у
океанской луны-рыбы Mola mola (между прочим, не
мелкая — взрослые особи весят больше тонны). Плавающие
быстрее других виды, такие как тунцы и дельфины, имеют
специальные углубления в теле, куда втягиваются плавники,
чтобы уменьшить сопротивление тела. У угрей и морских
рептилий тела чрезвычайно вытянуты, так что они волно¬
образно изгибаются из стороны в сторону вдоль длинной
оси.
Планктон. Слово «планктон» произошло от греческого
planktos, что значит «свободно дрейфующий». Перемещение
растений и животных при таких маленьких размерах опреде¬
ГЛАВА 13. ОРГАНИЗАЦИЯ МОРСКОЙ БИОСФЕРЫ
187
ляется главным образом движением самой жидкости. У са¬
мых мелких планктонных организмов погружение предот¬
вращают особая форма тела и особые способы (гл. 9). У
более крупных организмов обычно действительно есть
какие-то примитивные средства передвижения, например
динофлагелляты используют волосоподобные жгутики
(два), чтобы достичь некоторой подвижности в вертикаль¬
ном направлении (см. рис. 15.4). Копеподы тоже плавают.
Большинство морских животных в своем жизненном цикле
проходят личиночную стадию, и подвижность их существен¬
но меняется в зависимости от стадий линьки. Например,
усоногие рачки во время личиночной стадии несколько раз
линяют, сбрасывая панцирь, и каждый раз становятся круп¬
нее и приобретают большую подвижность, чем раньше. Ме¬
дузы обладают способностью двигаться вертикально, сжи¬
мая свое куполообразное тело и выталкивая воду вниз.
Бентос. Животные бентоса обычно перемещаются, отталки¬
ваясь от твердого или илистого субстрата, т. е. они скорее
ходят, чем плавают. Примеры их многочисленны благодаря
большому разнообразию форм в этой группе. Членистоно¬
гие с большим количеством конечностей, например крабы и
омары, ходят. Черви роют норы. Иглокожие, такие как
морские звезды, двигаются при помощи специальных амбу¬
лакральных ножек, расположенных на нижней стороне лу¬
чей. Моллюски, например гребешки, достигают ограничен¬
ной подвижности, быстро захлопывая свои двустворчатые
раковины и выталкивая морскую воду. Среди бентосной фа¬
уны имеется множество прикрепленных видов.
Нейстон. Нейстон — это особая категория существ, «плы¬
вущих по воле ветра». Книдарии рода Physalia используют
наполненный газом пузырь, выступающий над поверхнос¬
тью моря, чтобы приобрести подвижность за счет ветра,
толкающего этот «парус». Подвижностью иного типа обла¬
дает род Velella (примеры того и другого приведены на
рис. 15.10).
Организация по особенностям биогеографии
Биогеографический метод является, возможно, самым инте¬
ресным хотя бы потому, что число пелагических видов
морских растений и животных гораздо меньше, чем назем¬
ных. Это заставляет нас сразу же противопоставить мор¬
скую и наземные части биосферы, в результате чего выявля¬
ется значительное различие в видообразовании.
Сначала рассмотрим растения. Число пелагических видов
морских растений, согласно подсчету в [4], находится между
7000 и 10 000, и представлены они в основном диатомовыми
водорослями, динофлагеллятами и кокколитофорами (за ис¬
ключением макроскопических растений прибрежных зон).
В противоположность этому количество видов семенных
растений (Spector, 1956) превышает 200 000, и всего несколь¬
ко видов растений в прибрежных мелководьях представля¬
ют собой морские семенные растения. Таким образом, от¬
ношение числа видов растений океана к числу наземных рав¬
но примерно 1:20. О чем это говорит? Как нам строить
биогеографическую схему для моря, где видообразование
настолько ниже, чем на суше? Мы должны предположить,
что либо видообразование в эволюции морских растений
было сильно угнетено, либо вымирания морских растений
были чрезвычайно сильными по сравнению с наземными.
Сопоставление числа видов пелагических и наземных жи¬
вотных только подтверждает картину, полученную при
сравнении растений. Подсчитано, что общее число видов
современных животных составляет что-то около 1,5 млн.
Из этого общего числа к морским видам относится неболь¬
шая часть: в пределах голопланктона (плюс относящиеся к
меропланктону медузы — кишечнополостные, которые
обычно попадаются в планктонные сети) мы насчитываем
около 2000 видов, распространенных по всем океанам [7],
число видов глубоководных и бентосных рыб также равно
примерно 2000. Если мы прибавим оценки всех остальных
нектонных групп — кальмаров, креветок, мизид и млекопи¬
тающих, — общее число видов животных в морском мире
окажется порядка 6000, и вряд ли оно превысит 10 000 к то¬
му времени, когда океан будет исследован полностью. Сле¬
довательно, отношение числа видов морских животных к
числу видов наземных примерно равно 1:150.
Как этот ошеломляющий факт малого числа видов в мо¬
ре влияет на общую структуру биогеографии? Каковы важ¬
нейшие черты морской биосферы, которые позволяют объ¬
яснить эту скудость пелагических видов?
Уменьшает ли разнообразие видов в море
постоянство обстановки?
С развитием биологической науки был сделан общий вывод,
что в более постоянных местах обитания адаптивная специ¬
ализация будет выше, а следовательно, возникнет больше
видов и большее их разнообразие. Это не помогает нам
объяснить различие между морской и наземной экосистема¬
ми. Дело в том, что весьма постоянные морские условия
обитания не приводят к большому видообразованию, даже
если мы наблюдаем, что относительное постоянство среды
в тропических океанах обеспечивает значительно большее
видообразование, чем в полярных океанах.
Нельзя ли объяснить меньшее видообразование
в условиях моря увеличенным по вертикали
жизненным пространством?
В морском мире быстрое изменение гидростатического дав¬
ления с глубиной, очевидно, сильно влияет на становление
видов. Организмы приспособились к жизни на разных
уровнях — от поверхности до дна океана. Из всех изменчи¬
вых условий давление изменяется в самом широком динами¬
ческом диапазоне — от 1 атм на поверхности моря до более
1000 атм в глубоководных желобах. Однако взятые нами из
всего столба воды пробы показывают, что организмы не
приспособлены к узким интервалам давления; способность
кашалотов нырять на большие глубины и миграции глубин¬
ного звукорассеивающего слоя свидетельствуют о том, что
большинство морских животных может функционировать в
широком динамическом диапазоне давлений. Тем не менее
абиссальные животные, как мы много раз обнаруживали,
плохо переносят условия давления, существующие у поверх¬
ности моря. Недавние исследования показали, что измене¬
ние давления на 100 атм может заметно отразиться на
функционировании специфических ферментных систем, т. е.
химизм белка зависит от давления. Но дело в том, что ди¬
намический диапазон в 100 атм — очень сильное изменение,
и этот факт подчеркивает замечательную способность мор¬
ских животных существовать при колебаниях давления, ко¬
торые вызвали бы катастрофический стресс у наземных жи¬
вотных, в том числе и у человека.
Еще одно наблюдение подтверждает тезис о том, что
188
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
давление, или вертикальное жизненное пространство, не
способствуют видообразованию. Сети, поднятые со средних
глубин 500 м в центральных частях океанов, содержат в
какой-то мере те же самые виды, которые обнаружены
вблизи поверхности, но на более высоких широтах. Следо¬
вательно, область распространения данного вида определя¬
ется скорее температурой, чем давлением, — ведь темпера¬
тура на глубине 500 м в центральных водах океанов та же,
что и у поверхности в несколько более высоких широтах.
Разные водные массы — ключ
к биогеографии
В гл. 9 мы проанализировали океаны с точки зрения струк¬
тур водных масс и узнали, что в Мировом океане их удиви¬
тельно мало. Например, в Тихом океане имеется всего 8
крупных секторов с разными водными массами (рис. 9.5).
Если сравнить местоположение этих участков Тихого океана
со схемой главных поверхностных течений (рис. 11.1), то
устанавливается четкая корреляция: центральные водные
массы Тихого океана занимают те же самые зоны, что и
центральные круговороты. Мы приходим к выводу, что, ес¬
ли водные массы играют важную роль в биогеографии, тот
факт, что каждая из них занимает огромный объем и пло¬
щадь Мирового океана, должен также означать, что каждое
биологическое сообщество, приспособившиееся к этой вод¬
ной массе, тоже занимает огромное пространство. В свою
очередь количество различных сообществ должно быть со¬
всем невелико. Это позволяет объяснить сравнительно ма¬
лое количество видов флоры и фауны в океанах.
Пределы толерантности морских видов
Морские биологи давно установили, что большинство мор¬
ских организмов чувствительно к малым изменениям окру¬
жающей среды. В этом смысле выделяются соленость и
температура. Для некоторых видов, особенно обитающих в
открытом океане, пределы толерантности (терпимости) к
изменению этих двух переменных относительно невелики, а
такие виды классифицируют как стеногаллинные или сте¬
нотермные, или и те и другие. Кроме того, важно отме¬
тить, что толерантность к изменениям температуры и со¬
лености может различаться для личиночной и взрослой ста¬
дий жизненного цикла; на взрослых стадиях организмы
обычно более выносливы, чем на более ранних стадиях раз¬
вития. Животное может быть стеногалинным в какой-то
отдельной части диапазона солености океанской воды или
стенотермным в каких-то температурных пределах. Таким
образом, мы устанавливаем стенотипы в холодных, с низ¬
кой соленостью поверхностных водах Северного Ледовито¬
го океана, так же как и в теплых, с высокой соленостью по¬
верхностных слоях центральных океанских вод.
Прибрежные животные, напротив, обычно лучше пере¬
носят изменения солености и температуры воды. Очевидно,
они приспособились к более широким динамическим диапа¬
зонам температуры и солености в прибрежных водах. Эти
воды подвержены сильным изменениям солености, так как
они смешиваются с речным стоком. Кроме того, они испы¬
тывают большие перепады температур в течение суток, ти¬
пичные для мелководья, где само дно может получать и на¬
капливать солнечное тепло. Животных, способных перене¬
сти большие колебания солености воды и температуры, на¬
зывают эвригалинными и эвритермными или применяют
оба этих определения.
Животные эстуариев проявляют крайнюю степень вы¬
носливости. Этого следует ожидать, так как эстуарии пред¬
ставляют собой зоны перехода между пресными и солены¬
ми водами. Однако у разных животных пределы толерант¬
ности различны. Например, не случайно, что успешное раз-
ведение устриц на фермах приурочено к тем участкам эстуа¬
риев, где среднегодовая соленость составляет примерно
17%о. Устрицы переносят такое разбавление морской воды,
а их главные враги, морские звезды, — нет; морские звезды
переносят понижение солености примерно до 19%. Устрич¬
ная ферма защищена разбавлением морской воды.
Однородность водной массы и последовательная
смена видов
Мы можем ожидать четкой корреляции между видами орга¬
низмов во взятых из одной водной массы пробах воды неза¬
висимо от широты и долготы, на которых они были взяты.
Пока сохраняются типичные температура и соленость воды,
сохраняется и сообщество планктонных видов растений и
животных, характерных для этой водной массы. Самый
важный для изучения географического распространения дан¬
ного вида фактор — это система циркуляции океанских вод
и скорость, с которой данная водная масса смешивается с
соседними, тоже отдельными, водными массами. Мы дела¬
ем вывод, что видообразование морской фауны ослаблено в
основном из-за того, что водная масса может распростра¬
няться на обширные пространства океанов. Таким образ¬
ом, по разнообразию биотопов морское царство уступает
наземному миру.
Не менее важна и другая сторона биогеографии моря.
Как только физик осознает, что различные фаунистические
сообщества коррелируют с отдельными водными массами,
биологические данные очень помогут ему интерпретировать
циркуляцию вод. Случай, описанный в дополнительном ма¬
териале (рис. 13.5), иллюстрирует, как междисциплинарное
обсуждение приносит в науке о море больший успех, чем
каждая дисциплина в отдельности.
Виды-индикаторы
Существуют ли особые формы животных и растений,
встречающиеся чаще других, которые можно использовать
как виды-индикаторы для водной массы? Да, существуют.
Рассматривая сначала растения, мы обнаруживаем, что, как
правило, их не используют в качестве индикаторов, потому
что их репродуктивный период недолог и численности их
популяций быстро реагируют на небольшие изменения усло¬
вий, например на вертикальное перемешивание воды ветром
и связанное с ним изменение обеспечения питанием. Кроме
того, растения обнаружены лишь в первых десятках метров
от поверхности воды и, значит, их нельзя использовать,
изучая более глубокие водные массы.
Хотя распределение бентосных организмов косвенным
образом отражает продукцию расположенного выше по¬
верхностного сообщества, на состав бентоса в значительной
степени влияет и характер субстрата. Состав донного
осадка — илистый ли он, песчанистый или в нем преоблада¬
ют другие компоненты — в такой же мере зависит от гео¬
графического положения и глубины воды, как и от характе¬
ра вышележащей водной массы. Значит, в бентосном сооб¬
ществе нет видов-индикаторов, наиболее полезных для изу¬
чения биогеографии пелагических областей. Нектонная фау-
ГЛАВА 13. ОРГАНИЗАЦИЯ МОРСКОЙ БИОСФЕРЫ
189
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА СООБЩЕСТВА ФИТОПЛАНКТОНА
ВНУТРИ И ВНЕ ОДНОЙ ВОДНОЙ МАССЫ
Общее описание. Из-за удаленности от центров расселения челове¬
чества и путей движения юго-восточная часть Тихого океана до сих
пор относительно мало изучена. Из имеющихся данных нам извест¬
но о поверхностных водах с низкой соленостью, которые простира¬
ются на запад от берегов Чили, как видно на рис. 13.5,я по изоли¬
нии солености 33,9%о. Для этого языка есть два правдоподобных
объяснения: 1) выпадающие на море дожди разбавляют поверх¬
ностные воды; 2) обильный сток пресной воды с Анд разбавляет
поверхностные воды, а течение затем относит их от берега в запад¬
ном направлении.
Для проверки второй гипотезы мы выдвигаем логическое пред¬
положение, что планктонное «сообщество» внутри языка с низкой
соленостью должно существенно отличаться от сообщества, обита¬
ющего снаружи. Кроме того, из-за различия водных масс — Цент¬
ральной воды к северу от языка и Антарктической поверхностной
воды к югу от него — внешнее сообщество со стороны экватора
должно отличаться от внешнего сообщества, расположенного бли¬
же к полюсу. Во время рейса мы отобрали пробы планктона на 11
станциях, размещение которых показано на рис. 13.5, а.
Результаты. Мы определили и оценили количественно все виды
планктонных организмов в этих 11 пробах; всего было выделено 26
видов. Каждый из 14 видов составляет более 2% общего количест¬
ва; основные перечислены на рис. 13.5, б, где, кроме того, показана
относительная плотность популяции на каждой станции наблюде¬
ний. Проба 37, взятая у 41° ю. ш., соответствует физической юж¬
ной границе языка.
Интерпретация. К югу от места взятия пробы 37 доминирующими
видами являются динофлагелляты Ceratium tripos и Ptychodiscus
inflatus. В пределах языка с низкой соленостью преобладают диа¬
томеи Rhizosolenia bergonii и Nitzschia (два вида). К северу от 37°
ю. ш., севернее физической границы этого языка, в планктонном
сообществе снова доминируют динофлагелляты, на этот раз Cera¬
tium (три вида).
Вывод. Различие в солености между водами языка с низкой соле¬
ностью и внешними водами определенно является биологическим
барьером, который препятствует смешиванию видов планктона.
Физики до сих пор не доказали, что на этой широте существует за¬
падное течение, но приведенные биологические данные отчетливо
свидетельствуют о том, что такое течение есть.
Ceratium tripos
Ptychodiscus inflatus
Ceratium furca
Ceratium gibberum
Nitzschia delicatissima
Rhizosolenia bergonii
Dinophysis (Звида)
Thalassiothrix delicatula
(6)
Puc. 13.5. [10].
190
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
на тоже не может служить источником видов-индикаторов
просто из-за ее способности мигрировать.
Значит, самые полезные виды-индикаторы следует ис¬
кать в зоопланктоне. Обычно используют копеподы, хетог-
наты и эвфаузииды. Они живут сравнительно долго, их до¬
вольно легко поймать, они распространены в широких пре¬
делах по вертикали и имеют ограниченную подвижность.
Кроме того, довольно хорошо разработана таксономия
зоопланктона.
К тому же виды, которым свойственны узкие диапазоны
толерантности во время репродуктивной фазы, позволяют
биогеографам применить дополнительные ограничения к
изучаемому сообществу. Некоторые виды определенно дол¬
жны иметь «свой дом», в котором они размножаются, а
это значит, что внутри движущейся водной массы должна
происходить циркуляция, к которой вид-индикатор успешно
приспособился. Часто эта обстановка представляет собой
просто полузамкнутую циркуляцию крупного круговорота,
где приток «новой» воды в водную массу в одном месте
полностью компенсируется оттоком где-нибудь еще. Зрелые
взрослые особи вида-индикатора иногда уносятся из своей
биогеографической водной массы. Они могут выжить, но не
способны вернуться домой для воспроизведения потомства.
Конечно, при таких исследованиях знания о пределах темпе¬
ратуры и солености, в которых может происходить размно¬
жение, полезны, и получают их при лабораторных экспери¬
ментах над самими животными.
Следовательно, по определению биогеографической об¬
ластью является та, в которой вид-индикатор проходит все
фазы развития. Если личиночная стадия очень коротка, мы
ожидаем найти одновременно взрослые особи и личинки.
Однако если она длится довольно долго, то взрослые осо¬
би, как правило, собираются в областях, более благоприят¬
ных для питания, и личинки обнаруживаются в другом мес¬
те; значит, вся область является биогеографическим «до¬
мом».
Водные массы и распределения видов
морских организмов
Морская биогеография развивается по трем направлениям,
которые определяются следующими вопросами:
1. Каковы схемы распределения видов и плотности их
населения?
2. Благодаря каким факторам существуют наблюдаемые
схемы?
3. Что такое сообщество?
Здесь мы опишем распределение видов только для Тихого
океана; подобные схемы, но с различными сочетаниями ви¬
дов типичны для всех крупных океанических бассейнов.
Водные массы
Водные массы Тихого океана схематически показаны на
рис. 13.6, а. Они грубо разделены на четыре группы.
Субполярные воды. На севере Тихого океана Субарктиче¬
ская вода занимает область севернее параллели 45° с. ш.; в
южной части Тихого океана Субантарктическая вода распо¬
ложена к югу от 45° ю. ш. В обоих полушариях субполяр¬
ные воды движутся по направлению к экватору вдоль вос¬
точных границ океанических бассейнов — они отражены в
системах Калифорнийского течения и течения Гумбольдта
вдоль берегов Северной и Южной Америки.
(а) Водные массы Тихого океана (с рис. 9.5).
Рис. 13.6. Биогеография хетогнат в связи с распределением водных
масс.
Центральные воды. Центральные воды занимают внутрен¬
ние области по отношению к крупным круговоротам обоих
полушарий. И в том и в другом полушарии имеются два
подразделения, которые отличают воды западного и вос¬
точного секторов.
Экваториальная вода. Экваториальная вода Тихого океана
расположена по обе стороны от экватора, но несколько сме¬
щена в Северное полушарие, что отражает подобное же
смещение «метеорологического» экватора в Тихом океане.
ГЛАВА 13. ОРГАНИЗАЦИЯ МОРСКОЙ БИОСФЕРЫ
191
(а) Водные массы Тихого океана (с рис. 9.5).
(в) Распределение копепод вида Eucalanus subcrassus.
Рис. 13.7. Биогеография птеропод и двух видов копепод относительно водных масс [7].
Переходные области. Между субполярными и Центральны¬
ми водами развиты обширные переходные зоны, которые
физики долго считали областями «схождения» этих крупных
водных масс. В следующем разделе мы увидим, что биоло¬
ги определяют их как зоны перехода, поскольку вдоль этих
границ обнаруживаются разные виды организмов из обеих
водных масс.
Типичные примеры распределения видов
Субарктические воды. На рис. 13.6, б показано распределе¬
ние в субарктических водах хетогнат вида Sagitta elegans.
Эти животные занимают самую северную часть обширного
дрейфового течения Западных Ветров, которое мы называ¬
ем Северо-Тихоокеанским течением, и распространяются по
192
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
направлению к полюсу в Берингово море. Если мы сравним
карту циркуляции, изображенную на рис. 11.1, с распределе¬
нием вида S. elegans, сразу станет ясно, что «дом» этих жи¬
вотных четко совпадает с полузамкнутым Субарктическим
круговоротом. Этот круговорот определяется северной
ветвью Северо-Тихоокеанского течения, Аляскинским тече¬
нием, проходящим вдоль берегов Канады и Аляски, пото¬
ком Аляскинского течения, идущим вдоль цепи Алеутских
островов в Берингово море через проливы между этими
островами, и Камчатским течением, которое замыкает кру¬
говорот.
Центральные воды. На рис. 13.7, б показано распределение
вида Cavolina inflexa — птеропод из типа Mollusca. В север¬
ной части Тихого океана эти животные занимают восточ¬
ный и западный секторы Центральной воды. Кроме того,
этот вид встречается в Центральных водах как Северного,
так и Южного полушария; для того чтобы описать подоб¬
ное распределение вида, используется термин «битропич-
ность». Многие виды обитают в обеих тропических обла¬
стях.
Экваториальная вода. Распределение экваториального вида
животных приведено на рис. 13.7, в. Это копеподы вида
Eucalanus subcrassus.
Переходные воды. И Субарктические, и Субантарктичес¬
кие водные массы отделяются от Центральных вод зона¬
ми с промежуточными характеристиками воды. Такая зо¬
на особенно заметно отличается резкими горизонталь¬
ными градиентами температуры. Физики-океанологи на¬
зывают ее Субтропической зоной конвергенции. На
рис. 13.7, г показано распределение другого вида копепод —
Eucalanus elongatus hyalinus. Эти растительноядные орга¬
низмы занимают переходную зону как в Южном, так и в
Северном полушарии.
Переходные зоны протягиваются в виде широтных по¬
лос примерно от 34 до 45° в обоих полушариях. Как видно
на рис. 13.7, г, распределение этого вида является битропи-
ческим.
Оценки
Основываясь на известных схемах распределения планктона,
подобных этим, можно сделать несколько важных обобще¬
ний.
1. Границы распределения большинства видов всех так¬
сонов имеют одинаковые положение и форму.
Это важный момент. На рис. 13.8 показаны границы
площадей, занятых целым рядом животных, обитающих в
центральных, экваториальных и переходных зонах. Соот¬
ветствие поразительно; основные схемы распределения ви¬
дов в открытом океане повторяются от таксона к таксону и
на всех трофических уровнях от первичных продуцентов до
хищников, стоящих на вершинах пищевых цепей.
2. Для огромного числа видов в каждой группе границы
всех занятых ими площадей почти совпадают с физическими
границами водных масс.
Однако границы водных масс не обязательно являются
неподвижными по отношению к распределению всех видов,
обнаруженных в пределах данной водной массы. Мы дол¬
жны добавить еще три общих вывода.
3. В пределах водной массы ряд видов может встречать¬
ся в изобилии, но границы их распространения могут про¬
стираться за пределы собственно водной массы.
4. Многие виды прослеживаются в нескольких водных
массах. Их называют космополитными.
5. Другие виды обнаружены только в определенных ча¬
стях некоторых водных масс.
Благодаря каким факторам существуют
наблюдаемые биогеографические схемы?
Во-первых, океан, по-видимому, представляет собой гораз¬
до менее сложную область, чем суша. В океане на единицу
объема приходится намного меньше экологических ниш.
Во-вторых, физические процессы, благодаря которым
сохраняется форма областей обитания видов, вероятно,
связаны с процессами, поддерживающими форму водных
масс. Мы можем показать это для северной части Ти¬
хого океана, используя метод диаграмм температу¬
ра-соленость (Г — S). На рис. 13.9 характеристики вод¬
ных масс нанесены на график, как они были установле¬
ны на станциях наблюдений Центральных вод в северо-вос¬
точной и северо-западной частях Тихого океана (ЦСВТВ
и ЦСЗТВ на рис. 13.7, а). Часть области Т — S,
занятая сообществом Центральных вод, т. е. десятью вида¬
ми, географические границы распространения которых пока¬
заны на рис. 13.8, а, изображена горизонтальной
штриховкой. Обратите внимание на четкую корреляцию
между водной массой и зоной, занятой одним сообществом.
Подобная корреляция очевидна между Т, S-областями, заня¬
тыми субарктическим сообществом (показаны точками), и
характеристиками водных масс, полученными на двух стан¬
циях в субарктическом регионе. Заметьте, что занятые цент¬
ральным и субарктическим сообществами области не
перекрываются — между ними имеется даже открытое про¬
странство значений температуры — солености. Если бы мы
нанесли на диаграмму Т — S зоны, занятые переходными со¬
обществами, они заполнили бы эти пустые пространства.
Исследуем теперь связь между переходными зонами и
относящимися к ним видами организмов. В отличие от
предыдущего кажется, что к переходным зонам нельзя в та¬
кой же степени применить идею о том, что циркуляция
внутри океанических круговоротов тесно связана с циклами
развития и питания видов от личинки до взрослой особи,
эндемичных по отношению к круговым течениям. Ясно, что
движение воды в переходных зонах обладает довольно вы¬
сокой турбулентностью, что вызвано смешением двух вод¬
ных масс с различными скоростями и направлениями тече¬
ний. Если в этой зоне линии тока двух водных масс сходят¬
ся, она должна быть, кроме того, зоной нисходящего тече¬
ния (даунвеллинга) или взаимного проникновения двух вод¬
ных массе через турбулентные завихрения. Если переходная
зона связана с расхождением поверхностных ветров, то
вдоль фронтальной зоны может происходить сильный ап¬
веллинг. Истинный смысл только что установленного в
том, что в переходных зонах происходят совершенно осо¬
бые процессы перемешивания, а также что длительность
этих процессов различна. Как показывают наблюдения
(рис. 13.8, в и 13.9), некоторые группы животных приспосо¬
били свои жизненные циклы именно к таким физическим ус¬
ловиям. Переходные зоны своеобразны как в физическом,
так и в биологическом отношении.
До сих пор мы говорили о распределении планктонных
форм. Если аналогичным образом рассмотреть распределе¬
ния крупного нектона, то окажется, что многие крупные
формы, как и планктонные виды, привязаны к крупномас¬
штабным круговоротам, где их численность наиболее вели¬
ка, хотя такие животные способны отплывать на большие
ГЛАВА 13. ОРГАНИЗАЦИЯ МОРСКОЙ БИОСФЕРЫ
193
(а) Распределение десяти видов морских организмов в центральных
водных массах.
(в) Распределение 12 видов планктонных организмов в переходных
зонах.
Рис. 13.8. Совпадение границ ареалов видов. В целом между гра¬
ницами этих сообществ организмов и границами, определяющими
пределы водных масс, существует значительное совпадение.
расстояния. Действительно, многие из них ежегодно покры¬
вают огромные пространства океана, пересекая две водные
массы или больше. Почему же многочисленные данные, по¬
лученные для такого нектона, столь хорошо согласуются со
схемами распределения планктона? Невозможно утверж-
(6) Распределение 11 видов морских организмов в экваториальных
водных массах.
дать, что популяции крупных и могучих животных сохраня¬
ются из-за сравнительно медленных течений.
Причиной должно быть то, что виды крупных живот¬
ных взаимодействуют с видами, находящимися на более
низких трофических уровнях, а популяции этих организмов
сохраняются благодаря физическим процессам, которые
влияют на структуру водных масс. Можно назвать это
связью взаимодействия. С точки зрения экологии мы гово¬
рим, что данный вид адаптировался к присутствию и пове¬
дению других видов и что такая адаптация — неотъемлемая
часть общего механизма обратной связи, который контро¬
лирует биогеографию жизни в океане.
Рис. 13.9. Области, занятые сообществами видов Субарктических
и Центральных вод, при наложении на Т, S -диаграммы для этих
регионов океана [5].
194
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Заключение
Существует много способов организовать изучение морской
экосистемы.
1. При таксономичном подходе подчеркивается, что каж¬
дое сообщество организмов состоит из отдельных видов, и
каждому из них присвоено особое наименование, признан¬
ное во всем мире.
2. Другой способ организовать изучение морской
экосистемы — классификация различных способов питания.
Об этой схеме многое можно сказать. Благодаря тому что
плотность морской воды почти такая же, что и живой про¬
топлазмы, обломки органического вещества остаются в во¬
де во взвешенном состоянии. Вот почему организмы, пита¬
ющиеся взвесью, обнаружены в столь многих таксонах.
Важнейший признак организмов, питающихся взвесью
(фильтраторов), — использование слизистых пленок. Это
изящный способ захватывать частицы и кусочки органиче¬
ского вещества, и размеры пользующихся этим приемом
животных колеблются от микроскопических (радиолярии)
до многих сантиметров в длину у других животных.
3. Некоторые биологи-океанологи специально изучают
особые, но полные пищевые цепи. Это истинный экосистем¬
ный метод.
4. Другая схема изучения — классификация организмов,
основанная на их подвижности.
5. Наиболее наглядным с точки зрения изучения океана в
целом является биогеографический метод. Здесь мы откры¬
ваем, что сообщества организмов распределены в океане
не беспорядочно. Напротив, существует явная корреляция
между физическими процессами, формирующими распреде¬
ление видов, и целыми сообществами. Установлено, что
виды обитают в области, где характеристики воды то¬
же однородны. Более того, такие виды есть во всех таксо¬
нах.
Наконец, зададим самый сложный вопрос. Известно,
что организмы первых двух трофических уровней рассеяны
по всему объему водной массы. Почему же и более крупный
нектон сохраняет связь с тем же самым сообществом, если
он явно может мигрировать через переходные зоны между
водными массами? Тому могут быть три причины.
Первая — если учесть, что организмы претерпели эволю¬
цию, то и связи между ними, такие как взаимодействие
между хищниками и жертвами, тоже эволюционировали.
Приняв это, мы приходим к выводу, что связи в пределах
сообщества нерушимы; если же вид мельчайших организмов
продолжает развиваться, то развиваются и более крупные.
Вторая причина, возможно, тривиальна: ассоциации орга¬
низмов сохранились просто по привычке.
Третья причина заключается в химических процессах,
происходящих в телах более крупных животных. Развиваясь
без сложных систем, регулирующих температуру тела, они
адаптировались к узкому диапазону характеристик воды.
Судя по тому, что они могут пересекать границы водных
масс, это не так.
Контрольные вопросы
1. а) В глубоководной экосистеме открытого океана ма¬
ло синезеленых водорослей. Фитопланктон представлен в
основном золотистыми и пиррофитовыми водорослями.
Каково их общее название?
б) Биологи относят животных к двум большим группам^
или множествам, которые не являются таксономическими.
К каким?
в) К каким типам беспозвоночных относятся основные
промысловые виды?
г) К какому классу позвоночных относятся главные про¬
мысловые виды?
2. Не менее успешно можно классифицировать морских
животных по способу их питания. Опишите пять основных
способов питания и приведите пример каждого из них.
3. Многие морские животные питаются взвесью. Кратко
расскажите, почему этот способ не обнаружен в наземных,
неводных системах. Многие морские животные в своих ме¬
ханизмах питания применяют слизистые пленки. Почему
этого не делают наземные животные?
4. Что означает термин «сапрофитная пищевая цепь»?
Чем этот способ питания отличается — и отличается ли —
от нашего собственного?
5. У коров есть зубы, но зачем они нужны копеподам,
размеры которых в среднем не превышают 2 мм? Экспери¬
мент по выяснению эффективности питания копепод, прове¬
денный Флемингом, был классическим в том смысле, что
он показал возможность полного выедания всех микроско¬
пических растительных клеток. Верно ли это?
6. Большинство видов копепод не производит мужского
и женского потомства; они в основном являются гермафро¬
дитами. Почему этот способ размножения выгоден для
них?
7. Кратко опишите схему организации морской биосфе¬
ры, основанную на подвижности организмов.
8. Несомненно, наиболее интересна схема организации
морской биосферы, основанная на выделении биогеографи¬
ческих зон. Развейте эту тему, используя два разных подхо¬
да.
9. Вопрос 8 можно поставить иначе. Объясните связи
между очень большой протяженностью водных масс (гл. 9)
и относительно скудным видовым разнообразием в морской
биосфере.
10. Если верно, что ключом к пониманию биогеографии
океанов является пассивный перенос фитопланктона цирку¬
лирующими водами, почему виды фитопланктона не ис¬
пользуют в качестве наилучших индикаторов биогеографи¬
ческих провинций и их границ?
11. Развейте мысль о том, что в качестве биогеографиче¬
ских индикаторов, возможно, лучше использовать отмер¬
шие морские растения, чем живые.
12. Опишите, приведя хотя бы один пример, как рас¬
пределение видов-индикаторов действительно совпадает с
площадью, занятой конкретной водной массой.
13. Что значит термин космополитный по отношению к
виду-индикатору? Почему этот вопрос неверен?
14. На основании ваших знаний о циркуляции вод в океа¬
нах схематически изобразите границы главных биогеографи¬
ческих провинций в средней части Тихого океана.
15. Напишите краткий очерк о том, что биогеографиче¬
ская провинция не должна занимать весь океанический кру¬
говорот. Например, на рис. 15.13 показано, что сообщества
восточных окраин во всех океанических бассейнах организо¬
ваны сходным образом и отличаются от сообществ других
частей круговорота. Позволяет ли космический снимок, при¬
веденный на рис. 14.8, как-нибудь объяснить, каким обра¬
зом сообщество восточных окраин может образовать от¬
дельную субпровинцию в составе более крупного сообщест¬
ва круговорота?
ГЛАВА 14. СВЕТ И ЦВЕТ В МОРЕ
195
ГЛАВА 14
СВЕТ И ЦВЕТ В МОРЕ
Связь между энергией солнечных лучей, поддерживающих жизнь, и
продукцией морских растений очень сложна; также сложны и адап¬
тации животных к условиям освещенности в море.
Нам остается рассмотреть одно физическое свойство воды,
которое так сильно влияет на организацию жизни в море,
что ему посвящена отдельная глава. Это свойство состоит в
способности воды пропускать световые лучи и называется
прозрачностью. Вот что мы обнаруживаем и что я назы¬
ваю величайшим совпадением: жидкость Н2О представляет
собой самое чистое «окно», лучше всего пропускающее элек¬
тромагнитное излучение почти в том же цвете, в котором
интенсивность солнечного света выше всего! Для этого нет
абсолютно никаких причин: прозрачность воды для разных
оттенков солнечного спектра зависит только от строения ее
молекулы, а не от температуры Солнца. А температура
Солнца никоим образом не связана с тем, как построена мо¬
лекула воды. Однако температура на поверхности Солнца,
которая вызывает пик излучения, дающий именно тот сине-
зеленый цвет, для которого вода наиболее прозрачна, равна
6000°К! Приходится думать, что некий Великий Мастер,
сконструировав первоначально всю систему, увидел, что она
работала бы лучше, если немножко «подогнать» то или иное
свойство вещества, и потому привел в соответствие темпера¬
туру излучения Солнца и прозрачность морской воды.
Солнечный свет
Начнем с описания света, достигающего поверхности мо¬
ря. Его по традиции называют белым, потому что в целом
он содержит все цвета радуги, смешанные в таких пропор¬
циях, что мы воспринимаем его как белый цвет.
В действительности солнечный свет на поверхности океа¬
на состоит из многих оттенков; если их расположить по по¬
рядку, мы получим так называемый солнечный спектр
(рис. 14.1). Центральная полоса, в которой свет наиболее
интенсивен, представляет собой полосу видимых цветов.
Есть множество других оттенков, не видимых для человече¬
ского глаза: часть энергии существует в той области спект¬
ра, которая расположена дальше красного цвета и называ¬
ется инфракрасной, другая часть энергии приходится на об¬
ласть за фиолетовым цветом — в ультрафиолетовом диапа¬
зоне спектра. Инфракрасный участок спектра в свою оче¬
редь разделяют на ближнюю и дальнюю инфракрасные об¬
ласти. Прослеживание цветов может быстро наскучить, поэ¬
тому мы используем эквивалентную шкалу, размеченную по
длине световых волн*, эта шкала также показана на рис. 14.1.
Единицей измерения длины волны является нанометр (нм);
1 нанометр равен одной триллионной части метра.
Грубый анализ солнечного спектра показал, что наибо¬
лее интенсивное излучение размещается в полосе видимого
света с длинами волн от 400 до 700 нм. Максимальная ин¬
тенсивность соответствует примерно 500 нм. Интенсив¬
ность быстро падает по направлению к коротковолновому
концу спектра, где энергия в ультрафиолетовом диапазоне
ниже 300 нм очень мала. Если бы мы могли взглянуть на
I
Инфракрасный
I
* Видимый
Остается только 1 %
от энергии на поверхности
Остается только 16%
от энергии на поверхности
Остается только 45% от
ность энергии
поступающей на поверх
Рис. 14.1. Уменьшение энергии солнечного света в океане с глубиной.
'{м£СТИМ’470 площаДь ниже кривой -
100% солнечной энергии на поверхности моря *
196
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
солнечный спектр у верхнего края земной атмосферы, то
обнаружили бы, что энергия в ультрафиолетовом диапазоне
гораздо выше. Большая ее часть поглощается озоновым
слоем до того, как солнечный свет достигнет поверхности
моря. Как ясно видно на рис. 14.1, по направлению к длин¬
новолновому концу инфракрасной области спектра интен¬
сивность излучения ослабевает гораздо более плавно.
Следует сделать одно дополнительное замечание: приве¬
денный здесь спектр сглажен. В действительности в солнеч¬
ном спектре имеется несколько довольно специфических и
глубоких «дыр», особенно в инфракрасной его части. Такие
дыры обусловлены селективным поглощением энергии
определенных волн некоторыми газами, присутствующими
в земной атмосфере. Например, фактически весь солнечный
свет с длинами волн больше 6000 нм поглощается углекис¬
лым газом СО2 и парами воды Н2О. Дальнейшее разделение
поступающей на Землю солнечной энергии подробно рас¬
сматривается в следующем разделе.
Радиационный баланс Земли
Вейль [9] приводит краткую сводку бюджета энергии излу¬
чения для Земли (рис. 14.2, а). Принимая, что вся солнечная
энергия у верхнего края земной атмосферы равна 100%, он
продолжает:
«...посмотрим, как распределяется эта энергия в среднем по
Земле. Ультрафиолет, составляющий 3% из 100% приходящего
солнечного света, большей частью поглощается озоном в верхней
части атмосферы. Около 40 из оставшихся 97% взаимодействует с
облаками. Из них 24% отражается обратно в космос, 2% поглоща¬
ется облаками и 14% рассеивается, достигая земной поверхности
как рассеянная радиация.
32% приходящей радиации взаимодействует с водяным паром,
пылью и дымкой в атмосфере. 13% из них поглощается, 7% отра¬
жается обратно в космос и 12% достигает земной поверхности как
рассеянный солнечный свет. Следовательно, из первоначальных
100% излучения поверхности Земли достигает 25% прямого солнеч-
Рис. 14.2. Ход световых лучей и их энергии от верхних слоев ат¬
мосферы к поверхности океана и далее в глубь его.
(а) Радиационный баланс Земли [9].
(б) Поведение световых лучей, падающих на поверхность океана.
(а)
Падающий свет
Часть света уходит обратно
в небо от рассеивающих
объектов в воде „
Часть света
отражается
Объекты,
рассеивающие свет:
> - молекулы воды
- живые организмы
- частицы вещества
(б)
ГЛАВА 14. СВЕТ И ЦВЕТ В МОРЕ
197
ного света и 26% рассеянного света. Из этого общего количества
4% отражается от земной поверхности обратно в космос. Итого
отражается в космос 35% падающего солнечного света. Из 65%
света, поглощаемого Землей, 3% приходится на верхние слои атмо¬
сферы, 15% — на нижние слои атмосферы и 47% — на поверхность
Земли — как океан, так и сушу».
Отметим, что для того, чтобы Земля сохраняла тепло¬
вое равновесие, 47% всей солнечной энергии, которые про¬
ходят сквозь атмосферу и поглощаются сушей и морем, до¬
лжны также выделяться сушей и морем. Этот бюджет раз¬
личен для суши и моря. Вспомните, что в табл. 6.2 мы рас¬
сматривали тепловой баланс океанов. В этой таблице пада¬
ющее коротковолновое излучение принимается за 100% —
точно то же самое количество энергии, что и вычисленные
Вейлем 47% всей энергии, которые действительно достига¬
ют поверхности Земли.
Определение терминов
Мы употребили несколько терминов, значение которых
может быть не вполне ясным. Дадим некоторые определе¬
ния.
Цвет. Этому термину нелегко дать определение. Строго
говоря, он характеризует эмоциональное восприятие, кото¬
рое возникает у нас, когда на наши органы чувств воздейст¬
вует электромагнитное излучение определенной длины
волны.
Длина волны. Мы считаем электромагнитное излучение
волновым; следовательно, длина волны — это расстояние
между ее последовательными гребнями.
Фотон. Мы можем теперь трактовать световые лучи как
поток частиц, движущихся со скоростью света. Элементар¬
ная частица света называется фотоном. Это световой экви¬
валент энергии. Фотоны с различными длинами волн соот¬
ветствуют разным цветам и обладают разной энергией. (С
точки зрения квантовой механики каждый фотон несет стро¬
го определенную «порцию» энергии; поглощается ли фотон,
например, молекулой хлорофилла, будет зависеть от того,
«подходит» ли эта порция энергии поглощающей молекуле.)
Интенсивность. Интенсивность света удобно количест¬
венно оценивать числом фотонов, которые проходят через
единицу площади за секунду.
Поглощение света. В применении к электромагнитному
излучению поглощение (абсорбция) означает, что один или
более падающих фотонов захватываются и их энергия по¬
глощается. В морской биологии это связано со способнос¬
тью растительного пигмента, например хлорофилла, погло¬
щать энергию фотона и тем самым обеспечивать энергией
процесс фотосинтеза. И наоборот, фотосинтетическая спо¬
собность растительных клеток измеряется минимальным
числом фотонов в секунду, необходимых для начала химиче¬
ских процессов их синтеза.
Рассеяние. Вместо того чтобы поглощаться, фотоны мо¬
гут рассеиваться. Рассеиваться они могут вперед, назад и в
любом другом направлении.
Ослабление. Ослабление света объединяет эффекты как
поглощения, так и рассеяния. Оно служит мерой того, как
быстро ослабевает свет, проходя сквозь морскую воду.
Коэффициент пропускания. Способность пропускать
свет противоположна ослаблению света. Коэффициент про¬
пускания является мерой того, сколько света проходит путь
определенной длины в морской воде.
Распространение света в морской воде
Способность световых волн проходить через чистую воду
зависит исключительно от строения и расположения моле¬
кул воды. Кроме того, в морской воде свет поглощается
или рассеивается взвешенными и растворенными частицами.
При абсорбции фотоны захватываются молекулами и их
энергия поглощается; при рассеянии фотоны отклоняются
от первоначального пути их распространения и переходят к
новому направлению не поглощаясь. Это представление ил¬
люстрируется рис. 14.2. Свет, отражающийся от некоей сре¬
ды, например от поверхности моря, рассеивается в направ¬
лении наблюдателя. Ниже поверхности моря точки, от ко¬
торых рассеянный свет достигает глаз наблюдателя, рас¬
пределены по трем направлениям. В результате общее све¬
товое поле в морской воде оказывается сильно рассеянным,
в чем мог удостовериться каждый, кто нырял в морской во¬
де с открытыми глазами; аналогичный пример — рассеян¬
ный дневной свет под облачным небом.
Сочетанием поглощения и рассеяния, или ослаблением,
света объясняется его угасание (экстинкция); противополож¬
ным угасанию свойством среды является пропускание света.
На практике легче измерить скорость угасания света, чем
скорость его пропускания. Океанологи измеряют прозрач¬
ность воды, опуская белый диск в море до глубины, на ко¬
торой диск больше не виден. Измеренная величина, называ¬
емая «глубиной диска Секки», представляет собой глубину,
на которой солнечный свет полностью угасает.
Однако мы знаем, что разные цвета угасают с разной
скоростью. Сине-зеленый цвет распространяется на самые
большие расстояния, а ультрафиолетовые и инфракрасные
волны ослабевают быстрее всего. На рис. 14.1 для иллюст¬
рации этого явления морская вода изображена как «окно» с
переменной прозрачностью. Самая «чистая» часть окна рас¬
положена на длинах волн, которые выглядят как сине-зеле¬
ный цвет. К счастью, как мы уже говорили, этот самый
прозрачный участок окна почти точно совпадает с той час¬
тью солнечного спектра, в которой солнечная энергия наи¬
более интенсивна. Стоит повторить, что это совпадение —
не результат эволюции. Как мы знаем, молекула воды
всегда существовала в той же форме, что и сейчас.
Распределение света в море
Поскольку световые волны угасают с разной скоростью, из
этого следует, что общее световое поле изменяется в зави¬
симости от глубины моря. Читатель может проверить это
утверждение, обратив внимание на то, как на рис. 14.1 ме¬
няются интенсивность и цвет солнечного света на все более
глубоких уровнях в чистейшей воде открытого океана.
На уровне 1 см (на рис. 14.1 не показан) поглощается
15% всей солнечной энергии. Главным образом это энергия
дальней инфракрасной области спектра, которая теряется
из-за поглощения в этой самой верхней «коже» океана.
На уровне 1 м поглощается 55% всей энергии, в том чис¬
ле все инфракрасные волны и значительная часть
ультрафиолетовых*.
* Поглощение ультрафиолетовых фотонов привлекало внимание
океанологов с тех пор, как было открыто, что эти обладающие
значительной энергией фотоны губительны для живых тканей. Ес¬
ли жизнь возникла в море, то это должно было произойти на глу¬
бинах, куда не проникали ультрафиолетовые лучи. Я упоминаю об
этом только потому, что иногда вы можете прочесть, что «жизнь
зародилась в мелководных древних морях». К этому утверждению
следует добавить: «не слишком мелководных».
198
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
На уровне 10 м поглощается 84% всей энергии. Только
фотоны синего и зеленого света проникают на еще большие
глубины. Если бы вы встретились с «желтой подводной
лодкой» ниже этого уровня, вы и не догадались бы о том,
что она желтая, просто потому, что здесь остается слиш¬
ком мало желтых фотонов, чтобы возбудить соответствую¬
щие цветовые рецепторы в ваших глазах.
На уровне 100 м остается только 1% солнечной энергии,
поступающей на поверхность моря. По цвету это остаточ¬
ный сине-зеленый свет с длинами волн около 470 нм.
[етовый
>х
!
>х
3
>х
3
0
£
о
s
|
о
5
н
5
5
а,
е
3
со
Й
О
1 — Саргассово море. Воды Саргассова моря в центральной части
Северной Атлантики относятся к «чистейшим» океанским водам с
точки зрения их прозрачности для световых волн. Фиолетовый и
синий цвета угасают в наименьшей степени; поэтому наблюдате¬
лям, пересекающим это море на судне, кажется, что вода имеет
цвет глубокого индиго.
2, 3 — Область апвеллинга у берегов Африки. Ослабевание
света с глубиной идет гораздо быстрее в прибрежных водах Афри¬
ки, чем в Саргассовом море; в столбе воды 2 угасение света при¬
мерно в 3 раза больше, а в столбе воды 3 — в 4—7 раз. Кроме то¬
го, здесь меньше всего ослаблена желтая полоса спектра. В зонах
активного апвеллинга, богатых питательными веществами, популя¬
ция растений может быть довольно плотной. Это увеличивает по¬
глощение фотонов и, следовательно, ослабление световой энергии.
К тому же в таких продуктивных водах высоки концентрации рас¬
творенных органических веществ, которые добавляют желтоватый
оттенок к зелени вод, содержащих значительные количества хлоро¬
филла. Этим объясняется сдвиг в цвете наименьшего угасания.
Рис. 14.3. Разная скорость ослабления света в разных водных мас¬
сах [4]. На глубине ниже 10 м обычно остаются световые лучи, рас¬
сеянные вниз — иногда их называют «направленное вниз излуче¬
ние».
Чистейшая океанская вода, к которой применимо это
описание, обнаружена, например, в центре Северной Атлан¬
тики, вдали от суши. В прибрежных водах как концентрация
взвешенных частиц, так и количество растворенного органи¬
ческого вещества намного выше. Основными источниками
частиц являются микроскопические растительные клетки,
многочисленные благодаря хорошему обеспечению пита¬
тельными веществами, и тяжелые взвеси органических ча¬
стиц, в том числе фекальные комочки. Следовательно, ско¬
рость ослабления света здесь больше. На рис. 14.3 сравнива¬
ется ослабление света в районе апвеллинга у берегов Афри¬
ки и в Саргассовом море. В прибрежных водах Африки све¬
товая энергия уменьшается до 1 % от падающего на поверх¬
ность воды света на глубине всего лишь 10 м, а не 100 м,
как в приведенном выше примере чистейшей океанской во¬
ды. Кроме того, в прибрежных водах растворено гораздо
больше органических веществ, и под их влиянием самая чи¬
стая часть окна прозрачности сдвигается к зелено-желтой
области спектра. На рис. 14.3 резкий минимум кривой ос¬
лабления света для прибрежных вод Африки находится
вблизи 570 нм, а для Саргассова моря — около 450 нм.
Соотношение между распределениями
по вертикали света и первичной продукции
Зная, что количество световой энергии быстро уменьшается
с глубиной, мы можем ожидать, что растения лучше всего
развиваются на поверхности моря, где свет наиболее интен¬
сивен. Тем не менее мы обнаруживаем, что это не так*.
Наблюдениями давно установлено, что больше всего фито¬
планктона сосредоточено на глубинах примерно от 7 до
17 м. Чем можно объяснить это явное противоречие между
потребностями растений и обеспечением их светом?
Объяснение должно включать физический фактор верти¬
кального движения в приповерхностном слое. Вспомните,
что конвекция, обусловленная охлаждением и испарением на
поверхности океана, вызывает вертикальное перемешива¬
ние; дополнительное перемешивание обеспечивают ветро¬
вые волны, которые разрушают и создают турбулентное
движение в приповерхностных водах. Все движущиеся воды
несут с собой мельчайший фитопланктон, так что какое-то
вертикальное распределение растительных клеток неизбежно.
С другой стороны, питательные вещества поступают
снизу, из-под перемешанного поверхностного слоя. В преде¬
лах огромного большинства океанских акваторий, где не
происходит апвеллинг, единственный механизм пополнения
запасов пищи — это медленная диффузия богатых пита¬
тельными веществами вод вверх, в поверхностный слой.
Турбулентному движению в поверхностном слое способст¬
вует вода, активно поступающая снизу. Мы называем этот
процесс турбулентной диффузией.
* Однако интересно сыграть в такую игру. Что было бы, если бы
морские растения лучше всего росли при наиболее интенсивном ос¬
вещении? Если бы оптимальные рост и размножение происходили
прямо на поверхности воды, любая клетка, которая в результате
турбулентного движения воды оказалась бы ниже поверхности, ве¬
роятно, была бы затенена вышележащим слоем растений и, следо¬
вательно, попала бы в очень невыгодные условия. Далее, расти¬
тельноядные формы, вероятно, были бы совсем не такими, как ко¬
пеподы: если растительные клетки распределены тонким слоем, бо¬
лее «удачливые» растительноядные должны «снимать сливки» с
поверхности, а не прокачивать воду, как это делают копеподы. И
наконец, для обеспечения такого распределения необходима была
бы система перемешивания, способная выкачивать питательные ве¬
щества к верхнему слою. Все же по всем показателям современная
схема кажется самой лучшей.
ГЛАВА 14. СВЕТ И ЦВЕТ В МОРЕ
199
Следовательно, условия, необходимые для возникнове¬
ния оптимальной продукции растений, должны существо¬
вать на каком-то уровне между поверхностью моря, где
выше всего интенсивность света, и низом перемешанного
слоя, куда поступают питательные вещества. Интервал
от 7 до 17 м, в котором мы обнаруживаем самую высокую
концентрацию растений, является в среднем компромисс¬
ным уровнем, выбранным самими растениями. Вообще при
лабораторных экспериментах обнаружилось, что многие
растения являются фотоингибиторными, т. е. их продук¬
ция снижается, когда они подвергаются воздействию силь¬
ного света. Однако замедление развития под действием све¬
та свойственно не всем растениям; между видами существу¬
ет значительный разброс по той интенсивности освещения,
при которой каждый вид достигает оптимальной продук¬
ции. Например, динофлагелляты, по-видимому, более тер¬
пимы к сильной освещенности, чем диатомеи, так что вклад
первых в общую продукцию растений гораздо выше в тро¬
пических водах. Диатомеи преобладают в более холодных
водах высоких широт, где из-за сравнительно меньшей вы¬
соты Солнца над горизонтом максимальная интенсивность
освещения ниже.
Способность предсказывать первичную продукцию — за¬
дача, которую давно пытаются решить биологи-океанологи.
Полезным средством для этого является имитационная мо¬
дель, в которой выделены факторы, предположительно вли¬
яющие на поведение растений, а сама модель представляет
собой систему математических уравнений, описывающих ре¬
акцию растений. Если найдена модель, точно имитирующая
реакцию растений в реальном океане, она может работать
снова и снова, всякий раз с другим набором весов, приписы¬
ваемых используемым факторам. Одна такая модель приве¬
дена на рис. 14.4. Она начинается с равномерно распреде¬
ленного планктона, который затем подвергается воздейст¬
вию изменений в освещенности, обеспечении питательными
веществами, выедании и смертности. В результате возника¬
ет конечное устойчивое состояние, по которому можно точ¬
но предсказать среднее распределение растительных клеток.
Такие океанологичекие исследования продолжают прово¬
дить, пока еще не разработана универсальная модель.
Глубина перемешивания и точка компенсации
Предполагая, что в целом скорость фотосинтеза падает по
мере уменьшения с глубиной интенсивности света, морские
биологи разработали понятие точки компенсации. Благода¬
ря тому что скорость дыхания растительной клетки сравни¬
тельно постоянна и не зависит от того, продуцирует расте¬
ние новые клетки или нет, на кривой выделения кислорода
должна существовать точка, в которой расход кислорода
при дыхании равен образованию его в процессе фотосинте¬
за. Это точка компенсации, а глубина, на которой она нахо¬
дится, называется глубиной компенсации. На большей глу¬
бине в растительных клетках все еще может происходить
фотосинтез, но масса клеток все время сокращается, состоя¬
ние «здоровья» постепенно ухудшается, а вместе с этим
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
КАК ИЗМЕРИТЬ ПЕРВИЧНУЮ ПРОДУКЦИЮ В ОКЕАНЕ?
Первичную продукцию следует измерять in situ. Точно воспроизве¬
сти реально существующие в океане условия интенсивности освеще¬
ния и цвета, давления и температуры почти невозможно в лабора¬
тории и еще менее — на борту корабля. В море применяется следу¬
ющая процедура.
1. Задача — определить первичную продукцию на уровнях 5,
10, 15 и 20 м.
2. Остановив судно, извлекаем пробы воды с каждого желае¬
мого уровня. Фильтруем все пробы, чтобы убрать копепод, поеда¬
ющих диатомей; растительные клетки остаются в пробе.
3. Помещаем каждую пробу в три бутыли одинакового объе¬
ма: одну из прозрачного стекла, пропускающего свет; вторую —
черную, чтобы весь свет задерживался; третья бутыль остается на
палубе, чтобы измерить в ней содержание кислорода.
4. Опускаем прозрачные и темные бутыли на те же самые
уровни глубины, с которых были взяты пробы.
5. По прошествии соответствующего периода времени (не
меньше двух часов) возвращаем все бутыли и тотчас же а) химиче¬
ски фиксируем содержимое прозрачных и темных бутылей, чтобы
предупредить дальнейшую физиологическую активность, — иными
словами, убиваем пробы, б) измеряем содержание кислорода в
каждой бутыли.
6. Разница между содержанием кислорода в прозрачной буты¬
ли плюс количество кислорода в темной бутыли, поглощенного в
процессе дыхания, — показатель общей первичной продукции на
каждом уровне, с которого были взяты пробы.
Часто используют еще один способ оценки первичной продук¬
ции. Он основан на предположении, что содержание хлорофилла в
пробе воды пропорционально продукции. Как известно, молекула
хлорофилла флуоресцирует. Пробу воды подвергают воздействию
вспышки света, чтобы «возбудить» эти молекулы, и затем чувстви¬
тельный световой приемник считает фотоны, излучаемые молеку¬
лами по мере возвращения в нормальное состояние. Нетрудно обо¬
рудовать такой прибор, чтобы проводить непрерывные измерения,
пока судно находится в пути, обычно прокачивая морскую воду
прямо через флуорометр в судовой лаборатории. Все методы дают
значительную погрешность. Поэтому способы измерения первич¬
ной продукции продолжают разрабатывать в надежде найти какой-
то окончательный вариант.
200
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Продукция
(а)
Продукция
о
(а) Сначала высеянный фитопланктон равномерно распределен по
всей глубине эвфотической зоны с достаточным и тоже равномер¬
ным поступлением питательных веществ.
(6) Спустя некоторое время фитопланктон концентрируется в верх¬
нем слое воды.
Продукция
(в) Еще через некоторое время высокая начальная продукция исто¬
щает питательные вещества вблизи поверхности; пик продукции те¬
перь обнаруживается на средних глубинах.
(г) В конечном устойчивом состоянии наибольшие концентрации
фитопланктона обнаруживают в зоне глубин 7—17 м. Но общая
продукция падает ниже максимального для средней глубины значе¬
ния.
Рис. 14.4. Модель, показывающая, как изменяется с течением вре¬
мени продукция фитопланктона на разных глубинах в эвфотической
зоне. Читателю, вероятно, известно, что модель — это просто си¬
стема математических уравнений, которые определяют параметры
на входе в некоторую систему. Здесь на входе имеются: 1) проника¬
ющий свет и доступные питательные вещества; 2) первоначальный
запас растительных клеток и 3) скорость реакции планктона на воз¬
буждение. В конце концов модель достигает устойчивого состояния
наиболее высокой продукции на уровне, где потребности в свете и
пище точно соответствуют существующим условиям.
снижается и их способность к размножению или к запаса¬
нию жира, благодаря которой они сохраняют плавучесть
(рис. 14.5, а).
Однако при активном вертикальном перемешивании точ¬
ка компенсации может приобретать и другой смысл. Если
на минутку отбросить все остальные факторы, планктон¬
ные организмы должны проводить по крайней мере столько
же времени выше этого уровня, сколько и ниже его. Или же
они могут приспособиться «использовать» время, которое
они проводят выше точки компенсации, для ускоренного
синтеза, а затем, пока организм находится ниже точки ком¬
пенсации, — просто отдыхать или выполнять другие необ¬
ходимые для клетки функции, например ассимилировать пи¬
тательные вещества, чтобы использовать их позднее.
ГЛАВА 14. СВЕТ И ЦВЕТ В МОРЕ
201
(а) Точка компенсации — это условие, при котором внутри расти¬
тельной клетки в процессе фотосинтеза образуется столько же кис¬
лорода, сколько его расходуется в ходе обмена веществ в организ¬
ме. Глубина, на которой это имеет место, зависит от того, как
быстро уменьшается с глубиной интенсивность достаточного осве¬
щения: таким образом, в чистой воде точка компенсации будет на¬
ходиться на большей глубине, чем в зеленоватых водах прибреж¬
ных областей. Растения могут существовать ниже этих уровней, но
они должны расходовать энергию, чтобы поддерживать соответст¬
вующее поглощение кислорода.
(6) Критическая глубина относится ко всей популяции фитопланк¬
тона и представляет собой глубину, до которой внешние силы —
ветер и волны — перемешивают поверхностный слой. Планктон¬
ные организмы вблизи поверхности моря в условиях высокой осве¬
щенности могут запасать больше энергии химических связей, за¬
ключенной в органических веществах, чем они расходуют на обмен
веществ. Растительные клетки, попавшие в результате перемешива¬
ния на большую глубину, испытывают недостаток освещения и,
как правило, производят меньше новой химической энергии, чем
расходуют. Когда вертикальное перемешивание ограничено глуби¬
нами меньше «критической», вся популяция производит «чистый
излишек». Однако перемешивание до большей глубины приводит в
результате к «чистому убытку», когда расход в целом превышает
продукцию.
Рис. 14.5. Определение точки компенсации, глубины компенсации и
критической глубины.
Понятие «критической» глубины перемешивания
Глубина компенсации утрачивает свое значение, когда мы
имеем дело со всей популяцией фитопланктона. Для этого
случая мы вводим другое понятие, которое называется кри¬
тической глубиной перемешивания. Это глубина, до кото¬
рой турбулентное перемешивание может распространить
всю популяцию, прежде чем «чистая» продукция упадет до
нуля. Эта идея (рис. 14.5, б) имеет важные следствия. Если
активное перемешивание внутри поверхностного слоя океан¬
ских вод происходит до глубин ниже критической, то макси¬
мума продукции растений не может быть, так как общая,
суммарная потребность в химической энергии для обмена
веществ превышает ее производство. Если перемешивание
ограничено глубинами меньше критической, имеет место
«чистая» продукция, т. е. ее максимум.
Очевидно, что это компромиссная ситуация. Перемеши¬
вание поддерживает непрерывное возобновление запасов пи¬
тательных веществ. Чем больше глубина перемешивания,
тем выше скорость, с которой поступают новые питатель¬
ные вещества, и продукция может возрасти, если достаточ¬
но света. Но с увеличением глубины перемешивания планк¬
тонные организмы больше времени проводят на глубинах
ниже их индивидуальных уровней компенсации и общая про¬
дукция может снизиться*.
Есть, однако, еще одно условие. Укажем, что чувстви¬
тельность пигмента, который клетка использует для захва¬
та фотонов, зависит от длины волны. Растение с пигмен¬
том, захватывающим фотоны на небольших глубинах, мо¬
жет утратить эффективность поглощения их на более глубо¬
ких уровнях из-за того, что длина волны фотона не позво¬
ляет ему проникать вглубь, сохраняя достаточную интен¬
сивность. У растений с множеством пигментов, которые
покрывают более широкий диапазон поглощаемых длин
волн, больше возможностей выжить.
* Этим объясняется, почему зимой не бывает никакого «цветения»,
даже несмотря на то, что зимние штормы перемешивают воду и
выносят питательные вещества снизу вверх. «Цветение» начинает¬
ся только весной, когда с каждым днем увеличивается поддержи¬
вающее его солнечное излучение.
202
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
(л) В процессе фотосинтеза только молекула хлорофилла способна возбудить систему
переноса электронов и вызвать образование сахаров, аминокислот и других веществ, не¬
обходимых для формирования протоплазмы. Вспомогательные пигменты способны
лишь поддерживать цепочку переноса электронов.
фиолетовый синий зеленый желтый оранжевый красный
400 450 500 550 600 650 700
Длина волны, нм
(6) Молекулы хлорофилла и других пигментов чувствительны лишь
к определенным участкам солнечного спектра. Хлорофилл лучше
всего поглощает энергию фотонов в фиолетовой и оранжево-крас¬
ной областях спектра и малочувствителен к фотонам сине-зеленого
цвета, которых больше всего. Чтобы скомпенсировать это явное
несоответствие, в растительных клетках развились вспомогатель¬
ные пигменты, такие как фукоксантин, который обладает большей
способностью поглощать фотоны сине-зеленой области спектра и
передает поглощенную энергию молекуле хлорофилла для истинно¬
го превращения в биомассу.
Рис. 14.6. Процесс фотосинтеза и чувствительность пигментов [8].
НАДФ — никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат, АДФ — аденозиндифосфат, Ф — фотон, АТФ — аденозинтрифосфорная кислота.
Длина световой волны и чувствительность
пигментов
В растительной клетке имеются специальные органоиды,
называемые хлоропластами; они содержат хлорофилл и
другие пигменты, необходимые для фотосинтеза. Кратко
опишем процесс фотосинтеза. Молекула хлорофилла погло¬
щает один или более фотонов определенной длины волны
или определенных энергетических уровней и становится
«возбужденной» в том смысле, что в пределах этой молеку¬
лы один или больше электронов переводятся в более высо¬
кое энергетическое состояние. Эти электроны с более высо¬
кой энергией проходят в серию других молекул, функцией
которых является создание аденозинтрифосфорной кислоты
(АТФ); эта кислота в свою очередь служит источником
энергии для химической реакции, в результате которой об¬
разуются сахара, аминокислоты и другие необходимые мо¬
лекулы растительной ткани (рис. 14.6, а).
Критическим моментом в этом сложном процессе явля¬
ется «настройка» молекулы хлорофилла на определенные
энергетические уровни фотонов. Несоответствие здесь озна¬
чает, что фотон не поглощается и, следовательно, никакая
энергия не производится и не приводит в движение живую
систему. Как ни странно, исследования чувствительности
хлорофилла к длине волны показывают, что его молекула
лучше всего поглощает фотоны, соответствующие фиолето¬
вому (440 нм) и красному (660 нм) цвету (рис. 14.6,6). Из
предыдущего обсуждения передачи света в воде повторим,
что естественное «окно», пропускающее свет, находится на
длине волны около 470 нм в открытом океане и около
500—550 нм в прибрежных водах и в условиях апвеллинга.
Фиолетовый и красный свет поглощаются слоем воды тол¬
щиной всего в несколько метров. Поэтому, вероятно, мож¬
ет показаться, что растения, зависящие исключительно от
хлорофилловых пигментов, окажутся в невыгодных услови¬
ях, если попадают на глубину более 5 м.
На рис. 14.6,6 показана чувствительность к длине свето¬
вых волн фукоксантина — вспомогательного пигмента, об¬
наруженного во многих растениях. Он поглощает энергию в
той части спектра падающего света, где сам хлорофилл яв¬
ляется плохим абсорбентом. Как и почему возникла такая
адаптация? Одна гипотеза основывается на том, что древ-
ГЛАВА 14. СВЕТ И ЦВЕТ В МОРЕ
203
(а) Лучи света, проходя из атмосферы в океан, приближаются к
вертикали; / — угол падения луча на поверхность, г — угол пре¬
ломления луча.
(6) Поле зрения рыбы. Из-за более высокого показателя преломле¬
ния воды рыба может видеть световые лучи почти от горизонта до
горизонта (180°), хотя угол ее зрения — всего 96°.
Рис. 14.7. Эффекты, связанные с показателем преломления морской воды.
ние океаны представляли собой мелководные моря, где све¬
товые волны фиолетовой и красной частей спектра, кото¬
рые имелись в изобилии, обеспечивали нужды растений.
Следовательно, хлорофилла самого по себе было достаточ¬
но. Однако почему же не развился пигмент, способный не¬
посредственно поглощать часть спектра с наибольшей энер¬
гией фотонов? Ответ, вероятно, заключается в том, что хи¬
мическое связывание элементов в молекулы имеет свои
пределы. Просто число молекулярных комбинаций, кото¬
рые могут производить ту же работу, что и хлорофилл, не
бесконечно и хлорофилл, быть может, был лучшим соеди¬
нением в то время и в том месте. Когда океан стал глубже,
ограничения, возникшие для системы растений, приспособ¬
ленной к хлорофиллу, компенсировались развитием вспомо¬
гательных пигментов. Но важно отметить, что химия хло¬
рофилла сохранилась; действительно, вспомогательные пиг¬
менты не способны осуществить всю последовательность
взаимодействий молекул, необходимую для образования са¬
хара и других веществ, требующихся тканям.
Показатель преломления морской воды:
некоторые следствия
Большинство из нас видели кажущийся «излом» палки,
часть которой погружена в воду. Это результат различия
между показателями преломления воды (от 1,33 для дистил¬
лированной до 1,35 для морской воды) и воздуха (1,00).
Поле зрения рыбы, смотрящей
вверх, по направлению к поверхно¬
сти моря и дну лодки; показатель
преломления воды позволяет рыбе,
находясь под водой, видеть про¬
странство почти от горизонта до го¬
ризонта.
204
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Эту мысль иллюстрирует рис. 14.7, а. Луч света, падаю¬
щий на поверхность моря под углом /, проходя через по¬
верхность раздела воздух—вода, отклоняется в сторону вер¬
тикали; в воде луч идет под углом г < i.
Одно следствие большего показателя преломления воды
состоит в том, что световые лучи проникают в океан глуб¬
же, чем проникали бы, если бы они продолжали идти под
углом /. Иными словами, если бы средняя длина пути све¬
тового луча сквозь воду определялась только ослаблением
света, то на самую большую глубину проникал бы луч, ори¬
ентированный ближе всего к вертикали.
Другим следствием высокого показателя преломления
воды является то, что рыба, находясь у поверхности и за¬
хватывая все лучи света в пределах поля зрения всего 96°,
может обозревать всю полусферу над поверхностью раздела
воздуха и воды, от горизонта до горизонта (рис. 14.7,6).
Это явление было воспроизведено оптиками в некоторых
специальных фотографических линзах, получивших название
«рыбий глаз». Данная способность морских рыб, как из¬
вестно, почти не используется ими, если не считать того,
что эти рыбы ощущают приближение морских птиц практи¬
чески с любой стороны*. Ловцы форели хорошо знают этот
эффект — они приближаются к реке, в которой водится фо¬
рель, осторожно, стараясь, чтобы их силуэты не оказались
на фоне горизонта.
Тот факт, что в воде световые лучи, распространяющие¬
ся вниз, идут ближе к вертикали, может оказывать замет¬
ное влияние на форму и окраску морских рыб, обитающих в
приповерхностных слоях воды. Многие виды имеют отчет¬
ливо выраженные более светлые оттенки цвета на нижней
части туловищ. Это интерпретируют как защитную меру,
чтобы хищники не обнаружили их снизу. Поскольку много
света рассеивается в обратном направлении от молекул во¬
ды и от частиц, содержащихся в морской воде, существует
значительное «восходящее» свечение. Этот свет лучше отра¬
жается от брюха рыбы, если оно окрашено в светлые тона,
и, таким образом, рыба сливается с фоном из направленно¬
го вниз излучения.
Рассеяние света в морской воде:
оптические характеристики водных масс
За последние два десятилетия появилась сравнительно новая
наука — «гидрологическая оптика». Объектов изучения при
исследовании оптических свойств морской воды много, но
из полученных результатов наиболее важны два.
Природа рассеянных частиц
Не надо доказывать, что истинную природу материала, нахо¬
дящегося в морской воде во взвешенном состоянии, можно
* Я видел одну особенную рыбу, которой эта способность была не
нужна. Когда я с научными целями приехал в Вальпараисо (Чили),
мне было предоставлено служебное помещение, окно которого вы¬
ходило прямо на море. Я мог смотреть вниз с пятиметровой высо¬
ты и наблюдать, как волны разбиваются о скалы — приятное раз¬
влечение, которое я часто себе позволял. Как-то раз большой ба¬
клан нырял на глубину около метра, охотясь за маленькой рыбкой.
Скорость, с которой эта птица могла маневрировать и преследо¬
вать рыбку, поразила меня. В пределах горизонтальной площадки
не более 3 м2 пара хищник — жертва совершала по крайней мере
полдюжины акробатических движений, в том числе и повороты на
180°. Пока я за ними наблюдал, расстояние между птицей и рыб¬
кой заметно не изменилось. Я так и не узнал исхода этого состяза¬
ния, но никогда его не забуду.
изучать только in suti. Попытки извлечь микроскопические
частицы из океана и затем вновь превратить их во взвесь в
лабораторных резервуарах были не слишком успешны и не
пролили света на роль неживых частиц, которые в массе
имеют тенденцию слипаться или подвергаться химическим
изменениям, а также на роль живых, но микроскопических
растений и животных. Были изобретены более точные оп¬
тические приборы, которые позволили измерять показатель
преломления этих живых и неживых частиц в их естествен¬
ном состоянии. Более того, океанологи-оптики теперь мо¬
гут измерять углы отражения и рассеяния света от таких ча¬
стиц и сопоставлять эти данные с типами взвешенного ве¬
щества и видами живых организмов. В результате развитие
теоретических моделей рассеяния света в море продвинулось
далеко вперед.
Одним важным побочным результатом этих исследова¬
ний явилась возможность сопоставлять свет, рассеянный
обратно в космическое пространство, с природой составных
частей поверхностных и приповерхностных морских вод. В
настоящее время картирование океанов обычно производит¬
ся со спутников по рассеянному назад солнечному свету.
Анализируя содержание зеленого цвета в рассеянном в кос¬
мос излучении, мы получаем карту концентрации хлорофил¬
ла (рис. 14.8). В других частях спектра, например в желтой,
установленные на спутниках приборы картируют концент¬
рацию взвешенных илов, вынесенных из устьев рек. Такие
исследования, возможно, позволят установить, как распре¬
деляются вдоль берегов загрязняющие вещества, производи¬
мые человеком.
Оптические характеристики водных масс
Узнав, как коррелировать измерения оптических свойств с
биологической фракцией взвешенных частиц, океанологи
приобрели новый инструмент для классификации водных
масс. Из биогеографии мы узнали связи между водными
массами и сообществами животных. Используя оптику, мы
можем исследовать взвешенный микроскопический матери¬
ал способом, отсутствовавшим прежде у океанографов, ко¬
торые имели лишь сети, захватывающие только более круп¬
ные частицы. В этом отношении океанологи-оптики могут
распространить биогеографию на тонкую фракцию планк¬
тонного мира. Данные оптических исследований все больше
дополняют информацию, накопленную и биологами, и фи¬
зиками.
На рис. 14.9 показаны два профиля, полученные в районе
апвеллинга у берегов шт. Орегон. На первом, где представ¬
лено вертикальное распределение температуры, виден язык
низкотемпературных вод, который протягивается примерно
на 10 км от берега и прослеживается до глубин около 40 м.
Физики делают вывод, что вода, поднятая с глубины совсем
близко от берега, сначала переносится в западном направле¬
нии, но в конце концов начинает погружаться. Второй рису¬
нок представляет собой вертикальный профиль содержания
взвешенных частиц в воде (мутности), установленного опти¬
ческим методом. Эти данные о содержании взвеси в воде
свидетельствуют о том, что упомянутый выше язык вы¬
ражен гораздо лучше, чем показывают измерения темпера¬
туры. Вместе эти результаты дают ясное представление о
циркуляции воды в зоне апвеллинга.
Обычно каждая крупная водная масса формируется про¬
цессами тепло-, вод о- и газообмена между атмосферой и
морем; при этом область ее формирования, как правило,
четко ограничена. Отсюда следует, что район образования
водной массы представляет собой также специфическую
ГЛАВА 14. СВЕТ И ЦВЕТ В МОРЕ
205
Рис. 14.8. Снимки поверхности моря у запад¬
ного побережья Южной Америки [2].
Спутник «Нимбус-7» несет приемник излуче¬
ния, сканирующий поверхность моря в зеленой
полосе спектра при длинах волн 540—560 нм.
Солнечный свет, который рассеивается назад
от самого верхнего 5—10-м слоя воды в этом
цветовом диапазоне, пропорционален количест¬
ву хлорофилла и других растительных пигмен¬
тов в этом слое и является, таким образом,
прямым количественным индикатором продук¬
ции растений в море. Черные участки на этой
мозаике снимков — либо суша, либо облака.
Самая светлая часть, обозначенная буквой
Uполоса прибрежных вод шириной всего
около 20 км, излучение от которой наиболее
интенсивно; эта полоса представляет собой вы¬
соко продуктивную зону прибрежного апвел¬
линга. Кроме того, на этих снимках, которые
охватывают акваторию примерно в 700 км
(вдоль береговой линии) на 500 км (в море),
видны крупные завихрения. Их можно объяс¬
нить движением поверхностных вод. Точками
А обозначены два участка внедрения вод оке¬
анского типа в сторону берега. Между ними
лежит полоса более темной воды с низким со¬
держанием хлорофилла, простирающаяся в мо¬
ре на сотни километров. Точкой Е обозначен
«вихрь» диаметром порядка 50 км.
Расположение станций наблюдения, мор. мили
Расположение станций наблюдения, мор. мили
Температурное поле. Данные были получены с
помощью стандартных океанологических тер¬
мометров. Целью программы измерений было
изучить, достаточно ли быстро прогревается
солнцем холодная вода, которая поднимается
снизу вблизи от берега, чтобы она не опусти¬
лась назад, до некоторой равновесной глуби¬
ны. Язык относительно теплой воды можно
было бы интерпретировать как возвратное те¬
чение воды, которая нагревалась недостаточно
быстро, чтобы сохранить нейтральную плаву¬
честь в поверхностном слое воды. Однако дан¬
ных только о температуре мало, чтобы под¬
твердить эту интерпретацию.
Поле мутности. Данные были получены с по¬
мощью оптического трансмиссиометра, кото¬
рым измеряют мутность воды in situ. В них
тоже проявляется язык, по форме соответству¬
ющий языку теплой воды. Поскольку мутность
воды определяется концентрацией взвешенных
частиц и совсем не зависит от температурного
поля воды, мы делаем вывод, что оптические
данные подтверждают гипотезу, которая сна¬
чала была сформулирована на основании одних
температурных данных. Из-за того что боль¬
шая мутность воды, как известно, сопровожда¬
ется высокой продуктивностью, типичной для
зон апвеллинга, мы также делаем вывод, что
вода в нисходящем языке незадолго до того
находилась в поверхностном слое с высокой
продуктивностью.
Рис. 14.9. Пример того, как оптические характеристики морской воды используются при изуче¬
нии ее движений [7].
206
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
биогеографическую зону с четко определенной группой рас¬
тений и животных и что водная масса вместе с тем облада¬
ет некими биологическими признаками, которые можно вы¬
явить по оптическим свойствам, а также по составу таксо¬
нов. К этому можно добавить, что переносимые ветром ча¬
стицы континентального происхождения, которые в конце
концов осаждаются в море, тоже имеют различные характе¬
ристики в разных регионах океана. Это добавит новые чер¬
ты к характерному облику водной массы. Данные, получен¬
ные с помощью оптических приборов, применимы как для
прибрежной зоны, пример которой приведен на рис. 14.9,
так и для открытого океана, за одним исключением. Интен¬
сивность оптических характеристик вод открытого океана и
внутренних вод обычно ниже. Тем не менее сфера примене¬
ния данных, полученных оптическими методами, расширя¬
ется.
Биолюминесценция
Каждый изучающий море ученый во время морских рейсов
непосредственно встречается с явлением биолюминесценции
у морских животных. Впервые я столкнулся с ним, когда
студентом участвовал в экспедиции в Мексиканский залив.
Нам нужно было измерить температуру морской воды в
ночное время. Мы зачерпывали воду с поверхности ведром
и измеряли ее температуру, помешивая в ведре шариком
термометра, чтобы столбик ртути скорее пришел в равнове¬
сие. При каждом движении термометра в моем ведре возни¬
кало множество мельчайших искорок света — я был зачаро¬
ван и не мог оторваться от этого зрелища. Вполне вероят¬
но, что светились динофлагелляты рода Noctiluca, как из¬
вестно, обитающие в тропических и субтропических водах.
Позднее, во время полевых работ, когда я проверял гипоте¬
зу, в которой интенсивные импульсы света использовались
как источник электромагнитного излучения для подводного
радара, который мог принимать ответные возмущения от
люминесцирующих морских животных, я разработал чувст¬
вительный приемник, опускавшийся на глубину 500—700 м.
Там он регистрировал люминесцентную реакцию среды на
вспышки света разных оттенков. Я обнаружил, что абсо¬
лютной темноты, которую часто приписывали океанским
глубинам, просто не существует. Вместо этого бесчислен¬
ные вспышки света, испускаемые глубоководными организ¬
мами, поддерживают освещенность в глубоких водах на не¬
котором постоянном, хотя и очень низком уровне. Кроме
того, я узнал, что введение серии искусственных световых
импульсов — в данном случае это были вспышки ксеноно¬
вой лампы — вызывает ответную реакцию подводного ми¬
ра: под действием светового возбуждения уровень освещен¬
ности в среде увеличился более чем в 1000 раз от фонового
уровня, равного примерно 10—7 мкВт/м2, — приблизитель¬
но до 10~4! Одна серия записей из тех, что я получил, вос¬
произведена на рис. 14.10.
Биологическое свечение, вероятно, замечали еще древние
люди. Фосфорическое свечение мертвой рыбы, которое
можно наблюдать темной ночью на рынке, было известно
еще Аристотелю. Теперь мы знаем, что источник этого
света — люминесцирующие бактерии на разлагающемся мя¬
се. Химик Роберт Бойль (1627—1691), проводя опыты с ва¬
куумом, заметил, что свечение тела рыбы ослабевало, когда
из вакуумной колбы откачивали воздух. В то время (1668 г.)
кислород еще не был выделен как химический элемент. В
настоящее время установлено: для того чтобы происходила
химическая реакция и возникало свечение, должен присутст¬
вовать кислород. До 1853 г. не было известно, что источни¬
ком света являются бактерии. С тех пор было обнаружено
множество люминесцирующих бактерий; установлена и хи¬
мическая реакция, общая для бактерий и более высокоразви¬
тых организмов.
Общие особенности биолюминесценции
1. Энергия, необходимая для того, чтобы возникали фото¬
ны света, выделяется химическим путем из молекулы адено¬
зинтрифосфорной кислоты (АТФ). Когда молекула АТФ
вступает в реакцию с ферментом люциферазой, энергия в
виде быстрых электронов высвобождается и переходит к
молекуле другого вещества, называемого люциферином, —
соединения, способного окисляться. Внутри люциферина
электроны попадают на более низкий энергетический уро¬
вень, и при этом испускается фотон видимого света — от¬
сюда химическое свечение «холодным» светом (хемилюми¬
несценция). Никакого другого внешнего источника энергии
не требуется. Фактически биолюминесценция представляет
собой химический процесс, обратный фотосинтезу у расте¬
ний!
Участвующие в реакции соединения получили свои назва¬
ния давно, на заре исследований, когда считали, что в этом
процессе не обошлось без дьявола Люцифера. Когда устано¬
вили, что способностью светиться обладают тела живот¬
ных, и когда через светящуюся массу профильтровали хо¬
лодную воду, было выделено соединение, названное люци¬
ферином. При пропускании горячей воды было получено
второе соединение — люцифераза. Свет возникает, когда
два этих выделенных вещества соединяются в присутствии
кислорода.
2. В качестве источника этих веществ использовалась пе-
леципода Cypridina (небольшой двустворчатый моллюск).
Чрезвычайно низкие концентрации выделенного светящего¬
ся вещества в воде, порядка 1:100 000 000 000, делают свет
видимым для глаз.
3. Люциферины, полученные из разных видов организ¬
мов, не одинаковы по химическому составу. Это приводит к
выводу, что биолюминесценция в море является особеннос¬
тью «конвергентной» эволюции. Люциферин, смешиваясь с
люциферазой другого вида организмов, не «вспыхнет», если
эти виды не находятся в близком родстве.
4. Интенсивность света обычно низка; по цвету свет по¬
падает в видимую часть спектра, преимущественно сине-
зеленую, совпадающую с окном прозрачности воды (читате¬
ли сделают вывод, что «так и должно быть»).
5. Биолюминесценция — высокоэффективный процесс, в
котором отношение энергии видимого света к общей излу¬
чаемой световой энергии велико, порядка 20—90%. Какой
бы ни была причина того, что морские животные приобре¬
ли способность люминесцировать, они теряют на это мало
энергии.
Основные способы, которыми организмы
вырабатывают свет
1. Реакция, в результате которой возникает свет, происхо¬
дит внутри отдельной клетки. Реакция этого типа идет
очень быстро; ее используют жгутиконосцы рода Noctiluca.
Изучение под микроскопом этих мелких простейших показа¬
ло, что у каждой особи в протоплазме клетки содержится
целый ряд специфических участков, где и происходит эта ре¬
акция.
2. Реакция может происходить и вне организмов. Люци¬
ферин и люцифераза выделяются из клеток кожного эпите-
ГЛАВА 14. СВЕТ И ЦВЕТ В МОРЕ
207
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
ВОЗБУЖДЕНИЕ БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
МОРСКИХ ОРГАНИЗМОВ
НА РАЗНЫХ ГЛУБИНАХ В ОКЕАНЕ
Эксперименты проводились в Мексиканском заливе темной ночью с
целью обнаружить реакцию морских организмов на искусственные
импульсы света. Прибор испускал короткие интенсивные вспышки
света от ксенонового источника и регистрировал световое поле по¬
сле вспышки с помощью чувствительного фотоумножителя. Полу¬
чены следующие результаты:
(а) На глубине 700 м темной ночью уровень светового фона
чрезвычайно низок, на этом фоне видны эпизодические слабые све¬
товые импульсы, производимые люминесцирующими животными.
Когда включили ксеноновую лампу (в момент Го), фоновый уровень
повысился более чем в 1000 раз, случайные всплески, наблюдавшие¬
ся до возбуждения, теперь затерялись в «потопе» биолюминесцен¬
ции. Какие животные вызвали такой эффект, не известно.
(б) На глубине 100 м фоновый уровень света более чем в 10 раз
выше фонового уровня на глубине 700 м. Даже немного звездного
света проникает глубоко в море! Здесь начало серии вспышек тоже
привело к повышению фоновой активности, как и на глубине 700 м,
но, вероятно, это было вызвано другими животными. Эффект не¬
продолжителен, причем реакция заметно снижается в промежутке
времени между вспышками.
(в) На глубине 30 м звездный свет довольно интенсивен. Появ¬
ление ксеноновых вспышек в воде не вызывает никакой системати¬
ческой реакции в отличие от более глубоких уровней.
ксеноновой лампы.
Точка над пиком кривой -
реакция прибора на его
Повышение уровня фонового света, Очень сильные импульсы света
создаваемого морскими
организмами, после вспышек
ксеноновой лампы
(б)
(в)
лия, и когда эти вещества соединяются, происходит реакция
с выделением света.
3. Животное может находиться в симбиозе с люминесци¬
рующими бактериями. У небольшой рыбки Anomalops ря¬
дом с глазом есть специальный орган, способный поворачи¬
ваться; он поворачивается наружу, чтобы бактерии-симби¬
онты обнажились, или внутрь, чтобы «погасить» свет. У
рыбы Photoblepharon существуют аналогичные места, где
выращиваются бактерии, но у нее есть темные «занавеси»,
которые она может поднять или опустить, чтобы открыть
или закрыть такой орган.
Распределение биолюминесценции
«Возможно, самым поразительным фактом в биологии, отно¬
сящимся к испусканию света животными, является огромное число
совершенно не связанных родственно между собой и разнообраз¬
ных организмов, у которых развилась эта способность. Развитие
способности светиться и эволюция никак не связаны. Получается,
что люминесценция внезапно возникает то там, то здесь, как будто
горсть сырого песка бросили на названия различных групп организ¬
мов, написанные на школьной доске, и люминесцирующие виды по¬
явились всюду, куда упал песок. Больше всего «песка» досталось
греоневикам... возможно, все организмы, относящиеся к этому ти¬
пу, люминесцируют. Книдарии тоже содержат много светящихся
видов, рассеянных среди определенных отрядов. Другая особен¬
ность... — почти полное отсутствие люминесцирующих видов сре¬
ди пресноводных животных. Самое замечательное подтверждение
этого правила обнаружено среди динофлагеллят: из них облада¬
ют способностью светиться только виды, обитающие в соленой
воде» [3].
Простейшие. Люминесцируют многие роды динофлагеллят;
самый известный пример — род Noctiluca.
Ктенофоры и книдарии. Из этих двух родственных типов
ктенофоры (гребневики) дают больше всего примеров лю¬
минесцирующих организмов. Типичные гребневики из рода
Pleurobrachia, называемые также «морским крыжовником»,
имеют восемь рядов светящихся участков. Некоторые виды
люминесцируют даже на стадии яйца. Среди книдарий све¬
тятся многие гидроиды и медузы, а также почти все сифо-
нофоры и глубоководные морские перья; только у актиний
и кораллов люминесценция отсутствует.
Высшие (кольчатые) черви. Люминесценция свойственна
значительному количеству червей с сегментированным те¬
лом, относящихся к типу Annelida; большинство принадле¬
жит к классу полихет.
208
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Моллюски. Среди моллюсков испускание света широко рас¬
пространено в классе головоногих; действительно, некото¬
рые кальмары и осьминоги имеют самые сложные органы
люминесценции, состоящие из линз, рефлекторов и пиг¬
ментных экранов. Один вид кальмаров способен даже излу¬
чать свет разных оттенков. Многие кальмары обитают на
больших глубинах, и именно среди них количество и слож¬
ность люминесцирующих органов больше всего.
У гастропод способность светиться обычно отсутствует,
за исключением некоторых видов голожаберных моллю¬
сков. Двустворчатые моллюски светятся редко.
Членистоногие. Среди представителей типа Arthropoda, к
которому относится свыше 75% всех видов царства живот¬
ных, биолюминесценция встречается главным образом сре¬
ди ракообразных. У эвфаузиид широко распространена био¬
люминесценция. Среди остракод члены рода Cypridina впол¬
не подходят для лабораторных исследований люминесцен¬
ции, поскольку они часто встречаются, их легко поймать и
они производят много света и ферментного вещества. До¬
стигая во взрослом состоянии 3—4 мм в длину, эти живот¬
ные днем обитают на дне, а ночью выходят кормиться.
Люминесцируют и многочисленные виды копепод. В
группе десятиногих рачков целый ряд пелагических креветок
несет фотофоры, рассеянные по всему телу; это особенно
справедливо для видов, которые участвуют в суточной вер¬
тикальной миграции глубинного звукорассеивающего слоя.
Некоторые формы креветок выделяют в воду люминесциру-
ющие облака «света»; это свойство обнаружено у большей
части глубоководных креветок.
Хордовые. Многие виды рыб светятся. Обнаружено, что
это особенно характерно для глубоководных видов; ассор¬
тимент их люминесцирующих органов столь же разнообра¬
зен, как и у кальмаров, и в связи с этим возникают интерес¬
нейшие вопросы зоологии.
Биолюминесценция у рыб возрастает, возможно, до глу¬
бины 1500 м, затем уменьшается и вновь возрастает у рыб,
обитающих вблизи дна. Лучше всего она развита среди ви¬
дов, которые населяют зону ниже 500 м. Кроме того, у рыб
в этой «сумеречной» зоне развиты большие глаза. В интер¬
вале средних глубин, от 2000 до 3000 м, где количество лю¬
минесцирующих видов сокращается, глаза, как правило,
уменьшаются до состояния, близкого к слепоте. Размер
глаз снова увеличивается у обитателей дна.
Хорошо были изучены виды, относящиеся к роду Му-
ctophys — светящихся анчоусов, которые образуют более
высокие уровни плотоядных в глубинном звукорассеиваю¬
щем слое. У некоторых видов вдоль боковых линий с каж¬
дой стороны развиты фотофоры; отсюда и произошло их
название. Какой бы ни была схема размещения фотофоров,
их положение и количество индивидуальны для каждого ви¬
да и очень помогают при таксономической классификации.
Часто имеется небольшое различие в положении фотофоров
у мужских и женских особей, и, таким образом, подтверж¬
дается идея о том, что у глубоководных рыб они играют
какую-то роль в воспроизведении потомства.
Причины биолюминесценции
Сначала причины, по которым биолюминесценция столь
широко распространена среди морских организмов, биоло¬
гам не удавалось установить. Сравнительно легко перечис¬
лить некоторые наиболее очевидные причины того, почему
у животных в море могла развиться эта функция. Но не бы¬
ло доказано, что имеется какая-то общая цель, которая свя¬
зывает воедино разнообразные формы и механизмы, су¬
ществующие у многих типов и видов светящихся существ.
Распознавание вида или пола. Распознавание вида или пола
— ясная и возможная функция биолюминесценции. Изучение
вспышек света, производимых наземными светлячками,
подтвердило, что последовательность и продолжительность
серий импульсов представляют собой часть процесса спарива¬
ния. Действительно, дальнейшие исследования показали, что
у хищников развилась даже способность воспроизводить чу¬
жие брачные сигналы и тем самым приманивать самцов пое¬
даемого вида — хитрый, но «недостойный» прием.
Трудно проследить характеристики биолюминесценции
морских организмов in situ. Когда этот процесс удается
наблюдать, возникает еще больше вопросов. Например, бы¬
ло замечено, что свет рыбы Anomalops все время то вспы¬
хивал, то гас — 10 с света и 5 с темноты. С другой сторо¬
ны, рыб из рода Photoblepharon в природе не наблюдали,
но известно, как вспыхивает их свет в лаборатории, в усло¬
виях неволи. Почему же у этих двух близкородственных ви¬
дов должны были развиться разные световые сигналы, если
у обоих видов они выполняют похожие функции? Заслужи¬
вает внимания точка зрения, что выращивание светящихся
бактерий имеет определенную «цену», так как сам светя¬
щийся орган снабжается кровью хозяина и бактерии могут
таким образом получать кислород и питательные вещества.
Приманивание пищи. Мы определили некоторые виды орга¬
низмов, например глубоководные виды, носящие общее на¬
звание удильщиков, которые используют орган свечения как
приманку для пищи. Фотофор у этих животных располага¬
ется на конце нитевидного отростка, который фактически
представляет собой модификацию луча первого спинного
плавника. У вида Ceratias holbolli, взрослые особи которого
могут достигать в длину 100 см, приманка может вытяги¬
ваться или укорачиваться за счет сокращения мышц, выдви¬
гаясь при этом на расстояние до 30 см впереди рта или втя¬
гиваясь назад в положение непосредственно над ротовым
отверстием. Преобладание этих видов в морских глубинах
подтверждает, что они используют световую приманку в ус¬
ловиях темноты. Однако прибрежные формы удильщиков,
которые называют морскими лягушками или морскими чер¬
тями, известны с античного времени. Следовательно, по¬
пытка привязать использование светового органа в качестве
приманки к какой-то определенной части окружающей сре¬
ды, в результате чего может возникнуть специфическая
адаптация, терпит неудачу.
Приспособление для экстренной защиты. Среди причин раз¬
вития биолюминесценции выделяется использование ее с
целью сбить со следа хищника. Один из параметров — вы¬
деление облаков светящегося вещества кальмарами. В более
глубоких водах, где освещенность окружающей среды неве¬
лика (рис. 14.10), вспышку света примерно в 10 тысяч раз
ярче свечения фона можно интерпретировать как оборони¬
тельную меру, имеющую цель на мгновение привести хищ¬
ника в замешательство. Такое назначение биолюминесцен¬
ции подтверждается открытием, что спусковым механиз¬
мом для вспышек или свечения может служить адреналин,
но это не универсальный спусковой механизм.
Противотень — пример «убежища». В последние годы мы
узнали, что биолюминесценция, по-видимому, иногда ис¬
пользуется для того, чтобы нейтрализовать «тень» живот-
ГЛАВА 14. СВЕТ И ЦВЕТ В МОРЕ
209
Свет, направленный вниз
(а) Их темные силуэты, которые можно увидеть при дневном
свете.
Рис. 14.11. Противотень — возможная причина развития биолю¬
минесценции у некоторых морских рыб. Свет, испускаемый фото¬
форами, расположенными вдоль брюха рыбы, «заполняет» тень,
которую отбрасывает ее тело в естественном свете, направленном
вниз от поверхности воды [5].
ных, обитающих вблизи поверхности моря; этот механизм
иллюстрирует рис. 14.11.
«Заметьте, что у многих рыб, кальмаров, креветок, равно как
и других форм, фотофоры располагаются на брюшной стороне те¬
ла, а глаза у рыб, обитающих на средних глубинах, ориентированы
так, чтобы смотреть вверх. Эти хищники должны, проплывая, за¬
метить свою жертву, вырисовывающуюся на фоне холодной сине¬
вы проникающего вниз света. Выработанная в процессе эволюции
реакция заполнения силуэта, несомненно, должна полностью возна¬
граждаться выживанием. Отсюда расположение фотофоров на
брюшной стороне и ориентированные вниз фокусирующие линзы.
Есть способы проверить это. Противотень должна достаточно
точно соответствовать проходящему вниз свету и сохранять свои
защитные свойства при изменении интенсивности света более чем
на четыре порядка. Прямые испытания защитных свойств противо-
тени показали, что креветки, кальмары и рыбы — все обладают
этой способностью в очень узких пределах интенсивности проходя¬
щего вниз света. Чтобы свет и противотень были близки друг к
Другу, требуется, чтобы животные не только могли оценивать ин¬
тенсивность проникающего света (глазами), но и могли измерять и
сравнивать свою собственную биолюминесценцию. Они делают это
с помощью фотофоров, связанных с глазами. Все фотофоры реаги¬
руют на системную (нервную) регуляцию одним и тем же спосо¬
бом. Следовательно, глаза видят и проходящий вниз свет, и био¬
люминесценцию, регулируя ее соответствующим образом. Если фо¬
тофоры глаза закрыты или ампутированы, способность регулиро¬
вать биолюминесценцию исчезает. Эти опыты весьма чисты и убе¬
дительны. Очевидно, что биолюминесценция даже в формах, опре¬
деленно предназначенных для того, чтобы устранить тень, вы¬
полняет функции общения, приманки, а также, возможно, и дру¬
гие» [3].
Заключительные замечания о биолюминесценции
Остается еще многое узнать о поведении животных в море,
но ничто не вызывает большего интереса, чем роль люми¬
несценции. Наиболее подробные сведения о глубоководных
животных, и особенно о миктофообразных рыбах, сообщал
(б) Картина их биолюминесценции, которую можно увидеть в тем¬
ное время суток.
Люминесцирующие рыбы поверхностного слоя океана. Видно, как
Astronesthes преследует двух миктофид (светящихся анчоусов) [1].
Уильям Биб [1], основываясь на своих наблюдениях в бати¬
скафе, проведенных во время рейса судна «Арктур» в
1925 г., а также на изучении вида Myctophum coccoi в затем¬
ненном аквариуме.
«По всему телу рассеяно множество округлых люминесцирую¬
щих органов, которые мы можем разделить на три основные си¬
стемы. Первая — 32 вентральных (брюшных) органа, протягиваю¬
щихся по обе стороны тела от острого конца нижней челюсти до
основания хвоста; вторая — примерно 12 латеральных (боковых)
светящихся органов, расположенных бессистемно вдоль головы и
тела; третья — ряд из 3 — 6 медианных (срединных) световых пла¬
стинок или чешуек либо выше, либо ниже основания хвоста.
Нижняя батарея люминесцирующих органов, работая в пол¬
ную силу, отбрасывает вниз такой яркий пучок света, что отдель¬
ные органы невозможно различить. Пять раз, независимо один от
другого, когда я запускал рыбу в большой затемненный аквариум,
я видел, как довольно крупные копеподы и другие организмы при¬
ближались, входили внутрь области вентрального света, затем по¬
ворачивались и подплывали к рыбе еще ближе, и тогда светящийся
анчоус изгибался и быстро хватал мелкие существа.
...Возможно, наибольшее различие между видами светящихся
анчоусов проявляется в устройстве латеральных органов свечения и
в полной темноте. Я мог бы сразу сказать, какие виды и сколько
особей каждого вида присутствуют в новом улове, только по рас¬
положению фотофоров. Когда несколько рыб плавало вокруг, их
расположенные с обеих сторон «бортовые огни» были почти всегда
210
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
зажжены, и казалось вероятным, что они служат опознавательны¬
ми знаками, давая возможность членам клана собираться вместе и
указывать отбившимся от стаи особям путь к спасению».
Изменение окраски у животных
Пассивная окраска и изменение цвета морских животных не
являются для моря столь же активной световой характери¬
стикой, как солнечный свет и биолюминесценция. Однако
они представляют собой особую форму адаптации и заслу¬
живают краткого рассмотрения. У многих морских живот¬
ных имеются структуры, называемые хроматофорами, ко¬
торые служат для изменения цвета. Эти специализирован¬
ные клетки кожи содержат целый ряд пигментов, каждый
из которых поглощает определенную полосу спектра.
Установлено, что цвет изменяется в ответ на один из
двух раздражителей:
1. Нервный раздражитель. Этот раздражитель, действие
которого обусловлено проводимостью нервной ткани, от¬
крывает или закрывает хроматофор, напрягая или расслаб¬
ляя контролирующие его мышцы; цвет изменяется быстро.
2. Гуморальный раздражитель. Спусковой механизм
возбуждается спектром эндокринной железы, который бы¬
вает двух типов. Растворимое в воде химическое вещество
переносится током крови или лимфы и приводит в действие
контролирующие мышцы; во втором случае жирораствори¬
мое химическое вещество проникает сквозь ткани посредст¬
вом диффузии. Цвет изменяется медленно.
Изменение окраски у осьминогов. Изменение окраски у ось¬
миногов происходит в особых клетках кожи; сокращение
мышц расплющивает клетку, при этом большая ее площадь
выходит наружу. Кроме того, у некоторых осьминогов есть
иридофоры — слои отражающей ткани, расположенные под
внешними слоями хроматофоров; эта ткань увеличивает ко¬
личество рассеянного света. Каждый хроматофор снабжен
нервными волокнами, отходящими от центрального нервно¬
го ствола; такое изменение окраски, контролируемое нер¬
вной системой, происходит очень быстро. Если нервный
ствол рассечь, контролирующие мышцы расслабляются,
клетки закрываются и кожа животного бледнеет.
Изменение окраски у ракообразных. Для многих видов рако¬
образных важно приспособиться к условиям дневного или
ночного освещения. Цель — соответствовать по цвету окру¬
жающей среде. Большинство видов животных днем темнеет
и изменяет окраску на более светлую при слабом освеще¬
нии. Такое поведение обычно встречается у креветок, крабов
и крабов-отшельников, которых можно регулярно наблю¬
дать на пляжах днем или ночью. Зрение этого животного
представляет собой важное звено в цепи команд, которые
вызывают изменение окраски. Если у такого животного
удалить глаза, оно станет светлее. Контроль окраски —
нейрогуморальный; впрыскивание взятой у темного краба
крови светлому крабу того же вида заставляет его потем¬
неть.
Окраска у глубоководных животных
Удивительное наблюдение, сделанное биологами, которые
изучали животных темных морских глубин, — это их часто
встречающаяся яркая окраска. Например, бентосные амфи¬
поды, попадая на поверхность с глубины в тысячи метров,
могут оказаться ярко-красными. При глубоководных иссле¬
дованиях с помощью фото- и кинокамер в большинстве слу¬
чаев используется черно-белая пленка, поэтому у нас нет до¬
статочного количества наблюдений окраски бентосной фау¬
ны in situ. Однако интересно, почему животное становится
именно красным. Одно из объяснений состоит в том, что
выделяемый хищниками биолюминесцентный свет имеет
сине-зеленый цвет, который совпадает с «окном» прозрач¬
ности. Поскольку красное вещество не поглощает синий
свет, жертва, имеющая красную окраску, должна быть от¬
носительно невидимой в темной без этого света воде.
Осьминог заметен на фоне скалы.
Хотя этот снимок сделан ночью,
осьминог сохранил пятнистую окрас¬
ку кожи, приспособленную им для
маскировки в светлые дневные часы.
ГЛАВА 14. СВЕТ И ЦВЕТ В МОРЕ
211
Заключение
Между окном прозрачности воды и температурой Солнца
существует удивительная связь. И то и другое дает макси¬
мальный эффект на одних и тех же длинах волн электромаг¬
нитного излучения. Из-за того что температура на поверх¬
ности Солнца достигает 6000 К, оно излучает энергию с
наибольшей интенсивностью как раз в зеленоватой полосе
света с длинами волн около 470 нм. При этих длинах волн
вода наиболее прозрачна.
Из солнечной энергии, достигающей верхних слоев ат¬
мосферы, поверхность Земли получает около 47%. Это та
энергия, которая нагревает верхнюю часть толщи океанских
вод; чтобы тепловой бюджет океана был сбалансирован,
океан должен терять такое же количество энергии. Однако
важно вспомнить, что в локальном масштабе энергетиче¬
ского равновесия в океане почти никогда не бывает. Данная
область будет отдавать тепло, если это тропики, и погло¬
щать, если это полярный регион, или и то и другое — в
том смысле, что в апвеллинге тех и других широт тепло по¬
глощается на глубине и расходуется на поверхности океана.
По вертикали интенсивность света уменьшается с глуби¬
ной по экспоненте. Только 45% падающего света достигает
глубины 1 м, и всего 1 % достигает глубины 100 м. Свет,
который проникает на самые большие глубины, имеет ту
же длину волны, что и «окно» прозрачности воды, т. е.
сине-зеленый цвет в открытом океане и желто-зеленый в
прибрежных водах.
Вертикальное распределение света — основной фактор,
от которого зависит, как распределяется в этом направле¬
нии жизнь в океане. Биологи устанавливают несколько по¬
ложений.
1. Для каждой растительной клетки на какой-то глубине
моря существует точка компенсации, где потребности в
кислороде для дыхания в точности уравновешиваются об¬
разованием кислорода.
2. Существует глубина, до которой турбулентное движе¬
ние перемешивает верхний слой океана, а также обитающий
в нем планктон. Когда перемешивание захватывает глубины
ниже критической, общая продуктивность уменьшается, так
как популяция растительных клеток слишком много време¬
ни проводит в темной части столба воды. Если перемеши¬
вание происходит в очень небольшом слое, продуктивность
опять-таки падает вследствие того, что из более глубоких
вод в освещенные слои поступает недостаточно питатель¬
ных веществ. Отсюда следует, что оптимальная продуктив¬
ность существует где-то между этими пределами, в интер¬
вале от 7 до 17 м.
Оптическая океанология вступила в свои права как важ¬
ная отрасль морских исследований. Помимо других спосо¬
бов ее применения она позволяет классифицировать водные
массы по оптическим свойствам, независимо от температу¬
ры и солености самой воды.
Но самые интересные проблемы возникают при исследо¬
вании биологического свечения живых существ, обитающих
в море. Почему способность люминесцировать настолько
преобладает в морской биосфере по сравнению с наземной,
если в океане свет угасает гораздо быстрее? Мы можем
только догадываться об этом, но точно не знаем.
Контрольные вопросы
1. На рис. 14.1 отражена идея о том, что морская вода
по-разному пропускает свет разной длины волны (разные
цвета). На рис. 14.3 та же самая информация представлена в
другом виде: здесь показано, что ослабление световых лучей
в морской воде зависит не только от длины световых волн,
но, кроме того, и от типа воды. Какой из этих двух мето¬
дов, по вашему мнению, более важен и какой легче понять?
2. Какое значение, по-вашему, имеет тот факт, что су¬
ществует почти полное совпадение между окном прозрачно¬
сти воды и длиной волны, на которой солнечный свет наи¬
более интенсивен?
3. Просто ли является совпадением, что наши собствен¬
ные глаза, как и глаза морских животных, наиболее воспри¬
имчивы к сине-зеленым лучам света?
4. Является ли совпадением, что цвет биолюминесцен¬
ции имеет ту же самую длину волны, при которой Солнце
испускает максимальное количество энергии? Или ту же са¬
мую длину волны, что и «окно» прозрачности воды?
5. Если бы средняя глубина океанов была всего 100 м (а
не 4000), как изменилась бы эвфотическая зона открытого
океана? Могла бы она быть такой же, как сейчас?
6. Имеется вопрос о чувствительности молекулы хло¬
рофилла к различным цветам света. Природа подбросила
нам невероятное, а именно: хлорофилл не является самым
чувствительным пигментом к фотонам сине-зеленого цвета.
Выгодно ли это морским растениям? Если нет, то что озна¬
чает это несоответствие для роста растений?
7. Частичным ответом на вопрос 6 является то, что в
растительном мире существуют вспомогательные пигмен¬
ты. Какие функции они выполняют?
8. Защитите утверждение (сделанное раньше в книге),
что океаны нагреваются сверху вниз, поглощая солнечную
энергию.
9. На рис. 14.3 мы обнаруживаем, что ослабление света
водными массами разного типа тоже различно. В какой во¬
де ослабление света больше всего и почему?
10. Одно из самых интересных упражнений в океаноло¬
гии — попытаться объяснить, почему максимальную кон¬
центрацию растительных клеток мы наблюдаем на глуби¬
нах примерно от 5 до 15 м, а не на поверхности. Попробуй¬
те это объяснить.
11. Важно, чтобы учащийся понимал смысл точки ком¬
пенсации и глубины компенсации и мог отличить эти поня¬
тия от так называемой критической глубины. Обратите
внимание на то, что, рассматривая точку компенсации, со¬
всем не обязательно учитывать вертикальное перемешива¬
ние.
12. На рис. 14.8 введен термин «мутность». Что в этом
конкретном случае приводит к увеличению мутности в во¬
дах, которые поднялись к поверхности в зоне апвеллинга?
13. На каком основании слова «люциферин» и «люцифе¬
раза» применяют к веществам, выделенным химическим пу¬
тем из тканей морских животных, известных способностью
люминесцировать?
14. Является ли биолюминесценция «эффективным» про¬
цессом производства света?
15. Исследуйте, применима ли на практике идея об ис¬
пользовании лазерного света для движения межпланетных
кораблей. Лазер на борту космического корабля должен
возбуждаться энергией, чтобы испускать фотоны света с
задней стороны корабля; фотоны могли бы двигать ко¬
рабль вперед, поскольку обладают массой. Могут ли у ры¬
бы развиться световые излучатели как эффективные средст¬
ва передвижения? С какой скоростью свет распространяется
в морской воде?
16. Где среди разных типов морских организмов вероят¬
нее всего встретить биолюминесценцию?
17. Напишите краткий проект на тему о том, что биолю¬
212
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
минесценция в морской биосфере должна преследовать одну
и ту же цель у разных растений и животных, которые ее ис¬
пользуют, поскольку биолюминесценция развивалась, по-
видимому, самостоятельно у организмов различных типов.
18. Какая практическая польза может быть в метании
светящихся икринок!
ГЛАВА 15
РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ЭВФОТИЧЕСКОЙ
ЗОНЫ ОТКРЫТОГО ОКЕАНА
Биологический экскурс по столбу воды позволяет открыть домини¬
рующие виды в запутанной пищевой сети типичного для океана со¬
общества организмов.
В некотором смысле эта глава начинается с Джона Стейн¬
бека и «Консервного ряда» (Кэннери-Роу) — места, о кото¬
ром мы впервые услышали благодаря расширению промыс¬
ла сардин в 1920—1930-е годы и которое затем прослави¬
лось как место действия романа Стейнбека. К этому же
месту в начале 1950-х годов было приковано внимание об¬
щественности в связи с исчезновением тихоокеанских сар¬
дин.
Крах производства рыбных консервов вызвал к жизни
то, что можно считать одной из величайших в мире детек¬
тивных историй. Что случилось с видом Sardinops sagax !
Его промысел начался в 1916 г. —- тогда в Калифорнии бы¬
ли зарегистрированы уловы около 30 тыс. т. Ловля сардин
быстро распространилась на Британскую Колумбию,
шт. Вашингтон и Орегон и Мексику, достигла пика в
791 тыс. т. в 1936—1937 гг., а в 1952 г. улов упал до
25 тыс. т! В 1967 г. власти Калифорнии запретили прямой
промысел сардин, разрешался только небольшой попутный
отлов. Экологическая ниша, которую когда-то занимали
сардины, теперь заполнена другими видами рыб, такими
как анчоусные и ставрида.
Поиски причин исчезновения сардин привели к созданию
Калифорнийской кооперативной программы исследований оке¬
анских рыбных промыслов (CALCOFI). Систематические ра¬
боты по этой программе начались в 1949 г. и с тех пор не
прекращались. Был создан целый банк данных, и они были
обобщены в серии атласов CALCOFI, из которых взята зна¬
чительная часть материала этой главы.
Взгляд на сообщество морских организмов
в Калифорнийском течении
На карте (рис. 15.1) приведен план размещения станций наб¬
людений по программе CALCOFI. Каждую станцию посе¬
щают через определенные интервалы времени, чтобы опро¬
бовать все характеристики — от физических и химических
до биологических. Цель исследований — узнать возможно
больше о данной океанической обстановке, сообществе жи¬
вых организмов и жизненном цикле определенных видов,
взаимодействующих с сардинами. Как место действия для
следующих страниц рассказа и его иллюстрации я выбрал
одну из этих станций — станцию 60.90, она находится при¬
мерно в 90 морских милях к западу от залива Монтерей и
Кэннери-Роу.
Начнем с системы наименований типичных растений и
животных, которые были обнаружены работающими по
программе CALCOFI учеными непосредственно на станции
60.90 или в поверхностных водах вблизи нее (рис. 15.2). В
эту систему входят пять подразделений: фитопланктон,
простейшие, зоопланктон, микронектон и нектон. Они
обозначают также трофические уровни.
Однако, прежде чем приступить к рассмотрению схем
организации и фотографий морской жизни, следует напо¬
мнить читателям о некоторых ограничениях, касающихся
этих данных.
1. Один рейс никоим образом не может обеспечить пол¬
ную серию проб. В одном рейсе можно собрать только
зоопланктон, да и то лишь с отдельных глубин; в другом
рейсе придется изучать первичную продукцию и т. д. Чита¬
тель не должен думать, что все представленные здесь жи¬
вотные и растения действительно были отобраны на стан¬
ции 60.90 во время одного специального рейса.
2. Поскольку нам уже известно, как изменчивы могут
быть популяции видов, мы должны ожидать, что сегодняш¬
ний доминирующий вид завтра сменится другим.
3. Эти виды представительны только для водных масс
Калифорнийского течения.
Фитопланктон в Калифорнийском течении
Диатомеи
Общая характеристика
• Размеры диатомей в зависимости от условий обитания
изменяются на порядок — от 10 до 100 мкм.
• Эти растения строят раковины из кремнезема (SiO2),
весьма разнообразные по форме и относящиеся к одному из
двух типов симметрии:
Centricae (центральные). Раковина радиально-симмет¬
ричная, как у рода Chaetoceros (рис. 15.3).
Pennatae (пеннатные) (от лат. Реппа — крыло,
оперение. — Перев.) Раковина удлиненная, двусторонне¬
симметричная, как у представителей рода Rhizosolenia
(рис. 15.3).
• Диатомеи обоих типов — и центрального, и пеннатно-
го — могут соединяться в цепочки, особенно если поступает
достаточно питательных веществ и раковины растут быст¬
ро, как в зоне апвеллинга. Образование колоний — одно из
условий, которые позволяют рыбам-фильтраторам питать¬
ся непосредственно первичными продуцентами. Слипаясь,
растительные клетки образуют крупные частицы, которые
рыба может легко отфильтровать из морской воды. По
этой причине косяки сельди, анчоусов и менхеденов всегда
обнаруживают в прибрежных водах, и вместе они обеспечи¬
вают почти треть всего мирового промысла рыбы. (Этим
объясняется также «полуторный» трофический уровень,
установленный Райтером, — см. табл. 1.2.)
• Диатомеи процветают в более холодных водах, как
видно на рис. 5.11 по распространению кремнистых осад¬
ков; SiO2 почти нерастворим в морской воде.
