Морская вода — это очень разбавленный раствор твёрдых минеральных веществ, различных газов и некоторого количества органической материи, содержащий в себе также муть и взвеси органического и неорганического происхождения.
В морской воде идут непрерывные физико-химические, биологические и геологические процессы, направленные к изменению общей концентрации раствора. На общую концентрацию оказывают влияние приток пресных вод, испарение с поверхности моря, выпадение на эту поверхность атмосферных осадков, образование и таяние льдов. Ряд процессов — деятельность морских организмов, образование и распад донных отложений — направлен к изменению содержания в растворе отдельных твёрдых веществ и, следовательно, к изменению соотношения между ними, а дыхание организмов, фотосинтез и деятельность бактерий влияют на изменение количества растворённых в морской воде газов.
Тем не менее все эти процессы в общем практически не нарушают постоянства солевого состава вод в отношении главных элементов, входящих в раствор. Вдали от берегов состав морской воды везде одинаковый, и меняется сколько-нибудь заметно только общая концентрация раствора.
Главные составные части морской воды (в граммах на 1000 г воды) могут быть представлены следующими величинами.
В составе морской воды преобладающая роль принадлежит хлоридам: NaCl сообщает морской воде солёный вкус, MgCl2 — горький вкус.
Общее количество солей, растворённых в морской воде, выраженное в долях на тысячу частей морской воды по весу, называется солёностью. Нормальная солёность океана 35‰. Всего в Мировом океане растворено 5 X 1016 т твёрдых веществ; эти соли, равномерно распределённые по поверхности Земли, образовали бы слой толщиной 45 м, а распределённые только по поверхности суши — слой в 153 м.
В пресных водах рек и озёр тоже есть соли. Но на этом сходство «пресной» и морской воды кончается. Пресная вода резко отличается от морской не только по общему количеству растворённых веществ, но и по своему составу и соотношению составных частей. В морской воде господствуют хлориды, а в речной – карбонаты.
Только по содержанию сульфатов морские воды близки к речным. Есть и ещё одно существенное отличие: морские воды всюду однородны, в то время как пресные воды заметно отличаются друг от друга в зависимости от пород, по которым они протекают, или от количества органической материи, которую они несут.
Концентрация солей в различных частях Мирового океана неодинакова, но колебания солёности имеют место преимущественно в верхних слоях океана, непосредственно подверженных влиянию разных факторов, способствующих изменению концентрации. Начиная же в среднем с глубины 1 тыс. м и до дна солёность почти не меняется.
Главной причиной увеличения солёности во всех широтах служит испарение с поверхности воды. Испарение зависит от влажности воздуха, от температуры воздуха, управляемой в свою очередь процессами инсоляции, и от наличия или отсутствия ветра. Чем суше воздух, чем выше температура, чем меньше облачность, чем больше скорость ветра и чем ниже атмосферное давление, тем энергичнее происходит испарение и тем сильнее становится общая концентрация морской воды. Солёность воды повышается и в том случае, когда объём её уменьшается вследствие охлаждения, до момента образования льда; когда лёд возникнет, солёность может увеличиться также вследствие выделения солей из льда.
Причинами опреснения морской воды служат: атмосферные осадки, которые, выпав на поверхность моря, как бы разбавляют воду, приток речной воды с суши, составляющий ежегодно 30—40 тыс. куб. км, и таяние айсбергов (ледяных гор). Этот опреснённый слой держится обычно на поверхности. Однако очень холодная вода, получающаяся при таянии айсбергов, несмотря на то, что она пресная, может погружаться и на известную глубину, так как плотность воды на поверхности зависит не только от солёности, но и от температуры (на глубинах к этому присоединяется ещё давление).
Зная общие условия изменения солёности, нетрудно составить себе общую картину распределения солёности на поверхности Мирового океана.
В приэкваториальной полосе штилей солёность наименьшая: в Атлантике 35‰, в Тихом океане 34‰. Объясняется это тем, что в полосе штилей господствуют безветрие и густая облачность, а также в изобилии выпадают атмосферные осадки. Первые два фактора ослабляют испарение, третий фактор прямо способствует опреснению.
В области пассатов наблюдается максимальная солёность, так как здесь имеет место очень сильное испарение, которое стимулируется постоянными ветрами, сухостью воздуха, отсутствием облачности; к тому же осадки выпадают в ничтожном количестве. Солёность в Атлантике к юго-западу от Азорских островов до 37,9‰, к востоку от Бразилии до 37,6‰, в Тихом океане в северном полушарии до 35,9‰, в южном полушарии в том же океане до 36,9‰, в Индийском океане тоже до 36,9‰.
Невысокой солёностью характеризуются полярные моря, так как здесь из-за низких температур слабое испарение, а таяние льдов опресняет воду.
В Тихом океане убывание солёности к югу и к северу от пассатных областей происходит вполне правильно. Столь же правильно совершается уменьшение солёности к югу от пассатных областей в южном полушарии в Атлантическом и Индийском океанах. Но распределение солёности в Атлантике к северу от пассатной области северного полушария имеет своеобразные черты: здесь вдоль холодных течений на юг спускается малая солёность, а вдоль тёплых течений на север далеко заходит высокая солёность. Иными словами, изогалины (т. е. линии равной солёности) образуют сильные изгибы вдоль распространения холодных и тёплых морских течений.
