книги / Основы экологии

4.5. ГИДРОСФЕРА В СОСТАВЕ БИОСФЕРЫ

Гидросфера представляет собой водную оболочку Зем­ ли, расположенную между атмосферой и литосферой. В ее состав включаются океаны, моря и поверхностные воды суши. Довольно часто в географической литературе гид­ росфера определяется в более широком смысле и в ее состав дополнительно включают подземные воды, ледя­ ной покров Гренландии и Антарктиды, горные ледники, атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых орга­ низмах.

Основная масса воды (1370 млн куб. км, или 94 % общего объема гидросферы) сосредоточена в Мировом океане, который занимает площадь в 361 млн кв.км, или 70,8 % поверхности планеты (510 млн кв.км). Поверхно­ стные воды суши (озера, реки,водохранилища, болота и почвенные воды) имеют 0,5 млн куб.км, что составляет 0,4 % всего объема гидросферы. Объем подземных вод более 61 млн куб. км (4 % объема биосферы). Лед и снег Арктики, Антарктики, Гренландии и горных ледников оценивается в 24 млн куб.км (1,6 % объема гидросферы). Наибольшее значение в биосфере имеют воды Мирового океана, атмосферы и поверхностных водоемов. В океане зародилась жизнь, его роль в биосфере огромна, но воды суши более активны в современных биосферных процессах.

Океаническая вода представляет собой раствор солей со средней концентрацией 35 г/л (35 % о ), причем хлори­ стого натрия содержится 27,2 г/л, хлористого магния — 3,4, сульфата магния - 2,0, сульфата кальция - 1,3, хлористого калия —0,6, карбоната кальция —0,1 г/л. В водах открытого океана концентрация солей изменяется незначительно — от 33 до 37 %о. Солоноватые воды характерны для лагун и эстуариев больших рек, в которых морская вода опресняется вследствие поступления пресных вод.

Воды суши по своему физическому и химическому составу — довольно неоднородная среда. Однако пре­ обладающая часть поверхностных водоемов и водотоков имеет пресную воду с концентрацией солей, как прави­ ло, не более 0,5 г/л. В связи с соленостью морская вода

6 Зак. 2260

как жизненная среда резко’ отличается от пресной воды, хотя обе содержат химические элементы в количестве, необходимом для жизнедеятельности организмов. На Земле очень редко встречаются растения и животные, которые способны жить как в пресной, так и в соленой воде.

Концентрация солей у обитателей пресных вод выше, чем в воде, т.е. жидкости их тел гипертоничны. По зако­ нам осмоса окружающая вода стремится проникнуть в их тела. Чтобы избежать разбухания и гибели, обитате­ ли пресных вод должны обладать либо относительно не­ проницаемыми для воды оболочками, либо специальны­ ми органами для удаления проникшей в тело воды, на­ пример почками (у рыб) или их аналогами (сократитель­ ные вакуоли у простейших). Возможно, из-за этих труд­ ностей существования в пресной воде многие представи­ тели морской фауны не смогли освоить внутренние водо­ емы.

Жидкости тела обитателей соленых вод морей и океа­ нов имеют концентрацию солей, равную или меньшую, чем в окружающей водной среде, т.е. являются изотони­ ческими йли слабогипотоническими. Сами обитатели этих вод обладают специальными органами или приспособле­ ниями для выделения избытка солей в воду. Так, у мор­ ских костных рыб соли натрия выделяются клетками жаберного аппарата, а соли магния —почками. По этой причине Мировой океан и водоемы суши —совершенно разные жизненные области со свойственным им набором природных условий. Только проходные рыбы, например лососи, и некоторые ракообразные могут жить как в пре­ сной, так и в соленой воде.

Характерной особенностью океана является циркуля­ ция и перемешивание вод. В слое до 150—200 м циркуля­ ция определяется, главным образом, господствующими ветрами. Под влиянием атмосферной циркуляции повер­ хностные течения образуют антициклональные кругово­ роты воды в тропических и субтропических широтах и циклональные —в умеренных и высоких.