• Там, где диатомовые осадки подняты геологическими
процессами и выходят на поверхность, их добывают для
промышленного использования; они служат наполнителем в
красках и зубной пасте, несущим агентом в инсектицидах, а
в динамите — веществом, нейтрализующим взрывчатый
нитроглицерин. (Изобретение динамита Альфредом Нобе¬
лем в настоящее время поддерживает деятельность Комите¬
та по Нобелевским премиям.)
• Размножаются диатомовые водоросли делением клет¬
ки. Сама раковинка делится на две половинки, каждая со
своим собственным клеточным ядром и частью протоплаз¬
мы. Затем каждая из них образует новую половинку ракови¬
ны, называемой панцирем, в результате чего получается за¬
крытый футляр.
ГЛАВА 15. РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ЭВФОТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ОТКРЫТОГО ОКЕАНА
213
35е
30е
ПО*
115*
40е
25 е
20*
40*
35*
30*
25*
20*
130*
125*
120*
115*
ПО*
Рис. 15.1. Основная сетка отбора проб по Калифорнийской кооперативной программе исследований океана и рыбных промыслов
(CALCOFI). Растения и животные, описанные в этой главе,— доминирующие формы, отобранные в районе станции 60.90 (обозначена ква¬
дратом).
214
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Рис. 15.2. Пять подразделений сообщества
растений и животных открытого океана,
обитающих в районе станции 60.90
CALCOFI, расставленные в порядке, соот¬
ветствующем пищевой цепи (сведено из раз¬
личных источников).
Примеры из Калифорнийского течения (рис. 15.3)
• Chaetoceros. На станции 60.90 обнаружен ряд видов из
рода Chaetoceros, все вместе они могут составлять до 40%
отдельных планктонных организмов в одном улове. Это
центрально-симметричные виды, образующие цепочки: пара
длинных тонких игл на конце каждого панциря при этом со¬
единяется с иглами соседних клеток. В холодных водах Ка¬
лифорнийского течения обычен вид Chaetoceros decipiens.
• Rhizosolenia. Осенью обычно встречаются виды Rhizoso¬
lenia robusta и R. styliformis. Они имеют удлиненные ракови¬
ны, сужающиеся к концам, что позволяет раковине вибриро¬
вать, когда она погружается вниз, и таким образом спуск за¬
медляется. Эти клетки тоже могут соединяться в цепочки.
Отдельные особи достигают довольно большой длины — бо¬
лее 100 мкм.
• Skeletonema . Имеет линзовидную раковину с параллель¬
ными иглами по краю, при помощи которых множество
клеток соединяется в прямые цепочки. Клетки мелкие, раз¬
мером около 10 мкм. В Калифорнийском течении обычно
встречается вид Skeletonema costatum; по-видимому, он
предпочитает воды лишь с умеренной концентрацией пита¬
тельных веществ, так что его массовое размножение может
приходиться на разные времена года в отличие от родов,
требующих большого количества пищи, таких как Chaeto¬
ceros.
• Asterionella. Этот род успешно конкурирует с родом Chae¬
toceros, так как обычно их обнаруживают вместе. Отдельные
особи, относящиеся к роду Asterionella, достигают размера
50 мкм и имеют асимметричные раковины, бугорчатые на од¬
ном конце. Члены вида A. japonica образуют пучки, соединяя
свои бугорчатые концы, как показано на рис. 15.3.
• Thalassionema. Относится к пеннатным диатомеям,
имеет раковину длиной около 40 мкм; раковины членов ви¬
да соединяются концами, образуя зигзагообразные цепочки.
ГЛАВА 15. РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ЭВФОТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ОТКРЫТОГО ОКЕАНА
215
(a) Rhizosolenia styliformis, дополнительно показаны тонкие концы
игл; (б) Chaetoceros decipiens; (в) Asterionella japonica ; (г) Skeleto-
пета costatum ; (d) Thalassionema nitzschiodes.
Puc. 15.3. Диатомеи в Калифорнийском течении.
216
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Целлюлозные
_ скелетные —
пластинки
Экваториальный
— желобок, “
поперечный жгутик
- Продольные -
желобок и жгутик
I 25 мкм I
(а) Микрофотография представителя вида Gonyaulax spinifercr,
(б) электронная микрофотография представителя рода Peridinium
[17]; (в) Gonyaulax catenella [22]; (г) Peridinium granii [9]; (д) элек¬
тронно-микроскопическая фотография представителя рода Сега-
tiunr, (е) Ceratium extensum [9].
Рис. 15.4. Динофлагелляты в Калифорнийском течении.
ГЛАВА 15. РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ЭВФОТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ОТКРЫТОГО ОКЕАНА
217
Динофлагелляты
Общая характеристика
• Динофлагелляты имеют два жгутика, обеспечивающие
их подвижность. Эти волосовидные выросты расположены
особым образом: один лежит в желобке, который окружает
тело, как экватор (рис. 15.4, Peridinium); его обычно пересе¬
кает другой желобок, содержащий второй, похожий на
хлыст, жгутик, который обеспечивает движение вперед.
• Стенка раковины, как правило, образована нескольки¬
ми целлюлозными пластинками, склеенными вместе. Из-за
того что целлюлоза после смерти клетки растворяется, ди¬
нофлагелляты не участвуют в формировании донных осад¬
ков. Пластинки, как и раковины диатомей, содержат мно¬
жество пор.
• Размеры особей колеблются от 25 до 500 мкм в зависи¬
мости от вида. Для них типичны шипы, как у рода
Peridinium; у многих видов есть и рога, и иглы, особенно у
видов рода Ceratium. Динофлагелляты в отличие от диато¬
мей не образуют цепочек.
• Размножаются динофлагелляты продольным делением
раковины. Каждая новая половинка клетки быстро наращи¬
вает пластинки, и в результате возникает новая раковинка.
• Иногда динофлагеллят относят к животным, так как
некоторые виды заглатывают мелкие частицы пищи, но
главной их функцией является фотосинтез, который проис¬
ходит в хлоропластах внутри клетки.
• Динофлагелляты процветают в теплых водах, где их
продукция может превышать продукцию диатомовых водо¬
рослей.
Примеры из Калифорнийского течения (рис. 15.4)
• Ceratium . Это, по-видимому, доминирующий род дино¬
флагеллят; встречается множество видов. Эти динофлагел¬
ляты предпочитают более теплые воды; вспышка их чис¬
ленности отмечается, когда поверхностный слой воды про¬
гревается летом или когда к Калифорнийскому течению
примешиваются более теплые воды Центрального кругово¬
рота. Широко распространен вид Ceratium extensum; его
очень длинные иглы могут достигать сотен микрон.
• Peridinium . Поскольку представители рода Peridinium
тоже предпочитают более теплые воды, их присутствие ука¬
зывает либо на то, что здесь нет апвеллинга, либо на при¬
мешивание к Калифорнийскому течению вод Центрального
круговорота. Размеры этих организмов около 50 мкм;
встречается много видов, чаще всего с одной иглой, направ¬
ленной вверх, и двумя, направленными вниз.
•Gonyaulax. Члены рода Gonyaulax, как правило, при¬
сутствуют лишь в незначительных количествах, и, следова¬
тельно, их вклад в общую продукцию невелик. Часто встре¬
чается вид Gonyaulax catenella.
Особые замечания. В отличие от диатомовых водорослей
многие динофлагелляты обладают сильной биолюминесцен¬
цией, особенно в тропических водах. Виды из рода Noctiluca
действительно испускают сияние. Если вы темной ночью за¬
черпнете ведро воды из залива тропического моря, то, веро¬
ятно, каждый раз, когда помешаете воду, будете видеть
мельчайшие вспышки света, сверкающие, как бриллианты.
В кильватере судна изумительно «играет» мерцающий свет.
При определенных условиях, пока еще полностью не из¬
вестных, у некоторых видов динофлагеллят наступает
«взрывной рост», или «цветение». Концентрации клеток
могут стать такими высокими — 7000 и более на 1 см3, —
что поверхность моря окрашивается; это явление «красных
приливов». Многие виды, с которыми это происходит, со¬
держат также токсины; Gonyaulax catenella — ядовитый
вид, обычный для Калифорнийского течения. Поскольку не¬
которые токсины смертельны для рыб-фильтраторов, пита¬
ющихся планктоном, в связи с «красными приливами» мо¬
жет происходить массовая гибель рыбы. Другие токсины
концентрируются в мясе беспозвоночных, таких как мидии
Mytilus californianus, не убивая их; однако человек, который
съест эту мидию, может тяжело заболеть.
Кокколитофоры и саргассовы водоросли
(рис. 15.5)
Общая характеристика
• Кокколитофоры. В Тихом океане их обнаружено не¬
много, однако в Северо-Атлантическом круговороте кокко¬
литофоры добавляют свой вклад к общей продукции. Это
мелкие, размером 10—15 мкм, растительные клетки. По¬
скольку большая часть отложений писчего мела образова¬
лась за счет кокколитофор, считают, что в прошедшие эпо¬
хи они могли играть более доминирующую роль. Они фор¬
мируют известковые раковины, склеивая их из очень мелких
дисков карбоната кальция, которые называются кокколита¬
ми.
• Саргассовы водоросли. Растения из рода Sargassum —
планктон Северной Атлантики — примечательны тем, что
напоминают бурые водоросли как по цвету, так и по разме¬
ру. Растение многоклеточное, с заполненными газом мелки¬
ми плавательными пузырьками, обеспечивающими плаву¬
честь. В областях, где ветры и течения вызывают схожде¬
ние поверхностных вод, эти морские водоросли иногда об¬
разуют целые ковры.
• Нанофитопланктон. Последние по списку, но отнюдь
не по значению — исключительно мелкие растения, называ¬
емые нанофитопланктоном. Размеры их могут быть даже
около 1 мкм. Плохо известно, какую роль играют эти рас¬
тения в открытом океане, особенно из-за того, что их так
трудно и собирать, и изучать in situ. Мы делаем вывод об
их существовании потому, что сальпы, слизистые фильтра-
торы (см. рис. 15.9), выпускают слизистую паутину с ячей¬
ками диаметром 1 мкм, а некоторые растительноядные жи¬
вотные сами имеют размеры всего около 10 мкм (например,
тинтинниды — рис. 15.6) и, следовательно, должны питать¬
ся гораздо более мелкими растениями.
Зоопланктон открытого океана
В широком смысле зоопланктон — это мелкие животные-
гетеротрофы. Они занимают второй трофический уровень,
и среди них обычно выделяют четыре категории: расти¬
тельноядные, хищники (плотоядные), голопланктон — жи¬
вотные, весь жизненный цикл которых проходит в планкто¬
не, и меропланктон — животные, которые проводят в
планктоне только часть жизненного цикла. Одно животное
может относиться к трем из этих четырех категорий: на¬
пример, сельдь на стадии личинки сначала будет питаться
водорослями, затем поедать более крупные организмы, в
том числе растительноядные, но все еще останется планк¬
тонным организмом, пока не вырастет достаточно для то¬
го, чтобы плыть против течения, и тогда она войдет в кате¬
горию нектона.
218
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
(а) Электронная микрофотография особи Umbilicosphaera sibogae\ (б) силикофлагеллята Distephanus.
Рис. 15.5. Кокколитофора и силикофлагеллята из Калифорнийского течения.
Голопланктон и меропланктон
• К голопланктону относятся многие виды рако¬
образных: копеподы, мизиды, эвфаузииды, пелагические ки¬
шечнополостные (кроме связанных с поверхностью) и неко¬
торые черви и моллюски.
• Сам по себе размер организмов не позволяет провести
различие между голопланктоном и меропланктоном. На¬
пример, некоторые медузы могут достигать 2 м в диамет¬
ре, но все еще не обладать способностью плыть против те¬
чения, хотя они могут двигаться — и действительно двига¬
ются — в вертикальном направлении.
• Преимуществ меропланктонной стадии в жизненном
цикле животного много: а) родителям не нужно «присмат¬
ривать» за потомством; б) малые размеры помогают виду
рассеяться на новую территорию, так как икра и личинки
разносятся течением; в) в эвфотической зоне всегда имеется
пища как «нужного размера», так и в достаточном коли¬
честве, и г) наличие огромного числа личинок, которые,
кроме того, служат предметом поедания, увеличивает раз¬
нообразие пищевых сетей и в значительной степени спо¬
собствует стабилизации экосистемы.
• Недостатки меропланктонной стадии для отдельного
вида таковы: а) сами личинки представляют собой основные
«запасы» пищи в эвфотической зоне, так что б) чтобы вы¬
жить, вид должен производить огромное количество икры.
Простейшие в зоопланктоне
Калифорнийского течения
Следующими организмами, которые мы изучали в районе
действия программы CALCOFI, были простейшие. Это од¬
ноклеточные животные, очень мелкие — от 100 мкм
(0,1 мм) до тысяч микрон (несколько миллиметров). Про¬
стейшие делятся на три группы: фораминиферы, радиоля¬
рии и тинтинниды.
Фораминиферы
Общая характеристика
• Фораминиферы выделяют известковые раковины. По¬
сле смерти животных раковины быстро погружаются на
дно, приводя к формированию известковых осадков на
больших площадях; на рис. 3.10 показано, что осадки этого
типа покрывают ббльшую часть дна океанических бассей¬
нов. Широко распространены виды из рода Globigerina.
• Через многочисленные поры в раковинах животные вы¬
деляют протоплазму (псевдоподии), для того чтобы захва¬
тывать бактерии или другие частицы пищи. Размер
фораминифер — несколько миллиметров.
• Хотя число пелагических видов достигает всего не¬
скольких сотен, они встречаются повсюду, но делятся на
тепловодные и холодноводные виды. Благодаря тому что
раковины фораминифер обычно становятся постоянными
частями осадочных слоев, палеонтологи, анализируя керны
осадков, могут а) воссоздавать условия, существовавшие в
эвфотической зоне древних морей, и б) определять возраст
осадочных отложений по содержанию изотопа углерода 14С
в известковых раковинах.
• Фиксируя карбонат кальция (СаСО3) в раковинах и
осадках, эти животные обеспечивают быстрый переход из¬
лишков углекислого газа (СО2) из атмосферы в океаны.
ГЛАВА 15. РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ЭВФОТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ОТКРЫТОГО ОКЕАНА
219
Иглы
(а)
(а) Радиолярия Acanthastaurus purpurascens [18]; (6) фораминифера Globigerina bulloides [5]; (в) тинтиннида Tintinnus fraknoii [19]; (г) про¬
дольный разрез тинтинниды Stenosemella ventricosa [8].
Рис. 15.6. Простейшие в Калифорнийском течении.
220
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Примеры из Калифорнийского течения (рис. 15.6)
• Globigerina bulloides.
• Globoquadrina pachyderma.
Радиолярии
Общая характеристика
• Обычно радиолярии имеют такие же размеры, как фо-
раминиферы, т. е. несколько миллиметров.
Животные строят внутренний скелет, как правило, сфе¬
рической формы из кремнезема (SiO2), отсюда название «ра¬
диолярия» (лат. radiolus — лучик. — Перев.); кроме того,
скелет очень пористый.
• Поскольку радиолярии обычно обитают в прохладных
водах, кремнистые осадки, образованные скелетами этих
животных, часто находят в областях апвеллинга, таких, как
экваториальный апвеллинг в Тихом океане (см. рис. 5.11).
• Питаются они, как и фораминиферы, захватывая бакте¬
рии и частицы пищи. Кремнеземный скелет часто несет
многочисленные иглы, вдоль которых животное выделяет
похожую на слизь протоплазму (псевдоподии), чтобы «пой¬
мать» частицы пищи.
Примеры из Калифорнийского течения (рис. 15.6)
• Stylatractus spp.
• Acanthastaurus spp.
Тинтинниды (рис. 15.6)
• Тинтинниды — очень мелкие животные размерами от
10 до 50 мкм. У большинства вокруг ротового отверстия
имеется каемка из ресничек — эти волосоподобные выро¬
сты обеспечивают животному как подвижность, так и меха¬
низм захвата пищи. У тинтиннид обычно развивается тон¬
кая кремнеземная раковина, но вообще они еще плохо изуче¬
ны.
• Репродуктивный период мелких тинтиннид может
быть коротким, всего 1 сут, благодаря чему они способны
быстро распространяться и поглощать весь избыток про¬
дукции, образующийся в период максимума фитопланктона.
Зоопланктон в Калифорнийском течении
Переходя теперь к следующей по размерам группе живот¬
ных — зоопланктону (рис. 15.2), мы обнаруживаем, что в
сообществе организмов Калифорнийского течения домини¬
рует лишь несколько видов. Первые три вида на рис. 15.2
составляют в совокупности до 50% всех особей, взятых на
этой станции наблюдений. Из 74 видов, которые удалось
определить, 22 вида дают до 90% особей, 14 видов из
них — копеподы (70% от общего числа особей), 3 вида —
эвфаузииды (9%), 3 — хетогнаты (7%) и 2 — моллюски
(4%).
И копеподы, и эвфаузииды относятся к типу членистоно¬
гих, классу ракообразных. Лучше других из класса рако¬
образных известны омары, крабы и креветки, но эти весьма
съедобные животные обитают у берега и не обнаружены в
открытом океане. Эвфаузииды часто образуют массы под
названием криль, однако здесь доминируют мелкие копепо¬
ды из ракообразных. Большинство видов, перечисленных на
рис. 15.2 в подразделении «Зоопланктон», — растительно¬
ядные, но некоторые — прожорливые хищники, особенно
морские стрелки из класса хетогнат.
Копеподы
Общая характеристика
• Копеподы — важнейшая группа зоопланктона.
• Взрослые особи достигают размеров 1—4 мм. Расти¬
тельноядные копеподы имеют видоизмененные отростки, с
помощью которых они отфильтровывают более мелкие
клетки фитопланктона (рис. 13.1).
• В жизненном цикле копепод много стадий: до 6 стадий
личинки науплиуса, за которыми следует еще 6 стадий копе-
подита (молодых неполовозрелых особей). Будучи рако¬
образными, копеподы имеют хитиновый наружный скелет,
который они сбрасывают при переходе к каждой следующей
стадии жизненного цикла.
• Поскольку размеры копепод от стадии к стадии посте¬
пенно увеличиваются, а особей так много, всегда находится
подходящего размера едок для растительных клеток любой
величины, характеризующихся максимумом продукции в не¬
который момент времени.
Примеры из Калифорнийского течения (рис. 15.7)
• Eucalanus bungii californicus (похожи на Е. elongatus).
•Metridia pacifica.
Эвфаузииды
Общая характеристика
• Эвфаузииды — растительноядные животные, их меха¬
низм фильтрации показан на рис. 20.11.
• Эвфаузииды из тропических и умеренных вод достига¬
ют в длину 1—2 см и часто люминесцируют.
• Это важные морские животные, занимающие второе
место после копепод по обилию особей.
• Занимая второе место по обилию особей, эвфаузииды
крупнее копепод и, следовательно, могут занимать первое
место по биомассе. По одной из оценок биомассы в верхнем
километровом слое вод Тихого океана на первом месте сто¬
ят эвфаузииды — 35—50% биомассы пелагических живот¬
ных; на долю рыб приходится 20—45%, креветок —
15—25%.
• Большая биомасса и то, что эвфаузииды, как правило,
образуют крупные скопления, делает экономически выгод¬
ной их непосредственную добычу. Япония добывает вид
Euphausia pacifica как питание для аквакультур, а калифор¬
нийские рыбаки ловят и продают их как корм для аквариум¬
ных рыбок.
• Эвфаузииды открытого океана мигрируют в вертикаль¬
ном направлении в течение суток, ночью подходя к поверх¬
ности для питания, а днем возвращаясь на глубину около
400 м. (См. также описание глубинного звукорассеивающего
слоя на рис. 2.2.)
Примеры из Калифорнийского течения (рис. 15.7)
• Thysanoessa gregaria — один из многих известных в Ти¬
хом океане видов эвфаузиид, примечательный острым ши¬
пом, выдающимся вперед от панциря.
• Nematoscelis difficilis.
•Euphausia pacifica — космополитный вид, встречаю¬
щийся по всему Тихому океану.
ГЛАВА 15. РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ЭВФОТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ОТКРЫТОГО ОКЕАНА
221
, (а)
ft
(а) Копепода из подотряда каланид и стадии ее жизненного цикла:
личинка-науплиус — копеподит — взрослая особь (из работы [10]).
(б) Сравнение щетинок на используемой в процессе питания мак-
силле копеподы из подотряда каланид и частиц пищи трех разме¬
ров: 5, 25 и 70 мкм — размер одноклеточной диатомеи Chaetoceros
decipiens [9]. (в) Эвфаузиида Thysanoessa gregaria [6].
Рис. 15.7. Ракообразные в зоопланктоне Калифорнийского течения.
222
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Движение крылышек птероподы,
похожее на взмахи крыльев бабочки,
служит для того, чтобы она оставалась на плаву
(г)
2 мм
(я) Раковина птероподы Limacina inf lata [14]. (б) Limacina retro-
versa : в подгоняемом ресничками потоке в процессе питания части¬
цы захватываются слизью и собираются в «нитку», которая затем
проходит в рот (по Мортону [16], с изменениями), (в) Плаватель¬
ное движение птероподы из рода Limacina (по Мортону [16], с из¬
менениями). (г) Хетогната Sagitta bierii [1].
Рис. 15.8. Зоопланктон в Калифорнийском течении.
ГЛАВА 15. РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ЭВФОТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ОТКРЫТОГО ОКЕАНА
223
Хетогнаты
Общая характеристика
• Хетогнаты, обычно называемые морскими стрелками,
имеют прозрачное тело длиной 2—5 см.
• Они питаются в основном копеподами и другим более
мелким зоопланктоном. Шиповидные выросты вокруг рта
(щетинки) используются для захвата добычи. Они быстро
движутся и охотятся за отдельными жертвами. В свою оче¬
редь хетогнаты — обычная пища медуз. После эвфаузиид
они могут иметь самую большую биомассу среди планктон¬
ных животных.
Примеры из Калифорнийского течения (рис. 15.8)
•Sagitta bierii.
• Sagitta euneritica.
• Sagitta scrippsae.
Птероподы
Общая характеристика
• Птероподы принадлежат к типу моллюсков, который
состоит из мягкотелых беспозвоночных животных. Лишь
несколько видов птеропод весь свой жизненный цикл прово¬
дят в планктоне. Размеры колеблются от 3 до 5 мм
(3000—5000 мкм). Большинство видов — фильтраторы.
• В полярных водах птероподы рода Clione служат ос¬
новным источником пищи для настоящих китов.
В умеренных водах обычно встречается род Limacina
(рис. 15.8). Животные движутся, взмахивая парой похожих
на длинные уши крыльев, которые на самом деле представ¬
ляют собой видоизмененные половинки ноги гастропод;
обычно такая нога бывает у улиток. Когда птероподам гро¬
зит опасность, они втягивают крылья и быстро погружают¬
ся, а это означает, что они расходуют много энергии на
плавание только для того, чтобы оставаться в эвфотической
зоне.
• У рода Limacina развился сложный процесс питания.
Вода поступает в полость внутри раковины и движется
сквозь покрытые слизью стенки полости; реснички прокачи¬
вают воду, в то же самое время строя «нитку» из частиц
пищи, затем «нитка» проходит из раковины через горлови¬
ну в ротовое отверстие (рис. 15.8).
Пример из Калифорнийского течения (рис. 15.8)
•Limacina inflata — фильтратор.
Сальпы (Thaliacea)
Общая характеристика
• Сальпы имеют относительно крупные размеры, от 0,5
до 10 см, и плохо плавают; большинство их использует спо¬
собность двигаться просто для того, чтобы проталкивать
морскую воду сквозь свое полое тело, где частицы извлека¬
ются из воды с помощью слизистой «паутины».
• Сальпы могут размножаться, отпочковывая новые осо¬
би. В водах Калифорнийского течения нередко обнаружива¬
ют пять сальп на кубометр воды, иногда их плотность до¬
стигает 500 на 1 м3 — очень высокая концентрация фильтру¬
ющих организмов.
Пример из Калифорнийского течения (рис. 15.9)
• Thalia democratica.
Микронектон в Калифорнийском течении.
Теперь перейдем к более крупным животным, обнару¬
женным в Калифорнийском течении — группе микронекто¬
на, выделенной на рис. 15.2. Среди микронектона наиболее
известны кальмары, крупные медузы, креветки и мигрирую¬
щие в вертикальном направлении светящиеся анчоусы.
Головоногие моллюски (кальмары)
Общая характеристика
• Кальмары относятся к типу моллюсков, но нога каль¬
мара в процессе эволюции превратилась в серию из восьми
коротких щупалец и двух рук. Две руки используются для
того, чтобы почувствовать жертву и совершить первый за¬
хват; когда жертва оказывается в пределах досягаемости ко¬
ротких щупалец, они захватывают ее и отправляют ко рту
снабженному клювом.
• Клювы кальмаров обладают способностью впрыски¬
вать яд в тело жертвы, вследствие чего она не может со¬
противляться.
• Достигая в длину примерно 10 см, кальмары, оби¬
тающие в Калифорнийском течении, являются важными
членами микронектона. Двигаются они быстро, выбрасывая
струи воды. У них нет скелета, но полужесткий внутренний
стержень придает телу животного твердость.
• В целом кальмары представляют собой относительно
неиспользованные пищевые ресурсы для человека. Пробле¬
ма в том, что их трудно поймать, поскольку они могут об¬
ходить расставленные сети и не заглатывать крючки. Одна¬
ко ночью их, как правило, привлекают огни на поверхности,
где рыбаки могут приманить их (заманить в ловушку).
Примеры из Калифорнийского течения (рис. 15.9)
• Abraliopsis felis.
• Loligo opalescens — вид, имеющий промысловое значе¬
ние.
Книдарии (прежде называвшиеся кишечнополостны¬
ми)
Общая характеристика
• К типу книдарий относится целый ряд весьма интерес¬
ных организмов, в том числе актинии и кораллы (и те и
другие описаны в гл. 16), истинные медузы и нейстон, или
«моряк по воле ветра».
• Почти все представители этого типа отличаются тем,
что применяют стрекательные клетки, называемые немато¬
цистами, чтобы захватить и парализовать поедаемых жи¬
вотных.
• Стрекательные клетки могут быть разного сорта. Одни
заключают в себе свернутые спиралью белковые нити, внут¬
ри которых содержится сильный яд. Возбуждаясь под дей¬
ствием внешнего раздражителя, клетка выбрасывает нить,
которая вводит яд в поедаемое животное. Иглы и шипы на
белковой нити помогают удержать жертву, как только со¬
прикосновение произошло (рис. 15.10,в). Другие стрекатель¬
ные клетки действуют подобно тончайшим иглам для под¬
кожных инъекций, причем инъекцию вызывает внутрикле¬
точное давление.
224
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
(а) Сальпа Thalia democratica — одиночное животное; показаны мышечные обручи и течение воды сквозь животное [4]. (б) Кальмар Loligo
opalescens.
Рис. 15.9. Сальпы и головоногие моллюски в Калифорнийском течении.
ГЛАВА 15. РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ЭВФОТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ОТКРЫТОГО ОКЕАНА
225
(a) Physalia physalia — португальский кораблик; показаны плава-
тельный пузырь и щупальца с нематоцистами, которые представ¬
ляют собой стрекательные клетки, (б) Velella velella, «моряк по во¬
ле ветра», (в) Нематоцист до и после действия [21]. (г) Небольшая
дрейфующая медуза Rhopalonema velatum [13]. (д) Другая неболь¬
шая медуза Liriope tetraphyНа [13].
Рис. 15.10. Книдарии в Калифорнийском течении и их характеристики.
226
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
• Процесс размножения вообще имеет две стадии, при
этом образуются тела двух типов: свободноплавающие ме¬
дузы (рис. 15.10, г) чередуются с прикрепленными форма¬
ми — полипами. У некоторых медуз нет чередования поко¬
лений, т. е. у них отсутствует стадия полипов. У кораллов,
однако, справедливо противоположное: полипы воспроизво¬
дят полипы.
• Сцифомедуз (класс сцифоидных) обычно относят к
зоопланктону из-за их ограниченной способности двигаться,
хотя это крупное животное — некоторые виды достигают
2 м в диаметре, а их щупальца могут свободно свисать на
30 м и больше. Тело медузы состоит в основном из желати¬
ноподобного вещества, называемого мезоглеей. Медузы
плавают, то расширяя, то сжимая свое тело, имеющее фор¬
му колокола.
• Сифонофоры — своеобразная группа животных, кото¬
рые тоже используют для захвата жертвы щупальца, по¬
крытые стрекательными клетками. Заслуживают внимания
два рода: крупный — португальский кораблик (Physalia) и
более мелкий — парусник (Velella). Оба они поддерживают
свое тело прямо на поверхности воды при помощи плава¬
тельного пузыря, и оба расправляют свои «паруса» над по¬
верхностью моря, так что ветер быстро несет их по воде.
Таким образом, их свободно свисающие щупальца пропуска¬
ют гораздо больший объем воды, чем щупальца полностью
погруженных в воду медуз. Эти животные буквально «боро¬
нят» море, чтобы добыть пищу.
Примеры из Калифорнийского течения (рис. 15.10)
•Liriope tetraphylla — довольно мелкое животное, всего
несколько сантиметров в диаметре. Исследователи обнару¬
жили четкую обратную зависимость между количеством
этих медуз и количеством присутствующих личинок анчоус¬
ных рыб, откуда можно сделать вывод, что медуза
L. tetraphylla — жестокий хищник для анчоусных [1].
(в)
(а) Сайра Cololabis saira и (б) северная светящаяся рыба Ste-
nobrachius leucopsarus [11]. (в) Креветка из рода Sergestes.
Рис. 15.11. Нектон в Калифорнийском течении.
ГЛАВА 15. РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ЭВФОТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ОТКРЫТОГО ОКЕАНА
227
• В сообществе организмов, установленном исследовани¬
ями по программе CALCOFI, присутствует также
Rhopalonema velatum. Эта медуза мельче и, вероятно, не
так активно поедает личинки рыб.
Миктофиды (светящиеся анчоусы)
Общая характеристика
• Светящиеся анчоусы обнаружены во всех океанах зем¬
ного шара, включая зону исследований по программе
CALCOFI. Вместе с другой мелкой рыбой, сайрой, они об¬
разуют очень важное звено между зоопланктоном и плото¬
ядными более высокого трофического уровня (см.
рис. 15.12). Большинство видов имеет в длину примерно
10 см.
• Светящиеся анчоусы мигрируют по вертикали, следуя
суточной миграции копепод и эвфаузиид. Наполненные га¬
зом плавательные пузыри светящихся анчоусов рассеивают
направленные звуковые сигналы. Стаи миктофид образуют
глубинные звукорассеивающие слои (рис. 2.2) — суточные
вертикальные миграции этих слоев являются предметом ис¬
следования.
• Как мы знаем, миктофиды были названы «светящими¬
ся» анчоусами за их бросающиеся в глаза ряды биолюми-
несцентных органов вдоль брюшной стороны тела. Каждо¬
му виду свойственны особое расположение органов свечения
или же собственная схема включения этих органов (см. так¬
же описание У. Биба в гл. 14).
• В сообществе организмов Калифорнийского течения ли¬
чинки миктофид по количеству превосходят личинки всех
других рыб, вместе взятых. Это важнейшие виды в пище¬
вых цепях.
Примеры из Калифорнийского течения (рис. 15.11)
• Triphoturus mexicanus.
• Stenobrachius leucopsarus.
Сайра
Общая характеристика
В отличие от светящихся анчоусов сайра не мигрирует в
вертикальном направлении.
• Питается сайра крупными копеподами, амфиподами,
эвфаузиидами и личинками других рыб и, таким образом,
служит связующим звеном между зоопланктоном и плото¬
ядными более высокого трофического уровня (рис. 15.12).
Пример из Калифорнийского течения (рис. 15.11)
• Вид Cololabis saira обычно называют тихоокеанской
сайрой.
Креветки
Общая характеристика
• Принято считать, что креветки живут в прибрежных
зонах или эстуариях и что питаются они падалью на мелко¬
водье, но некоторые виды обитают в открытом океане. В
Калифорнийском течении встречаются пелагические плото¬
ядные креветки вида Sergestes similis. Достигая в длину при¬
мерно 2 см, они поедают все, что могут поймать, — чаще
всего личинки многих видов рыб, обитающие в этих водах.
В свою очередь креветки являются излюбленной пищей для
кальмаров вида Loligo opalescens.
Крупный нектон в Калифорнийском течении
На рис. 15.12 показаны главные типы крупного нектона,
встречающиеся в системе Калифорнийского течения. Неко¬
торые из них представляют собой важные объекты промыс¬
ла. Например, тунцы уже давно являются объектом спор¬
тивного лова, но из рис. 3.4,6 мы знаем, что области пита¬
ния тунцов простираются к северу только приблизительно
до Сан-Диего (шт. Калифорния). Лишь в те годы, когда яв¬
ление Эль-Ниньо перемещает теплые воды дальше к северу,
тунцы следуют за ними до широты Центральной Калифор¬
нии. С другой стороны, лососевые — это субарктические
виды, и сначала они были распространены в калифорний¬
ских водах до залива Сан-Франциско. Рыбы с вытянутыми
челюстями, такие, как марлины, — это тепловодные виды,
и встречаются они только на южной периферии Калифор¬
нийского течения. Киты, особенно серые киты, мигрируют
вдоль всего Тихоокеанского побережья Северной Америки
от Калифорнийского залива до Берингова моря.
Этот крупный нектон представляет собой существенную
часть всей экосистемы Калифорнийского течения. За многи¬
ми видами охотятся спортсмены, особенно за макрелещука¬
ми, лососями, скорпеновыми рыбами и акулами. Но основ¬
ное промысловое значение в рыболовстве в районе Кали¬
форнийского течения принадлежит нескольким особым ви¬
дам.
Рис. 15.12. Некоторые известные животные, питающиеся светящимися анчоусами и сайрой в системе Калифорнийского течения.
228
ЧАСТЬ V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА
Современный уголок Кэннери-Роу,
г. Монтерей, шт. Калифорния.
Промысловое значение сообществ
восточных окраин океанов
Теперь, когда мы рассмотрели примеры растений и живот¬
ных северо-восточной части Тихого океана, уместно задать
вопрос: «Насколько типична система Калифорнийского те¬
чения для Мирового океана?» Ответ таков: на уровне важ¬
нейших промысловых видов сообщество организмов Кали¬
форнийского течения очень похоже на все другие крупные
сообщества в зоне течений на восточных окраинах океанов.
На рис. 15.13 показано, что в сообществах Перуанского те¬
чения (южная часть Тихого океана), Канарского течения
(Северная Атлантика) и Бенгельского течения (Южная Ат¬
лантика) преобладают те же промысловые рыбы.
Однако важно отметить, что виды, перечисленные на
рис. 15.13, не обязательно приведены в порядке доминиро-
60°
0°
60°
120°
180° 120°
60°
Sardinops sagax
Trachurus symmetricus
Merluccius productus
Scomber japonicus
Sarda chiliensis
Sardinops sagax
Trachurus symmetricus
Merluccius gayi
Scomber japonicus
Sarda chiliensis
Sardinia pilchardus
Trachurus trachurus
Merluccius merluccius
Scomber japonicus
Sarda sarda
Sardinops ocellatus
Trachurus trachurus
Merluccius capensis
Scomber japonicus
Sarda sarda
Puc. 15.13. Основные про¬
мысловые виды рыб, ха¬
рактерные для каждого из
крупных течений на вос¬
точных окраинах всех оке¬
анов Земли. Engraulis
spp.— анчоусы, Sardina
spp.— сардины, Trachurus
spp.— ставридовые, Mer¬
luccius spp.— хек, Scomber
spp. — скумбрия и Sarda
spp.— пеламиды [2].
ГЛАВА 15. РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ЭВФОТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ОТКРЫТОГО ОКЕАНА
229
вания. Несомненно, во времена Стейнбека и Кэннери-Роу
преобладали сардины, но с 1950 г. доминирующее положе¬
ние заняли анчоусные. В сообществе Перуанского течения
после резкого упадка улова анчоусных в 1972 г. на севере до¬
минирующими видами стали макрелевые, на юге — сарди¬
ны.
Заключение
Когда читатель рассмотрит все рисунки в этой главе, у него
может возникнуть впечатление, что сообщество морских ор¬
ганизмов, обитающее в Калифорнийском течении, хорошо
изучено. Это впечатление было бы неправильным. На са¬
мом деле даже теперь, после более чем тридцатилетнего си¬
стематического отбора и анализа проб группами исследова¬
телей, работающих по программе CALCOFI, несмотря на
то, что это сообщество морских организмов наиболее полно
представлено образцами из всех сообществ, обитающих в
глубоких водах открытого океана, мы имеем лишь общее
представление о том, как оно функционирует. (Сообщество
организмов Северного моря изучали и производили в нем
отлов гораздо дольше, но это мелкое море между Англией
и Европейским континентом.) Например, невозможно на
рис. 15.2 перечислить в порядке доминирования фитопланк¬
тон с той же степенью полноты, как перечислен зоопланктон.
Задача обработки под микроскопом образцов, взятых из об¬
ширного океана, безгранична. Вместо этого биологи прибе¬
гают к количественной оценке хлорофилла и других пигмен¬
тов, которые представляют собой часть процесса фотосин¬
теза; эта переменная величина — хорошая мера общей пер¬
вичной продукции, но она почти ничего не говорит о дея¬
тельности одного вида растений.
Тем не менее на приведенных в этой главе рисунках точ¬
но зафиксированы многие характерные особенности видов,
которые обитают на различных трофических уровнях: как
они остаются на плаву, как перемещаются с места на место,
как захватывают жертву или фильтруют морскую воду,
чтобы отделить частицы пищи, и как человеческое сообще¬
ство влияет на природную систему. Пусть читатели прочтут
многочисленные книги по этим вопросам, которые были
опубликованы (и, если можете, начните с «Консервного ря¬
да» или «Моря Кортеса», так чтобы сначала вы это «про¬
чувствовали»).
Однако существует еще один способ наглядно подвести
итог этого рассмотрения сообщества организмов, обитаю¬
щих в Калифорнийском течении. Выбранные виды растений
и животных можно поместить на одну схему с соблюдением
их относительных размеров. На рис. 2.3 это уже сделано. В
верхней части показаны главные участники пищевой сети
Калифорнийского течения в правильном масштабе, начиная
со светящихся анчоусов. Сложность заключается в том, что
другой край пищевой сети виден только как серия мельчай¬
ших пятнышек. Вставка в виде круга — увеличение области
вокруг копеподы в 25 раз; в нем же видна диатомея из рода
Chaetoceros (растение), гораздо более мелкие плотоядные (и
всеядные) тинтинниды и снова маленькое пятнышко для не¬
известного нанопланктонного организма. Удивителен этот
морской мир — как он может быть точно «соразмерен» и
так изящно «организован», чтобы давать обильный «уро¬
жай» в северо-восточной части Тихого океана.
Контрольные вопросы
1. Тенденция многих видов диатомей, соединяясь вместе,
образовывать цепочки, является основой для термина пище¬
вая цепь. Верно ли это?
2. Соединение фитопланктона в цепочки представляет со¬
бой поведение, характерное для большинства зон апвеллин¬
га. Правильно ли это?
3. Образующие цепочки диатомеи — одна из причин то¬
го, что сельдевые, например сельди, менхедены и анчоусы,
могут пропускать один трофический уровень и питаться не¬
посредственно растениями. Так ли это?
4. Если основная добыча анчоусных рыб происходит в
районах поднимающихся вверх холодных вод, то это из-за
обилия и подходящих размеров пищи, а не из-за того, что
вода холодная. Не так ли?
5. Причина того, что мы не обнаруживаем осадки, об¬
разованные раковинами динофлагеллят, заключается в том,
что вещество раковин быстро растворяется после смерти
растений. Верно ли это?
6. Виды, относящиеся к роду Gonyaulax, — источник
токсинов, обнаруженных в красных приливах. Правильно ли
это?
7. Тинтинниды представляют собой проблему для био¬
логов, поскольку они так малы (10 мкм), что мы не знаем,
чем они питаются. Правда ли это?
8. Фораминиферы, как и радиолярии, выделяют прото¬
плазму из отверстий своих пористых раковин, чтобы захва¬
тывать частицы, которые затем проходят сквозь эти отвер¬
стия и усваиваются внутри животного. Так или нет?
9. Фораминиферы, как и радиолярии, размножаются по¬
средством яиц. Верно ли это?
10. Ракообразные, например копеподы, могут линять до
10 раз, превращаясь из яйца в молодую взрослую особь.
Правильно ли это?
И. В Калифорнийском течении большинство отдельных
особей в зоопланктоне — копеподы. Так это или нет?
12. С точки зрения развития способов оставаться на пла¬
ву птероподы, возможно, самые причудливые организмы,
использующие два выроста как пару крыльев. Верно ли это?
13. Захватывающие шипы эвфаузиид используются для
того, чтобы поймать отдельную жертву. Правильно это
или нет?
14. Сальпы питаются, сначала оглушая жертву с по¬
мощью своих ядовитых стрекательных клеток. Так ли
это?
15. Кальмар удерживает свою жертву двумя щупальца¬
ми, пока не укусит ее и не введет парализующий яд. Так ли
это?
16. Нейстон — это тип медуз, обнаруженный только в
заболоченных лагунах шт. Техас. Верно ли это?
17. Рассмотрите кратко физические, химические, геологи¬
ческие или метеорологические условия, которыми можно
объяснить, почему в зонах восточных окраин крупных океа¬
нических бассейнов обитают столь сходные группы промыс¬
ловых видов рыб.
18. Порассуждайте вкратце на тему о том, что мы до
сих пор не знаем истинного состава сообщества организмов,
обитающих в Калифорнийском течении.
Часть VI
ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
Специальное изучение разнообразных природных условий прибрежной области от коралловых рифов до эсту¬
ариев
ГЛАВА 16
МОРСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ
ОТКРЫТЫХ БЕРЕГОВ
Как морские формы жизни достигают равновесия между приспо¬
соблением к природным условиям и своими биологическими по¬
требностями?
Растения и животные прибрежных зон были известны лю¬
дям уже более миллиона лет назад, когда наши далекие
предки бродили по берегам древних озер Африки; потреб¬
ность познавать окружающую природу вызывалась необхо¬
димостью добывать себе пищу для выживания. Сегодня нас
тоже тянет на берега морей и озер, но теперь уже для от¬
дыха и развлечений.
Для большинства из нас морское прибрежное сообщест¬
во — единственная часть морской живой природы, которую
можно наблюдать вблизи. И, поскольку возможность тако¬
го наблюдения связана, в частности, с чередованием прили¬
вов и отливов, а также с волнами, наблюдатель быстро за¬
мечает, что в морском сообществе существует некоторая
«организация». В зависимости от того, на какой берег мы
выходим — к скалистым ли утесам, на песчаный пляж или
на илистую отмель, — мы видим, что организмы каждой
области весьма различны. Внимательно изучить, как и поче¬
му возникли различные формы сообществ, — одно из са¬
мых увлекательных занятий для океанолога-любителя.
Сначала мы направимся на скалистые берега. Здесь зо¬
ны, занимаемые разными растениями и животными, легко
различимы, и легче всего объяснить, какие силы и условия
способствовали формированию этой зональности. Затем мы
исследуем песчаные пляжи, хотя и не так подробно. В по¬
следнем разделе затронем особые условия в области тропи¬
ческих коралловых рифов. Не менее интересные вопросы,
касающиеся морских форм жизни в тихих водах эстуариев в
затопляемых во время приливов маршей, мы оставляем для
других курсов.
Скалистые берега: факторы, определяющие
размещение организмов
Предположим, что вы гуляете вдоль скалистого берега во
время отлива и видите, что различные организмы появля¬
ются отдельными полосами на разной высоте над уровнем
воды. Как вы думаете, какие факторы могли бы оказать
наибольшее влияние на образование такой зональности? Ко¬
нечно, одним из важных факторов должно быть периодиче¬
ское поднятие и опускание поверхности моря. Большое вли¬
яние оказывают, вероятно, крутизна и высота каменистых
склонов, а также то, куда обращены скалистые уступы —
на север или на юг, к морю или в сторону суши, освещаются
ли они солнцем или находятся в тени. Еще один физический
фактор — разрушающая работа волн. Оказывает свое воз¬
действие и изрезанность скалистого берега, образующего
тихие бухты и бухточки самого разного размера. Все это —
физические факторы, влияющие на природную обстановку.
Морской эколог знает, что свое действие оказывают и
другие факторы, — хотя и невидимые, но столь же важные,
как и физические условия. Это биологический пресс, влияю¬
щий на каждый вид организмов. Возможно, самый главный
и постоянно действующий пресс — это борьба каждого от¬
дельного растения или животного за свое собственное место
на скалах. Столь же важен непосредственный пресс поеда¬
ния одного вида другим; самый высокий уровень (от по¬
верхности воды), на котором может действовать хищник,
определяет нижнюю границу зоны, в которой могут выжи¬
вать поедаемые виды (жертвы). Температура воды в бух¬
тах, становящихся при отливе изолированными лужами, по¬
вышается в случае прямого попадания солнечных лучей
сильнее, чем в лужах, защищенных от солнца. Дождевая во¬
да разбавляет соленую морскую воду в луже, тогда как ис¬
парение вызывает повышение солености. В обоих случаях
биологический пресс обусловлен быстрым изменением са¬
мой природной обстановки.
Влияние всех этих факторов суммируется некоторым на¬
бором общих правил зонального распределения видов в
приливно-отливной полосе скалистого берега.
1. Верхняя граница зоны, занятой теми или иными орга¬
низмами, определяется физическими условиями вне воды,
поеданием наземными животными или действием обоих
этих факторов.
2. Нижняя граница определяется тем, насколько терпим
к осушению океанский хищник, питающийся организмами
данного вида; сами эти организмы могут жить и воспроиз¬
водиться на более низких уровнях, но поедание морскими
животными поднимает нижнюю границу распространения
вида-жертвы.
3. Концентрация особей в пределах зоны определяется
либо межвидовым соперничеством, либо симбиотической
ассоциацией различных видов.
Обнажение во время отливов
Бдльшая часть открытых берегов подвержена действию
приливов и отливов, представляющих собой сочетание су¬
точных п полусуточных составляющих. На рис. 16.1 показа-
232
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
I
I
Супралитораль I
Нижняя
литораль
Средняя
литораль
Верхняя
литораль
Один приливный цикл, ч
Организмы
покрываются
водой
на короткое
время,
один раз
за цикл
Организмы
покрываются
водой
и обнажаются
из-под воды
дважды
в каждом
цикле
(Нулевой I О
уровень) |
Сублитораль |
(а)
Организмы
изредка
увлажняются
набегающими
волнами
и брызгами
Синезеленые
водоросли
Литторины
(Littorina)
Наземные хищники
чайки, человек,
Грибы,
Морские блюдечки
еноты и др.
лишайники
(Астаеа)
Бурые водоросли:
фукусы (Fucus),
’’Щетки для ногтей”
(Endocladia)
Морские желуди (Balanus)
Хищные улитки (Thais)
Мидии (Mytilus)
(немного)
Красные водоросли :
ирландский мох
(Gigartina),
порфира (Porphyra)
Организмы
обнажаются
из-под воды
на короткое
время,
один раз
,за цикл
Морская капуста
(крупные водоросли):
ламинария (Laminaria),
алария (Alaria)
Морские травы
(Phyllo spadix)
Многие красные водоросли
Морская капуста
(крупные водоросли):
ламинария,
’’каланья капуста”
(Nereocystis)
(б)
Актинии (Anthopleura)
Морские звезды
(несколько видов)
Мидии (Mytilus) J колонии мидий
становятся здесь более плотными:
до 8-9 тыс. особей на 1 м2
Морские уточки
Морские звезды ограничивают здесь
распространение мидий
Асцидии
Хитоны, усоногие
В лужах - актинии, морские ежи,
морские звезды и мелкие рыбы,
такие как терпуговые, керчаковые
Продолжение области обитания всех
видов нижней литорали: морские анемоны,
морские звезды, морские ежи, мидии
и другие фильтраторы; многие виды
рыб и ракообразных
Рис. 16.1. Физическое и биологическое описание различных зон ли¬
торали. (а) Деление литорали по приливным уровням. Весь диапа¬
зон уровней приливов и отливов делится на интервалы в соответст¬
вии с тем, в какой мере и как часто сидячие (прикрепленные) расте-
на типичная кривая ежедневного поднятия и опускания уров¬
ня моря с двумя максимумами и двумя минимумами на про¬
тяжении суточного приливного цикла, занимающего 24,8 ч.
Конкретные значения этих подъемов и спадов меняются от
одного дня к другому, что в принципе обусловлено чередо¬
ванием сизигийных и квадратурных приливов через каждые
14,75 сут (см. рис. 17.13). Если мы отнесем все уровни к
среднему значению самого низкого уровня (Min), приняв
этот исходный уровень за нулевой, то среднее значение бо¬
лее высокого минимума (min) составит около 0,7 м, среднее
значение низкого максимума (max) будет около 1,4 м, а вы¬
сокого максимума (Мах) — примерно 2,0 м. Вся зона между
высоким максимумом прилива («полной водой») и низким
минимумом отлива («малой водой») называется лито¬
ралью.
Каждый из упомянутых уровней важен с точки зрения
условий жизни. Между отметками Мах и max располагается
зона (подзона) верхней литорали*, растения и животные,
прикрепленные к камням этой зоны, подвергаются воздей¬
ствию воздуха в течение большей части приливно-отливного
цикла. Между отметками min и Min находится нижняя ли¬
тораль, где прикрепленные организмы в течение большей
части цикла находятся в воде. В средней литорали организ¬
мы появляются из воды и снова погружаются в нее дважды
в сутки.
На рис. 16.1 показаны также две другие зоны. Выше
уровня Мах расположена зона с несколько неопределенной
верхней границей; эта зона увлажняется брызгами прибоя и
называется супралиторалью. Хотя эта область и считается
здесь некоторой зоной, но на самом деле ее очертания не¬
ния и животные, обнажаясь из-под воды, подвергаются воздейст¬
вию воздуха, (б) Примеры доминантных растений и животных,
встречающихся в отдельных зонах литорали.
стабильны, потому что волноприбойные брызги захватыва¬
ют скалистый берег очень неравномерно. Ниже принятой
нами нулевой линии берег покрыт водой всегда, за исключе¬
нием случайных очень низких отливов; здесь начинается
сублиторальная зона, которая может протягиваться в море
на значительное расстояние. (Некоторые исследователи рас¬
пространяют понятие сублиторали на всю площадь дна
шельфа.)
Типичные организмы литорали
Начнем с рис. 16.2, на котором помещена фотография лито¬
ральных фауны и флоры, характерных для скалистых бере¬
гов шт. Орегон. Ввиду большого сходства литоральных со¬
обществ на океанских побережьях всего мира представлен¬
ное ниже описание можно отнести ко всему Мировому океа¬
ну. На каждом из последующих четырех рисунков представ¬
лен один из участков этой основной фотографии, соответст¬
вующий одному из подразделений литорали, с характерны¬
ми для него растениями и животными.
Организмы зоны заплеска волн и верхней литорали
(рис. 16.3). В самой верхней своей части эта зона покрывает¬
ся водой только на короткое время, и большая часть имею¬
щейся здесь влаги доставляется брызгами и заплесками
волн, разбивающихся о скалы. Для данной зоны характер¬
ны водоросли и грибы, а также животные, поедающие эту
растительную пищу. Здесь обитают морские блюдечки —
мелкие гастроподы, которые медленно передвигаются по
поверхности камней, счищая подросшие водоросли ротовы-
ГЛАВА 16. МОРСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ОТКРЫТЫХ БЕРЕГОВ
233
Зона заплеска
волн
Верхняя
литораль
Средняя
литораль
Средняя
литораль
Нижняя
литораль
Нижняя
литораль
Сублитораль
Рис. 16.2. Фотография скалистого берега. Заметим, что границы
зон над каменистой поверхностью обычно имеют неровный вид.
Так и должно быть в условиях, когда изрезанный скалистый берег
в неодинаковой мере подвергается воздействию прибоя, что ведет к
большим локальным различиям в степени увлажненности или пре¬
бывания на воздухе.
Верхняя литораль представлена на этой фотографии очень мало.
Однако средняя литораль показана в подробностях. Ее верхняя
часть протягивается к берегу в виде ровной площадки, покрытой
толстым ковром из перемешанных мидий и морских уточек. Сред¬
няя часть — более круто наклоненная поверхность, занятая бесфор¬
менными колониями морских уточек, сросшимися с покрытыми во¬
дорослями камнями. Нижняя часть средней литорали покрыта тем¬
ным ковром молодых мидий, к которым пока не прикрепились
морские желуди, придающие колониям мидий белесый оттенок.
ми терками (радулами). Когда это животное бывает потре¬
вожено или его заливает высокая волна, оно использует
свою большую ногу как присоску, чтобы удержаться на
камнях. Во время отлива оно находит углубления в скале и,
так сказать, укладывается спать; держа край своей ракови¬
ны у самых камней, блюдечко избегает обсыхания, а заодно
не дает чайкам легко сорвать себя с места. Блюдечко раз¬
множается, выпуская яйца и сперму в морскую воду во вре¬
мя прилива. Выживание молодых особей зависит от окра¬
ски: те, которые лучше всего маскируются на камнях, име¬
ют наибольшие шансы ускользнуть от взора хищных птиц и
наземных животных.
В зоне верхней литорали обитают некоторые разновид¬
ности морских желудей (балянусов). Личинки этих усоногих,
относящихся к ракообразным, проходят в прибрежных во¬
дах через ряд стадий развития; достигнув циприсовидной
стадии (характерной для этих личинок), они начинают ис¬
кать подходящий субстрат, к которому каждая особь и при¬
крепляется на всю жизнь. Подрастая, балянус увеличивает
свою раковину (домик). Известковые клапаны поперек от¬
верстия раковины защищают его от высыхания в долгие ча¬
сы пребывания на воздухе. Типичный облик морских желу¬
дей (из ponaBalanus) показан на рис. 16.3 (2а). Главные по¬
жиратели как усоногих, так и морских блюдечек — более
Внимательно присмотревшись, вы найдете у границы средней и
нижней литоралей по меньшей мере три морские звезды, обведен¬
ные на снимке кружками. Ниже этой границы мидий и морских
уточек уже нет — их поедают морские звезды.
Нижняя литораль характеризуется плотным ковром из прикреп¬
ленных растений. Здесь мы видим буровато-зеленые листья мор¬
ской травы, ниже — ковер различных ламинарий, укрывающий
многочисленных животных, таких как хитоны, крабы и трубчатые
черви. Остающаяся при отливе лужа (озерцо), которая видна слева
на снимке, — особая часть сублиторального морского мира в самой
нижней части приливной зоны. Ее населяет свое собственное сооб¬
щество растений, включающее водоросли кораллина, и свое сооб¬
щество животных; часто встречаются здесь морские анемоны (ак¬
тинии) и морские ежи.
крупные хищные улитки (брюхоногие, относящиеся к роду
Thais). Из-за них усоногие живут в среднем не более двух
лет. Те морские желуди, которые переживают первые два
года, становятся для хищных улиток слишком крупными и
живут иногда многие годы. В Южном полушарии один из
видов очень крупных морских желудей, называемый
«picoroco» — главная составная часть местного первого
блюда*.
Некоторые крупные водоросли образуют в зоне литора¬
ли толстые ковры — водорослевые маты. Широко распро¬
странен род фукус (Fucus) — бурые водоросли длиной
10—15 см. Они прочно прикрепляются к поверхности кам¬
ней и не срываются прибоем. Из других растений — щети¬
нистые бурые водоросли Endocladia, иногда называемые
«щетками для ногтей». Их длина также не более 10 см. По¬
лагают, что эти растения существуют здесь только потому,
что животные, поедающие усоногих рода Balanus, обеспечи¬
вают им достаточно много открытого места, чтобы расте¬
ния могли прикрепляться и расти. В противном случае мор¬
ские желуди и морские уточки вскоре заняли бы всю пло¬
щадь и не дали бы места другим формам жизни.
* Вкус этого «морского» супа («sopa marina») поистине превосхо¬
ден!
234
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
(2а)
(1а)
Верхняя
Рис. 16.3. Организмы, населяющие зону верхней литорали:
(1а) морские блюдечки Colisella digitalis: (16) улитки Littorina planaxis: (2а) морские желуди Balanus grandula: (26) хищная улитка Nucella
(ранее называлась Thais) emarginata: (3) бурые водоросли Fucus distichus. Длина каждого масштабного отрезка соответствует 5 см.
ГЛАВА 16. МОРСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ОТКРЫТЫХ БЕРЕГОВ
235
(1а)
(16)
(4)
Рис. 16.4. Организмы, населяющие зону средней литорали:
(1а) красные водоросли Porphyra perforata: (16) красные водоросли (ирландский мох) Gigartina papillata: (2) мидии Mytilus californianus с
прикрепленными морскими желудями; (5) морские уточки Pollicipes polymerus: (4) морская звезда Pisaster ochraceus. Длина каждого отрез¬
ка 5 см.
236
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
Организмы средней литорали (рис. 16.4). В среднелитораль¬
ной зоне доминирующий организм — мидия. На западном
побережье США преобладает вид Mytilus californianus, на
восточном — Mytilus edulis. Важнейшие потребители мидий
— морские звезды, но они ограничены в своем обитании зо¬
ной нижней литорали, поскольку могут находиться на воз¬
духе лишь недолгое время. Следовательно, жизнедеятель¬
ность морских звезд устанавливает нижний предел «зоны
мидий» примерно на уровне среднего значения верхнего ми¬
нимума приливного цикла (min). Верхняя граница преобла¬
дания мидий определяется возможностью их пребывания на
воздухе, так что возле среднего значения нижнего максиму¬
ма прилива (шах) мидий живет уже немного. В пределах
обозначенной зоны плотность мидий достигает 8—9 тыс.
особей на квадратный метр! Они образуют многослойный
ковер толщиной до 30 см, особи слегка связаны между со¬
бой сетью биссусных нитей, выделяемых каждым живот¬
ным для прикрепления к субстрату. Сам этот «ковер» ста¬
новится особым местообитанием для многих других орга¬
низмов, таких как крошечные фарфоровые крабы (порцелла-
ниды), черви различных видов и, конечно, морские желуди.
Вместе с мидиями среднелиторальную зону населяют
морские уточки (рис. 16.4). Эти животные часто образуют
слипшиеся комья — колонии. Отдельные особи выделяют
из своих желез материал для раковины (домика), которая
состоит из нескольких известковых пластинок, соединенных
между собой гибким хитиновым веществом. Раковина слу¬
жит внешним окончанием гибкого стебля, также образован¬
ного из упругого хитинового материала. Эти усоногие, по¬
добно родственным им морским желудям, питаются, про¬
тягивая несколько покрытых щетинками конечностей в воду
и захватывая мелкие взвешенные частицы.
В среднелиторальной зоне обитают многочисленные рас¬
тительные виды. Наиболее распространены красные (багря¬
ные) водоросли Porphyra. Некоторые авторы даже описы¬
вают среднюю литораль как «зону красных водорослей».
Растения получают питательные вещества, необходимые
для них, во время двух ежесуточных погружений. Род Fucus
также процветает в этой зоне.
Колонии морских анемонов (актиний) Anthopleura распо¬
лагаются в расщелинах скал или в затемненных нависающих
утесах, сложенных коренными породами. Эти животные
размножаются делением, поэтому все особи в колонии со¬
браны в клоны. Исследования показали, что соседние клоны
активно «сражаются» между собой, используя особые щу¬
пальца с химическими веществами, токсичными для чужих
клонов. Борьба ведется за свободное пространство — самый
дефицитный из всех ресурсов среднелиторальной зоны.
Организмы нижней литорали (рис. 16.5). Первое впечатле¬
ние от нижнелиторальной зоны говорит о том, что там до¬
минируют крупные водоросли. На рис. 16.2 об этом гово¬
рят поросль морской травы и ламинарии. Несколько приме¬
ров крупных бурых водорослей изображено на рис. 16.5;
они относятся к роду Laminaria, общему для Тихоокеанско¬
го и Атлантического побережий США.
На некоторых участках морского дна доминируют еще
более крупные виды бурых водорослей (морская капуста).
Дальше от берега встречается Macrocystis — растение с
очень длинными стеблями, живущее в водах глубиной до
50 м и вытягивающее к поверхности многочисленные длин¬
ные ветви; каждая из ветвей поддерживается на плаву мел¬
кими пневматофорами — наполненными воздухом «поплав¬
ками», расположенными вдоль стебля. Другой род —
Nereocystis — отличается тем, что каждое растение имеет
единственный поплавок у самой поверхности с множеством
ветвей, прикрепленных в одной точке. Пневматофоры вид¬
ны также на бурых водорослях Egregia на рис. 16.5 (3).
Под плотным чехлом морской капусты можно встретить
много животных (рис. 16.5). Наиболее характерны крупные
хитоны — брюхоногие, питающиеся водорослями. Часто
встречаются также морские блюдечки, причем иногда к их
раковинам прикреплены бурые водоросли. Приподняв вет¬
ви, нависающие над камнями, можно увидеть трубчатых
червей: это животные-фильтраторы, процеживающие воду
для извлечения пищи. Можно также найти червей различ¬
ных типов, крабов, морских слизней (или голожаберных —
улиток без раковин), морских звезд и многих других.
Большую часть суток нижняя литораль покрыта водой.
В это время активно действуют рыбы, с приливом в расще¬
линах скал появляются крупные крабы (например, голубой
краб) и выполняют там свою работу чистильщиков. Камба¬
лообразные плоские рыбы странствуют по дну в поисках
беспозвоночных.
Организмы в остающихся при отливе лужах и прибрежной
сублиторали (рис. 16.6). Люди, посещающие скалистые бе¬
рега, всегда бывают очарованы различными формами жиз¬
ни, встречающимися в лужах, остающихся при отливе. На
первый взгляд здесь только разбросаны камни и раковины,
покрывающие все ложе озерца или лужи, но при более вни¬
мательном исследовании обнаруживается, что значительная
часть этого «свободного» материала прикреплена к много¬
численным организмам — морским ежам и актиниям, оби¬
тающим в луже.
Морские ежи относятся к типу иглокожих; для них ха¬
рактерны пяти лучевая радиальная симметрия, а также труб¬
чатые (амбулакральные) ножки, используемые для передви¬
жения. Кроме того, у иглокожих развились многочисленные
придатки (иглы, шипы и прочее), построенные рядами на
известковом панцире. Придатки играют оборонительную
роль. Между ними находятся амбулакральные ножки с при¬
сосками на концах; этими органами животные захватывают
кусочки водорослей и перемещают их по своему телу и под
него — к ротовому отверстию, расположенному на нижней
поверхности. В периоды погружения морские ежи могут пе¬
ремещаться в поисках водорослевой пищи, но они всегда
возвращаются к облюбованной ими нише в каменистом дне
и пережидают там периоды отлива.
Другие иглокожие — морские звезды — встречаются по¬
чти во всех лужах, остающихся при отливе. Особенно ак¬
тивный род —Pycnopodia (pyknos — плотный, густой; pod,
pous — нога), названный так по обилию лучей у каждого
животного. Морские звезды практически полностью осво¬
бождают лужи, остающиеся при отливе, от двустворчатых
моллюсков, таких как устрицы и мидии.
В лужах можно встретить несколько видов рыб; еще не¬
сколько видов, такие как скорпеновые, живут в местах за¬
рослей морской капусты.
Сообщество песчаных пляжей
Наиболее вероятное место, где читатель «соприкоснется с
живой природой моря», — это пляж. В отличие от обилия
форм жизни в районе скалистых берегов первое впечатление
от песчаных пляжей — полное отсутствие жизни. Но в про¬
тивоположность этому впечатлению жизнь на поверхности
и внутри песка все-таки существует.
ГЛАВА 16. МОРСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ОТКРЫТЫХ БЕРЕГОВ
237
литораль
(3)
Рис. 16.5. Организмы, населяющие зону нижней литорали:
(7) хитон Katharina tunicata\ (2а) морское блюдечко Астаеа mitra с прикрепленными и растущими на его раковине водорослями; (26) об¬
разующие корки водоросли кораллина Lithothamnion; (3) бурые водоросли Egregia menziesir, (4а) бурые водоросли Laminaria andersonii',
(46) бурые водоросли Laminaria farlowi. Длина каждого отрезка 5 см.
238
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
(2)
(3)
Рис. 16.6. Организмы, которые населяют лужи, остающиеся при
отливе, и прибрежную сублиторальную зону:
(7) зеленые актинии Anthopleura xanthogrammica с симбиотическими зооксантеллами — динофитовыми водорослями; (2) морской еж
Strongylocentrotus franciscanus; (3) морская звезда Pycnopodia helianthoides; (4) терпуговая рыба (из группы скорпеновых).Длина каждого
отрезка 5 см.
ГЛАВА 16. МОРСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ОТКРЫТЫХ БЕРЕГОВ
239
Факторы, определяющие размещение организмов
в пределах пляжа
Какие факторы управляют распределением «пляжной» жиз¬
ни? Некоторые наиболее важные из них перечислены ниже.
1. Пляжи — естественные области отложения материа¬
ла. Наиболее очевидно, что откладывается песок. Однако
количество, размер зерен и текстура песка зависят от его
происхождения и от энергии разбивающихся волн, сортиру¬
ющих, отсеивающих и всячески перемещающих песок. (Под¬
робнее эти вопросы рассматриваются в гл. 17 и 18.) В свою
очередь характер песчаного грунта — размер зерен, плот¬
ность их упаковки, проницаемость для просачивающейся во¬
ды и минеральный состав — определяет, какие организмы
встретятся на пляже и в каких местах.
2. Поскольку песчаный грунт всегда перемещается, на
его поверхности не бывает прикрепленных растений или жи¬
вотных. Следовательно, здесь нет местной первичной про¬
дукции, которая могла бы поддерживать привычную трофи¬
ческую цепь. Вместо этого органическое снабжение для
пляжного сообщества «импортируется» в двух главных ви¬
дах: а) в виде взвешенных частиц, наиболее вероятным ис¬
точником которых служат обрывки водорослей и другой де¬
тритный материал, сносимый с поверхности ближайших
выходов коренных пород, и б) большие куски ламинариевых
водорослей Macrocystis, которые выбрасываются волнами
на пляж и застревают на мелководье. Эти материалы рас¬
пределяются вдоль береговой линии преобладающим лито¬
ральным течением (см. гл. 18).
3. Распределение органического детритного материала и
морской воды по пляжу устанавливается уровнями прили¬
вов и прибойными волнами. Пляжные пески обычно очень
пористые. Там, где волны бывают особенно сильными,
пляжные пески отличаются грубостью зерен и не сохраняют
сколько-нибудь значительного количества воды от одного
прилива до другого. Там, где волны имеют умеренную вы¬
соту, пляжные пески характеризуются меньшим размером
зерен и удерживают большее количество воды. В зоне зап-
леска волн вода просачивается через пески вниз и песок дей¬
ствует как фильтр, отделяя частицы, приносимые прибоем
(рис. 16.7). В результате поверхностный слой пляжного пес¬
ка содержит высокие концентрации органического материа¬
ла, чему соответствует и большое разнообразие животных,
приспособившихся питаться и жить в такой обстановке.
4. Когда просачивающаяся морская вода появляется на
поверхности пляжного песка, она бывает насыщена кисло¬
родом. Это и есть источник кислорода для различных орга¬
низмов, живущих в толще песка. В районах слабого дейст¬
вия волн и развития мелкозернистых песков просачивание
идет гораздо медленнее, что ограничивает кислородное
снабжение только поверхностным слоем песка, в котором и
обитают животные.
5. Наконец, открытый солнечным лучам песок быстро
нагревается, роющим видам приходится глубоко закапы¬
ваться, чтобы спастись от дневного перегрева тела.
Рис. 16.7. Схема поступления органического детритного материа¬
ла в область, занятую сообществом песчаных пляжей. Морская во¬
да со взвешенным в ней органическим веществом забрасывается
прибоем на поверхность пляжа. По мере того как эта вода на об¬
ратном пути к морю просачивается вниз через песок, органический
детрит отфильтровывается в его самом верхнем слое толщиной в
несколько сантиметров.
Приспособляемость в сообществе песчаных пляжей
Вследствие того что соленая вода плотнее пресной, дождь,
выпадающий на обнаженный пляж, не проникает в глубь
песка и не смешивается с морской водой, сохраняемой пе¬
ском, а из-за того что в большинстве случаев песчаные пля¬
жи обладают высокой отражательной способностью, сол¬
нечный нагрев не проникает в песок глубоко. В итоге на
глубине нескольких сантиметров от поверхности пляжа соз¬
даются весьма постоянные физические условия. Организмы,
добывающие себе пищу путем фильтрации морской воды,
зарываются достаточно глубоко, чтобы защититься от из¬
менений солености и температуры или от размывающего
действия волн, но при этом все же достаточно близко к по¬
верхности, чтобы можно было добраться фильтрующими
органами до вышележащей жидкости. На рис. 16.8 показа¬
но, как различные моллюски вытягивают свои сифоны над
самой поверхностью песка, чтобы поглотить воду со взве¬
шенными в ней частицами.
Некоторые виды лучше всего приспособились питаться
именно в зоне брызг и заплеска волн. Классический пример
— песчаный краб Emerita (рис. 16.8 (9)), зарывающийся в пе¬
сок ровно настолько, чтобы скрыть свое тело. Он остается
скрытым все то время, когда волны накатывают на пляж,
но вытягивает свои щетинконосные придатки наружу во
время отката. Щеткообразные щупальца захватывают мел¬
кие органические частицы, взвешенные в движущемся пото¬
ке. Затем щупальца втягиваются обратно, очищаются от за¬
хваченных частиц пищи и снова готовы вытянуться наружу
при следующем откате воды. Этот краб должен передви¬
гаться по поверхности пляжа вверх и вниз в зависимости от
фазы прилива и должен также уметь быстро закапываться в
песок. Он следует за уровнем заплеска волн при повышении
уровня воды в прилив, но быстро зарывается, чтобы не
оказаться смытым при откате волн; обратная процедура
1
2
3
Уровень прилива
Макроскопические растения отсутствуют; имеется несколько
видов диатомей, прикрепленных к песчаным зернам
Среди животных преобладают представители инфауны:
1 - Морские черенки (двустворчатые моллюски из семейства
Solenidae), мии (Муа) и другие съедобные моллюски (8)
2- мелкие моллюски, такие как Donax
3 - крупные моллюски зоны прибоя, такие как Tivela
4 - иглокожие, такие как ’’песчаные доллары” (плоские морские ежи)
5 - хищные улитки, такие как ’’лунные улитки”
Некоторые представители эпифауны:
- Крабы - Камбаловые
6 - морские огурцы (голотурии) — Бурунные окуни
Интерстициальная фауна
10 - большое разнообразие очень мелких животных, таких как
брюхоресничные черви, живущие между зернами песка
— Несколько видов бентосных копепод
Рис. 16.8. Распределение организмов в сообществе песчаных пля- жа, подвижны и перемещаются вверх-вниз по поверхности пляжа в
жей. Уровни прилива и отлива маркируют зональность биоты, но зависимости от уровня прилива и волновой активности,
многие из организмов, живущих в литоральной зоне песчаного пля-
7
8
9
Макроскопические растения отсутствуют; имеется
несколько видов диатомей, прикрепленных к песчаным зернам.
Среди животных преобладают роющие.
— Различные бокоплавы (разноногие) и равноногие
(из отряда высших раков)
7 - черви-пескожилы и роющие многощетинковые черви
(полихеты)
— Роющие креветки, такие как ’’креветка-призрак”
(Callianassa californiensis)
1 - Морские черенки
8 -Съедобные моллюски
9 - Зарывающиеся крабы, такие как Emerita
Интерстициальная фауна
10 - Большое разнообразие очень мелких животных, таких
как брюхоресничные черви, живущие между зернами песка
- Несколько видов бентосных веслоногих также живут здесь
Макроскопические растения отсутствуют; макроскопическая
фауна представлена всего несколькими видами,
преимущественно питающимися падалью:
11 - Песчаные блохи (бокоплавы)
12 - Крабы-привидения (бледно-желтые ракообразные)
- Мокрицы (равноногие)
242
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
происходит при отливе. Оставаясь в зоне супралиторали,
этот краб избегает опасного для себя действия прибоя.
Способность быстро зарываться в песок — важнейший
фактор адаптации многих других организмов. Двустворки
рода Siliqua (рис. 16.8 (/)) имеют очень тонкую раковину,
защищающую от повреждения в зоне прибоя: эти моллюски
очень быстро зарываются в спасительный песок. Они тоже
перемещаются вверх и вниз по поверхности пляжа и пита¬
ются, прогоняя воду через сифон и внутренний фильтр и за¬
держивая взвешенные органические частицы.
Моллюски, не способные быстро зарываться в песок, за¬
щищаются от повреждений в прибойной зоне с помощью
толстостенных раковин. Калифорнийские моллюски Пизмо
(Tivela, рис. 16.8 (3)) имеют раковину толщиной около 1 см,
и ее солидный вес также помогает сохранять свое положе¬
ние при размыве песка тяжелыми волнами.
Необычный характер адаптации мы встречаем у «песча¬
ных долларов» Dendraster. Они принадлежат к той же груп¬
пе животных, что и морские звезды и морские ежи, и, как и
все такие животные, имеют пятилучевое симметричное
строение, которое можно распознать по их пустым ракови¬
нам, часто встречающимся на пляже. Эти иглокожие сохра¬
няют амбулакральные ножки морских звезд и известковые
пластинки морских ежей, но оба этих элемента строения
имеют у них очень малые размеры. Песчаные доллары
встречаются ниже уровня прибоя. Они питаются, зарываясь
в поверхностный слой песка и собирая частички пищи, про¬
валивающиеся между пластинками панциря в слизевые кана¬
лы, по которым пища и направляется к ротовому отвер¬
стию. Встречаются виды, у которых выступающая над пе¬
ском часть тела фильтрует водный поток и захватывает из
него частицы пищи.
Другие обычные члены сообщества пляжей — различные
типы червей. Среди червей, хорошо приспособившихся пи¬
таться органическим материалом, в избытке отложенным
просачивающейся водой прибойного потока в поверхност¬
ный слой песка, — черви-пескожилы рода Arenicola
(рис. 16.8 (7)). Проделывая U-образные ходы, они проника¬
ют в богатый органикой поверхностный песок. Песок замы¬
вается в верхнее отверстие хода водами заплеска, черви про¬
пускают его через себя и выбрасывают непереваренные
остатки через нижнее отверстие хода, обращенное к морю.
Интерстициальные и плотоядные животные
в сообществе пляжей
Очень важную роль в сообществе пляжей играют мельчай¬
шие животные, населяющие интерстиции (промежутки)
между песчинками. Иногда их называют псаммоном (от
греч. psammos — песок) или мейофауной (греч. meion —
меньше), их максимальная длина — несколько миллимет¬
ров, а тело настолько тонкое, что они легко передвигаются
между песчинками; нижний предел их размеров достигает
0,1 мм (100 мкм).
Среди псаммона имеются очень различные по устройст¬
ву беспозвоночные. Простейшие представлены многими ви¬
дами ресничных форм. Присутствуют также малые плоские
черви и большое число нематод — собственно круглых чер¬
вей. Особенно широко распространены гастротрихи (брюхо¬
ресничные черви) и аннелиды (кольчатые черви), а среди ра¬
(а) Скалистый берег — действительно богатая среда обитания для
сидячих растений и животных, (б) В высоких широтах флора и фау¬
на побережья должны справляться с замерзанием морской воды и с
абразией, вызываемой действием льдин, (в) В низких широтах за¬
щищенные заливы и эстуарии обычно окаймлены мангровыми бо¬
лотами, дающими богатую среду обитания как для морской фло¬
ры, так и для морской фауны.
ГЛАВА 16. МОРСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ОТКРЫТЫХ БЕРЕГОВ
243
кообразных — разные виды бентосных копепод. Кроме то¬
го, роль бентоса в песке играет молодь некоторых крупных
беспозвоночных. Концентрация особей бывает высокой,
примерно до 1 млн/м2, и в общей сложности масса организ¬
мов составляет 5 г/м2. Но что действительно удивляет, так
это большое число — порядка сотни — видов, которые
можно встретить на такой малой площади [7].
Взрослые особи интерстициальных животных малы по
размерам, поэтому они, как правило, не откладывают мно¬
го яиц, а воспроизводят немногочисленное потомство. Раз¬
множение с помощью плавающих личинок неэффективно из-
за действия фильтраторов, процеживающих придонный
слой воды. Поэтому многие животные этого биотопа раз¬
множаются в толще песка.
Выявив интерстициальный мир, мы теперь лучше пони¬
маем, как плотоядные черви выживают в мире песка. Нема¬
тоды перемещаются в толще песка в поисках живых орга¬
низмов в интерстициях между зернами. Мелкие бентосные
ракообразные — копеподы — передвигаются в песке и пое¬
дают бентосных диатомей, прикрепленных к песчинкам. В
свою очередь более крупная мейофауна, например стрекаю¬
щие гидроиды, питается передвигающимися мимо них копе¬
подами. Некоторые черви и гастротрихи «слизывают» орга¬
нические пленки с зерен песка.
Наконец, в поисках добычи в песке роются и крупные
животные. Лунные улитки находят моллюсков, камбало¬
образные рыбы выскабливают дно, собирая различных бес¬
позвоночных.
Сообщество коралловых рифов
Коралловые рифы — особого рода организмы в прибреж¬
ной зоне или на мелководье, образующие своеобразную
донную среду обитания между 30° с.ш. и 30° ю.ш. Уникаль¬
ное сочетание природных условий позволяет здесь разви¬
ваться исключительно сложному биологическому сообщест¬
ву. Среди этих условий выделяются следующие.
1. Множество различных форм рельефа, узких пещер и
расщелин в твердой коралловой постройке создает для жи¬
вотных разнообразные укрытия.
2. Коралловые рифы располагаются в освещаемых сол¬
нечными лучами теплых водах, обеспечивающих высокую
скорость роста организмов.
3. Питательные вещества проходят свой цикл быстро,
так как вертикальные размеры этого местообитания не пре¬
вышают нескольких десятков метров.
4. База первичной продуктивности включает обильную
продукцию синезеленых водорослей, задерживающих рас¬
творенный газ азот, и водорослей, симбиотических с корал¬
ловыми полипами.
Кораллы живут везде, где температура поверхностного
слоя морской воды бывает выше 20°С на протяжении всего
года. Они хорошо развиваются на любом мелководном
твердом субстрате, если он очищен от ила преобладающи¬
ми течениями и волнами. Кораллы не могут существовать в
нагруженной осадками мутной воде, например вблизи усть¬
ев рек. Зависимость от обилия солнечного света ограничива¬
ет распространение большинства живущих коралловых со¬
обществ глубиной менее 50 м, хотя некоторые кораллы рас¬
тут с глубины около 100 м. Коралловые рифы обладают
свойствами, делающими их излюбленным объектом иссле¬
дований по морской экологии: мелководная обстановка
вполне подходит ныряльщикам-аквалангистам, теплая вода
приятна человеческому телу, изобилие света и необычная
питательная база поддерживают богатое фаунистическое
разнообразие.
Наиболее протяженная область коралловых рифов отме¬
чается в Индийском и Тихом океанах — в водах вблизи Фи¬
липпин, в обширной окрестности Индонезийского архипела¬
га, у Северной Австралии и в районе Большого Барьерного
рифа, который один имеет ширину более 100 км и протяги¬
вается вдоль восточных берегов Австралии на 2 тыс. км.
Эти рифы содержат наибольшее разнообразие видов и име¬
ют, вероятно, самый древний возраст. Вторая крупнейшая
область развития рифов расположена в Карибском море от
Флориды до Тринидада и на запад до Центральной Амери¬
ки. Вест-индские рифы характеризуются меньшим разноо¬
бразием — отчасти потому, что сам Атлантический океан
относительно молод. Вдоль восточного побережья Тихого
океана от Мексики на юг к островам Галапагос и к Перу
имеется несколько коралловых рифов, но они не очень вели¬
ки. Здесь мы будем говорить главным образом о вест-
индских рифах, так как они наиболее близки к крупнейшим
населенным центрам США.
Строение коралловых рифов
Коралловые рифы — это массивные отложения карбоната
кальция, выделяемого особями коралловых полипов, сце¬
ментированные скопления отдельных скелетов. Формы ор¬
ганизмов, представленных в этих скоплениях, т. е. формы,
которые мы обычно называем кораллами, множественны и
разнообразны. Некоторые примеры показаны на рис. 16.10
и 16.11, они варьируют от крупных куполообразных постро¬
ек, создаваемых «мозговыми» кораллами с извилистой по¬
верхностью, до плоских листообразных типов, встречаю¬
щихся на больших глубинах, и кнутовидных стеблей черных
кораллов. Кораллиновые водоросли также вносят свой
вклад в материал построек рифовой зоны, откладывая кор¬
ки известкового вещества.
Новые рифы строятся на твердом субстрате мелковод¬
ного дна. Если этот субстрат геологически стабилен, рост
рифа в конце концов становится равномерным сбалансиро¬
ванным процессом, при котором коралловые полипы откла¬
дывают столько же нового известкового материала, сколь¬
ко теряется в результате эрозии. Эрозия рифов — непре¬
рывный процесс, обусловленный отчасти механической
абразией волнами прибоя, но отчасти и «обкусыванием»
многими животными рифовой области, особенно рыбами-
попугаями и морскими ежами. Эти животные скребут по¬
верхность твердых кораллов, питаясь водорослевыми корка¬
ми или самими кораллами. Следы эрозии отчетливо прояв¬
ляются в виде больших отложений коралловых песков в ла¬
гунах и на пляжах тропического пояса.
Если сам субстрат опускается, как в случае цепочки Га¬
вайских вулканических островов, строительство нового рифа
как бы уменьшает скорость опускания. Образцы керна, взя¬
того из нефтеразведочных скважин, свидетельствуют о том,
что на многих шельфах рифовые отложения достигают
мощности в тысячи метров. Атоллы, часто встречающиеся
в экваториальной части Тихого океана, — результат разви¬
тия коралловых рифов, зародившихся как окаймляющие (бе¬
реговые) рифы вокруг новых вулканических островов. По
мере того как остров в дальнейшем погружается, риф про¬
должает надстраиваться и тем самым сохраняет живую по¬
верхность на небольшой глубине. Теперь это уже рифовые
банки, или барьерные рифы, на периферии погрузившегося
острова. В конце концов остается только кольцевой риф,
окружающий центральную лагуну.
В смысле их общей структуры вест-индские рифы обра¬
зуют определенную систему (рис. 16.9, а). Вблизи побе-
244
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
Рис. 16.9. Типичное строение кораллового рифа: (а) разрез от пляжа до того места,
где барьерный риф находится на глубине около 50 м; (б) каналы, пропиленные волнами
на обращенном к морю склоне рифа.
режья это окаймляющий, или береговой, риф, уходящий в
сторону моря до глубины порядка Юм, но эта глубина ме¬
няется от одного рифа к другому. Дальше от берега, на рас¬
стояниях 500 м и более, располагается более сложный внеш¬
ний (барьерный) риф — так называемая рифовая отмель
(банка). Между постройками барьерного и берегового рифов
находится рифовая платформа. Этот плоский участок рифа
покрыт рыхлым коралловым песком и другими обломками,
образующимися в результате эрозии рифов, а также случай¬
ными изолированными холмиками, построенными неболь¬
шими колониями кораллов.
Самый возвышенный участок рифовой банки находится
на глубине 10—15 м, ширина его изменчива. Если банка
сравнительно узкая, на ней разбиваются только самые длин¬
ные ветровые волны, набегающие со стороны открытого
моря. Обычно ветровые волны, поднимаясь по внешнему
склону банки, сильно затухают, но часть энергии в движу¬
щейся волне все-таки сохраняется и продолжает выделяться
на пути к береговому рифу и береговой линии. Там, где
внешний риф очень широкий и мелководный, как в случае
австралийского Большого Барьерного рифа, вся волновая
энергия расходуется в зоне прибоя на обращенном к морю
склоне и над самой рифовой отмелью. Многие лагуны и
прибрежные воды тропических областей оказываются, та¬
ким образом, защищены от высоких волн. Вдоль обращен¬
ных к морю краев мелководных рифов штормовые волны и
прибой создают систему волновых каналов (рис. 16.9, б).
Если величина прилива велика, такие протоки могут протя¬
гиваться вверх и вниз по фронтальному склону на значитель¬
ные расстояния. Они служат путями перемещения песка и
обломочного материала от внутренних плоских участков ри¬
фов в сторону моря и способствуют увеличению общей пло¬
щади поверхности рифа, а также его расщелин и «закоул¬
ков»; оба этих фактора способствуют увеличению продук¬
ции пищевой цепи.
Конечно, приливные волны периодически затопляют да¬
же самые обширные барьерные рифы, а штормовые нагоны
нагромождают огромные массы морской воды из открыто¬
го океана на рифы и в лагуны, расположенные между ними
и берегом. Лагуны обычно имеют по меньшей мере один
крупный «пролив» в открытое море через разрыв в цепи
окружающих их внешних рифов. Поскольку лагуна — наи¬
более благоприятное место для питания, а также для выве¬
дения потомства многих прибрежных рыб, между лагуной и
открытым морем происходит усиленная миграция. Рыбаки,
промышляющие в тропических морях, по своему опыту хо¬
рошо знают, что лагуны — идеальное место для установки
сетей и отлова рыбы в определенные периоды года. Если
внешние рифы очень широкие, то приливные волны и штор¬
мовой нагон служат средством периодического «промыва¬
ния» рифовых построек и препятствуют застою воды в них.
Примеры вест-индских рифов
На рис. 16.10 показана фотография участка берегового ри¬
фа, сделанная на глубине Юму западного побережья остро¬
ва Барбадос (Наветренные острова). На первом плане выде¬
ляются три вида «мозговых» (с извилистым узором на по¬
верхности) кораллов: Diploria labyrinthiformis, Meandrina
meandrites и Colpophyllia natans. Маленькие кораллы на за-
ГЛАВА 16. МОРСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ОТКРЫТЫХ БЕРЕГОВ
245
Montastraea
annularis
(звездный коралл)
Colpophyllia
natans
(твердый коралл )-
Meandrina
meandrites
(’’штамповые моз¬
говые” кораллы “
с извилистым
узором
на поверхности)
Diadema antillarum
(морской еж
с длинными
иглами)
Euricea sp.
(мягкий коралл)
Желтоголовый
губан
(взрослый самец)
Callyspongia
vaginalis
(чашеобразная
губка)
Diploria
— labyrinthiformis
(рифленый
’’мозговой”
коралл)
^Agaricia
agaricites
(корковый
коралл)
Рис. 16.10. Береговой риф вблизи пункта Портерс-Локейшн, Барбадос, Вест-Индия.
днем плане — бугорчатый звездный коралл Montastraea
annularis. Покрытие коркой части кораллов — губка Mycale
laevis, растущая на нижней поверхности некоторых корал¬
лов. Видны также другие губки и морской еж Diadema
antillarum с длинными иглами. Морские ежи широко распро¬
странены на береговых рифах и только изредка — на внеш¬
них рифовых банках; рыбы же, наоборот, больше распро¬
странены на внешних отмелях.
Фотография, приведенная на рис. 16.11, сделана на глу¬
бине 30 м на обращенном к югу склоне рифовой банки в той
же части Барбадоса. Обратите внимание на отличие облика
банки от берегового рифа на рис. 16.10. Прежде всего, 66 ль-
шие глубины получают гораздо меньше света: на 30-м глу¬
бину доходит только половина видимого света, проникаю¬
щего на Юм. Коралловые колонии на глубине 30 м значи¬
тельно более плоские, так как им нужно подставлять как
Agaricia
lamarchi
(листовой
коралл)
Stichopathes
lutkeri
(морской кнут,
черный коралл)
Colpophyllia
natans
(твердый
коралл)
Montastraea
cavernosa
(кавернозный
звездный коралл
Рис. 16.11. Рифовая банка вблизи пункта Портерс-Локейшн, Барбадос, Вест-Индия.
246
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
можно большую площадь слабому свету. «Листовой» ко¬
ралл Agaricia lamarchi развит на всей площади, попавшей в
кадр. Столбчатые кораллы не видны, звездный коралл Мо-
ntastraea cavernosa строит куполовидные столбики. Кнуто¬
видные стебли черного коралла Stichopathes lutkeri на этой
глубине выживают — отчасти потому, что движение воды,
создаваемое волнами, здесь слишком слабое, чтобы повре¬
дить такие структуры.
У читателя может создаться впечатление, что в коралло¬
вой постройке на обращенном к морю склоне гораздо боль¬
ше щелей и нор, чем на береговом рифе. Это верно, особен¬
но там, где волновые каналы прорезаны глубоко и кораллы
растут по бокам этих каналов и на верхней стороне рифа.
На рис. 16.11 видно большое разнообразие убежищ для вся¬
кого рода животных — например, в центре снимка справа в
кадр попала маленькая рыбка. Напротив, на рис. 16.10
часть кадра представляет собой открытое песчаное пятно.
Можно заключить, что на рифовой банке жизнь более раз¬
нообразна, чем на береговом рифе.
Биология животных кораллового рифа
и его первичная продуктивность
Биология животных и растений в рифовой трофической си¬
стеме кажется более взаимосвязанной, чем в других морских
системах. Давно известно, что сообщества коралловых ри¬
фов дают много пищевой продукции, хотя поверхностные
воды тропического океана в целом бедны биогенными ве¬
ществами и характеризуются низкой продуктивностью. В
1982 г. Нюбаккен [7] оценил первичную продукцию зоны ко¬
ралловых рифов в 1500—3500 г углерода на 1 м2 в год, т. е.
в 30—70 раз выше величины 50 г С/(м2 • год), которая при¬
ведена в табл. 1.2 для продукции открытого океана в це¬
лом!
Коралловые полипы относятся к типу книдарий
(Cnidaria) вместе с актиниями, гидроидными и медузами, но
каждое отдельное животное (полип) меньше по размеру,
чем эти его родственники. Взрослый полип постоянно при¬
креплен к внутренней поверхности известковой чашечки, на¬
зываемой кораллитом и построенной из выделений этой
особи. По мере роста животного увеличивается и высота
кораллита. На рис. 16.12 дается продольное сечение отдель¬
ного полипа и его чашечки, а на рис. 16.10 видно, как коло¬
ния полипов располагается на куполовидной поверхности
мозгового коралла. Живые полипы встречаются только на
внешней поверхности, при нормальном росте они увеличи¬
вают высоту своего скелета, выделяя карбонат кальция со
скоростью от 1 до 10 см/год. Сцементированные вместе,
кораллиты колониальных полипов образуют массивные из¬
вестняковые рифовые постройки, причем скорость их роста
компенсирует опускание субстрата или повышение уровня
моря.
Подобно другим книдариям, коралловые полипы имеют
щупальца со стрекательными (жалящими) клетками. Щу¬
пальца расположены симметрично вокруг животного груп¬
пами по шесть или по восемь. В зависимости от вида поли¬
пы бывают разного размера — до 20 см в диаметре — и не¬
которые могут захватывать мелких рифовых рыб. Боль¬
шинство полипов мельче — от 0,1 до 1 см в диаметре, они
питаются частичками размером от бактерии до крупного
зоопланктона. Кораллы питаются ночью, потому что имен¬
но в ночные часы вода над коралловыми рифами наполняет¬
ся зоопланктоном и личинками многих типов и видов. В
дневное время множество щелей и укромных местечек в ри¬
фовой постройке дает пристанище мелким животным и ли¬
чинкам, которые ночью сильно увеличивают биомассу зоо¬
планктона (особенно меропланктона).
Симбиоз коралловых полипов с водорослями зооксан¬
теллами создает уникальное коралловое сообщество. Эти
водоросли — разновидность динофлагеллят — внедрены в
живую ткань полипа (рис. 16.12). Такая симбиотическая
связь, при которой полип выращивает свой собственный
«автотрофный сад» в тканях собственного тела, объясняет,
почему коралловые сообщества бывают такими продуктив¬
ными, тогда как окружающая морская вода сравнительно
бедна. Совместное существование здесь вполне оправдано.
При обмене веществ животное выделяет фосфаты, мочеви¬
ну и углекислый газ; эти и другие химические вещества про¬
никают через ткани тела и становятся «питанием» для водо¬
рослей. В свою очередь водоросли, находящиеся в клетках
животного, получают солнечный свет, достаточный для фо¬
тосинтеза нового органического материала. Мы еще не зна¬
ем точно, как животное извлекает питание из своих расти¬
тельных клеток, — ясно, что оно не переваривает их, если
только эти клетки не перестанут продуцировать нужные ве¬
щества или не погибнут, — но опыты показывают, что до
40% продукции водорослей потребляется полипами. Взрос¬
лый полип передает «посев» зооксантелл своему потомству.
Полипы могут размножаться бесполым почкованием, когда
новая особь занимает место рядом с родителем и таким об¬
разом возникает колония. Временами кораллы выделяют
планктонных личинок — планул, дающих начало новым ко¬
лониям.
Вспомним, что кораллы — определенно плотоядные жи¬
вотные. Какова же доля захватываемой ими пищи и на¬
сколько велика роль симбиотических водорослей? Хотя от¬
веты еще не окончательны, но по имеющимся оценкам жи¬
вотное получает 10—20% своего питания хищничеством и
захватом частиц пищи клетками своих покрытых слизью
покровов и мезентериальными нитями (рис. 16.12). Фильт¬
рационная деятельность полипов — одна из причин того,
что рифовые воды очищены от взвешенных частиц.
Роль синезеленых, кораллиновых и крупных водорослей.
Большая часть первичной продукции в зоне коралловых ри¬
фов производится бентосными формами водорослей. Этим
данная зона резко отличается от системы открытого океа¬
на, которая зависит главным образом от фитопланктона.
Кроме того, очевидно, что ббльшая часть азота, необходи¬
мого бентосным водорослям для фотосинтеза, поступает из
атмосферы в форме газа азота, растворяясь в морской воде.
Поскольку поверхностный слой воды, соприкасающийся с
воздухом, насыщен азотом, а в зоне рифового мелководья
происходит турбулентное перемешивание верхних и нижних
слоев, бентосные водоросли в изобилии снабжаются азо¬
том. Таким образом, рифовое сообщество не испытывает
недостатка питательных веществ вследствие истощения за¬
пасов азота, и это составляет другое крупное отличие от
обычной системы открытого океана, где количество нитра¬
тов, как правило, лимитировано и первичная продукция
ограничена.
В 1971 г. группа ученых, исследовавших морскую воду
вокруг атолла Эниветок в Тихом океане, обнаружила, что
океанская вода заметно обогащается соединениями азота
после того, как пройдет через мелководный риф. Ученые
проследили источник этого азота и нашли несколько видов
водорослей, живущих на рифе и фиксирующих N2; главным
видом оказались нитчатые синезеленые водоросли Calothrix
Crustacea [11]. Всего это рифовое сообщество «экспортиру¬
ет» азот в количестве 3 кг на гектар в сутки, что равно или
больше азотной продукции наземной плантации люцерны!
ГЛАВА 16. МОРСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ОТКРЫТЫХ БЕРЕГОВ
247
Живой коралловый полип
Кораллит
Щупальца
со стрека¬
тельными
клетками
(немато¬
цистами)
Поперечное сечение
внешней оболочки
и ткани полипа
Пищеварительная
полость
-Известковая чашечка
с радиальными
перегородками
(септами)
Me зентериальные
нити
Слои карбоната кальция,
образующие скелет коралла
Эпидермальная
ткань
Симбиотические Ткань
зооксантеллы живого полипа
Рис. 16.12. Коралловый полип и известковая чашечка, которую он
выделяет. Щупальца захватывают крупные частицы пищи и на¬
правляют их ко рту и в пищеварительную полость. Покрытые
слизью нити помогают пищеварению, но они же используются для
очистки полости животного от органического материала, который
Нитчатые водоросли образуют на свободном прост¬
ранстве каменистого дна ковер толщиной до нескольких
миллиметров. Камни и мертвые кораллы, выскобленные
рыбами-фитофагами и морскими ежами, быстро покрыва¬
ются новой порослью. Другие виды водорослей живут на
плоском песчаном дне у подножья рифовых построек. Водо¬
росли также способствуют поступлению азотных соедине¬
ний в водную толщу путем непосредственного выделения
пептидов и свободных аминокислот. Кроме того, волны от-
оседает на поверхности. Живая ткань полипа несет на себе зооксан¬
теллы — симбиотические водоросли, похожие на динофлагеллят.
Размеры полипов вырьируют от 1 мм до многих сантиметров в
диаметре.
рывают куски нитчатых водорослей, которые превращают¬
ся в плавающие частицы и поглощаются коралловыми по¬
липами и другими фильтрующими организмами.
Кораллиновые водоросли, например Lithothamnion , так¬
же вносят значительный вклад в общую первичную продук¬
цию. Они встречаются в виде корок (инкрустаций) на кам¬
нях и мертвых кораллах и в наибольших количествах на
гребнях внешних рифов, где волны прибоя препятствуют
прикреплению к ним других организмов. Эти водоросли
248
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
также становятся пищей для растительноядных. Но еще бо¬
лее важная их роль состоит в том, что они «цементируют»
обломки разрушенных рифов в прочные постройки.
Макроводоросли дают рифовому сообществу существен¬
ную первичную продукцию. Примеры таких водорослей —
так называемые эпифиты, или морские травы, Thalassia и
Cymodocea. Густые заросли этих трав покрывают участки
мелководных песчаных платформ позади рифовых гребней
или в мелких лагунах. Малая глубина воды означает, оче¬
видно, большую освещенность, так что продукция рифовых
зон вполне сравнима с тем, что мы встречаем на приливно-
отливных маршах и в мелководных эстуариях. Рифы помо¬
гают стабилизировать рыхлые пески лагунного дна, созда¬
ют среду обитания для различных организмов и служат не¬
рестилищами для животных, прикрепляющих икру к их
столбикам и стеблям. Не менее важно, что они к тому же
задерживают азот и тем самым вносят свой вклад в общее
количество азота, «экспортируемого» из этой зоны.
Знание тех механизмов, посредством которых азот, фик¬
сируемый синезелеными водорослями, реально поступает в
коралловое сообщество, помогает понять принцип работы
всей этой системы. Ковер нитчатых водорослей непосредст¬
венно поедается рыбами, морскими ежами, морскими огур¬
цами (голотуриями) и другими животными. Среди питаю¬
щихся водорослями рыб — рыбы-попугаи Scaridae, снаб¬
женные особыми зубами для соскребания водорослевого по¬
крова с каменистого или кораллового субстрата. Но, из-за
того что эти рыбы недостаточно хорошо переваривают та¬
кую пищу, примерно половина водорослей уходит с фекали¬
ями и поддерживает затем существование разнообразных
беспозвоночных. Водорослевые маты и густые заросли мор¬
ских трав служат местообитанием больших популяций бак¬
терий. Одни бактерии разлагают куски водорослей, другие
задерживают азот, в свою очередь все бактерии становятся
пищей для фильтрующих животных, в том числе членов ко¬
раллового сообщества.
Фактор малых глубин. Поскольку все рифовое сообщество
— от планктонных форм до бентосных беспозвоночных —
втиснуто в тонкий слой, вся продукция сконцентрирована в
малом объеме и круговорот питательных веществ осущест¬
вляется очень быстро.
Фактор неровности рифовой поверхности. Ввиду того что
рифовая постройка содержит многочисленные расщелины и
пещерки, а также каналы и нависающие карнизы, действи¬
тельная площадь поверхности рифа во много раз больше,
чем просто его горизонтальная площадь. Значительная
часть рифовой продукции зависит от площади поверхности,
а эта поверхность может быть горизонтальной, вертикаль¬
ной или даже нижней поверхностью коралловых построек.
Этот факт играет основную роль в высокой продуктивности
рифов.
Риф как среда обитания. Многие животные, находящие убе¬
жище в рифовых постройках в периоды отдыха, покидают
рифы для поисков пищи. Так делают, например, раститель¬
ноядные организмы, питающиеся травами песчаных плат¬
форм.
Рифовые рыбы
По своему разнообразию сообщество рыб, живущих в ко¬
ралловых рифах, превосходит все остальные морские сооб¬
щества. Около трети всех видов рыб так или иначе связаны
с рифами [6]. Смит и Тайлер [10] насчитали 75 видов на од¬
ном только изолированном рифовом куполе диаметром 3 м
и высотой менее 2 м! В каталоги включено больше 2000 ви¬
дов. Один из способов классификации рифовых рыб — по
типу питания: общие плотоядные, специализированные пло¬
тоядные и растительноядные. В видовом составе большин¬
ство составляют плотоядные, но растительноядные превос¬
ходят другие классы по плотности популяций.
Можно классифицировать рифовых рыб и по периодам
их активности. Одни виды питаются только в ночное время,
другие — только в сумерки, третьи — только днем. Между
периодами поисков пищи каждая группа ищет укрытия в ко¬
ралловых постройках, причем члены одной группы часто
направляются в те же расщелины, которые только что бы¬
ли заняты членами другой по способу питания группы. Это
происходит дважды в сутки, на рассвете и в вечерние сумер¬
ки, и занимает всего лишь около 20 мин.
Рыб можно различать по тому, живут ли они и питают¬
ся на рифах или же питаются где-то в другом месте, но от¬
дыхают в безопасных укрытиях рифовой постройки. Напри¬
мер, некоторые виды плотоядных окунеобразных в поисках
пищи по ночам покидают рифы.
Плотоядные. На рис. 16.13 показаны некоторые плотояд¬
ные рифовые рыбы. Самые крупные образцы относятся к
группе общих плотоядных. Типичные представители этих
рыб — серрановые (груперы), преимущественно дневные
хищники. Они медленно крейсируют над рифом, ожидая
встречи с мелкой рыбой, креветками или крабами, допу¬
стившими «ошибку» в собственной защите. Рыбоядные,
т. е. питающиеся рыбой, хищники проявляют наибольшую
активность при низком положении Солнца — на рассвете и
на закате; примером служат снэпперы, или рифовые
окуни, — рыбы семейства лютианид (Lutjanidae) из отряда
окунеобразных, но другие подобные рыбы питаются и по
ночам, обычно небольшими группами. Еще один такой же
хищник — рыба ронка из семейства Pomadasyidae, которая
питается в основном на песчаных платформах вдали от ко¬
ралловых рифов и употребляет в пищу все виды бентосных
беспозвоночных — крабов, червей, креветок, морских звезд,
улиток и хитонов.
Другая замечательная особенность рифовых рыб —
большое число различных хищников, нападающих из заса¬
ды. Среди них привлекают внимание скорпеновые (Scorpa-
enidae), имеющие весьма необычные формы тела, строение
плавников и окраску, позволяющие им оставаться почти не¬
видимыми на фоне скал. Из засады нападают и ящероголо¬
вые (Synodontidae, отряд миктофообразных), которые ма¬
скируются, прижавшись к песчаному дну в ожидании добы¬
чи, и флейторылы (Aulostomidae из отряда колюшкообраз¬
ных), умеющие таиться вблизи коралловых построек. Столь
же хорошо специализированы плавучие охотники с продо¬
лговатым телом и длинным рылом, полным острых зубов.
Они дрейфуют поперек рифа вместе с течениями; когда
жертва оказывается в пределах досягаемости такого «тихо¬
го» ловца, он делает внезапный короткий выпад и убивает
ее. Примерами служат барракуда, или морская щука (семей¬
ство Sphyraenidae), и морская игла (сарган Belonidae). В про¬
тивоположность им хищники с длинным змеевидным те¬
лом, например мурена (Muraenidae), имеют голову малых
размеров и могут поэтому находить добычу, спрятавшуюся
в трещинах и расщелинах рифов. Защищаясь от такого на¬
падения, некоторые мелкие рыбы прижимают лучи своих
плавников к стенке трещины и не дают, таким образом, вы¬
тащить себя из укрытия.
ГЛАВА 16. МОРСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ОТКРЫТЫХ БЕРЕГОВ
249
Рис. 16.13. Некоторые плотоядные рыбы вест-индского рифового
сообщества (7) снэппер (рифовый окунь, лютианус). (2) полосатая
черна (групер), (3) ронка (из семейства помадазиевых, отряд окуне¬
образных), (4) бычок-чистильщик, (5) барабулька (султанка),
Многочисленную группу рифовых рыб образуют сул-
танковые, или барабульки (по-английски: goatfish — рыба-
козел, семейство Mullidae; названа так из-за «бородки»
(barbel) под нижней губой). Придатки у них используются
для ощупывания песчаного дна в поисках спрятавшихся
мелких беспозвоночных. Найдя добычу, барабулька
засасывает ее в рот. Такой специализированный способ
питания не требует света, поэтому в одном и том же рифо¬
вом сообществе имеются и дневные, и ночные виды султан¬
ковых.
Существуют и другие семейства, специализированные на
отыскании добычи — беспозвоночных — больше посредст¬
вом зрения, а не осязания, как барабульки, и это непремен¬
но дневные едоки. Они приобрели яркие цветные узоры на
теле и сильные зубы и челюсти, чтобы подбирать беспозво¬
ночных и разгрызать их раковины. Примеры — рыбы-
(6) рыба-труба (флейторыл, рыба-свистулька), (7) барракуда, (8)
рыбы семейства помацентровых (рыбы-девушки), (9) рыба-бабоч¬
ка, (70) морская игла (сарган), (77) мурена, (72) американская жаба-
рыба (морской ерш). (По разным источникам.)
бабочки (Chaetodontidae) и рыбы-ангелы (Pomacanthidae),
использующие свои длинные рыла и острые зубы, чтобы
срезать кончики коралловых ветвей.
Как будет сказано в заключении, сообщество коралло¬
вых рифов отличается поразительно высокой плотностью
зоопланктона, появляющегося над рифом в ночные часы.
Эти мельчайшие животные также служат кормом, скажем
для помацентровых рыб (например, Chromis), которые в
поисках пищи плотными косяками снуют в зоне рифов.
Растительноядные (фитофаги). На группу растительнояд¬
ных рыб приходится только 25% от числа видов рифовых
рыб, но они имеют в рифовой зоне самые многочисленные
популяции. Чаще всего этих рыб можно видеть движущи¬
мися как около самого рифа, так и над песчаными платфор¬
мами вдали от рифовых построек. Основную массу состав-
250
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
Рис. 16.14. Растительноядные рыбы и другие организмы сооб¬
щества коралловых рифов: (7) корки нитчатых синезеленых водо¬
рослей; (2) и (3) рыбы-попугаи (Sparisoma viride и Scarus coeruleus);
ляют три семейства: рыбы-попугаи (Scaridae), рыбы-
хирурги (Acanthuridae) и рыбы-девушки, или помацентро-
вые (Pomacenridae). Некоторые виды изображены на
рис. 16.14.
Рыбы-попугаи, или скаровые, — наиболее многочислен¬
ный из всех видов. У них слившиеся зубы (наподобие клюва
попугая) и сильные челюсти, которыми они скребут, отку¬
сывают и разжевывают куски мертвых кораллов, добывая
из них растущие водоросли. Коралловый песок, образую¬
щийся таким способом, — главный источник материала пес¬
чаных платформ, окружающих рифовые постройки. Роль
рыб-попугаев в эрозии рифов впервые отметил Чарлз Дар¬
вин [3] в «Дневнике натуралиста» во время его путешествия
на корабле «Бигль» (1845). Водорослевые корки (маты) об¬
разуются только на субстрате из мертвых кораллов. Жи¬
вые коралловые полипы покрывают свой известковый ске¬
лет слизистой пленкой, которая не только захватывает ча¬
стицы и «поддерживает чистоту», но и защищает его от об¬
волакивания покровом водорослей.
Взрослые рыбы-попугаи занимают более или менее чет¬
ко ограниченную область над рифом, примерно в 1 тыс. м2.
Их движение представляет собой медленное передвижение
вдоль рифа со случайными остановками для еды. Они «па¬
сутся» и на кораллиновых водорослях, но это не главная
часть их диеты. Этих рыб можно видеть и на песчаных
платформах — словом, везде, где имеются водоросли. По
(4) поедающий водоросли морской еж ipiadema antillarum); (5) си¬
ний хирург (Acanthurus coeruleus); (б) рыба из семейства помацент-
ровых (Eupomacentrus planifrons). (По описаниям Оксенфорда [8]).
ночам рыбы-попугаи укрываются внутри коралловых по¬
строек; некоторые виды при этом окружают себя слизистой
оболочкой, которая, по-видимому, токсична для ночных
хищников, таких как мурена.
Помацентровые — сильные соперники рыб-попугаев в
борьбе за водорослевые пастбища; они яростно защищают
свои небольшие участки (1—2 м2) от посягательств любых
других растительноядных. Рыбам-попугаям удается попас¬
тись на этих участках, только если они движутся небольши¬
ми группами, и то лишь короткое время. Недавние исследо¬
вания показали, что привязанность помацентровых к опре¬
деленным участкам дна играет в рифовом сообществе осо¬
бую роль, предотвращая чрезмерное или недостаточное пое¬
дание молодых водорослей. При чрезмерном поедании неко¬
торые виды растений исчезают, так как их воспроизводство
падает ниже порогового уровня; при недостаточном поеда¬
нии доминирующие растения вытесняют другие виды [5].
Рыбы-хирурги (семейство хирурговых) пасутся глав¬
ным образом на нитчатых водорослях. У некоторых видов
развились мускулистые желудки, и рыба заглатывает песок,
очевидно, чтобы облегчить перемалывание водорослей
в ходе пищеварения [9]. Рыбы-хирурги также собира¬
ются группами, «ощипывая» рифовую поверхность, —
очень похоже на рыб-попугаев. Их можно увидеть и на ри¬
фовых платформах: там они объедают крупные макроводо¬
росли.
ГЛАВА 16. МОРСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ ОТКРЫТЫХ БЕРЕГОВ
251
Другие организмы и характерные особенности
рифового сообщества
В рифовом сообществе участвует много других типов жи¬
вотных. Важной частью живой природы этой зоны служат
всевозможные бентосные беспозвоночные. К ним относятся
губки (Porifera), из которых два вида показаны на
рис. 16.10: блюдцеобразная губка Callyspongia vaginalis и
губка в форме ананаса Ircinia spp. Обнаружен и ряд роющих
организмов, среди них червеобразные существа сипункули-
ды, просверливающие (проедающие) свои ходы в твердом
субстрате кораллового рифа, и зарывающийся морской еж
Echinometra lucunther. Встречаются даже виды просверлива¬
ющих камень синезеленых нитчатых водорослей.
Некоторые беспозвоночные соскребают с поверхности
рифа водоросли. Это, например, улитка Nerita tesselata, вы¬
ступающая как геологически важный агент благодаря осо¬
бым свойствам песка, появляющегося в результате ее пита¬
ния. Морской еж с длинными иглами Diadema antillarum
(рис. 16.10) был среди важнейших травоядных на рифах
Вест-Индии вплоть до 1983 г. и достигал иногда плотности
14 тыс. особей на гектар! Но эта популяция резко пошла на
убыль по всему Карибскому морю (в некоторых местах ее
плотность стала меньше одной особи на гектар) после глу¬
боких положительных аномалий температуры в тропиче¬
ском поясе океанов в 1983 г., связанных с Эль-Ниньо —
Южной осцилляцией.
Офиуры, или змеехвостки (Ophiuroidea), относящиеся к
типу иглокожих (Echinodermata), живут внутри коралловых
рифов, как и морские огурцы, или голотурии (Holothuroi-
dea). Обе эти группы животных питаются органическим де¬
тритом, собирающимся на поверхности рифов. Офиуры
«пасутся» на песчаных или илистых участках с высоким со¬
держанием органического материала; голотурии медленно
перемещаются по дну и «подметают» его своими покрыты¬
ми слизью щупальцами, которые периодически проходят че¬
рез рот, очищаясь и получая новую порцию слизи. Роль
этих животных в данной экосистеме легче всего понять по
большим скоплениям фекалий, оставляемых в рифовой об¬
ласти крупными популяциями травоядных рыб. Рыбы, пи¬
тающиеся вдали от рифа, но возвращающиеся к нему в це¬
лях безопасности в периоды отдыха, добавляют свои фека¬
лии к этому органическому циклу. Множество неправильной
формы трещин и расщелин рифовой постройки задержива¬
ют этот органический материал, и он перерабатывается за¬
тем беспозвоночными. Уникальная особенность кораллово¬
го сообщества — быстрота круговорота питательных ве¬
ществ.
Еще одна особенность рифового сообщества — обилие
токсичных химических веществ, используемых животными,
вероятно, как средство защиты. Многие рыбы выделяют
токсичное вещество, например яд содержится в колючих лу¬
чах спинного плавника бородавчатки — рыбы из отряда
скорпенообразных. У некоторых рыб ядовитое вещество
выделяется на поверхности тела — так происходит, в част¬
ности, у рыб-попугаев, укрывающихся ночью в слизистом
«коконе» [2]. У других яд вырабатывается во внутренних
органах, например у рыбы-собаки (семейство Tetraodonti-
dae), питающейся кончиками коралловых ветвей. У третьих
накапливаются токсины, производимые первоначально не¬
которыми видами динофлагеллят (рис. 15.4), но концентри¬
рующиеся на каждой последующей ступени трофической це¬
пи. Рифовые окуни (снэпперы) и серрановые (груперы), по¬
казанные на рис. 16.13, — примеры рыб, у которых накоп¬
ление токсинов становится опасным для людей, так как эту
рыбу часто ловят и продают. Отравившись этой тропичес¬
кой рыбой, можно получить болезнь, называемую сигуате-
ра, при которой поражается нервная система, а исход быва¬
ет смертельным. Многие ядовитые рифовые рыбы хорошо
заметны благодаря ярким цветным узорам — природа как
бы предупреждает потенциальных хищников об опасности.
(Такая же хорошо видная раскраска отличает ядовитых жи¬
вотных тропических джунглей.)
Как и следует ожидать в случае сообщества, имеющего
высокую продуктивность при повышенных температурах
воды, в рифовой системе много симбиотических и паразити¬
ческих взаимосвязей. Одна из наиболее интересных —
«очистительный» симбиоз, при котором некоторые виды
рыб и креветок выбрали в качестве экологической ниши ра¬
боту по удалению паразитов, разложившейся или больной
ткани, слизистых пленок и прочих выделений других рыб.
На рис. 16.14 (справа) бычок Globiosoma evelynae, широко
распространенный «санитар» вест-индских рифов, очищает
рыбу из семейства помацентровых. Но чистильщики обслу¬
живают также и крупнейших плотоядных (например, групе-
ра на рис. 16.13), не подвергаясь опасности быть съеденны¬
ми. И в самом деле, очищаемые рыбы ценят такие услуги, и
часто можно видеть, как они становятся в очередь у рабоче¬
го места чистильщика.
Отличия от экосистемы открытого океана
Экология рифов своеобразна и отличается от экосистемы
открытого океана, иллюстрируемой рис. 12.1, по меньшей
мере в трех отношениях.
1. Рифы — очень мелководная система, где осуществля¬
ется тесная связь между пелагической фауной и зообенто¬
сом.