Химизм некоторых морей, а также водоёмов на суше заметно отличается от химизма Мирового океана. В реках солёность ничтожная, и колебания её тоже ничтожны. Озёра разбиваются на пресные и солёные; первые обладают большим сходством с реками, вторые характеризуются концентрацией солей, колеблющейся в весьма широких пределах: солёность здесь может быть и меньше, чем в океане, но может быть и значительно выше, вплоть до состояния, близкого к насыщению. В отдельных морях колебания солёности шире, чем в Мировом океане. Входить подробнее в рассмотрение этих всех различий мы здесь не можем.
Как известно, пресная вода замерзает при 0° и достигает наибольшей плотности при +4°. У солёной воды, содержащей те соли, какие свойственны морской воде.
Если построить график, где на оси абсцисс отложить солёность, а на оси ординат температуры, то обе температуры (замерзания и наибольшей плотности) изобразятся наклонными линиями. Так как температура наибольшей плотности изменяется быстро, то наклон обеих линий будет различный, и они пересекутся в какой-то точке, которая, как оказывается, отвечает солёности 24,7‰ или, точнее, 24,695‰. Пересечение обеих наклонных линий означает, что температуры замерзания и наибольшей плотности в точке пересечения одинаковы и равны — 1°,3 или, точнее, — 1°,332.
Влево от точки пересечения температура наибольшей плотности выше, чем температура замерзания, а вправо температура замерзания выше, чем температура наибольшей плотности. В данном случае изменения количественного порядка (увеличение солёности) в некоторый определённый момент (при солёности, равной 24,7‰) приводят к качественному изменению физических свойств морской воды.
Охарактеризованные выше различия очень существенны для возникновения процессов вертикальной циркуляции. Пусть солёность воды меньше 24,7‰. Если поверхностный её слой обладает температурой более низкой, чем температура наибольшей плотности, то нагревание данного слоя вызовет увеличение его плотности. Если поверхностный слой обладает температурой более высокой, чем температура наибольшей плотности, то увеличение плотности слоя достигается его охлаждением. Иными словами, во всех случаях приближение температуры слоя к температуре наибольшей плотности вызывает утяжеление данного слоя и, следовательно, стремление к опусканию в глубину, т. е. к возникновению вертикальной циркуляции. Наоборот, удаление температуры слоя от Температуры наибольшей плотности (путём ли охлаждения или нагревания) приводит к уменьшению плотности, к устойчивому его положению на поверхности.
Если же солёность воды больше 24,7‰, то здесь увеличение плотности происходит только при охлаждении до точки замерзания (если исключить случаи переохлаждения воды), а уменьшение плотности только при нагревании выше точки замерзания. Следовательно, циркуляцию может вызвать только один процесс — охлаждение слоя.
Во всякой воде содержатся растворённые в ней газы, главным образом кислород, азот, углекислота, иногда сероводород и метан. Содержание газов в воде обусловлено либо проникновением их в воду из атмосферы, либо тем, что они образуются в самом водоёме в результате химических и биологических процессов.
Источником кислорода в воде является поглощение его (растворение) из атмосферы и выделение водными растениями при фотосинтезе.
При дыхании организмов, окислении ряда органических веществ или сероводорода, а также при повышении температуры воды содержание свободного кислорода в воде уменьшается: перечисленные процессы управляют расходной частью баланса кислорода в воде.
Главный источник азота в воде — азот атмосферы. Так как азот относится к инертным газам, то в водной атмосфере он и сохраняется в свободном состоянии.
Углекислота попадает в воду различными путями: поглощается из воздуха, выделяется из земной коры в районе вулканических извержений на дне океанов, выделяется организмами при дыхании и образуется в процессах разложения органических веществ. Повышение температуры воды вызывает уменьшение CO2 в воде. Кроме того, углекислота расходуется при фотосинтезе водорослями, а также, если реакция воды немного щелочная, то часть CO2 в воде химически связывается в нейтральные и кислые карбонаты CaCO3 и Ca(HCO3)2, что вызывает новое поступление этого газа из воздуха. Поэтому хотя в воде свободной углекислоты и немного, но общее её содержание в воде может быть очень велико за счёт химически связанной CO2.
Сероводород и метан получаются в процессе разложения остатков водных организмов. Содержание этих газов в воде ничтожно, но в особых, условиях, а именно — при наличии замкнутых глубоководных впадин (Чёрное море, впадины в норвежских фиордах и некоторых частях. Каспия) и отсутствии глубокой вертикальной циркуляции воды, приносящей свободный кислород, который превращал бы сероводород в кислородные соединения серы, сероводород может накопляться и в очень больших количествах. В Чёрном море вблизи дна содержание H2S на литр доходит до 6,5 куб. см. Окисление сероводорода свободным кислородом, является основным путём уничтожения H2S в водоёмах.
Поглощение газов из атмосферы происходит на поверхности водоёма; образование газов в водоёме происходит в разных пунктах последнего. Из всех этих очагов первоначального поступления или первоначального образования газы распространяются по всей массе воды путём диффузии (очень медленно), а главным образом с помощью горизонтальной и вертикальной циркуляций воды, — в последнем случае, очевидно, до той лишь глубины, до которой вертикальная циркуляция распространяется. Так, опускание холодных, насыщенных кислородом приполярных вод на глубину и перемещение их подводным током к низким широтам — это основной источник кислорода глубоких слоёв океана под экватором и тропиками.
Заключаем, что пресная вода богаче воздухом, чем солёная.
Количество растворённых в воде газов зависит и от солёности, и от температуры. В обоих случаях с увеличением температуры и солёности это количество уменьшается. Стало быть, в водах пресных и холодных содержится газов больше, чем в солёной и тёплой воде.