Северо-восточные и юго-восточные пассаты гонят по­ верхностные воды океана в западном направлении, обра­ зуя Южное и Северное пассатные течения, разделенные зоной компенсационных экваториальных межпассатных противотечений (рис. 4.10). Достигая восточных берегов,

они поворачивают на север (в Северном) и на юг (в Юж­ ном полушарии) и движутся вдоль материков приблизи­ тельно до широт 40—45°. У южных побережий Южной Америки, Африки и Австралии под влиянием западных ветров поверхностные течения отклоняются на восток и, смешиваясь с холодными водами Антарктики, образуют пересекающее Мировой океан холодное Течение запад­ ных ветров. Достигнув материков, холодные воды напол­ няют его ветви —Перуанское течение у западных берегов Южной Америки, Бразильское — у Африки и ЗападноАвстралийское — у Австралии. В области пассатов уже нагретые воды вовлекаются в южные пассатные течения и замыкают субтропический антициклональный круго­ ворот воды в океанах Южного полушария. Вблизи Ан­ тарктиды существует течение, ориентированное с востока на запад, которое с южными ветвями Течения западных ветров образует циклональный круговорот поверхностных океанических вод.

Сформировавшаяся система течений в Южном полу­ шарии вместе с системой ветров обеспечивают достаточ­ но равнозначные климатические условия существования материковых биот. В иные годы эта система приходит в возмущенное состояние, которое сказывается на метео­ рологических условиях не только Южного полушария, но и всей планеты. Особая роль в этом возмущении при­ надлежит явлению Эль-Ниньо, с которым связано перио­ дическое катастрофическое потепление вод и атмосферы над ними в восточной части Тихого океана.

Примерно раз в 4 года, начиная с конца декабря, в результате ослабления юго-восточного пассата усилива­ ется проникновение теплых вод вдоль берегов Эквадора до 15 ° ю.ш., которые оттесняют от побережья холодные воды Перуанского течения. Тонкий слой теплых вод пре­ кращает поступление кислорода в поверхностный слой, вызывая массовую гибель плантона, гибель или мигра­ цию рыб и питающихся ими птиц на востоке экватори­ альной части Тихого океана. Причины сильного ослабле­ ния пассатов пока не определены.

Эль-Ниньо вызывает перестройку поля ветров, за ко­ торой следуют серьезные метеорологические изменения во многих регионах планеты. Очень часто периоды засу­ хи на северо-востоке Южной Америки, в Индонезии, на

востоке Австралии, в Индии, на юго-востоке Африки, в Мексике и в некоторых других регионах совпадают, с очередным эпизодом Эль-Ниньо. Период явного дефицита осадков обычно продолжается 4—6 месяцев и более. По­ являются и другие региональные аномалии. Так, ЭльНиньо 1992 г. сопровождалось ураганными ветрами в Калифорнии, необычно дождливой погодой на Тихооке­ анском побережье Аляски и Канады, сильным потепле­ нием на северо-востоке США и обильными осадками на берегах Мексиканского залива.

Существует также связь погоды в Евразии с Эль-Ни­ ньо. Во время этогр события на Восточно-Европейской равнине, включая Беларусь, и в Западной Сибири уста­ навливаются теплые и малоснежные зимы, в то время как на юго-востоке Европы и в Малой Азии зимы холод­ ные (Borisenkov, Borisova, 1985).

Круговороты воды в океанах Северного полушария определяются не только общей циркуляцией атмосферы, но и географическим положением и размерами матери­ ков Евразии и Северной Америки. Пассатные ветры фор­ мируют северные пассатные течения в Тихом и Атланти­ ческом океанах, которые, достигнув восточных берегов этих материков, отклоняются на северо-восток и образу­ ют мощные теплые течения Куросио —Северо-Тихооке­ анское и Гольфстрим —Северо-Атлантическое. Их южные ветви переходят к течения Калифорнийское у западных берегов Северной Америки и Канарское — у западных берегов Африки, откуда северо-восточный пассат отгоня­ ет нагретую поверхностную воду. Эти холодные течения замыкают антициклональный круговорот океанических вод в Северном полушарии. Восточно-Гренландское, Лаб­ радорское (у восточных берегов Северной Америки), Оясио-Камчатское и Приморское (у восточных берегов Азии) холодные течения замыкают круговорот океани­ ческих вод в умеренных широтах.