2. Окружающая среда в низкоширотных тропических об¬
ластях мало меняется по сезонам; цикл продуктивности, по¬
казанный на рис. 12.4, к рифовому сообществу неприложим.
3. Содержание автотрофных организмов в значительной
мере поддерживается растворенным в морской воде газом
азотом и не ограничивается поэтому поступлением пита¬
тельных нитратов, как часто бывает в открытом океане.
На рис. 16.15 показаны две упрощенные модели систем
кораллового рифа и открытого океана. В обычном океан¬
ском пелагическом сообществе фитопланктон снабжается
биогенными веществами через восходящий поток глубинных
вод. Круговорот питательных веществ занимает очень дол¬
гое время — порядка сотен лет.
В рифовом сообществе интенсивное вертикальное пере¬
мешивание обеспечивает высокое содержание растворенного
азота, поступающего из атмосферы, и он в изобилии имеет¬
ся во всем водяном столбе. Прямым следствием этого ста¬
ло развитие фиксирующих азот водорослей как главных ав¬
тотрофных организмов (рис. 16.15). Симбиотические зоо¬
ксантеллы получают азот непосредственно от хозяев-
полипов.
В океанском пелагическом зоопланктоне доминируют ко¬
пеподы, питающиеся непосредственно фитопланктоном и в
свою очередь поедаемые различными представителями ме¬
ропланктона. В рифах первичная продукция свободноплава¬
ющего фитопланктона играет гораздо меньшую роль в об¬
щей продукции, поэтому отношение массы голопланктона
(т. е. планктона, весь жизненный цикл которого проходит в
толще воды) к массе меропланктона также мало. Главная
часть водорослевой продукции, производимой фиксирующи¬
ми азот видами, переходит прямо к крупным растительно-
252
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
N2
I
I
Рис. 16.15. Различия между обычным сообществом открытого
океана и сообществом коралловых рифов. Сплошные линии — пу-
ти переноса химической потенциальной энергии от жертв к хищ¬
ным или растительноядным животным. Штриховыми линиями по¬
казаны пути поступления азотного питания для воспроизводства
ядным рыбам и затем — через детритные фекалии — к бен¬
тосным видам беспозвоночных. В свою очередь крупные по¬
пуляции растительноядных животных и бентосных беспоз¬
воночных производят огромные массы личинок, образую¬
щих меропланктон. Большие концентрации зоопланктона,
обнаруживаемые над рифами в ночные часы, позволяют
предположить, что многие животные на стадии личинок
укрываются днем в рифах и выходят питаться по ночам,
обычно поедая друг друга! Ночное действо представляет со¬
бой, таким образом, драму, состоящую из бесконечных об¬
менов химической энергией между различными видами — в
стадиях яйца, личинки, молоди и взрослых особей. На
рис. 16.15 этому соответствует большой полукруг, обозна¬
чающий зоопланктон, в котором доминируют (в рифовой
системе) организмы меропланктона.
Такая яростная «игра страстей» в среде меропланктона
не могла бы развиться, если бы цикл икрометания был се¬
зонным, как это обычно бывает в пелагических океанских
сообществах. В рифах животные мечут икру через неболь¬
шие интервалы, обычно длительностью в лунный месяц, и
на протяжении всего года. Такой образ жизни обеспечивает
постоянное снабжение планктона органическими частицами
в области, где обычные автотрофные организмы вносят ма¬
лый вклад в общую планктонную биомассу.
водорослевой продукции. Пунктирными линиями обозначены мас¬
сы меропланктона, развивающегося из яиц и личинок различных
рифовых животных. Трофический уровень зоопланктона в рифовом
сообществе определяется главным образом меропланктоном, при¬
чем организмы меропланктона питаются друг другом.
Заключение
Каждый наш читатель рано или поздно попадет на окраину
океана. Может быть, это окажется скалистый берег, песча¬
ный пляж, супралиторальный солончаковый марш или даже
коралловый риф. В любом случае проявится сложность
морской жизни открытого побережья. В каждой обстановке
присутствует ряд физических ограничений и набор форм
биологического пресса, а значит, и множество примеров
специфической адаптации к этим условиям. У каждой такой
обстановки свое очарование.
На скалистом берегу физические ограничения связаны с
обнажением литорали во время отливов, с резкими суточ¬
ными изменениями температуры и солености на мелко¬
водье, с разрушительной работой волн и связанным с этим
перемещением камней и других обломков на побережье, а на
берегах полярных морей — еще и с превращением влаги в
лед. Биологический пресс — это соперничество за место на
скалистом побережье, опасность иссушения, угроза быть
съеденным, исходящая как с суши, так и с моря, и — уже
вследствие человеческой деятельности — подверженность
загрязнению.
Сообщество песчаных пляжей — совершенно иное в фи¬
зическом смысле. Песок — подвижная среда обитания, поэ¬
ГЛАВА 17. ВОЛНЫ И ВОЛНОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ
253
тому здесь нет открытых, существующих снаружи форм
жизни, а встречаются только те, которые могут зарывать¬
ся, спасаясь от опасностей, в песок. В такой среде не могут
процветать растения, волны намывают органические части¬
цы на поверхность пляжа в условиях, когда морская вода
фильтруется через песок при откате. Толща песка служит
жилищем для специализированных интерстициальных орга¬
низмов, адаптировавшихся к таким условиям, и питающих¬
ся ими роющих животных. Как ни странно, но, находясь
всего в нескольких сантиметрах от поверхности песка, эта
среда сохраняет весьма постоянные температуру и соле¬
ность.
Особый вид открытого побережья — коралловый риф,
где обитает одно из древнейших сообществ океана. Как та¬
ковое, оно характеризуется большим разнообразием видов,
чем любое другое морское сообщество. Здесь физические
ограничения связаны со значительным выделением волно¬
вой энергии, высокой интенсивностью света и малыми глу¬
бинами, благодаря чему вода здесь хорошо перемешана.
Имеются также своеобразные химические ограничения, на¬
пример количество растворенных питательных веществ, не¬
обходимых для поддержания жизни фитопланктона, очень
мало — явно недостаточно, учитывая большую роль его
продукции в пищевой цепи. Один из специально приспособ¬
ленных типов организмов — нитчатые водоросли: они при¬
крепляются к скелету кораллов и добывают азот из воды, а
этот необходимый для их питания газ практически в неогра¬
ниченном количестве поступает сверху, из воздуха. Водорос¬
левый корм непосредственно потребляется крупными рыба¬
ми, так что роль основной пищевой базы океана — расти¬
тельноядных копепод — здесь минимальна. Фекалии рыб
становятся пищей беспозвоночных и бентосного сообщест¬
ва. В планктоне коралловых рифов преобладает меропланк¬
тон, состоящий из личинок и яиц. Сами коралловые полипы
играют ключевую роль в развитии симбиотических водорос¬
лей. Кораллы могут создавать новые рифы, так как они са¬
ми поддерживают свое существование и воспроизводятся по
большей части почкованием, тем самым обходя проблему
дисперсии вещества в результате работы волн на мелко¬
водье. Сообщество коралловых рифов — одно из самых
удивительных чудес океана.
Контрольные вопросы
1. Опишите кратко роль физических факторов в образо¬
вании зональности у различных морских сообществ скали¬
стого побережья. В конце рассмотрите вопрос, действуют
ли одни и те же физические силы повсеместно, и если это
так, то существует ли сходство между сообществами скали¬
стых берегов в разных районах мира?
2. Напишите краткий очерк о том, каким образом сооб¬
щество песчаных пляжей получает исходный органический
материал, учитывая, что макроводоросли сами не живут на
песчаных пляжах.
3. Бурые водоросли рода Fucus живут в зоне верхней ли¬
торали. Зачем вообще нужна этим макроводорослям мор¬
ская вода? Самые крупные макроводоросли — такие виды,
как Macrocystis и Nereocystis, — живут на удалении от бере¬
га, на глубинах до 50 м. Зачем нужна им морская вода, кро¬
ме как для плавучести, поддерживающей их на свету?
4. Объясните, почему двустворчатые моллюски достига¬
ют максимальной плотности популяций только в зоне сред¬
ней литорали, несмотря на то, что по способу питания они
фильтраторы и могли бы расти быстрее, если бы находи¬
лись в воде все время.
5. Почему кораллиновые водоросли получили такое на¬
звание?
6. Морские ежи — одни из главных потребителей морс¬
кой капусты. А какое животное контролирует численность
популяции морских ежей?
7. Исследуйте вопрос о том, какие факторы определяют
размещение живых форм в сообществе песчаных пляжей.
8. Опишите способ питания песчаного краба Emerita.
9. Когда вы находите на пляже панцирь мертвого песча¬
ного доллара Dendraster, вы обычно видите выступающую
часть высокоспециализированного аппарата питания этого
организма. Опишите этот аппарат и укажите, какая именно
часть оказывается на виду в пустом панцире.
10. Как вы думаете: почему так много обитателей пля¬
жа зарывается в песок?
11. Напишите краткий очерк о микромире интерстици¬
альных организмов песчаных пляжей.
12. Сообщество коралловых рифов — это, возможно, на¬
иболее значительное морское сообщество из тех, которые
еще предстоит изучать. Перечислите как можно больше ха¬
рактерных особенностей, делающих это сообщество таким
своеобразным.
13. Из перечня, составленного в ответ на вопрос 12, вы¬
берите два фактора, которые вы считаете важнейшими в
формировании характера сообщества коралловых рифов.
14. Сравните первичную продукцию сообщества коралло¬
вых рифов с продуктивностью других морских сообществ
(необходимые данные возьмите в табл. 1.1).
15. Мезентериальные нити коралловых полипов играют
особую роль в жизни этих организмов. Объясните какую.
16. Раскройте важнейшую роль фиксирующих азот водо¬
рослей в жизни сообщества коралловых рифов.
17. Опишите ту роль, которую играют симбиотические
водоросли зооксантеллы в жизни сообщества коралловых
рифов.
18. Порассуждайте о том, как рыбы используют риф в
качестве местообитания, но питаться отправляются в отда¬
ленные районы, тем самым внося свой вклад в органиче¬
скую пищевую базу самого рифового сообщества.
19. Расскажите о роли убежища как стабилизирующего
фактора, позволяющего сообществу коралловых рифов рас¬
пространяться на большую площадь.
20. Развейте ту мысль, что в сообществе коралловых ри¬
фов имеется встроенная «цепь, замкнутая накоротко», по¬
средством которой растения непосредственно поддержива¬
ют крупные рыбные популяции, не нуждаясь в растворен¬
ных питательных веществах, требующихся для жизни фи¬
топланктона в открытом океане.
ГЛАВА 17
ВОЛНЫ И ВОЛНОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ
Водные массы океанов реагируют на воздействие различных сил —
как внутренних, так и внешних — возникновением волн и волновых
движений.
О волнах на пенистой поверхности морской воды написано
больше, чем о любых других особенностях океанов. Это
естественно, потому что прежде, чем выйти в открытый
океан, мореплавателям всегда приходилось пересекать взды¬
мающуюся волнами пограничную полосу, а сделать это не
254
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
всегда просто. Тот, кто выходит в море на корабле, почти
всегда преодолевает этот рубеж у выхода из бухты или эс¬
туария — страшного места, где кругом только пена и мечу¬
щиеся волны.
Большая часть мистических сказаний об океанах возник¬
ла в мировом фольклоре, вероятно, потому, что люди
смотрели на океан со стороны пляжа. Мистические пред¬
ставления об океанах усиливаются в каждом из нас, когда
мы с изумлением наблюдаем, как водяной вал внезапно ока¬
зывается почти у самого берега, становясь все круче по мере
приближения к пляжу, а затем последней мощной волной с
шумом и завихрениями обрушивается на берег. Откуда бе¬
рет океан эту яростную мощь? Почему поведение морской
поверхности резко изменяется, как только мы отойдем от
берега и выйдем в открытое море? И что служит источни¬
ком огромной силы, заставляющей прилив раз за разом на¬
катываться на берег — только для того, чтобы отступать
снова и снова?
Обзор волновых движений в океанах
Многие движения океанских вод имеют волновой или вол¬
нообразный характер, так что вначале важно определить,
где возникают волны и в чем проявляется волновое движе¬
ние, а также описать само это движение.
1. В качестве общего закона можно утверждать, что если
произвести какую-либо работу по перемещению морской во¬
ды в пределах некоторого района, то по меньшей мере
часть затраченной энергии уйдет из этого района в виде
волнового движения самой воды. Действительно, именно
эта сторона поведения больших масс воды временами за¬
трудняет объяснение локальных физических явлений; часть
таких явлений оказывается результатом высвобождения в
данном районе энергии, приобретенной где-то вдали от не¬
го, или результатом того, что энергия просто «проходит че¬
рез» этот район по пути к какой-то другой области.
Показательный пример был отмечен в 1976 г. при прове¬
дении широкомасштабных экспериментов по изучению ап¬
веллинга у берегов Перу. Физики установили в океане не¬
сколько измерителей течений, чтобы выяснить характер
движения богатой питательными веществами глубинной во¬
ды к берегу под экмановским действием локального ветра
(рис. 10.8). Однако анализ измерений показал, что апвел¬
линг сопровождается волновыми движениями, развитыми
на большой площади, и распространение этих волн не кор¬
релирует с локальным ветром: вместо этого оказалось, что
проходящая волна образуется под воздействием циклических
крупномасштабных изменений поля ветра. Только часть ло¬
кальных движений воды была реакцией на местные воздей¬
ствия [6].
2. Движение в виде волн — один из способов передачи
энергии в жидкости от одной точки к другой. Передается
именно энергия: масса воды при волновых движениях не пе¬
реносится, что можно проиллюстрировать двумя важными
примерами.
а) Штормы, генерируемые ветрами в Южном океане око¬
ло Антарктиды, передают большое количество энергии
крупным поверхностным волнам, которые затем распро¬
страняются на просторах как южной, так и северной части
Тихого океана и в конце концов отдают энергию у берегов в
нашем полушарии. При разрушении этих волн в прибойной
зоне пляжей Орегона высвобождается энергия, которая пе¬
ремещает песок вверх по берегу и вдоль береговой линии;
первоначально эта энергия была заключена в ветровых вол¬
нах за тысячи километров от этих мест.
б) Сейсмическая подвижка в дне океана у берегов Чили
сообщает энергию волне цунами, которая затем распростра¬
няется через Тихоокеанский бассейн со скоростью до
Взволнованная поверхность моря
при скорости ветра 15 м/с.
ГЛАВА 17. ВОЛНЫ И ВОЛНОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ
255
800 км/ч и отдает эту энергию у берегов Гавайских остро¬
вов в виде водяной стены, обрушивающейся на берег. Ни в
одном из этих случаев морская вода не перемещается из од¬
ного полушария в другое.
3. Волновые движения в жидкости наиболее интенсивны
там, где резко меняется ее плотность (рис. 17.1). На грани¬
це раздела вода — воздух источником энергии служит тре¬
ние между поверхностными ветрами и водой, создающее
обычные ветровые волны. «Концентрация» этой энергии
максимальна на самой границе раздела. Энергия в ветровых
волнах быстро спадает с глубиной; подводная лодка, нахо¬
дящаяся на глубине 50 м, почти не чувствует волнения, в то
время как на поверхности волны безжалостно качают ко¬
рабль.
Значит ли это, что везде, где происходит резкое измене¬
ние плотности морской воды, например в зоне термоклина
в двухслойном океане, вдоль границы раздела плотностей
движутся волны? Ответ на этот вопрос — положительный
(рис. 17.1), и волны в данном случае относятся к типу
«внутренних» волн. Наблюдатель, находящийся на поверх-
ОТКРЫТЫЙ
ОКЕАН
/—Циклон.
Северное
полушарие
разДедаЪ&
Ветровые волны Энергия покидает зону своего возникновения
в виде серий плавных колебаний
поверхности — ’’океанской зыби”
Внутри циклона образуется множество очагов турбулентных пуль¬
саций атмосферного давления. Ветры возбуждают волны, движу¬
щиеся в том же направлении, что и сам ветер. Эти волны называ¬
ются ветровыми.
Там, где слои океанской воды различаются по плотности, под
воздействием шторма образуются внутренние волны; они могут
иметь гораздо большую амплитуду, чем поверхностные волны, но
гораздо меньшую энергию, так как эффективная сила тяжести про¬
порциональна разности плотностей соседних слоев.
МЕЛКОВОДНАЯ
ЧАСТЬ ОКЕАНА
Штормовые ветры нагоняют воду на берег; в сочетании с высоки¬
ми приливами и высокими волнами это нагромождение воды назы¬
вается «штормовым нагоном» и может представлять большую
опасность.
Внутренние волны могут «попадать в ловушку» и переносить
энергию вдоль береговой линии на большие расстояния; они назы¬
ваются «волнами Кельвина».
Рис. 17.1. Волны переносят энергию.
256
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
ности, может и не подозревать, что несколькими десятками
метров ниже сам термоклин испытывает волнообразные
подъемы и опускания, которые медленно распространяются
вдоль него. Один из еще не решенных вопросов океанологии
состоит в том, как образуется этот тип внутренних волн.
Мы вполне определенно знаем, что штормы на море гене¬
рируют цуги внутренних волн, амплитуды которых могут
превышать сотню метров. Внутренние волны другого типа
обнаружены у изолированных островов и похожи по своей
структуре на подветренные волны в облаках, распространя¬
ющиеся в направлении ветра от высоких горных вершин.
Береговая линия океанов — это резкий раздел между
жидкой водной средой и горными породами материка. Осо¬
бого типа поверхностные волны, возникающие в этой обла¬
сти, называются «краевыми волнами». Мы не можем «уви¬
деть» эти волны: их длина, составляющая несколько кило¬
метров, слишком велика, но чувствительные приборы спо¬
собны обнаружить периодический подъем и спад уровня мо¬
ря. И опять-таки амплитуда этих волн максимальна у бере¬
говой линии и быстро снижается при удалении от берега.
Волны распространяются параллельно берегу, отсюда и их
название — «краевые». Волнообразное движение, упомяну¬
тое в связи с прибрежным апвеллингом, — это очень круп¬
ная волна, распространяющаяся вдоль континентальной
окраины как «прибрежная захваченная волна»; расстояние
от одного гребня этой волны до другого вдоль берега мо¬
жет измеряться сотнями километров (см. также описание
явления Эль-Ниньо в гл. 10).
4. Существует и другая форма волновых движений жид¬
кости. Это так называемые сейши, или стоячие волны. Все
мы знакомы с ними — это они возникают в ванне, если
двигать в воде рукой. Независимо от того, чем вызываются
такие колебания, их период находится в прямой зависимо¬
сти от размеров резервуара. В океанских бассейнах главный
источник волновой энергии — приливы; поэтому в каждом
океанском или морском бассейне сейши возникают один раз
или дважды в сутки: либо при полусуточном, либо при су¬
точном приливе. В местах с особыми условиями, например
в заливе Фанди (Новая Шотландия), чрезвычайно большая
разность между уровнями прилива и отлива, превышающая
15 м, — следствие резонанса между волнами в заливе и при¬
ливами открытого океана.
Типы и характеристики волн
Волны и волновые движения в океанах характеризуются
чрезвычайно широким диапазоном длин волн, т. е. расстоя¬
ний от гребня до гребня, и периодов, т. е. интервалов вре¬
мени, необходимых для прохождения двух последователь¬
ных гребней мимо наблюдателя. Самые малые — капилляр¬
ные поверхностные волны, имеющие длины в несколько
сантиметров и периоды в доли секунды. Самые длинные
волны — приливные, расстояние между их гребнями дости¬
гает половины окружности Земли, т. е. около 20 тыс. км.
Но период приливных волн не самый большой. Длинным
периодом отличаются медленные внутренние волны, кото¬
рым требуются месяцы, чтобы пересечь океан.
Широкие диапазоны длин и периодов волновых движе¬
ний в океане можно наглядно изобразить, например, в виде
спектрального графика, представленного на рис. 17.2. По
одной оси этого графика указаны различные типы волн,
классифицированные по периоду. Если принять во внимание
малое расстояние между гребнями и то, что капиллярные
волны движутся очень быстро, становится ясно, что их пе¬
риод — самый короткий из всех. В середине шкалы распо¬
лагаются приливы и цунами. Их периоды составляют от не¬
скольких минут до нескольких часов. Эти волны также рас¬
пространяются очень быстро, проходя сотни километров за
час, но их длина от гребня до гребня столь значительна, что
время, необходимое для прохождения одного цикла, весьма
велико. На дальнем конце спектра находятся явления с чрез¬
вычайно длинными периодами. Например, медленные изме¬
нения океанических течений, вызванные сезонными измене¬
ниями ветров, можно рассматривать как волнообразные
возмущения с периодом в год. Другие вариации могут
иметь период в несколько лет, как в случае явления Эль-
Ниньо, связанного с так называемым Южным колебанием
(гл. 10).
На рис. 17.2 представлены также механизмы, создающие
волновое движение, или препятствующие ему, или влияю¬
щие на его распространение. Например, поскольку вода на
гребне ветровой волны в данный момент находится выше
среднего уровня моря в этой точке, — значит, ветер, чтобы
поднять ее туда, совершил работу против силы тяжести:
таким образом, возмущающей силой является ветер. Силой,
вызывающей приливы, служит притяжение планет. Цунами
возникает вследствие сейсмической подвижки на дне моря,
чаще всего — землетрясения, но крупные турбидные потоки
(и крупные оползни. — Перев.) также могут приводить к
возникновению цунами. Возмущающая сила здесь также
производит работу против силы тяжести, так что именно
сила тяжести выступает в роли основной силы, возвращаю¬
щей поверхность моря в невозмущенное состояние. Однако
при образовании капиллярных волн ветер преодолевает си¬
лу поверхностного натяжения на самой поверхности воды,
так что главной возвращающей силой в этом случае являет¬
ся поверхностное натяжение. Для очень долгопериодных
волн картину осложняет сила Кориолиса, вызывающая от¬
клонение от направления распространения волны. При рас¬
пространении внутренних волн вдоль разделов в поле плот¬
ности, таких, как термоклин, механизм генерации волн сно¬
ва должен действовать против силы тяжести. Однако раз¬
ность плотностей воды выше и ниже термоклина очень ма¬
ла — меньше одной десятой от разности плотностей возду¬
ха и морской воды на их поверхности раздела. По этой при¬
чине внутренние волны могут иметь амплитуды в сотни
метров, но они не переносят так много энергии, как неболь¬
шие ветровые волны. Океанологи только сейчас начинают
раскрывать тайны внутренних движений в океанах.
Высота каждого пика кривой на рис. 17.2 характеризует
общее количество энергии, заключенное в волнах определен¬
ной длины в любой момент времени и суммированное по
всем океанам. Например, в ветровых волнах больше энер¬
гии, чем в волнах любого другого типа. Это не значит, что
одна ветровая волна, с которой мы можем поиграть на
пляже, имеет самый большой запас энергии. Нет, это озна¬
чает, что в каждый момент времени в бесчисленных ветро¬
вых волнах, возмущающих всю огромную поверхность океа¬
нов, запасено больше энергии, чем в любом другом типе
волн, включая приливы. Теперь мы рассмотрим различные
типы волн более подробно.
Капиллярные волны
Самые короткие волны, наблюдаемые на поверхности мо¬
ря, возбуждаются трением между двумя текучими средами
— воздухом и водой. Эти волны представляют собой то са¬
мое первое изменение формы поверхности, которое возника¬
ет, когда начинает дуть ветер. Стоя ранним утром на высо¬
ком берегу над спокойным озером, мы можем видеть, как
ГЛАВА 17. ВОЛНЫ И ВОЛНОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ
257
Штормовые нагоны
с
1 Цунами
J Внутренние волны - вертикальные колебания
’ внутренних поверхностей раздела
!>
* Поверхностные волны
(от ветровых волн до зыби)
1 ’’Очень короткие” гравитационные волны: период около 1 с и длина 30 см от гребня до гребня
-| Капиллярные волны - самые короткие в океане
I Сезонные изменения
| уровня моря
* * - еТ 1 Эль-Ниньо
Рис. 17.2. Спектр волнения — распределение энергии между встречающимися в океанах всевозможными типами волн. Для всех волн ука¬
заны периоды.
-| ’’Двухнедельный” прилив
Волновые движения,
вызванные прохождением штормов
I и атмосферных фронтов
Суточный прилив
ч I
Полусуточный прилив
первый слабый ветерок сменяет безветрие и на поверхности
воды внезапно появляются и исчезают пятна легкой ряби,
которые иногда называют «кошачьими лапками». Это и
есть участки развития капиллярных волн с длиной волны
всего лишь 2—5 см. Трение о воздух морщит водную гладь
в череду мелких волн, а поверхностное натяжение воды все
время стремится возвратить поверхности ее первоначаль¬
ную гладкость, характеризующуюся минимальной энергией.
Вот так и теряют капиллярные волны свою энергию движе¬
ния, переходящую благодаря молекулярной вязкости воды
непосредственно в тепло.
В море капиллярные волны часто не заметны на фоне
других волн длиной в сотни метров. Но они всегда возника¬
ют, как только скорость ветра превысит несколько метров в
секунду. А поскольку ветры в море дуют почти все время,
увидеть «зеркальную гладь» океанской поверхности удается
чрезвычайно редко. Я видел такой океан только раз и могу
засвидетельствовать, что это жуткая картина: длинные тя¬
желые волны изгибали зеркально гладкую поверхность, но
никакой ряби не было.
Трение ветра — не единственная причина капиллярных
волн. Очень внимательный наблюдатель заметит в море
внезапное появление капиллярных волн прямо перед гребня¬
ми очень коротких гравитационных волн, когда их крутизна
нарастает и они становятся почти неустойчивыми. Но вме¬
сто того чтобы обрушиваться вперед, как это делают круп¬
ные ветровые волны, жидкость у гребня как бы «сползает»
вперед, образуя ряд морщин. Это тоже капиллярные волны;
они представляют собой важный промежуточный этап в
диссипации энергии крупных волн (их энергия превращается
прямо в тепло благодаря вязкости) и поэтому действуют
как «короткое замыкание» при непрерывном накоплении
энергии «больших волн», что будет описано в следующем
разделе.
Очень короткие гравитационные волны
Когда длина поверхностной волны увеличивается до 5 — 30
см, сила тяжести начинает оказывать все большее влияние
на ее форму и движение, оставляя силе поверхностного на¬
тяжения важную роль только в круто искривленной части
волн вблизи гребня. Имея период 1 с, эти волны распро-
258
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
На этой весьма содержательной фотографии можно видеть волны
самых разнообразных типов. Самые маленькие капиллярные волны
создают крошечные блики отраженного солнечного света. Следую¬
щие по размеру — очень короткие гравитационные волны, которые
придают поверхности «морщинистый» вид. Еще более длинные
волны — обычные ветровые.
страняются очень медленно — гораздо медленнее типичных
поверхностных волн. Соответственно такие волны наблю¬
даются на склонах и гребнях более быстрых ветровых волн
и зыби. Именно в это время очень короткие волны стано¬
вятся наиболее крутыми и теряют свою энергию, причем на
поверхности моря развиваются только что описанные ка¬
пиллярные волны.
При шторме резкое вздымание волн в сочетании с силь¬
ными порывами ветра вызывает частое обрушение волн, со¬
здавая белые гребешки на море — так называемые бара¬
шки. Энергия не может рассеиваться через короткие и ка¬
пиллярные волны настолько быстро, чтобы понизить ост¬
рые гребни крупных морских волн и предотвратить их обру¬
шение. В древности моряки знали это по опыту. В бурном
море рулевой направлял свой корабль в том же направле¬
нии, куда катились волны, благодаря чему они набегали на
корму судна. Чтобы волны не перехлестывали через корму,
команда подвешивала за кормой парусиновые мешки с про¬
масленным тряпьем. Жир уменьшал поверхностное натяже¬
ние, препятствуя образованию медленных коротких и капил¬
лярных волн и тем самым понижая силу торможения круп¬
ных волн. В результате большая волна проходила под ко¬
раблем без обрушения. Из этого опыта и родилось старин¬
ное правило: «умасли потревоженные воды»; сегодня, забо¬
тясь об окружающей среде, мы уже не можем поступать по¬
добным образом.
Ветровые волны
Как отмечалось раньше, в ветровых волнах содержится
больше энергии, чем в океанских волнах любого другого ти¬
па; на рис. 17.2 этому соответствует высокий и широкий
пик энергии между периодами 5 и 30 с. Наибольшая часть
энергии, накопленной в ветровых волнах на безбрежных
просторах океана, в конце концов достигает того или иного
побережья и рассеивается в процессе турбулентности в при¬
бойных зонах. В гл. 18 мы узнаем, что концентрация энер¬
гии в волне возрастает как квадрат ее высоты (Н2). Вели¬
чина этой энергии поразительна: волна с периодом 10 с и
высотой 2 м несет в каждом погонном метре гребня столь¬
ко энергии, что ее достаточно для питания 250 электричес¬
ких лампочек по 100 Вт каждая. Такая энергия, однако, рас¬
пределяется по Мировому океану неравномерно. Возбудите¬
лем этих поверхностных волн служат ветры; поэтому мож¬
но ожидать, что волны с наибольшим запасом энергии воз¬
никают в тех же поясах, где дуют приповерхностные запад¬
ные и восточные ветры. Наиболее показательный пример
(рис. 17.3) — приуроченность самых больших ветровых
волн, возникающих в поясе между 40 и 50° ю.ш., к зоне за¬
падных ветров в этом регионе Южного океана, иногда на¬
зываемом «ревущие сороковые и неистовые пятидесятые».
Здесь, ввиду того что ветер дует неослабно вокруг всего
земного шара, возникают самые длинные из всех поверх¬
ностных волн: длина некоторых из них превышает 500 м, а
скорость — 25 м/с. Неудивительно, что «обогнуть мыс
Горн», т. е. проплыть вокруг оконечности Южной Америки
(у 54° ю.ш.), было серьезным экзаменом для первых море-
Рис. 17.3. Карта Мирового океана с изоли¬
ниями средней высоты поверхностных вет¬
ровых волн для зимнего сезона Южного по¬
лушария 1978 г. по альтиметрическим дан¬
ным со спутника «Сисат». Ясно видно, что
в Южном океане концентрируется наиболь¬
шая часть энергии волн, возбуждаемых вет¬
рами «ревущих сороковых и неистовых пя¬
тидесятых» (широтный пояс западных вет¬
ров). Шкала разной густоты закраски в
нижней части рисунка соответствует раз¬
ным градациям высоты волн [2].
ГЛАВА 17. ВОЛНЫ И ВОЛНОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ
259
В нескольких сотнях метров
над уровнем моря скорость
ветра меняется плавно
Средний
уровень —rz
Ячейки-
повышенного /
-давления
Но у поверхности моря воздушный поток
имеет довольно турбулентный характер
и на некоторых участках атмосферное давление
чуть выше среднего. Вся картина распределения
флуктуаций давления перемещается вдоль
поверхности в среднем потоке.
Рис. 17.4. Ветры сообщают
энергию поверхностным вол¬
нам неравномерно. Над морс¬
кой поверхностью ветер дви¬
жется с некоторой средней
скоростью. В этом общем по¬
токе воздуха малые флуктуа¬
ции давления распределены
случайным образом, но мак¬
симальное расстояние между
ними зависит от скорости вет¬
ра. При «устойчивом» ветре
это расстояние сохраняется
неизменным и образуются
волны такой же длины. Чем
выше скорость ветра, тем
больше расстояние между
флуктуациями давления и тем
длиннее — и выше — образу¬
ющиеся поверхностные вол¬
ны.
Al^llllllllllllllll)llllll.
Х/А Направление расп
В океанах волны будут неизменно забирать энергию из турбулентного воздушного по¬
тока и увеличивать свою амплитуду, если
а) расстояние L между гребнями волн соответствует распределению флуктуаций ат¬
мосферного давления, т. е. если области повышенного давления приходятся на ложби¬
ны волнового поля, а участки пониженного давления совпадают с гребнями волн, и
б) растущие волны движутся в том же направлении, что и средний ветер, и пример¬
но с той же скоростью, т. е. если система распределения давления может питать волны
энергией непрерывно.
плавателей и получило мировую известность как испытание
силы и мужества моряков, а также надежности корабля.
Как ветры возбуждают волны. Прежде чем говорить о том,
как возбуждаются волны, опишем сначала характер самого
ветра (рис. 17.4). У поверхности поле скоростей в воздуш¬
ном потоке совсем не однородно и «не гладко», скорости
резко меняются — иногда меньше, иногда больше — и вся
картина носит хаотичный характер, т. е. турбулентна по
своей природе. О распределении скорости ветра необходимо
сделать еще два важных замечания.
1. Поле скоростей нестационарно: оно смещается со ско¬
ростью, равной средней скорости ветра.
2. Среднее расстояние, разделяющее ячейки с наиболь¬
шей энергией в поле скоростей, остается неизменным, пока
остается неизменной средняя скорость ветра; поэтому рас¬
пределение этих ячеек влияет на передачу энергии опреде¬
ленным океанским волнам.
Сделанные замечания означают, что поле ветра у по¬
верхности обладает некой «структурой». Это очень важно,
и упомянутую структуру можно закартировать, чтобы уви¬
деть поле случайных флуктуаций давления, как это сделано
на рис. 17.4. А чтобы точно закартировать такое поле, надо
провести одновременные измерения атмосферного давления
на обширных просторах океана. Но никто еще не совершил
этот подвиг! Однако мы можем делать выводы о существо¬
вании определенной структуры поля ветра, следя за измене¬
ниями давления во времени на какой-либо одной измери¬
тельной станции, например на судне или буе.
Аналогия с распределением ветров над нивами Канзаса
поможет читателю понять, что представляет собой эта дви¬
жущаяся, хаотичная, турбулентная структура. Те, кто наб¬
людал большие хлебные поля, могут вспомнить движение
пятен света, отраженного от тех участков, на которых зла¬
ки сильнее склонились под ветром, чем на соседних участ¬
ках. На широком поле можно увидеть сразу несколько та¬
ких пятен, и все они движутся в направлении среднего вет¬
ра. На поверхности океана этим пятнам соответствуют
«ячейки», показанные на рис. 17.4. Важно заметить, что ес¬
ли бы все поле ветра внезапно поднялось ввысь и оторва¬
лось от хлебного поля, то и вся структура пятен немедлен¬
но исчезла бы: «волны» уже не будут распространяться по
полю, если снять ветровое воздействие.
Напротив, волны, возникающие в океанах, продолжают
существовать и после исчезновения возбуждающих их вет¬
ров. Это простые волнообразные возмущения поверхности
океана, бегущие в том же направлении, в каком дул ветер,
«раскачавший» воду. Следовательно, если такие волны дви¬
жутся в общем в направлении действия ветра и со скорос¬
тью, близкой к средней скорости этого ветра, то их энергия
все время нарастает; турбулентные ветровые ячейки про¬
должают над ними «совершать работу», если и волны, и
эти ячейки движутся более или менее согласованно по на¬
правлению ветра.
Определим теперь более строго, каким образом энергия
передается от ветра морским волнам. Вначале энергия дви¬
жения среднего ветрового поля создает в слое воздуха, не¬
посредственно соприкасающегося с поверхностью, ячейки
260
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
Рис. 17.5. Ограничение волн по высоте.
Критический угол
не бывает меньше 120е
(а) Критическое состояние для обрушения волны зависит либо от минимального угла при вер¬
шине волны, либо от максимальной высоты Н волны при данной длине L (расстоянии от
гребня до гребня). Критическое значение H/L : при Н = L /7 угол при вершине (у гребня) вол¬
ны становится критическим; дальнейший рост (заострение) волны приводит к появлению «ба¬
рашков», т. е. к обрушению волны.
(6) Рельеф океанических поверхностных волн определен путем интерпретации аэрофотосним¬
ков. Этот способ дает фотографически «запечатленный» мгновенный профиль поверхности
раздела воздух/вода. График показывает, как можно оценить отношение Н/L для реальных
волн:
Н, 4,3 м Я, 5,1 м Н z
—- = = 0,09; — = = 0,115; — (критич.) = 1/7 = 0,143.
L j 48 м L 2 44 м l
турбулентности. В процессе «согласования» пиков высокого
давления в турбулентных ячейках с впадинами бегущих мор¬
ских волн, а минимумов давления — с гребнями волн ветро¬
вое поле толкает и тянет частицы воды на поверхности мо¬
ря, все увеличивая высоту волн. Конечная структура волно¬
вого поля зависит от 1) продолжительности действия ветра
— периода времени, в течении которого идет передача энер¬
гии, 2) скорости ветра в течение этого периода и 3) так на¬
зываемого разгона — расстояния, на котором ветровое и
волновое поле остаются взаимосвязанными.
Роль продолжительности воздействия ветра и величины
разгона. Интуиция подсказывает нам, что должен существо¬
вать какой-то предел роста волн при передаче энергии от
ветрового поля. Одно такое ограничение накладывается
максимумом отношения высоты волны Н к ее длине L,
т. е. Н /L (рис. 17.5). Это отношение называется «крутиз¬
ной волны», и когда крутизна волны превышает 1:7, т. е.
когда высота ее становится больше одной седьмой ее дли¬
ны, волна, как правило, разрушается. Обрушение гребня
волны в море, дающее упомянутые выше белые «барашки»,
приводит к потере части энергии волнового движения в тур¬
булентном движении самих этих «барашков». Волна катит¬
ся дальше с остатком своей энергии, и если она остается по-
прежнему связанной с ветровым полем, то в конце концов
восполнит потери, снова приобретет критическую крутизну,
снова обрушится и т. д. Когда море достигло такого состо¬
яния, то говорят о «полностью развитом волнении», когда
оно целиком согласуется с возбуждающим его полем ветра.
Сможет ли крутизна данной волны вырасти до критичес¬
ГЛАВА 17. ВОЛНЫ И ВОЛНОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ
261
кой величины, зависит от того, насколько долго волна на¬
ходится под воздействием ветра. Если ветровое поле зату¬
хает или если атмосферное возмущение, породившее его, пе¬
ремещается в другие районы океана, волнение не успевает
полностью развиться. Иначе говоря, волновое поле не успе¬
вает «созреть», и его называют ограниченным по продол¬
жительности развития.
Волновое поле может быть ограниченным и по длине
разгона. Это бывает в тех случаях, когда, будучи еще не
полностью развитыми, волны встречают на своем пути
какое-то препятствие. Например, волны, не набрав еще пол¬
ную силу, наталкиваются на берег. Большинство из нас зна¬
комы с этим ограничением, так как бывали на небольших
озерах; чем крупнее озеро, тем больше и волны, ударяющие
о наветренные берега.
На рис. 17.3 прекрасно видно, какой характер принимает
волнение, если разгон неограничен: в том широтном поясе
Южного океана, где нет материковых преград, «ревут и не¬
истовствуют» большие волны. Западные ветры здесь могут
создавать почти неограниченную по продолжительности
движущую силу.
Роль скорости ветра в формировании волнения. Моряки по
опыту знают, что энергия развитого волнового поля замет¬
но возрастает при увеличении скорости ветра. Говоря о
«волнении», имеют в виду то состояние морской поверхно¬
сти, которое возникает, когда ветер определенной скорости
реализует весь свой энергетический потенциал. Состояние
поверхности моря определяется главным образом визуаль-
но. В 1934 г. В. Корниш [3] опубликовал сводку таких визу¬
альных наблюдений, обобщающих характеристики волно¬
вых полей при разных скоростях ветра (табл. 17.1). Перед
тем как описать эти характеристики, заметим, что каждый
человек, которого попросят оценить среднюю высоту волн
на море, прежде всего обратит внимание на самые высокие
волны, и это естественно, так как они доминируют в наб¬
людаемой картине. Поэтому в табл. 17.1 даются средние
значения для трети наблюдаемых самых высоких волн, т. е.
волн, доминирующих при данном ветре. Из этих данных
можно сделать несколько важных выводов.
1. Средняя скорость самых высоких волн составляет при¬
мерно 0,8 от скорости ветра для всех наблюдавшихся скоро¬
стей — от 14 до 31 м/с. Этот результат подтверждает сде¬
ланное раньше утверждение о том, что энергия передается
от ветра к волнам наиболее эффективно тогда, когда волны
движутся с той же скоростью, что и система ячеек давления
в среднем ветре.
2. Как наблюдаемый средний период волн, так и высота
их возрастают пропорционально скорости ветра: если ско-
Таблица 17.1. Характеристики ветровых волн, наблюдаемых в море
при различной скорости ветра [3]
Скорость
ветра,
м/с
Ско¬
рость
волн,
м/с
Период
Г, с
Дли¬
на L,
м
Вы¬
сота
Я,м
H/L
Плот¬
ность
энергии,
кДж/м2
14,2
11,5
7,0
78
6,9
0,088
59,5
16,0
12,8
8,0
103
7,7
0,074
74,1
19,2
15,3
9,5
147
9,2
0,063
106,0
22,9
18,3
11,5
209
10,9
0,052
148,5
27,0
21,5
13,5
290
13,0
0,045
211,0
31,1
25,0
15,5
384
14,8
0,039
274,0
Рис. 17.6. Увеличение энергии цуга волн при возрастании скорости
ветра, возбуждающего эту волновую систему (по данным
табл. 17.1).
рость ветра увеличивается в 2,19 раза (с 14,2 до 31,1 м/с),
период волн возрастает в 2,21, а высота — в 2,14 раза.
3. Однако заметьте, что длина вырастает более чем
вчетверо — с 78 до 384 м, когда скорость ветра только уд¬
ваивается (с 14,2 до 31,1 м/с). Это говорит о том, что те
волны, которые движутся быстрее, имеют и ббльшую дли¬
ну, или, что то же самое, длинные волны распространяются
с большей скоростью, чем короткие.
4. Плотность энергии в поле самых длинных волн так¬
же возрастает более чем вчетверо при том же изменении
скорости ветра. Волна, формирующаяся при скорости ветра
31,1 м/с, несет в себе 274 кДж энергии на каждый квадрат¬
ный метр поверхности океана, а более короткая волна, возни¬
кающая при скорости ветра 14,2 м/с, — всего 59,5 кДж/м2,
т. е. отношение равно приблизительно 4:1. Кроме того,
длинные волны переносят энергию вдвое быстрее, чем корот¬
кие. Следовательно, они примерно в 8 раз мощнее! Более де¬
тально энергия ветровых волн будет рассмотрена в гл. 19.
5. Наконец, крутизна (отношение высоты к длине) этих
доминирующих волн с возрастанием скорости ветра и дру¬
гих факторов понижается. Это непосредственно вытекает из
того, что длина волны (которая учетверяется) растет гораз¬
до быстрее, чем высота (которая лишь удваивается).
На рис. 17.6 графически изображены данные табл. 17.1 о
генерации волн ветрами. Видно, как изменяется пик рас¬
пределения энергии в зависимости от характера ветра; при
этом предполагается, что продолжительность действия вет¬
ра и разгон позволяют волнам во всех случаях развиться
полностью. Чтобы получить более целостное представле¬
ние, сравните этот график с долей ветровых волн в общем
спектре распределения энергии на рис. 17.2.
Штормовой нагон: крупномасштабное
воздействие ветра
Явление штормового нагона следует рассмотреть, пока мы
еще не оставили вопрос о ветрах, производящих работу над
поверхностными водами. Хотя штормовой нагон — это,
строго говоря, не волна, он очень сильно влияет на челове¬
ческую деятельность, так как возникает в сочетании с ветро¬
262
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
выми волнами и приливами. Именно поэтому мы его здесь
и рассмотрим.
В гл. 10 содержится описание эффекта Экмана: в глубо¬
ком океане ветер, дующий над поверхностью, заставляет
поверхностный слой воды перемещаться перпендикулярно
направлению ветра. Теперь мы знаем, что этот эффект воз¬
никает вследствие двух причин: 1) передачи количества дви¬
жения от ветра к воде через капиллярные и очень короткие
гравитационные волны и 2) отклоняющего действия силы
Кориолиса. Однако при уменьшении глубины океана на¬
правление экмановского переноса становится все ближе к
направлению ветра, а значит, и к направлению волн, воз¬
буждаемых этим ветром. Важно осознать потенциальную
опасность штормовых нагонов: на рис. 17.1 показано, что
экмановский перенос может вызвать повышение уровня мо¬
ря у берега. Если нагон происходит во время прилива, соче¬
тание нагона и высоких ветровых волн может привести к
тому, что вода затопит берег.
В историческом плане жители Нидерландов имеют боль¬
ший опыт встреч со штормовыми нагонами, чем большин¬
ство других народов, поскольку они населяют низменную
страну, большая часть которой отвоевана от соседнего мел¬
ководного Северного моря путем строительства дамб и от¬
качки морской воды. Штормы, возникающие на мелководье
Северного моря, неоднократно причиняли ущерб Нидерлан¬
дам и уносили человеческие жизни. В США печально знаме¬
нит штормовой нагон 1900 г., возникший в результате
шторма в мелководной части Мексиканского залива недале¬
ко от портового города Галвестон, шт. Техас. Этот нагон
причинил ущерб на большой площади и стал причиной гибе¬
ли около 2 тыс. человек*. В 1973 г. в результате сильного
штормового нагона в Бенгальском заливе были затоплены
обширные площади в прибрежных провинциях Республики
Бангладеш. В этом случае число жертв превысило 300 тысяч!
Глубина океана — фактор, определяющий
характер волн
Продвигаясь далее вдоль спектра, показанного на рис. 17.2,
мы встречаем группу очень длинных волн с очень большими
периодами, важнейшими примерами которых служат цуна¬
ми и приливные волны. Мы видим, что характеристики
очень длинных волн частично определяются глубиной воды,
поэтому нам надо описать, каким образом и в какой обста¬
новке волны могут «почувствовать» влияние океанского
дна. Чтобы сделать это, мы должны рассмотреть, как ве¬
дет себя сама водная среда, когда через нее проходит волна.
* Как ни странно, галвестонский эпизод нисколько не ускорил ис¬
следование причин штормовых нагонов и работы по их прогнозу.
Однако их стимулировало событие, происшедшее во время второй
мировой войны на отдаленном атолле Тарава (острова Гилберта,
теперь Республика Кирибати. — Переев. Американский морской де¬
сант пытался высадиться на амфибиях на пляжи этого острова, за¬
нятого японцами. Японские защитные сооружения представляли
собой стальные и деревянные барьеры, мешающие проходу десант¬
ных судов и машин. Американцы знали, что средняя глубина воды
у этих барьеров должна позволить высадку войск и их продвижение
на побережье. Однако в это время случился нагон, вызванный тай¬
фуном, и глубина воды увеличилась настолько, что продвижение
войск стало невозможным. Американцы потеряли больше батальо¬
на морской пехоты. Одним из непосредственных результатов этого
неудачного десанта была экстренная разработка программы иссле¬
дований по прогнозу штормовых нагонов и других волновых воз¬
действий.
Рис. 17.7 иллюстрирует поведение частиц воды при пере¬
мещении волны по морской поверхности. В начальный мо¬
мент два соседних гребня волны находятся в положениях 0
и 20: эти числа соответствуют времени, выраженному в се¬
кундах. (Однако имейте в виду, что для волн период 20 с не¬
типичен; у большинства ветровых волн он составляет
8—10 с.). Наша цель — проследить траекторию отдельной
водной частицы при прохождении волны, и для этого мы
выбираем частицу, расположенную на поверхности воды,
но в ложбине — посередине между гребнями. По мере того
как волна продвигается вправо, отмечаем точками последова¬
тельные положения выбранной нами частицы в каждую се¬
кунду. Поведение частицы имеет три важные особенности.
1. По мере приближения гребня поверхностная частица
перемещается в направлении движения гребня и вверх; когда
гребень приходит в среднее положение 10, частица оказыва¬
ется вверху и движется вместе с гребнем. Следовательно,
передний слой ветровой волны — это зона схождения по¬
верхностных вод. (Вспомним, что именно здесь усиливают¬
ся очень короткие волны, от которых энергия передается
капиллярным волнам, а затем переходит в тепло.) Задний
склон ветровой волны, наоборот, — зона, где поверхности
расходятся, т. е. растягиваются. Те, кто был в море, очень
хорошо знают, что тыловой склон волны всегда более глад¬
кий, чем «морщинистый» фронтальный склон.
2. Когда гребень волны достигает положения 20, рас¬
сматриваемая частица воды, пройдя по траектории в форме
окружности, возвращается в свое исходное положение. Фак¬
тически эта траектория никогда точно не повторяется: ча¬
стица испытывает небольшое смещение в направлении рас¬
пространения волны. На глубокой воде в открытом море
такое результирующее смещение мало по сравнению с мак¬
симальным радиусом кругового движения частицы при про¬
хождении волны.
3. Диаметр замкнутой траектории, описываемой поверх¬
ностной частицей, равен полному вертикальному расстоя¬
нию между гребнем и впадиной, т. е. «высоте» волны. Ча¬
стицы же, находящиеся на глубине, движутся по траектори¬
ям гораздо меньших размеров. Убывание диаметра траекто¬
рии с глубиной происходит по экспоненциальному закону;
на рис. 17.7 траектории показаны в истинном масштабе по
отношению к длине поверхностной волны. Ясно, что на
глубинах, превышающих половину длины волны, смещение
частицы пренебрежимо мало, и это приводит нас непо¬
средственно к теме следующего раздела.
Волна «чувствует» дно благодаря трению
Исходя из п. 3, мы заключаем, что поверхностные волны в
открытом море не могут «чувствовать» дно, потому что
движение частиц быстро затухает с глубиной. В табл. 17.1
самые длинные волны — 384-м — имеют период 15,5 с; на¬
ши волны с периодом 20 с имели бы длину около 600 м.
Следовательно, если глубина океана больше 600/2 = 300 м,
движение частиц у дна пренебрежимо мало. Никакого фрик¬
ционного «торможения» о дно, которое могло бы замед¬
лить волну или отобрать у нее энергию, не существует.
Однако влияние трения начинает проявляться, когда вол¬
на приближается к берегу. Вспомним сказанное в гл. 5:
средняя глубина моря там, где кончается шельф и начинает¬
ся материковый склон, составляет 135 м, т. е. около 0,2 от
длины рассматриваемой нами волны. Из рис. 17.7 видно,
что на такой глубине частицы воды описывают траектории
существенных размеров, двигаясь со скоростью 0,3 от ско¬
рости поверхностных частиц. По мере того как волна дви-
ГЛАВА 17. ВОЛНЫ И ВОЛНОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ
263
Обычно ветровые волны редко пере¬
хлестывают через береговые подпор¬
ные стенки, как видно на этом сним¬
ке. Но под ураганным ветром по¬
верхностная вода может хлынуть на
берег. Вал воды бывает высотой в
несколько метров и преодолевает бе¬
реговые ограждения, производя тя¬
желые разрушения зданий и соору¬
жений на побережье. Обратите вни¬
мание на два столба уличного осве¬
щения, оказавшиеся среди воды.
жется по шельфу к берегу, дно все больше влияет на движе¬
ние частиц воды. Траектория частиц у дна, очевидно, уже
не может быть кругом — она уплощена, и частица соверша¬
ет колебательные движения вперед-назад вдоль дна; это и
является источником трения и тем механизмом, посредст¬
вом которого волна начинает «чувствовать» дно. На
рис. 5.8 указаны силы, приводящие в движение осадки мел¬
ководного шельфа. В середине шельфа — на глубинах 100 м
и больше — только очень длинные волны вызывают коле¬
бания воды, достаточные, чтобы сдвинуть и взмутить дон¬
ные осадки; например, только что упоминавшаяся нами
волна способна сделать это. Конечно, подавляющее боль¬
шинство ветровых волн гораздо короче, чем волна, пока¬
занная на рис. 17.7, и они не испытывают влияния дна, пока
не подойдут к берегу совсем близко. (Подробнее поведение
волн у пляжей и береговых линий описывается в гл. 18.)
Направление волны
Поверхностная частица воды остается
на поверхности в течение всего времени
прохождения волны и описывает
окружность за период волны -
в данном случае за 20 с
Рис. 17.7. Траектории смещения частиц воды на разных глубинах
за время одного периода прохождения волны. Круговое движение
отдельного малого объема воды показано последовательными схе¬
матическими окружностями. Траектории частиц близки к окружно¬
стям, радиусы которых быстро уменьшаются с глубиной. Если
длина волны не превышает по меньшей мере вдвое глубину бассей¬
на, волна не «чувствует» фрикционного торможения со стороны
твердого дна.
264
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
Очень длинные волны: цунами и приливы
В обыденном английском языке ежедневные повышения и
понижения поверхности моря у берегов обозначают словом
tide (по-русски — приливы и отливы). Чаще всего мы не на¬
зываем их tide waves (приливные волны), хотя это именно
волны; вместо этого волновой характер данного процесса
выражают другими терминами: flood tide (полная вода),
ebb tide (малая вода), slack tide (кроткая вода — период за¬
стоя между приливом и отливом), spring tide (сизигийный
прилив — самый высокий прилив, наблюдаемый в новолу¬
ние и полнолуние), neap tide (квадратурный прилив — са¬
мый низкий прилив) и т. д. В нашей книге при описании
приливных явлений используются как этот просторечный
жаргон, так и точный термин: приливные волны. Англосак¬
сы привыкли называть так любые катастрофические явле¬
ния, когда вода стеной обрушивается на берег. В океаноло¬
гии — ив этой книге — высвобождение огромного коли¬
чества энергии, обладающей колоссальной разрушительной
силой, обозначается японским словом цунами (буквально —
«волна в заливе»).
В действительности эти два явления — приливы и цуна¬
ми — не связаны между собой, если не считать того, что
1) оба они представляют собой очень длинные океанские
волны и поэтому 2) скорость этих волн (К, м/с) зависит от
глубины (£>, м) океана в соответствии с формулой
V =v 10 х £>.
При средней глубине океана 4000 м скорость их составля¬
ет V10 х 4000 = 200 м/с, т. е. 720 км/ч. Приливы вызыва¬
ются теми силами, которые удерживают планеты нашей
Солнечной системы на постоянных орбитах. Цунами же
возникают под действием сейсмических подвижек самого
морского дна; энергия этих подвижек передается очень
длинным волнам.
Цунами
В спектре, приведенном на рис. 17.2, для периодов
волн цунами указан интервал от 6 до 60 мин, тогда как при¬
ливы имеют периоды порядка 12—24 ч. Такое большое раз¬
личие характерных периодов обусловлено природой сил,
возбуждающих эти волны. Цунами — реакция океана на им¬
пульс энергии, воздействующий на большую площадь, и
может описываться как свободные колебания после «одно¬
кратного» воздействия. Приливы же всегда вынужденные
по своей природе в том смысле, что океаны постоянно на¬
ходятся под действием сил, порождающих эти волны.
В этой книге волнам цунами не будет уделено много вни¬
мания, но некоторые особенности данного явления упомя¬
нуть стоит. Начнем со смысла этого японского слова —
«волна в заливе». Почему именно это слово используют для
обозначения сейсмически возбужденной волны? Оказывает¬
ся, потому, что для корабля в открытом море волна цунами
визуально неразличима. Только когда волна подходит к
очень мелководным участкам у побережья, она внезапно
становится видимой и часто принимает форму гигантского
вала, выкатывающегося далеко на берег. Поселки японских
рыбаков часто уничтожались такими волнами, но сами ры¬
баки, если они в это время находились в море, не знали о
случившейся катастрофе, пока не возвращались домой. По¬
скольку их деревни всегда находились на берегах заливов и
Цунами, обрушивающееся на берег в Хило, Гавайи, 1 апреля 1946 г. Строения слева — остатки пирса. Высота гребня волны в правой час¬
ти снимка не ниже крыши уже разрушенного пирса.
ГЛАВА 17. ВОЛНЫ И ВОЛНОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ
265
Рис. 17.8. Тихоокеанская сеть стан¬
ций раннего предупреждения о цуна¬
ми (TEWS). Показано расположение
передающих станций и времена дви¬
жения цунами до Гонолулу. Интер¬
вал между изолиниями равен рассто¬
янию, проходимому волной цунами
за 1 ч. Цунами, возникшее в океане у
берегов Чили, двигаясь со средней
скоростью 700 км/ч, дойдет до Га¬
вайских о-вов примерно за 15 ч [7].
мелководных бухт, рыбаки, не видя волны в открытом мо¬
ре, должны были сделать вывод, что она возникает в са¬
мом заливе.
Если скорость свободной волны составляет, как мы под¬
считали, 200 м/с (720 км/ч), т. е. примерно в 10 раз превы¬
шает скорость малолитражки на открытом шоссе, цунами с
периодом 10 мин будет иметь в открытом море расстояние
между гребнями, т. е. длину волны, 120 км. Эти гребни не
будут очень высокими — от силы несколько сантиметров;
почувствовать, что корабль поднимается и опускается на
2 см за период 10 мин, невозможно, так как обычные ветро¬
вые волны качают корабль гораздо сильнее.
Однако когда волна вступает на мелководье залива, ее
скорость в соответствии с приведенной выше формулой ре¬
зко падает. Если передняя часть волны замедляется, а
остальная часть все еще быстро приближается, полная энер¬
гия волны начинает концентрироваться. Форма волны меня¬
ется: гребень становится выше, а впадины — глубже. В кон¬
це концов гребень начинает обрушиваться вперед, как у
обычных бурунов в зоне прибоя, но в отличие от обычного
прибоя гребень цунами может иметь высоту в десятки мет¬
ров и, выплеснувшись на берег, производит колоссальные
опустошения.
Раннее предупреждение о цунами может предотвратить
гибель людей и значительно уменьшить материальный
ущерб. Океанологи разместили сеть станций раннего преду¬
преждения о цунами (TEWS) по всему Тихому океану
(рис. 17.8). Эти станции, оборудованные датчиками, отме¬
чают сигналы, вызванные цунами, и сразу же сообщают об
этом всем станциям сети. Поскольку скорость волн легко
рассчитывается, станции этой сети предсказывают и время
появления цунами в том или ином пункте побережья; благо¬
даря этому службы гражданской обороны могут подгото¬
вить местное население к надвигающейся опасности. Стан¬
ции TEWS связаны также с сейсмическими станциями, ре¬
гистрирующими землетрясения, так что сеть оповещения о
цунами немедленно приводится в полную готовность, как
только поступает сигнал о землетрясении, происшедшем
где-либо в океане.
Мы оставили на самый конец разговор о том, как возни¬
кают волны цунами, ввиду следующего обстоятельства.
Причиной цунами считаются резкие подвижки земной коры
под океаническим дном при землетрясении. Мы не знаем,
каким образом смещение коры сообщает энергию движения
волнам: при одних «моретрясениях» цунами возникают, при
других — нет. Но если корабль окажется точно над тем
местом, где происходит подвижка, т. е. в эпицентре земле¬
трясения, то его команда ощутит последовательность про¬
дольных волн (волн давления), возбужденных этим толч¬
ком. Они распространяются со скоростью звука в воде. Мо¬
ряки говорят, что это похоже на то, как если бы ужасный
Дейви Джонс молотил в днище корабля гигантской кувал¬
дой. Мне не хотелось бы испытать это ощущение.
Приливы
После ветровых волн самое известное свойство морей —
приливы. В английском языке они упоминаются во мно¬
жестве поговорок и метафор: «плывем на приливе», «время
и прилив никого не ждут», «в делах людей бывают прили¬
вы и отливы». Во всех этих выражениях подчеркивается
свойство пульсации, регулярности приливов и отливов. Та¬
кие пульсации не только происходят ежедневно, но и сама
их величина, т. е. разность между отметками высокой и
низкой воды в течение одних суток, тоже как бы пульсирует
между некоторым максимумом, называемым сизигийным
266
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
приливом, и минимумом — квадратурным приливом, с пе¬
риодом 14,75 сут, причем регулярно, как часы. И сама эти¬
мология названия этого периода “fortnight” («две недели»)
восходит к староанглийскому выражению.
О приливах написаны целые книги. Уже давно матема¬
тики обратили внимание на регулярность приливов и при¬
шли к выводу, что должно существовать уравнение, с по¬
мощью которого можно было бы подсчитать высоту при¬
лива для любой точки побережья. Связь между сроками
полной воды и прохождением Луны и Солнца через мериди¬
ан данного места стала ясна уже в древние времена. Но пер¬
вые попытки найти формулу для предсказания колебаний
уровня моря не увенчались успехом. Хотя величину и про¬
должительность действия сил, создающих приливы, можно
было рассчитать с большой точностью, основываясь на
данных об орбитах небесных тел, тем не менее ни одна ма¬
тематическая формула не могла адекватно описать сложную
динамическую реакцию морской воды на эти силы. Мы вер¬
немся к этому вопросу позже.
Можно сформулировать несколько общих утверждений о
приливах. Перечислим их, сопроводив подробными поясне¬
ниями.
1. Сила, создающая двугорбый прилив. Каждый знает,
что океанские приливы вызываются Луной, точнее — вза¬
имным притяжением масс Луны и Земли. Хотя это выраже¬
ние не исчерпывает всех происходящих процессов, но в об¬
щем оно верное. Пара взаимодействующих масс (Земля —
Луна) создает одну приливообразующую силу, которая в
свою очередь создает в Мировом океане два горба воды.
Эти водные горбы располагаются симметрично на ближней
и дальней сторонах земного шара, причем возникают од¬
новременно. Разобраться, почему так происходит, всегда
было для студентов трудной задачей*.
2. Суммарный прилив. Поскольку существует много не¬
бесных тел, образующих пару с Землей и создающих допол¬
нительную приливообразующую силу, общая сила, возбуж¬
дающая на Земле приливы, представляет собой суммарный
эффект многих сил. В дальнейшем, говоря о реальных при¬
ливах, мы будем иметь в виду результирующую реакцию
океана на действие многих сил (в основном Луны и Солнца.
— Ред.). Все эти силы циклические, и их период зависит от
взаимного расположения орбит Земли и другого небесного
тела, образующего с Землей пару. Ни один из периодов не
совпадает с другим, и все силы различаются по времени
действия и относительной величине.
3. Суточное неравенство. Поскольку Земля вращается
вокруг своей оси, наблюдатель на протяжении одного обо¬
рота видит две приливные волны и каждый цикл продолжа¬
ется около 12 ч. Но поскольку земная ось наклонена к плос¬
кости эклиптики, в которой находится орбита обращения
Земли вокруг Солнца, примерно на 23,5°, происходящие за
сутки два прилива оказываются разной высоты. Этот ре¬
зультат называют суточным неравенством приливов.
4. Местное запаздывание. Хотя каждая компонента при¬
лива «возбуждается» своей приливообразующей силой, ско¬
рость распространения результирующей волны определяет¬
ся глубиной океана и оказывается меньше, чем скорость пе¬
ремещения самой «силы». Следовательно, время, когда гре¬
бень приливной волны достигнет данной точки на побе¬
режье, обычно отстает от времени, когда Луна или другое
* И не только для начинающих студентов; мне приходилось встре¬
чать и аспирантов, которые не могли объяснить, почему под воздей¬
ствием приливообразующей силы возникают два водяных горба.
приливообразующее небесное тело проходит в этом месте
прямо над головой. Эта временная задержка называется
местным запаздыванием.
5. Приливные течения. Из-за того что у приливных волн
такая большая длина — половина земной окружности для
каждого из двух периодов двойной волны, — орбиты ча¬
стиц воды при прохождении таких волн на самом деле со¬
всем не похожи на «круговые орбиты»: они совершенно рас¬
плющены и в открытом океане скорее похожи на колебания
вперед-назад. Вблизи побережья они превращаются в при¬
ливные течения. Но, поскольку под приливными течениями
«прокручивается» и сама Земля, в нашем восприятии движе¬
ния приливных волн выглядят как течения с непрерывно ме¬
няющимися направлениями — вследствие эффекта Кориоли¬
са. (Описание приливных течений на шельфе см. в гл. 18.)
6. «Стоячая» приливная волна. Большинство приливных
волн создает самые сильные приливные течения тогда, ког¬
да водная поверхность располагается на среднем уровне мо¬
ря, а не в периоды полной или малой воды. Поэтому при¬
ливные волны относят к категории «стоячих волн».
Двугорбый прилив. Одна особенность приливных волн осо¬
бенно трудна для понимания: это чередование двух макси¬
мумов и двух минимумов в течение одних суток. Попросту
говоря, если приливы вызываются гравитационным притя¬
жением Луны, действующим на воду Мирового океана, то,
казалось бы, должно происходить одно повышение уровня
океана — на стороне, ближайшей к Луне! А в действитель¬
ности такое же повышение одновременно возникает и на
противоположной от Луны стороне Земли. Как объяснить
двугорбый характер приливной волны, т. е. возникновение
двойной приливной волны? Ясно, что это нельзя объяснить
одним только гравитационным притяжением. По величине
непосредственное притяжение Луной некоторого объема во¬
ды, расположенного на земной поверхности в точке, бли¬
жайшей к Луне, составляет всего лишь одну девятимилли¬
онную от притяжения самой Земли, действующего на тот
же объем воды. Например, на экваторе ускорение силы тя¬
жести Земли, действующей на единичную массу морской во¬
ды на среднем уровне моря, составляет, согласно измерени¬
ям, 9,78049 м/с2. В то же время максимальное ускорение,
создаваемое притяжением Луны, составляет здесь всего
1 • 10“ 6 м/с2, т. е. пренебрежимо мало.
Ключ к пониманию двойной приливной волны содер¬
жится в следующих четырех положениях.
1. Любая пара небесных тел, одно из которых обращает¬
ся вокруг другого, находится в состоянии равновесного вра¬
щения. Ось, вокруг которой вращается пара Земля—Луна,
проходит на расстоянии примерно 3/4 земного радиуса от
центра Земли (рис. 17.9, а). Она гораздо ближе к центру
Земли, чем к центру Луны, так как масса Земли в 81,5 раза
больше.
2. Земля перемещается вокруг общего центра масс по¬
ступательно; она не вращается вокруг него. На рис. 17.9, б
показан этот характер движения при исключенном собствен¬
ном вращении Земли: ориентировка земной оси в про¬
странстве остается постоянной. Обратите внимание на ори¬
ентацию Гренландии в каждом из четырех квадрантов, ха¬
рактеризующих положение пары Земля—Луна в процессе
обращения вокруг общего центра масс; поступательное дви¬
жение этого региона вокруг общей оси означает, что каждая
точка Гренландии имеет одну и ту же скорость как по вели¬
чине, так и по направлению, а следовательно, и центробеж¬
ное ускорение в каждый момент времени такое же, как и в
любой другой точке Земли в этот момент.
ГЛАВА 17. ВОЛНЫ И ВОЛНОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ
267
Рис. 17.9. Факторы, влияющие на приливообразующие силы.
(я) Пара Земля — Луна вращается вокруг общей оси.
(б) Однако Земля не «поворачивается» вокруг этой общей оси как
твердое тело, а поступательно перемещается вокруг нее без вра¬
щения. Читатель должен видеть различие между вращением пары
небесных тел и собственным вращением Земли вокруг ее полярной
(б)
©
3. Материальная точка в центре Земли находится в со¬
стоянии силового равновесия, так как к ней приложены со¬
вершенно одинаковые по величине и противоположные по
направлению силы: центробежная, направленная от Луны,
и гравитационное притяжение, направленное к Луне. Но
частицы вещества земной поверхности не находятся в рав¬
новесии. Массы на ближней к Луне стороне Земли испыты¬
вают большее воздействие силы притяжения, чем центро¬
бежной силы, и, следовательно, притягиваются к Луне. В
это же время на массы противоположной стороны Земли
действуют силы притяжения более слабые, чем центробеж¬
ные силы, что вызывает подъем земной поверхности в сто¬
рону, противоположную от Луны. Этот эффект иллюстри¬
рует рис. 17.10.
4. Океанские воды приводятся в движение только тогда,
когда небольшая сила, являющаяся разностью между цент¬
робежной силой и силой притяжения, направлена горизон¬
тально, т. е. вдоль земной поверхности (рис. 17.10,а). Даже
малые по величине силы в состоянии смещать морскую во¬
ду в горизонтальном направлении, например, вдоль поверх¬
ностей постоянной плотности (вспомним характеристики
зоны апвеллинга, приведенные в гл. 8). Следовательно, эти
268
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
<< Центробежная сила
a w Приливообразующие силы,
£ * создающие два повышения
(а) \ / уровня океанских вод
(а) Две силы, способные перемещать воду океанов, уравновешены только в центре Зем¬
ли; в других местах результирующее отклонение от равновесия создает небольшую си¬
лу, заставляющую океанские воды, как показано на рисунке, собираться в два одинако¬
вых «вздутия». Центробежная сила одинакова для всех частиц внутри Земли и на ее по¬
верхности. Сила притяжения масс уменьшается как квадрат расстояния от Луны.
В центре Земли сила притяжения масс в точности равна по величине центробежной си¬
ле, но противоположна ей по направлению.
(6) Почему два прилива, происходящие в течение суток, имеют разную высоту?
Вследствие вращения Земли наблюдатель также движется по кругу и в течение одного
оборота видит два прилива, но эти приливы оказываются неодинаковой высоты. На
рис. 17.11 приведена типичная запись приливов за период трех оборотов Земли вокруг
своей оси.
Рис. 17.10. Объяснение природы двойной приливной волны,
отклонения от равновесия, создающие тянущие приливо¬
образующие силы, вызывают стекание океанских вод в два
«горба», один из которых оказывается на ближней, а дру¬
гой — на дальней от Луны стороне Земли.
Это последнее положение объясняет, чтб происходит за
время суточного оборота Земли вокруг ее полярной оси.
Наблюдатель, находящийся в какой-либо точке побережья,
за период 24,8 ч перемещается через две зоны конвергенции,
т. е. поднятия уровня, и в обеих таких зонах он отмечает
четко выраженный прилив (рис. 17.10,6). Для наблюдателя
смена двух приливов и двух отливов имеет вид волны с пе¬
риодом 12,4 ч, т. е. эта волна проходит за сутки дважды.
Суммарный прилив. Рассмотрим типичную запись ежечас¬
ных отметок уровня моря на береговом мареографе
(рис. 17.11). Общий характер кривой повторяется с интерва¬
лом около 24,8 ч, соответствующим так называемому «су¬
точному» приливу. Эту кривую можно «разложить» на ряд
составляющих, каждая из которых имеет свою амплитуду и
свой отличный от других период цикла; эти циклические из¬
менения называются частными, или парциальными, прили¬
вами. В 1922 г. А.Т. Дудсон выделил примерно 390 различ¬
ных составляющих прилива; по величине периода они меня¬
ются от очень долгопериодных — год и более — до повто¬
ряющихся через каждые несколько часов. Большинство их
имеет столь малые амплитуды, что совершенно не требует¬
ся учитывать все составляющие в прогнозном анализе;
обычно предвычисление приливов делается по четырем
главным составляющим.
Самая большая приливообразующая сила вызывается
взаимодействием Земли и Луны. «Основной период» этой
силы равен времени между последовательными появления¬
ми Луны в самой высокой точке (в кульминации) над фикси¬
рованным пунктом земной поверхности; поскольку Луна об¬
ращается вокруг Земли в том же направлении, в каком про¬
исходит вращение Земли вокруг своей оси, этот период не-
ГЛАВА 17. ВОЛНЫ И ВОЛНОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ
269
Рис. 17.11. Запись трех циклов суточных приливов на одной из тихоокеанских берего¬
вых станций.
сколько длиннее солнечных суток и составляет приблизи¬
тельно 24,84 ч. Далее, поскольку фиксированная точка на
поверхности Земли пройдет за один оборот через два цикла
прилив-отлив, т. е. испытает прохождение двойной прилив¬
ной волны, основной период этой составляющей прилива
будет равен 12,42 ч, и эта компонента М2 называется полу¬
суточным приливом. В табл. 17.2 перечислены важнейшие
составляющие приливов, их точные периоды и относитель¬
ные амплитуды по сравнению с М2. Например, вторая по
амплитуде составляющая полусуточного прилива связана с
взаимодействием Земли и Солнца. Она называется компо¬
нентой S2, ее амплитуда составляет 46% от М2, а период
равен точно 12,0 ч.
Все эти главные составляющие связаны с солнечно-зем¬
ными, лунно-земными или комбинированными взаимо¬
действиями. Самая сильная составляющая из околосуточ¬
ных приливов —- лунно-солнечная компонента Kj с амплиту¬
дой 58,4% от М2 и периодом 23,93 ч. Заметим, что четыре
главные составляющие — М2, S2, Kj и Oj — дают в сумме
более 68% от общего потенциала приливов.
Если нам известны амплитуды и периоды этих приливо¬
образующих сил, почему так трудно предсказать колебания
Таблица 17.2. Гармонические составляющие суммарного прилива
уровня моря? Во-первых, потому что скорость приливных
волн зависит от глубины океана; рельеф дна в окрестности
данного участка побережья влияет на интенсивность и вре¬
мя прихода каждой компоненты прилива к мареографичес-
кой станции. У каждой точки берега свои собственные непо¬
вторимые особенности рельефа близлежащего дна, в резуль¬
тате чего каждая точка будет иметь отличный от других
«набор» амплитуд и времен прихода компонент прилива и
во всех пунктах реальный прилив будет различным.
Во-вторых, размер и форма океанского бассейна опреде¬
ляют характер резонансных колебаний воды в данном бас¬
сейне. Это явление называют сейшами, и с ним связано то,
что приливы имеют природу стоячих волн. У каждого бас¬
сейна — своя особая конфигурация, способствующая усиле¬
нию одних составляющих и затуханию других.
Однако почему общая приливообразующая сила состоит
из такого множества компонент? Ответ складывается из
двух частей.
1. Математически можно показать, что величина прили¬
вообразующей силы изменяется обратно пропорционально
кубу расстояния от Земли до соответствующего небесного
тела. Из-за того что орбита Луны представляет собой эл-
Название составляющих прилива
Обозначение
Скорость, градусы за
средний солнечный час
Период, солнечные
часы
Относительная амплиту¬
да, % (М2 = 100)
Полусуточные
Лунная главная
М2
28,98410
12,42
100,0
Солнечная главная
S2
30,00000
12,00
46,6
Лунная бдльшая эллиптическая
N2
28,43973
12,66
19,2
Лунно-солнечная деклинационная
к2
30,08214
11,97
12,7
Солнечная бдльшая эллиптическая
т2
29,95893
12,01
2,7
Лунная меньшая эллиптическая
l2
29,52848
12,19
2,8
Лунная эллиптическая второго порядка
2N2
27,89535
12,91
2,5
Лунная бдльшая эвекционная
V2
28,51258
12,63
3,6
Лунная меньшая эвекционная
Х2
29,45563
12,22
0,7
Лунная вариационная
Д2
27,96821
12,87
3,1
Суточные
Лунно-солнечная деклинационная
К1
15,04107
23,93
58,4
Лунная главная
О1
13,94304
25,82
41,5
Солнечная главная
Р1
14,95893
24,07
19,4
Лунная бдльшая эллиптическая
Q1
13,39866
26,87
7,9
Лунная меньшая эллиптическая
Ml
14,49205
24,84
3,3
Лунная малая эллиптическая
J1
15,58544
23,10
3,3
Долгопериодные
Лунная полумесячная
Mf
1,09803
327,86
17,2
Лунная месячная
Mm
0,54437
661,30
9,1
Солнечная полугодовая
Ssa
0,08214
2191,43
8,0
270
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
(а)
(а) Орбиты Земли вокруг Солнца и Луны вокруг Земли — эллипсы.
Но эксцентриситет эллиптической земной орбиты меняется с пери¬
одом около 100 тыс. лет, и временами она приближается к окруж¬
ности.
(6) Величина лунной приливообразующей силы сильно изменяется
за период 8,85 года, в течение которого большая ось эллиптической
орбиты Луны совершает полный оборот вокруг Земли. Сизигий¬
ный прилив наступает сразу же после новолуния и полнолуния.
Когда полная Луна оказывается ближе всего к Солнцу, сизигийный
прилив достигает максимума.
(в) Плоскость, в которой Луна обращается вокруг Земли, испыты¬
вает изменения вследствие нутаций, при которых полный цикл из¬
менения угла, образуемого ею с экваториальной плоскостью Земли,
от 18,5 до 28,5° занимает 18,6 лет.
Рис. 17.12. Некоторые примеры, объясняющие, как сложность
взаимодействий между Землей, Луной и Солнцем создает множе¬
ство составляющих приливов, перечисленных в табл. 17.2.
липе, в одном из фокусов которого располагается Земля
(рис. 17.12,а), приливообразующая сила Луны на 18% боль¬
ше в перигее (когда она ближе всего подходит к Земле) и на
15% меньше в апогее (где она дальше всего от Земли), чем
ее среднее значение. Значит, в течение всего лунного месяца
величина составляющей М2 изменяется — это и служит ис¬
точником лунной месячной составляющей (табл. 17.2) и
других, более высокочастотных составляющих, связанных с
лунной эллиптической. Орбита обращения Земли вокруг
Солнца также имеет эллиптическую форму, и Солнце распо¬
лагается в одном из фокусов этого эллипса. Поэтому изме¬
нение расстояния между ними от перигелия, когда Земля на¬
ходится ближе всего к Солнцу, до афелия, когда она дальше
всего от него, также служит источником компонент прили¬
вов.
2. Эллиптические орбиты обращения Земли вокруг Сол¬
нца и Луны вокруг Земли непрерывно меняются. Лунная ор¬
бита в наибольшей степени влияет на образование парци¬
альных приливов. Ось лунной орбиты обходит вокруг Зем¬
ли, совершая полный оборот за 8,85 года. Воздействие этих
изменений выражается прежде всего в появлении двухне¬
дельного парциального прилива Му и его более высокоча¬
стотных составляющих. Это явление схематически показано
на рис. 17.12,6: когда Солнце, Земля и Луна лежат на одной
прямой, т. е. в фазы полнолуния и новолуния, приливоо¬
бразующие силы Солнца и Луны складываются и вызывают
сизигийные приливы. Но вклад Луны в формирование си¬
зигийных приливов изменяется на протяжении периода
8,85 лет; он наибольший, когда Луна оказывается на самом
близком расстоянии к Земле и все три небесных тела нахо¬
дятся на одной прямой (рис. 17.12,6 вверху).
Кроме того, существует циклическое изменение наклоне¬
ния плоскости лунной орбиты. Продолжительность этого
цикла 18,6 лет. По отношению к экваториальной плоскости
Земли наклон орбитальной плоскости Луны меняется от ми¬
нимального 18,5° до максимального 28,5° (рис. 17.12,в).
Предвычисление приливов. Несмотря на всю их сложность,
приливы можно заранее вычислять с практически необходи¬
мой точностью. В каждом приморском поселке имеется по
меньшей мере один магазин, где продаются книжечки с
«таблицами приливов», в которых указаны время и высота
приливов на год вперед. Как составляются эти таблицы?
Национальная служба исследования океана (бывшая Берего¬
вая и геодезическая служба США) в некоторый момент вре¬
мени записывает уровни приливов в каком-то пункте побе¬
режья, анализирует полученную кривую на главные компо¬
ненты (амплитуду и фазу), а затем вкладывает эти данные в
модель, имитирующую образование приливов. Будучи за¬
программирована на будущее время, эта модель «выдает»
требуемый прогноз в виде таблиц. Первые имитационные
модели были механическими и строились из вращающихся
шестерен и эксцентрических кулачковых механизмов разного
диаметра, имитирующих величину различных компонент;
все эти устройства связывались шнуром, и тем самым все
составляющие суммировались. Приспособив однажды та¬
кую машину к специфическим условиям данной береговой
станции, далее заводили мотор и «прокручивали» прилив¬
ные циклы, прогнозируя приливы на будущее. В другом
способе строят масштабную модель прибрежного района
(рис. 17.13) и «затопляют» ее, имитируя приливные волны.
Такая модель помогает решать сложные проблемы предска¬
зания приливного воздействия именно на данный район.
Приливы как «стоячие волны». Поскольку расстояние меж¬
ду гребнями волны равно половине окружности Земли, при¬
ливные волны ведут себя в океаническом бассейне со сред¬
ней глубиной 4 км как в очень мелком водоеме. Для таких
волн континентальные окраины являются вертикальными
стенками, поэтому большая часть энергии приливных волн
просто отражается от них и переносится взад-вперед через
океанские бассейны. В подобных условиях должны возни¬
кать стоячие волны. Горизонтальное движение воды прио¬
станавливается, когда уровень моря максимальный или ми¬
нимальный; эти периоды называются соответственно «сто¬
ячая полная вода» и «стоячая малая вода». Периоды стоя¬
чей воды чередуются с периодами самого быстрого гори¬
зонтального течения: наиболее быстрые «приливные» тече¬
ния наблюдаются посреди интервала между самой низкой и
самой высокой водой, а «отливные» течения — между по¬
лной водой и следующей малой водой.
Мы наблюдаем такой режим приливов почти везде. При
ГЛАВА 17. ВОЛНЫ И ВОЛНОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ
271
Рис. 17.13. Физическая модель при¬
ливов в заливе Наррагансетт. Мо¬
дель построена в вертикальном мас¬
штабе 1:100 и горизонтальном
1:1000. Автоматический генератор
приливов воспроизводит нормальные
приливные волны у входа в залив, и
затем в разное время в различных
местах внутри залива регистрируется
уровень воды. Изучаются воздейст¬
вия прилива при различных условиях
на искусственные барьеры и каналы,
приливная циркуляция, загрязнение,
резкое затопление, осадконакопле¬
ние.
множестве возможных составляющих прилива в каждом
океаническом бассейне могут происходить отражения волн,
усиливающие по меньшей мере одну компоненту и превра¬
щающие ее в мощную стоячую волну. Например, для Тихо¬
го океана резонансным является как суточный, так и полу¬
суточный период; поэтому мареограммы, записанные на
Тихоокеанском побережье, имеют типичный «смешанный»
вид, иллюстрируемый рис. 17.11. С другой стороны, в Ат¬
лантическом океане суточные колебания приглушены, но за¬
то сильно проявляется полусуточная стоячая волна. Сравни¬
вая времена наступления полной воды на многих станциях
вокруг Тихого океана, можно увидеть, что гребень стоячей
волны появляется сначала в его северо-западной части.
Сизигийный и квадратурный приливы
Рассмотрение проблемы приливов было бы неполным без
более подробного описания сизигийно-квадратурного цикла
приливов. Уже в древности люди замечали, что величина
приливов меняется от максимума, который они назвали
«высоким» приливом (spring tide), до минимума, получив¬
шего название «низкий» прилив (neap tide), и что полный
цикл — от высокого до низкого прилива и снова до высоко¬
го — занимает около 15 сут, т. е. период, которому англи¬
чане дали название fortnight (от староанглийского
fёowertyne niht — четырнадцать ночей.— Перев.)
(рис. 17.14,а). Оказалось, что самые сильные приливные те¬
чения образуются во время высоких (сизигийных в русской
терминологии. — Перев.) приливов, а самые слабые — во
время низких (квадратурных). При сизигийных приливах
уровень воды бывает наивысшим, а при соответствующих
отливах обнажается наибольшая площадь пляжа, на кото¬
рой остается много мелких озер и луж.
Объяснение двухнедельного цикла приливов состоит в
периодическом расположении Земли, Луны и Солнца приб¬
лизительно по одной прямой (рис. 17.14,6). Такое явление
возникает дважды в течение каждого лунного месяца, про¬
должающегося 29,5 сут. Когда Земля располагается между
Луной и Солнцем и Луна находится в сизигии (соединении),
Приливный бор в заливе Труро, Но¬
вая Шотландия. При определенных
условиях речной сток сдерживает
входящую приливную волну, не да¬
вая ей продвинуться вверх по реке до
тех пор, пока прилив в устье эстуа¬
рия не достигнет большой высоты и
не пересилит местное течение. Тогда
входящая в залив вода устремляется
вверх по реке в виде единого бурля¬
щего потока, называемого прилив¬
ным бором.
272
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
14,75 сут
Рис. 17.14. Явление сизигийного (высоко¬
го) и квадратурного (низкого) приливов:
Л — Луна, 3 — Земля, С — Солнце.
т. е. в фазе полнолуния или новолуния, возникают сизигий¬
ные приливы, так как гребни двойной волны, создаваемой
парой Земля—Луна, совпадают с максимумами двойной
волны, порождаемой взаимодействием пары Земля—Солн¬
це. Когда же Солнце и Луна находятся в поперечном распо¬
ложении относительно Земли (рис. 17.14,6), т. е. когда на¬
правления на них образуют прямой угол — четверть круга
(отсюда название — квадратурный прилив), эти двойные
волны отделяются одна от другой и приливы становятся
«вялыми».
Если в древности люди заметили регулярность смены
высоких и низких приливов и использовали этот феномен,
чтобы отмечать течение времени двухнедельными интерва¬
лами (от одного мощного прилива до другого), то и мор¬
ские животные в своем жизненном цикле тоже следуют это¬
му интервалу. Классический пример такой адаптации — пе¬
риодичность икрометания небольшой (длиной около 15 см)
рыбки западного побережья США, называемой калифорний¬
ской атериной-грунион. Весной и летом эта рыба выбирает
моменты самого высокого прилива для нереста на высоких
участках калифорнийских пляжей. Более того, рыба чувству¬
ет «самые высокие» приливные волны и «оседлывает» их
гребни, чтобы достичь самых высоких мест на песчаном
пляже, далеко отстоящих от моря. Там, извиваясь и сколь¬
зя, самка находит углубление в песке и мечет икру; затем в
то же углубление заплывает самец и выбрасывает там свою
молоку. Когда следующая волна перехлестывает через бер¬
му, обе рыбы пробиваются назад, в безопасные участки мо¬
ря. Таким образом, икра остается недоступной для морских
животных, а солнечное тепло способствует созреванию за¬
родышей, выполняя роль инкубатора. Как раз перед наступ¬
лением следующего сизигийного прилива, т. е. через 14 сут,
потомство вылупляется из икринок. Когда новые волны до¬
стигают самых дальних участков пляжа, молодь уносится с
ними вниз, попадая в необходимую для ее жизни водную
стихию.
Заключение
Познание волн и волновых движений в океанах — весьма
трудная задача из-за большого разнообразия свойств океан¬
ских волн. Мы можем обобщить данные о волновых движе¬
ниях в виде спектральной диаграммы, на которой легко по¬
казать, какие движения вызываются ветром, какие пред¬
ставляют собой результат действия приливообразующих
сил и т. д. Перечислим главные типы рассмотренных волн.
1. Капиллярные и очень короткие гравитационные вол¬
ны. Капиллярные и короткие гравитационные волны — са¬
мые короткие из всех волн, создаваемых ветрами, которые
дуют над поверхностью жидкости. Возникая под действием
ветра, эти волны в то же время способствуют трению меж¬
ду ветром и водой.
2. Ветровые волны. Мы всегда думали, что знаем ветро¬
вые волны лучше всего, поскольку они всегда доступны для
изучения. Однако потребовалась работа многих исследова¬
телей в течение многих лет, чтобы расшифровать внутрен¬
нюю взаимосвязь между распределением давления ветра и
скоростью роста энергии волн. Конечное состояние моря
определяется тремя видами связи между ветром и водой:
скоростью ветра, продолжительностью действия ветра и
разгоном. Интересным результатом изучения волн стало
открытие, что волны зыби могут переносить энергию от
места своего возникновения на расстояния порядка
10 тыс. км.
3. Штормовой нагон. Особого вида волны, называемые
штормовым нагоном, возникают, когда обусловленный вет¬
ром экмановский перенос на очень мелкой воде складывает¬
ся с высоким приливом и высокими ветровыми волнами.
Штормовые нагоны нередко приводят к гибели людей и
большим материальным потерям в таких районах, как побе¬
режье Мексиканского залива в шт. Техас и побережье Бен¬
гальского залива в Бангладеш.
4. Цунами. Цунами представляют собой цуги (серии)
волн, возникающих вследствие сейсмических подвижек океа¬
нического дна. Распространяясь со скоростью более
700 км/ч, они вызывают разрушения на побережьях вдали
от места генерации.
5. Приливы. Из всех рассматриваемых волн наибольшее
впечатление всегда производили приливы. Когда выясни¬
лось, что существует целый ряд приливообразующих сил,
каждая из которых создается благодаря взаимодействию
Земли с другими небесными телами, стали думать, что в бу¬
дущем удастся предсказывать приливы математически. Те¬
перь мы осознаем всю сложность этого процесса, вытекаю¬
щую из разнообразия рельефа прибрежных районов. Прили¬
вы можно прогнозировать только с помощью удачно по¬
строенной модели приливов для конкретной местности, экс¬
траполируя «работу» этой модели на будущее.
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
273
ГЛАВА 18
Контрольные вопросы
1. Рассматривая всю толщу океана, где мы встречаем
волны?
2. Объясните, что делают волны с поверхностью моря?
3. Какая разница между ветровыми волнами и океанс¬
кой зыбью!
4. Каковы силы, а) создающие капиллярные волны и
б) гасящие их?
5. Что подразумевается под утверждением: “обычные
ветровые волны имеют периоды от 5 до 30 с”? Чем очень
короткие волны длиной 5—30 см отличаются от обычных
ветровых волн?
6. Очень короткие гравитационные волны в совокупно¬
сти с капиллярными волнами играют особую и важную
роль в диссипации энергии, получаемой океанской водой от
движущегося воздуха, т. е. ветра. Объясните, в чем состоит
эта роль.
7. Где в Мировом океане всего вероятнее встретить са¬
мые высокие волны? Где всего вероятнее можно встретить
самые длинные волны? Объясните вкратце, почему вероят¬
нее всего мы встретим обе эти группы волн в одном и том
же месте.
8. Опишите вкратце, как ветры передают энергию по¬
верхностным волнам.
9. В развитие п. 8 опишите три ограничения, присущие
процессу формирования волн морскими ветрами.
10. Что такое штормовой нагон?
11. Защитите утверждение: «Вдоль поверхности переме¬
щается не что иное, как форма поверхностной волны, т. е.
характер искривления поверхности моря; никакого поступа¬
тельного перемещения самой воды не происходит».
12. При каких условиях поверхностная волна «чувствует»
морское дно и что при этом происходит с волной?
13. Какую особенность океанских приливов труднее всего
понять: а) то, что это очень длинная волна; б) что это
очень мелководная волна; в) что у нее два максимума и два
минимума на протяжении периода, который чуть длиннее
одних солнечных суток?
14. Что подразумевается под термином «суточное нера¬
венство», используемым при описании изменения уровня
моря в данной точке побережья?
15. Если верно то, что точка самого сильного воздейст¬
вия приливообразующей силы располагается прямо под Лу¬
ной, находящейся для данного места в кульминации, почему
наибольший местный^ прилив обычно запаздывает — иногда
даже на несколько часов?
16. В чем различие между приливным течением и движе¬
нием частицы воды под влиянием ветровой волны?
17. Что означает утверждение: реальный прилив, изме¬
ряемый в данной точке, является результатом сложения не¬
скольких парциальных приливов?
18. Дудсон показал, что существуют сотни составляю¬
щих приливов. Почему их так много? (Отвечайте только в
общем смысле: все компоненты можно не перечислять.)
19. Почему трудно прогнозировать приливы? Ведь, в
конце концов, обычно в любом приморском поселке можно
купить брошюру с таблицами точного времени и высоты
приливов.
20. Что такое цунами? Это длинная или короткая волна?
С какой скоростью распространяется такая волна? Будете
ли вы знать о ее прохождении, если находитесь далеко в
море?
ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ
ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
В прибрежной области с очень сложными природными условиями
каждая научная дисциплина имеет свои особые приложения; мы уз¬
наем, как волновые движения взаимодействуют с рельефом и стро¬
ением дна береговой зоны и как морские формы жизни выживают
в среде, куда поступает пресная вода.
Описывая природу океана в гл. 2, мы разделили Мировой
океан на семь провинций. Три из них образуют граничную
область между открытыми океанами и материками, очер¬
ченную более или менее четко изобатой 1000 м и линией
пляжа. Указанные три провинции — это провинция IV:
окраинная зона, воды которой лежат над шельфом и верх¬
ней частью континентального склона; провинция V: зона
диссипации энергии волн, открытый берег между уровнями
прилива и отлива, и провинция VI: зона эстуариев, где реки
втекают в моря. Все эти провинции имеют для людей осо¬
бое значение. Окраинные и эстуариевые воды дают нам зна¬
чительную часть морской пищевой продукции. Зона дисси¬
пации энергии — это область, где большинство из нас
«встречается» с морем ради отдыха и развлечений, а в зоне
эстуариев реки выходят к морю.
В прибрежных водах развиваются чрезвычайно сложные
физические и химические процессы. Многочисленность и
разнообразие биологических ниш в морской воде этой обла¬
сти во многом объясняют видовое разнообразие населяю¬
щих ее организмов. Мало сказать, что окружающие условия
сложны: для них характерен гораздо более широкий дина¬
мический диапазон, чем для условий открытого моря. Воз¬
можно, специалистов по морю, занимающихся прибрежной
зоной, следовало бы называть «прибрежными океанолога¬
ми»: их сфера исследований совершенно отлична от той оке¬
анологии, которую мы рассматривали до сих пор.
Чем окраинные воды отличаются
от открытого океана?
Физические, химические и геологические процессы, до сих
пор в этом курсе не изучавшиеся, — процессы, контролиру¬
ющие в свою очередь биологию прибрежных экосистем, —
делают окраинные воды разительно непохожими на откры¬
тый океан. Среди физических процессов особое значение
имеют те, которые определяют «энергетику» данной обла¬
сти. Важнейшие из химических процессов связаны с «пото¬
ком органических и неорганических веществ» с суши в
океан. Геологические процессы формируют саму границу.
И наконец, для полноты картины, в перечень действующих
процессов следует включить антропологические факторы,
т. е. способность вида Homo sapiens изменять физические,
химические или биологические характеристики прибрежной
зоны.
Энергетика пограничных зон океана
Материки как препятствия для крупномасштабного
движения океанских вод
Важнейшее воздействие материков на крупномасштабное
движение вод океанов состоит в том, что они перекрывают
широтные течения, создают круговороты и вызывают
274
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
быстрый глобальный теплоперенос к полюсам. Вспомним
симметричное устройство круговых течений в крупных бас¬
сейнах (рис. 11.1). В каждом таком круговороте на ближней
к полюсу стороне течение направлено на восток и непо¬
средственно связано с соответствующим поясом западных
ветров. Примерами могут служить течение Западных Вет¬
ров в южной части Тихого океана и Северо-Тихоокеанское
течение в Северном полушарии. Оба этих течения упирают¬
ся соответственно в Южно- и Северо-Американский конти¬
ненты, где каждое из них разделяется, образуя пару восточ¬
ных пограничных течений: течение Мыса Горн и течение
Гумбольдта (Перуанское. — Ред.) в Южном полушарии, Аляс¬
кинское и Калифорнийское течения в Северном полушарии.
Точно так же Северное и Южное Экваториальные (Пас¬
сатные) течения всех крупных бассейнов возбуждаются пас¬
сатами данного полушария. Эти течения несут теплые по¬
верхностные воды к западным границам океанов и создают
там мощные потоки, направленные к полюсам, — напри¬
мер, течение Куросио в северной части Тихого океана и
Гольфстрим в Северной Атлантике.
Различия между исследованиями прибрежных вод Атланти¬
ческого и Тихого океанов. Западные пограничные тече¬
ния, как правило, самые сильные. Течения типа Гольфстри¬
ма отличаются малой шириной и большой глубиной: при
ширине, скажем, 100 км они могут достигать дна океана
(рис. 11.2). На поверхности их скорость доходит до 2 м/с.
В отличие от этого ширина Калифорнийского течения, про¬
ходящего вдоль восточной границы Северо-Тихоокеанского
бассейна, измеряется многими сотнями километров, но глу¬
бина его — всего около 500 м, а скорость — лишь
0,05—0,2 м/с [18].
Такое различие в интенсивности и форме восточных и
западных пограничных течений в значительной мере объяс¬
няет, почему исследования Атлантического побережья США
должны отличаться от исследований Тихоокеанского побе¬
режья. Например, биологи из Института океанографии
Скриппса в Ла-Холье, Калифорния, установили, что планк¬
тонное сообщество, живущее вблизи этого побережья, рас¬
пространено и далеко в океане, в сотнях километрах от бе¬
рега [13]. Эти данные подтверждают физические представ¬
ления о рассеянии (дисперсии) планктонных сообществ по
всему обширному течению, проходящему в океане у берегов
Калифорнии.
Различия в температуре пограничных течений. Как уже го¬
ворилось, направленные к экватору пограничные течения в
среднем холоднее, чем те пограничные течения, которые на¬
правлены — в тех же широтах — к полюсу (рис. 6.5). Этот
факт еще раз подтверждает разнообразие условий, с кото¬
рыми сталкивается прибрежная океанология. Классический
пример — воздействие холодных восточных пограничных
течений на климат соседних берегов. Суровые пустыни
вдоль берегов Северной Африки, пустыня Намиб в Южной
Африке, а также пустыни Перу и Чили — все они связаны с
холодными водами у этих восточных границ океанов. Кро¬
ме того, скудные дожди означают и малый речной сток,
так что прибрежные воды у берегов этих пустынных реги¬
онов менее насыщены континентальными материалами, чем
обычно наблюдается в большинстве прибрежных условий.
Поскольку здесь меньше эстуариев, биологическая система
также должна отличаться от биоты других пограничных
зон. Многие виды животных, обитающих во взрослом со¬
стоянии в прибрежных водах, в какой-то период своего жиз¬
ненного цикла зависят от эстуариев (вспомните рис. 12.7).
Диссипация энергии океанских движений
Анализ распределений поверхностных ветров над океански¬
ми бассейнами (рис. 10.5 и 10.7) может вызвать удивление:
ведь если ветры непрерывно возбуждают океанские круго¬
вые течения, скорость этих течений должна непрерывно рас¬
ти. На деле же мы не наблюдаем такого ускорения, а зна¬
чит, существует какой-то механизм, отводящий энергию
океанского движения с такой же скоростью, с какой ветры
передают ее океану. В стационарных условиях поступление
энергии должно равняться ее потере, и место, где происхо¬
дит диссипация энергии волн, приливов и течений, — это
главным образом мелководные континентальные окраины.
Трение между континентами и пограничными течениями.
Каким образом континенты оказывают «фрикционное тор¬
можение» на движущиеся океанские воды, иллюстрирует
рис. 18.1. В качестве примера взяты условия в Северо-Ат¬
лантическом бассейне. Картина распределения поверхност¬
ных ветров — от зоны восточных ветров (пассатов) в низ¬
ких широтах до пояса западных ветров в окрестности
40° с. ш. — указывает на то, что ветры приводят в движе¬
ние вбды во внутренних областях океана по часовой стрел¬
ке, что обозначено на схеме штриховыми кружками со зна¬
ком «—». При сложении всего этого распределенного по
океану вращательного движения образуется крупномасштаб¬
ный круговорот, рассмотренный нами в гл. 11. А из-за того
что ветры дуют непрерывно, в Северной Атлантике постоян¬
но поддерживается и вращение течений по часовой стрелке.
На рис. 18.1 схематически показано также положение
восточной и западной границ океана, а также соответствую¬
щие им пограничные течения: медленное широкое Канар¬
ское течение у восточной границы и быстрый узкий
Гольфстрим у западных берегов. Из-за трения скорость
движения воды в непосредственной близости от границ рав¬
няется нулю. Но с удалением в море скорость течения воз¬
растает, пока не достигнет значений, «нормальных» для
каждого такого течения. Следовательно, трение у границ
континента приводит к завихренности водной массы про¬
тив часовой стрелки, что показано на рис. 18.1 сплошными
кружками со знаком « + ». Эта создаваемая трением завих¬
ренность ( + ) у твердых границ океана и есть механизм,
играющий главную роль в компенсации генерируемой ветра¬
ми завихренности (—).
Однако заметим (это показано на рис. 18.1), что завих¬
ренность ( + ), вызываемая трением вдоль западной гра¬
ницы, во много раз сильнее, чем у восточной границы.
В 1948 г. Г. Стоммел показал, что эта разница возникает
также благодаря действию еще одной причины завихренно¬
сти: возрастанию силы Кориолиса в направлении к полюсу.
Рассмотрим такой пример: если мы возьмем столб океан¬
ской воды у экватора, где нет никакой завихренности, и бу¬
дем двигать его прямо на север, то он начнет вращаться по
часовой стрелке (—) все быстрее по мере приближения к по¬
люсу. На самом полюсе вода должна делать один полный
оборот за солнечные сутки, не так ли? И чем быстрее мы
продвигаем водный столб на север, тем сильнее вращает его
сила Кориолиса, т. е. вращение столба по часовой стрелке
(—) ускоряется; эта зависимость между скоростью движе¬
ния к северу и скоростью завихренности линейна (1:1). Но
если движущийся столб при перемещении на север испыты¬
вает трение со стороны континента, завихренность против
часовой стрелки ( + ) возрастает гораздо быстрее, скажем в
отношении 2:1. Из этого Стоммел сделал вывод, что дви¬
жение в океане должно самоорганизоваться таким образом,
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
275
f Завихренность по часовой стрелке, •
вызванная касательным напряжением ветра . ; .<3
✓74 Завихренность против часовой стрелки, • . - хл
создаваемая трением между течением.. >*^7
и континентом .
Л с®
/ |:45 с. ш.
■ Аж о
/ / Л Внутренняя
. ’ • I /'
’ ’ ‘У
Восточные ветоы
Векторы \ • •
ветров 1 •
► 1 Западные ветры у; • • .;г\
• 40 с. ш. /• с* /у
у £ /
Л £ •
Экватор
Рис. 18.1. Трение между крупномасштабными прибрежными тече¬
ниями и жесткими границами континентов приводит к образова¬
нию «вихрей», вращающихся в направлении, противоположном то¬
му, которое сообщается океану крупномасштабным распределени¬
ем ветров. В Северной Атлантике наибольший компенсирующий
эффект фрикционных вихрей связан с Гольфстримом — мощным
течением у западной границы этого океанического бассейна. Много¬
численные вихри, формирующиеся в зоне трения между погранич¬
ными течениями и континентом,— это вид крупномасштабной тур¬
булентности, переносящей речной сток через шельфы в открытом
море. В каждом значительном океаническом бассейне имеется соб¬
ственное сильное течение у западной границы, которое обусловли¬
вает развитие фрикционных вихрей.
чтобы у западной границы течение было самым быстрым и
не только смогло противодействовать эффекту Кориолиса,
но и привело к завихрению против часовой стрелки (+), до¬
статочному и для компенсации действия ветров! Это откры¬
тие, как и идея Экмана, стало еще одним «рубежом» в нау¬
ке об океане, поскольку оно объяснило, почему у западной
границы океана существуют сильные течения, подобные
Гольфстриму.
Трение между континентами и приливными течениями. Все
частицы водного столба сверху донизу реагируют одинако¬
во на силы притяжения, создающие приливы, как это пока¬
зано на рис. 18.2, а. Поскольку приливный цикл занимает
много часов, мы представляем эти смещения как реальные
«течения». Заметим также, что эти течения усиливаются,
когда приливная волна движется к берегу по континенталь¬
ному склону и выходит на шельф.
Чтобы получить более наглядную картину того, что
происходит с приливными течениями вблизи берегов, рас¬
смотрим фактическую запись, полученную с помощью уста¬
новленного на шельфе измерителя течений (рис. 18.2, а).
Обычно автомат фиксирует направление и скорость течения
через каждые несколько минут. В дальнейшем мы осредня-
ем запись, получая значения для каждого часа, которые ин¬
терпретируем как суммарное смещение жидкости час за ча¬
сом в ходе приливного цикла. Из-за того что приливные те¬
чения циклически меняют направление, последовательные
почасовые значения должны указывать на характер измене¬
ния течения над шельфом на протяжении приливного цикла.
На рис. 18.2, б эти изменения ясно прослеживаются; здесь
результаты регулярных (раз в час) измерений течения изо¬
бражены в виде последовательно соединенных друг с дру¬
гом векторов, и о существовании сильных приливных тече¬
ний нам ясно сигнализируют «петли» на векторной диаг¬
рамме. Две полные петли за 25 ч указывают на то, что при¬
ливная волна относится к категории полусуточных, т. е. за
это время происходят два ее цикла.
Мы интерпретируем график на рис. 18.2, б как сумму
«петли» приливного течения и «среднего» течения. Специа¬
лист по прибрежной океанологии может перестроить эту
кривую таким образом, чтобы выделить одну только при¬
ливную часть. Чтобы сделать это, надо из каждого часово¬
го вектора вычесть 1/25 долю величины результирующего
перемещения воды за 25 ч измерений. Остаточные векторы
276
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
Измеритель течений
на автономной
буйковой станции
На глубокой воде
приливные течения слабые,
но равномерно распределены
от поверхности до дна
Средний
уровень
моря
(а)
На мелководье приливные течения
все еще почти равномерно
распределены от поверхности до дна,
но уже весьма сильные
Абиссальная равнина
(а) Профиль пограничной области с векторами приливных течений на глубокой воде и на
мелководье.
Смещение на восток
(6) Последовательное сложение почасовых векторов полного тече¬
ния, зарегистрированных измерителем на автономной буйковой
станции на шельфе. Цифрами от 1 до 25 обозначены часы одного
суточного приливного цикла. Петли на диаграмме образуются в
случае, если к среднему течению добавляются сильные приливные
течения.
(в) Если из почасовых векторов вычесть составляющую среднего
течения и показать остаточные векторы исходящими из общей точ¬
ки, получится «эллипс приливного течения» в данной точке измере¬
ний.
Рис. 18.2. Анализ приливных течений.
будут теперь соответствовать только приливным течениям;
построенные из одной начальной точки, они опишут харак¬
терную «эллиптическую» кривую приливных течений на
мелководье (рис. 18.2, в). Эта кривая отражает относи¬
тельную скорость одного только приливного течения, ме¬
няющуюся час за часом. Наибольшая скорость течения от¬
мечена в ходе третьего часа измерений; она равна около
0,6 м/с при скорости среднего потока примерно 0,23 м/с.
Заметим, что большая ось эллипса приливного течения ори¬
ентирована более или менее параллельно берегу, что харак¬
терно для приливных течений на шельфе. (Однако если по¬
добное исследование провести в эстуарии, то «эллипс» вы¬
родится в прямую линию, показывающую, что приливное
течение направлено внутрь эстуария, а отливное течение —
в противоположном направлении.)
По указанным причинам специалист по океанологии при¬
брежных вод, исследуя процессы перемешивания в районе
шельфа, а также в заливах и эстуариях, всегда должен учи¬
тывать местные приливные воздействия. В предыдущей
главе говорилось о том, что характер приливов в разных
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
277
Чрезвычайно большая величина прилива у мыса Хопуэлл, пров.
Нью-Брансуик (Канада). Обнажающиеся при отливе подмытые час¬
ти скал примерно в три раза выше человеческого роста. Подмыв
обусловлен не только сменой приливов и отливов, но и работой
местах побережья различен. Этот вывод можно расширить
до глобальных масштабов (рис. 18.3) и показать крайние
случаи изменчивости в картине приливов на побережьях
земного шара. Трение* между приливными течениями и на¬
ходящимся на небольшой глубине дном в шельфовых зонах,
заливах и эстуариях приводит к тому, что значительная
часть энергии идет на перемешивание прибрежных вод; под¬
робнее об этом будет говориться ниже.
Диссипация энергии ветровых волн в прибойной зоне. Вся
волновая энергия моря заключена главным образом в ветро¬
вых волнах, и значительная доля этой энергии в конце кон¬
цов выделяется у какого-то берега, где она рассеивается в
турбулентном разрушении волн в прибойной зоне. Опишем,
* Рассмотрение вопроса о трении между океанами и материками,
обусловленном приливами, было бы неполным, если бы мы не упо¬
мянули известную задачу классической физики, связывающую этот
процесс с тем обстоятельством, что период обращения Луны во¬
круг Земли постепенно удлиняется. Гровс и Манк [7] проанализиро¬
вали в 1958 г. собранные по всему миру данные об океанских при¬
ливах и показали, что результирующий вращающий момент, полу¬
чаемый Землей от движущихся приливных волн, способствует за¬
медлению вращения Земли вокруг своей оси и должен изменять пе¬
риод обращения Луны примерно на 11 с за столетие. Эта величина
очень близка к значению, вычисленному астрономами по истори¬
ческим данным, накопленным с XVII в.
волн. Изменение направления тени указывает, что разница во вре¬
мени между полной и малой водой составляет около 6 ч — полови¬
ну полусуточного периода прилива.
как меняется волна открытого океана, когда она приходит в
мелководную область и накатывается на пляж. В одном из
разделов этой главы мы рассмотрим геологические процес¬
сы, в которых энергия, выделяемая волнами, играет опреде¬
ляющую роль.
Предположим, что цуг волн зыби приближается к побе¬
режью таким образом, что гребни волн параллельны бере¬
говой линии (рис. 18.4). Зафиксируем внимание на каком-
либо одном участке этой серии волн, находящемся между
двумя точками гребня на расстоянии 1 м друг от друга.
Можно подсчитать количество энергии, переносимой волна¬
ми к берегу. Плотность энергии Е определяется выражением
Е = - pgH2 Дж/м2,
8
где р — плотность воды (кг/м3),£ — ускорение силы тяже¬
сти (10 м/с2), а Н — высота волны (м). У волны высотой
2 м плотность энергии равна 5000 Дж/м2 (данные о плотно¬
сти энергии гладких высоких волн см. в табл. 17.1). Хоро¬
ший способ оценить, насколько велика энергия, состоит в
том, чтобы подсчитать, сколько электрических лампочек
может непрерывно питаться этой энергией. Если такая се¬
рия волн несет к пляжу свою энергию со скоростью 5 м/с
(что представляет собой нормальное явление), то при этом
высвобождается мощность 25 000 Дж/с (т. е. 25 кВт), до-
278
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
120° 180° 120° 60°
Рис. 18.3. Приливы представляют собой стоячие волны в океани¬
ческих бассейнах. Вследствие большой длины этих волн их энергия
отражается от стенок бассейна, а сами волны колеблются вперед-
назад внутри бассейна, и часто их амплитуда возрастает с каждой
пучностью. Такое увеличение амплитуды особенно хорошо видно в
вершине длинного мелководного залива; в заливе Кука (Аляска) ве¬
личина прилива достигает Юм. Сходные значения наблюдаются в
северной части Калифорнийского залива (8 м), самые большие при¬
ливы отмечены в заливе Фанди (Новая Шотландия), где разность
высотных отметок полной и малой воды в одном приливном цикле
достигает 15 м. У открытых берегов океана величина прилива го¬
раздо более умеренна: например, в Сан-Франциско она около 3 м.
Поскольку приливы — стоячие волны, их перемещение через
океанический бассейн вполне можно предсказать. Узлы этих волн
обычно находятся где-либо во внутренней части бассейна; в таких
точках величина компоненты прилива равна нулю, а вокруг них
волны расходятся, как спицы в колесе. На рисунке узел суточной
приливной волны располагается к югу от Гавайских островов, а по¬
ложение гребня этой волны через каждые 4 ч показано семейством
кривых. Волна «обходит» Тихоокеанский бассейн против часовой
стрелки. (По данным работы [5].)
статочная для непрерывной работы 250 стоваттных лампо¬
чек, или для освещения 10 аудиторий среднего размера. Не
забудьте, что это количество энергии приносит к берегу
каждая полоса гребня шириной 1 м.
Прослеживая этот процесс на рис. 18.4, мы вначале об¬
ращаем внимание на то, как цуг волн открытого океана из¬
меняется при подходе к пляжу, а затем — на то, каким об¬
разом каждая волна цуга становится обособленным буру¬
ном и отдает свою энергию прибойной зоне. Пусть в от¬
крытом океане каждая волна в цуге имеет длину Lo м, вы¬
соту Но м, период То с и плотность энергии Ео Дж/м2. Ин¬
декс о указывает, что имеются в виду свойства океанской
волны, еще не измененной близостью пляжа. Ближе к пля¬
жу волна уже начинает изменяться (модифицироваться), и
для ее характеристики используется индекс т, а в прибой¬
ной зоне, где волны разбиваются, — индекс b.
Вспомним теперь то, что показано на рис. 17.7: поверх¬
ностная волна начинает «чувствовать» торможение из-за
трения о дно, когда глубина воды становится меньше поло¬
вины длины этой волны Lo /2. Трение о дно заставляет час¬
тицы воды двигаться по все более уплощенным эллиптиче¬
ским орбитам по мере уменьшения глубины. С трением свя¬
зано также уменьшение скорости частиц, что в свою оче¬
редь заставляет самый передний гребень цуга замедляться,
а это означает уменьшение расстояния между гребнями
волн (Lm на рис. 18.4).
Однако полная энергия, приносимая каждой волной к
пляжу, должна оставаться постоянной. Для полосы шири¬
ной 1 м (рис. 18.4) полная величина энергии между последо¬
вательными гребнями рассчитывается как произведение
плотности энергии Е и длины волны L. Значит, произведе¬
ние величин, соответствующих открытому океану, Ео х Lo
должно равняться произведению Ет х Lm для измененной
волны. Но поскольку Lm меньше, чем£о, это означает, что
Ет должно быть больше, чем Ео, а единственный способ
повысить плотность энергии — это увеличить высоту вол¬
ны Но jxq новой и большей величины Нт . Поэтому наблю¬
дателям, находящимся на пляже, кажется, что гребни при¬
ближающихся волн «вырастают» из воды, а потом уже ру¬
шатся в прибойной зоне.
По мере того как трение все больше замедляет волну и
увеличивает ее высоту, форма волны искажается и волна
становится «неустойчивой». Она делается чересчур «ост¬
рой», и вода начинает «проливаться» вперед у гребня, после
чего происходит окончательное обрушение волны. Механика
обрушения сложна. Конкретное поведение каждой волны в
последние секунды ее существования зависит от нескольких
факторов: от наклона дна и наклона самого пляжа, от пер¬
воначальной формы волны на глубокой воде и от характера
дна — скальная ли это порода, гравий или песок. Изучение
разрушающихся волн в настоящее время входит как состав¬
ная часть в программы по строительству на море и мор¬
ском берегу и сосредоточено главным образом на укрепле¬
нии таких сооружений, как пирсы, и защите берегов от эро¬
зии, а также на перемещении осадков под действием волн.
Химические аспекты океанологии
прибрежных вод
Практически каждый специалист по наукам о море, изучаю¬
щий проблемы прибрежной океанологии, рано или поздно
сталкивается с какими-либо вопросами переноса твердого
вещества, взвешенного, растворенного или плавучего, кото¬
рое поступает с суши в соседние моря. Здесь мы рассмот¬
рим эту тему в предварительном, общем виде. Откуда по¬
ступает материал, какая его часть пересекает прибрежную
зону и попадает в океан и в какой форме, играет ли в этом
сколько-либо значительную роль человек?
Пресноводный сток
Важнейшее химическое соединение, пересекающее прибреж¬
ную граничную зону, это вода Н2О. Биологи моря знают,
что годовой цикл (круговорот) речного стока определяет
степень сезонных изменений солености и мутности при¬
брежной части океанов, на что чутко реагируют многие
морские организмы. Объем речного стока влияет и на изме¬
нение температуры, а также на плотностное расслоение
мелководной зоны и тем самым — на вертикальное переме¬
шивание, а вместе с ними — на снабжение питательными
веществами. Короче говоря, циклы стока воздействуют на
продукцию прибрежной части океана на всех трофических
уровнях.
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
279
Движение цуга волн
Берма
пляжа
Прибойная
зона
В открытом океане:
Lo - длина волны,
Но - высота волны,
То - период волны
характерный облик; каждый
гребень превращается в одиночную
волну. Турбулентный поток
стремится вверх по поверхности
пляжа. Волна разбивается в тот
момент, когда ее высота Нь
достигает критической величины,
примерно равной глубине воды
I укорачивается до Lm,
| высота увеличивается
| до Ят, а период сохрани-1
ется прежним То |
J I
| Когда глубина становится! В зоне прибоя цуг волн теряет свой
• меньше Zo/2, набегающая
I волна начинает ’’чувство- ’
| вать” твердое дно: возни-1
I кает трение между движу]
щимися частицами воды |
• и дном. Длина волны |
I
Рис. 18.4. Изменение цуга волн по мере движения из открытого
океана к берегу. В открытом океане волны не трутся о дно. Как
только появляется трение, одновременно изменяются многие пара¬
метры волны: скорость волны падает, высота возрастает, а на¬
правление движения к берегу приближается к перпендикуляру отно¬
сительно береговой линии. В конце пути каждый гребень волны
становится обособленным, турбулентным заплеском волны на по¬
верхность пляжа. Две характеристики волны остаются в ходе этого
процесса неизменными: период времени между приходом последо¬
вательных гребней и величина энергии, высвобождающейся в еди¬
ницу времени при подходе к пляжу.
60°
0°
60°
1200
1800
120°
60°
Рис. 18.5. Самые крупные потоки пресных вод с суши в разные
океаны, рассчитанные для широтных полос размером 5°. Берего¬
вые линии с целью упрощения схематизированы для всех основных
бассейнов, за исключением Северного Ледовитого океана. Длина
горизонтальных черточек пропорциональна выносу речных вод в
пределах каждой широтной полосы. (По данным работы [1].)
280
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
Рис. 18.5 показывает, как распределены основные потоки
пресной воды. Границы океанических бассейнов на этой схе¬
ме изображены в виде прямых линий, чтобы выделить ши¬
роты и размеры речных выносов воды. Только 12 крупней¬
ших рек мира дают больше трети всего речного стока
(табл. 18.1), из них Амазонка и Конго дают в сумме больше
(18,5%), чем остальные десять рек вместе взятые (15,8%).
Большая часть общего стока попадает в тропические и суб¬
тропические районы всех океанических бассейнов. В Тихий и
Атлантический океаны речная вода поступает главным об¬
разом на их западных границах, в Индийский океан — на
его восточной границе [1]. Рекомендую читателям сравнить
эти данные с распределением водосборных площадей, пока¬
занных на рис. 4.11.
Разбавление прибрежных океанских вод пресной речной
водой бывает очень сильным. Например, рассказывают, что
моряки торговых судов, находившихся в море против устья
Амазонки, могли пополнять запасы пресной воды, просто
черпая ее ведрами с поверхности моря. Однако в боль¬
шинстве случаев поверхностная вода в устье реки уже соло¬
новатая, так как смешивание с морской водой начинается
еще в пределах эстуария (этот процесс описывается в одном
из последующих разделов). На рис. 18.6, а показано, что со¬
леность поверхностных вод у выхода из эстуария реки Гуд¬
зон достигает 23%о и быстро возрастает, достигая 31%о в
10 км от берега. Специалисты по океанологии прибрежной
зоны считают целесообразным картировать степень этого
разбавления, так как растворенные химические вещества, пе¬
реносимые речной водой, как предполагается, должны рас¬
пространяться, следуя тому же характеру распределения,
Таблица 18.1. Крупнейшие реки мира, сгруппированные по океаническим бассейнам, в которые они выносят свои воды. (Составлено по разным
литературным источникам.)
Бассейн
Река
Растворенное веще¬
ство, млн.т/год
Площадь дельты,
тыс.км2
Осадочный матери¬
ал, млн.т/год
Среднегодовой расход,
м3/с
Атлантический
Амазонка (Бразилия)
200
100
363
180 000(1)***
океан
Конго
65
42 000(2)
Ориноко (Бразилия)
87
28 000 (4)
Ла-Плата (Аргентина)
19 500 (7)
Миссисипи
140
30
340
17 545 (8)
Св. Лаврентия
10 400(16)
Магдалена (Колумбия)
8 000(18)
Нил (через Средиземное море)
20
20
111
1 584
Колумбия
43
33
6 650 (21)
Дунай
38
4
82
6 450 (22)
Нигер (Нигерия)
5 700 (23)
Сан-Франсиску (Бразилия)
3 300 (31)
Г рихальва—Усумасинта
3265 (33)
(Мексика)
Атлантический че¬
Енисей
19 600(6)
рез Северный
Лена
45
16 400 (9)
Ледовитый
Обь—Иртыш
12 600(13)
океан*
Маккензи—Пис-Ривер
7500 (19)
(Канада)
Юкон**
22
88
7 000 (20)
Печора
4 060(24)
Колыма
3 800 (28)
Сев. Двина
3 560 (30)
Хатанга
3 280 (32)
Пясина
2 600 (35)
Тихий океан
Янцзы (Китай)
499
35 000 (3)
Меконг (Вьетнам)
170
15 900(10)
Амур
12 500(14)
Сицзян (Китай)
100
1 600
11000(15)
Хонгха (Вьетнам)
3 900(26)
Фрейзер (Канада)
3 750 (29)
Хуанхэ
1 887
2 000(37)
Индийский океан
Брахмапутра
726
20 000(5)
Ганг
80
1455
15 000(11)
Иравади (Бирма)
299
14 000(12)
Годавари (Индия)
3 980 (25)
Инд
435
3 850 (27)
Маханади (Индия)
2 940 (34)
Замбези
2 500 (36)
• Подгруппа рек, вода которых попадает в Атлантику через Северный Ледовитый океан.
** Юкон включен в число рек, несущих свои воды в Северный Ледовитый океан, ввиду близости к Берингову проливу.
*** В скобках указано место реки в мире по среднегодовому расходу воды.
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
281
(а) Изолинии солености (изогалины) по¬
верхностных вод в море около устья эстуа¬
рия реки Гудзон (Нью-Йорк). Соленость
повышается от сравнительно низких значе¬
ний (23%о) в эстуарии до 31%о на расстоянии
10 км от него. Примерно на такое же рас¬
стояние распространяются ежедневные сме¬
щения воды, вызываемые приливными те¬
чениями и представляющие собой главный
источник энергии для перемешивания мор¬
ской и речной воды. Загрязняющие вещест¬
ва, растворенные в воде, распределяются
по тому же закону, по которому происхо¬
дит разбавление пресной водой. В прошлом
твердые отходы сбрасывались ближе к на¬
чалу подводного каньона Гудзон.
(6) Заштрихованная зигзагообразно полоса
изображает движение некоторого объема
речной воды через зону шельфа; каждый
зигзаг соответствует одному приливному
циклу. Кетчем и Кин [11] исследовали «вре¬
мя смены вод» в этом районе, разделив
шельф на участки, и установили, что в
среднем для перемещения речной воды из
зоны шельфа в открытый океан требуется
примерно 500 приливных циклов. Посколь¬
ку приливы здесь полусуточные (цикл зани¬
мает 12,4 ч), время смены вод составляет
около 1 года, в течение которого происхо¬
дит итоговое перемещение приблизительно
на 220 км.
Рис. 18.6. Движение пресных вод от устья реки через шельфовую
что и соленость. Например, если бы река Гудзон выносила
в море не пресную воду, а красные чернила, то можно было
бы видеть постепенное изменение цвета — от красного че¬
рез разные оттенки розового до полной потери окраски — в
прямом соответствии с возрастающим значением солености
на рис. 18.6 а. Биологи считают, что такая корреляция особен¬
но полезна для изучения рассеяния микроэлементов, за¬
грязняющих шельфовую область, поскольку соленость изме¬
рять проще и получаются более точные результаты, чем при
прямом измерении концентрации микроэлементов.
Нью-Йоркская бухта, в которую втекает река Гудзон,
подверглась разностороннему изучению ввиду воздействия
на нее промышленных и других отходов, затопляемых с
барж в шельфовых водах (рис. 18.6, а). Это открытый за¬
лив, образуемый протяженным изгибом береговой линии.
Исследователи опираются на непосредственные измерения
течений, которые позволяют определить как средние тече¬
ния, так и приливные перемещения. У выхода из эстуария
реки Гудзон смещение частиц воды в приливном цикле вели¬
ко — около 8 км. Используются и аналитические модели, в
которых действие приливных, средних и ветровых течений,
а также вертикального и горизонтального перемешивания
описывается уравнениями гидродинамики. Если такую «ма¬
тематическую» (т. е. построенную из уравнений) модель со¬
четать с численным описанием реальных граничных условий
зону к открытому морю.
в заливе или эстуарии, она обретает способность имитиро¬
вать изменчивость реальных жидкостей.
Одно из первых применений такая модель нашла для
прогноза «времен смены вод» на различных участках шель¬
фа между полуостровом Кейп-Код и Чесапикским заливом
(рис. 18.6, б), среди которых находится и участок Нью-
Йоркской бухты [11]. Время смены вод определяется как
среднее время, требующееся для того, чтобы некоторый
объем воды переместился от источника пресной воды (т. е.
эстуария) через шельф к границе открытого океана (здесь за
такую границу принимается перегиб шельфа, или изобата
200 м). Используя суммарное значение расхода рек 5000 м3/с
как среднюю величину притока пресной воды, исследовате¬
ли получили среднее время смены вод 500 приливных цик¬
лов, т. е. полтора года. Это важная для практики величина,
помогающая оценивать воздействие различных факторов на
окружающую среду.
Сопоставьте картину, полученную для реки Гудзон, с
вытянутым шлейфом вод реки Колумбия на рис. 18.7. Соче¬
тание значительного речного течения с узким шельфом при¬
водит к тому, что изогалина 31%о распространяется на
180 км от берега, т. е. гораздо дальше, чем та же изолиния
в Нью-Йоркской бухте (10 км от берега, рис. 18.6, а). Время
смены вод для этой системы западного побережья соот¬
ветственно гораздо короче.
282
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
(а)
(б)
Рис. 18.7. Шлейф реки Колумбия в
разное время года.
(в)
(а) Летом прибрежную циркуляцию определяет
направленное на юг Калифорнийское течение,
так что шлейф пресных вод по мере удаления
от берега смещается к югу. На кривых указана
соленость (в промилле).
(б) Зимой Калифорнийское течение сменяется у
побережья местным течением Давидсона, кото¬
рое отклоняет речной шлейф к северу.
(в) Для сравнения показана карта распростра¬
нения радиоактивного изотопа хром 51Сг ле¬
том 1965 г. Большое сходство конфигурации
изолиний на картах (а) и (в) показывает, что
рассеяние растворенных химических веществ
или взвешенных частиц достаточно хорошо
моделируется просто картиной изогалин по¬
верхностных вод, соответствующих распро¬
странению пресной речной воды. (По данным
работ [16, 21].)
Поток материала, выносимого реками
в прибрежную зону
В табл. 18.1 указаны также 11 рек — крупнейших переносчи¬
ков продуктов размыва суши. Вместе они выносят в море
почти 5 млрд, т взвешенного осадочного материала в год.
Джадсон [10] считает, что количество выносимого реками
почвенного материала в мире до возникновения сельского
хозяйства составляло 9 млрд, т/год, а в настоящее время
оно возросло до 24 млрд, т/год. Интересно сравнить послед¬
нюю величину со значением 240 млн. т/год, которым оцени¬
вается рыбная продукция Мирового океана (табл. 1.2). Эти
числа дают соотношение в 100 т перемещенного в прибреж¬
ную зону осадка на 1 т рыбы, появившейся в океане за год.
Хотя надежных экспериментальных данных о связи меж¬
ду содержащимся в воде осадочным материалом и продук¬
цией рыбы не существует, отдельные примеры указывают
на четкую корреляцию между этими параметрами. Перед
тем как в Верхнем Египте была построена Асуанская плоти¬
на на Ниле, в море у дельты этой реки развивался промыс¬
ловый лов сардины. Но через несколько лет после того, как
плотина стала задерживать ил, промысел сардины начал
быстро уменьшаться; сама дельта стала размываться, так
как Нил больше не приносил того количества ила, который
компенсировал бы размыв его дельты морскими волнами и
течениями.
Литогенный материал во взвеси. Литогенные частицы
обычно имеют форму кристаллов и неорганический состав.
Они образуются ппи эрозионном выветривании горных по-
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
283
Снимок из космоса реки Миссисипи в месте ее впадения в Мекси¬
канский залив. Шлейф выносов реки хорошо виден в нижней правой
части снимка, где речная вода постепенно покидает свое русло и ее
нагруженная осадочным материалом вода смешивается с чистой
морской водой. Вихри, создаваемые приливами, прослеживаются в
центральной части снимка. В море в правом верхнем углу видно не¬
сколько береговых баров.
род путем химического разложения или механического раз¬
рушения. В таких реках, как Колумбия, грубая фракция
взвешенного вещества бывает представлена минералами по¬
левым шпатом и кварцем (табл. 18.2). Эта фракция переме¬
щается вдоль речного дна и окончательно отлагается в
устье реки, где становится источником материала для тяну¬
щихся вдоль побережья пляжей. Более тонкие фракции, об¬
разуемые хлоритовым и слюдистым обломочным материа¬
лом, как правило, состоят из очень мелких частиц плитча¬
той или плоской формы. Они остаются во взвешенном со¬
стоянии гораздо дольше, чем более грубозернистые пески, и
благодаря этому отлагаются дальше от берега. Тонкие час¬
тицы глинистых минералов, таких как каолин (табл. 18.2),
Таблица 18.2. Характеристики частиц взвешенного литогенного ма¬
териала в реке Колумбия (по данным из работы [3])
стремятся присоединить к себе другие частицы и растворен¬
ные ионы морских солей, так что по мере того, как речная
вода активно смешивается с морской, эти частицы факти¬
чески увеличиваются в размерах, слипаются в хлопья и
быстро оседают на дно в шельфовой зоне или в пределах
намываемой рекой дельты.
Поток растворенного вещества. Помимо взвешенных час¬
тиц реки несут в своих водах растворенные вещества
(табл. 18.1). Для большинства рек отношение масс раство¬
ренного и взвешенного вещества оценивается приблизитель¬
но как 1:3. На примере реки Колумбия в табл. 18.3 перечис¬
лены важнейшие химические компоненты и общая масса
каждого из них в составе вод, выносимых рекой в северо-
восточную часть Тихого океана.
Как можно было бы оценить это количество растворен¬
ного материала с точки зрения его вклада в объем питатель¬
ных веществ прибрежных вод? Один способ — сравнить ко¬
личество приносимых реками питательных веществ с тем,
что поступает в типичный прибрежный район благодаря ап¬
веллингу, вызываемому ветром. Оперируя данными по нит¬
ратам (табл. 18.3), мы подсчитываем сначала, что река Ко¬
лумбия выносит в прибрежную зону 5100 г нитратов в се¬
кунду. Из результатов изучения апвеллинга мы знаем, что
скорость, с которой воды глубинного слоя «подкачивают¬
ся» вверх при апвеллинге, вызываемом ветром, составляет
около 0,01 см/с, т. е. она очень мала. Принимая, что со¬
держание нитратов в глубинных водах равно, скажем,
25 мкмоль/л (см., например, данные станции NH-105 в
табл. 8.1), рассчитаем, какова должна быть площадь попе¬
речного сечения вертикального столба воды, поднимающе¬
гося с такой скоростью (0,01 см/с), чтобы количество по¬
ступающих при апвеллинге нитратов равнялось их количест¬
ву, приносимому реками. Ответ будет — около 22,0 км2,
что соответствует примерно 5-км отрезку береговой линии в
активной области ветрового апвеллинга. Следовательно,
сам по себе вынос рек не служит важным источником фос¬
фатов и нитратов, необходимых для поддержания первич¬
ной продуктивности прибрежных вод. Однако энергия пере¬
мешивания, сообщаемая реками процессу, который можно
назвать речным апвеллингом, как будет показано при описа¬
нии перемешивания в эстуариях ниже в этой главе, очень
важна.
Приносимый реками в прибрежные зоны растворенный
материал распределяется по временам года неравномерно.
Это прекрасно видно на рис. 18.7, а и б, где показаны кар¬
ты солености поверхностных вод в устье реки Колумбия,
построенные для двух сезонов. Если принять, что другие
растворенные вещества сохраняются так же, как соль, то
конфигурация проведенных там изолиний подходит для рас¬
пределения и этих веществ в прибрежной морской зоне.
Литогенный компонент
Относительные разме- Форма
ры (диаметр, мкм)
Кварц
Полевой шпат
Обломки пород
Хлоритовый
Каолинитовый
Слюдистый (включа¬
ет биотит и мусковит)
Иллитовый
Крупные
Всех размеров
Всех размеров
Малые (0,15—0,40)
Малые (0,12—0,20)
Обычно крупные
Малые (0,05—0,08)
Компактная (изо¬
метрическая)
Компактная
Неправильная
Плитчатая
То же
Таблица 18.3. Ежегодное поступление химических веществ из реки
Колумбия в северо-восточную часть Тихого океана
Химическое
вещество
Годовое поступление,
млн.т/год
Фосфаты
роГ
0,0095
Нитраты
NO3‘
0,1610 (5100 г/с)
Кремнекисл ота
Si(OH)4
3,2640
Диоксид углерода
СОг
Щелочные соединения
22
Вода
Н2О
6 650
284
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
В зимние месяцы шлейф пресных вод прижимается к берего¬
вой линии к северу от устья. Весна — переходное время, а в
летние месяцы наблюдается сильное перемещение речных
выносов на юг (вспомните результаты двух наших океано¬
логических рейсов, описанных в гл. 8).
Человеческий фактор. Человечество оказывает все большее
воздействие на прибрежные части океанов. На рис. 18.7, в
показано, например, распределение радиоактивного изотопа
51Сг в летнем шлейфе вод реки Колумбия. Атомы хрома
становились радиоактивными в результате бомбардировки
нейтронами в верхней части бассейна реки, где речная вода
использовалась для охлаждения реактора на испытательных
ядерных сооружениях в Ханфорде, шт. Вашингтон. Хотя
приведенные данные о распределении загрязняющих ве¬
ществ относятся к лету 1965 г., они очень сходны с резуль¬
татами, показывающими распространение пресных вод ле¬
том 1962 г. (рис. 18.7, а). Более подробно вопрос о радиоак¬
тивных отходах в прибрежных водах рассматривается в
гл. 19.
Геологические аспекты океанологии
прибрежных вод
Волны и течения в прибрежной части океана формируют
очертания края континента. В свою очередь форма берего¬
вой линии оказывает сильное воздействие на волновой ре¬
жим у берега и прибрежные течения. Вначале мы рассмот¬
рим процесс рефракции волн, в ходе которого рельеф при¬
брежной части морского дна создает особую картину рас¬
пределения волновой энергии вдоль берега. После этого
опишем явление литорального переноса пляжных песков
вдоль береговой линии, затем — питаемый волновой энер¬
гией процесс перемещения песков на берег и обратно, меня¬
ющий в зависимости от времен года общий вид и текстуру
пляжа. И наконец, понятие о бюджете песков и осадков,
поступающих на определенный участок побережья и выно¬
симых с него, объединит все эти геологические процессы в
теорию «динамических ячеек» транспортировки прибрежно¬
го песка.
Рис. 18.8. Изменение цуга набегающих волн в зависимости от
формы береговой линии. Когда изобаты дна в береговой зоне пря¬
молинейны и однородны, гребни волн отклоняются от первона¬
чального направления также одинаково и плотность волновой энер¬
гии равномерно распределяется вдоль берега. У выступов берега
плотность волновой энергии сильно возрастает, так как рефракция,
связанная с батиметрией дна, приводит к конвергенции волн и сло¬
жению их энергии. Особенности подводного рельефа бухт и зали¬
вов, наоборот, вызывают такую рефракцию волн, которая приво¬
дит к дивергенции (расхождению) гребней волн и значительному
уменьшению плотности энергии у пляжа.
Рефракция волн
Ранее мы описали уменьшение скорости поверхностной вол¬
ны при ее движении к пляжу над поднимающимся дном. Те¬
перь взглянем на этот процесс в его проявлении по площа¬
ди, чтобы увидеть его геологические аспекты.
На рис. 18.8 показан длинный прямой отрезок береговой
линии, вблизи которого изолинии глубин прибрежных вод
также прямолинейны и параллельны берегу. Предположим,
что цуг поверхностных волн с параллельными гребнями
подходит к прямой береговой линии под углом а, как это
показано на рисунке. Приближаясь к берегу, линия гребней
«загибается», так что когда волны в конце концов входят в
прибойную зону, их гребни становятся почти параллельны¬
ми пляжу. Это явление называется рефракцией волн. Ре¬
фракция происходит потому, что передняя часть волнового
гребня, первая «чувствующая» трение о дно при глубине,
скажем, 20 м, вынуждена снизить свою скорость, тогда как
более удаленная от берега часть того же гребня продолжает
приближаться к пляжу с нормальной скоростью. Каждая
линия гребней искривляется таким образом, что при подхо¬
де к пляжу все они становятся почти параллельными бере¬
говой линии. Наблюдатель, видящий, как волны разбивают¬
ся у пляжа, редко может сказать, по какому направлению
двигался цуг волн перед входом в прибрежную зону.
В однородном цуге набегающих волн энергия распреде¬
ляется вдоль прямолинейного берега равномерно. Чтобы
проиллюстрировать это, мы строим на рис. 18.8 пару «лу¬
чевых траекторий», отстоящих друг от друга на расстояние,
разделяющее последовательные гребни в открытом море
(х - х). Энергия, запасенная между соседними лучами, дол¬
жна сохраняться и при подходе цуга волн к берегу. Эта
энергия выделяется на берегу между точками х’ — х’. Тща¬
тельное измерение покажет, что расстояние х' — х' немно¬
го превышает х — х, причем тем больше, чем больше угол
прихода волн. Ясно, что величина энергии, рассеивающейся
на каждом соседнем отрезке пляжа длиной х' — х', будет
одной и той же, так как все части цуга волн преломляются
одинаково.
Однако если береговая линия не прямолинейна, энергия
разрушения волн будет концентрироваться у выступов суши
и рассеиваться в заливах. Отрезок х’ — х' у берегового вы¬
ступа на рис. 18.8 гораздо короче, чем соответствующий
ему отрезок х - х в открытом море. Это означает, что
плотность волновой энергии возрастает у мыса пропорцио¬
нально отношению (х - х)/(х' - х') — величине, большей
единицы. Если же пара лучей пересекает береговую линию в
заливе, расстояние х’ — х’ оказывается гораздо большим,
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
285
Рис. 18.9. Ячеистая структура механизма перемещения осадочного
материала вдоль береговой линии в зоне литорали. Приведен ти¬
пичный отрезок береговой линии, состоящий из выступов суши и
чем исходный отрезокх — х, а значит, плотность энергии,
принесенной в пределы залива, резко уменьшается.
Если выступы суши размываются быстро из-за того,
что около них концентрируется энергия, а бухты и заливы
либо размываются слабо, либо заполняются песчаными от¬
ложениями, то в результате при достаточно большой про¬
должительности этих процессов должны формироваться
прямые береговые линии. В действительности же берега не
прямолинейны, а скорее представляют собой чередование
скалистых мысов и выступов суши с обширными заливами
и бухтами, которые часто сочетаются с прибрежными низ¬
менными долинами и устьями рек (рис. 18.9). В итоге мы
приходим к выводу, что, несмотря на концентрацию волно¬
вой энергии, выступающие участки суши размываются мед¬
ленно и эрозия отрезков береговой линии, заключенных
между такими выступами, стабилизирована. А если баланс
эрозии и осадконакопления устойчив, мы могли бы исследо¬
вать, сколько осадков поступает на каждый отрезок побе¬
режья и сколько с него сносится.
Бюджет прибрежных осадков:
понятие о прибрежных «ячейках»
Каковы источники песков, поступающих в прибрежную
область? Ясно, что во все времена главным источником бы¬
ли реки. Дополнительный нерегулярный источник — раз¬
мыв береговых уступов, особенно заметный в зонах опуска¬
ния континентальных структур.
Когда исследователи прибрежной зоны получили более
многочисленные и надежные данные о движении прибреж¬
ных осадков, стало ясно, что бюджет накопления и размы¬
ва не может быть сбалансирован на произвольно выбран-
низменных участков между ними; в низменностях обычно находят¬
ся реки.
ном отрезке береговой линии. Вместо этого специалисты
выделили в строении берега хорошо выраженные «ячейки»,
в которых происходит движение осадочного материала
(рис. 18.9): реки приносят этот материал, под действием
волн он медленно перемещается вдоль побережья, а грани¬
цами ячейки служат либо скалистые выступы суши, либо
подводные каньоны. В этой ячеистой системе, где происхо¬
дит поступление, перемещение и отложение осадков, конеч¬
ным местом осадконакопления должно быть дно соседней
глубоководной океанической впадины; исключение составля¬
ют отложения в дельтах рек, где непрерывное поступление
материала в прибрежный сектор приводит местами к опу¬
сканию поверхности (рис. 18.9)
Перенос реками. В табл. 18.1 перечислены некоторые круп¬
ные реки, несущие большие массы взвешенного материала.
Такие же данные требуются при подсчете баланса осадочно¬
го материала для конкретных участков побережья: учитыва¬
ется вынос всех рек — больших и малых.
Эрозия береговых уступов. Размыв береговых уступов
включается в схему развития прибрежных ячеек (рис. 18.9),
так как тектоническое поднятие района или повышение
уровня моря может привести к тому, что прежняя береговая
линия подвергнется новой волновой эрозии (см. также
рис. 5.9).
Литоральный перенос. В примере, иллюстрирующем ре¬
фракцию волн, предполагалось, что берег прямолинеен, а
рельеф дна прибрежной зоны однороден. Хотя и неявно, в
этом примере предполагалось также, что наклон самого
шельфа весьма невелик, так что процесс преломления осу-
286
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
Рис. 18.10. Особенности литорального переноса песка вдоль бере¬
говой линии в зависимости от угла подхода к пляжу цугов набегаю¬
щих волн. Когда волна входит в прибойную зону под некоторым
углом а, угол сопровождающего ее заплеска остается тем же и она
сдвигает песок вдоль поверхности пляжа. Однако обратный откат
происходит под воздействием силы тяжести, и песок при возвраще¬
нии попадает прямо в море. В результате каждая волна способству¬
ет перемещению (пусть небольшому) песка вдоль берега.
ществляется в точном соответствии с теорией и все набега¬
ющие волны подходят к прибойной зоне параллельно пля¬
жу. Однако реальная береговая линия устроена не столь
идеально: дно мелеет слишком резко, и преломление волн
происходит не столь идеально правильно. Поэтому волны
подходят к зоне прибоя под косым углом (рис. 18.10).
Поскольку частицы воды на гребне разбивающейся вол¬
ны движутся в направлении, перпендикулярном линии греб¬
ня, результирующий заплеск воды на поверхность пляжа
происходит под небольшим углом к этой поверхности. Од¬
нако заметим, что откат, т. е. обратный поток воды, за¬
брошенной прибоем, идет прямо вниз по склону пляжа. На¬
брав скорость, откат снова перемещает песок, выброшен¬
ный в фазе заплеска волн, но теперь уже вниз по пляжу.
При каждом волновом цикле происходит небольшое сум¬
марное перемещение песка в направлении, параллельном бе¬
регу. Оно называется литоральным переносом (или лито¬
ральным дрейфом). Чем острее угол подхода волн в при¬
бойную зону, тем интенсивнее литоральный перенос.
Литоральный перенос может менять свое направление с
изменением времени года, если меняется направление подхо¬
да к берегу преобладающих цугов, но, как правило, имеет
место некоторое результирующее перемещение песков в те¬
чение годового цикла. Песок пляжей Орегона и Северной
Калифорнии испытывает общий литоральный перенос в
южном направлении.
Рис. 18.11. Объемы (тыс. м3/год) переноса песков на разных
участках Атлантического побережья США. У берегов центральной
части шт. Нью-Джерси песок перемещается в противоположных
направлениях: севернее песок переносится к устью эстуария реки
Гудзон, южнее — ко входу в залив Делавэр [12].
На разных участках одного и того же побережья может
происходить литоральный дрейф в различных направлени¬
ях, как это показано на рис. 18.11 для одного из участков
побережья Нью-Джерси. Возможно, что тот волновой ре¬
жим, который способствует северо-западному переносу
вдоль побережья в северной части шт. Нью-Джерси, произ¬
водит также и юго-западный перенос песков вдоль берега
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
287
Рис. 18.12. Редкий фотоснимок, сде¬
ланный во время погружения в под¬
водный каньон Сан-Лукас у берегов
Нижней Калифорнии. Струи песка
стекают, как водопад, по стенке, об¬
разовавшейся в результате обвала, в
каньон. Такое перемещение материа¬
ла можно считать более или менее
постоянным — непрерывный вынос
песка из области литорали в океани¬
ческий бассейн [20].
Лонг-Айленда, поскольку эти два отрезка береговой линии
по-разному ориентированы к одним и тем же цугам набега¬
ющих волн.
Полезно сравнить объемы литорального переноса, пред¬
ставленного на рис. 18.11, с количеством взвешенного
осадочного материала, выносимого большими реками
(табл. 18.1). Оценки переноса песков для пляжей Нью-Джер¬
си колеблются от 115 до 365 тыс. м3/год. Принимая сред¬
нюю плотность песчаных зерен равной 3 г/см3, мы полу¬
чим, что соответствующие значения массы составляют от
350 тыс. до чуть более 1 млн. т в год. В отличие от этого
масса материала, выносимого самыми крупными реками,
гораздо больше: например, Гангом — больше 1 млрд,
т/год. Из этого сравнения читатель может сделать вывод,
что только часть материала, поступающего в прибрежные
воды, участвует реально в литоральном дрейфе. Остальная
часть может откладываться далеко от берега и, таким об¬
разом, оказывается вне досягаемости волн. Относительно
тонкие частицы остаются во взвешенном состоянии более
долгое время, а затем также осаждаются на дно во внешней
части шельфа (см. также рис. 5.9).
Роль подводных каньонов в прибрежной ячейке. Вспомним
сказанное в гл. 5 о том, что подводные каньоны, прорезаю¬
щие континентальный склон и шельф материковых окра¬
ин, — это важнейший путь перемещения береговых осадков
из окраинной области на абиссальные равнины. Известны
по меньшей мере два механизма, посредством которых осу¬
ществляется этот перенос материала вниз по склону. Уче¬
ные из Океанографического института Скриппса в ходе по¬
гружений в подводный каньон Сан-Лукас видели настоящие
«пескопады» — непрерывные потоки песка, обрушивающие¬
ся в каньон (рис. 18.12). В этом процессе песок постоянно
уходит из прибрежной ячейки. Другой механизм — накопле¬
ние осадочного материала и периодический его вынос тур-
бидными потоками.
Роль выступов суши. Не все прибрежные ячейки теряют пе¬
сок и осадки через подводные каньоны. Скалистый выступ
берега, или мыс, — естественное препятствие на пути не¬
прерывного литорального переноса пляжных песков
(рис. 18.9). Когда поток материала наталкивается на выступ
суши и пытается обогнуть его, он утрачивает свои основ¬
ные свойства на глубокой воде, в результате чего песок
осаждается на шельфе, причем обычно так далеко, что
больше никогда уже не возвращается в прибрежную ячейку.
Таким образом, выступы суши — другая (помимо подвод¬
ных каньонов) естественная граница распространения еди¬
ничной прибрежной ячейки вдоль берега. Осаждающийся на
внешнем шельфе материал может в конце концов быть вы¬
несен через подводный каньон в океанический бассейн: этот
материал накапливается и на самом континентальном скло¬
не, периодически сползая с него.
Циклическое перемещение песка на берег и в море. Пляж¬
ные пески могут выноситься в море зимой и возвращаться
следующим летом. Зимние штормовые волны, как правило,
обладают большей энергией, чем летние. Когда зимой вол¬
на разбивается у пляжа, то как накат ее, так и откат быва¬
ют очень мощными. Пляжи, выглядевшие такими устойчи¬
выми в летние месяцы, подвергаются теперь более турбу¬
лентному воздействию сильных накатов и откатов волн, по¬
этому большее количество песка вовлекается в движение
вверх-вниз по пляжу. Конечный результат этого процесса —
сезонное перемещение песка с поверхности пляжа на берего¬
вые бары, расположенные в нескольких сотнях метров от бе¬
рега (рис. 18.13, а) и ориентированные параллельно берегу.
Летом волны менее мощные. И масса воды, выбрасыва¬
емой на берег, и величина турбулентной энергии, которую
приносят заплески волн, меньше, чем зимой. Песок, захва¬
тываемый волнами при входе в прибойную зону, оседает из
накатывающихся волн. Вода самого прибойного потока
просачивается через пористые пески пляжа и возвращается к
288
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
(а) Более сильные зимние штормовые волны смывают песок с по¬
верхности пляжа, откладывая его на морских отмелях и береговых
барах, ориентированных параллельно береговой линии и располага¬
ющихся мористее прибойной зоны.
(б) Летние волны перемещают песок в обратном направлении — на
поверхность пляжа; морские отмели постепенно исчезают.
Рис. 18.13. Сезонный характер переноса пляжных песков на берег и обратно в море.
уровню моря, а содержащийся в ней песчаный материал от¬
фильтровывается и откладывается на поверхности пляжа
(рис. 18.13, б). Так летом пляжи восстанавливают прежний
вид.
Взаимосвязь между переносом песка вверх-вниз по склону
пляжа и вдоль литорали. Теперь рассмотрим сезонные пере¬
мещения песка вверх-вниз по склону пляжа с точки зрения
их связи с процессом литорального переноса. В любое вре¬
мя года песок передвигается через прибойную зону между
пляжем и береговым баром; попадая в прибойную зону, пе¬
сок вовлекается также в процесс переноса вдоль берега, пре¬
обладающий в данное время. Если существует какой-то ре¬
зультирующий перенос вдоль литорали, то по крайней мере
часть песка постоянно смещается по берегу. В типичной
прибрежной ячейке движение песка вдоль берега происходит
более или менее непрерывно и направлено от речных источ¬
ников материала к стокам — каньонам; на каждый отдель¬
ный участок пляжа будет поступать столько же нового пес¬
ка, сколько с него уйдет, так что сезонное перемещение
вверх-вниз по склону также будет непрерывным (хотя и с
разным размером зерен). Но если поступление песка в дан¬
ную ячейку прерывается, например в случае, если осадочный
материал задерживается выше по течению реки плотиной
гидроэлектростанции или противопаводковыми дамбами,
местный пляж будет терять песок в каждом цикле попереч¬
ного (вверх-вниз) переноса, что скажется в уменьшении ко¬
личества материала, переносимого вдоль литорали.
Если река выносит большие массы осадочного материа¬
ла, который откладывается в прибрежной зоне, а величина
приливов сравнительно невелика, но ветровые волны очень
сильны, вдольбереговой дрейф создает особые постройки,
называемые барьерными островами или береговыми барами
(рис. 18.14). Прекрасным примером служит остров Падре —
очень длинный береговой бар у побережья Техаса; это узкая
низкая песчаная гряда, протягивающаяся параллельно бере¬
гу на сотни километров. Между этим барьерным островом
и береговыми маршами лежит почти сплошная лагуна, ши¬
рина которой меняется от нескольких сотен метров до не¬
скольких километров. Лагуна соединяется с открытым мо¬
рем отдельными узкими проходами в самом острове. Поло¬
жение и конфигурация барьерных островов непрерывно ме¬
няются по мере того, как песок откладывается на одном
конце или краю и удаляется с другого. Если береговой бар за¬
нял устойчивое положение, то на нем часто образуются дюны
или же он покрывается солончаковой растительностью.
Песчаные косы — это такие же скопления песков, но они
непосредственно отходят от выступов суши и отделяют от
моря внутреннюю часть эстуария или лагуны (рис. 18.14).
Как правило, косы растут в направлении литорального
дрейфа пляжных песков.
Сближение переносимых песчаных масс и образование дюн.
Когда в результате эрозии в береговой линии возникает бух¬
та, то угол подхода набегающего цуга волн может оказать¬
ся таким, что по обе стороны бухты перенос песка вдоль
берега будет происходить в направлении основного массива
суши. Обе массы перемещаемого материала столкнутся на
наиболее удаленном от моря участке бухты. После этого
либо береговая линия будет отходить в сторону моря,
оставляя в тылу песчаные дюны, либо господствующие вет¬
ры станут перемещать часть песка дальше на сушу в виде
подвижных дюн. В обоих случаях образование дюн пред¬
ставляет собой захват материала прибрежной ячейкой.
Биологические аспекты прибрежной
океанологии
Экосистема прибрежной зоны океанов характеризуется
большим разнообразием видов, поскольку она 1) находится
на границе между сушей и океаном, 2) испытывает воздей¬
ствие сильнейших, а иногда и сокрушительных изменений
во внешней среде, а кроме того, 3) располагается на мелко¬
водье, где трофические сети бентосной зоны активно сосу¬
ществуют с трофическими сетями эвфотической зоны. Ина¬
че говоря, прибрежная зона исключительно богата экологи¬
ческими нишами. Действительно, если сегодня на каком-то
участке этой области разнообразие видов внезапно сокраща¬
ется, это верный признак того, что человеческая деятель¬
ность или стихийное бедствие оказали отрицательное воз¬
действие на местную экосистему.
На нескольких страницах невозможно рассмотреть все
причины такого биологического богатства прибрежной зо¬
ны, даже если бы они были хорошо известны. Ясно, что
поток растворенного и взвешенного материала в выносе
рек — один из источников питательных веществ, но поло¬
жение осложняется множеством других факторов. Кроме
того, необходимо рассмотреть прибрежные экосистемы с
точки зрения их энергетики и выяснить роль эстуариев.
Энергетика биологических процессов
Ранее в этой главе мы рассмотрели вопрос о том, как энер¬
гия речного стока — вместе с энергией вихрей, образующих¬
ся в результате трения между океанским течением и матери¬
ком, — идет на перемещение материала по горизонтали че¬
рез прибрежную пограничную зону от суши к морю. Не ме¬
нее важно с биологической точки зрения знать и расположе-
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
289
(а) Космический снимок барьерных остро¬
вов, идущих вдоль Лонг-Айленда и к югу
от него, у побережья шт. Нью-Джерси. На
южной стороне Лонг-Айленда от центра
его тянется длинный береговой бар, на ко¬
тором расположен национальный парк
Файр-Айленд. Большая песчаная коса
Санди-Хук (шт. Нью-Джерси) в бухте Рари¬
тан была намыта с юга и представляет со¬
бой классический пример того, как при¬
брежные волны и течения создают песча¬
ные постройки. Сопоставьте береговые ба¬
ры и пасчаные косы Лонг-Айленда и Нью-
Джерси со схемой литорального переноса
на рис. 18.11.
(б) Аэрофотоснимок прохода Ист-Моричес
в береговом баре Файр-Айленд, находяще¬
гося в правом верхнем углу снимка (а). Ли¬
торальный перенос направлен справа нале¬
во, пересекая вход в пролив. Приливные те¬
чения, устремляющиеся в лагуну, захваты¬
вают и отлагают часть переносимого песка,
создавая показанную здесь эффектную кар¬
тину.
Рис. 18.14. Примеры песчаных кос и барьерных островов,
ние мест, а также интенсивность вертикального перемеши¬
вания шельфовых вод и вертикального перекрытия сред
обитания различных сообществ организмов. Эти представ¬
ления иллюстрируются рис. 18.15.
Перекрытие эвфотической и бентосной сред обитания. Если
мы отнесем к поверхностному слою обитания только эвфо-
тическую зону, то этот слой будет распространяться до глу¬
бины 100 м или меньше. Если же мы будем исходить в сво¬
ем определении из поведения крупных представителей сооб¬
щества эвфотической зоны (например, миктофообразных
рыб глубинного звукорассеивающего слоя), то поверхност¬
ная среда обитания достигнет глубины 400 м. Такой же под¬
ход применим к определению толщины бентосного слоя
обитания. Мы допускаем, что в открытом океане эти два
слоя не контактируют, если не считать односторонний пере¬
нос органического детрита сверху вниз (на дно). Но на мел¬
ководье континентальных окраин эти слои должны прихо¬
дить в соприкосновение и перекрываться. По пористой гра¬
нице такой зоны перекрытия (рис. 18.15) принято проводить
внешнюю границу прибрежных вод — объекта исследований
специалистов по «прибрежной океанологии». С этой точки
зрения энергетика фауны данной зоны представляет собой
главную характеристику вертикального перекрытия.
Для определения границ прибрежной зоны можно ис¬
пользовать и другие критерии. Одним из них является пере¬
сечение континентального склона и той максимальной глу¬
бины, где солнечный свет еще оказывает биологическое воз¬
действие. Выбор этого признака основан на том, что здесь
находится уровень, выше которого жизненные ритмы бен¬
тосных организмов уже могут зависеть от суточного цикла
освещенности; глубина его составляет 500—700 м. Если же
мы выберем уровень, на котором интенсивность света пада¬
ет до 1 % от ее поверхностного значения (грубая оценка глу¬
бины, на которой еще может происходить фотосинтез), то
зона перекрытия слоев будет ограничена глубиной около
100 м — значительно ближе к берегу, чем перегиб шельфа
(рис. 18.15). Исходя из этих критериев внешняя граница об¬
ласти исследований специалистов по прибрежной океаноло¬
гии определяется энергетическими характеристиками сол¬
нечного излучения, или мутностью воды, или самим процес¬
сом фотосинтеза.
Вне зависимости от того, какой критерий перекрытия ис¬
пользуется, его значение состоит в том, что ближайшее к
290
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
I
Внешняя прибрежная зона
I Внутренняя прибрежная зона
Прибойная
зона
I
I
I
+
гп
Поверхностный
слой обитания
“Г
Глубина
фототаксиса
±
т-Слой ветрового
’ I. перемешивания •
:1
Внешняя граница
зоны диссипации
волновой энергии
zf
Место слияния наклонной поверхности дна
и максимальной глубины, на которой
солнечный свет еще оказывает
биологическое действие : ближе к берегу
бентосные организмы следуют суточным
ритмам в своих жизненных циклах
Важнейшая граница: отсюда до берега
происходит активный физический обмен
между поверхностным хорошо пере¬
мешанным слоем и донным слоем,
перемешиваемым приливами
Г раница прибрежной
зоны - место слияния
слоев обитания
Рис. 18.15. Несколько вариантов определения границ прибрежной зоны.
берегу бентосное сообщество становится составной частью
прибрежного сообщества, и наоборот. Здесь находятся эко¬
логические ниши, которые не могут существовать в откры¬
том море. В качестве примера можно вспомнить промысел
дандженесского краба у берегов Орегона (табл. 12.1). Дру¬
гой пример — поведение некоторых пеннатных диатомо¬
вых. Они опускаются на мелководное дно шельфа и прово¬
дят там зиму в своего рода «спячке»; с наступлением весны
эти одноклеточные возобновляют активный фотосинтез в
поверхностном слое. В гл. 2 говорилось также о том, что
бентосная фауна проходит в своем развитии одну или боль¬
ше стадий жизненного цикла, когда личинки питаются в по¬
верхностном слое. Предполагается, что таким способом
бентос реагирует на высокую первичную продуктивность
прибрежных поверхностных вод.
Перекрытие перемешанных слоев. В конце 1970-х годов при¬
брежные океанологи обнаружили в шельфовых водах новый
тип границы. Как показано на рис. 18.15, зона, где прохо¬
дит эта граница, характеризуется слиянием верхнего хорошо
перемешанного слоя, в котором механическое перемешива¬
ние возбуждается ветровой и волновой энергией, и придон¬
ного пограничного слоя, где вертикальное перемешивание
происходит за счет трения течений (преимущественно при¬
ливных) о дно шельфовой зоны. Эта граница имеет важное
значение, так как здесь начинается физический обмен вод¬
ных масс между двумя упомянутыми слоями. Ближе к бере¬
гу водный столб хорошо перемешан от поверхности до дна,
а в противоположном направлении шельфовые воды сохра¬
няют двухслойную структуру.
Положение упомянутой границы механического переме¬
шивания обычно отмечается резким изменением температу¬
ры поверхностной воды, поскольку придонная вода холод¬
нее: любая смесь с поверхностной водой имеет меньшую
температуру, чем несмешанная поверхностная вода в откры¬
том море. Этот тип структуры называется «фронтальной
зоной». Прекрасный пример такого фронта нашли Шумахер
и др. [19] на шельфе Берингова моря — вдоль линии, отсто¬
ящей от берега примерно на 140 км при глубине моря 50 м
(рис. 18.16, а). Как показывают профили температуры и со¬
лености, пересекающие этот фронт (рис. 18,16, б), он делит
шельф Берингова моря на внешнюю прибрежную зону, где
поверхностные и глубинные воды образуют четкие отдель¬
ные слои, и внутреннюю прибрежную зону, в которой тем¬
пература и соленость совершенно однородны от поверхно¬
сти до дна, что указывает на сильное вертикальное пере¬
мешивание.
Такие же фронтальные зоны обнаружены и изучены и в
других районах. Горизонтальные течения обычно парал¬
лельны фронтальной зоне и направлены так, что хорошо
перемешанные прибрежные воды оказываются справа от
направления течения. Кроме того, обнаружено, что эти
фронты не очень стабильны: они образуют меандрообраз¬
ные изгибы и закругления, а иногда прерываются вихря¬
ми — такого рода процессы создают вихри в Гольфстриме
(рис. 10.11). Физики и химики отмечают, что меандры и
вихри способствуют также переносу осадочного материала
через эту границу от суши к открытому морю.
Биологи теперь понимают, что с фронтальной зоной свя¬
зана и одна важная сторона существования прибрежной эко¬
системы. В районе фронта увеличивается биологическая
продукция. На внешней относительно этой зоны стороне
шельфа плотностная стратификация лимитирует первичную
продуктивность, так как пополнение запаса питательных ве¬
ществ снизу ограничено. На внутренней стороне шельфа ин¬
тенсивное вертикальное перемешивание способствует увели¬
чению первичной продукции — так же, как это происходит
при возбуждаемом ветрами апвеллинге. Рыбаки и специа¬
листы по рыбному хозяйству хорошо знают о тесной связи
между наибольшими уловами рыбы и близостью к фронту.
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
291
175° 170° 165° 160° 155°
(а) Карта шельфа Берингова моря с изобатой
50 м, вдоль которой проходит фронт, показан¬
ный здесь зигзагообразными линиями.
Рис. 18.16. Результаты проведенных недавно исследований во фронтальной зоне шель¬
фовых вод Берингова моря [19].
(6) Вертикальные профили температуры и со¬
лености, построенные поперек фронта южнее
о. Нунивак. Отмечается резкий переход от от¬
четливо стратифицированного двухслойного
водного столба над внешним шельфом (глубже
50 м) к хорошо перемешанным водам ближе к
берегу.
Фронтальные зоны и крупные скопления рыбы. Исследова¬
ния последнего времени показывают, что фронтальные зо¬
ны в пределах прибрежного мелководья играют важнейшую
роль в движении крупных косяков атлантической сельди.
Таких косяков довольно много: только в северо-западной
части Атлантического океана число их составляет несколько
десятков [9]. Популяции разных косяков сильно различают¬
ся по массе рыбы — от каких-нибудь сотен тонн в одних ко¬
сяках до миллионов тонн в других.
У каждого косяка — особое время нереста, но только не¬
давно биологи узнали, что развитие личинок разных косяков
проходит также в строго определенных местах. Личинки в
районе Джорджес-Банк (рис. 18.17) относятся к косяку, от¬
личающемуся от косяков, обитающих в районе Нантакет¬
ских мелей или к юго-западу от полуострова Новая Шот¬
ландия. Более того, карта показывает, что личинки в каж¬
дом косяке обычно скапливаются в зоне термического
фронта, окружающего каждую такую отмель. Эти фронты
характеризуются таким же типом перемешивания в погра¬
ничной прибрежной зоне, какой описан выше для шельфа
Берингова моря. Они возникают под действием того же ме¬
ханизма механического перемешивания взмучиваемого при¬
ливами донного слоя с поверхностными слоями, возмущае¬
мыми ветром. Биологи приходят теперь к выводу, что раз¬
ные косяки сельди перемещаются для икрометания к «сво¬
им» особым местам во фронтальной зоне, но их молодь
смешивается с «родительским» косяком, уходя в район пи¬
тания вместе со взрослыми особями. Эти новые знания по¬
могают лучшей организации рыбного промысла, при кото¬
ром следует не допускать чрезмерного лова в каждом от¬
дельном косяке. Если косяк будет полностью выловлен, то
нет никакой уверенности, что его место займет другое скоп¬
ление рыбы.
292
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
Рис. 18.17. Связь между распределением личинок
сельдей вскоре после нереста и размещением отме¬
лей в районах о. Нантакет, Джорджес-Банк, юго-
западнее Новой Шотландии и о. Гран-Манан. Во¬
ды термического фронта обычно хорошо переме¬
шаны от поверхности до дна [9].
Эстуарии и затопляемые земли
Научная деятельность океанологов в эстуариях и на затоп¬
ляемых низменностях еще более специфична, чем прибреж¬
ная океанология в целом. Для этого есть несколько причин.
1. В эстуариях соленость быстро изменяется на коротких
расстояниях, причем как в горизонтальном, так и в верти¬
кальном направлении. Это означает, что животные должны
уметь свободно перемещаться с тем, чтобы сохранить свое
положение в области нужной им солености воды и приспо¬
собиться к изменению осмотического давления.
2. Характер циркуляции воды в эстуариях заметно изме¬
няется в зависимости от величины речного стока. Для тех
мест, где в эстуарии происходит смешение соленых и прес¬
ных вод, характерны сильные сезонные изменения.
3. Практически на всех эстуариях сегодня серьезно сказы¬
вается влияние человеческой деятельности. Почти невоз¬
можно узнать истинные, первоначальные особенности какой
бы то ни было экосистемы эстуариев.
4. Многие морские организмы, живущие во взрослом со¬
стоянии преимущественно в морской воде, мигрируют в
эстуарий и обратно для питания или нереста; так делают
северный менхеден и тихоокеанская сельдь. Эпизоды мигра¬
ции связаны со сменой времен года и начинаются после ха¬
рактерного сезонного изменения какого-то фактора, напри¬
мер притока пресной воды, температуры или солености
(рис. 12.7).
Циркуляция воды в эстуариях
Процессом перемешивания пресной и морской воды в эстуа¬
риях управляют два фактора: величина океанского прилива
в устье эстуария и величина стока рек в вершине эстуария.
Перемешивание в эстуарии может быть двух типов: пол¬
ным, когда определяющую роль играет величина прилива,
или в виде клина соленых вод, когда доминирует речной
сток.
«Полностью перемешанный» эстуарий. Если велики оке¬
анские приливы, или слаб приток речных вод, или же ес¬
ли удовлетворяются оба этих условия, то вода в эстуарии
перемешивается довольно хорошо сверху донизу, а соле¬
ность плавно изменяется от нормальной для океана величи¬
ны около ЗО%о в устье эстуария до нуля в его вершине.
Рис. 18.18, а иллюстрирует это положение для эстуария ре¬
ки Колумбия в такое время года, когда речной сток спадает
до минимума, а тихоокеанские приливы в устье эстуария
высоки.
Энергия для вертикального перемешивания обеспечивает¬
ся турбулентностью, создаваемой внутри эстуария прилив¬
ными течениями; чем больше скорость приливного течения,
тем выше степень турбулентного перемешивания в толще
воды.
Можно также рассмотреть этот тип эстуарного переме¬
шивания с точки зрения количества пресной воды, поступа¬
ющей из реки за время приливного цикла (рис. 18.18, б). Во¬
да, поступающая из прибрежной части океана за этот цикл,
должна занимать объем между уровнями прилива и отлива,
называемый приливной призмой. В данном случае ясно, что
приливная призма существенно больше объема речного стока,
поэтому приливные течения бывают сильными. Турбулент¬
ность, создаваемая приливными течениями, разрушает
естественное плотностное расслоение, которое в противном
случае оказалось бы сильнее: пресная вода распространялась
бы от реки над слоем более плотной морской воды. В неко¬
тором смысле можно сказать, что водный столб в полностью
перемешанном эстуарии динамически дестабилизируется снизу.
В редких случаях входящая в эстуарий приливная волна
полностью турбулентной мощной стеной мутной воды
устремляется вверх по течению, создавая гидравлическую
волну, которую называют бором.
Эстуарий с соленым клином. В другом крайнем случае глав¬
ную роль в процессах перемешивания в эстуарии играют
большие массы речной воды. Величина приливов может
быть большой или малой, но сама речная вода содержит
основную долю энергии движения в турбулентной форме.
Когда пресная вода встречается с соленой водой и перекры¬
вает ее, турбулентные вихри захватывают «порции» соле¬
ной воды и переносят их вверх, в лежащий выше слой прес¬
ной воды. Этот тип перемешивания, при котором поверх¬
ность раздела между двумя различными жидкостями эроди¬
руется только с одной стороны, называется вовлечением.
Как будет показано в дальнейшем, этот процесс оказывает
большое влияние на поведение прибрежных экосистем.
В процессе вовлечения (рис. 18.19) некоторое число R
единичных объемов пресной воды попадает в эстуарий в его
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
293
Расстояние от устья эстуария до его вершины, мор. мили
(а) Условия в эстуарии р. Колумбия в сезон наименьшего речного
стока (ранней зимой) — пример полностью перемешанного эстуа¬
рия. Перемешивание, возбуждаемое приливами, значительно, по¬
этому соленость распределяется весьма равномерно сверху донизу
[15].
(б) Когда разность уровней прилива и отлива в устье эстуария ве¬
лика, велик и перенос воды туда и обратно в течение суточного
приливного цикла. Если дополнительный объем воды при прили¬
ве — приливная призма — больше, чем объем речной воды, посту¬
пающей в эстуарий в течение того же приливного цикла, то переме¬
шивание в пределах эстуария определяется турбулентной энергией
течений прилива и отлива. Соленость становится весьма однород¬
ной сверху донизу в любой точке эстуария, как это показано на ри¬
сунке; кроме того, морская вода равномерно разбавляется — от ха¬
рактерной для открытого океана до пресной у места впадения реки.
R — величина речного стока в течение одного приливного
Рис. 18.18. Эстуарий с полностью перемешанной водой: причины и условия. (1 мор. миля = 1,85 км.)
(а) Условия, при которых образуется клин соленых вод. Вертикальное перемешивание
идет благодаря большой кинетической энергии турбулентности в речной воде, которая
увлекает соленую воду вверх и смешивается с ней. Масса вовлеченной морской воды,
выходящая вместе с речной водой из устья эстуария, должна быть уравновешена такой
же массой, входящей в эстуарий в виде соленого клина. Вовлечение соленых вод в пере¬
мешивание, происходящее в верхнем слое, иногда называют речным апвеллингом.
Устье
эстуария
Сильный приток
речной воды
Сильное
вовлечение
(б) Положение соленого клина относительно устья эстуария зависит от относительной
мощности речного стока. Очень обильный речной сток может выжать соленый клин из
пределов эстуария в соседнюю прибрежную зону океана. Пример — река Амазонка.
Рис. 18.19. Эстуарий с соленым клином.
294
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
вершине; значит, такое же число R этих объемов должно
выйти из устья эстуария за то же самое время. Но из-за то¬
го что речная вода осолоняется при своем движении, пол¬
ный объем солоноватой смеси в устье эстуария должен
быть гораздо больше, чем R единиц. Например, если 17?
речной воды вовлекает в процесс перемешивания 3R единиц
морской воды, то для сохранения баланса пресной воды в
эстуарии в море должно выйти в общей сложности 47? еди¬
ничных объемов солоноватой воды. Но 37? единиц морской
воды в этой солоноватой смеси должны быть скомпенсиро¬
ваны соответствующим притоком из моря. Это объясняет
особый характер эстуария с соленым клином, а именно то,
что морская вода втекает внутрь эстуария вдоль дна, вос¬
полняя непрерывную потерю морской воды через раздел с
турбулентной речной водой. «Клин» морской воды прони¬
кает на некоторое расстояние вверх по течению — отсюда и
название этого типа эстуариев.
Где в эстуарии располагается соленый клин? Находится
ли вершина клина около устья эстуария или проникает дале¬
ко внутрь против течения? Ответы зависят от двух факто¬
ров — величины речного стока и формы самого эстуария.
Сток реки Амазонки столь велик, что клин соленых вод бук¬
вально полностью выжат из устья эстуария; океанологами
изучен протяженный шельф солоноватых амазонских вод в
прибрежной области океана, растекающихся далеко от
устья эстуария. Однако у большинства рек вершина клина
располагается в пределах эстуария (рис. 18.19, 6). В первые
месяцы лета, когда сток максимален, клин ближе к устью
эстуария, но выражен тоже очень отчетливо; скорость про¬
цесса вовлечения и компенсирующий поток морской воды,
направленный вверх по эстуарию, велики. Когда величина
речного стока уменьшается в осенний сезон, сокращается и
энергия турбулентности, питающая процесс вовлечения;
клин соленых вод продвигается тогда выше по течению.
Форма эстуария определяет тип циркуляции, влияя на
«быстроту» течения речной воды, а значит, и на степень
турбулентности в ней. Реки с узкими эстуариями и большим
расходом воды вытесняют клин к устью эстуария. Широкие
реки, даже с мощным стоком, как правило, менее турбу¬
лентны, так что клин соленых вод располагается там ближе
к вершине эстуария.
Классический пример эстуария с соленым клином —
эстуарий реки Миссисипи. В Мексиканском заливе прилив
невысок — 0,5 м или меньше, объем речного стока очень ве¬
лик, а река весьма широкая. Клин соленых вод распростра¬
нился вверх по течению до Батон-Ружа, находящегося на
расстоянии 200 км от устья реки.
«Частично перемешанный» эстуарий. Характер циркуляции
в большинстве эстуариев представляет собой нечто среднее
между описанными экстремальными случаями. Турбулент¬
ная энергия, питающая процесс перемешивания, распределе¬
на в той или иной степени между слоем речной воды и про¬
двигающимся против течения придонным потоком соленых
вод. Иначе говоря, соленость верхнего слоя в пределах эсту¬
ария заметно растет по мере его движения к устью, а при¬
донный слой непрерывно разбавляется пресной водой по ме¬
ре своего перемещения в противоположном направлении.
Прекрасный пример частично перемешанного эстуария
представляет собой система Чесапикского залива. Эстуарий
здесь заходит в пределы континента на 300 км и на этом пу¬
ти принимает сток многих рек. Воды его относятся к кате¬
гории солоноватых; изогалина поверхностного слоя 5%о в
конце лета проходит очень близко к вершине эстуария
(рис. 18.20). Обратите внимание также на то, что изогали-
Рис. 18.20. Эстуарий Чесапикского залива — хороший пример
эстуария с частично перемешанными водами. Типичные значения
солености в поверхностном слое этой системы изменяются от 28%о,
в устье до 1%о в верхней части эстуария. На карте видно, что систе¬
ма залива сложная, с множеством рек, втекающих с обеих сторон.
Отклоняющий эффект вращения Земли прижимает морскую соле¬
ную воду, проникающую в залив, к его восточному берегу; обрати¬
те внимание, что изогалина 2О%о, подходит к восточному берегу
под острым углом [14].
ны поверхностных вод ориентированы под косым углом к
оси русла, в результате чего создается впечатление, что на¬
правленный против течения поток соленой воды распро¬
страняется вдоль восточного (правого по отношению к это¬
му потоку) берега, тогда как текущая к морю солоноватая
вода прижимается к своему правому берегу. Это действи¬
тельно так: сила Кориолиса, создаваемая вращением Земли,
отклоняет оба потока вправо от направления течения.
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
295
Связь прибрежных экосистем с эстуариями
Площадь США включает около 15 150 км2 эстуарных вод.
В 1970 г. эти воды вместе с водами шельфа дали 5 млн. т
рыбы и других морских продуктов [17]. Мы знаем теперь,
что многие виды животных, добываемые на шельфе для
продажи, в течение некоторой части своего жизненного ци¬
кла не могут обойтись без захода в эстуарии. Мак-Хью [14]
подсчитал, что 66% промысловых видов на атлантическом
шельфе США зависят от эстуариев, а для отдельных райо¬
нов процент должен быть еще выше. Используя эти значе¬
ния, можно вычислить степень такой зависимости: на 1 км2
поверхности эстуарных вод соответствующий региональный
промышленный улов составляет 200 т/год. Значит, каждый
квадратный километр эстуарных вод, потерянный в резуль¬
тате засыпки грунтом («отвоеванные у моря» площади)
или загрязнения, понижает уровень годовой добычи рыбы
на 200 т!
Какие же особенности вод эстуариев столь необходимы
для прибрежных морских экосистем и как эти особенности
связаны с прибрежной фауной? Ответы на оба вопроса свя¬
заны с двумя главнейшими отличительными чертами эстуа¬
Зона реки
Зона эстуария
Переход к океану
Рис. 18.21. Три профиля, построенные
вдоль эстуария р. Колумбия и захватываю¬
щие соседнюю часть океана [3].
(а) Физические аспекты. Обратите внима¬
ние на расположение зоны возбуждаемого
рекой апвеллинга в области эстуария и ин¬
тенсивность этого апвеллинга. Морская во¬
да в процессе вовлечения поднимается из
более глубокого слоя, богатого нитратами;
шлейф низкой солености распространяется
далеко в море.
Поверхностная
океанская вода
(< 1 мкг-атом/л).
Концентрация
снижается летом
в результате фотосинтеза
Уровень моря I
Вертикальноеибоковое Вертикальное перемешивание
А перемешивание уменьшает —увеличивает содержание^
• концентрацию нитратов нитратов
I • Роклин >1 мкг<том/л
32,5%в "
Речная вода
(<0,1 мкг-атом/л).
i S мкг атлм/л Концентрация
мкг-атом/л уменьшается летом
в результате фото -
синтеза и разбавления
Первая стадия перемешивания
в зоне эстуария
Глубинная океанская вода
(> 30 мкг-атом/л) - главный резервуар
и источник нитратов в течение лета
(б)
(б) Химические аспекты. Обогащение зоны
эстуария нитратами в результате возбужда¬
емого рекой апвеллинга.
(в) Биологические аспекты. Зона вовлече¬
ния чрезвычайно продуктивна; по продук¬
тивности она превосходит открытый океан
в 20 раз.
Продуктивность, мг С/ (м3 • ч)
296
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
риев: чрезвычайно высокой первичной продуктивностью их
вод и своеобразной двухслойной и разнонаправленной систе¬
мой циркуляции. Более близкий к нашей теме вопрос — по¬
чему в эстуариях столь велика первичная продукция? Ответ
на этот вопрос также имеет две стороны. Во-первых, масса
растворенных питательных веществ и частиц органического
материала, заключенная в речной воде, обеспечивает водо¬
рослевую продукцию в самой этой речной воде. Во-вторых,
вызываемое турбулентностью вовлечение морской воды из
клина соленых вод — своего рода апвеллинг, возбуждаемый
реками, — «выкачивает» богатую питательными вещества¬
ми морскую воду с глубины наверх, в эвфотическую зону.
Возбуждаемый реками апвеллинг: пример реки Колумбия.
Процесс вовлечения, развивающийся на поверхности клина
соленых вод, приводит к тому же биологическому результа¬
ту, что и апвеллинг, обусловленный ветрами у открытого
побережья, а именно увеличению первичной продуктивно¬
сти. Прекрасный пример этого дает эстуарий реки Колум¬
бия. На рис. 18.21, а показано, как вследствие вовлечения
глубинная океанская вода подкачивается в эстуарий.
Сама река приносит в эстуарий мало свободных нитра¬
тов, так как они уходят на рост водорослей в реке. В глу¬
бинной же океанской воде содержание нитратов, как показа¬
но на рис. 18.21, б, очень велико— более 30 мкг-атом/л.
Область эстуария, в которую вовлекаются эти нитраты, по¬
тенциально весьма продуктивна, что подтверждается схе¬
мой, представленной на рис. 18.21, в.
Однако необходимо подчеркнуть одно важное различие
между апвеллингом в эстуарии и механизмами прибрежного
апвеллинга в океане. В эстуарии — вне зависимости от ин¬
тенсивности вовлечения морской воды — солоноватая смесь
всегда остается менее плотной, чем подстилающая ее океан¬
ская вода прибрежной зоны, поэтому находящиеся в эстуар¬
ной воде питательные вещества остаются в освещенной
солнцем зоне вплоть до истощения. Наоборот, возбуждае¬
мый ветрами апвеллинг выталкивает плотную глубинную
воду прямо на поверхность; прекращение ветра позволяет
этой воде опуститься обратно и выйти из эвфотической зо¬
ны еще до того, как ее питательные вещества будут полно¬
стью использованы. Кроме того, ветры имеют переменный
характер, а турбулентный речной поток возбуждает процесс
вовлечения днем и ночью непрерывно в течение всего сезон¬
ного цикла стока.
Продуктивность эстуариев можно оценить, сопоставив
максимальное ее значение, полученное для реки Колумбия
(рис. 18.21, в) и равное 20 мг С/(м3 • ч), с типичным значени¬
ем для прибрежного апвеллинга — 300 г С/(м2 • год), указан¬
ным в табл. 1.2. Чтобы выразить эти значения в сравнимых
единицах, предположим, что продуктивный сезон для реки
Колумбия длится 6 мес по 10 ч в сутки (т. е. только в днев¬
ные часы), и рассмотрим слой толщиной 10 м. В этом слу-
Нектон, обнаруженный
в эстуариях
Рис. 18.22. Категории нектона, обитающе¬
го в солоноватых водах эстуариев.
Пресноводные рыбы
случайно заходящие
в солоноватые воды
Собственно эстуарные виды:
проводят весь жизненный цикл
в эстуарии
— Только немногие виды - сом
и речная щука - достаточно
толерантны к соленой воде
Анадромные
и катадромные виды
— Очень мало видов известно как эндемичные для эстуариев.
Примеры для Атлантического побережья США - скиллетфиш
и киллифиш, оба вида — мелкие рыбы
Морские рыбы: икрометание
или вскармливание потомства
в течение части
жизненного цикла
— Виды сравнительно многочисленны
— В эстуариях Атлантического побережья примеры анадромных видов - полосатый окунь,
белый окунь, несколько видов сельдей, морская минога и речная сельдь;
катадромный вид - американский угорь
— В тихоокеанских водах доминирующий анадромный тип - лососевые;
сюда можно отнести также тихоокеанскую сельдь, разные виды корюшки
и нерестящейся на пляже мойвы
—Наиболее многочисленны среди видов всех категорий. Могут существовать в водах с широким диапазоном солености
— Примеры видов, нерестящихся в эстуарии, но мигрирующих в океан в молодом возрасте: окунь (несколько видов);
анчоус (несколько видов); тихоокеанская сельдь, нерестящаяся в зоне литорали
—Примеры видов, нерестящихся в океане и мигрирующих в эстуарии в молодом возрасте: менхеден, молодь которого
мигрирует в эстуарий вскоре после появления из икринок; уикфиш проводит первый год в море, а на втором году
идет в эстуарий; креветки из семейства пенеид; мерлуза; несколько видов морского окуня
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
297
Рис. 18.23. Небольшие животные и зоопланктон (не показан) мо¬
гут оставаться в высокопродуктивной зоне эстуария продолжитель¬
ное время, используя клин соленых вод как средство передвижения
вверх по эстуарию и компенсируя тем самым смещение вниз по те¬
чению во время питания в солоноватой речной воде. В эту схему
чае суммарная продукция составит 900 г С/(м2 • год), или
9 т С/(га • год), т. е. втрое больше, чем при апвеллинге в
прибрежной части океана. Интересно сопоставить эти зна¬
чения с урожаями «сухопутных» злаков. Хорошая ферма
Айовы производит в год 3 т обмолоченного зерна с гектара;
если кормить им птицу, то это даст около 1 т куриного мя¬
са. В эстуарии же превращение растительной пищи в зоо¬
планктон имеет эффективность 20%, а зоопланктона в про¬
мысловую добычу (такую, как улов менхедена) — тоже
20%, что означает превращение 9тС/(га-год) приблизи¬
тельно в 900 кг рыбы на гектар, т. е. примерно столько же,
сколько весят цыплята, вскормленные айовской нивой. Но
эстуарии дают не только рыбу: там ведется также промы¬
сел креветок и других морских животных, так что общий
итог выше, чем для фермы в шт. Айова.
Эстуарии как место нереста и вскармливания молоди. При
такой высокой продуктивности эстуарных вод неслучайно,
что многие виды фауны прибрежной области океанов при¬
способились к обитанию в этих богатых водах в течение
какой-то части или даже всего жизненного цикла. На
рис. 18.22 выделены четыре категории нектона, обнаружен¬
ные в эстуарных водах и различающиеся по степени и ха¬
рактеру своей зависимости от этой зоны. Несколько видов
пресноводных рыб было встречено в солоноватых водах;
предполагается, что видов, эндемичных для эстуариев,
очень мало. Подавляющее большинство видов рыбы, пой¬
манной когда-либо во внутренних водах эстуариев, и опре-
включается миграция морских видов нектона, таких как сельдь,
менхеден, полосатый окунь, корюшка, а также миграция анадром¬
ных рыб (таких, как лососевые) и катадромных (таких, как амери¬
канский угорь).
деленно все те виды, которые служат объектом промысло¬
вого лова, проводят в эстуарии только какую-то часть свое¬
го жизненного цикла. Они делятся на два типа: анадромно-
катадромные, т. е. виды, проходящие через солоноватые
воды эстуариев по пути из пресных в соленые воды или наобо¬
рот, и виды, характерные для открытого океана, мигрирую¬
щие в эстуарные воды либо в поисках пищи, либо для нереста.
Особый характер циркуляции в эстуариях, при которой
морская вода втекает в соленый клин и выходит из него
вследствие вовлечения в речную воду, создает механизм, по¬
средством которого личинки и молодь многих видов живот¬
ных могут кормиться благодаря высокой продуктивности
эстуарной зоны в течение гораздо более продолжительных
периодов времени, чем обычное время смены вод. Этот ме¬
ханизм иллюстрируется на рис. 18.23 как для нерестящихся,
так и для кормящихся в эстуариях видов. Тихоокеанская
сельдь заходит в эстуарии вплоть до литорали, где нерес¬
тится, оставляя тяжелые сгустки липкой икряной массы, ко¬
торая прикрепляется к болотным или водным травам, та¬
ким как взморник (Zostera из семейства наядовых). Атлан¬
тическая корюшка движется далеко вверх против течения и
откладывает икру на дне участков рек с быстрым течением,
американская сельдь также мечет икру на речное дно, но в
более спокойных водах небольших речек и прудов в верхних
частях речного бассейна. Полосатый окунь оставляет икря¬
ную массу сразу же над поверхностью распространения со¬
леных вод. Хейдрих и Холл описывают поведение рыб сле¬
дующим образом [8]:
298
ЧАСТЬ VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ
«Рыба нерестится в конце мая или начале июня над уровнем
соленых вод [рис. 18.23]. Полупелагические икринки и личинки про¬
водят, по-видимому, несколько дней или недель почти у самого дна
реки, слегка дрейфуя, если течение у дна не слишком сильное. При¬
мерно в двухнедельном возрасте мальки встречаются уже по всей
глубине водного столба и начинают дрейфовать по течению. Ста¬
новясь достаточно сильной для первых попыток свободного плава¬
ния, рыба начинает мигрировать по вертикали, перемещаясь ближе
ко дну в дневное время и ближе к поверхности ночью. Оказавшись
в зоне влияния эстуарного соленого клина, рыбная молодь ночью
выносится в сторону моря потоком относительно пресной поверх¬
ностной воды, а днем, когда она ближе ко дну, глубинный поток
несет ее вверх по эстуарию. Приблизительно в шесть недель рыба
уже может сохранять свое положение, плывя против течения. Пря¬
мое соперничество (между видами) исключается благодаря разным
местам и срокам нереста».
Однако независимо от того, производится ли икромета¬
ние во внутренних водах или в море, время, когда рыбная
молодь в большом количестве достигает эстуария, почти
точно совпадает с периодами максимума пищевой продук¬
ции, в чем заключается, очевидно, стратегия эволюции.
Сложность экосистемы, включающей условия реки, эстуа¬
рия и прибрежной зоны океана. Теперь уже читатель может
в какой-то мере понять сложность «прибрежной океаноло¬
гии» и то, почему данная тема рассматривается в этой кни¬
ге отдельно. Но имеются и особые факторы, которые необ¬
ходимо здесь упомянуть: эффект климатических изменений,
физиологический выбор между «ценой» и «выгодой» для
рыб, обитающихся в водах переменной солености, и, нако¬
нец, влияние человеческой деятельности.
Если приток в зону эстуария соленой воды с большим
содержанием нитратов увеличивается по мере возрастания
речного стока (и турбулентности), то многолетние измене¬
ния в гидрологическом цикле региона могут дать толчок и к
изменениям в фаунистическом сообществе эстуария и при¬
брежной области океана. На рис. 18.24 показана хорошая
корреляция между годовыми уловами палтуса в канадской
провинции Квебек и ежегодными мартовскими изменения¬
ми расхода пресной воды в устье реки Св. Лаврентия. Воз¬
растание мартовского стока отражается в увеличении улова
палтуса спустя 10 лет! Практическое использование этих
выводов ясно: возможность рациональной организации до¬
бычи палтуса на основе прогнозов, сделанных по изучению
речного стока.
J i L
Рис. 18.24. Сравнение ежегодных уловов палтуса в пров. Квебек,
Канада, и величины ежегодного мартовского выноса пресной воды
из реки Св. Лаврентия. Графики обладают двумя интересными осо¬
бенностями: 1) они смещены относительно друг друга на 10 лет;
изменения улова палтуса следуют за изменениями стока реки;
2) корреляция очень хорошая (лучше чем 0,85), и это позволяет
предположить, что промысловая добыча палтуса сильно зависит
от стока реки Св. Лаврентия в марте каждого года [23]. (1 фунт =
= 453 г, 1 фут = 0,30 м.)
Если можно сказать, что в результате увеличения расхо¬
да пресной воды условия для выживания палтуса становятся
более благоприятными, то столь же ясно, что все виды,
обитающие в системе эстуария, также испытывают физио¬
логический «стресс», подвергаясь в ходе этого процесса
большим изменениям осмотического давления, а кроме то¬
го, и тепловому удару, если температура в мелководном
эстуарии изменяется быстрее, чем организмы могут к этому
приспособиться. Как исследователь оценивает количествен¬
ные величины, характеризующие эту очевидную связь меж¬
ду ценой усилий и получаемой выгодой? Где находится рав¬
новесие между энергетической ценой физиологической адап¬
тации и доступностью пищи при более высокой численности
популяции?
Такие вопросы изучены пока недостаточно, но мы дол¬
жны получить на них ответы. Нужда в ответах на эти во¬
просы прямо связана с огромным разнообразием условий и
органических видов в эстуариях. Множество тонко сбалан¬
сированных соотношений разного типа связывает существо¬
вание специализированных экологических ниш, сроки на¬
ступления отдельных стадий гидрологического цикла и дру¬
гие факторы вроде солености, температуры и мутности во¬
ды. Мы уже знаем, что вмешательство людей в жизнь сис¬
темы река—эстуарий—океан обычно приводит к уменьше¬
нию видового разнообразия. Мы обычно изменяем одно
или несколько условий и тем самым устраняем те виды, чья
жизнедеятельность была в какой-то мере связана с этими
условиями. Примеров тому великое множество. Строитель¬
ство плотин в верхнем течении реки может изменить время
возникновения гидрологических импульсов в зоне эстуария
(вспомним рис. 12.7). Сброс сточных вод и других отходов
воздействует на распределение питательных веществ (напри¬
мер, в Чесапикском эстуарии популяции синего краба замет¬
но выросли в тех зонах, где производится усиленный сброс
сточных вод).
Заключение
Что побудило нас включить мини-курс прибрежной океано¬
логии в учебник по общей океанологии? Для этого есть
много причин; мы распределим их здесь по отдельным на¬
учным дисциплинам.
1. Физика. Трение между материком и движущимися
массами океанских вод — главный механизм, компенсирую¬
щий тот вращающий момент, посредством которого ветры
непрерывно отклоняют течения в океане. Процессом, за¬
ставляющим силу трения влиять на характер движения
окраинных вод океана, служит турбулентность. Читатель
вряд ли сможет вообразить лучшую картину прибрежной
турбулентности, чем та, что показана на космическом сним¬
ке (рис. 14.8); этот снимок — наглядная демонстрация того,
как разные вещества с суши, в том числе вода, попадают в
открытое море.
2. Химия. Способность глинистых частиц, находящихся
во взвеси в речной воде, переносить на себе различные хи¬
мические вещества, делает изучение химизма прибрежных
вод существенной частью работ по охране окружающей сре¬
ды. Конечно, химия изучает более широкий круг вопросов,
чем только загрязнение среды. Чтобы выяснить пределы
развития тех или иных химических процессов в открытом
море, мы должны проводить точные измерения потока все¬
возможных солей с суши в море, а следовательно, измерять
скорости осадконакопления, растворения карбонатов на глу¬
бине и многое другое.
ГЛАВА 18. ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ОБЛАСТИ ОКЕАНОВ
299
3. Геология. Выяснить, как пески и другой грубый мате¬
риал перемещаются вверх и вниз от берега и вдоль берегов,
как заносятся в эстуарии и удаляются из них, либо попадая
в подводные каньоны, либо задерживаясь на отмелях, как в
составе других осадков опускаются на дно окраинных обла¬
стей океана, — все это важные задачи геологического изуче¬
ния прибрежной области.
4. Биология. Именно биологические аспекты изучения
прибрежной зоны океана особенно сложны. Девяносто де¬
вять процентов пищевых продуктов, добываемых в океанах,
приходится на их окраины, поэтому необходимо изучить
сложные циклы развития всех форм жизни в прибрежной
области. Эти циклы тесно связаны с физическими процесса¬
ми перемешивания на шельфе и в эстуарии. Термические
фронты, образующиеся там, где хорошо перемешанный
верхний слой воды встречается с перемешиваемым прилива¬
ми нижним слоем, непосредственно влияют на поведение
крупных подразделений в сообществах прибрежной зоны.
Биологи пристально изучают и донный субстрат, где на
илистом дне, на песке и камнях обитают различные сооб¬
щества организмов. Многие аспекты загрязнения, исследуе¬
мые химиками, в конце концов оказываются неотделимыми
от понимания особенностей существования биологических
сообществ.
5. Сравнительно новая отрасль прибрежной океаноло¬
гии — изучение эстуариев. Зона эстуария весьма важна для
прибрежных сообществ, так как она представляет собой ме¬
сто для вскармливания молоди, для питания и размножения
различных организмов, а также путь для перемещения мно¬
гих видов, обитающих в прибрежной зоне, в том числе и
для Homo sapiens. Циклические процессы перемешивания,
изменения продуктивности и осадконакопления — сложный
результат взаимодействия между речными потоками и при¬
ливными течениями.
Контрольные вопросы
1. Первый вопрос, которым надо задаться после прочте¬
ния этой главы, — почему прибрежную область океана сле¬
дует рассматривать отдельно от открытого океана? По¬
скольку у ответа на такой вопрос есть много разных сто¬
рон, наметьте только общую канву ответа.
2. Обратитесь к рис. 11.1, иллюстрирующему циркуля¬
цию в поверхностных слоях, и найдите главные континен¬
тальные барьеры на пути океанических течений. Где они на¬
ходятся и как влияют на движение океанских вод?
3. Каково воздействие того, что крупнейшие течения, на¬
правленные к экватору и проходящие вдоль восточных бере¬
гов океанических бассейнов, несут холодную воду, на гло¬
бальное распределение погоды?
4. Важнейший механизм, препятствующий вращению
океанских вод по часовой стрелке, — трение между погра¬
ничным течением и берегом. Так или не так?
5. Какая особенность приливных течений объясняет то,
что они реагируют на силу Кориолиса, тогда как движение
воды, связанное с обычными ветровыми волнами, не под¬
вержено влиянию этой силы?
6. Что можно сказать об относительных количествах
энергии, теряемой приливными течениями в процессе тре¬
ния о шельф, и энергии, теряемой в прибойной зоне разби¬
вающимися ветровыми волнами?
7. К каким широтам приурочен наибольший сток речных
вод в океаны?
8. Опишите, как меняется форма волны в процессе при¬
ближения к берегу и при разрушении в прибойной зоне.
9. Чтобы прогнозировать распространение загрязняю¬
щих веществ, выносимых рекой в море, так ли уж необходи¬
мо знать, растворяются ли эти вещества в воде или содер¬
жатся во взвешенном состоянии? Объясните свой ответ.
10. Как при ответе на вопрос 9 можно было бы исполь¬
зовать данные, приведенные на рис. 18.7?
11. Рефракция — это физическое явление, определяющее
отклонение потока волновой энергии в заливы и бухты, что
объясняет формирование этих элементов береговой линии
путем эрозии. Верно это или неверно или же дело вообще
не в этом?
12. Объясните неспециалисту, каким образом волны, на¬
бегающие на берег, способствуют перемещению песков
вдоль берега.
13. Каковы существенные элементы «прибрежной ячей¬
ки» — понятия, которое мы используем для объяснения раз¬
вития береговой эрозии?
14. Какова роль турбидных потоков в процессе эрозии,
затронутом в вопросе 13?
15. Объясните, почему происходит так, что с некоторых
пляжей в зимние месяцы песок «смывается», а летом эти
пляжи восстанавливаются до прежнего состояния.
16. Существует ли прямая связь между литоральным пе¬
реносом песка и его перемещением вверх-вниз от берега — в
свете вопроса 15?
17. Как объяснить дилетанту, что прибрежная область
отделяется от открытого океана реальной, хотя и невиди¬
мой границей?
18. Можете ли вы объяснить, почему положение фронта,
подобного показанному на рис. 18.16, влияет на улов рыба¬
ков?
19. Напишите краткое объяснение того, как относитель¬
ная величина а) речного стока и б) прилива определяет со¬
стояние эстуария: будет ли вода в нем полностью переме¬
шана или образуется клин соленых вод.
20. Объясните кратко, как происходит апвеллинг, воз¬
буждаемый рекой; включите в этот очерк определение тер¬
мина «вовлечение».
21. Биологи выделяют четыре категории нектона, обита¬
ющего в солоноватых водах эстуариев. Перечислите эти ка¬
тегории, дайте краткие определения и примеры для каждой
из них.
22. Рыбаки и рыболовецкие предприятия никогда не зна¬
ют, истощает ли чрезмерный вылов природные ресурсы.
Основываясь на данных, приведенных на рис. 18.24, опреде¬
лите свое отношение к этому вопросу.
Часть VII
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Читатель теперь достаточно подготовлен, чтобы участвовать в обсуждении самых сложных тем и спор¬
ных вопросов в науках о море. К ним относятся: роль человеческого общества в мире, содержащем моря и
океаны; плохо изученные, но чрезвычайно интересные и жизненно важные для нас вопросы, касающиеся океа¬
нов полярных областей, а также истории обретения человечеством глобального взгляда на геологию Земли.
ГЛАВА 19
МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
Зона нашего наибольшего воздействия на океаны протягивается
вдоль берегов; рассматриваются самые разные вопросы: от мор¬
ского права до загрязнения океанов, добычи полезных ископаемых
с морского дна и даже получения энергии из океана.
В начале книги мы узнали, что на каждого из нас приходит¬
ся около 1,40 акра пригодной для возделывания земли и
примерно 20 акров площади океана. Но было бы слишком
самонадеянным считать, что мы владеем этим богатством.
Мы всего лишь «управляющие», действующие в тот корот¬
кий промежуток времени, пока ходим по поверхности Земли,
и именно под этим углом зрения составлена данная глава.
Как ни странно, поодиночке мы не можем владеть Зем¬
лей, но общество в виде отдельных стран действительно
владеет теми или иными участками океанов. Первым вопро¬
сом, затронутым в этой главе, является морское право —
международная конвенция, принятая в самое последнее вре¬
мя и отражающая попытки человечества как-то «поделить»
между собой моря и океаны. Это необходимо, так как дру¬
гие темы данной главы — живые ресурсы, неорганические
ресурсы, загрязнение, получение энергии — лучше всего рас¬
сматривать в связи с правами и обязанностями приморских
государств, а эти права и обязанности определены Конвен¬
цией по морскому праву.
История вопроса
Первая документированная попытка стран «разделить» Ми¬
ровой океан между собой была предпринята в обстановке
соперничества и обоюдного страха. В 1494 г. Испания и
Португалия — в то время мировые лидеры в освоении даль¬
них морей — разделили Мировой океан на «сферы влияния»
с целью колониальных захватов. Их Тордесильясский дого¬
вор устанавливал меридиан 30° з.д. в качестве границы раз¬
дела между испанскими океанами и землями на западе и
португальскими владениями на востоке; этот договор был
поддержан и авторитетом римского папы. Англичане сразу
же отвергли «иберийское решение» и выдвинули положение
о том, что на определенные морские ресурсы, например ры¬
бу, может претендовать любая страна.
Когда голландцы, расширяя свое торговое мореплава¬
ние, проникли на Яву и Суматру, в борьбе за владение океа¬
нами они столкнулись с португальцами. Гуго де Гроот
(Гроций 1583—1645), юрист голландской Ост-Индской тор¬
говой компании, опубликовал в 1609 г. трактат «Свободное
море» (“Маге Liberum”), в котором заявлял, что моря — об¬
щая собственность всех народов. Он считал, что рыба в мо¬
рях неисчерпаема и, следовательно, никому не принадле¬
жит. Ему казалось очевидным, что никакая страна не мо¬
жет владеть бесконечным количеством чего бы то ни было.
Более того, бесконечным морским пространствам ничем
нельзя повредить, и, значит, они не нуждаются в чьей-либо
«защите». Англичане в противовес этому выступили со сво¬
им трактатом “Mare Clausum”* (1632), в котором заявляли,
что моря, непосредственно примыкающие к побережью
страны, т. е. «территориальные воды», составляют неотъ¬
емлемую часть данного государства, так как его безопас¬
ность зависит от защиты этих морей. Появилось понятие о
3-мильной прибрежной зоне: таково было расстояние, до¬
ступное для ядер береговых артиллерийских батарей того
времени.
Трехмильная полоса вошла в обычай международного
общения; все остальные воды считались «нейтральными»
(открытым морем). Но в 1945 г. — главным образом из-за
того, что вторая мировая война оказалась первой из войн, в
которых нефть и нефтепродукты стали уже стратегически¬
ми ресурсами, а в США узнали о больших запасах нефти и
газа в акваториях морей, — президент Трумэн объявил в од¬
ностороннем порядке о претензиях США на эксплуатацию
всех минеральных ресурсов шельфа вплоть до изобаты
200 м («Декларация 2667»). В следующей декларации
(№ 2668) провозглашалось право США устанавливать вдоль
своих берегов протяженные рыболовные зоны. Это была
первая попытка «распространить» понятие национального
суверенитета на прилежащую зону океана. Другие страны
вскоре последовали примеру США и выступили с собствен¬
ными декларациями такого же рода. Некоторые латиноаме¬
риканские государства заявили в 1950-х годах о своем суве¬
ренитете над зоной шириной в 200 мор. миль и, в частно¬
сти, о своих исключительных правах на рыболовство в этой
* Маге Clausum (н.-лат.) — закрытое море. Акватория, находящая¬
ся под юрисдикцией какой-либо одной страны и закрытая для дру¬
гих стран.— Прим, перев.
302
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
зоне. Началась «тунцовая война», в ходе которой рыболо¬
вецкие суда США подвергались захвату и конфискации, а
власти США вынуждены были платить штрафы. В 1960-х
годах оформилась концепция об «исконном» праве владения
200-мильной морской зоной, в пределах которой прибреж¬
ное государство обладает исключительными правами на
всю хозяйственную деятельность; эта концепция предшест¬
вовала утверждению принципа 200-мильной особой эконо¬
мической зоны (ЭЗ), закрепленного в Конвенции 1982 г. по
морскому праву.
Конвенция 1982 г. по морскому праву
Организация Объединенных Наций впервые созвала Гене¬
ральную конференцию по морскому праву в 1958 г.; целью
этой акции было принять единые соглашения по четырем
аспектам международноправового режима морских про¬
странств: 1) определение понятия территориальные воды,
2) определение понятия нейтральные воды, 3) определение
того, чтб относится к континентальному шельфу, и 4) ры¬
боловство и охрана живых ресурсов. Некоторого прогресса
удалось добиться как на этой конференции, так и на следую¬
щей — в 1960 г. Но в 1967 г. государство Мальта подняло
новый вопрос: в чьих руках должна быть юрисдикция на
разработку глубоководных залежей полезных ископаемых?
К 1970 г. ООН подготовила «Декларацию о принципах,
определяющих владение дном морей и океанов и их недрами
за пределами национальной юрисдикции» и созвала третью
конференцию по морскому праву. Большой контингент
специалистов практически из всех стран работал в течение
последующих 12 лет, составляя окончательный текст Дого¬
вора по морскому праву 1982 г., в настоящее время ратифи¬
цированный почти всеми странами. Два элемента этого до¬
говора особенно важны для океанологии и рассматриваются
в следующих разделах.
Экономическая зона
Весьма возможно, что никакое другое условие Договора
1982 г. не имеет такого значения, как положение о том, что
каждое прибрежное государство обладает исключительны¬
ми правами на владение особой экономической зоной (ЭЗ)
шириной минимум 200 мор. миль. Рис. 19.1 показывает, что
к этой зоне можно отнести приблизительно 40% всей пло¬
щади океанов, а на рис. 19.2 отмечены территории, относя¬
щиеся к США, вместе с их 200-мильными зонами. Если сум¬
мировать все эти площади, то окажется, что США владе¬
ют самой большой ЭЗ среди всех стран мира — около
3,9 млрд, акров (15,8 млн. км2).
Геометрия ЭЗ. Что представляет собой ЭЗ? Как она опреде¬
ляется? Конвенция 1982 г. устанавливает число отдельных
зон, на которые может в какой-либо мере распространяться
контроль прибрежного государства, причем мера эта варьи¬
рует от полной до нулевой. Самая ближняя к берегу зона
(рис. 19.3) — территориальные воды. Ширина этой полосы
составляет 12 мор. миль; здесь прибрежное государство об¬
ладает полным суверенитетом, ограничиваемым только
«правом свободного прохода». Обеспечение свободного про¬
хода коренится в старой, привычной практике мореплава¬
ния; предусматривается, например, проход судов через узкие
проливы, даже если они расположены внутри закрытой 12-
мильной территориальной зоны.
Полоса территориальных вод обрамляется прилежащей
зоной шириной еще 12 мор. миль, в пределах которой при-
Рис. 19.1. Карта Мирового океана, показывающая ситуацию, ко¬
торая возникнет, если каждое прибрежное государство будет вла¬
деть особой экономической зоной (ЭЗ) с минимальной шириной
200 мор. миль. Читатель должен иметь в виду, что карта построе¬
на не в равноплощадной проекции и полярные районы здесь непро¬
порционально велики.
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
303
о. Гавайи
•о. Джарвис
о. Хауленд
Вост. Самоа
10°
о
I I
о
I L
Рис. 19.2. Экономическая зона
США. В целом она занимает пло¬
щадь около 3,9 млрд. акров
(15,8 млн.км2) — больше общей пло¬
щади самих США и принадлежащих
им территорий (2,3 млрд, акров =
= 9,36 млн. км2) [26].
Северные
Марианские
о. Мидуэй
Пуэрто-
о. Джонстон
оо
Рис. 19.3. Определение экономи¬
ческой зоны (ЭЗ) и континенталь¬
ного шельфа.
(а) ЭЗ простирается на 200 мор.
миль от базисной линии террито¬
риальных вод. Если реальный
континентальный шельф уже, то
ширина «юридического» шельфа
вне зависимости от этого опреде¬
ляется как 200 мор. миль.
(б) Если реальный шельф выходит
за отметку 200 мор. миль, край
«юридического» шельфа отодвига¬
ется до 350 мор. миль, либо уста¬
навливается на 60 мор. миль даль¬
ше подножия континентального
склона, либо на 100 мор. миль
дальше изобаты 2500 м.
304
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
брежное государство имеет право пресекать контрабандные
перевозки и выдавать лицензии на добычу полезных ископа¬
емых (никакое другое государство не может претендовать
здесь и на бесконтрольный лов рыбы — подробнее об этом
см. ниже).
Внешняя граница ЭЗ проходит на расстоянии 200 мор.
миль от той же базисной линии, от которой отсчитывается
ширина зоны территориальных вод. В пределах ЭЗ примор¬
ское государство обладает правами на эксплуатацию всех
возобновляемых ресурсов, местных или мигрирующих, всех
ресурсов морского дна и подстилающих его недр.
Более сложно определяется юридическое понятие конти¬
нентального шельфа. Если реальный шельф, ограничивае¬
мый перегибом на границе с континентальным склоном на
глубинах около 200 м, не достигает границы 200-мильной
ЭЗ, вводится понятие юридического шельфа. Оно не связано
с батиметрией и просто соответствует ширине экономичес¬
кой зоны, даже если морское дно на границе такого «шель¬
фа» относится уже к абиссальной равнине или даже глубо¬
ководному желобу. Эта оговорка введена для стран, распо¬
лагающихся у зон субдукции, желобов, вулканических дуг,
где ширина шельфа вдоль их окраин особенно мала.
Там, где реальный шельф шире 200 мор. миль, морское
право определяет зону расширенного шельфа, граница кото¬
рой может находиться на расстоянии до 350 мор. миль от
базисной линии (рис. 19.3, б). Однако ширина ЭЗ при этом
не увеличивается.
Прибрежное государство владеет всеми ресурсами в
пределах 200-мильной зоны и значительной частью ресурсов
морского дна и подстилающих недр в той части шельфа, ко¬
торая протягивается дальше 200 мор. миль. Морское право
предусматривает, однако, что часть стоимости ресурсов
этого расширенного шельфа должна передаваться Организа¬
ции Объединенных Наций в виде выплат Агентству ООН по
морскому дну (см. следующий раздел).
Океан, не входящий в ЭЗ: площадь, управление
и хозяйственная деятельность
Те 60% площади Мирового океана, которые не входят в ЭЗ
отдельных стран, называются нейтральными водами, от¬
крытыми для перевозок и рыболовства, или просто «Райо¬
ном», когда речь идет о других предметах, скажем о мине¬
ральных ресурсах глубокого морского дна. Этот «Район»
объявлен общим достоянием человечества. К его наибо¬
лее известным ресурсам относятся полиметаллические кон¬
креции, залегающие на дне глубоководных бассейнов
(табл. 5.2). Организация Объединенных Наций в предвиде¬
нии того, что эти минеральные образования вскоре могут
стать технически доступными, создала Международное
агентство по морскому дну (ISA) как орган, контролирую¬
щий выдачу лицензий на разведку и добычу полезных иско¬
паемых и получение доходов от этой деятельности. Горные
работы на глубоководном морском дне в пределах «Района»
должны проводиться по контракту с ISA, а добыча должна
контролироваться этим агентством, чтобы избежать эконо¬
мических потерь для стран, уже добывающих соответствую¬
щее минеральное сырье из наземных месторождений.
Агентство ISA также требует, чтобы производители гор¬
ных работ отдавали часть стоимости продукции в виде от¬
числений. Деньги, остающиеся после оплаты администра¬
тивных расходов, должны распределяться среди развиваю¬
щихся стран.
Имеются и другие стороны морского права, новые и в ка¬
ком-то смысле революционные. Агентство ISA может соз¬
дать собственное производственное предприятие. Фонды, не¬
обходимые для того, чтобы такое предприятие начало выпу¬
скать продукцию, оцениваются в настоящее время в
1 млрд. долл. [21] и могут быть собраны из частных и госу¬
дарственных займов. Это уникальное предприятие возникнет
только после того, как частные компании, выпустив первую
продукцию, докажут рентабельность таких работ. Эти ком¬
пании-пионеры будут нужны не только для того, чтобы пере¬
дать предприятию ISA передовую технологию. Они должны
быть также готовы продать этому предприятию свои участ¬
ки, если они потребуются международному агентству.
Агентством ISA управляет совет, состоящий из 36 членов.
Способ образования этого совета интересен с точки зрения
понимания новых принципов действия морского права.
В состав совета должны входить представители четырех
стран — потребителей наибольшего количества металлов,
которые предполагается добывать, а также представители
четырех главных «наземных» производителей, т. е. стран,
на территории которых расположены важнейшие месторож¬
дения этих металлов. Должны быть представлены и четыре
страны, внесшие наибольший вклад в работы по освоению
морского дна; остальные места должны быть отданы раз¬
вивающимся странам.
Декларация Рейгана 1983 г.
В 1985 г. США отказались ратифицировать Конвенцию по
морскому праву. Вместо этого президент Рейган в 1983 г. в
одностороннем порядке объявил об установлении для США
200-мильной ЭЗ, почти идентичной определению ЭЗ в Кон¬
венции 1982 г. В результате позиция США состоит в том,
что они принимают создание исключительной экономичес¬
кой зоны как обычную норму международного права, но
полностью отвергают идею о международном владении ре¬
сурсами морского дна.
Права и обязанности прибрежных государств
Конвенция 1982 г. по морскому праву утверждает следую¬
щие права прибрежного государства:
— Исключительный суверенитет над разведкой и разра¬
боткой всех живых и неживых природных ресурсов морской
воды, дна и недр.
— Исключительное управление другой хозяйственной де¬
ятельностью, включая производство энергии, создание ис¬
кусственных островов и ферм для разведения морских жи¬
вотных и растений.
— Право быть осведомленным о морских научных про¬
ектах и участвовать в них или не соглашаться на проведение
исследований без соблюдения особых требований.
— Право контролировать затопление всяческих отходов.
— Право останавливать, осматривать и задерживать су¬
да, накладывать штрафы на их владельцев, если они подо¬
зреваются в нарушении международных правил, касающих¬
ся безопасности или загрязнения окружающей среды.
К обязанностям прибрежного государства относятся
следующие:
— Обеспечивать сохранение живых ресурсов в водах ЭЗ.
— Проводить оптимальное использование этих ресурсов
посредством 1) определения допустимых размеров добычи и
2) выдачи разрешений на лов иностранными судами — при
соблюдении рациональных требований — излишков рыбы,
если таковые имеются после собственного рыболовного
промысла.
— Участвовать в уже заключенных соглашениях о рыбо¬
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
305
ловстве по охране видов, которым угрожает опасность
уничтожения, и проводить мероприятия по сохранению ви¬
дов, мигрирующих через границы ЭЗ.
— Подчиняться решениям арбитража о границах, не со¬
гласованных между заинтересованными сторонами, с тем
чтобы все вовлеченные стороны могли эффективно осущест¬
влять другие свои права и обязанности.
Все государства — приморские и не имеющие выхода к
морю — обладают определенными правами в пределах ЭЗ
любого прибрежного государства:
— Все страны имеют право осуществлять судоходство в
нейтральных водах и полеты над ними, прокладывать под¬
водные кабели и трубопроводы, выполнять любые опера¬
ции, связанные с такой деятельностью, например по эксплу¬
атации трубопроводов.
— Суда крупнейших морских держав, по традиции поль¬
зующихся морскими путями, должны соблюдать междуна¬
родные правила.
Все страны несут ответственность за то, чтобы осу¬
ществление их собственных прав не ущемляло права других.
Конвенция 1982 г. по морскому праву предусматривает,
что неразрешенные споры между государствами должны
выноситься на арбитраж по заявлению любой стороны. Ис¬
ключением могут быть случаи, когда имеются более ранние
международные соглашения о границах.
Комментарий к правилам и определениям
Конвенции 1982 г. по морскому праву
Никогда раньше в истории так много стран мира не пыта¬
лись достичь столь важного соглашения. Это сродни приня¬
тию всемирной конституции. Но еще более удивительны не¬
которые конкретные пункты этого договора:
— Контроль за проведением научных исследований в ЭЗ
со стороны прибрежного государства.
— Положение о том, что прибрежное государство дол¬
жно отказываться от «неиспользованных» возобновляемых
ресурсов.
— Учреждение всемирного коммерческого предприятия.
Прибрежное государство отвечает за проведение всех на¬
учных исследований внутри своей ЭЗ и имеет на это права.
Это весьма важное новое положение. Прежде иностранные
морские исследования на иностранных судах были «обыч¬
ной» процедурой везде, кроме узкой территориальной зоны
прибрежного государства. Согласно Конвенции 1982 г. по
морскому праву, вся исследовательская деятельность в пре¬
делах ЭЗ может осуществляться только при согласии соот¬
ветствующего прибрежного государства. Другие страны мо¬
гут обращаться к нему за разрешением на проведение иссле¬
дований, и в Конвенции указано, что прибрежное государ¬
ство должно либо позволить это сделать, либо отказать в
просьбе в 4-месячный срок после запроса. Отсутствие отве¬
та считается согласием на проведение работ. Но в разреше¬
нии может быть отказано, если прибрежное государство со¬
чтет, что 1) исследование прямо связано с разведкой при¬
родных ресурсов и, таким образом, посягает на права соб¬
ственности, либо 2) исследование само по себе «вредит»
окружающей среде, либо 3) запрос содержит неточные све¬
дения о предстоящих работах, либо 4) запрос был подан без
предварительного уведомления, которое должно делаться за
6 мес., либо 5) запрос не предусматривает адекватной воз¬
можности для приморского государства быть полноправ¬
ным участником исследовательской деятельности, либо
6) запрос не предусматривает соответствующего контроля
со стороны прибрежного государства за тем, какие резуль¬
таты научного исследования могут или не могут быть опуб¬
ликованы.
Эти меры контроля могут оказаться как полезными, так
и вредными для прогресса океанологии. С одной стороны,
прибрежное государство извлекает выгоду, поскольку на до¬
рогостоящие морские исследования в его водах тратятся
средства других стран, а оно получает новые данные, необ¬
ходимые для развития собственных исследований. С другой
стороны, новые процедуры запросов и получения согласия
могут затянуть начало работ, а отсрочка может понизить
прибыльность, которая в наши дни определяет финансиро¬
вание многих научных исследований.
Идея о том, что от приморской страны можно потребо¬
вать предоставления другим странам возможности добы¬
вать «неиспользованные рыбные ресурсы», весьма спорна.
У нее много разных аспектов. Один из них тот, что при¬
брежное государство с высоким уровнем жизни (и высокими
доходами населения) не сможет вступить в международную
конкуренцию, если цены на рыбу низки и, значит, выгоднее
не заниматься рыболовством в собственных водах. Не луч¬
ше ли позволить другой стране, чьи моряки соглашаются
работать за более низкую плату, «пользоваться» рыбными
ресурсами?
Вне зависимости от того, будет или не будет ратифици¬
рован договор 1982 г. по морскому праву 60 государствами,
что необходимо для вступления его в силу, сами перегово¬
ры, проводившиеся в период 1960—1982 гг., уже позволили
дать новые определения «обычным» нормам морского пра¬
ва. Кроме того, в этих переговорах участвовали почти все
страны мира. Идея о том, что открытое море — «общее
достояние», теперь уже будет неоспоримой в сознании буду¬
щих поколений.
Добыча живых ресурсов
Прежде чем приступить к описанию различных аспектов
рыболовства, покажем с помощью табл. 19.1, что уровень
мировой добычи рыбы на душу населения достигал макси¬
мума в 1970 г. Чтобы понять это, взгляните сначала на
рис. 19.4, а, где представлена кривая годового улова рыбы
во всем мире. С 1958 по 1970 г. улов довольно равномерно
возрастал, но достигнув уровня около 70 млн. т в год, ста¬
билизировался. Однако население земного шара продолжает
расти, так что улов на душу населения уже прошел свой
максимум и теперь падает. Читатель может сравнить этот
максимальный уровень добычи (70 млн. т) с оценками Рай¬
тера, приведенными в табл. 1.2. Если можно вылавливать
больше рыбы каждый год без уменьшения ее численности,
как утверждает Райтер, то почему это не делается? Ответ
на такой вопрос имеет много разных сторон.
Во-первых, дело в цене. Затраты на лов рыбы в целом
резко подскочили (рис. 19.4, а). Хотя за десятилетие
1963—1973 гг. общий улов удвоился, общая стоимость этой
добычи возросла втрое! Рыбная продукция стала дороже.
Это привело к тому, что она больше потребляется в бога¬
тых и меньше — в развивающихся странах. Меньшее коли¬
чество рыбы потребляется теперь в тех странах, которые
нуждаются в экспорте рыбной продукции; излишне большая
добыча малого числа видов, имеющих высокую рыночную
стоимость, ведет к истощению запасов и уменьшению уло¬
ва. При этом в ловлю неэкспортируемых видов рыбы вкла¬
дывается слишком мало средств; очень мало внимания уде¬
ляется и расширению базы рыболовства, служащего как для
снабжения населения продовольствием, так и для экспорта.
306
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Таблица 19.1. Мировое производство главных продуктов потребления
на душу населения в 1950—1981 гг; максимальные значения подчеркну¬
ты [5]
Год
Древеси¬
на, м3
Рыба,
кг
Мясо,
кг
Зерно, кг
Нефть, барре¬
ли (1 баррель
«159 дм3)
1950
8,4
251
1,5
1955
—
10,5
—
264
2,0
1960
—
13,2
9,3
285
2,5
1961
0,66
14,0
9,6
273
2,7
1962
0,65
14,9
9,8
288
2,8
1963
0,66
14,7
10,7
282
3,0
1964
0,67
16,1
10,1
292
3,1
1965
0,66
16,0
9,9
284
3,3
1966
0,66
16,8
10,2
304
3,5
1967
0,64
17,4
10,4
303
3,7
1968
0,64
18,0
10,7
313
4,0
1969
0,64
17,4
10,7
311
4,2
1970
0,64
18,5
10,6
309
4,5
1971
0,64
18,3
10,4
330
4,7
1972
0,63
16,8
10,6
314
4,9
1973
0,64
16,8
10,5
332
13
1974
0,63
17,7
11,0
317
5,2
1975
0,61
17,2
н,з
316
4,8
1976
0,62
17,7
11,6
337
5,1
1977
0,61
17,3
11,5
330
5,2
1978
0,61
17,3
11,4
351
5,2
1979
0,60
16,9
10,9
331
11
1980
0,60
16,1
10,5
324
4,9
1981
—
—
10,4
331
4,5
(предва¬
ритель¬
но)
Во-вторых, дело в том, какую рыбу удается продать, а
какую — нет, и это в большей мере связано с личными вку¬
сами, обычаями и традицией. В табл. 19.2 показано, какие
четыре страны являются главными потребителями некото¬
рых видов рыбы, моллюсков и ракообразных. Японцы опе¬
режают всех в потреблении придонных видов рыбы (камба¬
лы, палтуса, трески, пикши и особенно хека): примерно
30 кг на душу населения; в США на каждого жителя прихо¬
дится только 4,5 кг. Япония лидирует также по общему по¬
треблению лососевых (36% от мирового потребления), но в
пересчете на душу населения больше лососины едят канад¬
цы. В Европе датчане бьют все рекорды по потреблению на
душу населения одного вида рыбы: более 100 кг сардин и
сельди на человека в год. Но это число включает в себя
большое количество рыбной муки, идущей на корм домаш¬
ней птице и свиньям, потребляемым затем как внутри стра¬
ны, так и за рубежом.
Имеется много других аспектов, осложняющих общую
картину мирового рыбного хозяйства. Например, утвержда¬
ли, что одной из причин, стимулировавших разработку
Конвенции 1982 г. по морскому праву, были неоднократные
послевоенные неурожаи зерновых в Советском Союзе и не¬
хватка зерна для нужд страны. Советские исследования, вы¬
полненные в 1950-е годы, показали, что добыча советскими
судами рыбы в океанах мира потребовала бы затраты при¬
мерно трети человеко-часов, необходимых для производства
такого же по калорийности количества мяса. Не это ли бы¬
ло причиной последующего наращивания советского рыбо¬
ловного флота, промышляющего в открытом океане? К на¬
чалу 1970-х годов советские рыболовецкие суда вылавливали
около 11% всей рыбы открытого океана, причем их рыбо¬
промысловый флот превосходил по тоннажу соответствую¬
щий флот всех остальных стран, вместе взятых [30]. Добы¬
ча советских рыбаков росла быстрее, чем во всех других
странах, кроме Перу (рис. 19.4, б).
Таблица 19.2. Потребление некоторых видов рыбы четырьмя важнейшими странами-потребителями, 1973 г. (по статистическим данным
Ежегодников ФАО [9])
Виды или типы рыбной продукции
Страна
Общее потребление, тыс.т
Процент мирового
потребления
Потребление на душу
населения, кг
Придонная рыба: камбала, пал¬
СССР
3564
30
14
тус, хек, треска и т. д.
Япония
3214
27
30
США
938
8
5
Великобритания
700
6
13
Тунец
США
627
37
3
Япония
381
22
3,5
Южная Корея
121
7
3,5
Франция
57
3
1
Лосось
Япония
169
36
1,5
СССР
81
17
0,3
США
79
17
0,4
Канада
59
12
2,6
Сардины, сельдь
СССР
843
16
3,4
Дания
514
10
103
Япония
481
9
4,5
ЮАР
396
8
16,7
Креветки
США
318
29
1,5
Индия
167
15
0,3
Таиланд
90
8
2,3
Япония
89
8
0,8
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
307
(а) Кривая внутри темной полосы — величина мировой добычи рыбы в год, вторая кривая — ее ры¬
ночная стоимость. Хотя общий улов примерно с 1970 г. держится на одном уровне, стоимость не¬
уклонно возрастает.
(б) Уловы стран, ведущих рыболовный промысел, за период с 1958 до 1983 г. Большое увеличение до¬
бычи перуанскими рыбаками связано с резким возрастанием мощности рыболовного флота в 1960-х
годах, а последующее уменьшение — с катастрофическими последствиями явления Эль-Ниньо
1971—1972 гг. В сочетании с чрезмерным выловом это Эль-Ниньо подкосило анчоусные ресурсы Пе¬
ру. (Составлено по данным статистических ежегодников ФАО [9] за 1968—1983 гг.)
Рис. 19.4. Уловы рыбы.
Перу представляет собой особый случай. Его рыбное хо¬
зяйство основано главным образом на добыче анчоуса и в
1950—1960-х годах росло фантастическими темпами. Еже¬
годно перуанское правительство субсидировало расширение
рыбопромыслового флота. Для поисков рыбных косяков ис¬
пользовалась авиация, а способ лова кошельковым неводом
был очень эффективен. Каждый год масса улова возрастала;
рыба перерабатывалась в рыбную муку, которая либо шла
на откорм местной домашней птицы, либо вывозилась как
корм для животных — преимущественно в Данию и Гол¬
ландию. В 1970 г. Перу установил рекорд добычи рыбы —
12 млн. т. Но зимой 1971—1972 гг. сильное теплое океани¬
ческое течение проникло в прибрежные воды Перу и рассея¬
ло косяки анчоуса, снизив при этом потенциал их размноже¬
ния (см. рассмотрение явления Эль-Ниньо в гл. 10). Одно¬
временно результаты интенсивной добычи рыбы отрази¬
308
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
лись сильнее, чем когда бы то ни было, на ее численности.
Это сочетание условий оказалось настолько катастрофичес¬
ким для данной экосистемы, что в 1972 г. перуанские рыба¬
ки добыли меньше 1 млн. т анчоуса. (На рис. 19.4, б приве¬
дена общая масса улова Перу; в нее входит и другая рыба,
например ставрида.) В настоящее время Перу производит
рыбной муки меньше, чем его южный сосед — Чили. Анчо¬
ус уже не вернул себе той доминирующей роли, которую он
играл в местной морской экосистеме.
Куда делась вся рыба?
На рис. 19.5 Мировой океан разделен на районы с различ¬
ным потенциалом вылова рыбы; значения потенциально
возможных уловов соответствуют площади кружков. Циф¬
рами обозначены различные виды рыб, моллюсков и рако¬
образных, а крапом покрыта та часть каждого кружка, ко¬
торая соответствует количеству выловленной в 1968 г. ры¬
бы относительно всего потенциала добычи. Например,
большой кружок в западной части Южной Атлантики соот¬
ветствует тому, что потенциальный вылов в этом регионе
оценивается в 12 млн. т; секторы кружков меньшего диа¬
метра, помещенные внутри общего круга, показывают срав¬
нительные доли добычи от общего потенциала отдельно
для разных видов животных. В 1968 г. было выловлено
около 25% потенциала придонной рыбы (эта категория обо¬
значена цифрой 1). Потенциал пелагической рыбы (катего¬
рия 2) составляет около 40%, или 4,8 млн. т; он был в
1968 г. почти совсем не тронут. Другие неиспользованные
ресурсы остаются пока в Индийском океане, в центральной
части Тихого океана и в Южном океане.
Рис. 19.5. Распределение потенциальных уловов рыбы в некоторых районах Мирового океана. Цифрами обозначены разные виды рыбы и
других морских животных. Диаметр внешнего кружка пропорционален потенциальному улову; диаметры покрытых крапом секторов со¬
ответствуют действительным значениям улова в данном районе в 1968 г. (доля каждого типа в общей массе показана пропорциональным
разбиением кружков на секторы. — Перев.). (Составлено по данным статистического ежегодника ФАО [9] за 1968 г.)
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
309
Рис. 19.6. Распределение главных видов рыб и других морских животных в Мировом океане и степень использования этих ресурсов (по
статистическому ежегоднику ФАО [9] за 1968 г.).
Районы, показанные на рис. 19.5, выделены слишком
грубо, и на этом рисунке нельзя увидеть, что самая большая
доля рыбной продукции добывается в прибрежных частях
океанов (табл. 1.2). Это лучше показано на рис. 19.6. Обра¬
тите внимание, что только тунец и киты являются предме¬
тами промысла в открытом океане. Ббльшая часть рыбного
промысла тяготеет к прибрежным областям.
Промысел мигрирующих косяков рыбы
Одна из труднейших задач рыболовства — промысел ми¬
грирующих косяков рыбы. Нигде эта проблема не предста¬
ет в столь наглядном виде, как у западных берегов Африки,
где множество малых приморских стран делят 200-мильную
ЭЗ на отрезки, длина которых во много раз короче диапазо¬
на миграции многих местных рыб. На рис. 19.7 показаны
приблизительные расстояния вдоль береговой линии, на ко¬
торые мигрируют некоторые виды рыб; жирными линиями
показаны государственные границы.
Проблемы поисков этой рыбы и добычи ее в равной сте¬
пени трудны. Прежде всего необходимо очень хорошо изу¬
чить весь жизненный цикл каждого косяка, а затем надо
разобраться в том, какие виды животных образуют звенья
местной пищевой цепи. Если малые государства Африки
объединят свои силы для этих исследований, то им потребу¬
ется много хороших специалистов по морской экологии.
Взаимодействие между людьми и морем неизбежно будет
длительным.
Распределение косяков рыбы
и демография человечества
Другая трудность ведения рыбного хозяйства с целью обес¬
печения людей продовольствием заключается в том, что
экономически выгодный промысел сосредоточен в основном
в тех районах мира, где численность населения самая низ¬
кая. Взгляните снова на рис. 19.5 и вы увидите, что кружки,
соответствующие наибольшим потенциальным уловам, на¬
ходятся в приполярных и полярных районах. И наоборот, в
поясе умеренных широт между 40° с.ш. и 40° ю.ш., где со¬
средоточены крупнейшие человеческие популяции, потенци¬
ал добычи рыбы наименьший. Одно исключение из этой
картины — высокий потенциал тропического рыболовства в
обширных мелководных морях у островов Индонезии — пя¬
той по численности населения (более 140 млн. человек*)
страны мира. Другой тропический район со значительным
рыбным потенциалом, показанный в западной части Индий¬
ского океана, приурочен к зоне интенсивного сезонного ап¬
веллинга у берегов Сомали и Аравийского полуострова, но
обе эти территории покрыты пустынями и заселены очень
редко (см. на рис. 11.1 Сомалийское течение, обозначенное
числом 30).
* По официальной оценке население Индонезии в 1987 г. составляло
более 167 млн. человек.— Прим, перев.
310
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
В табл. 19.3 приводятся данные о том, как и где в
1970 г. выращивались рыба и другие типы водных организ¬
мов. Китай производил в своих водных хозяйствах 33% всей
ежегодно добываемой рыбы; в основном выращивались та¬
кие виды, как карп и ханос*. Из стран, сгруппированных в
части (а) табл. 19.3, где, как в Китае, разведение рыбы дает
большой процент общего улова, первые четыре — Китай,
Индия, Шри-Ланка и Индонезия — имеют обильные источ¬
ники пресной воды и обширные приморские низменности
для создания искусственных водоемов. С другой стороны,
Израиль вынужден по меньшей мере дважды использовать
все свои пресные воды, но все-таки он получает большую
долю своих уловов путем искусственного разведения рыбы.
А Венгрия — страна, не имеющая выхода к морю, хотя че¬
рез нее и протекает река Дунай, — удовлетворяет свои по¬
требности в рыбе в основном за счет выращивания ее на
фермах аквакультуры.
Вместе с тем некоторые крупнейшие государства, произ¬
водящие лов рыбы в открытом океане, не развивают об¬
ширных хозяйств по выращиванию рыбы. Наглядным при-
Рис. 19.7. Протяженная 200-мильная экономическая зона западно¬
го побережья Африки, наземные границы приморских стран и пути
миграции некоторых видов рыб [10].
Особенности рыболовства в Антарктике
Самый наглядный пример обратного соотношения между
концентрацией населения и районами рыболовного промыс¬
ла — Южный океан. В Антарктиде нет постоянного населе¬
ния, а южнее параллели 45° ю.ш. живет всего несколько со¬
тен тысяч человек. Но рис. 19.5 показывает, что в этом ре¬
гионе можно добывать по меньшей мере 100 млн. т в год —
главным образом ракообразных Euphausia superba, извест¬
ных под названием «криль». (Подробное описание промыс¬
ла криля см. в гл. 20.)
Ресурсы аквакультуры
Аквакультура, т. е. разведение и выращивание на специаль¬
ных фермах пресноводных и морских организмов, имеет
давние традиции. Римляне разводили устриц, а еще раньше
китайцы выращивали в искусственных прудах карпов. В на¬
стоящее время аквакультура дает около 9% мирового про¬
изводства белков, получаемых из воды [3]. По имеющимся
оценкам [25] в 42 странах мира ежегодно добывается около
3,7 млн. т рыбы. Если к этому добавить продукцию моллюс¬
ков (1 млн. т) и водорослей (1/3 млн. т), то окажется, что
общая продукция достигает по меньшей мере 5 млн. т в год.
Поднятие на борт рыболовецкого судна среднеглубинного трала с
уловом хека.
* Ханос (phanos chanos ) — крупная травоядная рыба из отряда
конерылообразных, широко распространенная в теплых тропичес¬
ких водах Тихого и Индийского океанов.— Прим, перев.
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
311
Таблица 19.3. Сравнение продукции морских ферм и уловов морской рыбы в одних и тех же странах в 1970 г. (по данным статистических
Ежегодников ФАО [9] и сводки [25]).
Страна
Общая добыча ры¬
бы, т
Рыбная про¬
дукция аква¬
культуры, т
Процент соб¬
ственно рыбы
Другая продукция морских ферм, т
креветки и устрицы
лангусты
моллюски
водоросли
а) Шесть стран, в которых продукция аквакультуры составляет очень большую долю от всей добычи
Китай
6 880 000
2 240 000
32,6
Индия
1 845 000
480 000
26,0
Индонезия
1 249 700
266 300
н,з
Шри-Ланка
87 700
15000
17,1
Израиль
28 200
10 200
36,0
Венгрия
26 600
19 700
76,0
б) Шесть стран, в которых продукция аквакультуры составляет малую долю общей добычи
Япония
9 994 500
85 000
0,9
1 800
194 000
10 800
357 000
Дания
1400 900
11000
0,8
Бирма
442 700
1494
0,3
Норвегия
3 074 900
600
0,02
Нигерия
155 800
127
0,1
Юж. Корея
1 073 700
40
0,003
45 700
53 600
16 000
в) Шесть стран, в которых продукция аквакультуры специализирована
Филиппины
1 049 700
94 570
9,0
2 500
Испания
1 498 700
50
0,003
1 800
109 700
(мидии)
Италия
391 000
18000
4,6
13 700
(мидии)
Мексика
402 500
9 026
2,2
43 500
США
2 766 800
40 200
1,5
350 500
Малайзия
390 000
25 648
6,6
250
28 600
(мидии)
мером служит Япония (табл. 19.3 (б)), но заметьте, что
она занимается культивированием морских водорослей и
производит их гораздо больше, чем любая другая страна.
Норвегия, несмотря на обилие фьордов и пресноводных
озер, пока не занимается аквакультурой в сколько-нибудь
значительной мере.
В табл. 19.3 (в) перечисляется несколько стран с разнооб¬
разной специализированной аквакультурой — от выращива¬
ния рыбы до разведения моллюсков. Испания производит
большое количество мидий, в значительной мере для экс¬
порта. В продукции аквакультуры США преобладают уст¬
рицы; объем этой продукции сопоставим с объемом мор¬
ских водорослей, производимых в Японии. Как морская ка¬
пуста производится в Японии главным образом для удов¬
летворения внутренних нужд, так и устрицы, выращивае¬
мые в США, потребляются в основном внутри страны. Ко¬
роче говоря, то, что производит страна, зависит от многих
факторов, включая традиции населения в характере пита¬
ния, климат и экономические потребности.
Потенциальная роль аквакультуры
В 1950 г. США ввозили 25% всего объема потребляемой
рыбной продукции; к 1972 г. эта зависимость от импорта
сильно возросла, превысив 65% [3]. С этой точки зрения по¬
требность в развитии аквакультуры очень велика, как велик
и ее потенциал. В прошлом искусственно выращивались
преимущественно такие дорогостоящие и пользующиеся на¬
ибольшим спросом виды, как устрицы, лосось и сом. По
мере роста населения и повышения спроса на рыбные про¬
дукты увеличивается потребность в выращивании менее эк¬
зотических видов: кефали, морского окуня, леща, центрар-
ховых (ушастых окуней), крапии* и карпа.
Оценивая роль аквакультуры в современном мире, необ¬
ходимо отметить одно очень важное обстоятельство. В ос¬
новном аквакультура нацелена на производство «роскош¬
ных» продуктов, и поэтому цена готовой продукции высо¬
ка, а корм, используемый на современных рыбных
фермах, — рыбная мука — приготовляется опять-таки из
рыбы. Другими словами, мы выращиваем экзотическую,
дорогую рыбу, скармливая ей второсортную, дешевую. Мы
можем делать это, пока такой дешевой рыбы хватает — до¬
бывается ли она рыбаками своей страны или ввозится из-за
границы. Но потребность в рыбных белках во всем мире
возрастает, а многие страны, добывающие такую рыбу, яв¬
ляются районами с увеличивающейся плотностью населе¬
ния, так что собственные потребности этих стран могут в
конце концов поглотить все местные ресурсы рыбных бел¬
ковых продуктов.
Суть в том, что США могут скоро столкнуться с резким
возрастанием собственной потребности в дешевых продук¬
тах аквакультуры. Многие виды рыбы, лучше всего приспо¬
собленные к жизни в искусственных водоемах, — например,
карп и тилапия, — питаются растительной пищей. Требу¬
ются расходы на удобрения, растворимые в воде и спо¬
собствующие поддержанию водорослевой продукции, кото¬
рая в свою очередь обеспечивает рост рыбы. Необходимо
уделять большее внимание исследованиям, посвященным
* Крапии — один из родов (Pomoxis ) семейства центрарховых, ши¬
роко распространенный в районах Великих озер и долины Миссиси¬
пи. — Прим, перев.
312
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
повышению продуктивности внутри такой системы и разра¬
ботке приемов рекламы и сбыта искусственно выращенной
неэкзотической рыбы, чтобы ее стали считать пригодной
для «хорошего стола».
«Лососевое пастбище» — марикультура
открытого океана
Марикультура открытого океана — весьма специфический
вид марикультуры. Создание океанского «ранчо» требует
такой организации производства, при которой тщательно
контролируется нерест и рост личинок от икры до состоя¬
ния рыбной молоди. Дело в том, что молодь некоторых
рыб инстинктивно стремится к местным природным водо¬
токам, и суть рыбоводного хозяйства заключается в том,
чтобы рыба, достигнув взрослого состояния, возвращалась
к этим водотокам; поэтому молодую рыбу выпускают кор¬
миться в открытый океан. При этом предполагается, что
молодь, следуя по пути предков, будет скитаться по морям
в поисках пищи и запасет энергию в мышцах тела для воз¬
вращения в те же реки, где она появилась из икры, чтобы
самой выметать там икру и тем самым завершить свой
жизненный цикл. Эта схема «работает» только по отноше¬
нию к тем видам, которые проходят фазу роста в открытом
океане как часть жизненного цикла и обязательно возвраща¬
ются к месту своего появления на свет, — в этом месте и
производится их добыча.
Облов «океанского выпаса» быстро развился в 1970-х го¬
дах; ожидается, что за 1980-е годы его продукция еще удво¬
ится: во всем мире будет выпускаться «на выпас» 6 млрд,
особей молоди в год. Добытые таким способом лососи уже
составляют более 20% мирового улова. Лидирует в этом
Япония, немного ей уступает СССР; вместе эти два госу¬
дарства выпускают «на выпас» 75% общего числа скитаю¬
щихся в океане лососей. Рис. 19.8 показывает перспективу
роста этого вида производства в Японии. Видно, что экспо¬
1000
о
2000
Рис. 19.8. Кривые, иллюстрирующие выпуск японскими рыболов¬
ными предприятиями молоди лосося на откорм в открытый океан,
и графики, показывающие число возвращающихся взрослых лосо¬
сей [15].
ненциально возрастает не только число выпущенных маль¬
ков, но с такой же скоростью растет и число возвращаю¬
щихся особей. В 1979 г. из японских «питомников» на ост¬
рове Хоккайдо было выпущено примерно 800 млн. мальков;
примерно 15 млн. особей вернулось, что дает отношение
числа возвратившихся к числу выпущенных рыбешек при¬
близительно 1:50.
Разработка месторождений
полезных ископаемых на морском дне
Наше экономическое и военное могущество зиждется на ис¬
пользовании минеральных ресурсов. По сегодняшним оцен¬
кам каждому гражданину США за время жизни требуется не
менее 0,5 т свинца, 0,5 т цинка, 2 т алюминия и 45 т железа
и стали [24]. По некоторым стратегическим минералам на¬
ша зависимость от импорта колеблется между 80 и 100%.
США ввозят 100% кобальта, необходимого для легирования
сталей и используемого в жизненно важных частях реактив¬
ных двигателей. Никель — хотя его руды и разрабатывают¬
ся в США — более чем на 80% также импортируется. По¬
чти 100% используемого в США марганца доставляется из
Южной Африки и Южной Америки, а этот металл служит
основой множества сплавов с железом, поступающих на за¬
воды страны. Практически весь хром импортируется из
Африки и Советского Союза.
Можно ли в наш технический век извлечь со дна океанов
или из-под него нечто полезное? Где находится это нечто?
Как оно туда попало? Можно ли его оттуда достать?
Сколько это сегодня стоит? Ответы на эти вопросы мы да¬
дим под четырьмя отдельными рубриками: 1) бассейны как
накопители осадков и нефтегазовый фактор, 2) россыпные
залежи в прибрежных осадках, 3) железомарганцевые и фос¬
форитные корки, 4) полиметаллические сульфиды в рифто¬
вых глинистых отложениях.
Бассейны и нефтегазовые скопления в ЭЗ
Залежи углеводородов приурочены, по-видимому, к окраин¬
ным областям, расположенным вдоль границ между океа¬
ническими бассейнами и материками. Это справедливо как
для современных континентальных окраин, так и для древ¬
них окраин, которые ныне могут располагаться во внутрен¬
них областях континентов — вдоль берегов древних морей.
Эти залежи образовались там, где существовали впадины —
бассейны осадконакопления, в которых отлагался органи¬
ческий материал, а также другие осадки, возникавшие в ре¬
зультате эрозии на материках. На рис. 21.12 показано, как в
ходе обширной трансгрессии мелководных морей мезозой¬
ского и триасового возраста (65—225 млн. лет назад) поза¬
ди рифов формировались мелководные бассейны. А на
рис. 21.13 видно, как могут образоваться впадины иного ро¬
да в районах столкновения континентов с океаническими ли¬
тосферными плитами, а осадки морского дна, органические
и неорганические, соскребаются с поверхности океанической
коры, образуя вдоль окраины континента расслоенные
структуры.
В пределах ЭЗ Соединенных Штатов Америки много та¬
ких бассейнов (рис. 19.9). Никто не может сказать, сколько
они содержат нефти и газа. Кое-кто оценивает потенциал
морских месторождений как треть всех мировых запасов.
Нефтегазовые залежи в прибрежных районах оказались в
центре внимания исследователей, добившихся в последние
два десятилетия выдающихся результатов в развитии техни¬
ки бурения и добычи (рис. 19.10).
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
313
140е
120°
160°
70°
60°
50°
100°
180° 160° 140
60°
160°
180°
140°
50°
70°
50°
70°
60
130°
140
50°
140°
130°
20°
30°
80°
40°
120° 110° 100° 90°
50°
30°
60°
70°
110°
90°
80°
120°
100°
50°
20°
40°
Рис. 19.9. Местоположения бассейнов, перспективных на нефть и газ, в ЭЗ Соединенных Штатов (Гавайи и
другие принадлежащие США территории в Тихом океане не показаны) [23].
314
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
’’Экофиск”
’’Экофиск”
”Леман-Банк”
Глубина моря 30 м
(каркасно-свайный
тип),
12-свайная,
2,5 тыс.т
(1966)
Глубина моря
70 м
(каркасно¬
свайный тип),
12-свайная,
6 тыс.т
(1972)
(°)
Глубина
моря 70 м
(гравитацион¬
ный тип),
нефте -
хранилище,
225 тыс.т
(1973)
Глубина моря
140 м
(каркасно¬
свайный тип),
33 тыс.т
(1975)
Глубина моря
140 м
(гравитацион -
ный тип),
350 тыс.т
(1975)
’’Магнус”
Глубина моря 186 м
(каркасно-свайный тип),
52 тыс.т
(1982)
(а) Эволюция устройства буровых и эксплуатационных платформ на промыслах Северного
моря (глубины воды от 30 до 180 м).
Морская платформа ’’Хаттон”
(б)
с натяжными опорами
(6) Некоторые представления о том, как будут решаться проблемы бурения и нефтедобычи в
будущем — при работах на больших глубинах моря.
Рис. 19.10. Различные виды морских нефтепромысловых платформ [7].
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
315
70° 130° 140° 160° 180° 160° 140° 120° 100° 90° 80° 70°
180° 170° 160° 150° 140° 130°
Рис. 19.11. Расположение за¬
пасов твердых полезных иско¬
паемых в ЭЗ США [2].
Известные
проявления
Песок и гравий
Россыпи
Возможные”
залежи
30°
плато Блейк
60°
20*
20*
110°
80°
100°
90°
70°
30°
130°
Восточно-
Тихоокеанское
поднятие
/
120°
Бассейн
'Гуаймас
Краевая зона
Южной
Калифорнии
’^Подводные горы
Калифорнии
^Фосфориты
Марганцевые конкреции®
Кобальтовые корки ®
Массивные сульфиды ®
у берегов
Центральной
Запасы песка и гравия и россыпные месторождения
Мировая добыча песка и гравия с морского дна по объему и
стоимости превышает добычу других негорючих полезных
ископаемых. В 1980 г. было добыто примерно 1 млрд, т
этих материалов на сумму около 3 млрд. долл. (Сводка
№ 929 Геологической службы США.) Бблъшая часть потреб¬
ностей США удовлетворяется в настоящее время за счет на¬
земных разработок, но в приморских городах уже считают,
что разработка шельфовых отложений позволяет получать
песок и гравий с меньшими затратами, чем на суше. Строи¬
тельство насыпных платформ для бурения скважин в водах
Аляски требует большого количества гравия. К счастью,
имеются огромные запасы песчано-гравийных отложений, и
многие из них находятся вблизи мест крупного промышлен¬
ного строительства. На рис. 19.11 показано размещение
316
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
твердых минеральных ресурсов вокруг континентальной
части США и у берегов Аляски.
Россыпные месторождения в зоне пляжей известны уже
несколько столетий. В описаниях западного побережья Се¬
верной Америки, составленных в середине XVI в., упомина¬
ются «черные пески». Первая в США промышленная разра¬
ботка пляжных россыпей проводилась в Номе (Аляска) —
на золото. Пляжи Юго-Восточной Азии столетиями разра¬
батывались с целью добычи олова. Совсем недавно в США
снова пробудился интерес к морским россыпным залежам,
содержащим рутил и ильменит — минералы, служащие
главным источником получения титана. Соединения, содер¬
жащие тяжелые металлы, и кристаллы этих минералов на¬
капливались в течение геологического времени в устьях рек.
Благодаря своей высокой плотности эти кристаллы выпада¬
ют из взвеси, как только речной поток выходит в море и те¬
ряет энергию турбулентного движения. За геологическое
время пляжные пески были много раз отложены и переот¬
ложены, так что легкие пески оказались размыты, а тяже¬
лые минералы сосредоточились в россыпных залежах. На
рис. 19.11 показано также размещение важнейших россып¬
ных месторождений вдоль береговой линии США. На тихо¬
океанском шельфе в песках содержится, согласно оценкам, в
среднем почти 1% тяжелых минералов (по объему). Аляс¬
кинские россыпи, возможно, особенно богаты как тяжелы¬
ми минералами, так и золотом и платиной, поэтому они
стали первыми в США разрабатываемыми морскими россы¬
пями. Потребность в титане в стране очень велика, и в на¬
стоящее время США удовлетворяют ее более чем на 40% за
счет импорта. Внутренняя добыча до последнего времени
ограничивалась разработкой реликтовых пляжных отложе¬
ний Флориды и Джорджии.
Железомарганцевые конкреции и кобальтовые корки,
фосфориты и скопления рассолов
Десятилетие 1975—1985 гг. стало «эпохой просвещения» в
отношении топографии, строения и геологической истории
морского дна. Однако первые свидетельства оруденения
морского дна появились в ходе рейсов «Челленджера» в
1873—1876 гг. Это были железомарганцевые конкреции,
найденные среди материала, поднятого при глубоководном
драгировании. В последнее время были обнаружены фосфо¬
ритные и другие корки, а также скопления рассолов.
Железомарганцевые конкреции. На морском дне широко
распространены высоко минерализованные стяжения разме¬
ром от мелких шариков до булыжников. Они состоят глав¬
ным образом из окислов железа и марганца (табл. 5.2).
О том, как образуются залежи конкреций и сколько времени
занимает их образование, известно мало. Их находят на по¬
верхности глубоководных илов (рис. 19.12), и из этого, каза¬
лось бы, можно заключить, что процесс их формирования
протекает быстрее, чем образуется илистый слой, но на са¬
мом деле это не так (табл. 5.1). Самые богатые скопления
найдены в восточной экваториальной области Тихого океа¬
на между 5 и 15° с.ш. (рис. 19.13).
Серьезное изучение вопроса о том, как разрабатывать
такие залежи на океаническом дне при глубине 4 км, нача¬
лось в конце 1950-х годов — сразу же по выяснении разме¬
ров этих залежей и после того, как стали яснее потребности
США в стратегических минеральных ресурсах. Исследования
продолжаются и поныне. Предложены различные техничес¬
кие средства — от управляемых на расстоянии тракторов,
которые должны «сгребать» конкреции в специальные кон-
Рис. 19.12. Марганцевые конкреции на дне Тихого океана (вверху)
и выгрузка конкреций из драги (внизу).
тейнеры, до гигантских «пылесосов», перетаскиваемых по
дну океана. Но действительность такова, что глубоководная
добыча представляется пока делом отдаленного будущего и
ее перспективы в настоящее время все еще не ясны. Основ¬
ная причина этого связана с обнаружением в последнее вре¬
мя железомарганцевых «корок» на меньших глубинах и,
возможно, более богатых полиметаллических сульфидных
залежей в рифтовых зонах.
Железомарганцевые кобальтовые корки. Железомарганце¬
вые «инкрустации» открыты только в последнее десятиле¬
тие. Эти корки образуются на базальтовом субстрате и при¬
урочены, таким образом, к подводным вулканам. Средняя
толщина корок — около 2 см; встречаются они на глубинах
от 1000 и примерно до 2500 м. Содержание различных ме¬
таллов приблизительно соответствует составу глубоковод¬
ных конкреций (табл. 5.2), если не считать гораздо более
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
317
170°
“Т"
160°
40°
150°
и—
Известные
проявления
Песок и гравий ф
Марганцевые конкреции®
Кобальтовые корки (5)
Массивные сульфиды ©
160°
Разрастание
морского дна7
Марианский
прогиб
140°
Возможные
залежи
1 "
4
5
6
40°
подв. горы Южн. Мюзишен
Подводные горы
мелового возраста
о-ва Хауленд
и Бейкер
Северные
Марианские о-ва
Подводные
горы
хребет о
Неккер
о
Вост. Самоа
Подводные горы
. •
160°
о. Джарвис
Активные
’вулканы
о. Гуам
30°
шт. Гавайи
Восточный риф
Килауэа
Подводный
вулкан Лоихи
гайот
Много Хорайзн_^
подводных гор /gj
Главная провинция
Подводные горы^®^ мелкого возмста 11 !иаРганцевь!х| I
о. Джонстон мелового В03Раста | | 11 конкреций 11]_
Подводные горы
Подводные горы
20°
(не принадлежит"'
HIIIAU США)
ат. Пальмира - m 1111 I I
риф Кингмен 1
Подводный вулканизм
10°
0°
10°
Рис. 19.13. Залежи твердых полезных ископаемых в пределах ЭЗ США в районе Гавайев и других тихоокеанских территорий США [2].
высокого содержания кобальта, вследствие чего эти инкрус¬
тации и названы кобальтовыми. Содержание кобальта ко¬
леблется примерно от 0,4% в более глубоководных корках
до 1,2% на подводных горах с глубинами меньше 2500 м;
кобальт концентрируется в верхних 0,5 см корки независи¬
мо от ее толщины.
Важное значение железомарганцевых кобальтовых корок
было установлено только примерно в 1981 г., когда было
собрано достаточно данных о содержании кобальта и о раз¬
мещении этих корок. На рис. 19.13 видно, что обширные
области развития кобальтовых корок имеются в пределах
ЭЗ Гавайских островов и у других тихоокеанских островов,
находящихся под юрисдикцией США. Самые перспективные
для обнаружения этих корок области располагаются там,
где возраст морского дна не меньше 20 млн. лет, а лучше
всего — где он больше 80 млн. лет. Кроме того, наилучшие
рудопроявления находятся в тех районах, где для отложения
других осадков условия неблагоприятны, — отсюда важ¬
ное значение сильных течений, препятствующих накоплению
биогенных илов на вершинах и склонах подводных гор.
Поэтому мы и видим корки на базальтовых глыбах
(рис. 19.14, а). Кобальтовые корки часто встречаются вмес¬
те с залежами фосфоритов; в этом случае минеральные об¬
разования обоих типов выглядят как своего рода «мосто¬
вая», покрывающая морское дно. Фотография, приведенная
на рис. 19.14, б, сделана во время измерений над подводным
плато Блейк у побережья Флориды. На ней видно, что кор¬
ка, похожая на асфальтовое покрытие, включает в себя от¬
дельные конкреции; глубина моря — около 800 м, т. е. дно
в этом случае находится совсем не глубоко.
Большая рыночная стоимость кобальта делает такие за¬
лежи значительно ценнее скоплений глубоководных конкре¬
ций. По ценам 1983 г. одна подводная гора может дать ру¬
ды на 1 млрд, долл., а в пределах тихоокеанской ЭЗ Соеди¬
ненных Штатов имеется более 100 подводных гор (сводка
№ 929 Геологической службы США). Эти факторы в сочета¬
нии с меньшей глубиной залегания кобальтовых корок по
сравнению с глубоководными конкрециями, вероятно, пред¬
определят, что сначала США будут добывать кобальтовые
корки.
Фосфоритные пески, корки и конкреции. Залежи фосфори¬
тов имеются во многих местах, входящих в ЭЗ США, но са¬
мые обширные и экономически перспективные залежи рас-
318
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Рис. 19.14. (а) Типичная железомар¬
ганцевая корка на базальтовых глы¬
бах, драгированных с подводной го¬
ры Хорайзн в 1983 г. в рейсе иссле¬
довательского судна «Ли» Геологи¬
ческой службы США. Положение
этой подводной горы показано на
рис. 19.13.
(б) Железомарганцевая — фосфорит¬
ная корка, покрывающая морское
дно на плато Блейк у берегов Флори¬
ды; глубина моря — около 800 м.
Размер кадра по горизонтали — око¬
ло 5 м.
полагаются на плато Блейк у берегов Флориды и близ побе¬
режья Калифорнии (рис. 19.11). Фосфоритами называют
осадочные породы, состоящие в основном из фосфатных
минералов, таких как апатит и фторапатит.
Фосфаты, как оказалось, откладываются везде, где про¬
исходит сильный апвеллинг, например в прибрежных водах.
Многие наиболее богатые залежи встречены на глубинах от
30 до 300 м или приурочены к перегибу шельфа. Ассоциация
с зонами апвеллинга следует непосредственно из факта вы¬
сокой первичной продуктивности богатых питательными ве¬
ществами глубинных вод, поднимающихся к поверхности;
морские растения фиксируют растворенные фосфаты, кото¬
рые входят в состав органических соединений, а те в свою
очередь накапливаются до высоких концентраций в органо¬
генных осадках. Низкий уровень содержания кислорода в
слоях разлагающегося органического вещества — необходи¬
мое условие для образования фосфорита. Этот процесс, по-
видимому, требует также, чтобы осадки других типов, та¬
кие как биогенные или обломочные материалы, поступаю¬
щие в процессе эрозии суши, откладывались медленно. На
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
319
плато Блейк, напротив шт. Флорида и Каролина, фосфаты
накапливаются благодаря мощным течениям системы
Гольфстрима, препятствующим формированию других оса¬
дочных отложений. У Калифорнийского побережья фосфа¬
ты залегают на вершинах подводного хребта, на склонах
подводных гор и других подобных участках, непригодных
для накопления посторонних осадков. В одних местах фос¬
фатные отложения выглядят как несцементированные пес¬
чаные зерна, в других — как прочные корки.
Спрос на фосфаты для производства удобрений во всем
мире продолжает расти. В настоящее время США экспорти¬
руют фосфаты, добытые открытым способом во Флориде;
разрабатываемые там залежи представляют собой припод¬
нятые древние мелководные отложения. Но ограничения,
накладываемые на землепользование, ужесточаются, соот¬
ветственно растет и стоимость продукции, поэтому про¬
мышленная эксплуатация обширных морских залежей на
шельфах скоро станет реальностью.
Полиметаллические сульфидные залежи
Совсем недавно появились сообщения о существовании по¬
лиметаллических сульфидных залежей, связанных с гидро¬
термальной деятельностью в срединно-океанических рифто¬
вых зонах. (Процесс рифтообразования на срединно-океани¬
ческих хребтах описывается в гл. 21.) Подводный «горячий
источник», точнее, гидротермальное жерло, был открыт на
Галапагосском рифте в 1979 г., когда ученые впервые
спустились в рифтовую зону на глубинном погружаемом ап¬
парате «Алвин». Затем последовали новые открытия
(рис. 19.11): на Восточно-Тихоокеанском поднятии в районе
21° с.ш., в системе хребта Хуан-де-Фука у 48° с.ш. и хребта
Горда примерно около 42° с.ш. Последняя площадь входит
в ЭЗ Соединенных Штатов и потому имеет для них особо
важное значение.
Геологи ясно понимают, какой процесс приводит к фор¬
мированию этих сульфидных залежей, так как они уже изу¬
чили сходные древние рудопроявления, разрабатываемые
ныне на суше. Примером могут служить меднорудные мес¬
торождения Кипра. Как правило, рудные минералы содер¬
жат железо, марганец, цинк, свинец и серебро. На рис. 19.15
схематически изображен процесс образования таких залежей
на Восточно-Тихоокеанском поднятии [27]. Холодная мор¬
ская вода просачивается в трещиноватую, недавно затвер¬
девшую океаническую кору, там нагревается и затем, когда
ее плотность под действием нагрева понижается, выталки¬
вается благодаря конвекции наверх. Соприкасаясь с только
что сформировавшейся и еще горячей породой, нагретая
морская вода выщелачивает ионы металлов из породы и от¬
дает этой породе некоторые свои ионы. Когда обогащен¬
ный металлами горячий раствор выбрасывается через жер¬
ло в холодную морскую воду, покрывающую рифтовую зо¬
ну, почти сразу же происходит выпадение осадка; площадь
вокруг жерла становится местом накопления сульфидов раз¬
ных металлов.
Будет ли экономически выгодно разрабатывать такие за¬
лежи, зависит от многих факторов. Если скорость разраста¬
ния морского дна мала, то оруденение в этих зонах будет
невелико, так как гидротермальная деятельность слаба. Обе
исследованные к настоящему времени зоны — на Восточно-
Тихоокеанском поднятии и Галапагосском рифте — нахо¬
дятся в условиях умеренного разрастания, около 5 см/год, и
представляются перспективными для разработки. Кроме
того, магматические камеры, питающие различные рифто¬
вые зоны, имеют разный состав, так что возникающие ру-
■ ДГ
■ ДрН
■ Насыщение
Осаждению
сульфидов
способствует
А- \ А- V -V А-
Рис. 19.15. Модель формирования полиметаллической сульфидной
залежи [27].
л
J\
Реакция •
\V между водой
•и породой.
Гидротермальный флюид
+++
+++
Горячий (350 °C)
Кислый (pH « 4)
Восстанавливающий
Богатый H2S
Богатый металлами
(напр., Fe - 100,
Мп -33,
Zn-7,
Си — 2 млн-1)
4- 4- 4- ( 4- 4-
_1_ ' 'Магма_|_4-^_4-
4 4 4'4 4 4
Без Mg (0 млн !)
ды также могут быть различными: в одних залежах велико
содержание серебра, другие богаты цинком и т. д. Напри¬
мер, в некоторых образцах, отобранных на хребте Хуан-де-
Фука, установлены следующие содержания: цинк — от 29,7
до 59,2%, цена руды от 237 до 473 долл, за тонну; сереб¬
ро — от 124 до 290 млн"1, цена руды от 30 до 72 долл, за
тонну [18]. Это поистине богатая руда. Но залежи развиты
на небольшой площади, непосредственно окружающей гид¬
ротермальные жерла. Несмотря на то что одна такая жер¬
ловая залежь может достигать толщины в несколько мет¬
ров, разработка не будет рентабельной, если в данном райо¬
не не сосредоточено много таких залежей. Один из способов
добычи — использование стандартного грейферного ковша
(рис. 19.16), но при условии, если горнодобычное судно име¬
ет на своем борту навигационное и ходовое оборудование.
Грейфер, снабженный визуальным монитором и автоном¬
ным двигателем, может смыкать свои «челюсти» весьма на¬
правленно. Фотоснимок участка гидротермального жерла
(рис. 19.17) показывает, что точное прицельное расположе¬
ние грейферного ковша совершенно необходимо, чтобы за¬
хватывать рудные минералы, а не пустую породу.
После выпадения в осадок из горячего рассола полиме¬
таллические сульфиды не сразу консолидируются. Вначале
320
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Рис. 19.16. Добыча твердых корок, состоящих из сульфидов, с
грейферной драги [1].
они представляют собой «грязный ил» в окрестности жерл
активных источников и накапливаются в понижениях дна.
Грейфер не может поднять эти отложения, но вместо него
можно использовать какой-либо погружаемый насос. Такие
насосы предложены для «добычи» горячих рассолов, обна¬
руженных в придонной части Красного моря.
Воздействие современного
урбанизированного общества на океаны
Люди всегда оказывали влияние на прибрежную зону океа¬
нов. Сегодня мы находим самые давние свидетельства чело¬
веческой жизнедеятельности на берегах древнего африкан¬
ского озера, которое называется сейчас ущельем Олдуваи;
этим свидетельствам несколько миллионов лет. Людской
род во все времена воздействовал на прибрежные моря, по¬
тому что мы буквально живем за их счет. Но именно совре¬
менное урбанизированное общество превратило нашу связь
с морем из зависимости от него в смысле получения пищи в
целый ряд других видов зависимости, из которых один из
важнейших — использование океанов в качестве места свал¬
ки отходов.
Каковы отличия современного отношения людей к океа¬
нам от того, как относились к ним наши предки? Хотя нас
уже очень много, мы все еще предпочитаем жить в узкой по¬
лосе, примыкающей к океанскому побережью (рис. 19.18, а).
Рис. 19.17. Рудное тело полиметаллических сульфидов около жер¬
ла подводного источника на хребте Горда, положение которого по¬
казано на рис. 19.11. Моллюски на поверхности залежи имеют раз¬
мер около 2 см и составляют часть жерлового сообщества, обита¬
ющего в этом районе Тихого океана на глубинах более 2000 м.
Около 65% всех людей живут не дальше 500 км от берего¬
вой линии. Плотность населения в прибрежных районах
растет не только с ростом населения, но и за счет плотно¬
сти внутренних сельских районов. В США эти прибрежные
районы, где проживает большинство населения, примерно
соответствуют по площади 200-мильной ЭЗ (360 км); район
Великих озер приравнивается здесь к прибрежной зоне океа¬
нов (рис. 19.18, б).
Важнейшее отличие современного состояния от прошло¬
го заключается в том, что мы привозим различные матери¬
алы в приморские зоны и увозим их оттуда, так как эти зо¬
ны не могут уже одновременно быть нашим домом и кор¬
мить нас. В масштабе всего мира в сельском хозяйстве ис¬
пользуется теперь 100млн.т удобрений. Фосфатные удобре¬
ния, применяемые в США, производятся главным образом в
двух районах, в каждом из которых залежи фосфоритов об¬
разовались в древнем мелководном море (рис. 19.19, а).
Фосфатные руды добываются открытым способом из при¬
поднятых древних морских отложений во Флориде и разво¬
зятся в самые разные внутренние районы США, а также
идут на экспорт. Древние мелководные залежи фосфатсо¬
держащих пород Вайоминга добываются в подземных выра-
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
321
60°
0°
60°
120°
180°
120°
60°
(а) Около 65% населения
живет в пределах 500 км
от крупнейших водоемов.
Затушеваны территории,
где плотность превышает
75 чел./км2.
(б) Распределение населе¬
ния США по данным на
1980 г.; показаны границы
200-мильной ЭЗ и 500-км
полосы на суше.
Рис. 19.18. Распределение плотности населения на Земле.
ботках и распределяются по высокоурожайным сельскохо¬
зяйственным районам Калифорнии, Аризоны и в области
возделывания зерновых культур на Центральных равнинах.
По мере того как месторождения Вайоминга будут исто¬
щаться, а добыча на Флориде будет свертываться под воз¬
действием ограничений, связанных с охраной природы, про¬
мышленность должна будет обратиться к мелководным от¬
ложениям у берегов Калифорнии и Флориды (рис. 19.11).
Нитратные удобрения в настоящее время вырабатыва¬
ются главным образом из природного газа; газохимические
предприятия Техаса и Луизианы посылают большую часть
производимых нитратов во внутренние области США. Эти
удобрения также широко используются в тех районах, где
выращиваются продовольственные зерновые культуры.
В свою очередь огромные количества продовольствия и
другого сырья вывозятся из внутренних районов США в гус¬
тонаселенные прибрежные зоны. Каждый продукт, прежде
чем окажется на столе американца, проходит путь средней
длиной 1300 миль (более 2 тыс. км). На рис. 19.19, б показа¬
но, что зерновые с Великих равнин перевозятся для потреб¬
ления в прибрежные зоны, где проживает две трети населе¬
ния США (180 млн.человек). Если одна прибрежная зона вы¬
возит что-либо вовне, то обычно продовольствие прямиком
идет в другую береговую зону: например, продукция берего-
322
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Рис. 19.19. Концентрация в прибрежных зонах сельскохозяйственных химикатов. Каждая точка
соответствует проживанию 10 000 человек.
(а) Вначале фосфаты и
нитраты транспортируют¬
ся из горнодобывающих
областей в зерновые райо¬
ны Великих равнин и в
районы субтропического
пояса от Флориды до Ка¬
лифорнии, где выращива¬
ются овощи и фрукты.
(6) Бдльшая часть произ¬
веденных пищевых продук¬
тов вывозится в прибреж¬
ные районы, где потребля¬
ется и в конце концов ста¬
новится фактором, воздей¬
ствующим на местную
природную среду.
вых равнин Техаса, Калифорнии или Флориды направляется
в прибрежную полосу северо-востока США.
Среднее количество продовольствия, потребляемое каж¬
дым жителем США, составляет около 700 кг/год. Таким об¬
разом, 180 млн. жителей прибрежных районов требуется до¬
ставлять ежегодно 126 млн. т одного только продовольствия.
Теперь вспомним, что фосфаты и нитраты в нашей пище не
усваиваются человеческим организмом, проходят через него,
практически не задерживаясь, и в конце концов целиком воз¬
вращаются в землю. Суть дела ясна: значительная часть ма¬
териалов, которые мы привозим в наши прибрежные зо¬
ны, — это либо новое продовольствие из внутренних райо¬
нов, либо возвращающиеся вещества, которые мы посылаем
в глубь страны для дальнейшей переработки.
Итак, реальное различие между современным обществом
и обществом наших предков состоит в том, что огромные
количества материалов перевозятся на далекие расстояния
и превращаются в наших приморских — особенно плотно
населенных — районах в продукты и отходы. Фосфаты и
нитраты, которые не возвращаются в виде продовольствен¬
ных и технических сельскохозяйственных продуктов, по
большей части перерабатываются и заканчивают свой кру¬
говорот в прибрежной зоне в результате гидрологических
эрозионных процессов. А конечным резервуаром отходов
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
323
становятся прибрежные части океанов, так как они распола¬
гаются наиболее низко.
Продукты рыболовства также направляются преиму¬
щественно в нашу урбанизированную прибрежную зону, где
они либо потребляются, либо перерабатываются для пере¬
возки во внутренние районы континентов. Большая часть
рыбы, не использованной как пища, остается в пределах
прибрежной зоны — либо в виде отходов, либо для даль¬
нейшей переработки в рыбную кормовую муку. Большой
объем материалов, ввозимых в прибрежную зону, прихо¬
дится на нефть и газ; здесь они в основном потребляются
как топливо или как сырье для промышленности. Из всей
мировой добычи нефти 1969 г., составившей 1820 млн. т,
1180 млн. т было привезено танкерами в прибрежную зону.
И даже если углеводороды добываются на месте, они все
же остаются ввозимым извне материалом в том смысле,
что извлекаются с глубин в несколько тысяч метров и до¬
ставляются на земную поверхность непосредственно к жите¬
лям приморской области. Когда разработка морских место¬
рождений станет реальностью, будут найдены и способы
добывать материалы, рассеянные в малых концентрациях
на морском дне, и концентрировать их в обогащенную руду
для последующей переработки и потребления.
В этом и суть дела! Загрязнение океана сосредоточива¬
ется в прибрежных зонах, и в дальнейшем оно будет возрас¬
тать. Насколько это серьезно, что такое загрязняющие ве¬
щества и какова в этой картине роль прибрежной океаноло¬
гии? Мы коснемся этих вопросов только в общем виде, со¬
знавая, что то, что сливается в море, может быть «хоро¬
шим» или «плохим», а иногда и тем и другим — вопрос
обычно стоит о том, в какой степени. Кроме того, мы дол¬
жны понимать, что почти ничего не знаем о долгосрочных
эффектах токсичных веществ, особенно если они присутст¬
вуют в небольших количествах.
Конкретные загрязняющие вещества;
матрица взаимодействия
Чтобы оценить воздействие на окружающую среду того
или иного загрязняющего вещества, лучше всего разрабо¬
тать матрицу взаимодействия, которая покажет в общих
чертах, где, как и насколько сильно такие вещества взаимо¬
действуют с природной средой. Одна из таких матриц пред¬
ставлена в табл. 19.4, и в последующих разделах мы рас¬
смотрим смысл некоторых ее элементов.
Микроэлементы (элементы А
матрицы взаимодействия)
Микроэлементами называются те химические элементы, ко¬
торые встречаются в природе в концентрации Г10”6 или
Таблица 19.4. Матрица специфических загрязняющих веществ, дей¬
ствующих в различных природных условиях или влияющих на окружа¬
ющую среду прибрежной зоны.
Общие особенности
воздействия
на окружающую среду
Специфические загряз¬
няющие вещества
Микроэлементы
Вещества, используе¬
мые в земледелии
как удобрения
Органика, углево¬
дороды
ДДТ, ДДЭ, ПХБ и
др. ядохимикаты
Твердые отходы
Радиоактивность
Болезнетворные мик¬
роорганизмы
Повышение темпе¬
ратуры
А А
А
В В
С
D
Е
F
G
Н Н
С
D D
Е
F
G
Н
меньше. Как указывалось в гл. 7, многие из этих элементов
распределяются по вертикали в водной толще так же, как
питательные вещества, используемые для удобрения полей,
и коррелируют с ними. Мы знаем, что многие морские ор¬
ганизмы способны накапливать ионы редких металлов: на¬
пример, как показывает табл. 19.5, в тканях моллюсков и
ракообразных может содержаться свинец в концентрациях,
в тысячи раз больших, чем в водах открытого океана [4].
Следовательно, чтобы в первом приближении определить,
вредно ли повышение концентрации производимых нами тя¬
желых металлов, надо сравнить концентрации открытого
океана с обогащением, происходящем в самих организмах.
Из этого сопоставления легко сделать вывод, что обуслов¬
ленное человеческой деятельностью увеличение содержания
тяжелых металлов влечет за собой незначительные по¬
следствия. Напротив, поскольку естественное распределение
микроэлементов очень близко к распределению питатель¬
ных веществ, это наводит на мысль, что органический мир
требует присутствия таких элементов.
Таблица 19.5. Мировое производство тяжелых металлов (накапливающихся в природе и добываемых из недр), их главные пути в океаны и
коэффициенты обогащения тяжелыми металлами некоторых морских организмов (по данным из разных источников).
Металл
Естествен¬
ное накоп¬
ление, 103 т
Добыча
из недр в
1970 г.,
103т
Перенос ре¬
ками в океа¬
ны, 103 т
Вымывание
атмосфер¬
ными осад¬
ками, 103 т
Концентра¬
ция в от¬
крытом
океане
Коэффициент
обогащения в
верхних 200 м
открытого оке¬
ана
Коэффициент обогащения в организмах
морских моллюсков
гребешки
устрицы
мидии
Свинец
180
3000
100
300
0,00003
11
5 300
3 300
4 000
Медь
375
6 000
250
200
0,002
2
3000
13 700
3000
Кадмий
—
10
0,5
10
0,0001
4
2 260 000
318000
10 000
Никель
300
500
10
30
0,002
1,04
12 000
4 000
14 000
Цинк
370
5000
700
—
0,01
1,25
28 000
110000
9 100
324
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Но иногда избыточные концентрации одного или не¬
скольких тяжелых металлов причиняют огромный вред. Ко¬
лонии моллюсков на прибрежных отмелях вблизи устья ре¬
ки Кинтеро в Чили практически исчезли после того, как ме¬
деплавильный завод начал сбрасывать в эту реку сточные
воды. В Минамате (Япония) за 1950-е годы сотни жителей
получили ртутное отравление, потребляя в пищу рыбу и
моллюсков из залива Минамата. Ртуть попадала в залив во
сточными водами местных промышленных предприятий.
Оставшиеся в живых оказались поражены различными хро¬
ническими заболеваниями, у многих ухудшилось зрение,
расстроилась речь, резко возрос вес и ослабился слух.
Морские растения также могут подвергнуться воздейст¬
вию тяжелых металлов. Эксперименты показывают, что
процесс фотосинтеза в гигантских водорослях рода Масго-
cystis у берегов Калифорнии ослабляется на 50% после четы¬
рехдневного пребывания в воде с концентрациями (в млн"1)
ртути 0,05, меди 0,1, никеля 2,0, цинка 10 [19].
Поражает, насколько много загрязняющих веществ по¬
ступает в океан через атмосферу (табл. 19.5). Каждый год в
результате испарения в воздух попадает 350 тыс. т раство¬
рителей, используемых при химчистке, а также 1 млн. т
бензина (314 млн. галлонов!) [13]; 10% свинца попадает из
недр в океан через атмосферу из выхлопных газов, образую¬
щихся при сжигании этилированного бензина*. (В настоя¬
щее время этилированный бензин в США уже почти не про¬
изводится.)
* Этиловая жидкость (раствор тетраэтилсвинца в галогензамещен-
ных углеводородах) добавляется к моторным топливам с недоста¬
точной детонационной стойкостью.— Прим, перев.
85°
84°
83°
82°
81°
80°
I
I
Дейтона-Бич
МЕКСИКАНСКИМ
ЗАЛИВ
7 ' ' ’ ’ Г
Таллахасси
О
■( X ° Джэксонвилл
I
„Мелборн
Дамп;
оз. Окичоби
Нейплс
31°
30°
29°
28°
27°
26°
25°
АТЛАНТИЧЕСКИЙ
ОКЕАН
Флорида
Сент-Питерсберг «ж
-J 1 1 1 1 1—
О 1
Э 2
© 3
О 4
Рис. 19.20. Распределение сброса
сточных вод в море по обе стороны
Флориды и в ее реки [11]. Объем
сточных вод, ежедневно сбрасывае¬
мых в прибрежную зону и смешива¬
ющихся там с морской водой, млн.
галлонов:
1 — 0,01 — < 0,02 (до 75 м3);
2 — 0,02 — <1,0 (до 3,8 тыс. м3);
3 — 1,0 — <5,0 (до 19 тыс. м3);
4 — <5,0 (> 19 тыс. м3).
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
325
Что касается тяжелых металлов, переносимых реками,
то большая их доля не достигает открытого океана. Вместо
этого ионы металлов соединяются с минеральными части¬
цами или прилипают к ним и оказываются во взвешенном
осадке; они осаждаются либо в эстуариях, либо на прибреж¬
ных отмелях. Отсюда следует, что речное загрязнение
быстро передается эстуарной и прибрежной биосфере, осо¬
бенно в бентосной среде обитания (см. также гл. 5).
Питательные вещества, используемые
для удобрений (элементы В матрицы
взаимодействия)
Производимые людьми фосфаты и нитраты попадают в
океан двумя путями: посредством сброса бытовых отходов
и посредством смыва с возделываемых земель, на которых
используются фосфорные и азотные удобрения. Оба эти ис¬
точника в неявном виде присутствуют на схемах распределе¬
ния, приведенных на рис. 19.19. Фосфаты и нитраты непо¬
средственно вносятся в землю приморской зоны при ее сель¬
скохозяйственной обработке или ввозятся из удобрявшихся
внутренних районов в виде продовольственных и техничес¬
ких сельскохозяйственных продуктов либо переносятся река¬
ми как растворенные питательные вещества.
Поступление питательных веществ в прибрежные воды
оказывает на них сильнейшее воздействие, приводя к избы¬
точному размножению определенных растений. В результа¬
те видовое разнообразие уменьшается, так как эти растения
не дают развиваться другим видам. В пресноводных озерах
и реках такое воздействие называется эвтрофикацией. Там,
где оно происходит, может измениться динамика всей пи¬
щевой цепи. Поэтому, приступая к изучению потенциально¬
го воздействия таких факторов, биологи в первую очередь
стараются определить, не понижено ли видовое разнообра¬
зие в составе пищевой цепи, т. е. не исчезли ли какие-то ви¬
ды. Другой мерой этого воздействия может служить резкое
изменение обилия одного вида по сравнению с другими.
На рис. 19.20 показано, что эта проблема может ока¬
заться весьма серьезной. Сброс сточных вод у плотно насе¬
ленных берегов Флориды составляет в общей сложности
500 млн. галлонов в сутки (около 1,6 млн. м3/сут, что при¬
близительно равно 0,01 расхода реки Нил). Принимая за ос¬
нову расчета средние концентрации фосфатов и нитратов в
бытовых сточных водах (Foyn, в сб. [19]), мы получаем, что
ежедневно в прибрежную зону Флориды поступает около
100 т веществ, используемых для удобрения полей. В долго¬
временной перспективе это означает, что такой ежедневный
выброс химикатов эквивалентен общему количеству удобре¬
ний, вносимых ежегодно примерно на 1000 акров обрабаты¬
ваемой земли. За год выбрасывается столько удобрений,
сколько хватило бы на 365 тыс. акров, или 600 кв. миль
(1460 км2). И опять-таки читатель должен иметь в виду, что
это новые питательные вещества, ввозимые, как говорилось
ранее, в приморскую зону из других мест.
Бытовые сточные воды, направляемые по трубам прямо
в море, обычно выбрасываются через серию выпускных со¬
пел, называемых диффузорами (рис. 19.21). Этим способом
обеспечивается достаточное механическое перемешивание
сбрасываемой жидкости, почти всегда менее плотной, чем
морская вода, с окружающей морской водой, в результате
чего смесь становится плотнее, чем вышележащий слой теп¬
лой поверхностной воды. Поэтому расходящиеся струи смеси
сбросовых и морских вод поднимаются не выше плотностно¬
го раздела, приуроченного к термоклину. Таким образом,
сточные воды не достигают поверхности, а прибрежные те¬
чения в конце концов относят их дальше от берега.
Углеводороды (элементы С
матрицы взаимодействия)
В докладе Национальной академии наук США за 1971 г. [20]
обобщены данные о воздействии нефти и других углеводо¬
родов на морскую среду. Читатель может получить некото¬
рое представление об этом, проанализировав табл. 19.6.
Во-первых, естественное просачивание нефти в морские
воды сравнимо по размерам с утечкой в результате просачи¬
вания из морских нефтедобывающих скважин. Во-вторых,
количество нефти, выбрасываемой ежегодно в море в ре¬
Береговая станция
по переработке отходов
параллельные
Канализационная труба с множеством рассеивающих сопел-диффузоров
Рис. 19.21. Выброс жидких отходов в прибрежную часть океана. Рассеивающие трубы расположены ниже
главного плотностного раздела, и сточные воды выбрасываются из них с высокой скоростью, так что они
проникают сразу в большой объем морской воды и смешиваются с ней. Плотность образующейся смеси по¬
лучается такой, что смесь не может подняться выше плотностного раздела и попасть в поверхностный
слой.
Термоклин или галоклин - раздел между верхним и нижним1 слоями
Расходящиеся струи сточных вод
326
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Таблица 19.6. Вовлечение углеводородов в природную среду моря (по
данным из доклада Национальной академии наук США за 1971 г. [20])
Млн.т
в год
Мировое производство нефти (1969 г.) 1820
Перевозка нефти танкерами (1969 г.) 1180
Нефть, попадающая в морскую среду непосред¬
ственно в результате человеческой деятельности
Морская добыча нефти (просачивание из сква¬
жин) 0,1
Танкерные и другие морские перевозки 1,0
Отходы нефтепереработки, промышленные и ав¬
томобильные выбросы 0,8
Умышленный слив 0,5
Аварийные выбросы: крушение танкера «Торри-
Каньон» (0,117), авария буровой скважины на
шельфе у Санта-Барбары (0,011) и др. 0,2
Суммарное попадание нефти в море в результате
человеческой деятельности 2,6
Естественное просачивание нефти в морскую среду 0,1
Атмосферный перенос с материков вследствие ис¬
парения нефтепродуктов 9,0*
* Исходя из оценки, по которой в океан попадает 10% всех углеводородов, содер¬
жащихся в атмосфере (доклад SCEP, 1970).
зультате работы танкеров и других судов, в пять раз боль¬
ше, чем излилось при крушении танкера «Торри-Каньон»
или при аварии морской буровой скважины у Санта-Барба¬
ры, Калифорния. В-третьих, самое большое количество
нефти (0,8 млн. т/год), попадающей в море непосредствен¬
но в результате человеческой деятельности, связано с по¬
вседневной промышленной и экономической деятельностью
в приморской зоне, а также с умышленным сливом нефти и
нефтяных отходов (0,5 млн. т/год). Эти величины склады¬
ваются из множества мелких составляющих, среди кото¬
рых — слив отходов нефтепродуктов в систему канализа¬
ции, утечка при транспортировке и перегрузке, мытье авто¬
сервисных станций и многие другие бытовые и промышлен¬
ные отходы. Но заметьте, что самые значительные случаи
попадания загрязняющих углеводородов в море являются
результатом испарения летучих нефтепродуктов и производ¬
ных от них веществ — таков их косвенный путь от челове¬
ческого общества в океаны.
Нефть попадает в море в ходе танкерных операций, ког¬
да в нефтяные цистерны (танки) закачивается водяной бал¬
ласт, а затем вода выливается за борт, неизбежно захваты¬
вая нефтяную эмульсию. Судостроительная промышлен¬
ность постепенно совершенствует эту процедуру: разраба¬
тывается оборудование, улавливающее нефть и уменьшаю¬
щее, таким образом, загрязнение моря.
Большие научные и технологические исследования на¬
правлены на то, чтобы ослабить эффект локального нефтя¬
ного загрязнения, например в случае аварии танкера. Нефтя¬
ные пленки, появляющиеся в заливах и гаванях, можно те¬
Рис. 19.22. Типовое ограждение, препятствующее распространению нефтяных пятен в гавани.
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
327
перь собирать, расставляя вокруг них пластмассовые ограж¬
дения (рис. 19.22). Пятна, образующиеся в открытом море и
подвергающиеся там действию сильных волн и ветра, быст¬
ро растекаются на большую площадь. При аварии у Санта-
Барбары образовалась нефтяная пленка, распространившая¬
ся на 800 кв. миль (более 2 тыс. км2), но примерно через две
недели она рассосалась — главным образом благодаря жиз¬
недеятельности микроорганизмов. Бактерии играют очень
важную роль в процессе окисления сырой нефти, поэтому в
настоящее время проводятся серьезные исследования по со¬
зданию «супербактерий», которые можно было бы выпус¬
кать на нефтяные пятна, чтобы быстро с ними «расправ¬
ляться». Недавно выяснилось, что важным первым шагом,
способствующим разложению бактериями нефтяных пле¬
нок, является эмульгирование (создание эмульсии) нефти в
воде. Представляется, что лучший способ рассеивать и уда¬
лять нефтяные пятна — собирать как можно больше малых
судов и направлять их строем туда-сюда через пятно: их вин¬
ты создадут эмульсию, в результате чего возникнет благо¬
приятная обстановка для быстрого размножения бактерий.
Твердые отходы (элементы Е
матрицы взаимодействия)
Твердые отходы представлены широким ассортиментом
выбрасываемых материалов — от строительного мусора до
осадка, образующегося на станциях переработки сточных
вод. Фактически первый важный закон, контролирующий
загрязнение, был принят в США в 1899 г. Это «Закон о ре¬
ках и гаванях», принятие которого было вызвано, в частно¬
сти, тем, что затопленный строительный мусор стал пре¬
пятствием для судоходства по морским фарватерам в аква¬
тории Нью-Йоркского порта.
Затопление осадка сточных вод в последние несколько
десятилетий значительно возросло. Этот осадок представ¬
ляет собой смесь жидких и твердых веществ, образующихся
в результате очистки и переработки сточных вод, и его за¬
хоронение вызывает все большее беспокойство. Мы знаем
теперь, насколько много вредных элементов захватывается
частицами такого осадка: сколько, например, ядовитых хи¬
микатов типа ДДТ и ПХБ адсорбируется илом из взвеси в
жидкостях и сколько ионов тяжелых металлов прилипает к
частицам глины. Таким образом, осадок сточных вод — это
поистине концентрат токсичных химических соединений.
Полевые исследования показывают, что осадок, затоплен¬
ный на мелководье шельфа, в течение длительного времени
влияет на окружающее бентосное сообщество. В некоторых
случаях остаточный органический материал в таком осадке
соединяется с растворенным в воде кислородом и поглоща¬
ет его слишком много, создавая проблемы для дыхания
обитающих в море живых существ.
Другая категория твердых отходов — гравий, песок и
глина, драгируемые со дна гаваней и вывозимые для затоп¬
ления в область шельфа. На первый взгляд такой материал
кажется безвредным и неопасным для морской биоты райо¬
нов его затопления. Однако токсичные вещества из быто¬
вых и промышленных стоков, так часто проникающие во
внутренние воды населенных районов суши, адсорбируют¬
ся, как правило, частицами глины и ила и легко концентри¬
руются в тех самых твердых материалах, которые необхо¬
димо удалять драгированием. Затоплять в других местах
поднятые со дна гаваней твердые отходы — значит, просто
переносить загрязняющие вещества чуть дальше от берега.
Драгирование и затопление поднятых со дна осадков также
оказывают непосредственное воздействие на бентосные ор¬
ганизмы — слизевые фильтраторы. Например, илистые сус¬
пензии, турбулентно циркулирующие у дна, могут погубить
местные популяции двустворчатых моллюсков.
Сегодня все аспекты затопления отходов в океане регу¬
лируются в США законом 1972 г. о защите морской среды,
научных исследованиях и заповедных объектах («Закон о
свалках»). Лондонская конвенция 1976 г. по той же пробле¬
ме — международная программа, в рамках которой различные
страны обмениваются данными о затопляемых материалах.
Радиоактивность (элементы F
матрицы взаимодействия)
Радиоактивность — чрезвычайно сложная проблема. Здесь
мы коснемся только двух ее сторон: во-первых, выноса ра¬
диоактивных нуклидов низкого уровня радиоактивности из
многих рассеянных источников и соответствующего вопроса
об отдаленных последствиях такого выноса, а во-вторых,
глубоководного захоронения радиоактивных веществ высо¬
кого уровня, таких как отработанное горючее атомных ре¬
акторов, и консервации самих этих реакторов, выведенных
из эксплуатации.
На рис. 19.23 радиоактивность трактуется как процесс, в
котором изначально нестабильный атом самопроизвольно
отдает часть своей внутренней энергии и в результате этого
приходит к некоторой стабильной атомной структуре. По¬
теря энергии происходит в виде характерной цепи дискрет¬
ных событий; некоторые из них показаны на рисунке для
изначально нестабильного атома урана-238. Число, сопро¬
вождающее название элемента (в данном случае 238), — это
сумма числа протонов и нейтронов в его атомном ядре. По
мере того как атом теряет в процессе распада протоны и
нейтроны, эта сумма уменьшается; в итоге атом с оставши¬
мися в ядре частицами становится уже атомом другого эле¬
мента. Каждый элемент, занимающий какую-то ступеньку в
ряду радиоактивного распада — хотя бы и на очень корот¬
кое время, — называется радионуклидом или радиоактив¬
ным изотопом; каждый из них имеет свой период полурас¬
пада, определяемый как время, в течение которого ровно
половина первоначального числа атомов спонтанно распада¬
ется до следующей ступеньки в последовательности ядер-
ных превращений.
Рис. 19.23 объясняет также, что дискретное выделение
энергии при радиоактивном распаде бывает трех типов: ис¬
пускание а- и 0-частиц и 7-лучей. Самые массивные — а-
частицы; каждая из них фактически представляет собой
ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух ней¬
тронов. Большой размер этих частиц означает, что они про¬
никают в вещество только на небольшое расстояние, а за¬
тем останавливаются (страница этой книги задерживает
большинство «-частиц). Но благодаря своей значительной
массе «-частицы на небольшом расстоянии разрушают
большое число атомов в каждой молекуле — это называет¬
ся «ионизирующей радиацией». Если, например, радиону¬
клид распадается, попав внутрь человеческого тела, то вы¬
брасываемые им «-частицы ионизируют тысячи молекул
живой ткани в малом объеме, и именно это делает «-части¬
цы более опасными для людей, чем все остальные виды ра¬
диации. Бета-частицы — это единичные электроны. Они об¬
ладают высоким ионизационным потенциалом, но их вред¬
ное влияние распределяется в значительно большем объеме,
так как они глубоко проникают в вещество, не теряя энер¬
гии. Гамма-лучи — самый проникающий из всех видов ра¬
диации; для защиты от них нужны свинцовые щиты.
328
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
ЧТО ТАКОЕ РАДИОАКТИВНОСТЬ?
Атомы некоторых элементов нестабильны. Их атомная структура
со временем меняется, и с каждым изменением они теряют часть
внутренней энергии. Именно эта высвобождающаяся энергия губи¬
тельно действует на живые ткани.
Рассмотрим пример, начинающийся с распада нестабильного
изотопа уран-238. Каждые 4,5 млрд, лет ровно половина существу¬
ющих атомов 238 U проходит одну ступень распада вниз по цепи по¬
тери энергии. Энергия теряется тремя способами.
1. Выброс а-частиц. Каждая а-частица отнимает у ядра два
протона и два нейтрона, оставляя в ядре 234 частицы. Такое ядро
считается уже ядром другого элемента — тория-234. Период полу¬
распада 234 Th — всего лишь 24,1 сут.
2. Выброс из ядра 234Th /3-частиц. Бета-частицы — это элек¬
троны высокой энергии; они очень малы по массе, но выбрасыва¬
ются с очень большими скоростями. Потеря одной /3-частицы пре¬
вращает 234 Th в протактиний-234. Число нейтронов и протонов со¬
храняется в нем таким же, как и у 234Th, но ненадолго. За 1,14 мин
половина атомов протактиния выбрасывает по одной /3-частице,
превращаясь в более стабильные изотопы 234 U.
3. Испускание у-лучей. Когда ядра претерпевают структурные
изменения, происходящие путем выброса частиц, такие события
обычно сопровождаются испусканием некоторых количеств энергии
в виде электромагнитных волн, что иначе называется эмиссией фо¬
тонов, радиацией или радиоактивностью, откуда и происходит на¬
звание всего процесса.
Рис. 19.23.
Как оценить ионизирующую радиацию количественно?
Один из способов измерить радиоактивность — установить
число распадов в секунду. Такая единица измерения — один
распад в секунду — называется беккерелем (Бк); 37 млрд,
беккерелей составляют 1 кюри. Теперь можно показать раз¬
личие между радиоактивными отходами с низким и высо¬
ким уровнями радиоактивности.
Отходы с низким уровнем излучают менее 370 Бк на 1 г
массы, а с высоким уровнем — более 37 млрд. Бк а-частиц
(1 кюри) или 3700 млрд. Бк /3-частиц или у-лучей.
Доза облучения для людей. Предельная доза облучения —
это мера биологического поражения, которое может выдер¬
жать человеческое тело. Еще одной широко используемой
характеристикой является летальная доза, вызывающая
смерть у 50% облученных (ЛД/50). Она устанавливается как
5 зивертов (Зв) в год. Для случая поражения /3-частицами
или у-лучами 1 зиверт определяется как доза, получаемая
при поглощении 1 Дж энергии на 1 кг массы тела. Для
а-частиц, наиболее смертоносных, 1 зиверт соответствует
диапазону от 0,1 до 0,05 Дж/кг. Ежегодно каждый из нас
получает около 0,0013 Зв от естественных причин, из кото¬
рых 30% приходится на природные радиоизотопы угле¬
род-14 и калий-40, содержащиеся в нашем теле; еще 0,01 Зв
мы получаем вместе с медикаментами и при лечении зубов.
Всего мы ежегодно получаем около 0,05% смертельной до¬
зы ЛД/50 [22].
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
329
Таблица 19.7. Примеры доз облучения (в единицах, эквивалентных микрозивертам в год) морских пелагических и бентосных видов в прибреж¬
ных водах за счет естественного фона и вследствие радиоактивности ядерных отходов [22]
Источник радиации
На глубине 20 м
На морском дне
фитопланктон
зоопланктон
пелагические рыбы
моллюски
Естественный фон (в водах, свободных от искусственных радионуклидов)
Космические лучи
40
40
40
40
Внутренняя радиоактивность
200—600
200—30 000
100 000—800 000
100 000
Радиоактивность воды
30
20
10
10
Радиоактивность осадков
—
—
—
100—2000
Отходы АЭС в Уиндекейле, Великобритания
Внутренняя радиоактивность
20 000—200 000
50 000—600 000
40—100
1 000—5 000
Радиоактивность воды
20—300
20—300
1—200
4—100
Радиоактивность осадков
—
—
—
3 000—300 0(
Доза облучения для морских организмов. Много исследова¬
ний было посвящено воздействию ионизирующей радиации
на различные морские организмы. Эксперименты проводи¬
лись с использованием больших доз и короткого времени
облучения, а результаты сообщались в виде значений ЛД/50
по конкретным радиоизотопам. Мы знаем теперь, что смер¬
тельная доза для простейших, таких как радиолярии и бак¬
терии, в 100 раз выше, чем для человека, т. е. чем сложнее
организм, тем он чувствительнее к радиационному воздей¬
ствию. Другие исследования показывают, что доза облуче¬
ния, вызывающая смертельное поражение взрослой рыбы,
может быть в 30 раз большей, чем ЛД/50 для такой же ры¬
бы в эмбриональной стадии. Это позволяет заключить, что
радиация оказывает наиболее разрушительное действие на
процесс воспроизводства и что стратегию захоронения ра¬
диоактивных отходов нельзя основывать на сведениях о
влиянии радиации на взрослые организмы!
О воздействии веществ с низким уровнем радиоактив¬
ности, поступающих с атомных электростанций, уже мож¬
но судить благодаря наблюдениям в течение ряда лет за
сбросом отходов Уиндскейлской АЭС в Великобритании.
В табл. 19.7 измеренные дозы облучения как пелагических,
так и бентосных видов, обитающих в Ирландском море воз¬
ле места, куда сбрасываются стоки Уиндскейлской АЭС, со¬
поставляются с облучением подобных организмов в нор¬
мальных природных условиях. Из этих данных можно сде¬
лать некоторые интересные выводы. Во-первых, наиболее
подвержена облучению вследствие естественной радиоак¬
тивности трофическая цепь фитопланктон — зооплан¬
ктон — пелагические рыбы. Это наглядный пример того,
как микроэлементы накапливаются на более высоких трофи¬
ческих уровнях. Естественные радионуклиды представлены
здесь, вероятно, 14С и 40К. Как ни странно, накопление
уиндскейлских искусственных радионуклидов идет от фито¬
планктона к зоопланктону, но не переходит к пелагичес¬
ким видам. Во-вторых, моллюски получают большую часть
своей дозы от радиоактивности осадков, из чего следует,
что уиндскейлский зоопланктон собирает в своих фекаль¬
ных выделениях радионуклиды, непосредственно поступа¬
ющие затем в царство бентоса.
Стратегия контроля за захоронением радиоактивных отхо¬
дов: что важнее — следить за предельно допустимой кон¬
центрацией или путями наиболее прямого попадания радио¬
нуклидов в человеческий организм? Срочное требование об¬
щества к науке о море в настоящее время — точно устано¬
вить предельно допустимую концентрацию (ПДК) ионизи¬
рующего излучения, которую можно безопасно переносить.
В этом отношении регулирование стока радиоактивных при¬
месей проводится для обеспечения безопасности людей, а не
животных. К счастью для морских животных, оказывается,
что если установить приемлемые уровни для безопасности
человека, то автоматически будут защищены и животные,
так как они выдерживают более высокие уровни радиации.
Но, к несчастью, мы не можем точно определить значения
ПДК для длительного воздействия слабого излучения путем
экстраполяции данных о ЛД/50, полученных для высокого
уровня радиации за короткое время. Это чрезвычайно важ¬
ная проблема, и она требует для своего решения чрезвычай¬
но срочных мер.
В некоторых районах используется стратегия контроля,
основанная на выяснении основных путей попадания радио¬
нуклидов в человеческий организм (табл. 19.8), посредством
которых радиационное загрязнение наиболее быстро и ин¬
тенсивно воздействует на людей. Стратегия контроля в
этом случае заключается в установлении множества пище¬
вых и рекреационных связей между людьми и местной при¬
брежной экосистемой и в регулировании захоронения ядер¬
ных отходов, с тем чтобы эти наиболее прямые связи с чело¬
веческими существами приводили к более низким дозам облу¬
чения, чем величина предельно допустимой годовой дозы.
Захоронение сильнорадиоактивных отходов. Беспокойство
по поводу захоронения отходов с высоким уровнем радиоак¬
тивности охватывает все более широкие круги населения.
В наше время главный источник этих отходов — отработан¬
ные стержни ядерного топлива на реакторах АЭС. В
табл. 19.9 перечисляются важнейшие радионуклиды, содер¬
жащиеся в этих отработанных стержнях, и наиболее вероят¬
ные пути их воздействия на человеческое тело. Это интерес¬
ный перечень. Заметим, что самая сильная радиация исхо¬
дит от радионуклидов первой группы с короткими периода¬
ми полураспада — менее 5 лет. Их следует держать (что и
делается) во временных защищенных хранилищах примерно
10 лет, в течение которых будет интенсивно происходить их
распад, а затем их можно будет захоронить как отходы с
низким уровнем радиации. Это не значит, что никакой опас¬
ности они не представляют. На деле радиоизотоп 144Cs ис¬
ключительно опасен, так как он легко вступает в биохими¬
ческие реакции. Однако ни один из таких радионуклидов не
испускает а-частиц; они дают только /3- и 7-излучение.
Ко второй группе относятся изотопы с периодом полу-
330
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Таблица 19.8. Некоторые основные пути попадания и группы населения, подвергающиеся облучению вследствие работы реакторов, при хими¬
ческой переработке радиоактивных веществ и научных исследованиях с радионуклидами (по выборочным данным о прибрежных районах) [29]
Район
Основные пути попадания
Основная группа населения, подвергающаяся
облучению
Ханфорд, шт.Вашингтон
Мясо устриц
Все население побережья
(реакторы, вырабатывающие плутоний)
Уиндскейл, Великобритания
Рыбная пища
Местные рыбаки
(химическая переработка)
Porphyra (морские водоросли)
Отдыхающая публика
Эстуарные осадки
Местные рыбаки
Брадуэлл, Великобритания
Мясо устриц
Сборщики устриц
(реакторы АЭС)
и их семьи
Дандженесс, Великобритания
Рыбная пища
Местные рыбаки и их семьи, искатели
(реакторы АЭС)
Пляжные осадки
приманки
Даунриэй, Великобритания
Мусор на рыболовных снастях
Местные рыбаки
(химическая переработка)
Ла-Аг, Франция
Рыбная пища
Н П
(химическая переработка)
Морские водоросли
Тромбей, Индия
Рыбная пища
п к
(исследования и опытное производство)
Токаймура, Япония
Рыба
н н
(химическая переработка)
Моллюски и ракообразные
Таблица 19.9. Радионуклиды отработанных стержней ядерного топлива АЭС, их радиоактивность и органы человеческого тела, наиболее
подверженные поражению радиацией [22]
Радиону¬
клиды
Период полураспа¬
да, годы
Тип радиа¬
ции
Поражаемые органы
Интенсивность радиации, 1012 Бк
число лет после захоронения
0
10
100
1000
10 000
Группа 1
144Се
0,778
0, у
Кости, желудочно-
78 000
11
—
—
—
10eRu
1,01
3,у
кишечный тракт
(ЖКТ)
ЖКТ
41 000
41
,MCs
2,062
0, у
Все тело
8900
310
—
—
—
,47Pm
2,6234
0, у
ЖКТ, кости
4 100
290
—
—
—
125Sb
2,7
3,у
Почки
480
36
—
—
—
“Co
5,271
0, у
ЖКТ
330
89
—
—
—
Группа 2
85Kr
10,7
0, у
Легкие, все тело
400
220
0,67
—
Зн
12,33
&
Все тело
28
16
0,11
—
—
M1Pu
14,4
а, 0, У
Печень, лимфатические
4 800
2 700
24
—
—
^Cm
18,11
а, у
узлы (Л У)
Кости
72
49
1,4
“Sr
28,8
у
Кости
5 700
4400
490
—
—
137Cs
30,17
0, У
Все тело
7 700
6 100
760
—
—
238Pu
87,74
а, у
Печень, ЛУ
85
78
38
—
—
Группа 3
г4ори
6 570
а, у
Кости, красный кост¬
18
18
18
16
6,3
239Pu
24 100
а, у
ный мозг
То же
12
12
12
12
8,9
распада примерно до 100 лет, и по прошествии 100 лет по¬
сле захоронения они все еще опасны. Некоторые представи¬
тели этой группы испускают и а-частицы, в частности ра¬
диоизотопы плутония; именно это причина того, почему
плутоний так опасен для живых тканей.
Радионуклиды с самыми большими периодами полурас¬
пада относятся к ряду плутония, причем у самого долгожи¬
вущего из них 239Ри этот период равен 24 100 лет. Однако
их уровень активности — самый низкий из всех перечислен¬
ных изотопов.
Что можно сделать с этим опасным мусором? Возмож¬
ностей у нас немного.
1. Можно продолжать накапливать отходы на охраняе¬
мых территориях, как это делается в настоящее время. Хо¬
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
331
тя обеспечение сохранности этих веществ и общественной
безопасности требует больших расходов (составляющих ос¬
новную часть затрат на такое хранение), у этого способа
есть одно преимущество, перевешивающее другие соображе¬
ния. Оно заключается в той идее, что отработанные радио¬
нуклиды сегодня считаются отходами только потому, что
мы не знаем, как их использовать. Оставив их для хранения
еще на 100 лет и предполагая, что технологическое развитие
в будущем не станет менее быстрым, чем в последние сто
лет, мы добьемся того, что у нас под руками окажутся зна¬
чительные запасы радионуклидов. Этот план позволяет из¬
бежать решений, которые могут оказаться необратимыми,
или неразумными, или и тем и другим.
2. Можно изыскать самое тихое место на морском дне и
погружать там отходы в контейнерах глубоко в осадочный
слой. Со временем в результате разрастания морского дна
эти материалы попадут в зону субдукции, и пройдет уже
достаточно большое число периодов полураспада даже для
изотопов ряда плутония, прежде чем они снова перейдут в
земную кору. Когда я пишу это, данная схема находится в
стадии самого активного изучения.
Болезнетворные микроорганизмы (элементы G
матрицы взаимодействия)
Необходимы специальные исследования, чтобы докумен¬
тально зафиксировать встречаемость, продолжительность
действия и число типов вирусов, обнаруживаемых в при¬
брежных водах. Возможно, нам потребуется изучить и вза¬
имодействие между человеческими вирусами и морскими ор¬
ганизмами, а также то, как эти болезнетворные микроорга¬
низмы переносятся через мясо животных, употребляемое в
пищу.
Повышение температуры (элементы Н
матрицы взаимодействия)
В последние годы, когда полная генерируемая мощность од¬
ной электростанции возросла до 1 млн. кВт, потребность
станции в воде для охлаждения часто оказывается выше
расхода небольших местных рек. Поэтому участки для стро¬
ительства электростанций выбирают на берегах океанов: их
охлаждающая способность гораздо выше. Каковы главные
критерии для оценки того воздействия, которое может ока¬
зывать такая станция на местное прибрежное общество?
Прежде всего вспомним, что скорость обмена веществ
растет с температурой, так что вода, нагревшаяся при
охлаждении блоков электростанции, может иметь опреде¬
ленную ценность. Например, такую воду можно подавать
на сельскохозяйственные предприятия, где она ускорит рост
растений и позволит увеличить прибыль. Вдоль береговой
линии, где глубина моря быстро увеличивается, забор хо¬
лодной воды может производиться ниже термоклина, так
что поступающая в море нагретая вода — не только теплая
и благодаря своей пониженной плотности устойчиво распро¬
страняющаяся в верхнем слое, но и богатая питательными
веществами — представляет собой своего рода искусствен¬
ный апвеллинг.
С другой стороны, проходящие вдоль берега течения
всегда в какой-то мере турбулентны, так что сбрасываемая
теплая вода транспортируется в море не по каким-то осо¬
бым каналам, а скорее беспорядочным образом. Поэтому
биологические сообщества в этой области могут поперемен¬
но оказываться то в прохладной воде, то в теплой. В слу¬
чае больших разностей температуры такое чередование для
некоторых морских организмов может оказаться вредным.
В итоге каждый конкретный случай размещения на морском
берегу предприятий, сбрасывающих нагретую воду, должен
изучаться индивидуально.
Энергия моря
После эмбарго на нефть в 1973 г. США начали серьезные
поиски альтернативных способов получения энергии для
промышленности и нужд торговли. Стало неизбежно обра¬
щение к океанам. В табл. 19.10 просто перечислены типы
источников энергии, имеющихся в океанах, количество энер¬
гии для каждого из типов и грубые оценки того, к какому
году технические проблемы извлечения энергии могут быть
решены и когда может начаться производство этой энергии.
Проанализируем вкратце достоинства и недостатки некоторых
способов получения энергии, а более детально рассмотрим
один из них — использование температурных градиентов.
Энергия волн и ветра
Разрабатывать технологию для извлечения волновой энер¬
гии имеет смысл главным образом по двум причинам. Во-
первых, ветровые волны представляют собой кумулятив¬
ный результат действия ветров, дующих над огромными
просторами океанов, т. е. они накапливают рассеянную вет¬
ровую энергию, так что имеет смысл «почерпнуть» из этого
«резервуара». Во-вторых, волны переносят накопленную
энергию непосредственно к берегам густонаселенных при¬
морских территорий, где эта энергия так необходима.
С другой стороны, использование энергии волн и ветра име¬
ет очевидные недостатки. Во-первых, прибрежные флора и
фауна зависят от волновой и ветровой энергии, питающей
процесс перемешивания воды (гл. 18), так что если мы бу¬
дем отбирать эту энергию вблизи побережья, то это окажет
прямое воздействие на данное сообщество. Во-вторых, что¬
бы добиться значительных экономических результатов, при¬
дется разместить как волновые, так и ветровые генераторы
на больших площадях и тем самым создать эстетически не¬
приемлемые изменения морского пейзажа.
Течения и приливы
Популярные технические журналы часто публикуют образ¬
ные представления художников об огромных затопленных
турбинах, поставленных на якорь посреди Гольфстрима и
усердно вращающих генераторы, извлекая тем самым
Таблица 19.10. Типы океанских источников энергии и оценки запасов
мощности, времени возможной разработки технологии для получения
этой энергии и времени, когда можно ожидать начала эксплуатации
океанских электростанций [6]
Источники энергии
Теоретиче¬
ская оценка
запасов
мощности,
млн. МВт
Дата завер¬
шения раз¬
работки
технологии,
год
Дата воз¬
можного на¬
чала эксплуа¬
тации, год
Градиенты температуры
40 000
1990
2010
Градиенты солености
1 400
2000
2050
Биологические превращения
10
1990
2000
Волны и приливы
6
1980
1990
Течения и ветры
25
1990
2000
332
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Рис. 19.24. Как можно было бы получать
электроэнергию, используя разность соле¬
ностей морской и пресной воды. Пресная
вода из искусственного озера диффундирует
через поверхности мембран в морскую во¬
ду, находящуюся по другую сторону мем¬
бран; осмотическое давление достаточно
для понижения уровня озерной воды на
200 м относительно уровня моря и устьев
рек. Чтобы получить экономический эффект
значительного размера, необходимы сотни
квадратных километров поверхности мем¬
бран.
электрическую энергию из самого этого течения. Те из нас,
кто работал в море или оплачивал счета других занимаю¬
щихся этим людей, знают, что все это лишь головокружи¬
тельные мечты. Тем не менее я бывал на некоторых отда¬
ленных островах, где можно использовать мощные прилив¬
ные течения, поставив такие затопленные турбогенераторы.
Один такой пример — проход между Анхель-де-ла-Гуарда и
восточным берегом Нижней Калифорнии, используемый
приливными течениями. Называемый по-испански «Sale Si
Puedes» («Уходи, если можешь!»), этот проход отличается
приливными течениями со скоростью более 2 м/с. Местное
население вполне могло бы избежать больших расходов на
ввоз нефти, направив эти средства на установку в море под¬
ходящего турбогенератора.
Что касается того, чтобы «запрячь» все приливное пере¬
мещение воды в закрытых заливах, то французы в 1966 г.
построили первую крупную и эффективно действующую
установку в устье своей реки Ране (на севере Бретани), где
величина приливов перед плотиной превышает 8 м. Плоти¬
на запирает залив площадью 22 км2; 24 установленные в ней
турбины генерируют более полумиллиарда киловатт-часов
электроэнергии в год, используя около 18% всей энергии
местных приливов. Если сравнивать затраты, то стоимость
энергии на данной приливной электростанции примерно
вдвое больше, чем на обычной речной гидроэлектростанции
с турбинами в теле плотины. Подходящих мест для станций
такого типа мало (некоторые из них показаны на рис. 18.3).
Наиболее тщательно изучена площадка в Северной Америке
— в заливе Пассамакуодди* на границе США и канадской
провинции Новая Шотландия. В этом заливе средняя высо¬
та прилива перед проектируемой плотиной составляет око¬
ло 5,5 м, максимально возможная средняя мощность —
1800 МВт; начиная с 1930-х годов исследования в заливе
проводились несколько раз. Они все еще не завершены.
Общая перспектива развития приливных электростанций
такова: если соорудить их по всему миру, то и тогда они
смогут дать только 1% всей энергии гидроэлектростанций
(Hubbert, 1969). В свою очередь все ГЭС мира обеспечивают
только 6—7% потребления энергии. Таким образом, энер¬
гия приливов составляет лишь незначительную часть миро¬
вой системы энергетики.
* Залив Пассамакуодди — далеко вдающаяся в сушу часть залива
Фанди около устья р. Сент-Крой, на границе между шт. Мэн
(США) и пров. Нью-Брансуик (Канада). — Прим, перев.
Искусственный апвеллинг, биологические
превращения и осмотическое давление
Покойный Джон Айзекс из Института океанографии
Скриппса однажды предложил устанавливать реакторы
АЭС на океанском дне, с тем чтобы тепло от них нагревало
окружающую морскую воду и вызывало ее конвекцию и
подъем на поверхность. При таком искусственном апвел¬
линге богатая питательными веществами придонная вода
стимулировала бы развитие растений. Если этими растения¬
ми окажутся, например, крупные водоросли, их можно бу¬
дет перерабатывать в целый ряд пищевых продуктов и хи¬
микатов, а остатки сжигать для получения дополнительной
энергии.
Айзекс предполагал также, что разность соленостей
морской и пресной воды представляет собой большой по¬
тенциальный источник энергии. Решение проблемы регули¬
рования осмотического давления, упомянутой по отноше¬
нию к морским организмам в гл. 7, также может стать ис¬
точником энергии, если создать большой гидравлический
напор (рис. 19.24). Важнейший элемент в этом процессе —
мембрана, которая могла бы «перекачивать» пресную воду
в морскую, не разрушаясь под большим давлением и не за¬
биваясь обломочным материалом. Табл. 19.10 показывает,
что потенциальные запасы такой энергии огромны, и они
возобновляются непосредственно в ходе гидрологического
цикла испарения воды из морей, образования атмосферных
осадков и речного стока с суши. Но оценка времени, когда
могла бы начаться эксплуатация этого источника энер¬
гии, — 2050 г. — это в лучшем случае просто догадка!
Тепловая энергия в океанах:
«возможное» получение
Из всех потенциальных источников энергии, перечисленных
в табл. 19.10, самым большим является разность темпера¬
тур между теплыми водами верхнего слоя и глубинными
холодными водами. Физику этого громадного резервуара
энергии объяснить легко (рис. 19.25). При разности темпе¬
ратур между глубинными и поверхностными водами 15° С
и удельной теплоемкости воды 1 кал/(г • °C) (табл. 6.1) пол¬
ная тепловая энергия, «запасенная» в каждом кубическом
метре верхнего слоя воды, составляет — относительно низ¬
котемпературного нижнего слоя — 15 млн. кал, или около
60 млн. Дж. Если высвободить эту энергию в течение одной
секунды, то генерируемая мощность составит 60 млн. Дж/с,
или 60 МВт. Рассмотрим этот факт с другой точки зрения:
извлечение (теоретически) всей энергии, содержащейся в
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
333
Теплый куб, расположенный у поверхности, содержит воду с тем¬
пературой, на 15 °C более высокой, чем у холодного куба, находя¬
щегося ниже постоянного термоклина. Поэтому каждый грамм по¬
верхностной воды несет тепловой энергии на 15 кал больше, чем
грамм более холодной глубинной воды. Поскольку каждый кубо¬
метр воды содержит 1 000 000 г, то соответственно тепловая энер¬
гия, которую потенциально можно получить из каждого 1 м3 хо¬
лодной воды, поднятой на поверхность, составляет 15 000 000 кал.
Рис. 19.25. Разность содержаний тепловой энергии в 1 м3 поверх¬
ностной воды с температурой 20 °C и глубинной воды с температу¬
рой 5 °C.
морской воде, при скорости пропускания воды через гене¬
ратор 20 м3/с равнозначно работе современной атомной
электростанции мощностью 1200 МВт! Как просто объяс¬
няется громадная теоретическая величина энергетичес¬
кого потенциала температурных градиентов, приведенная в
табл. 19.10!
Но в действительности проект преобразования тепловой
энергии океана ОТЕС (Ocean Thermal Energy Conversion) —
это нечто другое. Проблема получения полезной энергии со¬
стоит в том, что мы не можем разработать для проекта
ОТЕС генератор с коэффициентом полезного действия выше
2—3%, так как разность температур входящей и выходящей
морской воды может быть всего 20 °C или около того. Сле¬
довательно, для того чтобы, как ранее говорилось, установ¬
ка ОТЕС имела такую же мощность, что и у атомных стан¬
ций — 1200 МВт,— она должна перекачивать каждую се¬
кунду 1000м3 морской воды! Для сравнения напомним, что,
как указано в табл. 18.1, средний расход реки Нил составля¬
ет 1583 м3/с. Поистине развитие проекта ОТЕС лимитиро¬
вано жесткими рамками.
Установка ОТЕС должна перемещать огромные коли¬
чества воды. На рис. 19.26 показана схема одного из вари¬
антов такой установки. Независимо от конкретных особен¬
ностей конструкции ее главным элементом будет длинная
труба большого диаметра, которая должна уходить в глу¬
бину на несколько сотен метров, чтобы засасывать оттуда
громадные объемы холодной глубинной воды. Холодная
вода поднимается насосами к поверхности, где образует
«холодный» конец системы циркуляции рабочего флюида;
теплая поверхностная морская вода закачивается в том же
объеме и создает «горячий» конец системы. Рабочий флю¬
ид — обычно это аммиак — заставляют циркулировать
внутри этой системы: на горячем конце он испаряется, об¬
разуя газ высокого давления, а на холодном — конденсиру¬
ется, создавая вакуум. Циркулирующий газ переносит энер¬
гию к турбине, а та вращает генератор.
Может показаться, что трудности перекачки таких боль¬
ших объемов воды, не говоря уже о трудностях установки
такой громадной трубы и поддержания ее в рабочем состоя¬
нии, не позволят системе ОТЕС стать выгодным способом
получения энергии из моря. Однако у нас есть веские причи¬
ны продолжать разработку этого проекта. Одна из них со¬
стоит в том, что огромные акватории, где разность темпе¬
ратур между поверхностью и глубинами порядка 1000 м со¬
ставляет 20 °C и больше, занимают весь центральный пояс
Мирового океана (рис. 19.27). В пределах этого пояса нахо¬
дятся сотни мест сосредоточения населения, где проект
ОТЕС мог бы значительно уменьшить зависимость людей
от дорогого импорта ископаемого топлива*. Поскольку од¬
ним из побочных продуктов установок ОТЕС будет пресная
вода, тысячи тихоокеанских островов, ныне необитаемых,
стали бы пригодными для жизни.
Однако имеется еще одно побочное следствие работы
установок ОТЕС, еще более соблазнительное и стимулирую¬
щее развитие этого проекта. Поднимаемая насосами холод¬
ная глубинная вода обогащена питательными вещества¬
ми — это своего рода крупный апвеллинг. Поэтому работе
станций ОТЕС может сопутствовать интенсивное развитие
марикультуры в крупных масштабах. И наконец, не менее
важно то, что вода, выбрасываемая этими станциями, бу¬
дет все еще весьма холодной по сравнению с температурой
воздуха в субтропиках и тропиках. Охлаждение воды вдоль
побережья будет полезно для других сфер деятельности на¬
селения.
Заключение
«Декларацией Рейгана», обнародованной в 1983 г., США за¬
явили свои претензии на 200-мильную исключительную эко¬
номическую зону, в которой они, согласно этому заявле¬
нию, имеют все права на возобновляемые ресурсы водного
царства и на невозобновляемые ресурсы морского дна и его
недр. В то же время США принимают на себя ответствен¬
ность за правильное использование всех возобновляемых ре¬
сурсов в пределах этой зоны, а следовательно, они должны:
1) проводить все научные исследования, необходимые для
* К апрелю 1986 г. цена сырой нефти упала до одной трети от той,
которая существовала, когда я писал первый вариант рукописи. Но
не стоит впадать в ошибку: разность температур между верхним и
нижним слоями океана всегда будет в наличии и, вероятно, будет
интенсивно использоваться еще долгое время после того, как наши
потомки сожгут последнюю каплю доступной им нефти.
334
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Рис. 19.26. Одна из возможных кон¬
струкций «установки по преобразо¬
ванию тепловой энергии океана»
(ОТЕС). Этот тип конверсионной
электростанции должен сооружаться
в тех районах океана, где впускную
трубу можно погрузить достаточно
глубоко в слой холодной воды, так
чтобы глубинная вода была по мень¬
шей мере на 15 °C холоднее, чем по¬
верхностная вода этого района.
Рабочий цикл: жидкий аммиак пре¬
вращается в газ в испарителе Е (на
теплой стороне системы), газ дости¬
гает высокого давления и проходит
через турбину Т, после чего конден¬
сируется в холодильнике С (на хо¬
лодной стороне). Турбина вращает
генератор электроэнергии G и насос
забора холодной воды Р.
60°
0°
60°
120°
180°
120°
60°
Рис. 19.27. Расположение акваторий, где разность температур между поверхностью и 1000-м глубиной отвечает требованиям работы
установок ОТЕС (по данным Национального центра океанографических данных США).
ГЛАВА 19. МОРЕ И ЧЕЛОВЕК
335
понимания процессов в морской биосфере и всех ее пищевых
цепях; 2) признавать рыболовные конвенции, заключаемые
для сохранения мигрирующих видов; 3) охранять морские
организмы, которым угрожает опасность.
Размещение районов рыболовства значительно измени¬
лось во всем мире в связи с признанием необходимости ЭЗ.
Главные страны, ведущие лов рыбы в отдаленных водах
(Япония, СССР, Южная Корея и Испания), теперь должны
заключать взаимовыгодные соглашения с приморскими
странами, иначе они не смогут пользоваться их ресурсами.
Страны, которые раньше никогда не занимались рыбо¬
ловством дальше нескольких километров от берега, теперь
начинают активно разрабатывать богатства своих ЭЗ и про¬
водить соответствующие морские исследования. Смутно
вырисовывается перспектива добычи криля в антарктичес¬
ких водах, что сулит удвоение нынешней ежегодной продук¬
ции рыболовства. Значение продуктов аквакультуры будет и
дальше возрастать во всем мире, а концепция выкармлива¬
ния рыбного «стада» на «пастбищах» открытого океана
быстро находит сторонников среди тех, кто ведет промысел
лососевых.
Разработка ресурсов морского дна уже стала предметом
заботы государств, большинство которых лишено назем¬
ных запасов одного или нескольких стратегически важных
металлов, таких как кобальт, марганец или медь. Всего лет
15 назад мы столкнулись с унылой перспективой нехватки
минеральных ресурсов, которые всегда считались достаточ¬
ными, но сегодня наши наземные запасы богатых руд желе¬
за, никеля и драгоценных металлов уже сильно истощены.
Недавние открытия залежей железомарганцевых конкреций
на подводном плато Блейк у берегов Флориды, рудных ко¬
рок на многих тихоокеанских подводных горах и полиметал¬
лических сульфидных залежей в рифтовых зонах — и все
это в пределах 200-мильной экономической зоны США —
снова поставили американскую промышленность на надеж¬
ную основу обеспечения собственным сырьем.
Нет сейчас более серьезной проблемы, чем загрязнение
наших прибрежных вод. И вовсе не нефть — не транспорти¬
ровка нефтепродуктов и не добыча углеводородов из мор¬
ских месторождений — обусловливает серьезность этой
проблемы. Самое большое беспокойство у нас вызывает за¬
грязнение Мирового океана ядовитыми химикатами, и хуже
всего то, что многие морские организмы «накапливают» в
себе массу разных микроэлементов. Многие микроэлемен¬
ты, содержащиеся в прибрежных водах, токсичны. Мы дол¬
жны в буквальном смысле сегодня направить усилия на кар¬
динальное решение этой проблемы.
Наша взаимосвязь с морем обусловлена и потенциальной
возможностью получать из него энергию. Из многих пред¬
ложенных проектов только один привлекает сегодня к себе
пристальное внимание. Это проект преобразования тепло¬
вой энергии океана. Его разработка сулит одновременное
развитие аквакультуры на базе искусственного апвеллинга и
полезные результаты от охлаждения прибрежных вод и воз¬
духа в субтропических широтах.
Контрольные вопросы
Морское право
1. В целом насколько большую новую площадь приобре¬
тают США, вводя особую экономическую зону (ЭЗ)?
2. Каковы права и обязанности прибрежного государства
по отношению к его ЭЗ?
3. В общей сложности на какую величину сокращается
площадь «свободного океана», если вычесть экономические
зоны всех приморских государств?
4. Объясните вкратце мотивы, по которым США отка¬
зываются ратифицировать Конвенцию по морскому праву.
5. В чем состоят права и обязанности прибрежного госу¬
дарства в организации морских научных экспедиций?
6. Согласны ли вы с «требованием» Договора по мор¬
скому праву, гласящим, что прибрежное государство дол¬
жно либо само разрабатывать свои рыбные ресурсы, либо
разрешать (давать лицензии) другим государствам делать
это?
7. В самом практическом смысле морское право требует
теперь, чтобы каждое прибрежное государство имело экс¬
пертов высокого класса по разным аспектам науки о море.
Верно ли это утверждение? Согласны ли вы с такой поста¬
новкой вопроса?
Разработка живых ресурсов
8. Какие страны получают наибольшую выгоду от рыбо¬
ловства? На чем основано мнение о том, что появление
морского права было следствием советских исследований
1950-х годов в области рыболовства?
9. Где главные отрасли рыбного хозяйства еще недоста¬
точно развиты?
10. Попросту говоря, что больше всего мешает прибреж¬
ному государству заниматься рыбным промыслом в преде¬
лах своей ЭЗ?
11. Какая страна имеет в своей рыбной продукции наи¬
больший процент продуктов аквакультуры?
12. Какова примерно доля импорта в рыбном потребле¬
нии США? Считаете ли вы, что импортируются главным
образом замороженные пищевые продукты?
13. В чем различие между «пастбищным» рыбным хо¬
зяйством и рыбной марикультурой? Между марикультурой
и аквакультурой?
Разработка полезных ископаемых морского дна
14. Какие минералы будут скорее всего добываться со
дна океанов в ближайшие 50 лет и для каких целей?
15. Конкреции, кобальтовые корки и сульфидные залежи
— все они встречаются в определенных местах или имеют
определенный способ образования. Объясните это. Какой
тип руд формируется быстрее других?
16. Какую коммерческую ценность имеют залежи фосфо¬
ритов? Правда ли, что эти залежи обычно находятся в теп¬
лых и чистых океанских водах?
17. Где и как откладываются кобальтовые корки? Какие
трудности в их добыче вы предвидите?
18. Где и как образуются полиметаллические сульфиды?
Какие трудности вы предвидите в их добыче?
19. Встречаются ли полиметаллические сульфиды только
вблизи активных гидротермальных подводных источников
или же они широко распространены на океаническом дне?
Если верно второе, почему их нельзя разрабатывать где
угодно и особенно вблизи континентальной окраины, чтобы
снизить транспортные расходы?
Воздействие человеческого общества на океан
20. Поскольку большинство из нас живет не далее 500 км
от морского побережья, практически все, что мы изготавли¬
ваем или выбрасываем, каким-то образом влияет на при¬
336
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
брежную зону океана. Но каковы доводы в пользу того, что
даже то, что делается во внутренних районах США, далеко
отстоящих от побережья, также оказывает воздействие на
прибрежные воды?
21. Матрица табл. 19.4 суммирует экологическое воздей¬
ствие определенных загрязняющих веществ на небольшой
ряд в высшей степени обобщенных характеристик среды.
Возьмите хотя бы одно из семи названий столбцов и раз¬
верните его в перечень более частных параметров, характе¬
ра влияний и т. д. Например, название столбца «Воздейст¬
вие загрязнения на важнейшие процессы в органическом ми¬
ре» можно сразу же подразделить на «хорошие воздейст¬
вия» и «плохие воздействия».
22. Определите, что означает название одного из столб¬
цов табл. 19.5: «Коэффициент обогащения в организмах
морских моллюсков».
23. Порассуждайте о типах и источниках загрязняющих
веществ, попадающих в океан посредством атмосферного
переноса.
24. Какие составляющие циркуляции морской воды —
вертикальная, горизонтальная или та и другая — должны
приниматься во внимание при проектировании приемлемой
системы выброса в море сточных вод от приморского круп¬
ного города?
25. Как вы объясните то, что перевозка нефти танкерами
и другие судовые операции — единственный крупнейший ис¬
точник нефти, попадающей в морскую среду (как это пока¬
зано в табл. 19.6), но аварии танкеров, приводящие к обра¬
зованию пленок разлившейся нефти, составляют только пя¬
тую часть этого количества?
26. Каково соотношение между выбросами нефти при
авариях танкеров, промышленными отходами и судовыми
операциями, с одной стороны, и поступлением углеводоро¬
дов в океан через атмосферу — с другой?
27. Уменьшилось ли в мире использование ДДТ после
опубликования книги Рейчел Карсон «Безмолвная весна»
(Rachel Carson. «The Silent Spring»)?
28. Почему радионуклиды потенциально опасны для
жизни?
29. Какие из трех видов радиации наиболее опасны для
жизни людей? Почему?
30. Каковы аргументы против того, чтобы устанавли¬
вать предельные дозы радиоактивного облучения на основе
данных о воздействии на взрослый организм?
31. Опишите принципы захоронения радиоактивных от¬
ходов, при которых определяются предельно допустимая
концентрация или основные пути попадания.
32. Руководствуясь табл. 19.9, определите, какие радио¬
нуклиды, содержащиеся в отработанных стержнях ядерного
топлива атомных электростанций, «наиболее опасны».
33. Напишите очерк об использовании глубоководного
морского дна как места захоронения радиоактивных отходов.
Энергия моря
34. Сопоставьте три «источника» энергии, которую мож¬
но получить из моря и запасы которой наиболее велики.
35. Почему же первая промышленная установка, получа¬
ющая энергию из моря, использует энергию приливов, наи¬
менее мощный источник из перечисленных в табл. 19.10?
36. Типичная аудитория или учебный класс имеют 10 м в
ширину, 10 м в длину и 3 м в высоту; объем этого знакомо¬
го нам помещения составляет 300 м3. Сколько таких классов
надо наполнить водой и освободить за одну секунду: поло¬
вину — водой с температурой 5 °C, поднятой из океана
(скажем, у острова Пуэрто-Рико) с 1000-м глубины, а дру¬
гую половину — поверхностной водой с температурой
25 °C, — чтобы разность значений тепловой энергии, содер¬
жащейся в разных водах, соответствовала мощности
1000 МВт, производимой одним блоком современной атом¬
ной электростанции?
ГЛАВА 20
ПОЛЯРНЫЕ ОКЕАНЫ
Полярные океаны — весьма своеобразная часть Мирового океана.
Они бывают «твердыми» (покрытыми льдом) и «жидкими», влия¬
ние морского льда в сочетании со слабым солнечным нагревом де¬
лает экосистемы полярных океанов чрезвычайно специфическими.
В полярных океанах — северном и южном — есть для нас.
особая привлекательность. Я думаю, в значительной степе¬
ни это обусловлено тем, что экспедиции, открывшие поляр¬
ные океаны, работали совсем недавно, и мы можем своими
глазами увидеть тех людей, которые «пересекли» их впервые.
Для океанологов полярные исследования привлекатель¬
ны также новыми вопросами, которые можно поставить.
Как присутствие твердого ледяного покрова над океаном
изменяет взаимодействие между океаном и атмосферой?
Как рыбы и морские млекопитающие приспосабливаются к
окружающей среде, когда температура соленой воды стано¬
вится ниже точки замерзания жидкостей, содержащихся в их
теле? Почему воды под паковыми льдами в Антарктиде
изобилуют жизнью, тогда как океанские воды под похожи¬
ми паковыми льдами в Арктике почти бесплодны? Почему
полярные регионы столь засушливы и представляют собой
по существу полупустыни в замороженном состоянии?
Это сложный регион. Говорят, что в эскимосском языке
есть больше 60 различных слов для описания разных типов
льда. Очевидно, лед в естественном состоянии имеет много
разных, возможно, тонких особенностей; как известно, лед,
образовавшийся из морской воды, значительно отличается
от пресноводного льда. Мы увидим, что все эти различия
существенно влияют на поведение океанских экосистем.
Что представляют собой
полярные океаны?
Вначале нужно определить, что мы подразумеваем под по¬
лярными океанами. Что они собой представляют и одина¬
ковы ли все полярные океаны?
Северный полярный океан
На картографической проекции, приведенной на рис. 20.1,
показан район нашей планеты, окружающий Северный по¬
люс. Северный полярный круг на широте 66,5° обычно при¬
нимают за южную границу так называемого Северного Ле¬
довитого океана, но никакого особого региона с таким на¬
званием в Мировом океане не существует. Вместо этого мы
обнаруживаем последовательность морей, располагающихся
по внешнему краю центрального полярного бассейна, начи¬
ная от Гренландии к востоку: Гренландское море, Норвеж¬
ское море, Баренцево море, Карское море, море Лаптевых,
Восточно-Сибирское море, Чукотское море и море Бофорта.
ГЛАВА 20. ПОЛЯРНЫЕ ОКЕАНЫ
337
Баренцево
Ледовитый!
Берингово
Чукотское*
океан
Исландия
Бофорта
пролив
•Лабрадор
100°
1°
Восток
0°
Запад
Море
Баффина
Восточно-
Сибирское
море /
Гудзонов
залив
Карское
Лаптевых
Шпицберген.
• Норвежское'
• море
—Гренландское
море ,»L Фарерские
Рис. 20.1. Северный Ледовитый
океан с окраинными морями. Пунк¬
тирными линиями оконтурены обла¬
сти глубин более 1000 м. Заметим,
что собственно бассейн Северного
Ледовитого океана занимает область
вокруг полюса приблизительно до
80-й параллели. У берегов Сибири и
Норвегии располагаются обширные
мелководные моря. Единственное
глубоководное соединение между
бассейном Северного Ледовитого
океана и другими океанскими бассей¬
нами — сравнительно узкий пролив
между Гренландией и Шпицберге¬
ном.
Все они, за исключением морей Бофорта и Норвежского,
мелководные — их глубина меньше 500 м.
На севере термин «полярный океан» сохраняется для об¬
ласти вокруг самого полюса. Его границы более или менее
совпадают с параллелью 80° с.ш. и с краями глубоководной
системы Арктического бассейна (котловин Амундсена и Ма¬
карова. — Перев.), за исключением той части бассейна, на¬
зываемой Канадской котловиной, которая образует дно мо¬
ря Бофорта. На рис. 20.2 показан интересный вид всего
Арктического бассейна. На физиографической карте выделя¬
ется несколько более мелких впадин, разделенных такими
структурами океанического дна, как хребты Нансена, Альфа
и Ломоносова. Хребет Нансена фактически представляет со¬
бой продолжение Срединно-Атлантического хребта —
рифтовой зоны активного разрастания морского дна — в
системе бассейна Северного Ледовитого океана.
В этой главе название «Северный Ледовитый океан»
обозначает как собственно полярный океан, так и несколько
морей, его окружающих. Около половины всей площади по¬
верхности Земли к северу от Северного полярного круга,
т. е. около 9 млн.км2, занято океаном; для сравнения ука¬
жем, что Средиземное и Черное моря вместе занимают пло¬
щадь около 3 млн. км2.
Южный полярный океан
Напротив, почти вся площадь в пределах Южного полярно¬
го круга (66,5° ю.ш.) занята континентом — Антарктидой.
Несколько океанских акваторий, расположенных к югу от
этой широты, называются, как и в Арктике, морями. На
рис. 20.3 показаны моря Амундсена, Беллинсгаузена и Уэд¬
делла.
По существу Антарктического океана нет. Просто океан¬
ские воды, которые окружают Антарктиду и ее моря, назва¬
ли Южным океаном. Но в отличие от Северного Ледовито¬
го океана, который на большей своей части ограничен су¬
шей, северная граница Южного океана представляет собой
специфическую особенность самого океана — резкое измене¬
ние температуры поверхностных вод. Эта особенность на¬
зывается Антарктической конвергенцией и, как показано на
рис. 20.3, располагается вокруг южного региона. Ее называ¬
ют также Полярным фронтом, так как она отмечает пере¬
ход от холодной субантарктической поверхностной воды к
гораздо более теплым поверхностным водам Южной Ат¬
лантики, южной части Тихого океана и водным массам
центральной части Индийского океана. Кроме того, ото¬
шлем читателя к рис. 9.6, где этот фронт обозначен буквой
Р (Полярный фронт). Читатель может обратиться и к дру¬
гому месту в книге — к рис. 11.1, на котором показаны ос¬
новные поверхностные течения в океанах земного шара:
здесь положение Полярного фронта совпадает с северной
границей Антарктического циркумполярного течения.
Итак, основные особенности Южного океана таковы: он
ограничен зоной Антарктической конвергенции, и в нем раз¬
вито Антарктическое циркумполярное течение. Площадь
Южного океана примерно в четыре раза больше, чем Север¬
ного Ледовитого, и равна приблизительно 34 млн.км2.
Рис. 20.2. Физиографическая схема дна Северного Ледовитого оке¬
ана [2]. Ясно видна большая ширина шельфа у берегов Сибири, ме¬
стами достигающая 1000 км. Показаны хребет Ломоносова и хреб¬
ты (кордильеры) Нансена и Альфа. Хребет Ломоносова отличается
от двух других тем, что не представляет собой рифт, где происхо¬
дит разрастание океанического дна; полагают, что это скорее ре¬
ликт континентальной литосферы, очень похожий на Чукотское
поднятие.
Фильхнера
ТЭймери
100°
о. Кэмпбелл
/ Море
/Уэдделла
Южные
п/жпам
ь Z Георгия ЧСаНДВИ,еВЫ
Фолклендские •*) \ ог
Море
0Скоша^>’
Море
Росса
.шельф, ледн.
Росса. •
Рис. 20.3. Южный океан вокруг Ан¬
тарктиды на севере ограничен зоной
Антарктической конвергенции — хо¬
рошо выраженной фронтальной зо¬
ной, возникшей там, где теплые
центральные поверхностные воды
встречаются с холодными полярны¬
ми поверхностными водами. Кроме
того, этот фронт представляет собой
северную границу Антарктического
циркумполярного течения. Хотя он
показан здесь в виде плавной линии,
на самом деле Полярный фронт
весьма извилист и положение его из¬
менчиво.
180°
'о. Южная
ТБеллюк
• гаузена
о. Маккуори
ГЛАВА 20. ПОЛЯРНЫЕ ОКЕАНЫ
339
Почему и чем полярные океаны отличаются
от других океанов
Океаны высоких широт сильно отличаются от океанов уме¬
ренных и низких широт с точки зрения как физики, так и
биологии. Сначала мы рассмотрим физические аспекты, а
затем — вопросы биологии и экосистемы.
Географические и геологические отличия
Если не считать географической уникальности полярных
океанов, заключающейся в том, что один из них (Северный
Ледовитый) расположен вокруг полюса, а другой — вокруг
полярного континента (Южный океан), в форме и батимет¬
рии полярных океанских бассейнов нет почти ничего особен¬
ного. Для Северного Ледовитого океана (рис. 20.2) харак¬
терны обширные шельфы, континентальные склоны и под¬
ножия, а также обычные абиссальные равнины. Бассейн
Южного океана тоже имеет обычное строение, но есть од¬
но важное исключение. Шельфы на окраинах Антарктиды
уходят на значительно большую глубину, чем большин¬
ство шельфов в других местах: средние глубины на пере¬
гибах шельфа Антарктиды составляют 600 м, тогда как
средняя для Мирового океана глубина кромки шельфа рав¬
на 135 м.
Это различие объясняют по-разному. Согласно одной ги¬
потезе, в течение тех эпох, когда уровень моря был намного
ниже (рис. 4.12, г), айсберги соскоблили с шельфа много ма¬
териала; по другой гипотезе весь континент, включая шель¬
фовые окраины, опустился под тяжестью льда.
Отличия в характере влияния температуры
на плотность морской воды
Поверхностные воды полярных океанов круглый год нахо¬
дятся при температуре, близкой к точке замерзания, частич¬
но из-за незначительного сезонного прогрева солнечными
лучами, а частично из-за обширного развития паковых
льдов. Поскольку коэффициент теплового расширения воды
при низких температурах очень мал (см. приложение 2),
плотность холодной воды совершенно нечувствительна к из¬
менениям температуры.
Графическое объяснение этого явления приведено на
рис. 9.1. Посмотрите на два разных типа воды, обозначен¬
ные точками А (типичные арктические поверхностные во¬
ды) и В (типичные субтропические поверхностные воды).
Температура воды типа А равна -0,6 °C, а соленость
ЗО,7%о. Вблизи точки А изолинии плотности почти верти¬
кальны, а значит, плотность мало меняется с температурой.
Например, около точки А изменению температуры на
3,8 °C вдоль жирной вертикальной линии соответствует из¬
менение условной плотности на 0,2 at, вокруг точки В такое
изменение плотности происходит при изменении температу¬
ры всего на 0,8 °C.
Таким образом, изменение плотности воды в полярных
океанах представляет собой функцию солености. Кроме то¬
го, как видно на рис. 9.1, изменение плотности воды в зави¬
симости от солености в точках А и В почти одинаково, от¬
сюда мы делаем вывод, что существует почти прямая зави¬
симость плотности воды от концентрации растворенных в
ней солей (в приложении 2 эта зависимость описана функ¬
цией 0), не связанная с тем, холодная это вода или теплая.
Отличия в плотностном расслоении океана
в зависимости от притока пресной воды
Как говорилось в предыдущих главах, соленость поверх¬
ностных вод в низких и средних широтах определяется при¬
током пресной воды через поверхность раздела вода — воз¬
дух, т. е. разностью между испарением воды Е и выпадени¬
ем осадков Р. Однако в полярных океанах такой зависимо¬
сти нет, особенно в Северном Ледовитом океане. Это со¬
ображение играет ключевую роль в нашей главе о полярных
океанах.
Сначала рассмотрим глобальное распределение притока
пресной воды из атмосферы на поверхность Земли — в оке¬
аны и на сушу. На рис. 20.4, а построены кривые изменения
величины Р — Е (выпадение осадков минус испарение) для
всего земного шара, разделенного на широтные полосы ши¬
риной по 5°. Большое превышение дождевых осадков над
испарением отмечено в полосе 5—10° с.ш.; сравните это с
описанием Внутритропической зоны конвергенции, которая
показана на приведенной ранее карте (рис. 7.4) солености
поверхностного слоя воды в океанах земного шара. Полосы
сильного превышения испарения наблюдаются на широтах
20—30° в Северном и Южном полушариях — это зоны так
называемых Центральных вод с высокой соленостью по¬
верхностного слоя. Затем вблизи Северного и Южного по¬
лярного круга, примерно в районе 50—60° северной и юж¬
ной широты, в водном балансе снова доминирует выпаде¬
ние осадков. Между этими зонами преобладающего выпаде¬
ния осадков и преобладающего испарения должна находить¬
ся зона, где выпадение осадков равно испарению, т. е.
Р — Е = 0. Такая зона нулевого обмена водой между мо¬
рем и атмосферой располагается на широте около 40° как в
Северном, так и в Южном полушарии*.
Далее, сравним приведенное только что распределение
параметра Р — Е с графиком изменения солености по всей
планете (рис. 20.4, б) вдоль профиля, идущего от Северного
полюса через Северный Ледовитый океан, вдоль осевой зо¬
ны Северной и Южной Атлантики до Антарктиды. В зоне
между Северным и Южным полярным кругом соленость об¬
ратно пропорциональна разности Р — Е; там, где преобла¬
дает выпадение осадков, соленость поверхностного слоя во¬
ды ниже, и наоборот. Важные исключения из правила об¬
ратной зависимости составляют области, расположенные в
направлении полюсов от полярных кругов. В пределах Се¬
верного Ледовитого океана соленость поверхностных вод
почти совсем не зависит от величины Р — Е.
Одна из причин того, что параметр Р — Е не контроли¬
рует соленость поверхностных вод в полярных океанах, за¬
ключается просто в том, что здесь выпадает очень мало
осадков! Обе полярные зоны представляют собой пустыни,
дождя и снега вместе здесь выпадает в среднем не больше
100 мм/год, т. е. столько же, сколько во время одного по¬
слеполуденного ливня в Коста-Рике!
* Пусть читатель сравнит это описание с данными, приведенными
на рис. 6.4. 40-е широты — это, помимо всего прочего, приблизи¬
тельно та зона, где поступающее на Землю солнечное излучение
равно излучению, уходящему назад в космическое пространство
(рис. 6.4, а); кроме того, здесь отмечается и наибольший горизон¬
тальный поток тепла, направленный к полюсам (рис. 6.4, б). Все
это имеет свой смысл: массы воды, испарившейся в зоне от 40-й
параллели до Внутритропической зоны конвергенции, должны пере¬
носиться в направлении полюсов, чтобы уравновесить преобладаю¬
щее в высоких широтах выпадение осадков.
340
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Рис. 20.4. Тесная корреляция между преобладающим выпадением
осадков или испарением и соленостью поверхностного слоя воды
на профиле, проходящем вдоль меридиана от Северного до Южно¬
го полюса, (а) Кроме узкой зоны избыточного выпадения осадков
у экватора, низкие широты характеризуются преобладанием испа¬
рения; на более высоких широтах (севернее 40° с.ш. и южнее
40°ю.ш.) преобладают осадки, (б) Зоны наибольшей солености кор¬
релируют с зонами сильного испарения.
ГЛАВА 20. ПОЛЯРНЫЕ ОКЕАНЫ
341
Тогда почему же соленость поверхностных вод в Север¬
ном Ледовитом океане столь низка? Существуют две причи¬
ны: во-первых, большой приток речных вод Сибири и Кана¬
ды и, во-вторых, очень слабая связь бассейна Северного Ле¬
довитого океана с другими океанами. Только между Грен¬
ландией и Шпицбергеном имеется глубокий пролив
(рис. 20.1), который соединяет Северный Ледовитый океан с
Северной Атлантикой. Таким образом, поскольку воды Се¬
верного Ледовитого океана только в ограниченной мере мо¬
гут смешиваться с водными массами других океанов, соле¬
ность поверхностного слоя благодаря высокой интенсивно¬
сти речного стока может оставаться весьма низкой. Следо¬
вательно, существует большая разность плотностей между
более легким и менее соленым слоем поверхностных вод и
более солеными глубинными водами, поступающими в этот
бассейн из Северной Атлантики. Это плотностное расслое¬
ние определяет системы течений в Северном Ледовитом
океане и контролирует мощность сплошных паковых льдов,
в значит, и альбедо и поглощение солнечной энергии, т. е.
определяет роль Северного Ледовитого океана в изменении
климата Земли. Подробнее об этом будет сказано позже.
Перемешивающее действие Антарктического
циркумполярного течения
В противоположность Северному Ледовитому океану соле¬
ность поверхностных вод Южного океана довольно посто¬
янна (рис. 20.4, 6), даже несмотря на то, что общее выпаде¬
ние осадков в пределах Южного полярного круга примерно
вдвое больше. Более того, сток пресной воды с Антарктиды
почти так же велик, как речной сток в Северный Ледовитый
океан. Тот факт, что эта пресная вода поступает в виде
шельфовых льдов и айсбергов, не играет роли, поскольку
лед в конце концов тает на поверхности воды. Почему же
тогда соленость поверхностных вод Южного океана не ста¬
новится низкой и, значит, толща океанских вод не так резко
стратифицирована, как в Северном Ледовитом океане? Дело
в значительно большем перемешивании, которое происхо¬
дит между Южным океаном и окружающими его водными
массами.
Один из механизмов, посредством которого осуществля¬
ется перемешивание, — Антарктическое циркумполярное те¬
чение. Вызываемое сильными западными ветрами в полосе
от 45 до 60° ю.ш., это «кругосветное» течение пересекает
все крупные океаны: Атлантический, Тихий и Индийский
(рис. 11.1). Это течение не только приносит воды в Южный
океан и выносит их из него по горизонтали, но и перемеши¬
вает воду на всех уровнях от поверхности до самого дна. На
рис. 11.3 показано, что это течение проходит как на глуби¬
не, так и вблизи поверхности и, следовательно, должно яв¬
ляться механизмом, обеспечивающим взаимодействие по¬
верхностной и глубинной систем циркуляции. На рис. 9.4
видно, что Антарктическая циркумполярная вода представ¬
ляет собой некий «центр», с которым связаны крупные вод¬
ные массы во всех океанах. То, что мы называем его «вели¬
ким связующим течением», — не пустая метафора.
Удаление соли из кристаллизующейся
морской воды: «Гигантская антарктическая
ледовая машина перемешивания»
Самый удивительный из механизмов перемешивания обус¬
ловлен замерзанием морской воды. Лед — это вода в кри¬
сталлической форме. Лед, образовавшийся из пресной воды,
бывает прозрачным, почти как стекло, чуть голубоватого
цвета. Но из морской воды образуется совсем другой лед:
масса пластинок и мелких кристаллов, беспорядочно соеди¬
ненных вместе, с карманами, содержащими, как в ловушке,
жидкую фазу, соленость которой гораздо выше, чем у мате¬
ринской морской воды, — это почти рассол. С течением
времени карманы с рассолом перемещаются вниз внутри
массы льда и в конце концов выходят из слоя льда через его
подошву, оставляя за собой значительно более однородную
кристаллическую структуру. Фактически при таянии одно¬
летнего морского льда образуется вода, вполне пригодная
для питья, но недавно замерзший морской лед еще сохраня¬
ет около 5%о морских солей. Однако здесь нас больше инте¬
ресует судьба других 25—ЗО%о солей, которые сразу же уда¬
ляются из вновь образующегося льда.
В серии схем, изображенных на рис. 20.5, показано, что
может происходить. Сначала полярный океан отдает тепло
в атмосферу и на его поверхности образуется перемешан¬
ный слой с температурой, близкой к точке замерзания
(рис. 20.5, а). Следовательно, дальнейшая потеря тепла вы¬
зовет формирование льда (рис. 20.5, б) и заставит выделив¬
шийся рассол перемещаться в процессе конвекции вниз в ви¬
де множества мелких струй, которые смешиваются с остав¬
шимся поверхностным слоем жидкости; по мере того, как
при образовании нового льда добавляется все больше соли,
плотность этой жидкости увеличивается. В конце концов
(рис. 20.5, в) сохранившаяся поверхностная жидкость может
стать достаточно плотной, чтобы прорваться через стаби¬
лизирующий слой в более глубокие слои воды. Именно это
и происходит в окружающих Антарктиду морях во время
формирования Антарктической придонной воды. Эта вод¬
ная масса создает течение, направленное к северу.
Далее, условие неразрывности требует, чтобы жидкость,
уходящая из Антарктического региона в виде придонной во¬
ды, замещалась другой (рис. 20.5, г). Компенсационное те¬
чение проходит на средних глубинах и образуется за счет
нисходящих потоков (даунвеллинга) у берегов Гренландии;
эти водные массы текут на юг в виде Северо-Атлантической
глубинной воды (рис. 9.6) и через сотни лет всплывают на
поверхность в Южном океане, создавая богатый питатель¬
ными веществами апвеллинг. Именно этот апвеллинг обус¬
ловливает огромную биологическую продуктивность Южно¬
го океана.
Однако существует еще один эффект. Когда морской лед
(рис. 20.5, д) на следующее лето тает, поверхностный слой
воды разбавляется, точно так же как и в результате выпаде¬
ния осадков или речного стока. Эта менее плотная холодная
вода также вытесняется из Антарктики на север. Условие
неразрывности требует, чтобы это удаление воды было вос¬
полнено за счет притока — опять же на средних глубинах,
т. е. за счет Северо-Атлантической глубинной воды. Таким
образом, под влиянием морского льда возникает апвеллинг
как зимой, когда лед образуется, так и летом, когда он тает.
Только что приведенное описание процессов замерзания
и таяния льда является основанием для использования тер¬
мина антарктическая ледовая машина перемешивания, но
почему ее называют «гигантской»? Ответ таков: ежегодное
образование и таяние морского льда захватывает огромные
области земного шара. Проиллюстрируем это картами,
приведенными на рис. 20.6. Представлены полярные стерео¬
графические проекции, на которых показано распростране¬
ние покрова морских льдов в Южном океане летом (23 фев¬
раля 1984 г.) и зимой (23 августа 1984 г.). Цифры в разных
местах на этих картах обозначают, в какой степени паковый
лед «сомкнут», т. е. какая часть площади покрыта льдом.
Например, цифры 5—7 означают, что паковым льдом по-
342
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Зимнее охлаждение
(тепловой поток)
Начало
перемешивания
происходит
при температуре
замерзания
Плотность р,
>'Ь|>//»РЛи//и1к//л‘///1 vn р//(|771ПЧ7//Щ17Л п’//л
(в)
(а)
Плотность р,
1
1
1
- 1 1 1 1 1 1
1
1
1
1
-
-
-
Когда уплотненная
вода из верхнего слоя
преодолевает расслоение,
происходит отток воды
с большей плотностью
вдоль дна,
Дальнейшая
потеря тепла
Г77ТПП77П77ГГПГ
САГВ
Струи более
соленой воды
уходят вниз,
плотность
перемешанного
слоя
увеличивается
Плотность р,
вызывая
встречный
поток САГВ
в Антарктический
регион
(г)
Летом вода,
образующаяся
при таянии льда,
растекается
вдоль поверхности,
что также вызывает
встречное течение
на средних глубинах
извне в этот регион
(д)
Рис. 20.5. Иллюстрация к вопросу о том, как вертикальная циркуляция, вызванная образованием и таянием льда вокруг Антарктиды, по¬
полняет поверхностный слой подъемом воды со средних глубин. Источником ее служит Северо-Атлантическая глубинная вода (САГВ).
крыто от 50 до 70% данной площади. Зимой почти все море
на 90—100% занято паковым льдом, т. е. лед почти полно¬
стью покрывает море. Летом кромка льда отступает к по¬
люсу, море становится «открытым».
Выразим изменение площади распространения морского
льда летом и зимой в других цифрах: зимой покров паково¬
го льда в Южном полушарии занимает около 8% общей
площади, а летом он сокращается примерно до 1%. В абсо¬
лютных значениях площадь изменяется на очень большую
величину — примерно 18 млн. км2. Для сравнения представь¬
те себе площадь Северной Атлантики между Американским
континентом и Европой и Африкой: от южного окончания
Флориды около 25° с.ш. до оконечности острова Нью-Фа-
ундленд в районе 45° с.ш. Такая площадь зимой эпизодиче¬
ски покрывается льдом толщиной 1 м, но совершенно сво¬
бодна ото льда летом. Ясно, что потенциальное влияние
этой особенности Северной Атлантики на зимы Северного
полушария должно быть огромным. Не менее важна она и
для погоды и климата Южного полушария и также оказыва¬
ет «гигантское» влияние на крупномасштабную циркуляцию
океанских вод, описанную раньше. Отсюда метафора —
«гигантская ледовая машина перемешивания».
Создает ли морской лед Северного Ледовитого океана
подобные движущие силы? Вообще говоря, да, но этот от-
ГЛАВА 20. ПОЛЯРНЫЕ ОКЕАНЫ
343
Полярный океанографический центр ВМС
14авг. 84 г. 74°25*ю.ш./051°45,з.д.
16авг. 84 г. 74°00' ю.ш./169°00' з.д.
13 авг. 84 г. 66°45г ю.ш./62°3(У в.д.
Северная граница льда
23 августа 1984 г.
Площадь концентрации льда (в десятых долях)
Ледяной припай: морской лед, который
формируется и остается припаянным к берегу
Граница льда, наблюдаемая непосредственно
или со спутников
Кромка льда
Полярный океанографический центр ВМС
Северная граница льда
23 февраля 1984 г.
(^ 2) Площадь концентрации льда (в десятых долях)
Ледяной припай: морской лед, который
формируется и остается припаянным к берегу
Граница льда, наблюдаемая непосредственно
или со спутников
А-19 01 февр. 84 г.
в-2
В-4 20 февр. 84 г.
С-2 19 февр. 84 г.
72° ю.ш./59°30'з.д.
01 февр. 84 г. 76°17' ю.ш./161°00' з.д.
74° ю.ш./40° з.д.
67°10,ю.ш./79°30гв.д.
• Наблюдавшиеся айсберги с длинными осями более
15 мор. миль Размеры,
№ Дата Положение мор, мили
17x12
10x20
04 х 18
08x20
Рис. 20.6. Самые северные границы распространения пакового льда в Южном океане в конце лета (февраль) и конце зимы (август) [12].
•
0) в-2
•
л Наблюдавшиеся айсберги с длинными осями более
15 мор. миль Размеры
Дата Положение мор, мили
13x18
10x20
08x20
23 февраля 1984 г. Площадь, покрытая паковым льдом, сейчас (в
конце лета) минимальна. Морской путь на станцию Мак-Мердо
(США) открыт для судоходства без помощи ледоколов. Однако в
море Уэдделла преобладающие поверхностные ветры и течения
прижимают довольно плотный паковый лед к Антарктическому по¬
луострову, из-за чего этот участок океана является наименее изу¬
ченным на земном шаре. Вокруг континента остается небольшой
ледяной припай.
23 августа 1984 г. Морской лед в момент наибольшего зимнего
распространения: паковый лед повсюду очень плотный, открытой
воды меньше 10%. Никакие корабли не могут пробиться через этот
лед к станциям на берегу, воздушное сообщение осложняется силь¬
ными зимними штормами — это сезон «зимовки» для участников
антарктических экспедиций. Обратите внимание на то, что с февра¬
ля айсберг С-2 переместился примерно на 800 км к западу вдоль бе¬
рега. Огромный ледяной припай окружает континент.
344
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Океанология через дырку во льду! Большая часть того, что мы
знаем о Северном Ледовитом океане, получена в результате опуска¬
ния приборов в отверстия, проделанные в ледяных полях.
Рис. 20.7. Северные полярные области, покрытые паковым льдом
летом (в августе) и зимой (в феврале). По крайней мере какую-то
часть лета континентальные окраины в основном свободны ото
льда. Область высоких широт к северу и северо-востоку от Норве¬
гии, свободная ото льда в течение всего года,— это путь, по кото¬
рому в бассейн Северного Ледовитого океана входят теплые по¬
верхностные воды Северо-Атлантического дрейфового течения [14].
вет необходимо пояснить. Во-первых, годовое изменение
покрытой льдом поверхности намного — возможно, в че¬
тыре раза — меньше, чем в антарктических морях. Во-вто¬
рых, лед постоянно покрывает центральные воды Северно¬
го Ледовитого океана. На рис. 20.7 показано и то и другое.
В-третьих, сезонное образование и таяние льда происходят
главным образом на мелководье.
Полярные океаны с точки зрения
биологии и экосистем
В предыдущем разделе перечислен ряд причин, по которым
процессы в Северном Ледовитом и Южном океанах отлича¬
ются от процессов в других океанах и по которым они так
несхожи между собой. И те и другие отличия — важнейшие
условия для возникновения форм жизни в полярных океа¬
нах, а происходящие там физические процессы создают ос¬
нову для изучения их биологии и экосистем. Прежде чем
приступить к изучению данных вопросов, сделаем обзор
этих различий и процессов.
1. Полярная океанология возникла относительно недавно
и менее развита, чем наука об океанах умеренных и тропи¬
ческих широт. В значительной мере это обусловлено удален¬
ным географическим положением и большой стоимостью
экспедиций в высокие широты. Наша база данных для обо¬
их полярных океанов скудна. Сведения о Северном Ледови¬
том океане редки из-за того, что постоянный ледяной по¬
кров в центральной части бассейна не пропускает никакие
исследовательские суда, кроме ледоколов. Об антарктичес¬
ких морях известно очень мало из-за их удаленности и высо¬
кой стоимости перевозок и снабжения. Кроме того, ста¬
раться получить какие-либо данные зимой — значит подвер¬
гать судно опасности вмерзнуть в паковый лед и быть раз¬
давленным льдинами, когда зимние штормы взламывают
ледяные поля.
2. Поскольку влияние температуры на плотность холод¬
ной воды ничтожно по сравнению с влиянием солености,
процессы, контролирующие приток пресной воды в поляр¬
ные океаны, определяют также их циркуляцию, особенно в
Северном Ледовитом океане.
3. Особый характер удаления ионов растворенных солей
из кристаллической структуры воды в твердом состоянии —
физическая основа для огромного влияния сезонного замер¬
зания и таяния морского льда на циркуляцию воды в океа¬
нах, особенно в Южном океане.
4. Северный Ледовитый и Южный океаны сообщаются с
другими океанами совершенно по-разному: Северный Ледови¬
ГЛАВА 20. ПОЛЯРНЫЕ ОКЕАНЫ
345
тый океан изолирован, соединяется на большой глубине толь¬
ко с Атлантикой и лишь через один пролив между Шпицберге¬
ном и Гренландией; воды Южного океана с его Циркумполяр¬
ным течением смешиваются с водами всех крупных океаниче¬
ских бассейнов и на всех уровнях — от поверхности до глубо¬
ководных абиссальных впадин.
5. Важное значение имеет разная стратификация вод Се¬
верного Ледовитого и Южного океанов по вертикали. Воды
Северного Ледовитого океана резко расслоены, при этом в
поверхностном слое воды поступление питательных ве¬
ществ из более глубоких слоев ограничено, и поэтому пер¬
вичная продукция в нем мала. Южный океан не имеет чет¬
кой стратификации, в нем происходит апвеллинг больших
масс воды, питательные вещества в эвфотической зоне прак¬
тически не ограничены и первичная продукция велика.
И следствием этих различий являются две главные сто¬
роны жизни в полярных океанах: почти полное отсутствие
видообразования в Северном Ледовитом океане и громадная
биологическая продуктивность в Южном океане.
Слабое видообразование
в Северном Ледовитом океане
Одна из самых странных и удивительных особенностей жиз¬
ни в полярных океанах — несомненно, малое число видов
как растений, так и животных по сравнению с гораздо боль¬
шим разнообразием видов в морях умеренных и тропичес¬
ких широт. Нигде это не носит столь поразительного харак¬
тера, как в Северном Ледовитом океане. Отрывок из рабо¬
ты Данбара [4] очень хорошо характеризует ситуацию в Се¬
верном Ледовитом океане.
«Бедность фауны и флоры Арктики хорошо известна. Напри¬
мер, здесь обитает, вероятно, всего 25—30 видов рыб, которые
принадлежат именно водам Северного Ледовитого океана (из ты¬
сяч видов, относящихся ко всем океанам), из морских планктонных
копепод (1500 видов во всех океанах) в Северном Ледовитом океане
встречается лишь около 40 видов, из хетогнат (всего в Мировом
океане известно свыше 30 видов) в Арктике обнаружено только два
вида, а примерно из 85 известных видов эвфаузиид в субарктичес¬
ких водах (например, в Баренцевом море) найдено четыре и ни од¬
ного — в арктических (полярных) водах.
Для четырех групп шельфового бентоса (ракообразные, игло¬
кожие, моллюски и полихеты) характерно уменьшение числа видов
с приближением к арктическим условиям. Отсюда следует, что ма¬
лое разнообразие видов характерно для всей фауны Северного Ле¬
довитого океана».
Пока мы не изучим экосистему Северного Ледовитого
океана достаточно хорошо, чтобы объяснить вопрос видо¬
образования, мы не поймем как следует никакой экосисте¬
мы. Был предложен целый ряд факторов в качестве «при¬
чин того, почему» в Северном Ледовитом океане так мало
видов.
Низкий уровень первичной продукции. Низкие значения пер¬
вичной продукции, полученные в центральной части Север¬
ного Ледовитого океана, резко отличаются от более высо¬
кой продуктивности некоторых субарктических морей (та¬
ких, как Берингово море) и Южного океана. Например, Дан¬
бар [4] указывает для первичной продукции центральных
вод Северного Ледовитого океана величину 0,6 г С/(м2-год);
сравните ее с такими значениями, как 0,63 г С/(м2-сут) для
центральной части Берингова моря [7], 1 г С/(м2-сут) в мо¬
ре Уэдделла в Антарктике или с величиной 300 г С/(м2-год),
приведенной в табл. 1.2 для областей апвеллинга в целом.
Обратите внимание на единицы времени в этих данных о
продукции — год и сутки. Дело в том, что ученые просто
не в состоянии проникнуть в Берингово море или в море
Уэдделла в зимнее время, поэтому мы не можем вычислить
для них годовое среднее значение. В противоположность
этому в центральной части Северного Ледовитого океана на
льдинах были организованы дрейфующие станции с науч¬
ным персоналом, работающим круглый год, научно-иссле¬
довательские рейсы в районы апвеллинга также проводятся
круглогодично.
Одна из причин такой низкой продуктивности вод Север¬
ного Ледовитого океана состоит, вероятно, в сильном плот¬
ностном расслоении воды, препятствующем перемешива¬
нию с более глубокими водами, что снижает пополнение по¬
верхностной эвфотической зоны питательными веществами.
И, как говорилось раньше, такое резкое расслоение воды в
значительной мере обусловлено обильным речным стоком в
этот бассейн, ограниченным перемешиванием с водами со¬
седних океанов и процессом образования и таяния морского
льда, который заставляет соли перемещаться в толще воды
вниз.
Другая причина — задерживание света самим ледяным
покровом. На фотографии пакового льда (рис. 20.8) видно,
что белый, покрытый снегом лед сильно отражает солнеч¬
ное излучение. Открытые воды, где поглощается бдльшая
часть солнечных лучей, имеют почти черный цвет, но на та¬
кие щели в перемещаемом ветром подвижном паковом льду
приходится лишь 10% площади поверхности многолетнего
ледяного покрова. Интенсивность света в воде непосредст¬
венно под плавучим льдом составляет лишь небольшую
часть интенсивности света, падающего на поверхность льда.
Рис. 20.8. Сделанная с воздуха фотография многолетнего пакового
льда в Северном Ледовитом океане. Льдины часто имеют ромби¬
ческую форму. Длина зияющих трещин, называемых «проходами»,
здесь равна в среднем 1 км.
346
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
О Продолжитель¬
ность дня
V Копеподы
Водоросли,
С обитающие Фитопланктон
во льду
Бокоплавы Медузы
Бентосные
микроводоросли
Рис. 20.9. Годовые циклы обитающих во
льду водорослей, фитопланктона и микро¬
скопических бентосных водорослей в при¬
брежной зоне моря Бофорта. На этой ши¬
роте (около 70°с.ш.) в ноябре и декабре нет
прямого солнечного освещения, а в мае,
июне и июле продолжительность светлого
времени суток составляет 24 ч. К концу мая
снежный покров со льда стаивает и к эпон-
тическим водорослям поступает гораздо
больше света, после чего начинается их
«цветение». В течение июля паковый лед
начинает таять, становится тоньше и разру¬
шается, пропуская больше света в толщу
воды. Начинается «цветение» фитопланкто¬
на, но его продуктивный период чрезвычай¬
но краток. Изображенные здесь похожие на
креветок организмы — это бокоплавы; по¬
казаны также копеподы из рода Calanus [8].
Под лед, покрытый снежным чехлом, проникает, вероятно,
менее 1% света, достигающего поверхности, и после таяния
снега это значение возрастает до нескольких процентов. Таким
образом, ледяной покров резко ограничивает необходимое для
фотосинтеза освещение в находящихся под ним водах.
Еще одно условие, влияющее на величину первичной про¬
дукции в покрытых льдом водах, — время массового раз¬
множения («цветения») фитопланктона. В средних широтах
оно начинается в конце марта, в то время года, когда быст¬
ро увеличивается продолжительность дня. Однако в высо¬
ких широтах солнце не поднимается высоко над горизон¬
том. Вместе с ледяным покровом это задерживает начало
«цветения». На рис. 20.9 показано, как оба этих условия
действуют вместе в прибрежных зонах моря Бофорта;
взрывной рост фитопланктона начинается только в июле, по¬
сле того как ледяной покров в значительной степени растает.
Еще одна особенность роста растений в покрытых
льдом морях (рис. 20.9) — удивительная способность водо¬
рослей развиваться внутри самого льда. Эти водоросли на¬
звали эпонтическими, что означает «растущие вне воды»,
хотя, строго говоря, они все же живут в воде, несмотря на
то что находятся внутри льда. «Цветение» этих водорослей
начинается в апреле и достигает максимума, когда стаивает
снежный покров, приблизительно 1 июня. По мере таяния
льда водоросли попадают в воду. Сообщества эпонтических
водорослей представлены главным образом пеннатными
диатомеями и микрофлагеллятами, последние имеют разме¬
ры примерно 6 мкм.
Эпонтические водоросли могут составлять до 25% пер¬
вичной продукции. Но как они растут во льду и как могут
способствовать питанию растительноядных и животных бо¬
лее высоких трофических уровней, если они закованы в лед?
Ответы на эти вопросы все еще не найдены, но известно,
что нижняя сторона пакового льда — это не твердая по¬
верхность, а скорее похожее на губку скопление пластинок
льда, перемешанных с жидкостью. Эпонтические водоросли
обитают внутри такого слоя на поверхностях раздела льда
и жидкости. Здесь они осуществляют газообмен и получают
питательные вещества из жидкой воды, точно так же как
любой фитопланктон. Некоторые водоросли оказываются в
ловушках (карманах) вместе с рассолами во время быстрого
замерзания воды и могут жить таким образом долгое время.
Эпонтическими водорослями питаются главным образом
бокоплавы (амфиподы). По форме они напоминают эвфау-
зиид (рис. 20.9), а размеры их достигают нескольких санти¬
метров. Как-то я сидел у края отверстия, вырубленного во
льду, с опущенной в воду под лед электрической лампочкой,
которая освещала его нижнюю поверхность, и наблюдал,
как вдоль этой поверхности носятся бокоплавы. В водах Се¬
верного Ледовитого океана видов этих животных больше,
чем планктонных копепод, что наводит на мысль о важной
роли обитающих во льду водорослей для арктической эко¬
системы. Более высокоорганизованные животные — рыбы,
которые питаются амфиподами, а также птицы — пред¬
ставляют собой часть этой экосистемы. Нижняя поверх¬
ность льда становится своего рода «перевернутым» суб¬
стратом, относительно твердым, на котором развивается
особое сообщество организмов.
Очень короткий сезон продуктивности. Из рис. 20.9 мы де¬
лаем вывод, что фаза высокой продукции в годовом цикле
Северного Ледовитого океана весьма коротка по сравнению
с циклом, изображенным на рис. 12.4 для океанов умерен¬
ных широт. Это должно оказывать сильное влияние на жиз¬
ненные циклы растительноядных: им может не хватать вре¬
мени, чтобы вырасти до половозрелого состояния за один
сезон, и совпадение во времени личиночных стадий с доста¬
точным количеством пищи может представлять проблему.
Например, продолжительность жизни крупных копепод в
Северном Ледовитом океане составляет по крайней мере
один год, и, возможно, такая особенность развилась именно
в этой экосистеме для того, чтобы воспроизводство по¬
томства в начале второго года совпадало с новым периодом
максимума продукции фитопланктона.
Продолжительный жизненный цикл у растительноядных
видов приводит к тому, что внутри экосистемы запасается
больше энергии, следовательно, существующая в каждый
момент наличная биомасса растительноядных сравнительно
велика. Отчасти по этой причине субарктические моря, та¬
кие как Берингово, необычайно богаты рыбой. В субаркти¬
ческих широтах паковый лед летом тает быстрее, а период
образования первичной продукции продолжается несколько
дольше, чем в Центральной Арктике, но тем не менее ее из¬
менения чрезвычайно резки. Из-за того что воды Берингова
ГЛАВА 20. ПОЛЯРНЫЕ ОКЕАНЫ
347
моря расслоены слабо, в результате вертикального переме¬
шивания в эвфотическую зону поступает огромное количе¬
ство питательных веществ. Поэтому мы обнаруживаем
здесь крупные скопления нескольких видов рыб: например,
палтуса, минтая и камбалы. В Атлантике Северное и Грен¬
ландское моря и море Лабрадор богаты также треской и
сельдью. В этих широтах водится мало видов рыб, но их
популяции имеют огромную биомассу — условия, идеаль¬
ные для промыслового рыболовства. В противоположность
этому экосистему тропического океана мы должны были
бы описать как систему, в которой физические условия круг¬
лый год весьма однообразны, жизненные циклы организмов
короче, энергия передается через пищевые сети быстро, —
следовательно, наличная биомасса меньше и промысловое
рыболовство ограничено.
Мы можем продвинуться в своих рассуждениях еще на
один шаг. У арктических копепод развился продолжитель¬
ный жизненный цикл для того, чтобы «приурочить» перио¬
ды размножения к коротким сезонам «цветения» растений,
но, кроме того, им должно быть выгодно увеличить коли¬
чество икры и личинок, производимых за один период раз¬
множения. Тенденция арктических копепод и бокоплавов
увеличиваться в размерах свидетельствует о том, что это
им необходимо, поскольку число икринок, производимых
особью, экспоненциально возрастает с увеличением ее раз¬
меров. Размеры взрослой особи антарктического вида
Euphausia superba достигают примерно 5 см, хотя это все
еще в основном растительноядное животное. Отсюда следу¬
ет, что число видов в развивающемся арктическом сооб¬
ществе должно оставаться низким из-за сильной конкурен¬
ции среди личинок разных видов при ограниченных ресурсах
растительной пищи.
Низкотемпературные воды. Мы знаем, что активность теп-
ловодных организмов замедляется, когда они попадают в
более холодную воду. Но было бы ошибкой переносить эту
тенденцию на животных, обитающих в полярных океанах с
температурой, близкой к точке замерзания воды. Для рыбы
так же важно обладать способностью «двигаться быстро»,
чтобы схватить жертву, в холодной воде, как и в теплой.
Развившиеся в процессе эволюции преимущества быстроты
столь важны для выживания видов, что и в полярных океа¬
нах этот принцип должен быть применим. Нам известно
также, что различные ферменты, используемые в процессах
обмена веществ, действуют в разной степени, так что орга¬
низм, развившийся в пределах арктической экосистемы,
может иметь такую же скорость обмена веществ, что и ор¬
ганизм, развивавшийся в низких широтах, просто в резуль¬
тате выбора фермента. Короче говоря, суровость арктичес¬
кого климата не позволяет объяснить ни скудное видообра¬
зование, ни низкую первичную продукцию.
Но суровые арктические условия, вероятно, влияют на
структуру сообщества организмов в Северном Ледовитом
океане. Среди хищников, находящихся на верхних уровнях
пищевой цепи, многие виды — теплокровные животные:
тюлени, выдры, киты, птицы и медведи. То, что организ¬
мы, способные регулировать температуру тела, настолько
преобладают в полярных океанах, удивительно само по се¬
бе; подробнее мы расскажем об этом позднее.
«Возраст» экосистемы Северного Ледовитого океана. Об¬
ширные моря Арктики мелководны, глубина Берингова про¬
лива тоже невелика — около 50 м. Поэтому понижение
уровня моря примерно на 150 м в плейстоценовый пери¬
од — около 40 тыс. лет назад (рис. 4.12, г) — привело к
осушению огромных площадей Арктического бассейна. Во¬
ды Северного Ледовитого океана были изолированы как от
Тихого океана, так и от теплых вод Гольфстрима, которые
в настоящее время переносят тепло в Баренцево море. Топо¬
графически Северный Ледовитый океан превратился в глу¬
бокий океанический бассейн практически без всякого шельфа
и, подобно современному Средиземному морю, стал соеди¬
няться с Мировым океаном лишь одним узким проливом.
Такие изменения топографии и циркуляции вместе с из¬
менением температуры должны были оказать сильное влия¬
ние на структуру сообществ живых организмов в Северном
Ледовитом океане. На этом основано мнение о том, что
слабое видообразование современного Ледовитого океана
отражает его экологическую «молодость», т. е. здесь про¬
сто не прошло достаточно времени для того, чтобы в эко¬
системе развились и заполнились потенциальные «экологи¬
ческие ниши». Сторонники этой гипотезы указывают на
большее разнообразие видов в антарктических морях, по¬
скольку уже при 600-м глубине понижение уровня моря все¬
го на 150 м должно было слабо сказаться на условиях жиз¬
ни на шельфах Антарктиды, следовательно, здесь воздейст¬
вие на сообщество живых организмов, вероятно, было не¬
значительным. Этот вопрос еще изучается.
Проблема отбора проб. Некоторые ученые считают, что
современное, кажущееся скудным видообразование во флоре
и фауне Северного Ледовитого океана главным образом яв¬
ляется результатом недостаточно полного опробования.
Чем больше исследований проводится, тем большее число
видов становится известно, и очевидно, что степень опробо¬
вания сообществ Северного Ледовитого океана гораздо
меньше, чем, скажем, сообществ Северной Атлантики меж¬
ду Вудс-Холом, шт. Массачусетс, и Бермудскими острова¬
ми. Следовательно, вопрос остается открытым и может
быть разрешен только по прошествии времени. Каким бы
ни был результат, несомненно, что экосистема Северного
Ледовитого океана — единственная в своем роде.
Высокая продукция Южного океана
Как центральная часть Северного Ледовитого океана отли¬
чается своей низкой продукцией, так Южный океан знаме¬
нит своей очень высокой продукцией. Особого упоминания
заслуживают две особенности экосистемы Южного океана:
его своеобразные трофические цепи и обеспечивающие их
уникальные физические условия. На рис. 20.10 показаны в
упрощенном виде главные звенья пищевых цепей. Заметим,
что число трофических уровней между первичными проду¬
центами и хищником, стоящим на верхнем уровне, невели¬
ко: всего два для синего кита, тюленя-крабоеда, пингвина
Адели и большинства летающих птиц. Другие тюлени, им¬
ператорские пингвины и крупные рыбы находятся только на
три уровня выше первичных продуцентов. В значительной
степени принятая в руководствах классификация Южного
океана как региона, «богатого морскими ресурсами», исхо¬
дит из того, что короткие прямые пищевые цепи позволяют
экосистеме накапливать огромную биомассу на высоких
трофических уровнях. Поскольку животные этих уровней
имеют также высокую коммерческую стоимость и благода¬
ря своим размерам хорошо видны, богатство фауны здесь
более явное, чем в других океанах.
Первичная продукция. Современные оценки величины расти¬
тельной продукции Южного океана сильно не отличаются
от оценок для других океанов. Были опубликованы раз лич-
348
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Солнечная энергия
Рис. 20.10. Главные звенья пищевых цепей
в Южном океане [10].
Синий кит
Поморник
X
/
\
\
\
1
/
/
У
Мелкая рыба
Кальмары А"
Императорский пингвин ^ ** -* **
-*■
- |
/I
I
I
*
x'l
I
I
4
I
I
/
/
/
Тюлень-крабоед
Пингвин Адели
Летающие птицы
Крупная рыба
Тюлень Уэдделла
Тюлень Росса
ные значения, но важно иметь в виду, что все они получены
по данным ограниченного опробования этого отдаленного
океана. По сравнению с ним опробование первичной продук¬
ции в арктических водах было гораздо более представитель¬
ным, а для антарктических вод практически не получено ни
одной пробы первичной продукции в зимний период. Дают¬
ся оценки порядка 100 г С/(м3-год), эквивалентные значени¬
ям из табл. 1.2 для прибрежных океанских вод в целом.
Существуют два условия, о которых следует помнить,
сравнивая продуктивность Южного океана и других вод.
Прежде всего, количественные измерения содержания пита¬
тельных веществ на больших площадях в периоды весенних
и летних максимумов продукции показывают, что нитраты
обычно присутствуют в избытке, иначе говоря, в этих водах
истощение питательных веществ не является лимитирую¬
щим фактором. Сравните это с тем, что изображено на
рис. 8.6, где содержание нитратов в водах Орегонского ап¬
веллинга велико, но дальше от берега запасы нитратов
практически полностью истощаются к середине лета. Имен¬
но мощный апвеллинг поддерживает в Южном океане такие
высокие концентрации питательных веществ в течение всего
года. Но в отличие от Орегонского апвеллинга, на широтах
55—70° в Южном полушарии света, необходимого для фо¬
тосинтеза, существенно меньше. Другое условие — выеда¬
ние водорослей крилем, в результате чего новая продукция
быстро удаляется.
ГЛАВА 20. ПОЛЯРНЫЕ ОКЕАНЫ
349
Феномен криля. Над всем остальным растительноядным
планктоном Южного океана преобладает вид Euphausia su¬
perba, показанный на рис. 20.10. Взрослые особи достигают
в длину 5 см, из-за своих крупных размеров они становятся
лакомой добычей для многих хищников верхних трофичес¬
ких уровней от птиц до крупных тюленей и, конечно, для
гладких китов. В то же время вид Е. superba обладает при¬
способлениями для захвата, которые дают ему возмож¬
ность питаться микроскопическими диатомеями. На
рис. 20.11, а приведена микрофотография игл и фильтрую¬
щих щетинок его шестой ноги, а на рис. 20.11, б показано
содержимое желудка одной из особей Е. superba. На обеих
фотографиях длина черных полосок (слева внизу) составляет
100 мкм. Щетинки образуют сеть со средним размером
ячейки около 7 мкм — этого более чем достаточно, чтобы
захватывать диатомеи размером 10—80 мкм, как это видно
на рис. 20.11, б.
В пределах антарктической экосистемы вид Е. superba
заменяет по крайней мере один, а возможно, и два трофи¬
ческих уровня, которые обычно присутствуют в водах цент¬
ральных и низких широт. Трофический уровень копепод яв¬
но отсутствует в Антарктике. Хетогнаты, которые пита¬
ются копеподами в водах умеренных широт и во взрослом
состоянии также достигают размеров около 5 см, присутст¬
вуют здесь в незначительном количестве. Ясно, что как ко¬
пеподы, так и хетогнаты очень разборчивы в пище и каждая
из них выбирает и захватывает жертву определенного вида.
Напротив, Е. superba фильтрует воду почти без разбора,
захватывая все частицы, какие ни попадутся в его «сеть» из
щетинок. Именно благодаря такой особенности питания эти
животные могут образовывать гигантские скопления и бук¬
вально «очищать» океан от его флоры и мелкой фауны. Та¬
кие скопления обнаружены только в пределах верхних 200 м
и главным образом в верхних 50 м водной толщи. Они мо¬
гут иметь чрезвычайно большие размеры. Во время поле¬
вых работ в 1982 г. ученые из Вашингтонского университета
закартировали одно «сверхскопление», которое достигало
5 миль в ширину и 11 в длину. По оценке специалистов, оно
содержало 2,5 млн.т криля при плотности от 2 до 5 тыс.
особей на кубометр воды. Обычный размер скопления кри¬
ля 50—600 м, а глубина, на которой оно находится, меньше
50 м; рыбаки устанавливают местоположение скоплений
криля с помощью акустических приборов. Океанские едоки
криля — гладкие киты также обнаруживают эти скопления
с помощью развившихся у них акустических органов чувств.
Скопления криля распределены неоднородно. На
(а) Микрофотография щетинок на ноге Euphausia superba. Щетинки
расположены тесно, с интервалом около 7 мкм, этими щетинками
животное захватывает пищу.
(б) Микрофотография содержимого желудка особи Е. superba; на
фото видно, что в питании животного преобладают диатомеи.
Внутри желудка у криля есть твердые пластинки, которыми он раз¬
рушает и размалывает кремнеземные раковины этого фитопланк¬
тона.
Рис. 20.11. Приспособления для питания и содержимое желудка антарктического криля [11].
350
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Рис. 20.12. Распределение зрелого
криля (Euphausia superba) в Южном
океане в летние месяцы [13].
рис. 20.12 показаны самые высокие концентрации зрелого
криля к востоку от оконечности Антарктического полуост¬
рова, где он пасется между краем летнего пакового льда на
юге и Полярным фронтом на севере. Популяции с меньшей
плотностью существуют вокруг всей Антарктиды, и доволь¬
но много криля обитает повсюду южнее Полярного фронта.
Однако заметим, что на рисунке показано распределение
криля в летнее время, данных для зимы у нас просто нет.
Самая высокая летняя концентрация криля отмечена в ат¬
лантическом секторе Южного океана, что согласуется с рас¬
смотренным ранее мощным апвеллингом богатой питатель¬
ными веществами Северно-Атлантической глубинной воды
в эвфотическую зону.
Многое из того, что мы знаем о криле, собрано по кру¬
пицам более чем за 200 лет охоты на крупнейших живот¬
ных, питающихся крилем, — гладких китов. Действительно,
лучшие оценки реальной продукции криля даны по числу ки¬
тов, добытых на заре развития китобойного промысла, в
сочетании с современным анализом содержимого желудков
и вычисленным суточным потреблением криля одним ки¬
том. Например, взрослый синий кит во время своего перио¬
да питания, который длится около четырех месяцев, съеда¬
ет до 3 т криля в день. Основываясь на этом, сразу же под¬
считали, что одни только киты съедают от 40 до 270 млн.т
криля. Чтобы вычислить общую продукцию для всего Юж¬
ного океана, мы должны прибавить массу криля, поедаемого
летающими птицами, пингвинами и тюленями. Это огром¬
ная величина, но оценена она все еще не вполне надежно.
ГЛАВА 20. ПОЛЯРНЫЕ ОКЕАНЫ
351
Выедание криля китами. При таком обилии пищи, пред¬
ставленной одинаковыми мелкими организмами, которые
плавают такой плотной массой, неудивительно, что у глад¬
кого кита развился своеобразный способ добывания пищи.
В ротовой полости этих крупных животных имеются ряды
длинных пластинообразных структур, называемых китовым
усом. Каждая пластина китового уса состоит из множества
мелких щетиноподобных прядей, которые срослись и стали
твердыми, только вдоль одного края они разделяются на
отдельные пряди; их можно сравнить с очень длинной ма¬
лярной кистью, на которой щетина расположена вдоль од¬
ной стороны ручки, а не на конце. На рис. 20.10 пластины
китового уса свисают вертикально вниз с нёба синего кита.
Эти пластины располагаются тесными рядами, и края ще¬
тинок переплетаются, образуя поверхность, похожую на ци¬
новку, которая перегораживает ротовую полость.
Чтобы покормиться, кит сначала находит скопление кри¬
ля с помощью своего акустического органа. Затем он вхо¬
дит в это скопление и набирает в рот огромные количества
содержащей криль воды. Продольные штрихи, видимые
под его нижней челюстью (рис. 20.10), — это кожные склад¬
ки, они позволяют ротовой полости расширяться во время
заглатывания, буквально «засасывая» смесь воды и пищи в
рот. Затем, двигая вперед свой огромный язык, кит вытал¬
кивает смесь изо рта, но сквозь покрытую щетиной поверх¬
ность, которая задерживает криль. Последнее действие ки¬
та — проглатывание захваченной пищи.
В годы охоты на китов и одновременного изучения дру¬
гих форм жизни в Южном океане китобои узнали, что синий
кит предпочитает питаться однолетним крилем, который,
как правило, скапливается внутри районов развития пако¬
вых льдов. С другой стороны, финвалы, вероятно, поедают
скопления двухлетнего криля, которые обычно находятся в
открытых водах вне границ пакового льда. Тесная взаимо¬
связь существует также между крилем и фитопланктоном,
которым криль питается. Криль предпочитает диатомей ви¬
да Fragilariopsis antarctica. Исследователи обнаружили, что
киты часто встречаются в водах, содержащих эти диатомеи,
но их почти не бывает там, где преобладают другие виды
диатомовых.
Добыча криля человеком. В последние годы некоторые
страны начали добывать сам криль. Поскольку численность
китов сейчас сильно уменьшилась и китобойный промысел
стал либо экономически невыгоден, либо запрещен, а по¬
требности в рыбной муке в мире постоянно растут, ловля
криля может стать важной частью добычи пищевых ресур¬
сов из океана.
Предположим, например, что уровень ежегодного вы¬
едания криля китами в течение последних столетий был
150 млн.т в год — приблизительное среднее значение исходя
из оценок, рассмотренных в предыдущем разделе. Это при¬
мерно вдвое больше нынешней добычи всех остальных мор¬
ских животных. Около 15% криля превращают в рыбную
муку, т. е. примерно 22 млн.т в год. По нью-йоркским це¬
нам 1 т рыбной муки стоит 400 долл., что приблизительно
вдвое дороже соевой муки. Значит, потенциальная рыночная
стоимость запасов криля — около 8 млрд.долл, в год. Если
основную часть этого белкового «урожая» очистить и пре¬
вратить в продукт, пригодный в пищу людям, его стои¬
мость могла бы удвоиться. Мясо криля перерабатывают в
пасту и продают как «креветочное масло» для использова¬
ния в салатах, фаршированных яйцах и т. д.
Однако потенциально доходное предприятие по добыче и
переработке криля имеет ограничения. Прежде всего,
криль — это мелкие животные, и, значит, для их ловли
нужно буксировать мелкоячеистую сеть, а это сопровожда¬
ется большими затратами на топливо. Вполне может слу¬
читься, что мы никогда не научимся ловить криль так же
успешно, как это делают киты. Взрослый синий кит может
плыть, расходуя мощность, равную примерно 10 л.с., и до¬
бывать более 3 т криля в сутки. Если цены на дизельное
топливо существенно возрастут, нам придется вернуться к
китобойному промыслу как к единственному экономически
выгодному способу добычи криля. В настоящее время вни¬
мание всего мира сосредоточено на восстановлении популя¬
ции китов. Эксперты подсчитали, что необходимо не менее
50 лет для восстановления численности китов до такого
уровня, чтобы охота на них снова могла быть устойчивой и
прибыльной, и для питания такого количества китов должно
сохраниться 100—200 млрд.т криля. Короче говоря, трудно
будет и спасти китов и добывать криль одновременно.
Хищники высоких трофических уровней
в полярных океанах: роль пакового льда
Цикл питания в Южном океане (рис. 20.10) и пищевые сети
в арктических и субарктических водах (рис. 20.13) характери¬
зуются одной общей особенностью, заметно отличающей
их от пищевых сетей в океанах более низких широт: верхние
уровни хищников заполнены главным образом теплокров¬
ными животными, многие из которых велики по разме¬
рам — киты, тюлени, моржи, морские львы и как летаю¬
щие, так и нелетающие птицы. В поведении этих животных,
за исключением китов, есть общая черта: все они использу¬
ют нарушенный паковый лед как заменитель твердой суши.
Тюленям, моржам и птицам плавающие льдины служат
местом отдыха, убежищем от хищников; животные исполь¬
зуют льдины для воспроизведения потомства, и, кроме то¬
го, на льдинах они пересекают обширные океанские про¬
странства. Как уже говорилось, зона развития льдов — это
область с высокой первичной продукцией и продукцией кри¬
ля, а также связанной с ними фауны, например рыбы.
В Антарктике. Поистине удивительная вспышка развития
экосистемы Южного океана наблюдается в областях, осво¬
бодившихся от пакового льда. Здесь я видел несместные ко¬
личества летающих птиц в тысячах километрах от берега и
группы отдыхающих на льдинах пингвинов. На других
льдинах лежали тюлени-крабоеды, которые питаются непо¬
средственно крилем (рис. 20.10), морские леопарды, кото¬
рые охотятся за пингвинами, или тюлени Уэдделла, питаю¬
щиеся крупной рыбой. На свободных от пакового льда пло¬
щадях всплывали на поверхность синие киты. Кроме того, у
краев ледяного покрова плавали касатки, которые ловят не¬
больших тюленей и пингвинов или охотятся стаей на более
крупных китов. (Однажды в Чили я был ошеломлен расска¬
зом Пабло Макайа, одного из последних китобоев, о том,
как он наблюдал стаю касаток, ранивших крупного кита и
ожидавших, пока он истечет кровью и умрет, а затем съев¬
ших его.)
В Арктике. В Субарктических морях, например в Беринго¬
вом, отчетливо проявляется роль пакового льда как твердо¬
го субстрата для хищников верхних трофических уровней.
Например, моржи и морские зайцы питаются бентосом.
Эти животные, использующие паковый лед для отдыха на
поверхности между периодами охоты, обитают на всем
шельфе Берингова моря шириной около 500 км и длиной бо¬
лее 700 км. Как правило, они скапливаются вдоль краев раз-
352
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Рис. 20.13. Обобщенные схемы пищевых сетей в субарктическом Беринговом море: (а) для обыкновенного, пятнистого и полосатого
тюленей, кольчатой нерпы и (б) для морского зайца и моржа [9].
рушенного пакового льда. На рис. 20.13, б показана общая
пищевая сеть для морских зайцев и моржей Берингова моря.
Моржи питаются главным образом бентосной фауной, в
которой преобладают двустворчатые моллюски и полихеты
(табл. 20.1). У этого животного есть два красивых бивня,
которыми он выкапывает моллюсков, взрослый морж мо¬
жет каждый день добывать по несколько центнеров дву¬
створок. Используя современные оценки численности мор¬
жей — около 200 тыс. — в одном только районе Берингова
Таблица20.1. Основныевиды, относящиеся к шести типам морских жи¬
вотных, которыми обычно питаются тюлени и моржи в Беринговом
море [5]
Тип поедаемых организмов Основные виды
Пелагические рыбы и
рыбы промежуточно¬
го слоя
Придонные рыбы
Пелагические нектон-
ные беспозвоночные
Нектонные беспозво¬
ночные бентоса
Беспозвоночные
эпифауны
Беспозвоночные
инфауны
Минтай, шафрановая треска, сайка (по¬
лярная тресочка), тихоокеанская трес¬
ка, мойва, корюшковидная аргентина
(радужная корюшка), сельдь
Бельдюга, бычки-подкаменщики, камба¬
лообразные, песчанковые
Эвфаузииды, бокоплавы (амфиподы) се¬
мейства Hyperiidae
Мизиды, креветки, бокоплавы семейства
Gammaridae, осьминоги
Крабы, брюхоногие моллюски
Двустворки, полихеты, эхиуриды, при-
апулиды (из группы низших червей)
моря, мы приходим к выводу, что продукция двустворок и
червей инфауны должна быть действительно огромной*.
Морской заяц (лахтак) питается преимущественно краба¬
ми, креветками, брюхоногими моллюсками и осьминогами,
всей бентосной эпифауной, а также придонными рыбами,
например камбалообразными (морскими языками и камба¬
лой) и подкаменщиками. Морские зайцы также могут ис¬
пользовать паковый лед как для отдыха, так и для передви¬
жения. На льдинах встречаются и другие виды тюленей:
кольчатая нерпа, гренландский тюлень и обыкновенный тю¬
лень питаются в основном пелагическими видами и зависят
от рыбы среднего размера, такой как мойва. Численность
всех тюленей в Беринговом и Чукотском морях оценивается
более чем в один миллион.
Белухи и серые киты тоже в отдельные сезоны питаются
в Беринговом море. Оба этих вида относятся к настоящим
китам, но различаются по пище, которую они предпочита¬
ют. Белуха питается пелагическими рыбами и рыбами пере¬
ходного слоя, а серые киты — креветками и амфиподами,
* Так оно и есть. И цикл продукции здесь несколько необычен, так
как он лишь отчасти зависит от детрита, который попадает на дно
от продукции обитающего наверху фитопланктона. Реки Юкон и
Кускокуим текут по обширным заболоченным низменностям, на
которых чрезвычайно обильна морская трава Zostera (см. данные о
продукции в заболоченных низменностях в табл. 1.1). Когда весной
лед взламывается, речные льдины срезают почвенные слои мелко¬
водья и откладывают огромные количества морской травы на при¬
брежном шельфе. Здесь бактерии разлагают материал, превращая
его в детрит, которым затем питаются такие фильтраторы, как
двустворчатые моллюски (рис. 13.4).
ГЛАВА 20. ПОЛЯРНЫЕ ОКЕАНЫ
353
которые относятся к ракообразным эпифауны. «Щетинки»
китового уса у серого кита намного грубее, чем у гладкого
кита, который отфильтровывает более мелкие, планктон¬
ные организмы, такие как криль.
Климат и ледяной покров полярных океанов
До сих пор в этой главе мы гораздо больше внимания уде¬
ляли полярным океанам, чем полярной атмосфере. Однако
полярные исследователи давно заметили, что в областях,
покрытых паковым льдом, происходят такие изменения, ко¬
торые тесно связаны со многими аспектами климата. Под
«климатом» мы подразумеваем основные атмосферные ус¬
ловия в регионе, например среднюю температуру воздуха,
среднегодовое количество осадков и среднегодовые характе¬
ристики облачности и ветров, но, кроме того, учитываем и
экстремумы этих условий на протяжении годового цикла.
Поэтому наше изучение полярных океанов должно вклю¬
чать их взаимодействие с атмосферой.
Взаимодействие
В целом присутствие ледяного покрова резко уменьшает пе¬
реход тепла и влаги из океана в атмосферу. Лед, особенно
под снежным чехлом, представляет собой довольно хоро¬
ший изолятор. Морозный сезон в Арктике начинается
осенью, когда время солнечного освещения быстро сокраща¬
ется с приближением полярной ночи. Но открытые океан¬
ские воды продолжают терять тепло за счет инфракрасного
излучения, так что поверхностный слой воды остывает до
точки замерзания. В ходе этого процесса охлаждения по¬
верхностный слой вовлекается в вертикальные конвектив¬
ные движения вплоть до глубины, которая зависит от плот¬
ностного расслоения воды. Если есть волны и ветры, они
способствуют вертикальному перемешиванию (вспомните
приведенный на рис. 8.3 пример зимнего хорошо переме¬
шанного слоя в незамерзающем океане). В конце концов пе¬
ремешанный слой охлаждается до точки замерзания, и на
поверхности начинает формироваться лед. Сначала лед на¬
растает быстро, часто в первый день образуется около
10 см льда. Однако скорость роста нового льда, добавляю¬
щегося каждый день, экспоненциально уменьшается. Поэто¬
му обычно за весь сезон морозов — 100 дней или более —
формируется слой льда толщиной всего 100—150 см, даже
несмотря на то, что температура находящегося над ним
воздуха может быть на десятки градусов ниже точки замер¬
зания. Лед плохо проводит тепло. Хотя по мере того как
лед становится толще, его поверхность продолжает терять
тепло за счет излучения в окружающее пространство, жид¬
кий океан подо льдом все меньше возмещает потерю тепла
поверхностью, а ледяной покров отбирает влагу атмосфе¬
ры, которая в результате становится еще более холодной и
сухой.
В этом заключается поистине драматическое явление
природы — быстрое прекращение обмена между океаном и
атмосферой, обычно происходящего через поверхность раз¬
дела между двумя средами — жидкой и газообразной. Чи¬
татель может вспомнить рассмотренные ранее взаимодейст¬
вия I и II между воздухом и водой (гл. 6), при которых важ¬
нейшим элементом в тепловом балансе океана является пе¬
ренос ощутимого тепла и скрытой теплоты парообразова¬
ния. Однако в покрытом льдом океане процессы переноса
фактически останавливаются. В итоге разность температур
атмосферы между тропиками и полярными областями рез¬
ко увеличивается. Это приводит к более энергичной цирку¬
ляции в глобальной системе ветров, что в свою очередь оз¬
начает, что в атмосфере происходит более мощный тепло-
перенос к полярным регионам, пока не будет достигнуто
равновесие. Вывод ясен: если бы морская вода не была на¬
крыта «шапкой», образующейся в результате перехода са¬
мой этой воды в твердое кристаллическое состояние, гло¬
бальная циркуляция в атмосфере была бы менее интенсив¬
ной и температуры как полярной атмосферы, так и моря
были выше, поскольку океан играл бы бблыпую роль в пе¬
реносе тепла к полюсам.
Арктический лед и атмосферные процессы
в Северном полушарии
На рис. 20.14 представлена упрощенная карта распределения
западных ветров в Северном полушарии. Сначала найдем
две области высокого давления над центральными района¬
ми Северной Атлантики и северной части Тихого океана;
это те же самые области высокого давления, которые пока¬
заны на рис. 10.5 и 10.7.
Ближе к полюсу от этих центральных максимумов, во¬
лнообразно изгибаясь между чередующимися зонами влия¬
ния высокого и низкого давления, проходит полоса ветров в
верхних слоях атмосферы, известная как струйное течение.
Обычно в этом циркумполярном поясе мы обнаруживаем
примерно четыре полные волны. Кроме того, эта система
волн, как правило, устойчива и связана с расположением
центральных областей высокого давления. Но точно так
же, как меняется положение максимумов давления при сме¬
не времен года (рис. 10.5), происходит и широтное переме¬
щение траектории струйного течения.
Струйное течение существует вследствие большой разно¬
сти температур между сухой холодной полярной и теплой
центральной областями высокого давления. Максимум у по¬
люса возникает благодаря постоянному ледяному покрову,
изолирующему океан от находящегося над ним воздуха.
Указанную зависимость можно обобщить следующим
образом. Летом ледяной покров отражает более 60% пада¬
ющего солнечного света, это препятствует нагреванию океа¬
на, но заставляет находящийся над ним воздух нагреваться
быстрее, чем он нагревался бы, если бы океан был свободен
ото льда и сам поглощал ббльшую часть поступающего
солнечного тепла. Зимой лед предохраняет океан от потери
тепла в атмосферу, и температура воздуха падает до очень
низких значений, по мере того как в результате обратного
излучения поверхность льда охлаждается. Следовательно,
атмосфера над покрытым льдом океаном зимой остывает
интенсивнее и больше нагревается летом, чем воздух над
открытыми водами.
Изменения арктического ледяного покрова
и климатические изменения
Непосредственными следствиями всех этих влияний аркти¬
ческого ледяного покрова являются кратковременные погод¬
ные и долговременные климатические изменения в Север¬
ном полушарии. Разность температур воздуха между поляр¬
ной и тропической областями зимой больше, так что интен¬
сивность циркуляции в атмосфере зимой увеличивается: воз¬
никает больше штормов, и пути их смещаются к югу так
же, как и край пакового льда. Когда циркуляция воздуха
усиливается, вся система волнообразных гребней и впадин в
струйном течении (рис. 20.14) смещается к востоку. Восточ¬
ная часть США больше других районов подвергается воз¬
действию холодных арктических воздушных масс, пронося-
354
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
На севере центральной части Тихого океана и на севере Централь¬
ной Атлантики есть характерные области высокого давления с ан-
тициклоническими ветрами; район над постоянным паковым льдом
в Северном Ледовитом океане также представляет собой область
высокого давления. Зимой, когда полярная область развития пако¬
вого льда расширяется, струйное течение, как правило, смещается к
югу и ветер усиливается. Летом граница пакового льда отступает в
сторону полюса, струйное течение смещается к северу, его интен¬
сивность уменьшается. Сдвиг в направлении север—юг может со¬
провождаться смещением гребней волн и впадин в струйном тече¬
нии по широте. При движении струи на юг, как показано на этом
рисунке над центральной частью США, воздух в ней холодный и
сухой. Наоборот, воздух в струе, движущейся в северном направле¬
нии вдоль восточного побережья США, значительно более теплый
и влажный, причем влажным он становится в районах вокруг Мек¬
сиканского залива. Это чередование направленного к экватору дви¬
жения сухого воздуха и движения к полюсу влажного воздуха пред¬
ставляет собой основной механизм общего переноса тепла и влаги
в направлении полюса.
Рис. 20.14. Струйное течение в верхних слоях атмосферы Северного полушария.
щихся на юг от Канадского щита в то же самое время к се¬
веро-западному (тихоокеанскому) побережью Северной Аме¬
рики приходит больше штормов с юго-запада и выпадает
больше дождевых осадков.
Существуют более длительные тенденции развития кли¬
мата, при которых изменения ледяного покрова Арктики и
климата хорошо коррелируют. Подробные данные об арк¬
тических условиях собраны более чем за 100 лет. Советские
ученые сообщают, что за период между 1890 и 1940 гг. сред¬
няя толщина льда в советской Арктике уменьшилась на од¬
ну треть (с 365 до 218 см), а площадь, покрытая паковым
льдом, сократилась на 10%. В этот же период усиливалась
глобальная циркуляция атмосферы: западные ветры в Се¬
верной Атлантике усилились примерно на 20%, циклоны
стали проходить севернее, мощность Гольфстрима возрос¬
ла, и он стал проникать дальше на север, вызвав потепление
воды в Норвежском море на 5° С. Необходимо отметить,
что состав морского сообщества за 50 лет легко приспосо¬
бился к изменившимся условиям. На рис. 20.15 показано,
как северные границы области вылова сельдевых у берегов
Европы сместились к северу за период с 1900 по 1940 г. По¬
сле 1940 г. эта тенденция сменилась на противоположную.
О самом длительном изменении мы знаем по путешест¬
виям викингов в Исландию около 950 г. н.э.: с этого време¬
ни примерно до 1200 г. вокруг этого острова летом, вероят¬
но, не было никакого пакового льда. На рис. 20.15 показа¬
но, что в 1000 г. сельдь ловили даже к северу от Исландии,
но к 1300 г. добыча сельди сместилась значительно к югу,
до широты Британских островов. Вместе с тем Гренландская
колония викингов была основана в X в. и процветала в тече¬
ние примерно 300 лет, пока около 1410 г. не была покинута.
Рис. 20.15. Южные границы добычи сельдевых у берегов Европы
для четырех эпох последнего тысячелетия [6].
ГЛАВА 20. ПОЛЯРНЫЕ ОКЕАНЫ
355
Заключение
Полярные океаны представляют собой такие специфические
области и столь многообразны, что подытожить все их осо¬
бенности в одном абзаце было бы слишком трудно и абзац
получился бы очень длинным. Лучше эти особенности про¬
нумеровать.
1. Динамика полярных океанов контролируется процесса¬
ми, изменяющими соленость. В Северном Ледовитом океа¬
не этот контроль осуществляют реки, собирающие воду на
просторах Сибири и Канады. В Южном океане определяю¬
щим процессом является образование и таяние морского
льда, приводящее в действие «гигантскую ледовую антарк¬
тическую машину перемешивания».
2. Весьма значительным фактором, объясняющим разли¬
чия в динамике между Южным океаном и Северным Ледо¬
витым, является то, что Южный океан полностью открыт
для интенсивного перемешивания с другими океанами через
Антарктическое циркумполярное течение. Сообщение Север¬
ного Ледовитого океана с остальными океанами весьма
ограничено: Берингов пролив очень мелок, как и Баренцево
море к северу от Норвегии, и только один глубокий пролив со¬
единяет Северный Ледовитый океан с Северной Атлантикой.
3. После образования сухопутного моста между Амери¬
канскими континентами общая схема циркуляции Мирового
океана изменилась. Только в течение последних 4 млн.лет
(примерно за тот промежуток времени, когда жили австра¬
лопитеки) вода в Северной Атлантике стала более соленой,
чем в Тихом океане, Арктический регион испытал повтор¬
ное оледенение и Антарктиду покрыл ледяной чехол мощ¬
ностью несколько километров. Не мог бы широкий откры¬
тый канал на месте Панамского перешейка восстановить
теплый климат на всей Земле?
4. Биологическая система Северного Ледовитого океана
отличается своим скудным видообразованием. Это можно
объяснить низкой первичной продукцией, коротким продук¬
тивным периодом, который в свою очередь контролирует
репродуктивные циклы, низкой температурой воды, незре¬
лостью биологической системы из-за молодости самого бас¬
сейна и, возможно, тем, что мы просто провели еще не до¬
статочно наблюдений.
5. Биологическая система антарктических морей необыч¬
на своей высокой продукцией, которая сочетается с исклю¬
чительно короткой пищевой цепью между микроскопически¬
ми диатомеями и огромными китами. Главная причина это¬
го — мощный апвеллинг, благодаря которому запасы пита¬
тельных веществ в этих водах ничем не ограничены.
6. Отличительная особенность обоих полярных океа¬
нов — преобладание на вершине пищевой цепи теплокров¬
ных организмов, причем многие из них имеют крупные раз¬
меры. Это объясняется, во-первых, тем, что чем крупнее
животное, тем больше отношение его объема к поверхности
тела, а следовательно, меньше затраты энергии на «сохра¬
нение тепла». И энергия, которую теплокровные организмы
в состоянии затратить во время охоты, гораздо больше,
чем у холоднокровных животных. Во-вторых, холоднокров¬
ные организмы должны вырабатывать свой собственный
«антифриз», чтобы предохранить ткани от замерзания при
пониженных температурах полярных вод, и при этом обо¬
стряется проблема производства энергии в мышцах. Эти
животные просто не могут конкурировать с теплокровными
в полярных водах. В-третьих, существование теплокровных
организмов облегчают обширные ледяные поля.
7. Наконец, покрытые льдом океаны оказывают особое
влияние на климат Земли. Поскольку белизна льда увеличи¬
вает альбедо полярных океанов, они обладают небольшой
способностью поглощать солнечное излучение. Таким об¬
разом, ледяной покров обусловливает большие разности
температур в атмосфере между экваториальными и поляр¬
ными областями, что в свою очередь создает струйное тече¬
ние, определяющее климат в средних широтах.
Контрольные вопросы
1. Имеются по крайней мере два важных различия между
Северным Ледовитым и Южным океанами. Опишите их.
2. Сходство между этими двумя океанами заключается в
сходстве их окраинных морей, которые всегда существуют
между «океаном» и границей континента. Назовите и пока¬
жите на соответствующей карте различные окраинные мо¬
ря, укажите для каждого из них, мелкое оно или глубокое.
3. Еще интереснее сравнить полярные океаны с другими
океанами. Чем отличаются полярные океаны?
4. Занятие океанологией не будет «успешным», если сту¬
дент не будет знать:
а) что собой представляет «Гигантская антарктическая
ледовая машина перемешивания» и
б) какую роль в перемешивании океанских вод играют
процессы, связанные с морским льдом.
5. Точно так же будет неправильно, если в учебный курс
не войдет раздел о ежегодном наступании и отступании
морских льдов в общей перспективе океанологии. Какая
площадь Земли ежегодно вовлекается в процесс замерзания
и таяния морского льда? Сравните ее с размером такой пло¬
щади в Северном полушарии, это наглядно покажет важное
значение ежегодных изменений ледяного покрова в Южном
океане.
6. Одна из наиболее интересных проблем, изучаемых в
настоящее время в отношении вод Северного Ледовитого
океана, — скудное видообразование. Приведите несколько
причин, которые могли бы объяснить эту особенность видо¬
образования.
7. Возможно, самый интересный из всех вопросов — по¬
чему в Южном океане продукция столь велика. У этого во¬
проса есть разные стороны:
а) Почему в Южном океане столь значительна величина
продукции на первом трофическом уровне?
б) Почему в экосистеме Южного океана развилась такая
короткая пищевая цепь между первичной продукцией и си¬
ним китом?
8. Если бы популяция синих китов уменьшилась до уров¬
ня угрозы исчезновения, мог бы какой-то другой организм
или организмы заменить синего кита как главного хищника?
9. Что вы думаете о предложении выращивать лососе¬
вых в реках и эстуариях Южной Америки, чтобы выпускать
их в Антарктическое циркумполярное течение, и о скоплени¬
ях там Euphausia superbal
10. Рассмотрите криль Южного океана с точки зрения
его возможной цены на современном рынке.
11. Паковый лед преобразует поверхность моря чрезвы¬
чайно важным образом — он дает субстрат и изолирующее
покрытие. Проанализируйте значение пакового льда для по¬
пуляции моржей в Беринговом море.
12. Что служит основанием пищевой цепи Берингова мо¬
ря, в которой моржи играют столь важную роль?
13. Не боясь лишний раз употребить слова «важный про¬
цесс», укажите, какова роль постоянного покрова морского
льда в Северном Ледовитом океане в фундаментальной
проблеме «спускового механизма» оледенения.
356
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
14. В течение ряда лет в СССР изучали возможность от¬
ведения сибирских рек, впадающих в Северный Ледовитый
океан, для орошения районов вокруг Каспийского моря и
к востоку от него*. Как это могло повлиять на мировой
климат?
15. Обоснуйте утверждение: «В Южный океан за счет
речного стока поступает примерно столько же воды, сколь¬
ко в Северный Ледовитый».
16. Кратко объясните, почему первичная продукция в во¬
дах Северного Ледовитого океана а) появляется с опоздани¬
ем (летом) и б) появляется «более дружно», чем в водах
умеренных широт.
17. Если при низких температурах скорость обмена ве¬
ществ уменьшается, почему мы обнаруживаем в полярных
морях так много теплокровных видов?
18. Назовите основные виды животных, питающихся
крилем в антарктических морях.
ГЛАВА 21
ТЕКТОНИКА ПЛИТ
И ОКЕАНИЧЕСКИЕ БАССЕЙНЫ
История океанологии во многом сейчас отражает революцию в ис¬
следованиях по глобальной геологии. Эта революция началась все¬
го каких-то два-три десятилетия назад: сначала возникла концепция
дрейфа континентов, затем появилась теория разрастания (“спре-
динга”) морского дна, а теперь уже все это привело к разработке
современной теории тектоники литосферных плит.
Самая поразительная революция в развитии естествознания
со времен Дарвина происходит прямо на наших глазах. Мы
присутствуем при кристаллизации новой теории строения
Земли. Названная теорией тектоники плит, она описывает
геологическое развитие, показывая, как из ранних, не похо¬
жих на нынешние, структур Земли с течением геологическо¬
го времени сформировалось современное распределение ма¬
териков и океанических бассейнов.
Так же как и сама новая геологическая теория, удиви¬
тельно интересна и история эволюции нашего понимания
новой глобальной геологии. Главную роль в этой еще не за¬
конченной истории играют морские геологи и геофизики,
поэтому большая часть исследований, в которых формиру¬
ются новые теоретические представления, проводится в оке¬
анологических институтах.
В этой главе мы раскроем историческую перспективу то¬
го, как изменились океаны в течение прошедших геологиче¬
ских эпох.
Связь между материками
Первые догадки о том, что известные нам сегодня матери¬
ки, возможно, когда-то были соединены в единое целое,
стали возникать во время бурного развития морских путе¬
шествий, начавшихся в XV в. Португальские мореплаватели
исследовали и нанесли на карту западное побережье Афри¬
ки, эту работу в 1497—1498 гг. завершил Васко да Гама,
обогнувший мыс Доброй Надежды и открывший для евро¬
пейской цивилизации Индийский океан. В 1492 г. Колумб
* В апреле 1986 г. проект поворота сибирских рек был аннулиро¬
ван.
соприкоснулся с Новым Светом впервые с тех пор, как в
1001 г. Лиф Эрикссон высадился на берега Лабрадора. Вско¬
ре после Колумба Джон и Себастьян Каботы* предприняли
путешествия по северо-западной Атлантике (1497, 1498 г.).
Фернан Магеллан в 1519 г. добрался до северного побережья
Бразилии и приступил к составлению карты берегов Южной
Америки вплоть до пролива, который носит теперь его имя.
В середине XVI столетия Герард Меркатор и другие иссле¬
дователи составили много новых карт, которые к тому вре¬
мени включали восточные и западные берега обоих бассей¬
нов Атлантического океана — северного и южного. В ре¬
зультате этого впервые были сделаны выводы о форме Ат¬
лантического океана, в частности, о том, что восточные и
западные его границы удивительно хорошо “подходят” друг
к другу.
Действительно, упоминания о “соответствии формы” бе¬
реговых линий Атлантики появились еще в 1620 г. в ком¬
ментариях сэра Фрэнсиса Бэкона к его трактату “Новый ор¬
ганон”. Другие заметили сходство очертаний берегов и сде¬
лали вывод, что Старый и Новый свет разделились в ре¬
зультате Всемирного потопа. Но старинные карты, на осно¬
вании которых делались такие заключения, были чрезвычай¬
но грубы из-за того, что у моряков не было надежного спо¬
соба вычислять долготу. Хотя в 1530 г. фламандский ас¬
троном Гемма Фризиус** впервые предложил использовать
для вычисления долготы в море часы, показывающие точ¬
ное время [13], прошло еще почти 250 лет, прежде чем такие
приборы — хронометры — были созданы.
Широту в море измерить легко, причем совершенно
точно — нужно только знать день года и угол максимально¬
го восхождения Солнца над горизонтом в этот день. А для
определения долготы надо точно знать разницу во времени
между местным “полуднем” и полуднем на некоторой вы¬
бранной исходной долготе (в качестве которой используется
меридиан Гринвича, Англия), для чего требуется надежный
хронометр. Такой хронометр разработал и с успехом испы¬
тал в 1761 г. Джон Гаррисон. Вскоре этот прибор стали
применять и другие: капитан Джеймс Кук взял три хроно¬
метра в свое историческое путешествие вокруг Антарктиды
в 1772—1775 гг. С тех пор новые карты стали весьма точ¬
ными, и поэтому соответствие формы берегов по обе сто¬
роны Атлантики привлекало все большее внимание, причем
не только геологов и географов, но и ботаников и зоологов.
Примерно тогда же, когда мореплаватели впервые полу¬
чили возможность измерять солнечное время, появились
идеи о существовании другого вида времени — чрезвычайно
продолжительной непрерывной временной шкалы, на кото¬
рой можно отмечать геологические события, составляющие
историю Земли. Шотландский врач из Эдинбурга Джеймс
Геттон (1726—1797), изучавший также геологические форма¬
ции, разработал представления о том, что геологические
процессы сегодняшнего дня — в целом такие же, как в про¬
* Кабот, Джованни (1450—1498), итальянский мореплаватель, и его
сын Себастьян (1477—1557), плавая под английским флагом, впер¬
вые достигли о. Ньюфаундленд (1497 г.), а в 1498 г. организовали
вторую морскую экспедицию к берегам Северной Америки. Се¬
бастьян Кабот в 1526—1530 гг. во главе испанской экспедиции пла¬
вал к берегам Южной Америки.— Прим, перев.
** Гемма Фризиус,Райнер (1508—1555) — голландский (из Фрислан¬
дии) географ и математик. Изобрел глобус и некоторые астрономи¬
ческие инструменты, предложил принцип триангуляции (1533 г.) и
способ измерения долготы с помощью хронометра (1553 г.). Его
лекции по математике посещал Герард Меркатор.— Прим, перев.
ГЛАВА 21. ТЕКТОНИКА ПЛИТ И ОКЕАНИЧЕСКИЕ БАССЕЙНЫ
357
шлом. Этот фундаментальный принцип геологии называет¬
ся униформизмом. Уильям Смит (1769—1839) развил идею,
согласно которой различные геологические пласты, образо¬
вавшиеся в один и тот же период времени, содержат одну и
ту же ассоциацию окаменелостей. Работы этих двух уче¬
ных, а также сочинения Чарлза Лайеля (1797—1875), кото¬
рого называют отцом современной геологии, дали Чарлзу
Дарвину именно тот “инструмент”, который был необхо¬
дим в его гениальных исследованиях, — “каркас эпох геоло¬
гического времени”; к этому “каркасу” Дарвин привязал
свою теорию естественного отбора органических видов
(Faul, 1978).
Начиная с этого времени наука развивалась что называ¬
ется по экспоненте, захватывая все отрасли знаний. Особое
значение имело развитие палеонтологии — науки, занимаю¬
щейся изучением ископаемых остатков прошлых геологиче¬
ских периодов, — она предоставила нам независимые дока¬
зательства связей между осадочными структурами, которые
в настоящее время находятся на большом удалении друг от
друга.
К концу XIX в. в науке создалась новая обстановка. Уже
существовали точные географические карты мира, во мно¬
гих районах земного шара были собраны последовательные
ряды ископаемых организмов, главным образом на основе
палеонтологических данных изучались древние климаты
Земли, геология стала развиваться во многих регионах, так
как промышленность нуждалась во всех видах минерального
сырья. Пора было кому-то собрать воедино все данные и на
их основе создать концепцию дрейфа континентов, полу¬
чившую признание только через 50 лет. В это время и поя¬
вился Альфред Вегенер.
Вегенер (1880—1930) был не первым ученым, который
столь сильно заинтересовался “совпадением” очертаний кон¬
тинентов, что стал искать доказательства прежнего объеди¬
нения их в огромном едином массиве суши. Но он, несо¬
мненно, был первым, кто собрал воедино разрозненные до¬
гадки и доказательства, подтверждающие существование
такого массива, извлекая их из всех отраслей науки, извест¬
ных в его время. Он предположил, что раскол древнего мас¬
сива, названного Пангеей, начался около 200 млн. лет на¬
зад. С тех пор отдельные материки разошлись по поверхно¬
сти Земли, заняв в конце концов свое нынешнее положение
[21]. Сегодня мы знаем, что материки все еще «дрейфуют».
Интересно обратить внимание на то, как Вегенер начал
эту научную работу, которую уже не прекращал до конца
жизни. Вот что он писал жене в январе 1911 г.:
“Мой сосед по комнате д-р Тейк получил в подарок на рожде¬
ство большой учебный атлас Андре. Мы долго любовались чудес¬
ными картами. Вскоре меня осенила одна идея. Взгляни-ка еще раз
на карту мира: не правда ли, восточный берег Южной Америки
точно соответствует западному берегу Африки, как будто бы они
прежде были соединены? Они совпадают еще лучше, если рассмот¬
реть карту глубин Атлантического океана и сравнивать не нынеш¬
ние береговые линии континентов, а границы континентальных
склонов в глубоком море. Я должен развить эту идею” [4].
Он умер в то время, когда полемика, “ниспровергавшая”
его теорию, вероятно, была в самом разгаре (см., напри¬
мер, [17]). Его труды не были признаны в течение еще 30
лет или больше. Даже в 1963 г., когда я впервые слушал
курс геологической океанологии, профессор отказывался об¬
суждать гипотезу Вегенера. Но к концу 1960-х годов эта фа¬
за революции в науках о Земле завершилась; сегодня множе¬
ство исследователей занимаются уже деталями современной
теории тектоники плит.
Основные данные
Сначала перечислим те “данные”, благодаря которым факт
дрейфа континентов в конце концов получил широкое при¬
знание, затем данные о разрастании (“спрединге”) морского
дна, которое вскоре стали считать возможным механизмом
такого дрейфа, и, наконец, данные, позволяющие объеди¬
нить все факты в теорию тектоники литосферных плит. Чи¬
тателю рекомендуется быстро пробежать этот перечень,
чтобы получить представление как о хронологии событий,
так и о вопросах, касающихся разных отраслей науки. В
следующих разделах мы разовьем каждый из этих аспектов.
Данные, подтверждающие дрейф континентов
1. Кажется, что континенты соответствуют друг другу по¬
чти так же, как кусочки разрезанной картинки, — как будто
они составляли когда-то единый суперконтинент, называе¬
мый Пангеей.
2. Нанося на карту характеристики древнего климата
различных частей континентов, мы можем показать, что
эти континенты соответствуют друг другу не только по
“форме”. На составленных вместе материках вырисовыва¬
ются логично расположенные зоны оледенения и тропиков
Пангеи; наука, занимающаяся древними климатами, называ¬
ется палеоклиматологией.
3. Когда горные породы затвердевают из расплавленно¬
го состояния, в них сохраняются следы магнитного поля
Земли, существовавшего в то время. Построив карту такой
остаточной намагниченности по многим формациям древ¬
них пород, ученые должны были сделать вывод, что либо
магнитные полюсы перемещались по поверхности Земли с
течением геологического времени, либо сами континенты,
на которых затвердевали породы, после этого сдвигались с
места.
4. Сходство групп окаменелостей в угольных пластах и
терригенных осадочных породах по обе стороны Атланти¬
ки, на севере и на юге, заставляет предположить, что эти
стратифицированные породы образовались в сходных усло¬
виях и, возможно, в одном и том же регионе и что впос¬
ледствии они разделились, так как соответствующие конти¬
ненты разошлись в разные стороны. Наука, занимающаяся
этими вопросами, называется палеобиогеографией.
5. Установление абсолютного возраста формирования
таких геологических структур, как, например, горные цепи,
найденного путем измерения характеристик радиоактивного
распада веществ, изначально заключенных в таких структу¬
рах, доказывает, что комплексы горных пород, находящие¬
ся теперь на удаленных друг от друга континентах, образо¬
вались в одно и то же время, а значит, возможно, в одном
и том же регионе.
Данные, подтверждающие разрастание
океанического дна
Несмотря на накопленные фактические данные, многие
специалисты отвергали теорию континентального дрейфа,
потому что не находилось правдоподобного источника
энергии для таких крупных перемещений в земной коре.
Следующая фаза в разработке теории тектоники литосфер¬
ных плит принесла свидетельства того, что дно каждого
океанического бассейна само находится в движении и это
движение направлено в стороны от зон срединно-океани¬
ческих хребтов. Это следующие свидетельства.
1. Нигде экспедиции не подняли с океанического дна по¬
358
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
роды древнее чем примерно 150 млн. лет. Куда исчезла бо¬
лее древняя океаническая кора?
2. Открытие полосовых магнитных аномалий в океани¬
ческой коре позволило сделать вывод, что эта кора движет¬
ся в стороны от осевых зон срединно-океанических хребтов.
В этом состоит главное свидетельство спрединга. Впер¬
вые появилось логичное, взаимно согласованное объяснение
не только срединно-океанических хребтов, но и зон разло¬
мов, пересекающих эти хребты, и эпицентров землетрясе¬
ний, происходящих как вдоль хребтов, так и в зонах разло¬
мов. Эта наука называется палеомагнетизмом.
3. Если срединно-океанические хребты были “источни¬
ком” новой океанической коры, то поступающее оттуда ве¬
щество должно было образоваться в глубине литосферы и,
следовательно, быть горячее, чем более древняя океаниче¬
ская кора, отодвинувшаяся далеко от хребтов. Ученые
сконструировали приборы, позволяющие измерить направ¬
ленный вверх от океанического дна тепловой поток, и ис¬
пользовали их для проверки этой гипотезы.
4. Далее, если пластиноподобная океаническая кора
остывала, удаляясь от места своего образования в осевой
зоне срединно-океанического хребта, она должна была од¬
новременно сокращаться в объеме. В итоге дно океана до¬
лжно быть глубже там, где оно дальше от источника раз¬
растания (“центра спрединга”), и это хорошо подтверждает¬
ся многочисленными замерами глубин. Идея сокращения
океанического дна была подтверждена еще двумя фактами:
во-первых, с удалением от хребта рельеф дна становится все
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ В МЕХИКО В 1985 г.
Разрушительное землетрясение в г. Мехико произошло в результа¬
те смещения литосферных плит по разлому в процессе субдукции,
при котором океаническая кора Тихого океана продвигается под
континент.
ГЛАВА 21. ТЕКТОНИКА ПЛИТ И ОКЕАНИЧЕСКИЕ БАССЕЙНЫ
359
более гладким, чего и следовало ожидать, потому что де¬
прессии в дне заполняются осадками, мощность которых
возрастает с удалением от хребта, а, во-вторых, самые
древние из вулканов в цепочках вулканических островов ти¬
па Гавайской со временем опускаются на глубину.
5. Развитие химии радиоактивных элементов привело к
разработке теоретических представлений о радиоактивном
распаде веществ глубоко в мантии Земли. Это и был “прав¬
доподобный” источник энергии, который так долго иска¬
ли. Тепло от радиоактивного распада могло привести в дви¬
жение конвективные потоки в глубинах мантии. Следова¬
тельно, конвективное движение и служит, возможно, тем
механизмом, посредством которого затвердевшая кора “от¬
тягивается” от срединно-океанических хребтов, чем и объяс¬
няется разрастание океанического дна.
Данные, подтверждающие тектонику
литосферных плит
Остается проблема: как объяснить исчезновение океаничес¬
кой коры древнее 150 млн. лет, а также множество воп¬
росов о том, как именно движется в настоящее время мате¬
риал океанической коры. За два десятилетия — с 1955 по
1975 г. — произошел подлинный взрыв сейсмических и маг¬
нитных исследований океанической коры вместе с крупно¬
масштабными работами по глубоководному бурению, по¬
зволившими получить керны осадков из всех океанов. Полу¬
ченные данные свидетельствуют о том, что земная кора —
как континентальный сиаль, так и океаническая сима — со¬
стоит из нескольких крупных масс, называемых плитами
(число их, возможно, равно 14), что эти плиты движутся
относительно пластичной мантии, подстилающей литосфе¬
ру Земли, и что границы, где разные плиты соприкасаются
друг с другом, представляют собой в то же время зоны
сильной сейсмической активности.
1. По накопленным к 1960 г. данным об очагах землетря¬
сений были установлены особенности поля напряжений в
земной коре, но только глубоко внутри коры. Эти данные
рассматривались как доказательство того, что всюду, где
разрастающаяся океаническая кора сталкивается с участком
коры, несущим континент, океаническая кора с усилием под-
двигается под континент (см. рис. на с. 358). Этот процесс
называется субдукцией, и он помог объяснить исчезновение
древней океанической коры. Испытавшие субдукцию участ¬
ки коры снова плавятся, попадая в конце концов опять в го¬
рячее пластичное вещество мантии.
2. Если процесс субдукции со всеми его модификациями
типичен для столкновения океанической и континентальной
плит, то столкновение двух континентальных плит должно
вызывать обширное воздымание и надвигание масс в гори¬
зонтальном направлении, так как ни одна из плит не может
испытывать поддвиг. Гималаи как раз и представляют со¬
бой такой надвиг, возникший в результате столкновения
Индийского и Азиатского континентов.
3. Цепочки вулканов, такие как Гавайские острова, сви¬
детельствуют о том, что океаническая кора непрерывно
движется над находящейся еще глубже в мантии “горячей
точкой”. Если активность горячей точки проявляется эпизо¬
дически, то в результате отдельных прорывов магмы через
вышележащую литосферную плиту должны возникать от¬
дельные вулканические острова.
4. Все данные, которые подтверждают промежуточные
теории дрейфа континентов и разрастания океанического
дна, служат также составными частями фундамента теории
тектоники плит.
Дрейф континентов
“Совпадение” очертаний континентов
На рис. 21.1, а воспроизведена карта из вышедшего в 1929 г.
английского перевода книги А. Вегенера “Происхождение
континентов и океанов” [21]. Все современные материки
когда-то были объединены в один суперконтинент Пангею.
Карта Вегенера была составлена для периода около 280 млн.
лет назад, проведенные на ней жирными линиями границы
не совпадают в точности с очертаниями современных кон¬
тинентов. Однако, за несколькими исключениями, рекон¬
струкция Вегенера до сих пор не утратила значения. Напри¬
мер, он показал Индию уже в соединении с более крупным
Азиатским континентом. Современные тектонисты счита¬
ют, что Индия в то время представляла собой часть южной
подгруппы континентов, называемой Гондваной, которая
состояла из Южной Америки, Африки, Индии, Австралии и
Антарктиды, а Азию от Гондваны отделял обширный оке¬
ан Тетис*.
К раннечетвертичному времени, 2—3 млн. лет назад,
континенты расположились в основном там, где они нахо¬
дятся сейчас (рис. 21.1,6). Антарктида уже “оседлала” Юж¬
ный полюс, а Северная Атлантика — хотя не такая широ¬
кая, как теперь, и, возможно, не такая глубокая — уже об¬
ладала всеми своими главными особенностями.
Палеоклимат, уровень моря и океанические течения
во время дрейфа континентов
Интересно, что в одной из своих ранних работ Вегенер ис¬
следовал древний климат и возможную связь климатических
изменений с дрейфом континентов. Кёппен и Вегенер [11]
собрали данные о расположении материковых ледников в
течение каменноугольного периода и установили, что ледни¬
ки были сосредоточены в Гондване вблизи того места, где
теперь находится южная оконечность Африки. Этот центр
оледенения рассматривался ими как место, где в то время
мог располагаться Южный полюс; внутренняя окружность,
изображенная на рис. 21.1, в справа, отстояла от этого по¬
люса на 30°. Большинство следов оледенения той эпохи
(обозначенных буквой Е) попадает в пределы этой области,
точно так же как современное оледенение сосредоточено ли¬
бо вокруг Южного, либо вокруг Северного полюса. Вегенер
объединил эти данные со сведениями о современном разме¬
щении угольных пластов в Северном полушарии — в Аппа¬
лачах, на Ньюфаундленде, в Ирландии, Шотландии, Поль¬
ше и Средней Азии — и сделал вывод о возможном распо¬
ложении экватора в течение каменноугольного периода (пе¬
риода образования углей). Положение этого экватора пока¬
зано на рис. 21.1,в самой жирной линией, соединяющей вы¬
ходы угольных пластов, обозначенные буквой К. Исхо¬
дя из положения экватора и Южного полюса было уста¬
новлено, где в то время находился Северный полюс: на
рис. 21.1,в — в северной части Тихого океана.
Если принять, что только что приведенный сценарий ве¬
рен, то сильное оледенение вокруг Южного полюса (по¬
скольку весь его тридцатиградусный круг находился на су¬
ше) должно было связывать большое количество воды в ви-
* С представлением об океане Тетис как о водном пространстве,
разделяющем континенты, связано также использование терминов
«Лавразия» для части Пангеи, расположенной в Северном полуша¬
рии, и «Гондвана» для другой части, расположенной в Южном по¬
лушарии.
360
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Гренландия
Рис. 21.1. Реконструкция Вегенера [21]: (а) Пангеи и (6) современной географии; (в) реконструк¬
ция широт, на которых располагалась Пангея в каменноугольный период [11].
ГЛАВА 21. ТЕКТОНИКА ПЛИТ И ОКЕАНИЧЕСКИЕ БАССЕЙНЫ
361
Рис. 21.2. Простая модель главных осо¬
бенностей циркуляции воды в океанах в гео¬
логический период существования Пангеи
(более 200 млн. лет назад). Две серии про¬
екций: (а, б) — из точек над экватором,
(в, г) — из точек над полюсами [20].
де льда. Прямым следствием этого было бы понижение
уровня моря.
Однако геологические данные свидетельствуют о том,
что ледовый щит вокруг Южного полюса в то (каменно¬
угольное. — Ред.) время был сравнительно тонким — го¬
раздо тоньше, чем очень мощный слой льда (3 км), наблю¬
даемый сейчас в Антарктиде, когда географический полюс
окружен сушей. В это же время происходила обширная
трансгрессия мелководных морей на сушу, как показано на
рис. 21.1,а (покрытые крапом площади). Максимальная
трансгрессия имела место около 75 млн. лет назад, когда
было затоплено примерно 40% всей суши [20]. Она к тому
же была продолжительной. Раньше, в течение каменно¬
угольного периода (около 280 млн. лет назад), мелководный
океан Тетис протягивался от восточного побережья Азии до
западных берегов обеих Америк.
Нельзя ли предположить, что чрезвычайно “низкий” уро¬
вень моря 75 млн. лет назад был прямым следствием су¬
ществования в то время ледового щита? В самое последнее
время мы определенно установили прямую связь между тая¬
нием полярных ледяных шапок и повышением уровня моря
(рис. 4.12). И прежде чем наступило последнее оледенение, в
течение последних 10—15 млн. лет происходил ряд наступа¬
ний (оледенений) и отступаний льда (межледниковых эпох),
но они не сопровождались обширными трансгрессиями,
подобными трансгрессии океана Тетис. Даже сейчас, когда
ледяная шапка имеет очень большую мощность и, следова¬
тельно, уровень моря должен быть низким, при таянии все¬
го льда Гренландии и Антарктиды уровень моря, вероятно,
поднялся бы всего метров на 60. Этого недостаточно, что¬
бы повторить затопление огромной площади суши, кото¬
рую занимал океан Тетис (рис. 21.1,а). Короче говоря, гео¬
физикам надо было найти другое объяснение феномену оке¬
ана Тетис. Это объяснение было найдено, и оно подробно
рассматривается в следующем разделе как одно из свиде¬
тельств, подтверждающих теорию разрастания морского
дна.
То, что в каменноугольный период на Земле существова¬
ли маломощные шапки полярных льдов и происходило за¬
топление больших территорий суши, не объясняет мягкость
климата. Сами эти явления были результатом мягкого и
однородного на всей Земле климата. Теперь мы считаем,
что однородный умеренный климат в ту эпоху могла со¬
здать система океанических течений. На рис. 21.2 показан
один из вариантов интерпретации того, как единый конти¬
нент Пангея мог влиять на циркуляцию океанских вод и,
следовательно, на распределение тепла от экваториальных
областей до высоких широт. В целом схемы циркуляции
просты, и предполагаемый перенос тепла происходил гораз¬
до проще, чем при нынешней сложной системе циркуляции
океанских вод. Главные течения несли теплые воды прямо в
оба полярных региона. Еще важнее то, что поверхностные
воды охлаждались у полюсов гораздо меньшее время, чем
нагревались у экватора, откуда мы можем сделать вывод,
что поверхность океана в течение каменноугольного периода
была намного теплее. Кроме того, незначительное охлажде¬
362
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
ние в полярных широтах, вероятно, не могло вызвать такое
же опускание крупных масс поверхностных вод (так как
именно охлаждение увеличивает плотность воды), какое
происходит в современных океанах. Следовательно, даже
более глубокие слои воды в древних океанах по нынешним
меркам могли быть теплее.
Остаточная намагниченность пород:
дрейф полюсов или дрейф континентов?
Прежде всего вспомним, что положение полюсов и экватора
в приведенном выше описании были определены на основе
данных о древнем климате. Есть еще один способ узнать,
где раньше находились полюсы, — изучить ключевые дан¬
ные, “запечатленные” в породах при их формировании. Ког¬
да расплавленная лава изливается на земную поверхность и
начинает застывать, часть молекул окислов железа “выстра¬
ивается” вдоль силовых линий магнитного поля Земли, по¬
скольку сами молекулы окислов железа обладают “магнит¬
ной полярностью” наподобие мельчайших компасов. После
затвердевания порода сохраняет “память” о том, где во вре¬
мя ее образования находились магнитные полюсы, — о на¬
правлении вектора остаточной намагниченности.
На рис. 21.3 показано, что силовые линии геомагнитного
поля вблизи полюсов почти вертикальны, а у магнитного
экватора почти горизонтальны. Следовательно, магнитное
наклонение вектора остаточной намагниченности, т. е. угол,
образуемый им с горизонтальной плоскостью, дает как нд,-
правление на магнитный полюс, существовавший во время
затвердевания породы, так и широту того места, где извер¬
галась лава. Если теперь предположить, что магнитный и
географический полюсы совпадают или по крайней мере
располагаются поблизости друг от друга, то магнитную
“широту” можно также интерпретировать как географиче¬
скую широту, на которой произошло излияние лавы.
Геофизики стали широко применять данные об остаточ¬
ной намагниченности пород, но только после того, как поя¬
вилась возможность сочетать их с методом “датировки”,
при помощи которого удается определять возраст породы,
т. е. то, как давно она затвердела. Тщательно отбирая об¬
разцы пород различного возраста, но из одного и того же
места, например из одного вулкана, они установили, что
векторы остаточной намагниченности для пород разного
возраста часто бывают разного направления, что указывает
на последовательно изменяющееся положение магнитных
полюсов. В результате этого открытия в дальнейшем поя¬
вился термин “блуждание полюсов”. Если предполагать,
что сам континент не движется, то единственным правдопо¬
добным объяснением изменяющегося положения магнитно¬
го полюса относительно данного континента будет смеще¬
ние полюса. Сначала это и было рабочей гипотезой, так как
невозможно было точно объяснить первоначальное положе¬
ние магнитного полюса, а факт его последующего смещения
уже нельзя было отрицать. Пример блуждания полюса при¬
веден на рис. 21.4, а.
Однако на этом рисунке показано также, что извилистая
траектория миграции Северного магнитного полюса, опре¬
деленная по породам Южной Америки, сильно отличается
от траектории, полученной по породам Африки. Время, со¬
ответствующее последовательным периодам перемещения
полюсов, указано в миллионах лет назад. Заметим, что по
форме эти две траектории почти одинаковы в интервале
времени от 400 до 250—300 млн. лет назад [18], но стано¬
вятся различными в более поздние геологические эпохи. В
итоге, как показано на рис. 21.4,6, если эти два континента
сдвинуть и чуть-чуть повернуть, то пути миграции полюсов
Рис. 21.3. Земля и семейство кривых, представляющих со¬
бой силовые линии геомагнитного поля. Вблизи магнитных
полюсов силовые линии почти вертикальны по отношению к
поверхности Земли, как показано ориентировкой контроль¬
ных магнитных диполей (магнитных стрелок). У экватора
магнитное поле почти параллельно земной поверхности.
Когда поток жидкой лавы извергается и остывает, а затем
затвердевает, часть намагниченных молекул в лаве ориенти¬
руется в соответствии с локальным магнитным полем и
остается в таком положении. Местоположение магнитного
поля в это время фиксируется в породе, даже если впо¬
следствии магнитный полюс смещается и занимает на Земле
какое-то другое положение.
ГЛАВА 21. ТЕКТОНИКА ПЛИТ И ОКЕАНИЧЕСКИЕ БАССЕЙНЫ
363
для промежутка времени от 400 до 250 млн. лет назад с
большой точностью совпадут. Этот ошеломляющий резуль¬
тат впервые был получен в 1950-е годы. Он по существу под¬
твердил гипотезу Вегенера о том, что примерно 200 млн.
лет назад континенты стали отдаляться друг от друга. По¬
добные исследования были проведены и для других групп
континентов — результаты оказались сходными.
Сходство ассоциаций ископаемых организмов:
сухопутные мосты или дрейф континентов?
Осадочные породы, включающие пласты угля, содержат ис¬
копаемые остатки организмов, живших в то время, когда
формировались породы или когда отлагалось органическое
вещество, которое в конце концов превратилось в уголь. Те¬
перь палеонтологи могут расположить породы в хронологи¬
ческом порядке на основании содержащихся в них окамене¬
лостей — от настоящего времени примерно до 570 млн. лет
назад, когда появились беспозвоночные животные, которые
строили раковины, способные на долгое время оставить
следы в уплотненном осадке. Поскольку палеонтологическая
летопись складывалась из образцов, собранных по всему
миру, стало очевидно, что вполне определенные сочетания
окаменелостей могут быть связаны только с совершенно
определенным моментом геологического времени, т. е. они
отражают эволюцию самих видов, и что породы с одинако¬
выми ассоциациями окаменелостей должны иметь один и
тот же возраст независимо от того, на каком континенте
развиты эти породы. Данный способ определения возраста
имеет важнейшее значение как для геологов, так и для био¬
логов.
К началу 1900-х годов стало ясно, что такие идентичные
ассоциации ископаемых организмов встречаются на различ¬
ных “парах” континентов: в Южной Америке — Африке, в
Индии — Австралии и в паре Африка — Австралия и Ан¬
тарктида. При отсутствии других гипотез о том, каким об¬
разом сходные сообщества живых организмов могли од¬
новременно существовать на континентах, разделенных ты¬
сячами километров, биологи и зоологи выдвинули идею о
“сухопутных мостах”. Предполагалось, что каждую пару
континентов, на которых были развиты похожие сообщест¬
ва организмов, в какой-то период времени в прошлом свя¬
зывали участки суши, но впоследствии эти “мосты” погру¬
зились в море. Если потом отдельные ветви первоначально¬
го сообщества стали резко различаться, это считалось про¬
сто свидетельством эволюции или естественного отбора ви¬
дов в ходе развития существовавшего раньше сообщества.
Гипотеза Вегенера поразила “в самое сердце” гипотезу о
сухопутных мостах, предложив более логичное объяснение
тех же самых биологических данных. Иначе говоря, боль¬
шая часть аргументов в поддержку сухопутных мостов, свя¬
зывающих континенты, с тем же успехом подходила и для
дрейфа континентов. Или еще другими словами: те грани¬
цы, которые разделили первичный массив Пангеи, не были
биогеографическими границами. Например, районы пу¬
стынь не отделились от тропических джунглей; вместо это¬
го пустыни раскололись на две части, джунгли и горные
хребты тоже разделились. Как ни странно, Вегенер не полу¬
чил существенной поддержки от биологов, хотя ко времени
выхода его работы (1929 г.) геофизические возражения про¬
тив концепции сухопутных мостов, основанные на различ¬
ных плотностях сиаля и симы, были уже хорошо известны.
(а) Данные по породам, отобранным на Африканском и Южно-
Американском континентах, свидетельствуют о том, что положе¬
ние Северного магнитного полюса для каждого континента «блуж¬
дало» в течение геологического времени. Заметим, что формы и из¬
гибы этих двух траекторий в значительной степени похожи для ин¬
тервала времени от 400 примерно до 280 млн лет назад.
(б) Если теперь континенты с соответствующими следами переме¬
щения магнитных полюсов повернуть до показанного положения,
когда континенты лучше всего совпадают по очертаниям их берего¬
вых линий, то окажется, что траектории миграции полюсов для ин¬
тервала времени от 400 примерно до 280 млн лет назад совпадают.
Вывод: в этот период континенты составляли одно целое.
Рис. 21.4. «Связь» между миграцией Северного магнитного полюса в течение геологического времени и теорией дрейфа континентов [18].
364
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Определение абсолютного возраста
по радиоактивности:
теория дрейфа подтверждается
Большинство пород во время своего формирования содер¬
жит следы радиоактивных элементов, таких как уран, то¬
рий, рубидий или калий. С тех пор как в 1896 г. Анри Бекке¬
рель открыл явление радиоактивности, было детально изу¬
чено, как происходят процессы радиоактивного распада
этих элементов и превращения их в другие элементы. Для
каждого элемента, образующегося в процессе распада, ха¬
рактерен свой период полураспада (рис. 19.23). Распад
урана-235, превращающегося в свинец-207 с периодом полу¬
распада 700 тыс. лет, — один из таких процессов, широко
используемых геофизиками для определения возраста поро¬
ды (находим отношение атомов этой пары и умножаем его
на 700 000). Точно так же можно использовать многие дру¬
гие пары элементов, например распад калия-40 до аргона-40
с периодом полураспада 11 850 лет. Возраст породы, опре¬
деляемый этим способом, называется радиоизотопным или
абсолютным.
Один из классических примеров того, как радиоизотоп¬
ные возрасты пород подтверждают теорию дрейфа конти¬
нентов, — открытие, что возрастная граница в породах За¬
падной Африки продолжается в Южную Америку (рис.
21.5). Эту границу впервые закартировали в Африке между
породами с возрастом 2 млрд, лет (Эбурнейская провинция)
и с возрастом всего 550 млн. лет в Панафриканской ороге-
нической провинции. Позднее геологи, составлявшие карту
Атлантического побережья Бразилии, обнаружили форма¬
ции пород тех же возрастов и типов, что и в Западной
Африке. И еще важнее то, что граница между этими форма¬
циями, как оказалось, точно совпадает по направлению с
продолжением африканской границы, если эти два конти¬
нента сблизить, как показано на рис. 21.5, т. е. если вер-
Рис. 21.5. Как с помощью радиоизотопных измерений возраста
была закартирована граница между формациями пород двух резко
различных возрастов. Если Южную Америку и Африку «придви¬
нуть друг к другу», то эту границу можно непосредственно просле¬
дить с одного континента на другой. Это подтверждает гипотезу о
том, что Южная Америка и Африка представляли собой единое це¬
лое по крайней мере до 550 млн. лет назад (возраст более молодой
из этих двух формаций) [5].
нуть их в то положение относительно друг друга, какое
они, вероятно, занимали в древней Пангее.
Таким образом, к середине 1960-х годов наука накопила
огромное множество доказательств того, что современные
континенты действительно образовались в результате рас¬
кола более крупного и более древнего массива. Однако ши¬
рокое признание теории дрейфа континентов в наше время
стало возможным только благодаря развитию новой гло¬
бальной геологической теории в течение одного десятиле¬
тия: с 1955 по 1965 г. Параллельно с конкретным изучением
географии дрейфа развивалась новая теория — разрастания
морского дна. Она дала первое правдоподобное объяснение
того, почему континенты должны были разделиться в тече¬
ние геологической эпохи, начавшейся 200 млн. лет назад и
продолжавшейся до настоящего времени. Но еще важнее,
что новая теория позволила определить скорости, с кото¬
рыми происходил дрейф континентов, и доказала, что кон¬
тиненты движутся и сегодня.
Разрастание океанического дна
Данные о возрасте океанической коры
Нигде на дне океанических бассейнов не обнаружены поро¬
ды древнее примерно 150 млн. лет. Первый систематичес¬
кий отбор образцов с океанического дна был произведен во
время рейса судна “Челленджер” (1873—1876 гг.). Эти пер¬
вые данные были разрозненными, так как в лучшем случае
команде “Челленджера” удавалось только изредка, в случай¬
ных местах соскоблить породу со дна океана.
Один из самых производительных способов разведки дна
океанических бассейнов был разработан во второй половине
1960-х годов. “Гломар-Челленджер” — судно, специально
оборудованное для бурения скважин и извлечения керна из
глубоководных осадков. С этого судна была извлечена серия
кернов по профилю 6, пройденному в рамках программы
глубоководного бурения (DSDP) в западной части Тихого
океана (расположение скважин показано на рис. 21.6). По¬
зднее, используя радиоизотопный метод и то, что уже было
известно о возрасте различных слоев в этих осадках, опре¬
делили возраст полученных образцов. В результате была
построена последовательность “изолиний” геологического
возраста океанического дна к западу от Гавайских островов.
Когда их объединили с уже имевшимися данными бурения,
весь Тихоокеанский бассейн оказался покрыт такими изо¬
хронами, начиная с области развития плейстоценовых по¬
род на гребне самого Восточно-Тихоокеанского поднятия —
срединно-океанического хребта Тихого океана. Возраст са¬
мых древних пород превышает 136 млн. лет — рубеж мело¬
вого и юрского геологических периодов. Последователь¬
ность возрастов завершается у Идзу-Бонинского желоба к
востоку от Японии и у дугообразной линии Марианского
желоба. Сведения такого рода представляют собой очень
веское доказательство того, что новая океаническая кора
внедряется в морское дно вдоль срединно-океанических
хребтов и в конце концов исчезает в глубоководных жело¬
бах.
Полосовые аномалии геомагнитного поля —
решающее доказательство
Сила тяжести и магнетизм долгое время владеют умами
ученых, занятых науками о Земле. Благодаря прогрессу тех¬
ники во время второй мировой войны геофизики в 1950-е го-
ГЛАВА 21. ТЕКТОНИКА ПЛИТ И ОКЕАНИЧЕСКИЕ БАССЕЙНЫ
365
Современное положение
Восточно- Тихоокеанско-
го поднятия
Рис. 21.6. Последовательность воз¬
растов пород океанической коры Ти¬
хого океана, начиная с самых моло¬
дых плейстоценовых пород возрас¬
том от 2 до 3 млн лет в окрестно¬
стях Восточно-Тихоокеанского под¬
нятия. Образцы, отобранные дальше
от этого поднятия, имеют последо¬
вательно все более древний возраст;
возраст самых древних пород — бо¬
лее 136 млн лет. Этот ряд прерыва¬
ется у дугообразной линии, совпада¬
ющей с Марианским желобом [6].
12 млн, лет назад
26 млн. лет
38 млн. лет
65 млн. лет
88 млн. лет
110 млн. лет
136 млн.лет
Более 136 млн. лет вплоть до Марианского желоба
Рис. 21.7. Распределение магнитных аномалий в восточной части
Тихого океана. Заметим, что полосовые аномалии располагаются
параллельно гребню срединно-океанического хребта Хуан-де-Фука.
Стрелками показано смещение этих магнитных аномалий по круп¬
ному разлому Мендосино [16].
ды смогли начать систематическое картирование гравитаци¬
онного и магнитного полей Земли. Для магнитных исследо¬
ваний в море был разработан чувствительный магнитометр,
буксируемый на некотором расстоянии от корабля (чтобы
избежать искажения геомагнитного поля железным корпу¬
сом судна). Магнитометр фиксирует напряженность локаль¬
ного магнитного поля. Объединяя данные магнитных изме¬
рений, полученные по сериям близко расположенных профи¬
лей, ученые вскоре смогли построить карты напряженности
магнитного поля Земли для больших площадей океаничес¬
ких бассейнов, в том числе для срединно-океанических хреб¬
тов.
На картах, вычерченных по этим магнитным данным,
проявились своеобразные, зачастую линейно вытянутые
“полосы”, в которых напряженность магнитного поля коле¬
балась между значениями выше среднего и ниже среднего.
Эти отклонения от среднего к более высоким или низким
значениям напряженности получили название положитель¬
ных и отрицательных аномалий магнитного поля. Полосо¬
вые аномалии выглядят параллельными осевым линиям
срединно-океанических хребтов. На рис. 21.7 они параллель¬
ны гребню хребта Хуан-де-Фука, находящегося в северо-
восточной части Тихого океана. Хотя похожего вида систе¬
мы магнитных аномалий, параллельных срединно-океани¬
ческим хребтам, обнаруживались и в других океанах, ника¬
кого подходящего объяснения их формы найдено не было.
Тем временем продолжались работы по изучению палео¬
магнетизма, “запечатленного” в молодых лавовых потоках
на суше, и определению возраста этих молодых пород. В
результате вскоре стало ясно, что открыто новое явление: в
разное время в прошлом магнитные полюсы Земли меня-
366
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
(а) Временная шкала геомагнитных инверсий. Показаны интервалы времени, когда полярность геомаг¬
нитного поля была нормальной, как в настоящее время, или обратной, и отмечены интервалы геологи¬
ческого времени, в которые происходила инверсия. Эпизоды одинаковой полярности носят особые назва¬
ния [2]. (б) Участки океанической коры, для которых имеются данные о нормальной и обратной намаг¬
ниченности.
Рис. 21.8. Геомагнитные инверсии — важнейшее свидетельство разрастания морского дна.
лись местами — Северный полюс становился Южным, а за¬
тем эта инверсия повторялась снова и снова. Впоследствии
для таких инверсий геомагнитного поля построили “времен¬
ную” шкалу, использовав радиоизотопный калий-аргоновый
метод определения возраста пород; результаты этих работ
показаны на рис. 21.8, а. На приведенной шкале полярность
в те периоды истории Земли, когда магнитные полюсы бы¬
ли расположены так же, как в настоящее время (Северный
магнитный полюс примерно совпадает с географическим),
называется нормальной, противоположная полярность на¬
зывается обратной.
Соединить данные о возрасте материала океанического
дна с данными о временах инверсии геомагнитного поля вы¬
пало на долю двух английских геофизиков — Мэтьюза и
Вайна. Согласно их рассуждениям, когда новая расплавлен¬
ная лава извергалась на поверхность вдоль срединно¬
океанических хребтов и застывала, она должна была намаг¬
ничиваться в соответствии с полярностью геомагнитного
поля того времени. Магнитное поле Земли в сочетании с
магнитным полем, зафиксированным в новой застывшей ла¬
ве, будет давать в сумме напряженность выше среднего зна¬
чения. Но позднее, после того как произошла инверсия соб¬
ственного магнитного поля Земли, суммарная напряжен¬
ность поля на соответствующем участке коры должна ока¬
заться ниже среднего значения, так как “заключенная” в са¬
мой породе намагниченность будет противоположна по зна¬
ку обращенному полю. Далее они рассуждали так. Если но¬
вая лава постоянно внедрялась в зоны хребтов, она, вероят¬
но, раздвигала затвердевший и намагниченный раньше ма¬
териал в стороны от хребта. Вот как писал об этом в 1977 г.
Ван Андел [20]: “Они представляли себе дно океана в виде
гигантского магнитофона, записывающего историю геомаг¬
нитного поля на ленте, только что образовавшейся в рифте
и отодвигающейся от него вместе с морским дном”. Это
представление схематически иллюстрируется рис. 21.8,6.
Нужно было сделать еще один, последний, шаг. Теперь
можно было рассчитать скорость разрастания морского
дна, измерив расстояние по дну океана между последова¬
тельными магнитными аномалиями и интервал времени,
прошедший между их возникновением.
Этим расчетам скоростей сразу же нашли два примене¬
ния. Во-первых, возраст вещества, поднятого в виде керна
со дна океанов, сопоставили с возрастами, выведенными по
магнитным аномалиям. Во-вторых, были обнаружены чет¬
кие смещения всей системы полосовых магнитных анома¬
лий через разные расстояния вдоль осевых линий срединно¬
океанических хребтов. Их интерпретировали как зоны
разломов — области, где блоки океанического дна отталки¬
вались от хребта с разными скоростями (рис. 4.1). Один из
самых ярких примеров такой зоны разломов находится не¬
посредственно к западу от мыса Мендосино, шт. Калифор¬
ния.
Объединение всех этих различных представлений и фак¬
тических данных дало науке первое правдоподобное под¬
тверждение того, что в прошлые геологические эпохи дно
океанических бассейнов находилось в движении. Однако не¬
обходимы были дальнейшие исследования, чтобы подтвер¬
дить саму теорию разрастания морского дна. Все еще су¬
ществовала огромная проблема того самого источника
энергии, который способен вызвать все подобные движения.
ГЛАВА 21. ТЕКТОНИКА ПЛИТ И ОКЕАНИЧЕСКИЕ БАССЕЙНЫ
367
Радиоактивные источники энергии внутри Земли:
данные о тепловом потоке
Уже несколько столетий известно, что температура внут¬
ри Земли возрастает с глубиной (это можно наблюдать
во многих глубоких шахтах) и что она растет с глубиной
довольно равномерно. Не имея лучших данных, ученые
XIX в., например лорд Кельвин, сделали вывод, что Земля
просто остывает от первоначального нагретого состояния.
Эта точка зрения резко ограничивала геологию как науку,
поскольку продолжительность временной шкалы для про¬
сто остывающей Земли была совсем небольшой и в рамках
этой шкалы невозможно было объяснить все геологические
процессы. Она ограничивала жесткими рамками и эволюци¬
онное учение Дарвина.
Когда А. Беккерель открыл, что уран испускает “лучи”,
которые действуют на фотопластинки даже в полной тем¬
ноте, а Мария Кюри в 1903 г. открыла радий, наука оказа¬
лась на пути, позволившем преодолеть ограничения, налага¬
емые представлением об остывающей Земле. В 1906 г. Рэ¬
лей подсчитал, что современный тепловой поток из недр
Земли можно объяснить тем теплом, которое выделяют са¬
ми радиоактивные минералы в земной коре. Кроме того,
это тепло, вероятно, генерируется постоянно, так что сов¬
ременные процессы находятся “в состоянии устойчивого
равновесия” и не зависят от того, когда “началась” Земля.
Эти успехи физической химии оказали большую поддержку
дарвиновской теории, позволив экстраполировать “геологи¬
ческое время” гораздо дальше в прошлое, чем это было воз¬
можно прежде. И даже более того, они нашли тот самый
источник энергии, который мог подтвердить теории разрас¬
тания океанического дна и дрейфа континентов.
Тепло, высвобождавшееся в мантии Земли за счет радио¬
активного распада, может вызвать образование магматиче¬
ских струй (“плюмов”), из которых и образуется новая кора в
зонах срединно-океанических рифтов. Отсюда следует, что
океанские воды над “теплыми” хребтами должны получать
больше тепла, чем в любом другом месте. В течение 1960-х
годов ученые много раз измеряли тепловой поток, направ¬
ленный вверх через осадочные слои, покрывающие дно океа¬
нов. Согласно полученным результатам, тепловой поток над
срединно-океаническими хребтами достигает 5 мккал/(см2 • с)
против всего 1 мккал/(см2 • с) или около того в районах океа¬
нического дна, удаленных от хребтов, и, таким образом, эта
гипотеза в принципе подтвердилась. Однако теоретически
тепловой поток в зонах срединно-океанических хребтов до¬
лжен быть гораздо выше; проблема этого “дефицита” оста¬
валась нерешенной еще десятилетие, пока ученые, используя
подводные аппараты, не открыли “гидротермальные источ¬
ники” рифтовых зон (см. также гл. 19).
Сейсмические пояса
В середине 1950-х годов, вслед за созданием водородных
бомб и проведением испытательных ядерных взрывов, при
поддержке правительств разных стран по всему земному
шару были размещены многочисленные сейсмические стан¬
ции, на которых стали проводить непрерывные наблюде¬
ния. Одним из самых полезных результатов развития сети
сейсмических станций было накопление весьма точных дан¬
ных о расположении эпицентров землетрясений (исчисляе¬
мых тысячами). Зарегистрированные в 1961—1967 гг. по
всему миру землетрясения с очагами на глубинах до 100 км
показаны на рис. 21.9, а. Бросается в глаза концентрация
эпицентров в кольцевом поясе вокруг Тихоокеанского
бассейна — особенность, которая совпадает со старым опи¬
санием Тихого океана как океана “в огненном кольце”.
Не менее важно то, что, как свидетельствует рис. 21.9,а,
во всех океанических бассейнах существуют обширные пло¬
щади, где землетрясения почти или вовсе не происходят.
Все землетрясения приурочены к узким зонам, которые точ¬
но совпадают с осевыми линиями срединно-океанических
хребтов и со связанными с ними зонами разломов. В преде¬
лах собственно океанической коры, уже сформировавшейся,
вдоль зон разломов происходят лишь относительные пере¬
мещения и, следовательно, лишь на короткие расстояния от
самого хребта. Отсюда мы делаем вывод, что океаническая
кора вдали от области своего возникновения перемещается,
как правило, в виде единой плиты. Это важнейший элемент
в построении глобальной теории тектоники плит.
Итак, умозаключения Вегенера стали приносить плоды.
Он выдвинул предположение, что континенты раздвигают¬
ся, и эта его гипотеза наконец завоевала широкое призна¬
ние. Но он полагал, кроме того, что континенты “продира¬
ются” через дно океанов почти так же, как плуг по пашне.
Представления о разрастании морского дна положили конец
спорам о том, каким образом континенты могут двигаться
по литосфере Земли, — движется сама литосфера. В то же
время принятие теории разрастания морского дна выдвину¬
ло новую проблему — объяснить исчезновение древней океа¬
нической коры. Путь к решению этой проблемы и стал той
дорогой, по которой ученые подошли к возникшей в самое
последнее время (а некоторые считают, что и заключитель¬
ной) главе в развитии глобальной геологии — к теории тек¬
тоники плит.
Тектоника плит
По мере того как возрастал объем данных в пользу теории
континентального дрейфа и связанной с ней теории разрас¬
тания морского дна, росло желание выработать общую тео¬
рию, с помощью которой можно было бы объяснить гло¬
бальные геологические и геофизические процессы. Новые
данные о землетрясениях привели к другим интересным со¬
ображениям. Например, на рис. 21.9,6 показано распределе¬
ние очень сильных сейсмических толчков — тех, для кото¬
рых оценка магнитуды превышает 7,5 по шкале Рихтера. В
окрестностях срединно-океанических хребтов почти не отме¬
чены сильные землетрясения. Вместо этого если сравнить
рис. 21.9,6 с расположением крупных глубоководных жело¬
бов на рис. 4.7, то мы увидим почти точное совпадение
между расположением гипоцентров сильных землетрясений
и подводных желобов. Землетрясения, зарегистрированные
вдоль хребтов и зон разломов, были, во-первых, слабее, а,
во-вторых, очаги их располагались на меньших глубинах.
Формирование крупных блоков — “плит”
океанической коры
Как указал в 1962 г. Г. Хесс в ставшей классической статье
[9], при изучении распространения звуковых волн в океани¬
ческой коре было обнаружено, что она является тонкой,
однородной и разделенной на слои. Более того, во всех
крупных океанических бассейнах кора устроена одинаково.
Однородную слоистую структуру океанической коры можно
считать свидетельством того, что кора движется как единое
целое, а не дробится на куски и не сминается в складки. В
результате дальнейших исследований была создана модель
формирования нового морского дна в зоне срединно¬
океанических хребтов (рис. 21.10). В центре рис. 21.10 пока-
(а) Расположение эпицентров мелкофокусных землетрясений за 1961—1967 гг. Чаще всего землетрясения
происходят на глубинах менее 100 км [1].
-то
1Т0
я
«
10
о
-10
-ао
-30
•о
-я
-во
О 10
то
-1Л) -1® -1Я -140 -130 -1® -1Ю -1Q0 -я о -то -в -зи -« 30 -во -10 о
(6) Распределение эпицентров сильных землетрясений (с магнитудой выше 7,5 по шкале Рихтера) за
1897—1974 гг. Очаги этих землетрясений расположены преимущественно глубоко в земной коре, на глу¬
бинах от 100 до 700 км (по данным Национального управления США по океанам и атмосфере).
Рис. 21.9. Зоны эпицентров землетрясений отмечают активные границы в земной коре.
ГЛАВА 21. ТЕКТОНИКА ПЛИТ И ОКЕАНИЧЕСКИЕ БАССЕЙНЫ
369
Рис. 21.10. Одна из моделей формирова¬
ния срединно-океанического хребта. Верши¬
ны хребтов обычно находятся на глубине
около 3 000 м от поверхности моря в преде¬
лах поднятия, ширина которого вкрест про¬
стирания хребта составляет сотни километ¬
ров. Видно, что литосфера движется в го¬
ризонтальном направлении как единое це¬
лое. Мохо — раздел между слоями, сложен¬
ными кристаллическими породами типа
габбро (вверху), и слоем верхней мантии
(внизу), строение которого неизвестно.
зана струя поднимающегося горячего пластичного вещества
астеносферы — размягченной части мантии Земли. По мере
того как самые верхние части этого потока остывают и за¬
твердевают, глыбы новой коры отрываются и сползают
вниз по обеим сторонам поднятия. Новые порции магмы
внедряются в узкие вытянутые трещины — рифты. Часть
магмы прорывается наружу и приходит в соприкосновение с
вышележащей морской водой, эта часть магмы быстро
остывает и формирует характерные шаровые лавы, кото¬
рые так часто встречаются на поверхностях срединно¬
океанических хребтов. Хотя мощность быстро застывшего
слоя лавы всего несколько сотен метров, в ней отпечатыва¬
ется влияние магнитного поля Земли, с чем связано появле¬
ние полосовых магнитных аномалий. Ниже слоя шаровых
лав находится слой, образованный повторяющимся растре¬
скиванием и внедрением даек. Обычно его мощность дости¬
гает 1500 м, он перемещается в стороны от хребта и вниз
по его склонам.
Вместе с верхним лавовым покровом в движении нахо¬
дится и гораздо более мощная консолидированная часть
расслоенной плиты. Она сложена в основном грубозерни¬
стой базальтовой породой, называемой габбро. Крупная
зернистость породы обусловлена более медленным остыва¬
нием. Мощность этого слоя обычно равна около 5000 м.
Следовательно, общая мощность литосферы до данного
уровня составляет около 7000 м. Ниже него находится пере¬
ходная зона изменчивой мощности, а под ней лежит соб¬
ственно верхняя мантия. Подошва верхней мантии, находя¬
щаяся на глубине примерно 50 км, отмечает самый нижний
уровень консолидированной литосферной плиты.
Переходная зона — сама по себе интересный объект. Ее
открытие стало возможным благодаря развитию сейсмиче¬
ского зондирования. Сначала устанавливается группа чувст¬
вительных приемников звуковых волн (называемых сейсмо¬
метрами), а затем на некотором расстоянии от них произ¬
водится взрыв. Энергия звуковых волн распространяется че¬
рез Землю и улавливается чувствительными приемниками.
Часть энергии отражается непосредственно от границ меж¬
ду слоями разного вещественного состава, например между
интрузивным дайковым комплексом и слоем габбро на рис.
20.10. В результате определяются мощности этих слоев.
Часть энергии звуковых волн, напротив, распространяется
вдоль слоя на некоторое расстояние, перед тем как оказать¬
ся рассеянной и вновь выйти на поверхность, достигнув
принимающей установки. Это позволяет оценить минераль¬
ный состав и кристаллическую структуру пород таких сло¬
ев, поскольку через каждый тип горных пород звуковые во¬
лны проходят с характерной для него скоростью. Что каса¬
ется только что описанной переходной зоны, то продоль¬
ные волны распространяются со скоростью более 8,1 км/с
ниже ее, т. е. в веществе верхней мантии, и со скоростью
всего 6,2—6,7 км/с выше ее. Эта зона называется разделом
Мохоровичича*; считают, что она соответствует фазовому
переходу в материале мантии.
В течение 1960-х годов были начаты работы по проекту,
названному “Moxoji”, с целью пробурить скважину в верх¬
нюю мантию и поднять на поверхность образцы ее вещест¬
ва. Этот проект не был выполнен, но вызвал такой огром¬
ный интерес, что были организованы и продолжаются по
сей день весьма продуктивные исследования по другой
программе — Проекту глубоководного бурения (DSDP)
морского дна.
Хесс выдвинул также идею, что где бы ни сближались
при своем движении плиты, одна из них затягивается под
другую. Таким поддвиганием, вероятно, можно объяснить,
например, формирование глубоководных желобов, а то, что
погружающаяся плита снова попадает в астеносферу, воз¬
можно, компенсирует образование коры в центрах разраста¬
ния морского дна. Эта идея способствовала дальнейшему
утверждению революции в глобальной геологии.
* Ее открыл в 1908 г. сербский геофизик Андрия Мохоровичич.
370
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Теория взаимодействия плит на их границах
В принципе, поскольку вся Земля “покрыта коркой”, круп¬
ные плиты могут взаимодействовать друг с другом только
тремя способами: они могут сталкиваться (сближаться, на¬
ходиться в процессе конвергенции), скользить одна относи¬
тельно другой (трансформное скольжение) или отодвигаться
друг от друга (расходиться). Разрастание морского дна ста¬
ло общепризнанным объяснением для дивергентного дви¬
жения (расхождения) плит, а существование на океаничес¬
ком дне глубоководных желобов, по-видимому, непосредст¬
венно связано с конвергентным типом движения (сближе¬
нием) плит. В 1968 г. Морган [14] указал, что давно уже су¬
ществует теория, способная объяснить, как должны взаимо¬
действовать плиты. Знаменитый математик Леонард Эйлер
(1707—1783) доказал, что относительное перемещение двух
жестких плит на поверхности сферы можно описать как
вращение обеих плит вокруг некоторой общей оси.
Это замечание стало “поворотным пунктом” в развитии
науки. Геологи начали собирать и использовать данные о
вращении существующих границ плит; появилась модель с
шестью крупными плитами (рис. 21.11), медленно вращаю¬
щимися одна относительно другой. При любом конкретном
виде сочленения плит их относительное движение может
быть конвергентным, дивергентным или продольным
скольжением либо представлять собой сочетание скольже¬
ния с одним из двух других типов движения. Другая класси¬
фикация основана на том, является ли граница активной,
что обычно означает наличие сейсмической активности и пе¬
риодических относительных перемещений. Эти классифика¬
ции приведены в табл. 21.1, а также проиллюстрированы
примерами движения плит на рис. 21.11.
Пассивные окраины — континентальная
и океаническая кора
Вероятно, лучше всего изученный пример пассивной
окраины — сочленение между восточным побережьем США
и западным краем морского дна Северной Атлантики. На
рис. 21.12 показан геологический разрез через этот регион
от океанического хребта и рифтовой зоны (подробно пока¬
занной на рис. 21.10) до собственно Северо-Американского
континента. Он иллюстрирует по меньшей мере два из наи¬
более интересных аспектов тектоники плит: во-первых, что
океаническая кора остается наклонной на любом расстоянии
от “центра спрединга” и, во-вторых, то, как на разрастаю¬
щейся океанической коре накапливаются осадки.
Наклон океанической коры. Этот наклон очень хорошо ви¬
ден на разрезе, приведенном на рис. 21.12. Вблизи рифтовой
120° 150° 180° 150° 120° 90°
60° 30°
0° 30° 60° 90°
О
Западная часть
Северной Атлантики —
О
Тихоокеанская
плита (Наска) —
Американские плиты
(столкновение,
океаническая кора
поддвигается
под континентальную)
О
Океаническая кора -
океаническая кора
(столкновение
сформированием
типичных
островных дуг)
Океаническая кора —
океаническая кора
(скольжение,
разлом Мендосино)
Континент -
континент
(скольжение,
□
Континент-
континент
(столкновение
Индии с Азией)
Рис. 21.11. Границы шести крупных литосферных плит. Показаны
примеры всех основных классов границ плит, описанных в
табл. 21.1. Линии со стрелками, обращенными в разные стороны,
обозначают дивергентные границы, типичные для всех центров
разрастания вдоль срединно-океанических хребтов. Линии со стрел¬
ками, обращенными друг к другу, обозначают конвергентные гра¬
ницы. В обоих случаях расстояния между стрелками пропорцио¬
нальны относительной скорости перемещения плит [12].
ГЛАВА 21. ТЕКТОНИКА ПЛИТ И ОКЕАНИЧЕСКИЕ БАССЕЙНЫ
371
Таблица 21.1. Классификация границ плит, основанная на типе относительного перемещения между соседними плитами и на активности или пас¬
сивности границ (приводятся примеры границ каждого типа)
Тип относительного пе- Описание
ремехцеяия
Сейсмически активна или пассивна Примеры
Перемещение отсут¬
ствует
Никакого относительного перемеще¬
ния между плитами
Пассивна
Расхождение
Плиты раздвигаются, обычно в про¬
тивоположных направлениях
Активна (мелкофокусные
землетрясения)
Сближение
(1) Океаническая плита поддвигается
под континентальную (континен¬
тальная зона субдукцин)
(2) Океаническая плита поддвигается
под другую океаническую (остро¬
водужная зона субдукцин)
Активна (глубокофокусные
землетрясения)
Активна (глубокофокусные
землетрясения)
(3) Столкновение двух континеяталь-
Активна
ных плит
Трансформное
скольжение
(1) Океаническая плита скользит от¬
носительно соседней океанической
плиты
(2) Континентальная плита скользит
относительно другой континен¬
тальной плиты
Западный край Северной Атлантики и
восточное побережье Северной Америки
(рис. 21.11,21.12)
Практически все срединно-океанические
хребты (рис. 21.10)
Побережье Чили: тихоокеанская плита
Наска и Южная Америка (расположение
см. на рис. 21.11)
Дуга Скоша; Алеутская дуга; Мариан¬
ская дуга (расположение см. на рис.
21.11)
Активна (мелкофокусные
землетрясения)
Активна (мелкофокусные
землетрясения)
Индия — Азия; Гималаи (расположение
см. на рис. 21.11)
Уступ Мендосино (расположение см. на
рис. 21.11, величину перемещения — на
рис. 21.7)
Разлом Сан-Андреас, Калифорния (рас¬
положение см. на рис. 21.11)
зоны остывшая и затвердевшая кора, образовавшаяся из
поднимающихся мантийных плюмов, легко растаскивает¬
ся в стороны, что связано с двумя причинами: во-первых,
здесь океаническое дно наклонено наиболее круто, так что
остывшая кора подвергается растяжению из-за тенденции
сползать вниз; во-вторых, затвердевшая кора здесь тоньше
всего и легче разрывается. Это служит основной причиной
появления многочисленных даек, образующихся в результа¬
те того, что дополнительная магма внедряется в рифты и
цементирует куски коры в единое целое. С удалением от
осевой зоны рифта остывание и затвердевание захватывают
более глубокие области астеносферы, и литосферная плита
становится толще, но мощности самых верхних ее слоев не
меняются. В конце концов даже этот процесс утолщения ко¬
ры прекращается, так как магма все сильнее изолируется от
охлаждающих океанических вод.
По мере остывания и затвердевания магма уменьшается
в объеме. Следовательно, произойдет одно из двух: либо
более плотная твердая кора утонет в менее плотном пла¬
стичном веществе расположенной ниже астеносферы, либо
она будет плавать, все глубже погружаясь в это вещество.
Поскольку твердая литосфера представляет собой цельную
структуру, она не распадается на куски и погружается, как
погружался бы тонущий корабль. Тем не менее, если где-
либо в пределах плиты появится рифт, огромный вес выше¬
лежащих пород выдавливает магму наверх, и часто такие
выходы магмы образуют подводные горы, как показано на
рис. 21.12. Эти горы сначала выступают над поверхностью
ШЕЛЬФ
КОНТИНЕНТАЛЬНОЕ ПОДНОЖИЕ
АБИССАЛЬНАЯ РАВНИНА
ОКЕАНИЧЕСКИЙ ХРЕБЕТ
Подпружяшые “Чю-ыекшопы
Слои океанической коры: 1 — осадки, возраст основания которых спилитовые; 3 — в верхней части главным образом рой даек, в
постепенно увеличивается с удалением от хребта; 2 — в основном нижней — преимущественно расслоенные габбро [3].
толеитовые (?) шаровые лавы, с удалением от хребта все более
Рис. 21.12. Разрез, иллюстрирующий соотношение между континентальной корой, океанической корой и слоями осадков в районе пассив¬
ной окраины, такой как граница между Северо-Атлантическим океаническим бассейном и Американским континентом.
372
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
моря, затем под действием эрозии они становятся более
плоскими и позднее совсем скрываются под водой в резуль¬
тате непрерывного погружения первичной коры с удалением
от центра спрединга. На рис. 4.1 видно, что на дне Тихого
океана подводных гор намного больше, чем в Атлантике.
Очевидно, океаническая кора погружается до тех пор, по¬
ка не достигнет глубины около 6000 м ниже уровня моря,
что происходит примерно через 75—100 млн. лет после ее
образования [20]. На рис. 21.12 это приблизительно соот¬
ветствует глубине кровли коры там, где она соприкасается с
Американским континентом. В этой точке кора перекрыта
несколькими километрами осадков.
Осадконакопление на океанической коре. На рис. 21.10 пока¬
зано, что первые осадки, накапливающиеся на новообразо¬
ванной океанической коре, — это “илы”, образованные суль¬
фидами металлов. Эти химические соединения растворимы в
горячей морской воде; среди них — сульфиды железа, мар¬
ганца, меди, никеля, свинца и кобальта (гл. 19, рис. 19.15).
Хотя есть причина считать, что этот илистый осадок при¬
сутствует по всему дну океанов, только вблизи хребтов он
достаточно обнажен, чтобы его можно было добывать.
По мере того как кора все дальше отодвигается от риф¬
товой зоны, на ней накапливаются биогенные осадки —
главным образом в форме известковых раковин морских ор¬
ганизмов. Еще дальше от рифтовой зоны и глубже по вод¬
ному столбу накопление известковых осадков на океаничес¬
ком дне уже не происходит, поскольку раковины, как прави¬
ло, растворяются в холодной воде на глубине более 4000 м.
Это явление, называемое компенсацией карбонатонакопле-
ния на глубине, препятствует дополнительному накоплению
такого осадка (гл. 5). Однако уже отложившиеся известко¬
вые осадки иногда сохраняются и постепенно перекрывают¬
ся лютитами — красноватыми глинами, типичными осадка¬
ми более глубоких частей океанических бассейнов.
Ближе к окраине континента характер осадков резко ме¬
няется от довольно однородных илов до беспорядочной
смеси материалов разного типа — от илов до обломочных
частиц, образовавшихся при размыве на континентах. Это
турбидиты — отложения турбидных потоков, которые
время от времени проносятся по континентальному склону
и подводным каньонам, вынося неотсортированные осадки
на дно абиссальных равнин континентального подножия.
Пассивное сочленение континентальной и океанической
плит. Как показано на рис. 21.12, зона соединения конти¬
нентальной и океанической плит имеет настолько сложное
строение, что для его общего описания используют термин
“переходная зона”. Здесь накапливается огромная масса гру¬
бого материала, сносимого с континента. Сам континент по
периметру нарушен разломами. Но наиболее важные осо¬
бенности этого сочленения таковы: 1) сейсмически оно со¬
вершенно неактивно; 2) нарушенная разломами, раздроблен¬
ная, иногда смятая в складки зона сочленения вполне при¬
способлена для накопления органических осадков, которые
впоследствии естественным путем превращаются в углево¬
дороды; 3) как шельф, так и сам берег, как правило, имеют
большую ширину, обширные прибрежные равнины и слож¬
ные, обладающие высокой продуктивностью системы эстуа¬
риев.
Активные окраины: океаническая плита
поддвигается под континентальную
На рис. 21.13 показан обобщенный разрез зоны субдукции, в
которой океаническая кора затягивается под континенталь¬
ный блок. Существует много разновидностей этой зоны, но
некоторые наиболее важные особенности характерны для
них всех.
Поддвигание и эпицентры землетрясений. Океаническая ко¬
ра, будучи тоньше и плотнее, чем континентальная, либо
заталкивается, либо затягивается вниз и поддвигается под
континент. В районе, где океаническая кора испытывает из¬
гиб, часто фиксируются неглубокие очаги землетрясений.
Следовательно, сейсмическая активность, по крайней мере
частично, — результат эпизодического образования срывов
и сбросов в коре.
Во время поддвигания океаническая кора бывает уже до¬
вольно древней и вполне остывшей. По мере погружения
она получает тепло от окружающего вещества, но в пла¬
стичную астеносферу входит, вероятно, все еще в сравни¬
тельно консолидированном состоянии. Трение между океа¬
нической и континентальной плитами в самой нижней ча¬
сти, на глубине, скажем, 100 км, — один из источников глу¬
бокофокусных землетрясений (см. также рис. 21.9).
" \х 1 i \ х 1z
\ X
,^'7 ^'7'
—- I — X \ — .
| х J х I X 4 I
71 х\сиаль х-
I <'
Океан
Осадки
Желоб
Расплавленная
океаническая
кора
Цепь андезитовых
вулканов
Аккреционная призма
(обычно осадки)
Впадина, целиком
или частично
заполненная
' '-'I
Перемешанные реликты
океанической коры
С \ .
\ - 1 '
-1/ \~7
х х Мелкофокусные землетрясения
• • Глубокие землетрясения
//
Рис. 21.13. Обобщенный разрез зоны сближения океаничес¬
кой плиты и континента. Океаническая плита испытывает
субдукцию, что сопровождается сейсмической активностью
на глубине и частичным повторным плавлением, в результа¬
те которого образуется расплавленное вещество для форми¬
рования вулканических горных цепей. Блоки осадочного ма¬
териала часто соскабливаются с поддвигающегося океаниче¬
ского дна* и «скучиваются», образуя структуру, которая
может выступать или не выступать над поверхностью моря.
Между цепью вулканов и современным берегом может рас¬
полагаться прибрежная равнина, серия береговых горных це¬
пей или не заполненная осадками впадина. Глубоководный
желоб обычно находится на самом внешнем крае этой систе¬
мы.
/
ГЛАВА 21. ТЕКТОНИКА ПЛИТ И ОКЕАНИЧЕСКИЕ БАССЕЙНЫ
373
Глубоководные желоба и аккреционные призмы. Как видно
на рис. 21.13, при поддвигании океаническая кора изгибается
и оставляет в морском дне “пустой клин” — так образуются
глубоководные желоба, проходящие почти по всей перифе¬
рии Тихого океана. В зависимости от многих условий такие
желоба могут быть или не быть в значительной степени за¬
полнены осадком. Фактически имеются два главных меха¬
низма, посредством которых осадки могут поступать в же¬
лоб. Первый и наиболее очевидный — это просто соскабли¬
вание осадка с верхних слоев океанической коры, пока она
скользит и уходит своим путем под континент. Если отно¬
сительное перемещение плит происходит эпизодически, как
обычно и бывает, мы обнаруживаем, что эти осадки нара¬
щивают край континента в виде масс, имеющих форму
клиньев, — в виде аккреционных призм.
Иногда нарастившие континент клинья надстраиваются
вверх и выступают над поверхностью моря. Тогда впадина,
образовавшаяся со стороны суши от этого хребта, может
заполняться осадками, сносимыми с континента. В конце
концов такие заполненные впадины могут превратиться в
прибрежные равнины, прибрежные возвышенности или
стать частью шельфа в зависимости от отношения скорости
аккреции к скорости эрозии и от других факторов.
Глубинное плавление и андезитовые вулканы. Когда под-
двигающаяся океаническая кора целиком проходит под ос¬
нование континента и попадает в толщу астеносферы, она
плавится, и расплавленная магма может снова подняться к
поверхности. Это источник вулканической деятельности, ко¬
торая вызывает формирование горных цепей на суше на
значительном расстоянии от зоны столкновения плит, на¬
пример Анд в Южной Америке и горных цепей Центральной
Америки. Важно то, что извергающиеся из этих вулканов
лавы по минеральному составу резко отличаются от лав,
извергающихся вдоль срединно-океанических хребтов. Вул¬
каны на континентах являются андезитовыми, т. е. их лава
значительно богаче кремнеземом (50—60%), чем базальты
подводных гор и хребтов (до 50%). Андезитовый характер
вулканического материала, извергающегося вблизи зон суб-
дукции, давно известен и изучается по меньшей мере столе¬
тие. Открытие подводных гидротермальных источников
вдоль срединно-океанических рифтов частично объясняет,
почему океанические базальты имеют особый минеральный
состав. Не только отдельные металлы выносятся из осты¬
вающей магмы в виде сульфидов, но и некоторые ионы уда¬
ляются из просачивающейся морской воды, в результате че¬
го внутри блоков коры образуются карманы с повышенным
содержанием сульфидов. Среди них — сульфиды железа, се¬
ребра, золота, меди и свинца. По мере того как древняя
океаническая кора испытывает субдукцию (рис. 21.13), часть
чехла, образованного биогенными осадками, часто богаты¬
ми кремнеземом, также оказывается в зоне субдукции. Ког¬
да смесь древней коры и осадка расплавляется, образующая¬
ся в результате этого новая магма будет содержать больше
кремнезема, а следовательно, ее состав будет андезитовым.
По мере того как эта магма извергается, формируя горные
цепи, подобные Андам, концентрации сульфидов увеличи¬
ваются — образуются руды минералов, которые мы добы¬
ваем, чтобы извлечь медь, золото и т. п.
Активные окраины — океаническая плита
поддвигается под другую океаническую плиту
Более столетия назад геологи обратили внимание на то, что
островные “дуги” столь многочисленны и похожи по фор¬
ме, что их трудно считать результатом случайных процес¬
сов. “Первое” объяснение их образования было дано в
1968 г., когда Франк [7] указал, что геометрия тонкой жест¬
кой оболочки на сфере налагает ограничения на то, как эта
оболочка может искривляться. Если надавить на шарик от
пинг-понга, то вмятина на нем будет иметь характерную
дугообразную форму. На рис. 21.11 можно различить три
наиболее крупные островные дуги: цепь Алеутских остро¬
вов, Марианские острова и дугу Скоша в Южном океане.
Строение островных дуг представляет особый интерес не
только потому, что они часто встречаются, но и потому,
что они удалены от непосредственного влияния континен¬
тов. Более того, вулканический материал, формирующий
острова в этих дугах, очень похож на материал, слагающий
континенты, так что четкое представление об этих остров¬
ных дугах может способствовать лучшему пониманию про¬
исхождения континентов. На рис. 21.14 приведен профиль
через Алеутскую дугу, построенный по данным, которые
были получены тремя разными способами.
1. Прежде всего геофизики использовали сейсмические
волны для зондирования верхних нескольких километров
земной коры. Они показали, что сами вулканы поддержива¬
ются утолщенным слоем того же вещества, которое слагает
океаническую кору; плотность его 2,9 т/м3. Другая инфор¬
мация, полученная в результате сейсмического зондирова¬
ния, показала, что плотность океанической коры ниже по¬
верхности Мохо равна 3,4 т/м3, т. е. чуть больше плотно¬
сти астеносферы, равной 3,35 т/м3; это подтверждает идею
о том, что океаническая кора, начав погружаться, должна
продолжать “тонуть” в мантии благодаря своей большей
плотности.
2. Затем исследователи нанесли на разрез гипоцентры
землетрясений. Их расположение свидетельствует о том,
что сейсмический рой возникает на глубине около 60 км
между глубоководным желобом и вулканической островной
дугой. Показаны также глубокие очаги — до 250 км ниже
уровня моря.
3. Прямо за областью, где теснятся гипоцентры земле¬
трясений, исследователи обнаружили вертикальную зону, в
которой плотность вещества немного меньше плотности
окружающего материала на этом же уровне; это свиде¬
тельствует о том, что легкая магма вытесняется вверх и пи¬
тает вулканы.
4. С противоположной от желоба стороны вулканичес¬
кой дуги располагается другой океанический бассейн — Бе¬
рингово море. Его единственной отличительной особеннос¬
тью является то, что он несет более мощный слой осадков.
Активные окраины — океаническая плита,
скользящая вдоль границы
другой океанической плиты
Окраины, где две океанические плиты скользят относитель¬
но друг друга, активны повсюду в океанических бассейнах,
где только существуют разломы. Можем отослать читателя
к рис. 21.7 как к примеру очень крупного, приблизительно
на 1150 км, проскальзывания между участками коры север¬
нее зоны разлома Мендосино и корой, расположенной непо¬
средственно к югу от него.
Активные окраины — проскальзывание
между окраинами двух континентальных плит
Классический пример проскальзывания между двумя конти¬
нентальными плитами Северной Америки представляют
374
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Пелагическая
Расстояние, км
Рис. 21.14. Меридиональный профиль через Алеутскую островную
дугу. Кора северной части Тихого океана приближается к плите Бе¬
рингова моря с относительной скоростью порядка 4—5 см/год. Циф¬
рами на разрезе указаны плотности различных слоев в тоннах на ку¬
бометр (т/м3). Вещество литосферной плиты плотнее (3,40 т/м3),
чем вещество залегающей ниже астеносферы (3,35 т/м3), поэтому
материал литосферы, начав погружаться, уходит, вероятно, глубоко
в мантию. Продвижение этого материала вниз отмечается многочис¬
ленными гипоцентрами землетрясений — как мелкофокусных, так и
глубоких. Сейсмическими измерениями обнаружена вулканическая
«трубка» с несколько меньшей плотностью материала; она представ¬
ляет собой питающий канал для вулканов [8].
движения по разлому Сан-Андреас в Калифорнии. Здесь
два континентальных блока перемещаются в северо-запад¬
ном направлении, но южный блок движется примерно на
6 см/год быстрее, что время от времени вызывает мелкофо¬
кусные землетрясения. Непосредственно к югу от разлома
Сан-Андреас проходит особая рифтовая зона между Ниж¬
ней Калифорнией и континентальной территорией Мексики;
эти континентальные блоки, по-видимому, раздвигаются.
Палеоокеанология:
палеонтологическая информация
До этого места дискуссия о тектонике плит сосредоточива¬
лась на “твердой” земной коре. Мы кратко упоминали о
“жидких” океанах, когда выясняли, почему климат каменно¬
угольного периода был на большей части Земли столь уме¬
ренным. Для океанолога переворот, произведенный текто¬
никой плит, так же знаменателен, как и для геолога и гео¬
физика. Те же сведения об ископаемых организмах, которые
геологи получают путем изучения кернов глубоководных
океанических осадков и используют в построениях глобаль¬
ной геологической картины, раскрывают одновременно и
эволюцию форм жизни в морской экосистеме. Читатель
должен помнить, что экосистема, которую мы изучаем в
современных океанах, — это преуспевшая экосистема: мы
не встречаем живых организмов, возникших в результате
неудачных экспериментов Матери-Природы. Но окаменело¬
сти “полны” следов прежних экосистем, потерпевших неу¬
дачу в процессе эволюции. Следовательно, палеоокеаноло¬
гия — это изучение форм жизни, существовавших в древних
морях, времени и характера их возникновения и исчезнове¬
ния и условий, имевших место в самой воде древних океа¬
нов. Такое исследование тесно связано с тектоникой плит, и
поэтому его удобнее всего описать здесь, в этой главе.
Все читающие научную литературу знакомы с теорией,
согласно которой первые формы жизни развились как про¬
стые молекулярные структуры в мелководных первобытных
морях, и сложность форм жизни с тех пор постоянно воз¬
растала. Теперь благодаря теории тектоники плит мы зна¬
ем, что в прошлом континенты то сходились, то снова рас¬
ходились. Поэтому мы можем задать вопрос, как палеонто¬
логические данные отражают (и отражают ли вообще) эти
глобальные изменения суши.
Чтобы ответить на этот вопрос, Валентайн и Муре [19]
исследовали, как с течением геологического времени изме¬
нялся ряд семейств ископаемых видов. Они обнаружили за¬
метное уменьшение числа видов с тех пор, когда около
250 млн. лет назад суперконтинент Пангея “собрался” из
разных частей (событие 2 на рис. 21.15), скрепленных суту-
рами. (Геологи используют термин “сутура”, чтобы опи-
ГЛАВА 21. ТЕКТОНИКА ПЛИТ И ОКЕАНИЧЕСКИЕ БАССЕЙНЫ
375
Рис. 21.15. Число семейств ископаемых
организмов изменялось с течением геологи¬
ческого времени. Указаны предполагаемые
эпохи, когда континенты были объединены
в суперконтиненты; первый — свыше
600 млн. лет назад, второй (Пангея) — око¬
ло 250 млн. лет назад. Эти эпохи существо¬
вания суперконтинентов тесно коррелируют
с минимальным числом ископаемых се¬
мейств. Отсюда можно заключить, что та¬
кие эпохи характеризовались минимальным
разнообразием среди живых организмов.
Между эпохами существования суперконти¬
нентов отдельные участки континентальной
коры были распределены почти так же, как
в настоящее время. В эти периоды разнооб¬
разие видов, вероятно, было наибольшим
[19].
сать прочное соединение — “сварные швы” — между от¬
дельными континентальными блоками, сталкивающимися
при движении плит.) Следующее по времени событие про¬
изошло около 200 млн. лет назад, когда раскрытие водного
пространства Тетис привело к расколу Пангеи. В это время
число семейств ископаемых организмов снова начало расти
и с тех пор продолжает расти по мере формирования совре¬
менных континентов.
Геологи полагают, что до образования Пангеи существо¬
вала более древняя группа отдельных континентов. Кроме
того палеонтологи обнаружили, что в более ранние перио¬
ды было больше семейств живых организмов, чем во время
существования Пангеи. Наименьшее количество семейств,
по-видимому, было связано с еще более древним суперкон¬
тинентом, существовавшим около 600 млн.лет назад.
Короче говоря, между разнообразием форм жизни по па¬
леонтологическим данным и дроблением континентальной
коры и рассредоточением ее фрагментов по сферической по¬
верхности Земли есть определенная связь. Ученые все еще
не знают наверное, почему она существует, но самое про¬
стое объяснение состоит в следующем. В периоды, когда
массивы суши раскалываются и одни части оказываются в
полярных регионах, а другие — в области субтропических
пустынь, число “экологических ниш”, т. е. видов “работы”,
которую организмы могут выполнять в пределах экосис¬
темы, тоже растет, и поэтому развиваются формы жизни,
способные заполнить эти ниши.
Например, когда суперконтинент раскалывается, общая
длина берегов, число эстуариев и других элементов берего¬
вой зоны резко увеличивается. А поскольку каждый конти¬
нент занимает какой-то широтный интервал, то на каждом
континенте для прибрежных зон устанавливался соответст¬
вующий диапазон климатических условий и в экосистеме
каждого континента мог развиваться свой набор форм жиз¬
ни. С изменением положения континентов на земном шаре
сдвигались и океанические течения. Поскольку океаны силь¬
но влияют на климат, сдвиги течений могли создавать но¬
вые места обитания и уничтожать старые. В результате
данные об ископаемых организмах и сведения о предполага¬
емом размещении древних континентов можно использо¬
вать, чтобы восстановить особенности климатов, существо¬
вавших в давно минувшие эпохи.
Контрольные вопросы
1. По-видимому, фундамент теории тектоники литосфер¬
ных плит нельзя было заложить до тех пор, пока не было
разработано понятие о двух аспектах “времени”; оба были
необходимы и оба послужили краеугольными камнями по¬
нимания. Порассуждайте об этом.
2. Пять основных аргументов в поддержку теории конти¬
нентального дрейфа, приведенные в начале главы, перечис¬
лены не в хронологическом порядке. Какой из них, по ваше¬
му мнению, был первым? Убедила бы вас в правильности
теории какая-либо часть этого доказательства, взятая от¬
дельно?
3. Явление радиоактивности обеспечивает важнейшую
поддержку гипотезе разрастания морского дна по крайней
мере двумя способами. Объясните это.
4. Что было необходимо изобрести, прежде чем океано¬
логи смогли закартировать конфигурацию островных дуг и
глубоководных желобов, которые оказались главными эле¬
ментами в субдукции коры и, следовательно, важными объ¬
ектами в теории тектоники плит?
5. В 1924 г. Кеппен и Вегенер сделали вывод о местонахож¬
дении экватора в конце каменноугольного периода (280 млн.
лет назад). Какой довод они использовали? Подтверждались
ли их данные известными тогда сведениями о расположении
наземных ледников?
6. Одним из важнейших аргументов, на которые должна
была ответить тектоника плит, был такой: “Если бы весь
полярный лед, существующий в настоящее время, растаял,
море не покрыло бы так же много суши, как оно покрывало
в период его наибольшей трансгрессии около 75 млн.лет на¬
зад”. Иначе говоря, одним только изменением температуры
на поверхности Земли нельзя объяснить, почему примерно
40% всей суши в прошлом было покрыто мелководными
морями. Как справляется с этой проблемой теория разрас¬
тания морского дна?
7. Один из основных приемов, используемых учены¬
ми, — проверить все возможные объяснения наблюдаемого
явления. Какую альтернативу теории “сухопутных мостов”
предлагает вегенеровская теория континентального дрейфа?
8. Интерпретировать “возраст” океанического дна на ос¬
376
ЧАСТЬ VII. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
нове возраста пород, полученных драгированием с его по¬
верхности, — значит игнорировать другие объяснения того,
как порода попала туда, где ее нашли. Объясните это.
9. Когда морские геологи узнали, что возраст островов в
Гавайской цепи увеличивается в том же направлении, в ка¬
ком они, очевидно, “погружаются” в море, какой вывод в
поддержку теории разрастания морского дна они сделали?
10. Когда была признана теория разрастания морского
дна, ученые рассудили, что тепловой поток, поступающий в
океанские воды из недр Земли, должен быть намного выше
над срединно-океаническими хребтами, чем где-либо еще.
Когда впоследствии он был измерен, то оказалось, что хотя
он и выше, но не настолько, как ожидали. Теперь нам изве¬
стен другой процесс, который отбирает тепло у поднимаю¬
щейся горячей магмы. Что это за процесс?
11. Какое расположение очагов землетрясений должно
свидетельствовать о сейсмической активности вдоль разрас¬
тающихся хребтов — на небольших или на больших глуби¬
нах?
12. Теория, требующая, чтобы земная кора состояла из
серии крупных “плит”, каждая из которых движется как
единое тело, должна, кроме того, объяснять, как эти пли¬
ты взаимодействуют вдоль своих границ или на окраинах.
Как, например, с этой теорией перемещения крупных литос¬
ферных плит по поверхности Земли согласуется то наблюде¬
ние, что в океанах нигде нет коры древнее 200 млн. лет?
13. В окрестностях центров разрастания морского дна
обнаружены “горячие источники”, а дно вокруг такого ти¬
пичного подводного гейзера покрыто илами, содержащими
сульфиды различных металлов. Кратко объясните, почему
образуются эти отложения.
14. Изучение рис. 21.13 дает возможность объяснить, по¬
чему окраины современных континентов перспективны для
поисков залежей углеводородов. Можете ли вы предложить
для объяснения этого довод, связанный с расколом конти¬
нентов?
15. До поры оставалось тайной, почему древние вулкани¬
ческие острова, образующие “дуги”, богаче кремнеземом,
чем вулканы на островах, расположенных в других местах.
Как теория тектоники плит объясняет это обогащение крем¬
неземом?
16. Кратко рассмотрите, как теория разрастания морско¬
го дна объясняет такие крупные структуры, как уступ Мен¬
досино?
17. Кратко обоснуйте идею о том, почему геологические
периоды существования супер континентов типа Пангеи бы¬
ли также периодами, когда семейства организмов были ма¬
лочисленны.
18. Что представлял собой морской проход Тетис?
Приложения
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Картография: искусство и наука
изображения деталей земной поверхности
Средневековые путешественники по суше всегда умели вы¬
ражать расстояние и направление через время, необходимое
для движения на запад вместе с Солнцем или на восток про¬
тив него, и через время для движения на север по тени (в
Северном полушарии) или на юг против тени, чтобы из од¬
ного пункта достичь другого. Древние мореплаватели ори¬
ентировались “по Солнцу”, но из-за изменчивости ветров и
океанических течений “время” имело гораздо меньшую зна¬
чимость в оценке расстояния по океану.
Поэтому в древности мореплаватели выводили свои суда
сначала на нужную им широту, или на нужную высоту
Солнца над горизонтом, а затем шли на запад или на восток
в зависимости от места назначения, зная, что рано или позд¬
но они должны достичь берега в желаемом месте. Джеймс
Клейвел в своем эпическом романе “Сегун” рассказал, как
португальские моряки в XVI в. впервые достигли Японии, ис¬
пользуя как раз такую схему: они двигались сначала на север
в северной части Тихого океана до 35° с.ш., а затем поверну¬
ли на запад. Для определения широты на море вычисляется
дополнительный угол к углу восхождения Солнца над гори¬
зонтом в местный полдень; этот угол легко измеряется.
Один из приборов для измерения угла — астролябия, инстру¬
мент, созданный в античные времена мореплавателями-
астрономами, которым необходимо было подручное сред¬
ство для измерения восхождения Солнца в течение всего го¬
да. Сделанный обычно из бронзы, прибор измерял местный
наивысший полуденный угол или восхождение известной
звезды над горизонтом с помощью ряда круговых шкал и
учитывал тем самым сезонный ход Солнца по небосклону.
Но надежного, простого метода для нахождения долготы
у древних мореплавателей не было. Гемма Фризиус в 1530 г.
был первым известным астрономом, предложившим исполь¬
зовать для этой цели прибор, хранящий время. Если морепла¬
ватель устанавливает свои часы точно в местный полдень в из¬
вестной точке Земли, расположенной на так называемом на¬
чальном меридиане, и плывет оттуда, зная, что на хронометре
точное время сохраняется по крайней мере несколько недель,
он может с уверенностью перевести разность во времени
между местным полуднем и 12:00 на начальном меридиане в
эквивалентную разность долгот, так как 15° долготы соот¬
ветствуют разности в 1 ч солнечного времени. Несмотря на яв¬
ную нужду в точных хронометрах, первые “корабельные ча¬
сы” были созданы английским изобретателем Джоном Гарри¬
соном лишь приблизительно в 1760 г.
Итальянский ученый Галилео Галилей предположил в
1582 г., что обычный маятник будет достаточно хорошо
“регулировать” работу часов с точностью, которую требо¬
вал Фризиус. Но гравитационный маятник просто не может
исправно работать при толчках и раскачивании корабля в
море среди вздымающихся волн. Первая часть изобретения
Гаррисона состояла в замене гравитационного маятника ко¬
леблющимся колесиком, скрепленным со спиральной пружи¬
ной. По сути дела колесико — это всего лишь набор стерж¬
невых маятников, расположенных по радиусам вокруг об¬
щей точки подвеса, так что воздействие движений корабля
на одну такую “спицу-маятник” точно компенсируется об¬
ратным воздействием на противоположную спицу колесика.
Другая — наиболее важная — часть изобретения Гаррисона
состояла в решении давней проблемы, связанной с измене¬
нием периода колебаний маятника при изменении темпера¬
туры окружающей среды вследствие теплового расширения
самой железной пружины. Часовой механизм начинает “спе¬
шить” или “отставать” в соответствии с тем, как изменяет¬
ся температура. Соединив латунь и железо, металлы с раз¬
личным коэффициентом теплового расширения, Гаррисон
построил маятник, в котором компенсировались температур¬
ные эффекты. В 1764 г. в испытательном путешествии из Пли¬
мута (Англия) на Ямайку, занявшем 7 недель, хронометр Гар¬
рисона “Номер четыре” ушел вперед только на 38,4 с, что со¬
ответствует ошибке в долготе менее чем на 20 км!
Джеймс Кук взял три таких хронометра в свое знаменитое
путешествие вокруг Антарктиды в 1772—1775 гг.
Развитие картографии и поиск
магнитных полюсов
Конечно, построение карт — как искусство и наука — заро¬
дилось много раньше решения Гаррисоном задачи измере¬
ния долготы. На древних картах ясно видны большие
искажения — результат того, как художники переносили на
чертежи отчеты мореплавателей об их путешествиях. Одной
из основных причин искажения был тот факт, что магнит¬
ное поле Земли само сильно “искривлено”. Это искривление,
называемое склонением, если оно известно для какой-то
точки Земли, определяется как угол между стрелкой компа¬
са, указывающей на север, и направлением на истинный гео¬
графический полюс. Было известно, что магнитное склоне¬
ние различно на поверхности Земли, но без точных измере¬
ний долготы необходимая поправка определялась так же
плохо, как и сама долгота. Значит, фактически возможность
измерения долготы с помощью хронометра Гаррисона сра¬
зу же открыла следующий этап мореплавания в дальних
морях — поиски точного положения двух магнитных полю¬
сов, Северного и Южного, и картирование величины маг¬
нитного склонения на всей поверхности океана между ними.
Дж. Кук провел магнитную рекогносцировку во время
своего плавания вокруг Антарктиды, но только в 1909 г. ан¬
глийская экспедиция достигла Южного магнитного полюса,
расположенного около края континента, примерно в районе
140° в.д. Поиски Северного магнитного полюса в течение
всего XIX в. кончались трагически; особенно это относится
к гибели всего состава — 129 человек — экспедиции Фран¬
клина в 1845 г. Этот полюс сейчас расположен на острове
Батерст в Канадском Арктическом архипелаге.
Определение координат точки: стандартная
сетка параллелей и меридианов
Необходимость точного картирования была очевидна для
всех приморских стран, и это привело к принятию стандар¬
тов для обозначения линий широт и долгот. На рис. П 1.1
показаны стандарты, которые используются в настоящее
время. Параллели легко воспринимаются визуально как ли¬
нии сечения сферической земной поверхности плоскостями,
параллельными экваториальной. Экваториальная плоскость
378
ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис. П1.1. Земной шар делится по
долготе меридианами, а по широ¬
те — параллелями. Каждый мериди¬
ан — это пересечение поверхности
сферы плоскостью, проходящей че¬
рез оба полюса и центр Земли. Ме¬
ридианы, нанесенные через 15°, об¬
разуют границы всех 24 часовых по¬
ясов солнечного времени, проведен¬
ные через 1 ч. Параллели — это на¬
бор концентрических окружностей,
построенных так, чтобы расстояния
между последовательными широта¬
ми вдоль поверхности Земли обра¬
зовали равномерную шкалу —
60 мор. миль на градус широты по
всему земному шару. Следовательно,
универсальный способ оценить рас¬
стояние вдоль земной поверхно¬
сти — выразить его в эквивалентных
градусах широты.
делит земную поверхность на два равных полушария: север¬
ное и южное; в центре каждого из них находится географи¬
ческий полюс, расположенный на оси вращения Земли.
Заметим, что параллели проведены не произвольным об¬
разом. Напротив, они расположены так, что расстояние
между соседними широтами, измеренное в направлении
север — юг, всегда одинаково независимо от того, в каком
месте сферы оно измеряется. Давая конкретные значения ши¬
роты, мы разбиваем окружность Земли на широтные ква¬
дранты, каждый из которых составляет 90°; значения широ¬
ты последовательно растут от исходной нулевой широты на
экваторе. При указании широты необходимо уточнять, о ка¬
ком полушарии идет речь, и добавлять “ю.ш.” или “с.ш.”
Например, параллель 50° с.ш. проходит около южной око¬
нечности Англии (рис. П 1.1). Итак, окружность Земли де¬
лится на четыре квадранта по 90°, составляя в сумме 360°,
каждый градус подразделяется на 60' (минут дуги); таким
образом, для всех больших кругов мы получаем 21 600'. Это
число соответствует длине окружности Земли, выраженной в
морских милях; таким образом, расстояние между двумя со¬
седними широтами, различающимися на Г, определяет дли¬
ну морской мили. Моряки также установили единицу скоро¬
сти, с которой корабль движется по морю: 1 мор. миля,
пройденная за 1 ч, называется узлом. Следовательно, шкала
широт становится основой не только для измерения расстоя¬
ния, но и для определения скорости.
Меридианы тоже легко себе представить как линии сече¬
ния сферической земной поверхности плоскостями, проходя¬
щими через центр Земли и два ее полюса. В отличие от па¬
раллелей, среди которых есть одна особенная — экватор, —
накакой меридиан по сути не отличается от остальных.
Столкнувшись с необходимостью выделить какую-то исход¬
ную долготу, английские мореплаватели выбрали ту, кото¬
рая проходит через Гринвич, Англия (рис. П1.1). С тех пор
все долготы к востоку от Гринвича носят обозначение в.д.,
а долготы к западу от Гринвича — з.д. Общее число “гра¬
дусов” долготы, как и для широты, было установлено 360°
дуги, и каждый градус подразделяется на 60 минут, опять-
таки как для широты. Но расстояние на поверхности Земли
между соседними долготами постепенно изменяется, так
как меридианы сходятся к полюсам. Шкала долгот не имеет
значения ни для измерения расстояний (в милях), ни для
определения скорости (в узлах); единственное ее географиче¬
ское назначение состоит в том, что с помощью долготы
точно определяется местоположение.
Поскольку Земля вращается и в результате этого проис¬
ходит суточная смена дня и ночи, мы можем присвоить
пространственным промежуткам между долготами “времен¬
ные интервалы”. На рис. П1.1, например, меридианы про¬
ведены с интервалом 15° дуги, если говорить о пространст¬
венной мере. Таких интервалов вокруг Земли 24, поэтому
каждый из них соответствует также одному часу солнечно¬
го времени. Важно подчеркнуть, что выбор 24 как числа ча¬
сов в сутках был произвольным. Эта традиция поддержива¬
ется для удобства торговли и других социальных функций.
Она далеко уходит корнями в прошлое — к солнечным ча¬
ПРИЛОЖЕНИЯ
379
сам, которые появились по меньшей мере за тысячелетие до
нашей эры. Полукруглый ход тени, отбрасываемой солнеч¬
ными часами, был разделен на “удобные” части. По одной
логической догадке полукруг делили на 3 части, используя
радиус круга как длину хорды; дальнейшее деление привело
бы к 6 единицам времени в течение светлого времени суток,
потом 12, потом 24, 48 и т. д. Выбор 12 единиц, по-видимо-
му, отражает то, что такой интервал сочли “удобным” для
выбора основной единицы — часа. Продолжительность часа
менялась от одного времени года к другому, пока в XIII в.
не было предложено использовать равные часы. С появле¬
нием в XIV в. механических часов равные отрезки времени
получили всеобщее применение.
Изображение сферической поверхности Земли
на плоском листе бумаги
Для картирования необходима также некая система изобра¬
жения поверхности Земли на плоском листе бумаги. Су¬
ществуют два основных метода переноса деталей поверхно¬
сти сферической Земли на плоскую бумагу: 1) математиче¬
ское преобразование точек и линий в сферическом про¬
странстве в эквивалентные точки и линии на двумерной
плоскости с последующим построением новой карты; 2) пе¬
ренос широтно-долготной сетки со сферы на лист бумаги и
построение проекций нагрузки на этой карте. Иногда оба
метода применяются при построении одной карты.
Проекции: как они строятся и почему
Существует несколько типов проекций, но мы рассмотрим
только две — цилиндрическую и гномоническую.
Цилиндрическая проекция. Представим себе прозрачный
глобус, на котором нанесена сетка параллелей и меридианов
плюс очертания основных массивов суши. Окружим затем
глобус цилиндрическим листом бумаги, причем бумага до¬
лжна касаться глобуса по всей окружности. Теперь спроек¬
тируем линии, изображенные на глобусе, на бумажный ци¬
линдр, направляя луч от точечного источника света, распо¬
ложенного внутри прозрачного глобуса, в его центре. Затем
на поверхности цилиндра чертят спроецированные изобра¬
жения элементов поверхности глобуса. Этим завершается
сама проекция; далее, чтобы лист карты сделать плоским,
цилиндр разрезают вдоль его длины и разворачивают. На
рис. П1.2 представлена карта Американских континентов
как часть карты мира, изображенной на полном цилиндре.
Заметим, что как меридианы, так и параллели выглядят
здесь как прямые линии и эти линии ортогональны друг дру¬
гу. Но расстояние на бумаге между последовательными ли¬
ниями широты (параллелями) резко увеличивается от эквато¬
ра к полюсам; на карте расстояние от экватора до 40° с.ш.,
охватывающее 40° широты, меньше расстояния между 60 и
70° с.ш., т. е. всего 10° широты. Таким образом, размеры
площади на проекции сильно искажены, и это искажение с
удалением от экватора возрастает.
В 1569 г. Герард Меркатор первым применил одну из
модификаций цилиндрической проекции и построил карту,
очень удобную для мореплавателей. В этой модификации
применена формула, устанавливающая определенное соот¬
ношение между масштабами долгот и широт на карте. На
рис. П1.2, б показана эта модификация, которая называется
в настоящее время проекцией Меркатора, хотя она и не яв¬
ляется буквально проекцией. По сравнению с проекцией на
рис. П1.2,а расстояние между параллелями на этой карте
расширено от экватора примерно до 60° и сжато в высоких
Модификация
Меркатора
Рис. П1.2. Сравнение (а) прямой оптической проекции глобуса на цилиндр и (б) модифицированной
карты, построенной Г. Меркатором в 1569 г. и называемой сейчас просто меркаторской.
380
ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис. П1.3. Две гномонические проекции, в которых поверхность земного шара проецируется на плоскость,
касающуюся его (а) в точке экватора и (б) в точке Северного полюса.
ПРИЛОЖЕНИЯ
381
широтах. Проекция Меркатора обладает двумя особыми
свойствами.
1. Если провести на этой проекции произвольную пря¬
мую линию, то показания компаса (азимут) в любой точке
на этой линии будут одинаковыми. Это означает, что мо¬
реплаватели могут нарисовать одну линию, соединяющую
начальный и конечный пункты их путешествий, хорошенько
измерить “курс” (т. е. направление) к своей цели, а затем
просто держать этот курс по компасу в течение всего путе¬
шествия. Однако, как будет показано ниже, такой постоян¬
ный курс не обеспечивает кратчайшего пути по морю между
двумя портами.
2. Поскольку локальный масштаб расстояний как в ши¬
ротном, так и в долготном направлении одинаков, морепла¬
ватели могут быстро определить по карте расстояние в “эк¬
вивалентных” градусах широты и, используя формулу пре¬
образования: 60 мор. миль на 1° широты, — найти точное
расстояние между портами. Таким образом, легко оценить
и время плавания, и нужный режим, и необходимый запас
продовольствия и т. д.
Гномоническая проекция. Гномоническая проекция — это
также оптическая проекция из центра глобуса. Но для этой
проекции бумага, на которую переносятся детали поверхно¬
сти Земли, представляет собой плоский лист, имеющий ка¬
сание с глобусом только в одной точке. На рис. П1.3,д по¬
казано, как проектируется сетка широт и долгот на пло¬
скость, касающуюся Земли в какой-либо точке экватора.
Проекции всех меридианов на плоскости карты представля¬
ют собой прямые линии, так как все они лежат в плоско¬
стях, проходящих через источник света. Однако интервалы
между соседними линиями долготы на карте возрастают с
удалением от точки касания — эффект, аналогичный тому,
что происходит с линиями широты в цилиндрической проек¬
ции на рис. П1.2,д. В этой гномонической проекции линии
широты получаются на карте в виде гипербол и поэтому не
могут пересекать меридианы под прямыми углами, как в
цилиндрической проекции.
На рис. П1.3,б показана другая гномоническая проекция:
на этот раз плоскость бумаги касается глобуса на Северном
полюсе, где все меридианы сходятся в точку. Опять-таки
меридианы проектируются как прямые линии, но выходят
они из полюса. Широты изображаются как правильные
окружности, но интервалы между ними возрастают на кар¬
те с расстоянием от полюса. Эти проекции повсеместно ис¬
пользуются для картирования полярных районов; примеры
можно было видеть в гл. 20.
Все гномонические проекции, у которых источник света
помещен в центре глобуса, имеют одну очень характерную
особенность: прямая, проведенная на гномонической карте,
представляет собой кратчайшее расстояние между двумя
точками, которые она соединяет. Так происходит потому,
что кратчайшее расстояние на поверхности земного шара —
это линия, которая также является пересечением поверхно¬
сти Земли с плоскостью, проходящей через ее центр. Эта
линия называется дугой большого круга.
Постоянный азимут или дуга большого круга:
меркаторская проекция против гномонической.
Какую карту использовать и почему?
Планируя рейс для систематического сбора океанологиче¬
ских данных, мы обычно выбираем меркаторскую проек¬
цию. Для такого выбора у нас несколько причин. Во-
первых, это “удобная” карта, с помощью которой ученый
может легко общаться с капитаном и командой корабля.
Предполагаемый маршрут корабля обычно вычерчивается
прямыми линиями. Ученый заранее определяет желаемые
оптимальные интервалы между станциями отбора проб и
располагает эти точки вдоль маршрута, используя масштаб
местных значений широты для отметок расстояния. Капи¬
тан и главный специалист вместе составляют план замены
станций в случае, если плохая погода или другие причины
заставят изменить первоначальный план станций, и такие
изменения легко вычисляются по меркаторской проекции.
Во-вторых, поскольку наибольшая часть океанологической
работы включает довольно детальные исследования внутри
какой-то ограниченной площади, свойственное меркаторс¬
кой проекции равенство локальных масштабов в широтном
и меридиональном направлениях оказывается большим пре¬
имуществом при построении планов площадей, где произво¬
дится отбор проб. Наконец, тот факт, что прямая линия оз¬
начает постоянный курс корабля, или азимут, облегчает на¬
вигацию. (Рекомендую читателям вернуться к рис. 13.5).
Научные рейсы, покрывающие большие расстояния,
обычно прокладываются так, чтобы в первую очередь обес¬
печить наименьшее общее время плавания, а не удобство на¬
вигации и опробования. Во время продолжительных путе¬
шествий всегда есть опасность, что не хватит продовольст¬
вия, топлива, медикаментов и т. д. Главное внимание тогда
переносится на кратчайший путь плавания, т. е. путь по
большому кругу. На меркаторской проекции изображение
дуги большого круга может ввести в заблуждение: это кри¬
вая линия, и, значит, следование по ней требует постоянных
изменений курса корабля по мере его продвижения. Рис.
П1.4,д показывает, что маршрут, проложенный по прямой
линии из Сиднея (Австралия) в Марракаш (Марокко) через
Панамский канал, в действительности составляет 21 980 км.
Напротив, путь по большому кругу между этими двумя
конечными портами составляет 20 900 км, на тысячу кило¬
метров меньше (но только если бы можно было плыть
“прямо” через Вашингтон, округ Колумбия!).
На гномонической проекции тот же маршрут выглядит
как кривая, проходящая через Панамский канал, но, следуя
по ней, не требуется непрерывно менять курс, о чем свиде¬
тельствует рис. П1.4, б. В общем случае гномонические кар¬
ты используются в авиации, где чрезвычайно важно эконо¬
мить топливо. В отличие от океанологических рейсов, при
воздушных полетах не бывает частых остановок для отбора
проб.
Карты в равновеликих проекциях
Для особых целей океанологи выбирают еще один тип карт,
чтобы изобразить как можно точнее площади океана в вер¬
ном масштабе и в их истинной форме. Равновеликая синусо¬
идальная проекция Гуда* превосходно служит этой цели.
Примером могут быть рис. 5.10 и 5.11. Задачей этих рисун¬
ков было сравнение площадей морского дна, покрытых
осадками разного типа, так что выбор равновеликой проек¬
ции логичен. Заметим, однако, что преимущество равнове¬
ликой проекции получено за счет сложного метода разделе¬
ния на части сферической поверхности Земли, когда каждая
часть рассматривается по отдельности. Поскольку на этих
картах изображены океанические бассейны, линии раздела
проведены, где это возможно, по континентам, и это дела-
* Джон-Поль Гуд (Goode, 1862—1932) — американский карто¬
граф. — Прим, перев.
382
ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис. П1.4. Изображение дуги большого круга на меркаторской и гномонической проекциях. На меркаторской проекции (а) дуга большого
круга представляет собой кривую линию, на гномонической (б) это — прямая линия.
ет ее непривычной для новичка. Равновеликая синусоидаль¬
ная проекция Гуда и другие типы равновеликих — сохраня¬
ющих форму — карт по сути являются проекциями; это ре¬
зультат математических преобразований.
Картография в эру спутниковой навигации
и дистанционного слежения
Сегодня каждый большой исследовательский корабль, как и
все торговые суда, оснащен приборами для определения
своих координат относительно точно известных положений
спутников. Эти данные о местонахождении судна можно
получить днем или ночью, не обращаясь к положению
звезд, Солнца или горизонта. Эра построения карт как не¬
обходимого технического искусства, помогающего морско¬
му транспорту, окончилась.
Каждое крупное океанологическое судно имеет также на
борту сложные компьютеры с программным обеспечением,
способные — по команде и прямо в море — строить рабо¬
чие карты различного вида. Далее, с помощью этих
компьютеров строятся рабочие карты данных наблюдений,
которые наносятся в точках их получения.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Уравнение состояния морской воды
Говорят, что одна картинка стоит тысячи слов. В науках
такую же силу имеет уравнение; оно дает единую математи¬
ческую картину множества слов. Именно такое уравнение
мы используем для описания того, как меняется плотность
морской воды при изменении трех независимых определяю¬
щих переменных: температуры, солености и давления. На¬
зываемое уравнением состояния, оно записывается как
ps,T ~ — + 0Д5 + уДр),
где аД Г, 0Д5 и уДр — определяющие члены. Таким обра¬
зом, плотность морской воды при любых условиях определя¬
ют по ряду переменных членов, изменяющих отсчетную
плотность р0. Разберем это уравнение по членам.
Ps Т — неизвестная плотность пробы морской воды. Она
вычисляется, когда мы знаем соленость 5 и температуру Т
пробы, взятой при давлении р (зависящем от глубины).
Эти переменные in situ позволяют найти значения трех
определяющих членов; используя их, мы находим, как плот¬
ность пробы in situ изменяется относительно исходного
значения.
р0 обычно берется как плотность воды с соленостью
5 = 35%о при температуре Г = О °C и давлении Р = О; по¬
следнее обозначает давление на уровне моря (на нулевом
уровне), равное 1 атм. Эта плотность равна 1,02812 г/см3.
аАТ — величина, изменяющая отсчетную плотность под
действием изменения температуры. Составляющие ее два
множителя определяются следующим образом;
— а — коэффициент теплового расширения; он точно
описывает, как уменьшается плотность морской воды при
увеличении ее температуры, поэтому данному члену припи¬
сан знак минус;
ДГ — разность между температурой пробы in situ и
“отсчетной” температурой 0 °C. При вычитании произведе¬
ния аАТ из исходного значения 1,02812 г/см3 плотность
уменьшается; это вызвано тем, что проба in situ теплее,
чем стандартная.
0Д5 — произведение, изменяющее отсчетную плотность
из-за действия растворенных солей. Его два сомножителя
определяются так:
0 точно описывает, как возрастает плотность морской
воды при возрастании количества растворенных солей, и на¬
зывается коэффициентом солевого уплотнения;
ЛЯ — разность между соленостью пробы и отсчетной
соленостью 35%о.
ПРИЛОЖЕНИЯ
383
Рис. П2-1. Т, S-диаграмма — графическое представление уравнения состояния морской воды.
Произведение 0Д5 дает поправку к плотности за счет со¬
держания соли в пробе по отношению к отсчетной солено¬
сти 35%о.
уДр — произведение, учитывающее изменение плотно¬
сти за счет изменения давления относительно давления на
уровне моря. Эти два сомножителя имеют следующие опре¬
деления:
у точно описывает, как изменяется объем пробы при
сжатии, у называется коэффициентом сжимаемости.
Др — мера отклонения давления окружающей среды на
глубине взятия пробы от давления на уровне моря (р = 0).
Произведение уДр дает изменение плотности, вызванное
тем, что проба подвергается сжатию в глубинах океана.
Применение
На практике оказывается, что изменение плотности морской
воды в вертикальном направлении происходит главным об¬
разом в верхнем слое толщиной 1000 м. В этом диапазоне
вклад члена, зависящего от давления (уДр), очень мал по
сравнению с членами, значения которых определяются изме¬
нениями температуры и солености. Мы пренебрегаем эффек¬
том сжимаемости, если наши исследования не направлены
специально на движение глубинных вод, где сжатие значи¬
тельно, а Т и S изменяются намного меньше, чем в поверх¬
ностном слое.
Не обращая внимания на влияние давления, мы можем
384
ПРИЛОЖЕНИЯ
построить карту плотности морской воды в пространстве,
определяемом только температурой Т и соленостью S. Это
и есть T-S-диаграмма, описанная в гл. 9, т. е. графическое
представление уравнения состояния (рис. П2.1).
Когда мы оцениваем устойчивость значений а и ft то на¬
ходим, что они не являются постоянными. В частности, ко¬
эффициент а меняется в высшей степени нелинейно при изме¬
нении самой температуры. Например, сравним точки А, В и
С на рис. П2.1. Они разделены равными отрезками по 10°
температурной шкалы. Для каждой из них найдем разность
температур, которая могла бы вызвать изменение плотности
на 0,0004 г/см3. В точке А эта разность составляет 5,8° С,
или на 3,8° С больше, чем разность 2,0° С в точке В. Но в
точке В она только на 0,4° С больше, чем в точке С. Линей¬
ный закон изменения плотности воды в зависимости от тем¬
пературы требовал бы, чтобы заданное изменение плотности
было связано с одной и той же разностью температур от А
до В и от В до С. Именно нелинейное поведение а вызыва¬
ет такое сильное искривление изолиний плотности на T-S-
диаграмме. С другой стороны, коэффициент 0 почти линеен,
о чем свидетельствует постоянство разности соленостей AS,
соответствующей одинаковой разности плотностей в пробах
с различной соленостью — в точках D и Е.
Нелинейное изменение плотности воды как функции тем¬
пературы имеет особое применение в физической океаноло¬
гии полярных океанов. В точке F изменение члена аДТ на
0,0002 г/см3, когда температура окружающей воды около
5° С, связано с изменением температуры ДТ только на
2,0° С. Но когда температура окружающей воды около 0° С,
как в точке G, то же изменение плотности требует изменения
температуры на 5,0° С. Вывод состоит в том, что в поляр¬
ных морях, где паковый лед поддерживает температуру по¬
верхностной воды около точки замерзания, температурные
изменения почти не влияют на изменения плотности. Здесь
физика течений и вертикального конвективного перемешива¬
ния объясняется почти полностью изменениями солености
морской воды. Например, AS, равное всего лишь О,25%о, вы¬
зывает такое же изменение плотности на 0,0002 г/см3 (точка
Н), что и изменение температуры на 5° С в точке G для
морской воды с температурой около 0° С.
Литература
К главе 1
1. Broecker W.S., Takahashi Т„ Simpson H.J., Peng Т.Н. Fate of
fossil fuel carbon dioxide and the global carbon budget. Science
206: 409—418, 1979.
2. Fishing Information. No. 9. National Marine Fisheries Service,
NOAA, 1978.
3. Ryther J.H. Photosynthesis and fish production in the sea. Science
166: 72—76, 1969.
4. Whittaker R.H., Likens G.E. The biosphere and man. In Primary
Productivity of the Biosphere, Eds. Leith H. and Whittaker R.H.
Springer-Verlag, New York, 1975, 306 pp.
5. Woodwell G.M. The carbon dioxide question. Scientific American
238 (1): 34—44, 1978.
6. Woodwell G.M., Pecan E. V. Carbon and the biosphere. Atomic
Energy Commission Symposium Series 30: CONF-720510, 1973.
К главе 2
1. Beebe W. The Arcturus Adventure. G.T. Putnam Sons, New York,
1926, 439 pp.
2. Fell B. Introduction to Marine Biology. Harper and Row, New
York, 1975, 365 pp.
К главе 3
1. Chung Y., Craig H. 226Ra in the Pacific Ocean. Earth and Plane¬
tary Sci. Ltrs. 49: 267—292, 1980.
2. Craig H„ Turekian K.K. The GEOSECS program: 1976—1979.
Earth and Planetary Sci. Ltrs. 49: 263—265, 1980.
3. Fell B. Introduction to Marine Biology. Harper and Row, New
York, 1975, 356 pp.
4. GEOSECS Atlas, Vols. 2, 4, and 6. U.S. Government Printing Of¬
fice, 1981.
5. Hammond A.L. Use of radioactive trace elements in the study of
ocean motion. Science 195 (14): 165, 1977.
6. Heezen B.C., Tharp M., Ewing M. The floors of the ocean.
I. North Atlantic. Geological Society of America Special Paper 65;
1959, 122 pp.
7. Sciremammano F., Pillsbury R.D. Spatial scales of temperature
and flow in the Drake Passage. J. Geophys. Res. 85 (C7):
4015—4028, 1980.
8. Sumich J.L. An Introduction to the Biology of Marine Life.
William C. Brown, Dubuque, Iowa, 1980 (2nd ed.), 375 pp.
К главе 4
1. Barazangi M., Dorman J. World seismicity maps compiled from
ESS A, Coast and Geodetic Survey, Epicenter Data 1961—1967.
Bull. Seismol. Soc. Amer. 59: 369, 1969.
2. Emiliani C. The temperature decrease of surface seawater in high
latitudes and of abyssal-hadal water in open oceanic basins during
the past 75 million years. Deep-Sea Res. 8: 144—147, 1961.
3. Heezen B.C., Tharp M. The Floor Of The Oceans. (Copyright
Marie Tharp.)
4. Keigwin L. Isotopic paleoceanography of the Caribbean and East
Pacific: Role of Panama uplift in late Neogene time. Science 217:
350—353, 1982.
5. Kennett J.P. Paleoceanographic and biogeographic evolution of
the Southern Ocean during the Cenozoic, and Cenozoic microfossil
datums. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 31:
123—152, 1980.
6. Kennett J.P. Cenozoic evolution of Antarctic glaciation, the Cir-
cum-Antarctic Ocean, and their impact on global paleo¬
oceanography. J. Geophys. Res. 82 (27): 3843—3860, 1977.
7. Komar P.D. Beach Processes and Sedimentation. Prentice-Hall,
Englewood Cliffs, NJ, 1976, 429 pp.
8. Luyendyk B.P., Forsyth D., Phillips J.D. Experimental approach
to the paleocirculation of the oceanic surface waters. Geol. Soc.
Amer. Bull. 83: 2649—2664, 1972.
9. Scorpio expedition, 1967. Data from National Oceanographic Data
Center, Washington, D.C.
10. Shepard F.P. Submarine Geology. Harper and Row, New York,
1963 (2nd. ed.): 557 pp. [Русский перевод 3-го изд.: Ф.П. Ше¬
пард. Морская геология. — Л.: Недра, 1976.]
11. Sverdrup Н. U., Johnson М. W., Fleming R.H. The Oceans. Pren¬
tice-Hall, Englewood Cliffs, NJ., 1942, 1087 pp.
12. Van Andel Т.Н. Science at Sea: Tales of an Old Ocean. Freeman,
San Francisco, 1977, 186 pp.
13. Wegener A. Die Enstehung der Kontinente und Ozeane. Vieweg
and Sohn, Braunschweig, Germany, 2nd ed. 1920; 3rd ed. 1922,
translated into English in 1924; 4th ed. 1924, revised by A. Wege¬
ner and translated into English in 1929. [Русский перевод: А. Ве¬
генер. Происхождение материков и океанов. — М.-Л.: ГИЗ,
1925.]
14. Weyl Р.К. The role of the oceans in climatic change: A theory of
the ice ages. Meteorol. Monograph 8: 37—62, 1968.
15. Wiist G. The Stratosphere Of The Atlantic Ocean. Scientific results
of the German Atlantic expedition of the Research Vessel Meteor
1925—1927, Vol. 6, Section 1. Berlin and Leipzig, 1935. English
translation edited by W.J. Emery for the National Science Found¬
ation, 1978, 111 pp.
К главе 5
1. Berger W.H. Deep-sea sedimentation. In The Geology of Conti¬
nental Margins, Eds. C.A. Burk and C.L. Drake. Springer-Verlag,
New York, 213—241, 1974. [Русский перевод: В. Бергер. Глубо¬
ководное осадконакопление. — В кн.: Геология континенталь¬
ных окраин, т. 1.—М.: Мир, 1978, с. 239—271.]
2. Bullard Е.С., Everett J.E., Smith A.G. The fit of continents
around the Atlantic. In A Symposium on Continental Drift, Eds.
P.M.S. Blackett, E.C. Bullard, and S.K. Runcorn. The Royal So¬
ciety, London, 1965, 323 pp.
3. Darwin C. Voyage of the Beagle. Bantam Books, New York, 1972,
439 pp. [Русский перевод 2-го изд.: Ч. Дарвин. Путешествие
натуралиста вокруг света на корабле «Бигль». — М.: Геогр.
лит., 1954.]
4. Drake C.L., Burk C.A. Geological significance of continental
margins. In The Geology of Continental Margins, Eds. C.A. Burk
and C.L. Drake. Springer-Verlag, New York, 3—10, 1974. [Рус¬
ский перевод: Ч.Л. Дрейк, К.А. Берк. Геологическая роль
подводных континентальных окраин. — В кн.: Геология кон¬
тинентальных окраин, т. 1. — М.: Мир, 1978, с. 9—17.]
5. Emery К.О. The continental shelves. In Oceanography: Readings
from Scientific American, Ed. J.R. Moore. Freeman, San Fran¬
cisco: 143—154, 1971.
6. Heezen B.C., Tharp M. Physiographic Diagram of the North At¬
lantic. Geologic Society of America, copyright Bruce C. Heezen
and Marie Tharp, 1986.
7. Hopkins T.S. On the circulation over the continental shelf off
Washington. Ph.D. thesis, University of Washington, Seattle,
1971, 204 pp.
8. Komar P.D., Neudeck R.H., Kulm L.D. Observations and sig¬
nificance of deep-water oscillatory ripple marks on the Oregon
Continental Shelf. In Shelf Sediment Transport, Eds. D. J.P. Swift,
D.B. Duane, and O.H. Pilkey. Dowden, Hutchinson, and Ross,
Stroudsburg, Pa. 601—620, 1972.
9. McIntyre A., Kipp N.G., Be A.W.H., Crowley T., Kellog T.,
Gardner J. V., Prell W., Ruddiman W.F. Glacial North Atlantic
18,000 years ago: A CLIMAP reconstruction. Geol. Soc. Amer.
Memoir 145: 43—76, 1976.
10. Meade R.H. Sources and sink of suspended matter on continental
shelves. In Shelf Sediment Transport, Eds. D.J.P. Swift,
D.B. Duane, and O.H. Pilkey. Dowden, Hutchinson, and Ross,
Stroudsburg, Pa.: 249—262, 1972.
11. Shepard F.P. Submarine Geology. Harper and Row, New York,
1963, 557 pp. [Имеется русский перевод (см. литературу к
гл. 4).]
12. Swift D.J.P. Continental shelf sedimentation. In The Geology of
386
ЛИТЕРАТУРА
Continental Margins, Eds. C.A. Burk and C.L. Drake. Springer-
Verlag, New York: 117—135, 1974. [Русский перевод:
Д.Дж. Свифт. Осадконакопление в пределах континентально¬
го шельфа. — В кн.: Геология континентальных окраин,
т. 1. — М.: Мир, 1978, с. 132—155.]
К главе 6
1. Harvey J.G. Atmosphere and Ocean. Artemis Press, Sedgwick
Park, Horsham, Sussex, 1976, 143 pp.
2. Michener J. The Covenant. Fawcett, New York, 1982, 877 pp.
3. Sverdrup H. U., Johnson M. W., Fleming R.H. The Oceans. Pren¬
tice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1942, 1087 pp.
4. Trump C.L., Neshyba S.J., Burt W. V. Effects of mesoscale atmos¬
pheric convection cells on the waters of the East China Sea. Boun¬
dary-Layer Meteorology 24: 15—34, 1982.
5. Von Arx W.S. An Introduction to Physical Oceanography. Addi¬
son-Wesley, Reading, Mass., 1962, 422 pp.
6. Weyl P.K. Oceanography: An Introduction to the Marine
Environment. Wiley, New York, 1970, 535 pp. [Русский перевод:
П. Вейль. Популярная океанография. — Л.: Гидрометеоиз-
дат, 1977.]
К главе 7
1. Barth T.F.W. Theoretical Petrology. Wiley, New York, 1952,
416 pp.
2. Dittmar W. Report on researches into the composition of ocean
water collected by H.M.S. Challenger. Challenger Repts. Phys, and
Chem. 1: 1—251, 1984.
3. Goldberg E.D., Arrhenius G.O.S. Geochim. et cosmoch. Acta, 13:
153, 1958.
4. Gross M.G. Oceanography: A View of the Earth. Prentice-Hall,
Englewood Cliffs, N.J., 1977 (2nd ed.), 497 pp.
5. McClellan H.J. Elements of Physical Oceanography. Pergamon
Press, Elmsford, N.Y., 1965, 151 pp.
6. Montgomery R.B. Water characteristics of Atlantic Ocean and of
World Ocean. Deep-Sea Res. 5: 134—148, 1958.
7. Quinby-Hunt M.S., Turekian K.K. Distribution of elements in sea
water. EOS, Trans. Amer. Geophysical Union, Vol. 66, 5 April
1983.
8. Shepard F.P. Submarine Geology. Harper and Row, New York,
1963, 557 pp. [Имеется перевод (см. литературу к гл. 4).]
9. Sverdrup Н. V., Johnson М. W., Fleming R.H. The Oceans.Pren¬
tice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1942, 1087 pp.
К главе 8
1. Barstow D., Gilbert W., Wyatt B. Hydrographic data from Oregon
waters 1968. Oregon State University, Dept, of Oceanography,
Report 36, November 1969.
К главе 9
1. Archives, National Oceanographic Data Center, Washington, D.C.
2. Clarke M.R. Structure and proportions of the spermaceti organ of
the sperm whale. J. Marine Biol. Assn. United Kingdom, 58:
1—17, 1978.
3. Johnson R.E. Antarctic Intermediate Water in the South Pacific.
Ph. D. thesis, Oregon State University, Corvallis, 1972.
4. Wiist G. The Stratosphere of the Atlantic Ocean. Scientific results
of the German Atlantic expedition of the Research Vessel Meteor
1925—1927, Vol. 6, Section 1. Berlin and Leipzig, 1935. English
translation edited by W.J. Emery for the National Science Found¬
ation, 1978, 111 p.
5. Hardy A. The Open Sea, Part 2, Houghton Mifflin Company, Bos¬
ton, 1965.
К главе 10
1. Michener J. Centennial. Random House, New York, 1974.
2. Neshyba S. Upwelling by icebergs. Nature 267, 5611: 507—508,
1977.
3. Quinn W.H. The false El Nino and recent related climatic changes
in the southeast Pacific. In Proceedings of the Fourth Annual
Climate Diagnostics Workshop, Institute of Environmental Stu¬
dies, University of Wisconsin, Madison: 233—244, 1979.
4. Richardson P.L. Gulf Stream ring trajectories. J. Phys. Ocn.
10(1): 90—104, 1980.
К главе И
1. Knauss J.A. Introduction to Physical Oceanography. Prentice-
Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1978, 338 pp.
2. Stommel H. The Gulf Stream. University of California Press, Ber¬
keley, 1960, 202 pp. [Русский перевод: Г. Стоммел. Гольф¬
стрим. — М.: ИЛ, 1963.].
3. Stommel Н. The abyssal circulation. Deep-Sea Res. 5: 80—82,
1958.
4. Stommel H. Westward intensification of wind-driven ocean cur¬
rents. Trans. Amer. Geophys. Union, 29: 202—206, 1948.
К главе 12
1. Barber R.T. Seminar given at Oregon State University, 1978.
2. Brown K., Berry R. Pounds and value of commercially caught fish
and shellfish in Oregon. Oregon Fish and Game Commission Re¬
port, 1979.
3. Hardy A. The Open Sea, Vol. 2. Houghton Mifflin, Boston, 1965,
322 pp.
4. Hurd L.E., Mellinger M. V., Wolfe L.L., McNaughton S.J. Stabi¬
lity and diversity of three trophic levels in terrestrial successional
ecosystems. Science 173: 1134—1136, 1971.
5. Parsons T.R., Takahashi M. Biological Oceanographic Processes.
Pergamon Press, Elmsford, N.Y., 1973, 186 pp.
К главе 13
1. Barnes R.D. Invertebrate Zoology. W.B. Saunders, Philadelphia,
1963, 623 pp.
2. Fell B. Introduction to Marine Biology. Harper and Row, New
York, 1975, 356 pp.
3. Fleming R.H. The control of diatom population by grazing. Con-
seil Perm. Internat. p. l’Explor. de la Mer, J. Conseil 14(2):
210—227, 1939.
4. Fryxel G. Personal communication, 1983.
5. Johnson M. W., Brinton E. Biological species, water masses and
currents. In The Sea. Vol. 2, Ed. M. Hill. Wiley-Interscience, New
York: 381—414, 1963.
6. Koehl M.A.R., Stickler J.R. Copepod feeding currents: Food
capture at low Reynolds number. Limn, and Ocn. 26 (6):
1062—1073, 1981.
7. McGowan J.A. Oceanic biogeography of the Pacific. In The
Micropaleontology of Oceans, Eds. B. Funnell and W. Riedel.
Cambridge University Press, Cambridge, England: 3—74, 1971.
8. Metcalf M.M. The Salpidae: A taxonomic study. United States
Natural Museum Bulletin 100 (2, 2): 5—193, 1919.
9. Miller C.B. Personal communication.
10. Uribe E., Neshyba S., Fonseca T. Phytoplankton community
composition across the West Drift off South America. Deep-Sea
Res. 29 (10A): 1229—1243, 1982.
К главе 14
1. Beebe W. The Arcturus Adventure. G.T. Putnam, New York,
1926, 439 pp.
2. Espinoza F.R., Neshyba S., Zhao M. Surface water motion off
Chile revealed in satellite images of surface chlorophyll and tempe¬
rature. In Proceedings of the International Conference of Marine
Resources of the Pacific, Ed. P.M. Arana. Catholic University of
Valparaiso, Chile: 41—57, 1983.
3. Hardy A. The Open Sea, Vol. 2. Houghton Mifflin, Boston, 1965,
322 pp.
4. Jerlov N.G. Marine Optics. Elsevier, New York, 1976, 231 pp.
5. Miller C.B. Personal communication, 1983.
6. Neshyba S. Pulsed light stimulation of marine bioluminescence in
situ. Limn, and Ocn. 12 (2): 222—235, 1967.
7. Pak H., Beardsley G.F., Smith R.L. An optical and hydrographic
ЛИТЕРАТУРА
387
study of a temperature inversion off Oregon during upwelling.
J. Geophys. Res. 75 (3): 629—636, 1970.
8. Sumich J.L. An Introduction to the Biology of Marine Life.
William C. Brown, Dubuque, Iowa, 1980 (2nd ed): 375 pp.
9. Weyl P.K. Oceanography: An Introduction to the Marine
Environment. Wiley, New York, 1970, 535 pp. [Имеется перевод
(см. литературу к гл. 6).]
К главе 15
1. Alvarino A. Distributional atlas of chaetognatha in the California
Current Region. CALCOFI Report, Vol. 3, 1965.
2. Bakun A., Parrish R.H. Environmental inputs to fishery
population models for Eastern Boundary Current regions. In
Workshop on the Effects of Environmental Variation on the
Survival of Larval Pelagic Fishes, Ed. G.D. Sharp. IOC Workshop
Report 28, UNESCO: 67—104, 1980.
3. Barnes R.D. Invertebrate Zoology, Saunders College Press,
Philadelphia, 1980 (4th ed.): 1089 pp.
4. Berner L.D. Distributional atlas of the Thaliacea in the California
Current region. CALCOFI Report, Vol. 8, 1967.
5. Brady H.B. Report of the Foraminifera dredged by HMS Challen¬
ger during the years 1873—1876. In Reports of the Scientific Re¬
sults of the Voyage of the HMS Challenger, Vol. 9, 1884.
6. Brinton E. Distributional atlas of Euphausiacea (Crustacea) in the
California Current region, Part 1. CALCOFI Report, Vol. 5, 1967.
7. California Cooperative Oceanic Fisheries Investigation
(CALCOFI) Atlas Series, Vols. 1—30. California Dept, of Fish and
Game, NOAA and Scripps Institute of Oceanography.
8. Campbell A.S. Tintinnids. In Treatise on Invertebrate Paleon¬
tology, Part d, 3, Ed. R.C. Moore. Geological Society of America,
Boulder, Colo., 1954.
9. Dodge J.D. Marine Dinoflagellates of the British Isles. Her
Majesty’s Stationary Office, London, 1982, 303 pp.
10. Geisbrecht IF. Systematik und Faunistik der pelagischen Copepo-
den des Golfes von Neapel unde der Angren-zenden Meeres — Ab-
schnitte. Fauna und Flora Neapel 19 (Atlas), 1982.
11. Hart J.L. Pacific Fishes of Canada. Bulletin of Fishery Research
Board of Canada 180, 1973.
12. Horn M.H. Diversity and ecological roles of noncommercial fishes.
CALCOFI Report, Vol. 21: 37—47, 1980.
13. Mayer A.G. Medusae of the World. Carnegie Institute of Washin¬
gton, Washington, D.C., 1910.
14. McGowan J.A. The thecosomata and gymnosomata of California.
The Veliger, 3 (suppl.): 103—135, 1968.
15. McGowan J.A., Miller C.B. Larval fish and zooplankton commu¬
nity structure. CALCOFI Report, Vol. 21, 1980.
16. Morton J.E. The biology of Limacina retroversa. J. Marine Biol.
Assn. United Kingdom 33: 297—312, 1954.
17. Reid F. Personal communication, 1986.
18. Schewiakoff W. Die Acantharia des Golfes von Neapel. Fauna und
Flora Neapel 37 (Atlas), 1926.
19. Sleigh M.A. The Biology of Protozoa. Elsevier, New York, 1973,
315 pp.
20. Steinbeck John. Cannery Row. Viking Press, New York, 1945.
21. Sumich J.L. An Introduction to the Biology of Marine Life,
William C. Brown, Dubuque, Iowa, 1980 (2nd ed.): 375 pp.
22. Whedon W.F., Kofoid C.A. Dinoflagellata of the San Francisco
region. I. On the skeletal morphology of two new species,
Conyaulax catenella and G. acatenella. Univ. Calif. Publ. Zool. 41:
25—34; 1936.
К главе 16
1. Bolin R.L., Abbott D.P. Studies of the marine climate and
phytoplankton of the central coastal area of California,
1954—1960. CALCOFI Report, Vol. 19: 23—45, 1963.
2. Collette B.B., Talbot F.H. Activity patterns of coral reef fishes
with emphasis on nocturnal-diurnal changeover. Bull. Nat. Hist.
Mus. Los Angeles County, 14: 98—124, 1972.
3. Darwin C. Voyage of the Beagle. Bantam Books, New York, 1972,
439 pp. [Имеется перевод (см. литературу к гл. 5).]
4. Gonor J.J. Personal communications, Marine Science Center,
Oregon State University, 1985.
5. Hixon M.A., Brostoff W.N. Damselfish as keystone species in re¬
verse: Intermediate disturbance and diversity of reef algae. Science
220: 511—513, 1983.
6. Moyle P., Cech J. Jr. Fishes — An Introduction to Ichthyology.
Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1982, 593 pp.
7. Nybakken J. W. Marine Biology: An Ecological Approach. Harper
and Row, New York, 1982, 446 pp.
8. Oxenford H. Personal communications, Bellairs Research Instit¬
ute, St. James, Barbados, West Indies, 1985.
9. Randall J.E. Caribbean Reef Fishes. T.F.H. Publications, N.J.,
1968, 350 pp.
10. Smith C.L., Tyler J.C. Space resource sharing in a coral reef fish
community. Bull. Nat. Hist. Mus. Los Angeles County 14:
125—170, 1972.
11. Weibe W.J., Johannes R.E., Webb K.L. Nitrogen fixation in a
coral reef community. Science 188: 257—259, 1975.
К главе 17
1. Bowden K.F. Physical Oceanography of Coastal Waters. Halsted
Press, New York, 1983, 288 pp.
2. Chelton D.B., Hussey K.J., Parke M.E. Global satellite measu¬
rements of water vapor, wind speed and wave height. Nature 294
(5841): 10—16, 1981.
3. Cornish V. Ocean Waves and Kindred Phenomena. Cambridge
University Press, Cambridge, England, 1934.
4. Phillips O.M. The Dynamics of the Upper Ocean. Cambridge
University Press, Cambridge, England, 1966, 261 pp. [Русский пе¬
ревод: О. Филлипс. Динамика верхнего слоя океана. — М.:
Мир, 1969.]
5. Reid R.O. (Personal communication) Техас А&М University,
Dept, of Oceanography and Meteorology, 1964.
6. Smith R.L. Poleward propagating perturbations in currents and
sea level along the Peru coast. J. Geophys. Pes. 83: 6083—6092,
1978.
7. Weigel E.P. Killer from the bottom of the sea. U.S. Weather Servi¬
ce, NOAA Report, January 1974.
К главе 18
1. Baumgartner A., Reichel E. The World Water Balance, translated
by R. Lee. Elsevier, New York, 1975, 179 pp.
2. Brown L.R., Wolf E.C. Soil erosion: Quiet crisis in the World
Economy. World Watch Paper 60, 1984.
3. Conomos T.J., Gross M.G. Summer mixing of Columbia River
and ocean waters. J. Sanit. Eng. Div., Amer. Soc. Civil Eng. 94:
979—994, 1968.
4. Czaya E. Rivers of the World, Van Nostrand, New York, 1981,
248 pp.
5. Def ant A. Physical Oceanography, Vol. 2. Pergamon Press, Elms¬
ford, N.Y., 1961.
6. El-Swaify S.A., Dangler E. W. Rainfall erosion in the tropics. In
Soil Erosion and Conservation in the Tropics. American Society of
Agronomy Special Publication 43, Madison, Wis., 1982.
7. Groves G., Munk W.H. A note on tidal friction. J. Mar. Res. 17:
199—214, 1958.
8. Haedrich R.L., Hall C.A.S. Fishes and estuaries. Oceanus 19 (5):
55—63, 1976.
9. Iles T.D., Sinclair M. Atlantic herring: Stock discreteness and
abundance. Science 215: 627—633, 1982.
10. Judson S. Erosion of the land. American Scientist, July-August,
1968.
11. Ketchum B.H., Keen D.J. The accumulation of river water over the
continental shelf between Cape Cod and Chesapeake Bay. Deep-
Sea Res. 3 (suppl): 346—357, 1955.
12. Komar P.D. Beach Processes and Sedimentation. Prentice-Hall,
Englewood Cliffs, N.J., 1976.
13. McGowan J.A. Personal communication, 1978.
14. McHugh J.L. Management of estuarine fisheries. In A Symposium
on Estuarine Fisheries. American Fisheries Society, Special Publi¬
cation 3, Bethesda Md.: 133—154, 1966.
15. Neal V.T. Physical aspects of the Columbia River and its estuary.
In The Columbia River Estuary and Adjacent Ocean Waters, Eds.
388
ЛИТЕРАТУРА
А.Т. Pruter and D.L. Alverson. University of Washington Press,
Seattle: 19—40, 1972.
16. Osterberg C., Cutshall N., Cronin J. Chromium-51 as a radioactive
tracer of Columbia River water at sea. Science 150: 1586, 1965.
17. Pruter A. T. Review of commercial fisheries in the Columbia River
and in contiguous waters. In The Columbia River Estuary and
Adjacent Ocean Waters, Eds. A.T. Pruter and D.L. Alverson.
University of Washington Press, Seattle, 1972, 868 pp.
18. Sakou T., Neshy ba S. The temporal structure of oceanic motion
off the Oregon Coast. J. Mar. Res. 30 (1): 1—14, 1972.
19. Schumacher J.D., Kinder Т.Н., Pashinski D.J., Charnell R.L.
A structural front over the continental shelf of the Eastern Bering
Sea. J. Phys. Ocn. 9: 79—87, 1979.
20. Shepard F.P. Submarine Geology, Harper and Row, New York,
1963 (2nd ed.): 557 pp. [Имеется перевод (см. литературу к
гл. 4).]
21. Small L.F., Curl H.C.Jr. Effects of Columbia River discharge on
chlorophyll a and light attenuation in the sea. In The Columbia
River Estuary and Adjacent Ocean Waters, Eds. A.T. Pruter and
D.L. Alverson. University of Washington Press, Seattle: 203—218,
1972.
22. Stommel H. Westward intensification of wind-driven ocean cur¬
rents. Trans. Amer. Geophys. Union 29: 202—206, 1948.
23. Sutcliffe W.H., Jr. Correlations between seasonal river discharge
and local landings of America) lobster (Homarus americanus), and
Atlantic halibut (Hippoglossus hippoglossus) in the Gulf of St.
Lawrence. J. Fish. Res. Bd. Can. 30 (6): 856—859, 1973.
К главе 19
1. Amann H. The Atlantis II deep project in the Red Sea as a source
of technology for the development of marine polymetallic sulfides.
In Proceedings OCEANS’83, Vol. 2. Marine Technology Society
and IEEE, Rockville, Md.: 802—815, 1983.
2. Ballard R.D., Bischoff J.L. Assessment and scientific under¬
standing of hard mineral resources in the EEZ. USGS Survey
Circular 929: 185—208, 1983.
3. Bell F. W. Food from the Sea: The Economics and Politics of
Ocean Fisheries. Westview Press, Boulder, Colo., 1978, 380 pp.
4. Brooks R.R., Rumsby M.G. The biogeochemistry of trace element
uptake by New Zealand bivalves. Limn, and Ocn. 10: 521—527,
1965.
5. Brown L.R., Shaw P. Six steps to a sustainable society Worldwatch
Paper 48, March 1982.
6. Constans J. Marine Sources of Energy. U.N. Department of In¬
ternational Economic and Social Affairs, OST. Pergamon Press,
Elmsford, N.Y., 1979, 151 pp.
7. Crooke R.C., Otteman L.G. Offshore oil and gas technology
assessment. USGS Survey Circular 929: 209—246, 1983.
8. Duedall I. W., Ketchum B.H., Park P.K., Kester D.R. Wastes in
the Ocean. Vol. 1. Industrial and Sewage Wastes in the Ocean. Wi-
ley-Interscience, New York, 1983, 431 pp.
9. Food and Agricultural Organization (FAO) Fishery Year-books,
1968—1983, U.N. publication, Rome, Italy.
10. Gulland J. A. Population dynamics of world fisheries. University of
Washington Sea Grant Publication, 296; Seattle, 1972.
11. Haddad K., Manheim F. T, Marr W. Waste disposal in the Florida
coastal environmental. Unpublished report, Marine Science
Program, Dept, of Marine Science, University of South Florida, St.
Petersburg.
12. Halbach P. Co-rich ferromanganese seamount deposits of the
Central Pacific Basin. In Marine Mineral Deposits — New Res¬
earch Results and Economic Prospects, Eds. P. Halbach and
P. Winter. Marine Rohstaffe und Meeres technik, Bd 6, Verlag
Gluckauf, Essen, Germany: 60—85, 1982.
13. Hood D. W., McRoy C.P. Uses of the ocean. In Impingement of
Man on the Sea, Ed. D.W. Hood. Wiley-Interscience, New York,
1971.
14. Isaacs J.D. Personal communication, 1976.
15. Japan Fisheries Agency Annual Report, 1980.
16. Levenspiel O., deNevers N. The osmotic pump. Science 183:
157—160, 1974.
17. Manheim F.T., Ling Т.Н., Lane C.M. An extensive data base for
cobalt-rich ferromanganese crusts from the world oceans. In Pro¬
ceedings Oceans’83, Vol. 2. Marine Technology Society and IEEE,
Rockville, Md.: 828—831, 1983.
18. McClain C.E. Requirements for private sector investment. USGS
Survey Circular 929: 15—54, 1983.
19. Merlini M. Heavy-metal contamination. In Impingement of Man
on the Seas, Ed. D.W. Hood. Wiley-Interscience, New York, 1971.
20. National Academy of Sciences. Marine Environmental Quality.
Washington, D.C., 1971, 107 pp.
21. Oxman B.H. The new law of the sea. National Oceanographic Data
Center, NOAA, Washington, D.C., ABA 69, 1983.
22. Park P.K., Duedall I. W., Kester D.R., Ketchum B.H. Wastes in
the Ocean, Vol. 3. Radioactive Wastes and the Ocean. Wiley-Inter¬
science, New York, 1983, 5—14 pp.
23. Peck D.L. The U.S. geological survey program and plans in the
EEZ. USGS Survey Circular 929: 55—83, 1983.
24. Pendley W.P. Importance of the EEZ proclamation. USGS Survey
Circular 929: 3—9, 1983.
25. Pillay T. V.R. The role of aquaculture in the fishery development.
J. Fish. Res. Bd. Can. 30: 2202—2217, 1973.
26. Rowland R. W., McGregor B.A. Recommendations from the De¬
partment of the Interior EEZ Symposium. In Exclusive Economic
Zone Papers, Oceans ’84, Marine Technology Society and the
IEEE, Rockville, Md., 1984, 149 pp.
27. Scott S.D. Basalt and sedimentary hosted seafloor polymetallic sul¬
fide deposits and their ancient analogies. In Proceedings Oce¬
ans’83, Vol. 2. Marine Technology Society and IEEE, Rockville,
Md.: 818—824, 1983.
28. Stowe K. Ocean Science. Wiley, New York, 1983 (2nd. ed.).
29. Templeton W.L. Artifical radionuclides in the oceans. In
Oceanography: The Past, Eds. M. Sears and D. Merriman. Sprin¬
ger-Verlag, New York: 420—437, 1980.
30. Wertenbacker W. The Law of the Sea: A reporter at large, New
Yorker Mag., August 1—8, 1983.
К главе 20
1. Baumgarther A., Reichel E. The World Water Balance, translated
by R. Lee. Elsevier, New York, 1975: 179 pp.
2. Beal A.B. Bathymetry and structure of the Arctic Ocean (basin).
Ph. D. thesis, Oregon State University, Corvallis, 1966.
3. Bunt J.S. Microalgae of the Antarctic packice zone. In Symposium
on Antarctic Oceanography. Published by Scott Polar Research
Institute for SCAR, Cambridge, England, 1966.
4. Dunbar M.F. Arctic marine ecosystems. In The Arctic Ocean, Ed.
L. Rey and B. Stonehouse. Wiley-Interscience, New York:
233—262, 1982.
5. Fay F.H. Marine mammals of the Eastern Bering Sea Shelf. In The
Eastern Bering Sea Shelf: Oceanography and Resources, Vol. 2,
Eds. D.W. Hood and J.A. Calder. Published by NOAA, distribu¬
ted by University of Washington Press, Seattle, 1981.
6. Fell B. Introduction to Marine Biology. Harper and Row, New
York 1975, 356 pp.
7. Hood D. W. Oceanography of the Bering Sea. Institute of Marine
Science, University of Alaska, Fairbanks, Alaska, 1974, 623 pp.
8. Horner R., Schrader G.C. Relative contributions of ice algae,
phytoplankton and benthic microalgae to primary production in
nearshore regions of the Beaufort Sea. Arctic 35 (4): 485—503, De¬
cember 1982.
9. Lowry L.F., Frost K.J. Feeding and trophic relationships of
Phocid seals and walruses in the Eastern Bering Sea. In The Eastern
Bering Sea Shelf: Oceanography and Resources, Vol. 2, Eds.
D.W. Hood and J.A. Calder. Published by NOAA, distributed by
University of Washington Press, Seattle: 807—824, 1981.
10. Murphy R. C. The oceanic life of the Antarctic. Scientific American
207 (3): 186—210, 1962.
11. Nemoto T. Feeding of baleen whales and krill. In Symposium on
Antarctic Oceanography. Published by Scott Polar Research Insti¬
tute for SCAR, Cambridge, England: 240—253, 1968.
12. NOAA. Ice Limit Charts. Published weekly by the Navy — NOAA
Joint Ice Center, Suitland, Md.
ЛИТЕРАТУРА
389
13. Potter N. Natural Resource Potentials of the Antarctic. The
American Geographical Society, The Lane Press, Burlington, Vt.,
1969.
14. Rey L. The Arctic Ocean: A polar Mediterranean. In The Arctic
Ocean, Ed. L. Rey and B. Stonehouse. Wiley-lnterscience, New
York, 1982, 433 pp.
К главе 21
1. Barazangi M., Dorman J. World seismicity maps compiled from
ESSA, Coast and Geodetic Survey, Epicenter Data 1961/67. Bull.
Seismol. Soc. Amer. 59: 369, 1969.
2. Cox A. Geomagnetic reversals. Science 162: 237, 1969.
3. Dewey J.F., Bird J.M. Mountain belts and the new global tecto¬
nics. J. Geophys. Res. 75 (14): 2625—2647, 1970. [Русский пере¬
вод: Дж. Дьюи, Дж. Берд. Горные пояса и новая глобальная
тектоника. — В кн.: Новая глобальная тектоника (тектоника
плит). — М.: Мир, 1974, с. 191—219.]
4. Drake Е. Т. Alfred Wegener’s reconstruction of Pangea. Geology
4 (1): 41—44, 1976.
5. Eicher D.L. Geologic Time, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J.,
1968, 138 pp.
6. Fischer A.G., Heezen B.C., Boyce R.E., Burky D., Douglas R.G.,
Garrison R.E., Kling S.A., Krasheninnikov V., Lisitzin A.P.,
Pimm A.C. Geologic history of the Western North Pacific. Science
168: 1210—1214, 1970.
7. Frank F.C. Curvature of island arcs. Nature 220: 363, 1968.
8. Grow J. A. Crustal and upper mantle structure of the Aleutian arc.
Geol. Soc. Amer. Bull. 84 (7): 2169—2192, 1973.
9. Hess H.H. History of ocean basins. In Petrologic Studies, Eds.
A.E.J. Engel, H.L. James, and B.F. Leonard. Geological Society
of America, Boulder, Colo.: 599—620, 1962.
10. Jacobs J.A., Russell R.D., Wilson J.T. Physics and Geology.
McGraw-Hill, New York, 1974 (2nd ed.).
11. Koppen W., Wegener A. Die Klimate der geologischen Vorzeit.
Berlin, 1924, 256 pp.
12. Le Pichon X. Sea-floor spreading and continental drift. J. Geo¬
phys. Res. 73: 3661, 1968. [Русский перевод: К. Ле Пишон.
Спрединг океанического дна и дрейф континентов. — В кн.:
Новая глобальная тектоника. — М.: Мир, 1974, с. 93—133.]
13. Lewis B.R. The search for longitude. Oceans: 18—23, Jan. 1982.
14. Morgan W.J. Rises, trenches, great faults and crustal blocks.
J. Geophys. Res. 73: 1959, 1968. [Русский перевод: В. Морган.
Океанические поднятия, глубоководные желоба, большие раз¬
ломы и блоки земной коры. — В кн.: Новая глобальная текто¬
ника. — М.: Мир, 1974, с. 68—93.]
15. Paul Н. A history of geologic time. Amer. Scientist: 159—166,
March—April 1978.
16. Raff A.D., Mason R.G. Magnetic survey off the west coast of
North America. 40°—50° N. Geol. Soc. Amer. Bull. 72: 1261,
1961.
17. Schuchert C. The hypothesis of continental displacement. In
Theory of Continental Drift, Eds. W.A. van der Gracht and
J.M. Waterschoot. American Association of Petroleum Geologis¬
ts, Tulsa., Okla.: 104—144, 1928.
18. Tarling D.H., Tarling M.P. Continental Drift: A Study of the
Earth’s Moving Surface. Anchor Books, G. Bell, London, 1975
(revised ed.), 142 pp.
19. Valentine J. W., Moores E.M. Plate-tectonic regulation of faunal
diversity and sea level: A model. Nature 228: 657—659, 1970.
20. Van Andel T. Science at Sea. Freeman, San Francisco, 1977,
186 pp.
21. Wegener A. Die Enstehung der Kontinente und Ozeane. Veiweg
and Sohn, Braunschweig, Germany, 2nd ed., 1919; 3rd ed., 1922,
translated into English in 1924; 4th ed., 1924, revised by A. Wege¬
ner and translated into English in 1929. [Имеется перевод (см.
литературу к гл. 4.).]
Словарь терминов
ААСР — АЦТ. Антарктическое циркумполярное течение,
abiotic matter — абиотическое вещество. Неживая материя,
absorption — поглощение, абсорбция. Поглощение одного
вещества другим; присоединение какого-либо вещества к бо¬
лее крупной структуре; захват энергии излучения.
abyssal — абиссальный. Относящийся к глубоким уровням
водной толщи океанов и к деталям океанического дна.
abyssal plain — абиссальная равнина. Плоская, почти гори¬
зонтальная и самая глубокая часть многих океанических бас¬
сейнов.
acceleration — ускорение. Мера изменения скорости части¬
цы, выраженная как функция времени (в м/с2).
accretion — аккреция. Процесс накопления в результате по¬
степенного наращивания.
accretion prism — аккреционная призма. Накопление матери¬
ала на окраине континента в результате соскабливания его с
океанической коры в процессе субдукции.
ACPW — АЦПВ. Антарктическая циркумполярная вода —
водная масса, заключенная внутри Антарктического циркум¬
полярного течения.
adsorption — адсорбция. Молекулярное сцепление чрезвы¬
чайно тонкого слоя молекул с поверхностью твердого тела
или жидкости.
advection — адвекция. Горизонтальное перемещение массы
жидкости.
albedo — альбедо. Часть падающей на поверхность энергии
излучения, отражаемая этой поверхностью во всех направ¬
лениях.
alga(e) — водоросль. Простое бессосудистое растение, не
имеющее корней и цветков, размножающееся делением; пре¬
имущественно одноклеточные в открытом океане, но в
большинстве случаев многоклеточные (бурые водоросли)
вдоль прибрежных зон океанов.
alluvial fan — аллювиальный конус выноса. Слабо сцементи¬
рованный материал, скапливающийся у подножья горы (на
суше) или в основании континентального склона (в море),
ambient — окружающий, внешний. Окружающий со всех
сторон, находящийся в ближайшей окрестности.
anadromous — анадромные, или проходные. Рыбы, заходя¬
щие на нерест в реки.
anaerobic — анаэробный. Живущий в обстановке отсутствия
свободного кислорода.
andesitic volcano — андезитовый вулкан. Вулкан, продукты
извержения которого образованы из магмы, богатой сили¬
катами кальция и натрия.
anion — анион. Отрицательно заряженный ион.
anomaly — аномалия. Отклонение от нормальной величины;
обычно выражается в единицах выше или ниже «нормы».
Antarctic Convergence — Антарктическая конвергенция. На¬
звание зоны, в которой происходит слияние холодных по¬
верхностных вод, существующих вблизи Антарктического
континента, с теплыми поверхностными водами, характер¬
ными для центральной части основных океанов Южного по¬
лушария; теперь называется Полярным фронтом,
anticyclonic — антициклонический. Направление крупномас¬
штабного вращательного движения: воздуха — вокруг ат¬
мосферной области высокого давления (ветры), океанской
воды — вокруг области высокого уровня (течения) (в Север¬
ном полушарии по часовой стрелке, в Южном — против. —
Ред.).
aphotic zone — афотическая зона. Огромные пространства в
глубинах океанов, где интенсивность солнечного света
слишком мала, чтобы обеспечить фотосинтез.
aquaculture — аквакультура. Высаживание, выращивание и
сбор водной флоры и фауны.
Arctic (Antarctic) Circle — Северный (Южный) полярный
круг. Параллель, расположенная на широте 66,5° (северной
или южной). Во время зимнего солнцестояния солнечные
лучи направлены здесь по касательной к земному шару,
arrowworm — морские стр ёлки. Общее название хето-
гнат — мелких, свободно плавающих морских животных,
arthropods — членистоногие. Животные с сегментирован¬
ным наружным скелетом и членистыми конечностями; в
море, например, — крабы, омары и копеподы,
asthenosphere — астеносфера. Верхняя часть мантии, доста¬
точно пластичная для того, чтобы в ней могло возникнуть
течение пород; простирается от подошвы литосферы вглубь
на несколько сотен километров. Полагают, что материал в
пределах астеносферы легко деформируется под действием
постоянного поля напряжений.
atmospheric high — атмосферный максимум. Зона, где на уров¬
не моря давление находящегося над ним столба относительно
сухого воздуха выше нормального (1 атм = 1013 мбар).
atmospheric low — атмосферный минимум. Область относи¬
тельно низкого давления воздуха на уровне моря. Этот воз¬
дух содержит относительно большое количество водяного
пара. Встречается в условиях влажного климата и во время
шторма.
attenuation — ослабление, затухание. Уменьшение интенсив¬
ности энергии при ее распространении в среде вследствие
поглощения и рассеяния.
austral — австральный, южный. Например, в выражении
«австральная» зима, т. е. зима в Южном полушарии,
autotroph — автотроф. Организм, способный синтезиро¬
вать живую протоплазму непосредственно из абиотического
материала и энергии; растение.
backwash — откат. Движение воды обратно в сторону мо¬
ря после наката на пляж прибойной волны.
baleen — китовый ус. Роговое вещество, растущее в виде
двух рядов пластин, свисающих с верхней челюсти у тех ви¬
дов китов, которые питаются, отфильтровывая планктон и
мелких животных из заглатываемой морской воды. Кито¬
вый ус образует похожее на бахрому сито.
bank — банка. Мелководная область, часть континенталь¬
ной окраины, где дно поднимается до такого уровня, что
навигация еще безопасна, но глубина меньше, чем на окру¬
жающих акваториях.
bar — бар. а) Подводная песчаная отмель, образующаяся у
входа в залив, б) Единица давления, определяемая как дав¬
ление на уровне моря, создаваемое столбом сухого воздуха
при стандартной температуре; нормальное давление в океа¬
нологии и метеорологии обычно принимается равным
1013 мбар.
barbels — усики. Тонкие чувствительные органы осязания у
некоторых видов рыб, обычно торчащие из губ.
barrier island — барьерный остров. Вытянутый параллельно
берегу песчаный бар, образовавшийся в областях значитель¬
ного привноса осадков, но отделенный от берега лагуной и
пронизанный отдельными проливами, по которым море со¬
общается с лагуной и рекой.
barrier reef — барьерный риф. Коралловый риф, сформиро¬
вавшийся по окраине материка или острова, но обычно от¬
деленный от берега лагуной.
basalt — базальт. Тонкозернистая изверженная порода.
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
391
Образуется из магмы, обогащенной магнием и желе¬
зом.
basin — бассейн. Отрицательный морфологический элемент
земной поверхности, сформировавшийся между материками
в находящейся между ними коре из более плотного матери¬
ала; крупная депрессия, расположенная ниже поверхности
континентов и занятая океаном.
basin crust — океаническая кора. Часть земной коры, сло¬
женная недавно образовавшимися базальтами, богатыми
магнием и железом; входит в состав литосферы нематери¬
кового происхождения.
bathymetric — батиметрический. Относящийся к измерению
глубин воды в озерах, морях и океанах.
bathyscaph — батискаф. Управляемое подводное судно с во¬
донепроницаемой сферической кабиной, в которой могут на¬
ходиться люди во время глубоководных исследований,
bay — бухта. Залив средней величины.
becquerel — беккерель. Единица радиоактивности, определя¬
емая как один акт распада ядра в секунду.
benthos — бентос. Живые организмы, которые в течение
всего жизненного цикла прикреплены к морскому дну или
тесно связаны с ним.
berm — берма, уступ. Почти плоская часть пляжа или ты¬
ловой зоны пляжа. Сложена материалом, принесенным при¬
бойными волнами во время самого высокого прилива,
bight — небольшой открытый залив. Протяженный плав¬
ный изгиб береговой линии, ограничивающий открытое море,
bimodal — бимодальный. Относится к двум формам некото¬
рого процесса, встречающимся приблизительно с равной ве¬
роятностью; например, две преобладающие высоты земной
литосферы.
biogenous — биогенный. Происходящий в результате или за
счет жизнедеятельности организмов.
biogeography — биогеография. Отрасль биологии, которая
имеет дело с географическим распределением растений и
животных.
bioluminescence — биолюминесценция. Испускание лучистой
энергии видимого диапазона (света) живыми организмами,
biomass — биомасса. В океанах — количество живого ве¬
щества, которое существует в единичном объеме воды в
определенный момент времени; измеряется, например, в
тоннах на кубический километр (т/км3).
biosphere — биосфера. Среда обитания в пределах заселен¬
ного организмами пространства однородного характера, на¬
пример в воде или в воздухе; тонкая оболочка Земли, в
пределах которой могут жить организмы.
bitropicality — битропичность. Распределение в пространст¬
ве какого-либо вида, симметричное относительно экватора,
bloom — «цветение». Период наиболее интенсивного роста
биомассы растительных организмов; к цветам отношения
не имеет.
bore — бор. Реакция массы воды, внезапно преодолевшей
естественное препятствие своему движению; обычно отно¬
сится к турбулентной приливной волне с высоким крутым
фронтом, устремляющейся в узкие морские заливы,
boundary current — пограничное течение. Крупное океани¬
ческое течение, параллельное береговой линии.
buffering — буферность. В химии океана — процесс, благо¬
даря которому углеродный цикл в морской воде поддержи¬
вает отношение ионов Н+ к ионам ОН" близким к единице,
или нейтральный водородный показатель pH.
buoyancy — плавучесть. Тенденция погруженного в жид¬
кость тела двигаться в вертикальном направлении в зависи¬
мости от отношения плотностей этого тела и окружающей
жидкости.
byssus — биссус. Пучок длинных упругих нитей из белкового
вещества, которыми некоторые виды двустворчатых мол¬
люсков прикрепляются к твердому субстрату.
caballing — уплотнение при смешении. Процесс смешения
водных масс с одинаковой плотностью, но разными темпе¬
ратурой и соленостью; в результате смесь становится плот¬
нее, чем была каждая из составляющих, и погружается,
calcareous ooze — известковый ил. Неконсолидированный
донный осадок, состоящий главным образом из известко¬
вых раковин отмерших растений и животных.
caloria — калория (кал). Единица теплоты; изменяет темпе¬
ратуру 1 г воды на 1 °C.
carapace — карапакс, панцирь, спинной щит. Хитиновый че¬
хол или щит, покрывающий всю спину или ее часть у таких
видов животных, как крабы, креветки и другие ракообразные,
carbon cycle — углеродный цикл. Связывание СО2 растения¬
ми в процессе фотосинтеза с образованием органических пи¬
тательных веществ, которые затем проходят через последо¬
вательные стадии пищевой цепи и вновь превращаются в
СО2 воздуха в результате дыхания или разложения.
carbon-14 — углерод-14 (14С). Тяжелый изотоп углерода,
содержащий 6 протонов и 8 нейтронов (в обычном атоме
углерода 6 протонов и 6 нейтронов); радиоактивен, период
его полураспада 5700 лет. Используется в лабораторных
экспериментах для измерения скорости поглощения углерода.
В добытых образцах пород по отношению атомов 14С/12С
определяют абсолютный возраст известковых осадков,
catadromous — катадромный. Организм, живущий в прес¬
ной воде и мигрирующий из реки в море для воспроизведе¬
ния потомства, как делают некоторые виды угрей,
cation (катион). Положительно заряженный ион.
centigrade, Celsius, °C — Цельсия, по Цельсию. Относится к
температурной шкале, разделенной на 100 частей между
точкой замерзания (0 °C) и точкой кипения (100 °C) чистой
воды.
centrifugal force — центробежная сила. Фиктивная сила,
действующая на движущуюся криволинейно массу и направ¬
ленная от центра вращения; объясняет возникновение двой¬
ной приливной волны.
cephalopods — цефалоподы, головоногие. Группа моллюс¬
ков, у которых вокруг рта имеется кольцо щупалец. К ней
относятся кальмары и осьминоги.
Challenger — Челленджер. На английском военном корабле
«Челленджер» была проведена первая в мире крупная, по-
настоящему научная океанографическая экспедиция в
1872—1876 гг.
chemosynthesis — хемосинтез. Первичная продукция при от¬
сутствии солнечного света. Производится бактериями, ко¬
торые получают энергию за счет восстановления таких со¬
единений, как сульфаты (БОд). Служит основой для пище¬
вых сетей в сообществах подводных источников на морском
дне.
chitin — хитин. Роговое вещество, полисахарид, используе¬
мый многими организмами для формирования наружного
скелета, например ракообразными копеподами.
chlorinity — хлорность. Концентрация хлора в морской во¬
де, измеряемая в граммах хлора на 1 кг морской воды,
chlorophyll — хлорофилл. Сложное зеленое вещество расте¬
ний, в котором энергия солнечного света превращается в
крахмалы и сахара, необходимые для построения прото¬
плазмы.
chromatophore — хроматофор. Содержащая пигмент клетка
в коже животного. Если в результате расширения она выхо¬
дит на поверхность кожи, то может изменить способность
392
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
животного отражать свет и помочь маскировке; хроматофо-
ры встречаются у таких морских животных, как головоно¬
гие моллюски.
chronometer — хронометр. Очень точные часы, которые на¬
ходятся на борту корабля для вычисления географической
долготы в море.
cilia — жгутики, реснички. Волосоподобные выросты по¬
верхностных клеток небольших организмов, с помощью ко¬
торых эти организмы передвигаются или пропускают воду
сквозь свое тело; обнаружены в механизмах питания многих
морских животных.
clay — глина. Землистое вещество, состоящее из исключи¬
тельно мелких частиц водных алюмосиликатов и других ми¬
нералов размером менее 4 мкм.
climax community — климаксовое сообщество. Последняя
устойчивая стадия экологической сукцессии, достигаемая в
результате успешной приспособляемости к условиям окру¬
жающей среды.
clupeid — клупеоидные. Члены крупного семейства лучепе-
рых, включающего сельдевых, анчоусных и менхеденов, ко¬
торые питаются, отфильтровывая планктон специально
приспособленными для этого жаберными тычинками.
Cnidaria — книдарии. Животные, у которых имеется смена
поколений — медуза (плавающее поколение) и полип (при¬
крепленное поколение) — и которые используют для захва¬
та добычи стрекательные клетки (прежде этих животных
называли кишечнополостными).
coastal cell — прибрежная ячейка. Часть береговой линии, в
пределах которой источники и стоки транспортируемого
осадочного материала четко сбалансированы.
colonial organism — колониальный организм. Организм, в
котором отдельные животные объединены в общий ком¬
плекс с различными функциями, осуществляемыми каждым
типом; например, португальский кораблик, относящийся к
кишечнополостным.
comber — глубоководная волна с пенистым гребнем. В от¬
крытом море — длинная турбулентная волна, верхняя часть
которой обрушивается в виде падающего вперед белого ба¬
рашка; опасна для небольших судов.
commensalism — комменсализм. Связь между двумя видами,
из которых один получает пищу или извлекает еще какую-то
выгоду от другого, не принося тому ни вреда, ни пользы,
community — сообщество. Популяция, состоящая из раз¬
личных взаимодействующих видов, имеющих общее место¬
обитание.
compensation depth — глубина компенсации. В эвфотической
зоне, где интенсивность света с глубиной всегда уменьшает¬
ся, — глубина, на которой освещенность как раз достаточна
для того, чтобы поддерживать фотосинтез в состоянии
компенсации. Кроме того, — глубина, ниже которой рас¬
творяются известковые раковины умерших морских орга¬
низмов. Функция давления, температуры и недосыщенности
кальцием глубинных вод.
compensation point — точка компенсации. Биологическое
понятие: равновесная точка на кривой изменения продукции
с глубиной, в которой количество кислорода, производимо¬
го растительными клетками в результате разложения СО2 в
процессе фотосинтеза, как раз обеспечивает их потребность
в кислороде для дыхания.
compressibility — сжимаемость. Способность к сжатию, фи¬
зическое свойство воды. Уменьшение объема с увеличением
давления.
conductivity — электропроводность. В электрическом по¬
ле — способность вещества проводить электрический ток.
conservative constituent — консервативный, устойчивый
компонент. В морской воде — вещество, время пребывания
которого в данной системе чрезвычайно велико и почти не
изменяется биологическими или химическими процессами,
continental drift — дрейф континентов. Гипотеза, явившая¬
ся предшественницей теории тектоники плит. В ней предпо¬
лагалось, что континенты перемещаются по поверхности
Земли, но не объяснялись причины и не определялся источ¬
ник энергии, необходимый для осуществления этого пере¬
мещения.
continental margin — континентальная окраина. Краевая зо¬
на между гранитной континентальной и базальтовой океа¬
нической корой.
continental rise — континентальное подножие. Скопление
осадков у основания континентального склона, очень похо¬
жее на аллювиальный конус выноса его наземного аналога;
пологий, обычно с выровненной поверхностью уклон к
абиссальной равнине.
continental shelf — шельф. Часть континентальной окраины,
в настоящее время погруженная под мелководные прибреж¬
ные области океанов; практически горизонтальна (уклон ме¬
нее 1:500).
continental shelf break — перегиб шельфа. Край шельфа, где
наклон дна резко возрастает по направлению ко дну бассейна,
continental slope — континентальный склон. Часть конти¬
нентальной окраины, где дно быстро понижается; уклоны
здесь очень большие, а именно 1:14 (около 4°).
contour line — изолиния. На карте или диаграмме — линия,
соединяющая точки с одинаковыми значениями картируе¬
мой величины, например линии равной солености поверх¬
ностных океанских вод.
convection — конвекция. Вертикальная циркуляция жидкости
в океане или атмосфере, обусловленная различиями ее плот¬
ности и действием силы тяжести.
convection cell — конвективная ячейка. Замкнутая система
циркуляции, состоящая из чередования восходящего и нис¬
ходящего движений в жидкости, океане или атмосфере,
convergence — конвергенция. Схождение водных масс в океа¬
не, которое может привести к относительному повышению
уровня моря в открытом океане.
copepods — копеподы, веслоногие рачки. Главные расти¬
тельноядные организмы в морской биосфере; мелкие рако¬
образные.
coral — коралл. Животное, относящееся к типу книдарий;
имеет видоизмененную смену поколений с преобладанием
формы прикрепленного полипа. Будучи хищником, коралл
захватывает жертву при помощи стрекательных клеток,
coralline algae — кораллиновая водоросль. Вид водоросли,
который выделяет известковое вещество в процессе роста
на каменистой поверхности; первичный цементирующий
агент для коралловых рифов.
coral reef — коралловый риф. Камнеподобная формация, со¬
стоящая из выделяемых коралловыми полипами известко¬
вых структур, сцементированных различными способами,
например кораллиновыми водорослями.
core — керн. Вертикальный цилиндрический образец донных
осадков, извлеченный посредством погружения грунтовой
трубки в толщу осадков; теперь его извлекают и с помощью
специального полого бура.
Coriolis force — сила Кориолиса. Фиктивная сила, которой
объясняют отклонение траектории объекта, движущегося по
поверхности вращающейся сферической Земли; ее величина
изменяется от нуля на экваторе до максимального значения
у полюсов. Вызывает отклонение траектории вправо при
движении объекта к экватору в Северном полушарии и вле¬
во — в Южном.
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
393
cover — убежище. Основной фактор в достижении экосисте¬
мой устойчивого состояния.
critical depth — критическая глубина. Глубина ниже поверх¬
ности моря, до которой механическое перемешивание мо¬
жет распространить популяцию фитопланктона, прежде чем
чистая продукция упадет до нуля.
critical pathway — основной путь попадания. Метод контро¬
ля потенциальной опасности, которую могут представлять
для человека загрязненные радиоактивностью морские пи¬
щевые продукты.
crustaceans — ракообразные. Членистоногие, тела которых
состоят из трех сегментов, обычно защищенных хитиновым
наружным скелетом. На каждом сегменте имеется пара от¬
ростков, некоторые сильно изменены; имеются две пары
антенн. К ним относятся копеподы, крабы и креветки,
crustal plates — плиты земной коры. Относительно жесткие
части земной коры, движущиеся по поверхности Земли как
отдельные объекты (точнее — литосферные плиты. —
Ред.).
current — течение. Горизонтальный поток воды в опреде¬
ленной, четко очерченной системе.
decomposers — редуценты. Такие организмы, как бактерии
и грибы, которые питаются неживой протоплазмой, вызы¬
вая ее разложение и в конце концов растворение в жидкой
среде.
deep scattering layer — глубинный звукорассеивающий слой.
Расслоенная популяция рыб, которые отражают звук свои¬
ми плавательными пузырями и в течение суток мигрируют
вверх и вниз в приповерхностном слое воды; днем обычно
обнаруживается на глубинах 5—20 м.
deltaic structures — дельтовые структуры. Плоские, часто
слегка холмистые равнины, формирующиеся по мере отло¬
жения реками переносимого ими взвешенного материала.
В образующихся при этом болотах и приливно-отливных зо¬
нах могут существовать важные продуктивные сообщества,
demersal fish — придонные рыбы. Рыбы, обитающие на дне
или в придонном слое, в частности такие важные промыс¬
ловые рыбы, как пикша, морские языки, камбала.
density current — плотностное течение. 1) Горизонтальное
движение воды, обусловленное неоднородными полями
плотности. 2) Другое название турбидных потоков, вызыва¬
емых резкими изменениями плотности жидкости. Возника¬
ет, когда возмущения вновь переводят осадки во взвешенное
состояние; в результате образуются илы с высокой плот¬
ностью.
density field — поле плотности. В океанах — распределение
масс внутри океанских вод, функция температуры и солено¬
сти воды.
deposit feeder — организм, питающийся донными отложе¬
ниями. Бентосный организм, который питается пленкой не¬
живого органического детрита, отложенного на морском
дне: морские огурцы, офиуры.
detritus — детрит. В океанах — отмершее органическое ве¬
щество, осаждающееся на дно из биологически продуктив¬
ной эвфотической зоны.
dew point — точка росы. Температура воздуха, при которой
он насыщен влагой; более низкая температура вызывает
конденсацию влаги.
diatom — диатомея, диатомовая водоросль. Микроскопи¬
ческое одноклеточное морское растение, у которого стенки
клетки состоят из налегающих друг на друга половинок,
пропитанных кремнеземом; главный автотроф.
diatomaceous ooze — диатомовый ил. Неконсолидирован¬
ный осадок, в котором преобладают кремнеземные панцири
диатомей; там, где древние отложения выходят на поверх¬
ность, материал, называемый диатомовой землей, добыва¬
ют для разнообразного использования в промышленности,
в том числе для изготовления динамита.
diffusion — диффузия. В океанах — процесс перемешивания,
в результате которого какая-либо составляющая морской
воды (например, соль) перемещается из зоны более высокой
ее концентрации в зону с более низкой концентрацией; пере¬
мешивание может происходить на молекулярном уровне или
в более крупном масштабе вихрей и круговоротов,
dinoflagellate — динофлагеллята. Микроскопическое мор¬
ское растение, чаще всего одиночное, покрытое целлюлоз¬
ными пластинками и несущее два жгутика, которые обеспе¬
чивают организму некоторую подвижность.
dispersion — дисперсия. Рассеяние вещества в жидкой среде;
отличается от простого поступательного движения или пе¬
ремещения тем, что в какой-то мере турбулентно.
diurnal — суточный. С суточным циклом, один раз в сутки,
diurnal inequality — суточное неравенство. Измеренная раз¬
ница между уровнями двух последовательных отметок вы¬
сокой воды (приливов) за лунные сутки.
divergence — расхождение, дивергенция. Горизонтальное пе¬
ремещение масс жидкости в стороны от общего центра; на¬
пример, направленное наружу радиальное течение поверх¬
ностных океанских вод при воздействии на океан циклона
(урагана).
doldrums — экваториальная штилевая полоса. Часть океана
вблизи экватора, изобилующая штилями, шквалами, слабы¬
ми изменчивыми поверхностными ветрами.
dominant species — доминирующий вид. Вид в сообществе
организмов или на трофическом уровне, особи которого
превосходят численностью особи всех остальных присутст¬
вующих видов.
downwelling — нисходящее течение, даунвеллинг. Опускание
поверхностных вод на глубину; в противоположность апвел¬
лингу.
drift current — дрейфовое течение. См. wind-driven current.
easterlies — восточные ветры. Зоны, где преобладают по¬
верхностные ветры, дующие с востока.
ebb tide, ebb flow — отлив, отливное течение. Обратно
приливному течению. Приводит к понижению уровня моря,
echinoderms — иглокожие. Бентосные организмы, имеющие
в основном пятилучевую радиальную симметрию, покры¬
тый иглами известковый наружный скелет и движущиеся
при помощи многочисленных трубконожек: морские звезды,
морские ежи, криноидеи.
ecology — экология. Многоотраслевое изучение взаимосвя¬
зей между организмами, сообществом и окружающей сре¬
дой и между самими организмами.
ecosystem — экосистема. Любая часть природной среды, в
которой как живое, так и неживое вещество находятся в со¬
стоянии непрерывного взаимного обмена, причем процессы
обмена обеспечиваются энергией за счет направленного в
одну сторону потока имеющейся энергии; по определению,
в идеальном случае — закрытая система.
eddy — вихрь. Форма движения в жидкой среде, обычно
вращательная и противоположная основному течению.
Может быть любого размера выше молекулярного масшта¬
ба; определяема, следовательно, нетурбулентна.
EEZ (Exclusive Economic Zone) — ЭЗ (экономическая зона).
Прибрежная полоса океана, на ресурсы которой прибрежное
государство имеет исключительные права; последнее время
определяется шириной в 200 мор. миль, начиная от берего¬
вой линии.
394
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
Ekman effect — эффект Экмана. В широком смысле — дви¬
жение поверхностных океанских вод, вызываемое устойчи¬
вым ветром; в частности, закон о том, что результирую¬
щий перенос поверхностных вод происходит перпендикуляр¬
но направлению ветра, возбуждающего движение,
electromagnetic гафабоп — электромагнитное излучение.
Последовательность электромагнитных волн.
electromagnetic spectrum — спектр электромагнитного излу¬
чения. Полный диапазон длин волн или частот электромаг¬
нитного излучения от самых коротких гамма-лучей до са¬
мых длинных радиоволн, в том числе видимый свет.
El Nlfto — Элъ-Нинъо. Нерегулярное потепление поверх¬
ностных вод у берегов Перу.
enrichment ratio — коэффициент обогащения. Степень, до
которой во многих морских организмах — растениях и
животных — накапливаются химические элементы в значи¬
тельно большей концентрации, чем та, что существует в
окружающей их морской воде.
ENSO (El Nifto — Southern Oscillation) — явление Элъ-
Нинъо — Южное колебание. Крупномасштабная реакция
океана (Эль-Ниньо) на сильное нарушение атмосферной цир¬
куляции в тропических широтах Тихого океана (Южное ко¬
лебание).
entrainment — вовлечение. Процесс перемешивания двух
масс жидкости, идущий преимущественно в направлении
той массы, которая обладает ббльшим запасом турбулент¬
ной энергии, обеспечивающей перемешивание. Обычно от¬
носится к направленному вверх потоку соленой воды, влива¬
ющемуся в турбулентный поток речной воды в эстуариях,
enzyme — фермент. Любая из многочисленных сложных
белковых молекул, производимых живыми организмами ис¬
ключительно для ускорения биохимических реакций, причем
сам фермент в химической реакции не участвует.
epicenter — эпицентр. Проекция на земной поверхности фо¬
куса землетрясения, находящегося в недрах литосферы,
epifauna — эпифауна. Животные, обитающие непосредст¬
венно на океаническом дне или тесно связанные с ним.
epiphyte — эпифит. Растение, которое получает влагу и пи¬
тательные вещества из воздуха и растет, прикрепляясь к
другим растениям.
episodic — эпизодический. Событие, явление или изменение,
обычно происходящее нерегулярно.
equilibrium tide — равновесный прилив. Гипотетическая при¬
ливная волна на земном шаре, сплошь покрытом океаном
(без континентов).
estuarine zone — зона эстуария. Переходная область между
пресной речной водой и соленой водой открытого побе¬
режья.
euphausids — эвфаузииды. Мелкие креветкоподобные жи¬
вотные открытого океана — первые хищники в трофической
сети океана; сильно люминесцентны.
euryhaline — эвригалинный. Организм, способный существо¬
вать в водах с весьма изменчивой соленостью.
eurythermal — эвритермный. Организм, способный сущест¬
вовать в водах с весьма изменчивой температурой,
evaporite - эвапорит. Соляный осадок, остающийся после
испарения соленой или солоноватой воды.
excess volatiles — избыточные летучие. Соединения, высо¬
кие концентрации которых в морской воде невозможно объ¬
яснить только тем, что они являются побочными продукта¬
ми выветривания земной коры; полагают, что они в значи¬
тельной мере происходят из ювенильных вод, изливающих¬
ся из гейзеров и подводных гидротермальных источников,
exoskeleton — наружный скелет, экзоскелет. Внешнее по¬
крытие животного, которое и обеспечивает жесткость тела,
и служит для защиты; обычно развит у ракообразных и
иглокожих.
fast ice — ледяной припай. В полярных океанах — прикреп¬
ленный к берегу морской лед, который не уносится при¬
брежными течениями.
fathometer — эхолот. Прибор, посылающий и принимаю¬
щий звуковые сигналы; используется для определения глу¬
бины морского дна. Fathom — морская сажень — единица
длины, равная примерно 6 футам (182 см).
fault — разрыв, разлом. В геологии — трещина в земной
коре со смещением блоков коры, расположенных по обе ее
стороны, относительно друг друга в направлении, парал¬
лельном поверхности трещины,
fauna — фауна. Животный мир.
feedback loop — контур обратной связи. В некоторой
системе — процесс, который переносит на вход в виде ново¬
го сигнала часть сигнала с выхода системы.
ferromanganese — железомарганцевый. Минерал, представ¬
ляющий собой в основном смесь железа и марганца.
fetch — разгон, длина разгона. При генерации поверхност¬
ных волн ветром — расстояние, на котором ветер действует
достаточно однородным образом, передавая энергию волнам,
filter feeder — филътратор. Животное, которое питается,
отфильтровывая взвешенные в воде частицы.
fish meal — рыбная мука. Сухая смесь органических и неор¬
ганических веществ, оставшихся после того, как вся рыба
размолота, жир из нее удален и лишняя влага выпарена. Бо¬
гатая белком, она является главным компонентом корма
для других животных.
fish ranching — разведение рыбы. Процесс выпускания маль¬
ков рыбы, с тем чтобы они свободно «паслись» по всему
океану, до того как их поймают или соберут каким-либо
другим способом.
fishery conservation zone — рыболовная зона. Зона, установ¬
ленная прибрежными государствами для контроля над рыб¬
ными запасами.
Fishery Management Act of 1976 — закон 1976 г. о рыбном
промысле. Принятая администрацией США декларация об
ограничении прав других государств на рыболовство в эко¬
номической зоне США.
fjord — фьорд. Затопленная долина, первоначально проре¬
занная ледником. Обычно имеет у входа подводный порог,
образовавшийся в результате отложения ледниковой морены,
flagellum — жгутик. Волосоподобный вырост из живой
клетки; совершая винтообразное движение, обеспечивает пе¬
ремещение организма. Характерен для динофлагеллят,
flocculation — флокулляция. Процесс, посредством которого
мелкие частицы соединяются или коагулируют, образуя бо¬
лее крупные комки и хлопья; важный процесс в осаждении
алевритов и глин из рек, впадающих в море.
flood tide — приливное течение. Направленные к берегу те¬
чения в период прилива.
flora — флора. Растительный мир.
flushing time — время смены вод. Интервал времени, необ¬
ходимый для полной смены воды в некоторой области эсту¬
ария, бухты или залива; обычно измеряется числом прилив¬
ных циклов.
flux — поток. Перенос вещества или энергии через задан¬
ную площадь; выражается на единицу площади и в единицу
времени.
food chain — пищевая цепь. Конкретный путь, по которому
химическая энергия, возникающая в процессе фотосинтеза,
переходит на последующие трофические уровни.
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
395
food web — пищевая сеть. Комплекс переплетенных пище¬
вых цепей.
foraminifers — фораминиферы. Крупные простейшие орга¬
низмы, бентосные или пелагические, которые строят рако¬
вины, состоящие из карбоната кальция; часто присутствуют
в осадках и, следовательно, играют важную роль в палеон¬
тологии.
forced wave — вынужденная волна. В жидкости — волна,
которая непрерывно контролируется генерирующей ее силой
во время распространения.
fortnight — две недели. Интервал времени между двумя по¬
следовательными сизигийными приливами, равный 14,75 сут.
fracture zone — зона разлома. Зона в земной коре, в преде¬
лах которой происходит дифференциальное движение коро¬
вых блоков.
free wave — свободная волна. В жидкости — волна, которая
распространяется после прекращения действия вызвавшей ее
силы.
freezing point — точка замерзания. Температура, при кото¬
рой жидкость переходит в твердое состояние.
fringing reef — окаймляющий, или береговой, риф. Достига¬
ющий уровня моря плоский коралловый риф, образовав¬
шийся на некотором расстоянии от берега острова или кон¬
тинента.
frustule — фрустула. Кремнеземный панцирь диатомеи,
fully developed sea — полностью развитое волнение. Для
данного ветра именно с его скоростью и направлением —
условие, при котором волновое поле достигает установив¬
шегося значения плотности энергии. Вне точки, соответст¬
вующей этому условию, энергия волн рассеивается с той же
скоростью, с которой приобретается от ветрового поля.
GASIMM (Giant Antarctic Sea Ice Mixing Machine) — Гигант¬
ская антарктическая ледовая машина перемешивания. На¬
звание процессов замерзания и таяния морского льда в Ан¬
тарктике; эти процессы приводят к длительной циркуляции
вод в Мировом океане.
gastropods — гастроподы, брюхоногие моллюски. Моллюс¬
ки, которые, как правило, строят спиральные раковины и
передвигаются при помощи широкой ноги: улитки, морские
ушки, голожаберные моллюски.
GEOSECS (Geochemical Ocean Sections Study) — Геохимичес¬
кое изучение океанских разрезов (международный океаногра¬
фический проект).
Gondwanaland — Гондвана. Часть Пангеи к югу от океана
Тетис; включала современные Южную Америку, Индию,
Австралию, Африку.
gradient — градиент. Изменение значения некоторой вели¬
чины на единицу расстояния в заданном направлении. Топо¬
графический градиент — это изменение высоты местности
на измеренном по горизонтали расстоянии.
gram — грамм. Единица массы, равная массе 1 см3 чистой
воды при температуре 4 °C.
grazer — пасущееся животное. Растительноядное животное,
greenhouse effect — парниковый эффект. Потепление на зем¬
ной поверхности в результате того, что атмосфера легко
пропускает коротковолновое солнечное излучение, но имеет
тенденцию задерживать длинноволновую тепловую энер¬
гию, которая испускается Землей во внешнее пространство;
обусловлен главным образом углекислым газом и парами
воды, содержащимися в атмосфере.
gyre — круговорот. Крупномасштабная система циркуля¬
ции, охватывающая весь океанический бассейн.
habitat — местообитание. Место или тип участка, где рас¬
тение или животное живет и развивается нормально.
Hadley cell — ячейка Гадлея. Система вертикальной цирку¬
ляции в атмосфере — обычно по три ячейки в пространстве
между экватором и полюсами. При соприкосновении ячеек
низких и умеренных широт вертикальные потоки направле¬
ны вниз, т. е. воздух опускается. Это зона западных поверх¬
ностных ветров. В области контакта ячеек средних и высо¬
ких широт воздух поднимается. Это зона преобладающих
восточных поверхностных ветров и струйного течения на
больших высотах.
half-life — период полураспада. В физике — время, необхо¬
димое для того, чтобы половина атомов радиоактивного
вещества распалась и образовался следующий в ряду радио¬
активного распада изотоп.
halocline — галоклин. Слой воды, в котором соленость
быстро изменяется с глубиной.
heat — тепло. Энергия, обусловленная случайным движени¬
ем молекул, атомов или более мелких структурных элемен¬
тов, из которых состоит вещество.
heat budget — тепловой баланс. Физическая гипотеза, со¬
гласно которой поступающая к телу тепловая энергия урав¬
новешивается тепловой энергией, которую оно теряет.
heat capacity — теплоемкость, удельная теплоемкость. Фи¬
зическое свойство вещества, благодаря которому внутрен¬
няя энергия его молекулярной структуры, измеряемая тем¬
пературой, находится в прямой зависимости от поглощения
или потери тепловой энергии единицей массы; для чистой
воды при давлении на уровне моря равна 1 кал/(г -°C),
heat energy — тепловая энергия. Физическая мера количест¬
ва энергии, поглощаемой или испускаемой молекулярной
структурой на единицу массы.
herbivore — растительноядное. Животное, которое питает¬
ся растениями.
hermatypic coral — герматипный коралл. Вид коралловых
животных (книдарий), которые живут в симбиозе с водо¬
рослью (зооксантеллой), обитающей в поверхностной ткани
кораллов.
heterotroph — гетеротроф. Организм, которому для синте¬
за его собственных тканей в процессе обмена веществ необ¬
ходимы сложные органические соединения азота и углерода,
извлекаемые из протоплазмы автотрофов или других гете¬
ротрофов.
high seas — нейтральные воды. Открытый океан. В настоя¬
щее время — часть океана, не входящая в экономическую
зону прибрежных государств.
holoplankter — голопланктер. Планктонный организм, весь
жизненный цикл которого проходит в планктоне, что озна¬
чает свободный перенос течениями.
humidity — влажность. Концентрация водяного пара в
воздухе.
hydraulic wave — гидравлическая волна. Неправильное упо¬
требление; слово «волна» означает упорядоченное, четко
определенное движение, а «гидравлическая волна» — беспо¬
рядочный, турбулентный перенос массы жидкости; напри¬
мер, бор — деформированная приливная волна.
hydrocast — взятие проб в толще океанских вод. При поле¬
вых работах — погружение серии батометров в столб оке¬
анской воды и отбор проб; иногда эту операцию называют
гидрологической станцией; когда пробы отбираются после¬
довательно вдоль маршрута, серия их называется гидроло¬
гическим разрезом.
hydrogenous sediments — гидрогенные осадки. Осадки, со¬
стоящие из вещества, осажденного химическим путем из
морской воды.
396
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
hydrologic cycle — гидрологический цикл. Круговорот воды
из резервуара (океан) в атмосферу (пар) — на сушу
(дождь) — в океан (река).
hydrothermal vent — гидротермальный источник. Гейзер с
горячей водой, находящийся на суше или морском дне.
hypertonic — гипертоническое (состояние). У морского
организма — наличие в теле более соленой жидкости с бо¬
лее высоким осмотическим давлением, чем у окружающей
жидкости.
hypotonic — гипотоническое (состояние). У морского
организма — наличие в теле менее соленой жидкости с бо¬
лее низким осмотическим давлением, чем у окружающей
жидкости.
iceberg — айсберг. Крупная масса материкового льда, пла¬
вающая в океане; образуется при разрушении ледников, до¬
стигающих моря.
icebreaker — ледокол. Корабль со специально укрепленным
носом особой формы, способным пробивать путь через
морской лед.
ice cover — ледяной покров. Покров многолетнего морского
льда в полярных морях.
ice floe — льдина. Плоская, свободно плавающая масса мор¬
ского льда; лед, сначала сформировавшийся на поверхности
жидкого океана.
ice shelf — шельфовый лед, шельфовый ледник. Часть сис¬
темы ледников, которая переместилась с суши и находится
на поверхности собственно океана.
index of refraction — показатель преломления. В физике —
отношение скорости света в вакууме к скорости света в
какой-либо среде; для морской воды — около 1,33.
indicator species — вид-индикатор. Вид организмов, рас¬
пределение которого в океане или на суше свидетельствует
о географическом распространении сообщества живых орга¬
низмов. Биогеографический термин.
infauna — инфауна. Организмы, которые обитают внутри
осадка на морском дне.
infrared — инфракрасный. Часть спектра электромагнитного
излучения, исходящего от Солнца, с длинами волн больше
примерно 0,750 мкм и меньше 1000 мкм.
inlet — губа. Узкий проход, ведущий от берега моря внутрь
суши.
in situ (лат.) — на месте. В естественном или первоначаль¬
ном положении.
insolation — инсоляция. Поступающее солнечное излучение,
interdisciplinary — междисциплинарный. Включающий две
или больше академические или научные отрасли.
interface — граница раздела. Поверхность, образующая об¬
щую границу; в жидкости — разрыв, такой как температур¬
ный или плотностной фронт.
internal wave — внутренняя волна. Возмущение, которое
распространяется волнообразно вдоль поверхности раздела
двух водных масс разной плотности.
intertidal zone — приливная зона. Часть берега, заключенная
между уровнями полной и малой воды. См. также littoral,
interstitial — интерстициальный. Относящийся к простран¬
ству между частицами неконсолидированного материала,
например пляжного песка.
invertebrate — беспозвоночные. Животные, у которых от¬
сутствует позвоночник, или спинной хребет.
ion — ион. Атом или молекула, обладающие положитель¬
ным или отрицательным электрическим зарядом благодаря
приобретению или потере одного или больше электронов; в
морской воде обычно «растворен» или нейтрализован окру¬
жающим облаком дипольных молекул воды.
ionizing radiation — ионизирующая радиация. Столкновение
элементарных частиц такой радиации с атомами или моле¬
кулами вещества превращает последние в ионы.
island arc — островная дуга. Серия островов или вулканов,
географически расположенных в виде дуги обычно с глубо¬
ководным желобом на выпуклой стороне. Согласно теории
тектоники плит, эти структуры сформировались в результа¬
те столкновения между участками сферической коры, когда
один из них поддвигался под другой.
iso- (изо-). В картировании — кривая, вдоль которой вы¬
бранные параметры постоянны: изогалина — кривая посто¬
янной солености; изопикна — кривая постоянной плотно¬
сти; изотерма — кривая постоянной температуры.
isostasy — изостазия. В геофизике — общее равновесие пла¬
вучести земной коры, поддерживаемое текучестью пластич¬
ной астеносферы.
isostatic adjustment — изостатическое выравнивание. В меж¬
ледниковый период — медленное обратное вертикальное
движение континентальной массы к равновесной плавучести
по астеносфере после таяния льда, покрывавшего континент,
isotonic — изотоническое (состояние). У морского организ¬
ма — наличие в теле жидкости с той же соленостью и тем
же осмотическим давлением, что и окружающая жидкость,
isotope — изотоп. Любой из двух или больше атомов элемен¬
та, имеющих в ядре одинаковое число протонов, но отличаю¬
щихся числом нейтронов; см. carbon-14.
ITCZ (Intertropical Convergence Zone) — ВТЗК (Внутритро-
пическая зона конвергенции). Зона схождения пассатов, се¬
верных и южных, располагающаяся в некоторые сезоны в
пределах 5—10° с.ш., в частности в Тихом океане; зона вы¬
падения ливней на океаны и сушу.
Jet stream — струйное течение. Ветер с высокой
скоростью — более 100 км/ч, захватывающий длинную уз¬
кую извилистую зону и дующий на большой высоте с запа¬
да на восток.
joule — джоуль (Дж). Единица энергии. Определяется как
работа, выполненная силой в 1 ньютон, приложенный к те¬
лу для перемещения его на расстояние 1 м.
jurisdiction — юрисдикция. Право суверенного государства
контролировать или издавать законы.
Juvenile water — ювенильные воды. Воды, поступившие не¬
посредственно из магмы и, следовательно, излившиеся на
поверхность Земли впервые.
kinetic energy — кинетическая энергия. Энергия, которой об¬
ладает движущееся тело; определяется как половина произ¬
ведения массы на квадрат скорости. Для жидкости обычно
говорят о плотности кинетической энергии — мере коли¬
чества энергии движения, которой обладает единица объема
жидкости. Описывая турбулентное перемешивание жидко¬
стей, мы на самом деле описываем скорость, с которой
плотность кинетической энергии преобразуется в плотность
тепловой энергии. Таким образом, уменьшение энергии дви¬
жения частично компенсируется повышением плотности
внутренней энергии жидкости, которая измеряется ее тем¬
пературой.
knot — узел. Единица скорости в морской навигации, опре¬
деляемая как скорость, необходимая для того, чтобы по¬
крыть расстояние в 1 морскую милю за 1 час. Этот термин
возник в древние времена. Канат прикрепляли к «бревну»
(лагу), которое бросали в море около носа движущегося ко¬
рабля; матрос должен был считать узлы на канате по мере
того, как они проскальзывали между его пальцами за то
время, пока лаг проходил от носа до кормы.
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
397
krill — криль. В общем — эвфаузииды, особенно крупные
эвфаузииды вида Е. superba, преобладающие в зоопланкто¬
не Южного океана.
lagoon — лагуна. Мелководный водоем вблизи крупной вод¬
ной массы или сообщающийся с ней; например, лагуны меж¬
ду прибрежными барьерными островами и основной сушей,
latent heat — скрытая теплота. Количество тепла, выделя¬
емого или поглощаемого единицей массы, когда физическое
состояние вещества изменяется.
Laurasia — Лавразия. Часть Пангеи к северу от океана Тетис.
Law of the Sea (LOS) — закон о морском праве. Конвенция,
подписанная в 1982 г. 177 странами. Определяет права и
обязанности всех прибрежных государств и их юрисдикцию
на прибрежные воды и ресурсы.
leeward — подветренный. Обращенный в ту сторону, куда
дует ветер; следовательно, подветренная сторона — это
«защищенная» сторона острова, узкого пролива или залива,
lithogenous — литогенный. Материал, поступающий из по¬
род континента.
lithosphere — литосфера. Внешняя твердая часть Земли, состоя¬
щая из пород, в основном похожих на те, что выходят на поверх¬
ность. Обычно считают, что ее мощность равна 50 км.
littoral — литораль. Область вблизи берега, лежащая между
уровнями самого высокого и самого низкого приливов,
littoral drift — литоральный перенос. Перенос песка в на¬
правлении, параллельном береговой линии, в пределах зо¬
ны, где разбиваются волны, следовательно, в пределах ли¬
торали. Называется также вдольбереговым переносом.
load — нагрузка. Количество взвешенного материала в
морской или речной воде.
longshore current — вдольбереговое течение. Среднее пере¬
мещение морской воды в направлении, параллельном бере¬
говой линии.
lunar day — лунные сутки. Период между последовательны¬
ми положениями Луны в точке надира над некоторым пунк¬
том вращающейся Земли. Из-за того что Луна обращается
вокруг Земли по орбите в том же направлении, в каком Зем¬
ля вращается вокруг своей оси, лунные сутки длиннее сол¬
нечных и равны примерно 24,8 ч.
magma — магма. Расплавленный материал горных пород
внутри Земли. Источник, из которого после остывания об¬
разуются изверженные породы.
magnetic anomaly — магнитная аномалия. Небольшие от¬
клонения в напряженности магнитного поля Земли, изме¬
ренные в некоторой точке, относительно среднего для вы¬
бранной площади значения.
magnetic field — магнитное поле. Общий геомагнетизм, ко¬
торый вызывает ориентировку в веществах, содержащих
чувствительные магнитные диполи.
magnetic pole — магнитный полюс. Географическая точка, к
которой сходятся все магнитные силовые линии. Иметь по¬
лярность — значит иметь северный и южный магнитные
полюсы. Ось вращения Земли через эти полюсы не прохо¬
дит. Угол, образуемый в какой-либо точке направлениями
на магнитный полюс и на истинный географический, назы¬
вается магнитным склонением.
magnetic reversal — магнитная инверсия. Обращение поляр¬
ности геомагнитного поля. В течение геологической истории
инверсии происходили много раз.
magnetometer — магнитометр. Прибор для измерения на¬
пряженности и ориентировки магнитного поля Земли,
manganese nodules — марганцевые конкреции. Комковатые
минеральные стяжения, широко распространенные на абис¬
сальных равнинах; содержат марганец, железо, медь, никель
и другие минералы.
mangroves — мангры. Деревья с множеством корней, расту¬
щие в изобилии вдоль береговых линий солоноватых вод в
тропиках. Имеют большое экологическое значение как убе¬
жище, которое обнаженные корни обеспечивают морской
фауне и флоре, и как защита от эрозии.
mantie — мантия. 1) Внутренняя часть Земли, лежащая ниже
литосферы и выше ядра. 2) Ткань двустворчатых и брюхо¬
ногих моллюсков, которая выделяет вещество для построе¬
ния раковины.
marginal seas — окраинные моря. Крупные полузамкнутые
водные массы между открытым морем и материками, на¬
пример Средиземное море*, Берингово море.
margins — окраины. Геологические структуры, образующие
переходную зону между континентальной и океанической
корой.
mariculture — марикультура. Разведение животных с ком¬
мерческими целями в применении к морским организмам,
matrix — матрица. Расположение чего-либо в двух измере¬
ниях, например расположение слизевых нитей, используе¬
мых морскими фильтраторами. В математическом анали¬
зе — прием для анализа причины и результата в задачах с
многими переменными, таких как оценка влияния окружаю¬
щей среды.
maximum permissible concentration (МРС) — предельно до¬
пустимая концентрация (ПДК). В работах по контролю за
радиоактивным облучением человека — самое большое ко¬
личество радиоактивного вещества на единицу объема в воз¬
духе, воде или пищевых продуктах, которое, как полагают,
не наносит ущерба здоровью человека.
maximum sustainable yield — максимально допустимый вы¬
лов. Число особей вида (или масса их в тоннах), которое
можно каждый год вылавливать из природного «бульона»,
не вызывая при этом длительного нарушения их популяции,
mean current — среднее течение. В динамике океанских
вод — как ламинарное, так и турбулентное течение со сред¬
ней скоростью, измеренной в какой-либо точке за длитель¬
ный период времени.
meander — меандр, извилина. Отклонение от средней цирку¬
ляции, которое занимает большую площадь и сохраняется
продолжительное время; возмущение в потоке,слишком круп¬
ное, чтобы назвать его турбулентностью, и существующее не
настолько долго, чтобы быть частью среднего потока,
mean ocean circulation — средняя циркуляция в океане. Сред¬
нее перемещение океанских вод вдоль линий тока; крупномас¬
штабная циркуляция (в масштабах океанического бассейна),
mean sea level — средний уровень моря. Средняя высота по¬
верхности моря в точке за какой-то период времени (обычно
за 6 мес. или больше), измеряемая относительно локального
нуля отсчета.
medusa — медуза. Одно из чередующихся поколений книда-
рий; колоколообразная форма различных сцифоидных,
membrane — мембрана. Тонкая гибкая пленка, как правило,
животного или растительного происхождения; обычно про¬
пускает определенные вещества и задерживает другие. За¬
щищает ткань живой клетки.
meridian — меридиан. Линия постоянной долготы. За нача¬
ло отсчета (0°) принят Гринвичский меридиан.
meroplankton — меропланктон. Планктон, который лишь
часть своего жизненного цикла проводит, дрейфуя вблизи
* В отечественной литературе Средиземное море относят
к внутренним, т. е. почти обособленным от океанов, морям. —
Прим, перев.
398
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
поверхности моря; обычно личиночные стадии морских жи¬
вотных.
mesenterial — мезентериальный. Принадлежащий нитевид¬
ным железам, прикрепленным к мезентериальным складкам
(брыжейке) коралловых полипов.
mesoglea — мезоглея. Желеподобное вещество, заполняю¬
щее пространство между внутренней и внешней эпителиаль¬
ными тканями некоторых губок и книдарий.
metabolism — обмен веществ, метаболизм. Химические ре¬
акции в живых клетках, которые обеспечивают энергию для
жизнедеятельности организма и в результате которых асси¬
милируется новое вещество для восстановления и замеще¬
ния; сумма химических процессов, необходимых для поддер¬
жания жизни.
mica — слюда. Один из нескольких минералов, легко разде¬
ляющихся на тончайшие пластинки. Все слюды относятся к
силикатам.
microbial decomposition — бактериальное разложение. Про¬
цесс разрушения и растворения органического вещества под
действием бактерий и грибов.
mid-ocean ridge — срединно-океанический хребет. Характер¬
ное поднятие в рельефе океанического дна вдоль зон восхо¬
дящих потоков магмы и разрастания морского дна.
milt — молока. Репродуктивные железы рыб-самцов во вре¬
мя нереста, заполненные секретом; сам секрет.
mixing — перемешивание. В отличие от «взбалтывания»
(stirring) перемешивание означает соединение двух компонен¬
тов в однородную смесь.
Moho — Мохо. Раздел Мохоровичича — поверхность, рас¬
положенная в интервале глубин от 5 км под дном океанов
примерно до 40 км под поверхностью континентов. Сейсми¬
ческие данные свидетельствуют о том, что здесь имеет ме¬
сто переход от земной коры к мантии: скорость сейсмичес¬
ких волн резко возрастает.
mole, micromole — моль, микромоль. Количество вещества
в граммах (микрограммах), численно равное его молекуляр¬
ной массе. Моль газообразного азота (N2) равен 28 г.
molecular viscosity — молекулярная вязкость. Внутреннее со¬
противление, оказываемое жидкостью деформации во время
течения; следствие взаимодействия между молекулами,
molecular weight — молекулярная масса. Сумма протонов и
нейтронов в ядрах всех атомов, образующих одну молекулу
вещества.
mollusks — моллюски. Тип мягкотелых несегментированных
беспозвоночных животных, обычно выделяющих вещество
для построения известковой раковины: улитки, блюдечки,
двустворки, хитоны, кальмары.
monsoon — муссон. Сильные преобладающие ветры, кото¬
рые меняют направление на противоположное со сменой вре¬
мен года (зимний муссон, летний муссон). Вначале этот тер¬
мин применялся к ветрам, дующим над Аравийским морем,
morphology — морфология. Внешнее строение пород и их
эрозионных и топографических элементов, а также ветвь
биологии, изучающая форму и строение растений и животных,
motility — подвижность. Степень передвижения, на которое
способно животное.
mud — ил. Вязкая, от жидкой до пластичной, смесь воды и
тонкообломочных частиц, главным образом алевритовых и
глинистых, но часто с примесью другого материала, содер¬
жащего органику.
mutualism — мутуализм. Взаимовыгодная связь между дву¬
мя различными организмами.
nannoplankton — нанопланктон. Самый мелкий планктон;
отделяется в основном с помощью центрифуги.
nauplius stage — стадия науплиуса. Первая личиночная ста¬
дия многих ракообразных; овальное несегментированное те¬
ло имеет три пары придатков.
nautical mile — морская миля. Расстояние по сферической
поверхности Земли между двумя параллелями, разделенны¬
ми одной дуговой минутой. Равна 1850 м.
neap tide — квадратурный прилив. Минимальная величина
прилива, который происходит раз в две недели, когда Луна
находится в первой и третьей четверти.
nekton — нектон. Любое морское животное, обладающее
способностью двигаться, достаточной, чтобы не зависеть
от течений.
nematocyst — нематоцист. Стрекательная клетка; капсула,
которая при соприкосновении с ней выбрасывает похожую
на колючку полую белковую нить, вводящую затем ядови¬
тое вещество в тело жертвы. Характерная особенность кни¬
дарий, например морских анемонов, медуз.
neritic — неритовый, неритический. Относящийся к мелким
водам, располагающимся над шельфовой частью континен¬
тальной окраины.
niche — экологическая ниша. Работа, которую какой-либо
организм выполняет в своем сообществе.
nitrogen fixation — фиксация азота. В океанах — превраще¬
ние растворенного газообразного азота водорослями в фор¬
му, которая может быть использована в органических со¬
единениях. Главное средство обеспечения азотом первичной
продукции в сообществах коралловых рифов.
node — узел. В океанах — географическая точка, в которой
амплитуда стоячей приливной волны равна нулю.
nutrient depletion — истощение питательных веществ.
В океанах — постепенное уменьшение содержания раство¬
ренных нитратов и фосфатов в эвфотической зоне по мере
того, как происходит весеннее «цветение» водорослей.
nutrient replenishment — пополнение питательными вещест¬
вами. В океанах — возмещение необходимых для растений
растворенных веществ, обусловленное физическими процес¬
сами, такими как апвеллинг и ветровое перемешивание. Во¬
ды более глубоких слоев, где питательные вещества пока не
истощились, под действием физических процессов поднима¬
ются в эвфотическую зону.
nutrients — питательные (биогенные) вещества. В океанах —
в основном растворенные нитраты и фосфаты, которые пред¬
ставляют собой главные «кирпичики», используемые расте¬
ниями в процессе фотосинтеза.
oceanic — океанский, океанический. Относится к открытому
морю за пределами континентальных окраин.
oceanic stratosphere — стратосфера океана. Глубокие воды
Мирового океана; от тропосферы океана отделена главным
(постоянным) термоклином.
oceanic troposphere — тропосфера океана. Самая верхняя
часть столба океанской воды; слой вод выше главного тер¬
моклина.
offshore — от берега, в море. Находящийся в море, в стороне
от берега.
omnivore — всеядное. Животное, способное питаться и расте¬
ниями, и животными.
onshore — к берегу. Направленный от моря в сторону берега,
к пляжу.
oolite — оолит. Осадочная порода, состоящая из мелких
округлых зерен карбоната кальция, осадившихся из раствора
и сцементированных между собой. Типична для пляжей в об¬
ласти теплого тропического климата.
ooze — ил. Состоящий из глинистых минералов тонкозерни¬
стый осадок на глубоководном дне океана; по крайней мере на
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
399
30% состоит из раковин и оболочек морских организмов,
osmosis — осмос. Процес, который заставляет растворитель
проникать сквозь полупроницаемую мембрану, с тем чтобы
концентрации раствора по обе стороны мембраны уравнове¬
сились.
osmotic pressure — осмотическое давление. Давление на рас¬
творитель, вызывающее его движение сквозь полупроницае¬
мую мембрану к раствору с более высокой концентрацией
растворенного вещества; в океанах — непосредственный ре¬
зультат разности соленостей двух жидкостей.
ОТЕС (ocean thermal energy conversion). Проект превращения
океанической тепловой энергии, использующий физический
процесс, который позволяет извлечь полезную электрическую
или другую энергию из разницы температур между теплыми
поверхностными и более холодными глубинными водами,
oxygen minimum layer — слой с минимальным содержанием
кислорода. Слой в толще океанской воды, в котором содер¬
жание кислорода ниже, чем в воде над ним и под ним.
Р — Е — разность между интенсивностями выпадения осад¬
ков (дождей) и испарения морской воды, обычно за год; важ¬
нейший параметр, используемый при изучении теплового и
пресноводного баланса океанов.
pack ice — паковый лед. Неправильной формы массы нагро¬
можденных друг на друга глыб морского льда разного воз¬
раста и размера, чередующиеся с разной величины участками
открытой воды.
paleoceanography — палеокеанология. Наука, описывающая
древние океаны на основе данных об окаменелостях, обнару¬
женных в пробах донных отложений.
paleoclimatology — палеоклиматология. Наука, описываю¬
щая климаты геологического прошлого исходя из информа¬
ции, получаемой в результате изучения ледниковых отложе¬
ний, данных об окаменелостях, палеогеографии и осадков,
paleomagnetics — палеомагнетизм. Изучение направления и
величины геомагнитного поля на протяжении геологического
времени.
Pangea — Пангея. Гипотетический древний суперконтинент,
который, как предполагают, состоял из всех континенталь¬
ных структур, которые существовали 200 млн. лет назад,
parasitism — паразитизм. Тесная взаимосвязь между организ¬
мами двух или больше видов, при которой один живет на теле
или внутри тела другого, получая пищу или извлекая другие
выгоды и нанося ему какой-либо ущерб.
partial tide — частный (парциальный) прилив. Гармоническая
составляющая полного прилива, созданная одной из мно¬
жества совместно действующих приливообразующих сил.
pathogen — болезнетворный микроорганизм. Особая причи¬
на заболевания, например бактерия или вирус.
pelagic — пелагический. Связанный с открытым морем, оби¬
тающий или встречающийся в нем, относящийся к открыто¬
му морю.
pennate shape — пеннатная форма. Удлиненная форма, как у
некоторых видов диатомей.
perennial pack ice — многолетний паковый лед. Часть ледяно¬
го покрова в полярных морях, которая сохраняется в течение
годового цикла замерзания и таяния льда.
perturbation — пертурбация. В сообществе живых организ¬
мов — аномальный стресс, аномальное событие.
pH — мера концентрации водородных ионов Н + в растворе.
При pH = 7 среда нейтральная, не кислая и не щелочная.
Шкала имеет значения от 1 (кислая среда) до 14 (щелочная
среда).
phosphorite — фосфорит. Волокнистая, образующая конкре¬
ции разновидность апатита — минерала, состоящего из фос¬
фата кальция. Накапливается в мелководных областях зон ап¬
веллинга, где высокая первичная продукция приводит к фикса¬
ции больших количеств растворенных фосфатов, осаждаю¬
щихся на разнообразные субстраты, в том числе на кости жи¬
вотных, гальку и песок.
photic zone — звфотическая зона. Освещаемый Солнцем верх¬
ний слой океана, получающий достаточно света для того,
чтобы происходил фотосинтез. Иногда ее определяют как зо¬
ну, ограниченную глубиной, где интенсивность света падает
до 1% от его интенсивности на поверхности, т. е. приблизи¬
тельно 100 м.
photoinhibition — торможение светом. Реакция, при кото¬
рой фотосинтетическая активность растений уменьшается
при сильном освещении.
photon — фотон. Квант лучистой энергии, имеющий опре¬
деленную длину волны.
photophore — фотофор. Специальный орган у глубоковод¬
ных рыб, образованный линзой и железой, в которой мо¬
жет происходить химическая реакция с испусканием света,
или биолюминесценция. Активность фотофора может воз¬
буждаться либо с помощью нервной системы, либо хими¬
ческим путем.
photosynthesis — фотосинтез. Процесс образования углево¬
дов (сахаров, крахмалов), в котором используются получае¬
мая из солнечного света энергия и абиотические вещества в
содержащих хлорофилл растительных тканях, подвергаю¬
щихся действию солнечного света.
physical characteristics of water — физические характеристи¬
ки воды. Переменные величины, характеризующие воду, та¬
кие как температура и соленость.
physical properties of water — физические свойства воды.
Свойства самой молекулы; состояние, контролируемое
структурой только молекул воды или находящихся во вза¬
имодействии с ними соседних молекул.
physiographic diagram — физиографическая карта. Трехмер¬
ное изображение структур земной поверхности, как они
должны выглядеть из точки наблюдения, расположенной в
воздухе над ней под углом 45°; схема, похожая на рисунок с
натуры.
piscivore — рыбоядное. Животное, питающееся главным об¬
разом рыбой.
plankton — планктон. Пассивно или плохо плавающие жи¬
вотные и растения, обычно очень мелкие, обитающие в вод¬
ной массе. От греческого слова planktos, означающего «сво¬
бодно дрейфующий».
plate tectonics — тектоника плит. Группа теорий, касаю¬
щихся глобальной геологии земной коры. В них предполага¬
ется, что кора движется в виде отдельных плит.
pollutant — загрязняющее вещество. Любое физическое или
химическое вещество, изменяющее естественное состояние
окружающей среды.
polymetallic sulfides — сульфиды полиметаллов. Конкреции,
состоящие из смеси сульфидных минералов различных ме¬
таллов: железа, марганца, цинка, меди и др.
polyp — полип. Прикрепленное поколение книдарий, в кото¬
ром они имеют полое цилиндрическое тело, закрытое и
прикрепленное к субстрату с одного конца и открытое с
другого; рот окружен щупальцами, вооруженными немато¬
цистами.
population — популяция. В биологии — все особи какого-ли¬
бо вида в пределах сообщества в определенной географичес¬
кой области.
population dynamics — динамика популяции. Процессы,
определяющие размер и состав какой-либо популяции.
potential energy — потенциальная энергия. Энергия, которой
400
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
обладает объект благодаря его положению в геопотенциаль¬
ном поле. Например, потенциальная энергия первоначально
расслоенного столба воды увеличивается по мере того, как
энергия ветра перемешивает его и выносит более соленую
глубинную воду к поверхности.
precipitation — осаждение, выпадение осадков. 1) В химии —
выпадение твердого вещества из раствора в осадок. 2) Вы¬
падение на Землю воды в виде града, дождя со снегом, сне¬
га, дождя или тумана.
prevailing winds — преобладающие ветры. Ветры, дующие
преимущественно с одной стороны, независимо от их
скорости.
progressive wave — прогрессивная волна. Бегущая волна,
форму которой определяет механизм передачи энергии от
одной части среды к другой. Сама среда не движется посту¬
пательно.
protozoans — простейшие. Крошечные одноклеточные жи¬
вотные с различной морфологией, физиологией и часто
сложными жизненными циклами. Обитают почти повсюду,
например в море — фораминиферы.
pteropod — птеропода. Свободно плавающая форма брюхо¬
ногой улитки, у которой передние доли ноги преобразованы
в похожие на длинные уши широкие крылья, приспособлен¬
ные для плавания; важный член пелагического сообщества,
pycnocline — пикноклин. Слой в толще воды, где плотность
изменяется с глубиной значительно быстрее, чем в соседних
интервалах глубин.
radiant energy — лучистая энергия. Энергия, распространя¬
ющаяся в виде волнового движения; энергия электромагнит¬
ных волн.
radiation — излучение, радиация. Процесс испускания лучис¬
той энергии в форме частиц и лучей в ходе распада радиоак¬
тивных изотопов; бывает трех типов: «-и 0-частицы и
7-лучи.
radiation dose — доза облучения. Количество ионизирующей
радиации, поглощенной живой тканью. Измеряется в зивер¬
тах (Зв); 1 Зв = 1 Дж энергии ионизирующей радиации на
1 кг массы тела.
radioactive — радиоактивный. Способный к распаду и, сле¬
довательно, радиоактивности.
radioactivity — радиоактивность. Присущее некоторым эле¬
ментам свойство ядер их атомов самопроизвольно распа¬
даться, испуская при этом частицы или лучи.
radiolarian — радиолярия. Микроскопическое одноклеточное
животное из обширного отряда морских простейших, имею¬
щее кремнеземный скелет, который состоит из игл и расходя¬
щихся в виде лучей нитеподобных ложноножек (псевдоподий),
radiometric dating — определение абсолютного возраста.
Наука об определении возраста материалов исходя из содержа¬
ния в них радионуклидов с известным периодом полураспада,
radionuclide — радионуклид. Элемент с неустойчивой струк¬
турой атомов. Ядра этих элементов самопроизвольно рас¬
падаются, испуская «- или 0-частицы и иногда 7-лучи. Оста¬
точный атом может представлять собой либо другой радио¬
нуклид в ряду распада, либо стабильный элемент, не способ¬
ный к дальнейшему распаду.
radula — радула, терка. У большинства моллюсков в перед¬
ней части рта — напоминающая напильник узкая полоска,
на дорсальной стороне усеянная зубами из рогового вещест¬
ва. С помощью этой терки животное зарывается в субстрат
или разрывает тело жертвы и втягивает его в рот.
Reagan Proclamation 1983 — Декларация Рейгана 1983 г. Де¬
кларация, устанавливающая суверенитет США над их терри¬
ториальными водами, исключительный экономический кон¬
троль над ресурсами океана на расстоянии до 200 мор. миль
от берега и юрисдикцию на все залегающие на морском дне
полезные ископаемые до границы прилежащего шельфа,
red tide — красный прилив. Участки прибрежных поверх¬
ностных вод, изменившие цвет в результате взрывного рос¬
та некоторого вида динофлагеллят, который выделяет ток¬
син, ядовитый для многих форм морской жизни.
reef — риф. С точки зрения навигации — цепь скал или пес¬
чаная гряда, расположенная вблизи поверхности воды и
представляющая опасность для судоходства; см. также
barrier reef, coral reef, fringe reef.
relict structures — реликтовые структуры. В стратиграфии
геологических пластов — структуры, для которых установ¬
лено, что они образовались в прошлые геологические эпохи,
remanent magnetism — остаточная намагниченность. Маг¬
нитный эффект, сохраняющийся в породе после ее первично¬
го затвердевания, во время которого кристаллы отдельных
минералов, обладающих собственной полярной магнитной
структурой, были упорядочены в соответствии с существо¬
вавшим тогда магнитным полем. Впоследствии они сохра¬
нили эту магнитную ориентировку.
residence time — время пребывания. В океанах — интервал
между временем, когда ион соли впервые вводится в море,
и моментом его удаления из жидкости в результате включе¬
ния его в осадки на длительный период.
respiration — дыхание. Физические и химические процессы,
посредством которых организм обеспечивает свои клетки
кислородом, необходимым для обмена веществ, и освобож¬
дается от образовавшегося углекислого газа.
river-induced upwelling — апвеллинг, вызванный рекой (реч¬
ной апвеллинг). Процесс вовлечения соленой воды в эстуа¬
рий; обусловлен турбулентной кинетической энергией реч¬
ной воды.
salinity — соленость. В морской воде — количество раство¬
ренных солей в граммах на 1 кг морской воды; нормальное
значение для океана 35%о.
salt exclusion — удаление солей. 1) При испарении морской
воды — неспособность солей перейти в пар. 2) При замерза¬
нии — удаление солей из кристаллического твердого ве¬
щества, хотя небольшое их количество все же остается в ло¬
вушках, таких как карманы рассола. В обоих случаях оста¬
точные соли увеличивают плотность остающейся жидкости,
salt wedge — соленый клин. Проникновение соленой воды в
эстуарий; течение, компенсирующее вовлечение морской во¬
ды в вытекающую речную воду.
Sargasso Sea — Саргассово море. Центральная водная масса
Северной Атлантики. Крупная область сравнительно спо¬
койной воды; ее название произошло от названия плаваю¬
щих здесь морских водорослей.
Sargassum — саргассова водоросль. Ветвящаяся форма бу¬
рой водоросли, которая удерживается в эвфотической зоне с
помощью газовых пузырей; характерное растение Саргассо¬
ва моря.
scarp — уступ. Линия крутых утесов, возникших, когда бло¬
ки океанической коры испытали сбросообразование. Уступ
Мендосино протягивается на сотни километров к западу от
мыса Мендосино.
scattering — рассеяние. В морской воде — отклонение свето¬
вых лучей взвешенными частицами.
sea — беспорядочное поле волн с высокими гребнями в
пределах штормовой области.
sea floor spreading — разрастание (спрединг) морского дна.
Внедрение нового магматического материала в срединно¬
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
401
океанические рифты с последующим раздвиганием затвер¬
девшей коры в стороны от зоны внедрения.
sea ice — морской лед. Лед, сформировавшийся непосредст¬
венно на поверхности моря.
sea level — уровень моря. Среднее положение поверхности
моря относительно вертикали, измеренное за продолжи¬
тельный период времени по отношению к реперу (футшто¬
ку) на берегу; положение поверхности раздела между возду¬
хом и морем.
seamount — подводная гора. Гора или вулкан на дне глубо¬
кого моря, вершины которых не выступают над поверхно¬
стью воды.
sea smoke — морская дымка. В полярных районах — пар,
поднимающийся с поверхности моря; становится видимым
благодаря конденсации.
sea state — состояние моря. Мера неровности поверхности
моря; шкала волнения на поверхности моря, связанная со
скоростью ветра.
seiche — сейши. Колебания уровня морской воды между
краями бассейна или части бассейна с периодами, изменяю¬
щимися от нескольких минут до нескольких часов. Энергия,
необходимая для возбуждения сейш, может поступать от
сильных ветров и изменений атмосферного давления во вре¬
мя штормов, от приливов или сейсмических возмущений,
seismic — сейсмический. Связанный с явлениями или процес¬
сами, вызванными землетрясениями, либо относящийся к
ним.
seismograph station — сейсмическая станция. Комплекс уст¬
ройств для регистрации прохождения сейсмических волн
внутри Земли и прослеживания их.
semidiurnal — полусуточный. Происходящий дважды в сут¬
ки; в частности относится к приливам, которые происходят
два раза в течение лунных суток, продолжающихся 24,8 ч,
т. е. полусуточное событие наступает через 12,4 ч.
sensible heat transfer — перенос ощутимого тепла. В воздухе
и море — передача тепловой энергии в условиях непосредст¬
венного контакта между ними. Измеряется разностью тем¬
ператур между средами.
sessile — прикрепленный. Неподвижный, соединенный с
дном или другим неподвижным субстратом.
set — снос. Смещение корабля с курса; направление океани¬
ческого течения.
setae — щетинки. На придатках животных-фильтраторов —
волосоподобные выросты, которыми они задерживают час¬
тицы из морской воды.
shallow-water wave — волна на мелководье. Любая водная
волна, теряющая энергию в результате трения между дви¬
жущимися частицами воды и неподвижным дном; приливы
повсюду представляют собой мелководные волны, как и
волны цунами. Ветровые волны становятся мелководными,
когда они достигают глубин, равных примерно половине
длины волны или меньше.
shoal — мель. Песчаная банка или песчаный бар, которые
уменьшают глубину моря и представляют опасность для на¬
вигации. Не следует путать с рифами, состоящими из кон¬
солидированной породы или кораллов.
sial — сиаль. Более легкие верхние части земной коры, пред¬
ставленные породами, богатыми кремнием и алюминием;
основная масса континентов сиалическая.
sievert — зиверт. См. Radiation dose.
sigma-t — (аг). Сокращенная запись для плотности морской
воды: плотность, равная 1,022 г/см3, выражается как 22аг
silicate — силикат. Химически это Si(OH)4 — важный ком¬
понент морской воды благодаря тому, что используется
диатомеями, радиоляриями и другими организмами для
формирования выделяемых ими раковин и оболочек.
sill — порог. Относительно мелководное поднятие на мор¬
ском дне у входа во фьорды и заливы; подводное поднятие
на сравнительно небольшой глубине, разделяющее два океа¬
нических бассейна или отделяющее окраинное море от от¬
крытого океана.
silt — алеврит. Рыхлый осадочный материал с размерами
частиц от песчаных (0,06 мм) до глинистых (0,004 мм).
sima — сима. Более тяжелые нижние этажи земной коры,
состоящие из пород, богатых кремнием и магнием. Нижняя
часть континентальной коры и основная масса океанической
коры симатические.
size specificity — специфичность размеров. В океанских пи¬
щевых цепях хищник ловит те особи вида-жертвы, кото¬
рые имеют «определенный» размер, чтобы он мог заглаты¬
вать их целиком.
slack water — «кроткая», вялая вода. Период смены прилив¬
ных течений на отливные и наоборот, когда горизонтальное
приливное движение воды мало или отсутствует; соответст¬
вует высокому и низкому положению воды.
SOFAR — 1) сокращение по первым буквам слов “sound
fixing and ranging” (звуковая пеленгация и локация); 2) под¬
водный звуковой канал (ПЗК) — канал сверхдальнего рас¬
пространения звука: диапазон глубин, в котором акустиче¬
ские волны могут распространяться на чрезвычайно боль¬
шие расстояния.
sonar — гидролокатор. Сокращение по первым буквам слов
“sound navigation and ranging” (звуковая навигация и лока¬
ция). Название прибора для измерения глубин, который
прощупывает глубину океанического дна с помощью испус¬
каемых им звуковых импульсов. Кроме того, используется
для обнаружения подводных объектов и осмотра вод вокруг
рыболовного судна, для того чтобы получить данные о
плотности рыбных косяков, а следовательно, о возможном
улове.
Southern Oscillation — Южное колебание. См. EL Nino,
speciation — видообразование. Процесс, в результате кото¬
рого развиваются новые виды, увеличивая тем самым раз¬
нообразие сообщества.
species — вид. Категория биологической классификации, не¬
посредственно ниже рода. Включает родственные организ¬
мы или популяции, способные к скрещиванию между разно¬
видностями внутри вида (интербридингу).
specific heat — удельная теплоемкость. См. heat capacity,
spectrum — спектр. Для любого динамического процесса —
графическое изображение того, как его динамическая энер¬
гия распределяется по длинам волн или частотам.
spit — намывная коса, длинная отмель, стрелка. Узкая по¬
лоска суши, обычно из песка или гравия, протягивающаяся
в водную массу.
spring tide — сизигийный прилив. Самый высокий прилив,
который происходит раз в две недели либо в новолуние, ли¬
бо в полнолуние.
standing crop — наличная биомасса. Количество особей или
биомасса, существующие в сообществе организмов в какой-
то момент времени.
standing wave — стоячая волна. Вид колебаний, при кото¬
ром амплитуда волны изменяется по вертикали между фикси¬
рованными узловыми точками; эта волна не движется впе¬
ред. Примеры: сейши в узких заливах, приливные волны в уз¬
ких заливах и проливах и даже на крупных участках океанов,
stenohaline — стеногалинный. Способный жить только в
морской воде с определенным узким диапазоном солености,
stenothermal — стенотермный. Способный жить только в
морской воде с определенным узким диапазоном температур.
402
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
storm surge — штормовой нагон. Подъем уровня моря вы¬
ше нормального на открытом побережье, где эффект Экма¬
на в результате сильных ветров заставляет неглубокие воды
заливать берег. Чрезвычайно опасный, штормовой нагон в
большей степени ответствен за гибель людей, чем любое
другое океаническое явление, что обусловлено скоплением
поселений на прибрежных равнинах, наиболее уязвимых для
внезапного и губительного наводнения.
strait — пролив. Узкий канал, соединяющий две крупные
массы воды.
stratification — расслоение. В океанах — последовательное
расположение различных водных масс по вертикали с увели¬
чением плотности воды вглубь.
subduction — субдукция. В теории тектоники плит, когда
блоки земной коры сближаются, — процесс, при котором
край одной литосферной плиты проходит вниз, поддвигаясь
под край другой плиты.
submarine canyons — подводные каньоны. Эрозионные фор¬
мы рельефа океанического дна, прорезающие как шельф,
так и склоны континентальных окраин. Обычно это долины
с крутыми стенками и дендритовой системой питающих
каньонов на более мелководных, расположенных ближе к
берегу участках.
substrate — субстрат. В океанах — любой твердый или на¬
половину затвердевший материал между дном и водой. Ти¬
пы его различны — от красной глины до скальных пород,
от песка до кораллового рифа. Важный фактор в распреде¬
лении бентосных организмов.
surface tension — поверхностное натяжение. Физическое
свойство воды, благодаря которому ее поверхность стре¬
мится занять наименьшую площадь, т. е. стать плоской,
suspension feeder — организм, питающийся взвесью. Живот¬
ное, которое питается непосредственно взвешенными части¬
цами. Отличается от фильтратора способностью выбирать
частицы, которые заглатывает. Примером организмов, пита¬
ющихся взвесью, являются копеподы, так как они выбирают
подходящие частицы из тех, с которыми сталкиваются,
suspensoid — взвесь, суспензия. В морской воде — совокуп¬
ность взвешенных частиц.
sverdrup — Свердруп. Единица переноса объема морской во¬
ды, равная 1 млн. м3/с. Названа в честь Х.У. Свердрупа,
«отца океанологии».
swash — заплеск. Турбулентный накат воды вверх по по¬
верхности пляжа.
swell — зыбь. Длиннопериодные волны, которые переносят
энергию на большие расстояния от точки их зарождения;
источник «прибойных волн» вдоль пляжа.
symbiosis — симбиоз. Тесное взаимное сосуществование двух
разных организмов, зависящих один от другого.
system — система. Любой механизм, или биологический
процесс, или химическая реакция, в которой сигнал прини¬
мается и обрабатывается определенным способом и резуль¬
тирующий эффект находится в предсказуемом соотношении
с входным сигналом.
tectonics — тектоника. Отрасль геологии, занимающаяся
обширными структурными особенностями земной коры, в
частности складчатостью и разломами.
terrigenous — терригенный. Относящийся к океаническим
осадкам, сложенным материалом, который образовался в
результате разрушения пород на материке.
test — раковина, оболочка. Раковина организма.
Tethys Sea — океан Тетис. Древнее открытое море, которое
разделило Пангею на Лавразию и Гондвану.
thermal expansion coefficient — коэффициент теплового рас¬
ширения. Как физическая характеристика воды — относи¬
тельное изменение объема на единицу изменения температу¬
ры; объясняет изменение плотности воды.
thermocline — термоклин. Интервал глубин в толще мор¬
ской воды, в котором температура уменьшается с макси¬
мальной скоростью; градиент температуры с увеличением
глубины. Существуют постоянный (главный) термоклин
и сезонный, возникающий на меньших глубинах в летние
месяцы.
thermohaline circulation — термогалинная циркуляция. Цир¬
куляция, обусловленная неравномерным нагревом Земли
Солнцем вместе с поверхностной неравномерностью испаре¬
ния воды и выпадения атмосферных осадков.
tidal bore — бор. См. bore.
tidal prism — приливная призма. Разница в объеме воды в
эстуарии между отметкой высокой воды после прилива и от¬
меткой низкой воды после отлива. Используется при оценке
времени смены вод в эстуарии.
tidal wave — приливная волна. Длиннопериодная волна, воз¬
буждаемая приливообразующими силами. Называть при¬
ливной волной цунами неверно.
tide — прилив (и отлив). Периодическое повышение и пони¬
жение уровня моря. Сложная волна, вызванная совместным
действием приливообразующих сил Луны и Солнца.
tide component — составляющая прилива. См. partial tide,
tide current — приливное течение. Течение, сопровождаю¬
щее приливную волну. Важный динамический фактор в об¬
щей системе течений в мелких неритических водах, но незна¬
чительный в водах открытого океана.
tide excursion — приливное смещение. Наибольшее смещение
части воды в течение одного цикла реального прилива.
tide flats — приливные равнины. Участок прибрежных рав¬
нин, который затопляется во время суточных или сизигий¬
ных приливов. В значительной мере способствуют продук¬
тивности прибрежных частей океанов и служат «садком»
для некоторых видов морских рыб.
tide-generating force — приливообразующая сила. Векторная
величина, представляющая собой разность между гравита¬
ционной силой притяжения масс Земли к другому планетно¬
му телу и центробежной силой, которая возникает из-за то¬
го, что оба тела перемещаются параллельно относительно
общего центра масс. Хотя и небольшая, эта сила направле¬
на горизонтально повсюду на земном шаре и вызывает су¬
ществование одновременно двух зон схождения масс в жид¬
ком океане: одной — на той стороне Земли, которая ближе
всего ко второму небесному телу, а другой — на диамет¬
рально противоположной стороне Земли.
tide range — величина прилива. Вертикальное изменение
уровня моря между максимальной отметкой полной воды и
минимальной отметкой малой воды в течение приливного
цикла.
TOGA (Tropical ocean, global atmosphere) — ТОГА (тропи¬
ческий океан, глобальная атмосфера). Охватывающий весь
земной шар эксперимент, проводимый для изучения крупно¬
масштабного динамического взаимодействия между атмо¬
сферой и океаном.
torque — момент вращения, момент сил, скручивающее
усилие. В океанах — сила, обусловленная полем напряжений
поверхностных ветров. Ответственна за крупномасштабное
движение, подъем и опускание поверхностных вод. Сила,
вызывающая завихренность.
trace elements — рассеянные элементы, микроэлементы.
В морской воде — растворенные элементы, концентрации
которых очень малы, меньше 1 млн"1.
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
403
tracer — индикатор, трассер. В морской воде — природный
или искусственный компонент, распределение или движение
которого позволяет делать выводы о циркуляции или
свойствах самого океана. Классический пример — распреде¬
ление радиоактивного трития, попавшего в поверхностный
слой океана из радиоактивной пыли, которая образовалась
при испытаниях ядерного оружия в течение десятилетия
1950—1960 гг.
trade winds — пассаты. Устойчивые преобладающие поверх¬
ностные ветры, дующие по направлению к экватору с севе¬
ро-востока в тропических широтах Северного полушария и к
экватору с юго-востока в тропических широтах Южного по¬
лушария.
transform fault — трансформный разлом. Геологический
разлом, пересекающий срединно-океанический хребет попе¬
рек. Представляет собой плоскость скольжения, вдоль кото¬
рой блоки коры по-разному перемещаются в процессе раз¬
растания (спрединга) морского дна.
transgression — трансгрессия. По отношению к уровню
моря — глобальная вековая тенденция к повышению уровня
морской воды. Распространение моря в направлении суши,
transition zone — переходная зона. 1) В геологии — зона пе¬
рехода между континентальной и океанической корой (а так¬
же между слоями Земли. — Ред.). 2) В биологии — зона,
разделяющая разные биогеографические области.
trawl — траловая сеть. Большая, похожая на сумку сеть,
используемая в рыболовстве. Траловые сети тянет корабль
на заданных глубинах.
trophic level — трофический уровень. Один из иерархических
слоев в пищевой сети, в котором организмы отстоят от
первичных продуцентов на одинаковое число ступеней,
tsunami — цунами. Длиннопериодная волна, вызванная сей¬
смическими возмущениями в морском дне. Повсюду пред¬
ставляя собой свободную и мелководную волну, она переме¬
щается со скоростью около 700 км/ч в открытом море, но
достигает опасной высоты и плотности энергии, когда ско¬
рость ее уменьшается на мелководье. Японское слово, обо¬
значающее «волна в заливе».
turbidity — мутность. В морской воде — качество или со¬
стояние густоты и непрозрачности из-за взмученных осад¬
ков или взвешенных частиц; условие, уменьшающее прохож¬
дение света.
turbidity current — турбидное (мутьевое) течение. Сильно
взмученный, сравнительно плотный эпизодический поток,
несущий взвешенные частицы глины, алеврита и песка и
стекающий по подводному склону сквозь менее плотную
морскую воду. Скорость его обычно достигает десятков ки¬
лометров в час. См. также density current.
turbulent flow — турбулентное течение. Весьма беспоря¬
дочное течение в жидкостях, источник энергии для переме¬
шивания водных масс. Не имеет аналитического описания,
typhoon — тайфун. Сильный тропический циклон, встреча¬
ющийся в Южно-Китайском море или в районе Филиппин.
То же самое, что ураган.
upwelling — апвеллинг. Направленное вверх движение мор¬
ской воды в разных районах океана. Чаще всего применяет¬
ся к процессу, который выносит богатые питательными ве¬
ществами холодные воды в эвфотическую зону, что поддер¬
живает продукцию растений.
vaporization — испарение, парообразование. См. также.
latent heat.
viscosity — вязкость. См. molecular viscosity.
water mass — водная масса. Большой объем морской воды,
определяемый его температурой и соленостью и, следова¬
тельно, имеющий характерную плотность. В водной толще
располагается на уровне, соответствующем его равновесной
плотности. Например, Антарктическая придонная вода,
wave energy density — плотность волновой энергии. Приме¬
няется к поверхностным ветровым волнам; средняя величи¬
на поддерживающей волну энергии в джоулях на квадрат¬
ный метр поверхности моря. Вычисляется по формуле
1250 Н2 Дж/м2, где Н — высота ветровой волны от гребня
до подошвы (в метрах).
wave refraction — рефракция волн. Процесс, в результате ко¬
торого гребень плоской волны разворачивается при ее тре¬
нии о дно на мелководье. Там, где шельф широк, ровен и
глубина его изменяется плавно, рефракция поверхностных
волн происходит идеально правильно, так что при вступле¬
нии волн в зону прибоя их гребни становятся почти парал¬
лельными пляжу независимо от того, под каким углом они
первоначально входят в прибрежные воды.
whitecap — белые барашки. В глубоких водах открытого
океана — обрушение ветровых волн, происходящее, когда
крутизна их гребней превышает критическое значение, обыч¬
но определяемое углом 120°. Обрушение представляет со¬
бой турбулентное, с образованием пены разрушение самого
гребня волны, отсюда и выражение «белый барашек». Ба¬
рашки образуются, когда ветер усиливается и плотность
энергии волн начинает расти.
wind-driven current — ветровое течение. Поверхностное те¬
чение, которое возникает в результате передачи энергии от
ветра поверхностным океанским водам. Иногда называемая
дрейфом Экмана или ветровым дрейфом, истинная реакция
поверхностных вод проходит кратковременную фазу, во
время которой масса поверхностных вод смещается, созда¬
вая наклон поверхности моря поперек направления ветра.
Однажды возникнув, поверхностное течение перемещается в
направлении ветра, сохраняясь до тех пор, пока ветер не пе¬
ременится, что потребует другого смещения в наклоне по¬
верхности моря, и т. д.
zooplankton — зоопланктон. Столь мелкие животные, что
являются планктонными в смысле способности дрейфовать
вместе с течениями, преобладающими в океанах.
Предметный указатель
Абиотический материал 165, 167
Абиссальные равнины 52
Автотрофы 165—167, 178, 252
Адаптация 19, 26, 193, 202, 242, 272
Азот 101, 104—106, 120, 246, 248
Айсберги 78, 84, 141, 142, 160
Аквакультура 310—312
Аккреционная призма 74, 373
Актинии 236, 238
Акулы 139, 140
Альбедо 10, 341, 345
Амфиподы см. Бокоплавы
Анадромно-катадромные рыбы 296, 297
Аналитическая модель в прибрежной океанологии 281
Анемоны 179. См. также Актинии
Антарктическая конвергенция 161, 337. См. также Полярный
фронт
— придонная вода 59, 132, 134, 142, 341
— промежуточная вода 132—134, 161
— циркумполярная вода (АЦПВ) 132—134
Антарктический полярный фронт 161
Антифриз 111, 355
Антициклоническая система ветров 149, 354
Антропогенное влияние 292, 298, 301, 320—323, 326
Анчоусы 153, 208, 214, 228, 307
Апвеллинг 12, 28, 95, 122, 152, 166
ветровой 122, 151, 283, 296
диффузный, океанский 29, 163
искусственный 331, 332
как компенсация даунвеллинга 162
мощный региональный 28, 148, 152, 162, 341, 348
прибрежный 29, 121—124, 162, 204, 296
продуктивность 11, 162
речной 293, 296
сезонный 309
Арктическая придонная вода 134, 162
— промежуточная вода 134
Арктические полярные фронты 162
Архимеда закон 56
Асимметрия экваториальных (пассатных) течений 158
Астеносфера 54, 369
Атлантический океан 274, 356
водные массы 133
меридиональный разрез 134
перенос тепла 92
плотностная структура 133
разрастание дна 55
распределение трития 39
рельеф дна 53
соленость 61, 63, 107, 131
Атмосфера 9, 13
давление, температура 13, 85, 95—96
конвекция 94, 95, 97
полярная 353
состав 95, 96
тропическая 97
циркуляция 28, 29, 91, 93, 353, 354
ячейки высокого (низкого) давления 94, 354
Атмосферный максимум 96, 146, 147, 353
— минимум 96, 146, 147
Атолл 243
Бактерии 165, 206, 208, 327
Барабулька 249
Барракуда 248, 249
Барьерный остров см. Береговой бар
Батометр 115
Бентос 19, 187, 243, 290
Береговой бар 288, 289
Берингово море 186
Беспозвоночные 110, 138, 179
Бимодальное распределение высот 50, 56
Биогенные элементы 102—106. См. также Питательные ве¬
щества
Биогеография 187, 204
Биологический пресс 168, 169, 231
Биология океана 30, 177, 199
Биолюминесценция 19, 88, 206—209, 217.
причины 208
распределение 207
способы вырабатывания 206
эффективность 206
Биомасса 11, 22, 167, 170
Биосфера (морская) 164—229
прибрежных вод 34
сопоставление с наземной 16
эвфотическая и бентосная 165
Битропичность 192
Бокоплавы 241, 346
Бриз 93
Буферные процессы 36
Ветровой дрейф 149, 151
Ветры 96
аномальные 174
возбуждение волн 259
восточные 28, 108, 146, 159
западные 14, 28, 78, 146, 158, 159, 356
изменчивость 146
и области высокого и низкого давления 145—149
муссоны см. Муссоны
пассаты см. Пассаты
распределение над океанами 145
энергия 259, 331
Взаимодействие океана и атмосферы 15, 30, 93—98, 353
при испарении 95
путем теплопроводности 94
реакция поверхностных вод на касательное напряжение
ветра 147
— плит 370
— поверхностной и глубинной циркуляции 25—26, 162, 341
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
405
Виды-индикаторы 188
Вихри см. Завихренность движений в океане
— и перемешивание 275, 290
Внутритропическая зона конвергенции 107, 108, 153, 339
Вовлечение 292, 293, 296
Вода, физические свойства 86—90. См. также Морская вода
Водная масса 131
биологические признаки 206
границы 192
диаграммы 129
корреляция с видами организмов 188—192
оптические характеристики 204
прослеживание 131
связь с биогеографией 188
сравнение по океанам 131—133
структура 129
Водные возвышенности 148—151, 153, 157
Водоросли 178, 180
бурые 13, 178, 233, 236, 237
зеленые 178
золотистые 178
кораллиновые 233, 237, 243, 246, 247
красные 178, 235, 236
крупные (макро-) 248
пиррофитовые 178
саргассовы 217
симбиотические 185, 246
синезеленые 106, 178, 246, 250
фиксирующие азот 251
эпонтические 346
Воздух 95. См. также Атмосфера
Возраст
дна океана 53, 55, 358
океанической коры 364
пород 363, 364
Волнение 261
полностью развитое 260
Волновые каналы 244
Волны
ветровые 74, 255, 257—263
влияние дна 262
внутренние 255, 256
высота 256, 258, 261, 262, 279
капиллярные 256, 257
краевые 256
крутизна 260
обрушение 260
ограничения роста 260
очень короткие гравитационные 257
плотность энергии 258, 261, 277, 278, 284
прибрежные захваченные 256
приливные 256, 257, 266, 278
скорость 261, 279
стоячие см. Сейши
типы 30, 256—258
Восточно-Тихоокеанское поднятие 55
Время пребывания (солей) 100—105
по осадконакоплению 101—102, 105
по стоку рек 101—102, 105
Время смены вод 281
ВТЗК см. Внутритропическая зона конвергенции
Вулканы 103, 104, 106, 175, 374
андезитовые 58, 373
базальтовые 373
связанные с желобами 58, 373
цепи 53, 58, 359
Выедание 168, 170, 180
Гадлея ячейки 28
Галоклин 118, 165, 295
Гастроподы 208
Геология и геофизика океана 39
Геомагнитное поле 362, 366, 377
Гетеротрофы 165—167, 179
Гигантская антарктическая ледовая машина перемешивания
64, 341
Гидрологическая оптика 204
Гидрологические станции 115
Гидрологический цикл 104
Гидростатическое равновесие 142
Гипертония 110
Гипотония 110
«Гломар-Челленджер» 44, 364
Глубина компенсации 199, 201
— океанов 47, 262
— перемешивания 199, 201
и точка компенсации 199
— трения 149
Глубинные воды 25, 37, 39
содержание 226Ra 39
Глубоководное бурение (проект DSDP) 82, 364, 369
Глубоководные желоба 53, 56—59, 364, 367, 369, 373
Головоногие 187, 208, 223, 224
Голопланктон 137, 218
Голотурии 184, 248, 251
Гольфстрим 30, 63, 154, 162, 274
карта 158
меандры и вихри 155
скорости 157,159
Г ондвана 359
Горячая точка 359
Гребневики 207
Губки 179, 245
GEOSECS 38
Давление 141—143, 151, 153, 227
воздействие на работу ферментов 34, 135, 187
паров 96, 108
сила, обусловленная наклоном поверхности моря 143
неоднородным распределением плотности 143
Дандженесский краб 173
Даунвеллинг 28, 150, 151, 161, 166, 341
Двухслойность океана 28, 44, 165
Декларация 2667 301
— 2668 301
Детрит 19, 239
Детритофаги 184
406
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Диатомеи 20, 42, 80, 138, 171, 178, 180, 199, 212, 290, 349, 351
Диатомовая земля 80
Диатомовые (водоросли) см. Диатомеи
Дивергенция 148, 152, 153, 284
Динофлагелляты 20, 138—140, 167, 178, 199, 207, 216
Диоксид углерода см. Углекислый газ
Дисперсия 22, 24, 26, 173, 274
Диссипация энергии 274, 277
Диффузия 87, 109, 163, 198
Длина волны 195, 197, 256, 261
Доминирующий вид 167
Дрейф континентов 53, 357, 359—364
JOIDES 42, 44
200-мильная зона 302—304, 320
Животные 20, 21, 179
движение 21
зависимость от белков 24
размеры 21—24
растительноядные 24
Жизненное пространство 10, 17, 18, 187
Завихренность движений в океане 274
Загрязняющие вещества 37, 76, 323
болезнетворные микроорганизмы 323, 331
микроэлементы 323
радиоактивные 323, 329
распределение в шельфовой области 281
свинец 37, 323, 324
сточные воды 324, 325
твердые отходы 327
тяжелые металлы 323—325
углеводороды 37, 323—327
удобрения 323, 325
фреон 37
51Сг 282, 284
Звук
использование для коммуникации 86
скорость в воде 86, 108, 109, 118
Звукорассеивающий слой 21, 208
Зеленая дыра 161, 162
Земная кора, относительные высоты 50
Зоны океана 18
абиссаль 18
апвеллинга и даунвеллинга 25, 28
батиаль 18
батипелагическая 18, 19
бентосная 18, 289, 290
внутренняя 19
гадаль (ультраабиссаль) 18
гидротермальных источников 19
литораль 18, 232
неритическая (неритовая) 18
пелагическая (пелагиаль) 18
прибрежная 19, 273, 280
эвфотическая 18, 22, 119, 200, 212, 289
эстуария 19
Зооксантеллы 185, 238, 246, 247, 251
Зоопланктон 137, 190, 217, 220, 251
Иглокожие 179, 182, 184, 187, 242
Изогалины 281, 294
Изопикническая поверхность см. Поверхности постоянной
плотности
Изостазия 50, 56
Изотония 110
Илы
известковые 77—79
кремнистые 78—80
Инверсии геомагнитного поля 366
Индийский океан 158
муссоны 93
соленость 107
Ионизирующая радиация 327, 328
Испарение с поверхности океана 89, 94, 95, 97, 339
параметр Р—Е 339
роль в атмосферной конвекции 96, 97
— в океанической конвекции 98
Калифорнийская программа CALCOFI 212
Кальмары см. Г оловоногие
Карбонат кальция 36, 42, 78—80
Картирование океанов 128, 382
методом Г, S-диаграмм 127
на основе выделения водных масс 131, 132
со спутников 204, 205, 382
Картография 377—382
Касательное напряжение (ветра) 141
Кашалот 135—137, 153
Кельвина волна 255
Кислород 101, 104, 106
в воздухе 95
вертикальные профили 118
изотопное отношение 18О/16О 39
как показатель первичной продукции 199
минимум 118, 120, 134
Киты 135, 163, 227, 309, 349—351. См. также Кашалот
Кишечнополостные 138, 179
Книдарии 172, 207, 223, 225
Кокколитофоры 20, 79, 217
Комменсализм 185
Компонент 167
Конвективные ячейки 54, 94, 98
Конвекция (вертикальная)
в астеносфере 54
в атмосфере 94, 95, 97, 98
в озерах 111
в океанах 94, 95, 98, 111
вызываемая соленостью 108, 142, 341
Конвенция 1982 г. по морскому праву 42, 67, 302—305
Конвергенция 149, 284
Конкреции 16, 80, 81. См. также Минеральные ресурсы
Конкуренция 167
Континентальное подножие 66
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
407
Континентальные окраины 10, 12, 41, 66. Си. также
Окраины
активные 371—374
и осадки 41, 66
пассивные 370—372
строение 67, 73, 371, 372
Континентальный склон 66—71, 287
— шельф см. Шельф
Копеподы 11, 21, 87, 138, 170, 171, 220, 243, 346, 349
биолюминесценция 208
питание 180—182, 220, 221
распределение в Тихом океане 191, 193, 220
связь с водными массами 191, 192
стадии личинки науплиуса и копеподита 220, 221
связь с вязкостью воды 87
Кораллит 246, 247
Коралловые рифы 153, 243
барьерные (банки) 243—245
береговые (окаймляющие) 243—245
биология животных 246—251
отличие от экосистемы открытого океана 251
первичная продуктивность 246
рифовая платформа 244
строение 243, 244
Коралловый полип 243, 246, 247
Кораллы 106, 179, 243
Кориолиса сила 143, 150, 153
возрастание к полюсу 274
отклоняющее действие 144, 145, 147, 150, 262, 294
Космические снимки 46, 98, 205, 258, 283, 289
Космополитные виды 192
Коэффициент сжимаемости 383
— солевого уплотнения 382
— теплового расширения 339, 382
Крабы 111, 172, 236, 239, 298
Красные приливы 167, 217
Креветки 176, 227
Кремнезем 80, 138
Кремнекислота 25, 101, 105, 119, 283
Кремний 101, 104, 105
Криль 349
выедание китами 350, 351
годовая добыча 162, 310
как пищевой ресурс 351
миграция 350
питание 349, 351
скопления 349
Криноидеи 182
Критическая глубина перемешивания 201
Круговороты 28, 274
субарктические 159—161
субполярные 159
симметрия 156, 158
центральные 156—158
Ктенофоры см. Гребневики
Лагуна 244
Ламинарии 236, 239
Лед 87, 90
влияние на климат 89, 353
— на тепловой бюджет океанов 89
образование 142, 353
паковый 343—346, 351, 353, 354
роль в вертикальной конвекции 89, 341, 353
Ледниковые эпохи 82
Литоральный перенос 71, 75, 285—289
Литосфера, литосферные плиты 54, 359, 367, 370, 374.
См. также Тектоника плит
Лосось (лососевые) 20, 24, 33, 110, 111, 159, 227, 306, 312
Магма 54, 371
Магматические струи см. Плюмы
Магнитное поле Земли см. Геомагнитное поле
— склонение 377
Магнитные аномалии 364—366
— полюсы 362, 377
Максимально допустимый вылов 12
Марикультура 12, 312, 333
Матрица взаимодействия 323—331
Медузы 138, 140, 179, 223, 225, 226
Международное агентство по морскому дну 304
Мезентериальные нити 247
Мезоглея 138
Мейофауна см. Псаммон
Меропланктон 137, 218, 252
Местообитание 167
«Метеор» 133
Метеорологический экватор 152, 159, 190
Миграция животных 22, 33, 34, 172, 244, 309, 310
в эстуарий 292
как стабилизирующий фактор 172
корреляция с течениями 33
по вертикали 21, 227
по горизонтали 34
Мидии 167, 217, 235, 236, 311
Микронектон 214, 223
Микроэлементы см. Растворенные элементы
Миктофиды см. Миктофообразные рыбы
Миктофообразные рыбы 20, 21, 209, 227
Минеральные ресурсы 15, 42, 312
железомарганцевые кобальтовые корки 316—318
марганцевые (полиметаллические) конкреции 16, 42, 80,
304, 316, 317
нефть и газ 312, 323, 372
песок и гравий 315, 317
россыпи 316
сульфиды 80, 81, 317, 319, 373
фосфориты 42, 81, 317—320
Мировое производство главных продуктов потребления 306
Моллюски 79, 140, 179, 183, 208, 239—242, 320, 323, 324
Моржи 186, 351, 352
Морская вода 9, 10
вязкость 86, 88, 108, 138
диэлектрическая проницаемость 86
кислотность (щелочность) 36
мутность 204, 205
408
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
плотность см. Плотность
поверхностное натяжение 88, 105, 108, 256—258
поглощение и рассеяние света 21
прозрачность и показатель преломления 88, 108, 195, 203
растворяющая способность 88, 127
сжимаемость 85, 88
соленость см. Соленость
температура 10, 20, 25, 81, 86, 90, 108, 205
тепловые свойства 87—91, 108. См. также Удельная теп¬
лоемкость
электропроводность 106, 108
Морская капуста 236, 311
— трава 186
Морские блюдечки 233, 234, 236, 237
— ежи 153, 179, 185, 236, 238, 242, 245, 250, 251
— желуди 233
— звезды 179, 187, 188, 235, 236, 238
— лилии 182
— огурцы см. Голотурии
— стрелки см. Хетогнаты
— уточки 235, 236
Морское право 301, 304, 305
Морской заяц 351, 352
Мохо 369
Мурена 248, 249
Муссоны 93, 159
Мутуализм 185
Нанофитопланктон 217
Нейтральные воды 301, 304
Нейстон 187, 223
Нектон 186, 192, 226, 227, 296
Нематоцисты 223, 225, 246, 247
Нефть и газ 15, 74, 325—327. См. также Минеральные ресур¬
сы
Нефтяные пленки 15
Нитраты 24, 25, 105, 321, 325
в выносе рек 283, 296, 325
вертикальные профили 119
в зонах апвеллинга 121, 163, 348
максимум 119, 120
обеднение поверхностного слоя 119, 121, 123, 124, 163
концентрации 121, 123
Обмен веществ 171
Обратная связь в экосистеме 168—170, 193
величина 168,169
запаздывание 168, 169
отрицательная 168—170
положительная 168—170
Окаменелости 42, 82, 357, 363, 374
Океаническая кора 77, 368, 370
возраст 364
наклон 370
структура 367, 371
Океанография 156, 163
Окраинные воды 273
Окраины 10, 12. См. также Континентальные окраины
активные 58, 372—374
дивергентные 59, 370
конвергентные 58, 370
пассивные 58, 370
переходная зона 369, 372
скольжение 371
Окраска у животных 210
Оледенение 359, 361
Оолиты 82
Опреснение морской воды 90, 103
Осадки
биогенные 41, 42, 78, 79, 372
гидрогенные 42, 79, 80
глубоководные 41, 77—82
диатомовые 41, 80
источники 78, 218, 282, 283, 285, 372
карбонатные 14, 36, 78, 218
континентальных окраин 41
красные глины 78, 79
океанических бассейнов 41, 44
отбор образцов 44
терригенные 41, 79
типы 78—82
турбидиты 76, 287, 372
Освещенность 170, 289. См. также Свет
Осмотическое давление 108—111, 332
зависимость от солености 109
у морских организмов 110
Остаточная намагниченность 357, 362
Островные дуги 373
Открытое море 165
Открытый океан 12
Офиуры 184, 251
ОТЕС 333, 334
Палеобиогеография 357
Палеоклимат 357, 359
Палеомагнетизм 358
Палеоокеанология 81, 374
Палтус 298
Пангея 53, 357, 359—361, 374, 375
Паразитизм 185
Парниковый эффект 15, 37
Пастбищная нагрузка 168—170
Пассаты 28, 108, 146, 152, 153, 274
Первичная продукция 10, 11, 167, 169, 198, 290, 296
годичный цикл 169—171
и биомасса 170
измерение в океане 199
имитационная модель 199, 200
максимум см. «Цветение»
распределение по глубине 200
Перемешивание 36, 98, 100, 127, 141, 198
вертикальное 170, 289
вихрями 275
в прибрежных зонах 288
в результате замерзания морской воды 341
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
409
в эстуариях 292
в Южном океане 341
горизонтальное 131, 288
Перемешивания теорема 122,131
Перенос воды в атмосфере 107
Переходные области 191,192, 369
Период волны 256, 279
Пертурбация 167, 169, 173—176
«Песчаные доллары» 242
— косы 288
— пляжи 236
интерстициальные и плотоядные животные 240—242
сообщество 239—242
Пигменты 202
Питательные вещества 22, 105, 116, 120
вертикальные профили 104, 120
в выносе рек 283, 296, 325
концентрация в морской воде 39,103,106,120
круговорот 24, 251
распределение 121
Пищевая сеть 167, 171, 351
Пищевые цепи 11, 165, 167, 169, 185
Калифорнийского течения 23
особые 185
сапрофитные 186
Южного океана 347, 348
Плавательный пузырь 20, 139
Плавучесть растений и животных 138
механизмы 135, 137—140
регулирование 135, 137
эффекты 19, 24, 26
Планктон 137, 186, 193
классификация 137
плавучесть 137, 139
репродуктивный цикл 170,171
Планула 294
Плотностные течения см. Турбидные потоки
Плотность морской воды 10, 25, 85, 88, 108, 137
зависимость от солености 108, 127, 339, 382—384
— от температуры 127, 339, 384
максимальная 111
нелинейная зависимость от Т— S 127
определение по Т, S'-диаграммам 127, 128, 384
поле 122
распределение 122, 129, 133
— и биологические процессы 134
условная 122
Плотоядные 24, 170
Плюмы 367, 369
Пневматофоры 236
Поверхности постоянной плотности 122, 123
Подводные годы 56, 371
— каньоны 41, 69, 287
Подводный звуковой канал (ПЗК) 109, 118
Полипы 226. См. также Коралловые полипы
Полюсов миграция 362, 363
Полярные океаны 10, 82, 336—356
альбедо 341, 345, 353
зависимость плотности от температуры и солености
339, 384
первичная продуктивность 345, 346
плотностное расслоение (стратификация) 339, 345
разнообразие видов 345
Полярный фронт 134, 154, 161, 337, 338
Помацентровые рыбы 249, 250
Понижение точки замерзания 110,111
Популяция 34, 166, 168, 201
Пороговые концентрации 172
Португальский кораблик 255, 226
Почки (у рыб) 110
Правило постоянства концентраций 106
Пресная вода 278, 292
влияние на плотность 339
и перемешивание 292
речной вынос 278—282, 292, 298
эффект осмотического давления 332
Прибрежная океанология 274—299
Прибрежные воды 11, 12, 19, 129,188, 289
— «ячейки» 285—287
Придонные воды 19
Прилежащая зона 302
Приливная волна
двойная 266—268, 272
стоячая 266
— призма 292, 293
Приливные течения 74, 266, 270, 275
и перемешивание прибрежных вод 277, 292
перенос осадков 74
эллипс 276
Приливный бор 271, 292
Приливообразующая сила 266—270
Приливы 232, 264—272
величина 265, 278, 332
двугорбый 266
как источник энергии 331
как стоячие волны 269, 270, 278
квадратурный 266, 271—272
компоненты 268—270
местное запаздывание 266
полусуточный 269, 271, 275
предвычисление 266, 270
сизигийный 265, 270—272
суммарный 266, 268
суточное неравенство 266
суточный 268, 269, 271
Проекции 379
гномоническая 380—382
меркаторская 379, 381, 382
равновеликие 381
цилиндрическая 379
Происхождение океанов 104
Простейшие 179, 207
Противотень 209
Псаммон 242
Птероподы 191, 223
Пятнистость 22, 24, 173
410
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Равновесное вращение 266
Радий 39, 102, 104
Радиоактивность 327, 328
доза облучения 328, 329
измерение 328
и прослеживание водных масс 39, 282
как источник энергии 359, 367
низкого и высокого уровня 328, 329
определение абсолютного геологического возраста 357,
364
предельно допустимая концентрация (ПДК) 329
Радиоактивные отходы 284, 329
Радиолярии 80, 138, 179, 220
Радиохимия 39, 327
Радон 102, 104, 106
Разгон 260
Разложение 165
Разломов зоны 56, 358, 366, 367
Разрастание дна 41, 53—56, 357, 366
Разрез 120—122, 124
Ракообразные 180, 208, 210, 218, 220
Растворенные элементы
биогенные 103—106
газы 104, 106
избыточные летучие 105
консервативные 103, 104
макроэлементы 106
микроэлементы 103, 104, 106, 123, 323
Растения 20,178
одноклеточные 179
пятнистое распределение см. Пятнистость
размеры 21, 22
Редуценты 167
Рейгана декларация 1983 г. 304
Репродуктивный период 171, 220
Речной сток 278—280, 282, 283
Рефракция волн 284
Рифовые рыбы 245, 248
Рифты (рифтовые долины) 52, 54, 63, 319, 369—371
Рыба 20, 186
биолюминесценция 206, 208
миграция 22, 33
поле зрения 203, 204
эффект осмотического давления 110
Рыбная мука 12, 153, 306, 351
— продукция 11
в зонах апвеллинга 11
в открытом океане 11
в прибрежных водах 11, 282, 346
в эстуариях 297
потребление на душу населения 306
стоимость 305
Рыболовная зона 301
Рыболовство 291, 297, 305
в Антарктике 310
в прибрежных зонах 309
в Северном Ледовитом океане 347
косяки 291, 307, 309
максимально допустимый вылов 12
мировая добыча 306
потенциальный улов 308, 309
уловы 305, 307
Рябь на шельфе (знаки ряби)
Сайра 214, 227
Сальпы 182, 217, 223, 224
Саргассово море 133, 148, 172,198
Сардины 212, 282
Свет
глубина проникновения 129, 195, 197
длина волны 195, 197, 202
интенсивность 197, 199
коэффициент пропускания 197
ослабление 197, 198
поглощение 196, 197, 345
распределение по глубине и первичная продукция
195—198
рассеяние 197, 204
спектр 195
угасание (экстинкция) 197
Северный Ледовитый океан 160, 336
ледяной покров 344, 353
плотностное расслоение 341, 345
экосистема 345—347
Северо-Атлантическая глубинная вода (САГВ) 131—134, 158,
162, 341
— центральная вода 130
Сейсмичность 58, 367, 368, 372
Сейши 256, 269
Сельдь (сельдевые) 170, 171, 291, 292, 297, 354
Сера, сульфаты 101, 104, 138
Сеть TEWS 265
Сиаль 56
Сила тяжести 141, 256, 257
Силикаты см. Кремнекислота
Силы объемные и поверхностные 141
Сима 56
Симбиоз 185, 246, 251
Системная модель сообщества организмов 168
Системные факторы 167
Скалистые берега 231
доминантные виды 232
зональность 231—233
Скорпеновые рыбы 248
Слизевый способ питания 182, 217
Случайные столкновения 24, 172
Солевые клетки 110
Соленость 36, 60, 98, 100
зависимость от параметра Р—Е 36, 98, 100, 339, 340
— от хлорности 106
определение 106
профили 118, 291
распределение в Мировом океане 106, 131, 281, 282, 339
связь с электропроводностью 106, 108
Соленый клин 292—294
Соль 15,99—112
выделение в раствор при замерзании 89, 108, 142, 341
при испарении 98
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
411
Сольватированный ион 88, 100, 102, 108
Сообщество 166, 192
климаксовое 167
Спермацет 135—137
Специфичность размеров в морской экосистеме 24,169
Спрединг см. Разрастание дна
Спутниковые данные 30. См. также Космические снимки
Средиземное море 15, 130—134
Средиземноморская вода 130—134
Срединно-Атлантический хребет 52, 59
Срединно-океанические хребты 52, 54, 58, 77, 358, 367
модель формирования 369
Стационарное движение 145, 150, 151
Стеногалинные и стенотермные животные 188
Стоммела модель циркуляции 163
Стратегия выживания 24, 26
Стратосфера 133
Стрекательные клетки см. Нематоцисты
Струйное течение 353
Субантарктическая вода (САнВ) 133
Субарктическая вода (САрВ) 133
Субарктический круговорот 192
Субдукция 58, 358, 359, 372
Сублитораль 18, 232, 236
Субтропическая зона конвергенции 133
Супралитораль 232, 242
Сутура 374
Таксономический метод 178
Тектоника плит 41, 53, 56, 367
границы плит 56—58, 370, 371
и климат 63, 359—362
и циркуляция океана 63, 361
на краю континента 67
Температура
влияние на плотность 127, 339, 384
в пресноводных озерах 111
глубинных слоев 118
границы перемешивания 290
замерзания 110,111
измерение 115, 116,124
как мера внутренней энергии 89
максимальной плотности 111
поверхности моря 81
пограничных течений 274
профили 117, 118, 291
Температура — соленость диаграммы см. Т, S-диаграммы
Температурные аномалии 13
Тепловая машина Земли 91, 96, 98, 104, 112, 146
— энергия см. Энергия моря
Тепловой бюджет (баланс) океана 29, 91—96, 118, 353
— поток 93—96, 367
Тепло как загрязняющий фактор 331
Теплоперенос
из океанической коры в океанскую воду 367
к полюсам 92, 339, 353
в атмосфере 91, 96, 354
в океане 91, 92, 96
через поверхность моря
при испарении 95, 97
путем теплопроводности 94
Термики 93, 94
Термический фронт 290—292
Термоклин 25, 117, 255, 256
определение 117
постоянный (главный) 117, 118, 163, 165
сезонный 117,170
Территориальные воды 301, 302
Тетис 63, 359, 361,375
Течения 30, 156
Аляскинское 157, 274
Антарктическое циркумполярное (АЦТ) 47, 63, 107, 158,
337, 341
Бенгельское 156, 157
Бразильское 156, 157
ветровые 28, 92
Восточно-Австралийское 156, 157
Восточно-Гренландское 157, 160, 161
восточные пограничные 29, 30, 156, 158, 228, 274
глубинные 28, 63, 162
Гольфстрим см. Гольфстрим
Гумбольдта (Перуанское) 157, 158, 274
Давидсона 118, 282
дрейфовые 149
западные пограничные 29, 30, 156, 274
Западных Ветров 157, 191, 274
измерение 31, 109, 275
Калифорнийское 23, 118, 157, 158, 212—229, 274, 282
Камчатское 157, 160
Канарское 157, 158, 274
Кромвелла 152
Куросио 156, 157 160, 274
Лабрадорское 157, 160
Мыса Горн 158, 274
— Игольного 156, 157
нестационарные и стационарные 151
Ойясио 157, 160
поверхностные 157
придонные 75
Северное Пассатное 157, 158, 162
Северо-Атлантическое 92, 157, 158
Северо-Тихоокеанское 157, 158, 191, 192, 274
Сомалийское 157, 159
широтного направления 156
штормовые 75
экваториальные 152, 153, 158. См. также Северное Пас¬
сатное и Южное Пассатное течения
Южное Пассатное 157, 158,162
Тинтинниды 220
Тихий океан 132, 133, 274, 36
водные массы 133, 190
разрастание дна 55
рельеф дна 53
соленость 61,107
температура 13
экваториальное подповерхностное противотечение 152
Тихоокеанская центральная вода 133
412
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— экваториальная вода 133, 190, 192
Толерантность 188
Точка компенсации 199, 201
Трение
между воздухом и водой 141
— континентами и пограничными течениями 274
и приливными течениями 275
о дно 262, 278, 279, 284, 290
Треска 33, 160
Трехмильная зона 301
Тритий 39
Тропосфера 133
Трофическая цепь см. Пищевая цепь
Т рофические уровни 165, 167
Тумана полосы 94
«Тунцовая война» 302
Тунцы 20, 33, 186, 227, 309
Турбидные потоки 71, 287
Турбулентность 198
Тюлени 351, 352
Т, S-диаграммы 127—132, 383
и анализ водных масс 131
и биогеографические схемы 192, 193
построение 127, 384
Убежище 172, 208
в рифах 246
как стабилизирующий фактор 172
Углеводороды см. Минеральные ресурсы, Загрязняющие
вещества
Углекислый газ
в атмосфере 14,196
в выносе рек 283
избыточный 37
как биогенное вещество 104
обмен через поверхность моря 15, 30
Углеродный цикл 36, 37
Угорь 33, 108, 172
Удельная теплоемкость 10, 87—94, 108, 111
Улитки 184, 233, 234, 251
Униформизм 357
Уравнение состояния морской воды 382
Уровенная поверхность 142
Уровень моря 60
в центральных частях океанов 148
измерение 60
и каньоны 70
и оледенение 361
и шельф 75
колебания во время приливов 232
причины изменений 61, 361
трансгрессия/регрессия 61, 62, 74, 75—77, 361
Устрицы 11, 170, 173, 175, 184, 188, 311
Фазовая диаграмма воды 89
Фарадея эффект 108, 109
Физика океана 28
Физиографические карты 49, 69, 338
Фильтраторы 182, 223
Фитопланктон 87, 137, 212
время воспроизводства 138
модель динамики популяций 199—201
плавучесть 138
продукция 168, 170, 198
связь с водной массой 189
Фотон 197
Фитофаги 249
Фораминиферы 42, 79, 81, 138, 179, 218
Фосфаты 24, 25, 105, 318—320, 322, 325
в выносе рек 283, 325
вертикальные профили 119
в зонах апвеллинга 121
максимум 120
разрез концентрация 121, 123
Фотосинтез 118, 197, 199, 202, 289, 324
Фототаксис 21
Фронтальные зоны
и скопления рыбы 290—292
как граница перемешивания 290
между водными массами 160
Хетогнаты 190, 222, 223, 349
Химия океана 36
Хитоны 236, 237
Хищник — жертва 167, 171, 185, 231
Хлор 101, 102, 104—106, 138
Хлоропласт 202
Хлорофилл 197, 199, 202, 205
Хордовые 180, 208
Хорошо перемешанный слой 117, 124, 290
Хроматофоры 210
Хронометр 30, 356, 377
Цвет 197
«Цветение» (фитопланктона) 168, 169, 201, 217, 346
Центральная вода 133, 190, 192, 339
Циркуляция
в атмосфере 28, 91
в каменноугольный период 361
в океане 28, 92, 156, 355
глубинная 28, 63, 158, 161—163
общая модель 152
поверхностная 141, 157, 162
термогалинная 28
Цунами 254, 256, 257, 264
«Челленджер» 36, 41, 78, 80, 81, 316, 364
Черви 179, 182, 184, 207, 236, 242
Членистоногие 179, 208
Шельф 18, 66, 71—77, 303
Австралии 72
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
413
Азии 72
Антарктиды 339
Атлантического побережья США 71, 74
Европы 72
как динамическая система 71
расширенный 304
Тихоокеанического побережья США 71, 154
юридический 303, 304
Шлейф речных вод 124, 129, 281, 282—284, 294
Штормовой нагон 244, 255, 261
Штормы 75, 124, 254, 262
Эвапориты 100
Эвригалинные и эвритермные животные 188
Эвтрофикация 325
Эвфаузииды 21, 22, 208, 220
Экзоскелет 20
Экмана эффект 148—150
и апвеллинг 148
и штормовой нагон 262
Экологическая ниша 167, 168, 290, 375
— сукцессия 167
Экология 165, 166
Экономическая зона (ЭЗ) 302
Экосистема 166, 171, 298, 345, 374
Электрический диполь 86, 102
Электрическое поле 86,108,109
использование животными для навигации 108
Эль-Ниньо 28, 153, 251, 256, 307
Энергетика прибрежных зон 19, 273, 288
Энергии бюджет для Земли 196, 211
Энергия моря 331—333
Эрозия берегов в прибрежной зоне 285, 288
Эстуарии 292
и прибрежные экосистемы 295
как место нереста и вскармливания молоди 176, 297
полностью перемешанный 292
продуктивность 188, 296, 297
соленость 176, 292, 294
с соленым клином 292
циркуляция 292, 294, 296, 297
частично перемешанный 294
Южно-Атлантическая вода 132
центральная 134
Южное колебание 153, 256
Южный океан 84, 89, 111, 162, 337
пищевая цепь 186, 347
продукция 347
соленость 341
Ядовитые рыбы 251
ОГЛАВЛЕНИЕ
От редактора перевода 5
Предисловие 6
Часть I. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МОРЕ 8
Глава 1. Что надо знать, приступая к изучению океана 9
Глава 2. Природа океана — жидкой оболочки Земли 18
Глава 3. Специалисты по изучению моря и междисциплинар¬
ные исследования 27
Часть II. ГЕОМОРФОЛОГИЯ И ОСАДКИ ОКЕАНИЧЕС¬
КИХ БАССЕЙНОВ 46
Глава 4. Морфология океанических бассейнов 47
Глава 5. Континентальные окраины и осадки океанических
бассейнов 66
Часть III. МОРСКАЯ ВОДА: ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА,
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ 84
Глава 6. Физические свойства морской воды 85
Глава 7. Морские соли 99
Глава 8. Два океанологических рейса 113
Часть IV. ОКЕАНЫ И АТМОСФЕРА В ДВИЖЕНИИ 126
Глава 9. Плотность морской воды и ее влияние на физиче¬
ские и биологические процессы 127
Глава 10. Силы, приводящие в движение океаны и атмосферу 141
Глава 11. Циркуляция в океанах 156
Часть V. МОРСКАЯ БИОСФЕРА 164
Глава 12. Главные факторы, влияющие на морскую биосферу 165
Глава 13. Организация морской биосферы 177
Глава 14. Свет и цвет в море 195
Глава 15. Растения и животные эвфотической зоны открытого
океана 212
Часть VI. ПРИБРЕЖНАЯ ОКЕАНОЛОГИЯ 230
Глава 16. Морские растения и животные открытых берегов ... 231
Глава 17. Волны и волновые движения 253
Глава 18. Исследования в прибрежной области океанов 273
Часть VB. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В МОРСКИХ ИС¬
СЛЕДОВАНИЯХ 300
Глава 19. Море и человек 301
Глава 20. Полярные океаны 336
Глава 21. Тектоника плит и океанические бассейны 356
Приложения 377
Литература 385
Словарь терминов 390
Предметный указатель 404
Уважаемый читатель!
Ваши замечания о содержании книги, ее оформлении, качестве пе¬
ревода и др. просьба присылать по адресу: 129820, Москва, И-110,
ГСП, 1-й Рижский пер., д. 2, изд-во «Мир».
Scan- nau; Processing, OCR- waleriy. 2019
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Стив Нешиба
ОКЕАНОЛОГИЯ
Современные представления о жидкой оболочке Земли
Заведующий редакцией В. В. Герасимовский
Старший научный редактор В. А. Пантаева
Младший редактор Т. А. Доронина
Художник В. С. Стуликов
Художественный редактор Н. В. Дубова
Технические редакторы М. А. Страшнова, Л. С. Тимофеева
Корректор Е. А. Быструхина
ИБ № 6937
Подписано к печати 30.11.90. Формат 60х901/3. Бумага офсетная № 1.
Печать офсетная. Гарнитура тайме. Объем 25,50 бум. л.
Усл. печ. л. 51,00. Усл. кр.-отт. 103,76. Уч.-изд. л. 61,66.
Изд. № 5/6298. Тираж 2000 экз. Зак. 1651 . Цена 15 р.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» В/О «Совэкспорткнига»
Государственного комитета СССР по печати.
Набрано в Межиздательском фотонаборном центре
издательства «Мир»
129820, ГСП, Москва И-110, 1-й Рижский пер., 2.
Можайский полиграфкомбинат В/О «Совэкспорткнига»
Государственного комитета СССР по печати.
143200, Можайск, ул. Мира, 93.
Познание мира (Восточное полушарие)