Для климата Европы, как и в целом для Евразии и Северной Америки, непереоценимое значение имеет теп­ лое течение Гольфстрим —Северо-Атлантическое. Нача­ ло его —в Мексиканском заливе, куда восточные пассат­ ные ветры нагоняют поверхностную нагретую воду тро­ пиков Атлантики. Выходя через Флоридский пролив, Гольфстрим, по причине более высокого уровня океана в

результате подпора теплых вод с юга, отклоняется не вправо под влиянием вращения Земли, а влево и направ­ ляется в северную часть Атлантики. Южнее о.Исландия он разделяется на две ветви. Одна из них достигает бере­ гов Северной Европы, чему способствует и западный пе­ ренос воздушных масс, свойственный умеренным широ­ там. Дальше более соленые и потому более тяжелые, хотя и теплые, воды Гольфстрима погружаются под легкие опресненные холодные воды Северного Ледовитого оке­ ана и прослеживаются на глубине от 50 до 200 м.

Другая ветвь Северо-Атлантического течения (течение Ирмингера) поворачивает на запад и омывает южные берега Гренландии. Через незамерзающий пролив Де­ виса она проникает в море Баффина, образуя теплое За­ падно-Гренландское течение. Таким образом ледниковый щит Гренландии оказывается изолированным от мате­ рика. Это обстоятельство трудно переоценить как для природы, так и для цивилизации Северной Америки.

За изменением системы ветров в Северной Атлантике, которое может быть следствием парникового эффекта или преобразования поверхности суши (уничтожение лесов, водно-земельные мелиорации и др.) вероятны трансфор­ мации в существующем круговороте поверхностных вод океана. Усиление западных ветров способно привести к тому, что Северо-Атлантическое течение займет более южное положение и его теплые воды начнут погружаться в холодные глубины не у северных берегов Европы, а южнее. Последствием этого могут быть прекращение су­ ществования теплого течения Ирмингера и замерзание пролива Дейвиса вплоть до образования единого ледяно­ го покрова Гренландии и Канадского архипелага. Дан­ ное событие явилось бы климатической катастрофой для цивилизаций Северного полушария, так как оказалось бы возможным наступление ледникового периода.

Кроме системы поверхностных течений в Мировом океане существует термохалийная циркуляция вод, обус­ ловленная неравномерным распределением их темпера­ туры и солености. В целом океан представляет собой холодную водную массу с температурой ниже 4 °С, про­ гретую до 20 °С и более только в субтропических и тро­ пических широтах на глубину менее 0,5 км (рис. 4.11), в

материков запасено огромное количество тепла, а в глуби­ нах Мирового океана —холода. Запасы холода столь вели­ ки, что для выравнивания температуры океанических вод­ ных масс необходимо было бы затратить в 5—6 раз больше тепла, чем его потеряно при образовании всех современных ледников Земли, массой 5 •1016 т, включая антарктиче­ ский щит.

Причины образования глубинных течений и глубоководная циркуляция изучены пока слабо. В настоящее время при­ нята схема движения глубинных вод по модели, предложен­ ной Г.Стоммелом в 1958 г. (Добровольский и др., 1980).

Циркуляция глубинных вод —медленный процесс по срав­ нению с поверхностными океаническими течениями. Они совершают круговорот за сотни лет. Глубинные воды явля­ ются мусорной свалкой человечества, в которой нередко хоро­ нят радиоактивные и ядовитые химические вещества.

Главной движущей силой глубоководной циркуляции служит погружение холодных полярных вод. Придонные

холодные воды Северного Ледовитого океана заперты сушей (острова Фарерские и Исландия) и мелководьем (Фарерско-Исландский порог) Северной Атлантики. Толь­ ко между юго-восточным склоном Гренландии и подвод­ ным хребтом Рейкъянес происходит опускание холодных опресненных вод Арктики под теплое течение Ирмингера.

Основная мдсса глубинных океанических вод как в Северном, так и в Южном полушарии берет начало у Антрактиды. Согласно теории термохалийной циркуля­ ции, холодные воды, основным центром формирования которых является море Уэдделла, по материковому склону Антарктиды опускаются вниз между 40° и 60° ю.ш. Из Атлантического часть холодных вод поступает в Индий­ ский океан. В северной части Тихого океана, вероятно, существует дополнительный источник холодных вод.

Ниже поверхностных течений действует противопоток (по отношению к движению глубинных холодных вод) теплых вод, имеющих соленость выше средней. Этот про­ тивопоток образуется в зонах конвергенции, т.е. зонах схождения теплых и холодных поверхностных течений. В результате повышенного испарения концентрация со­ лей в водах теплых течений становится большей. При контакте с холодными течениями в зонах конвергенции температура теплых вод понижается. Став более тяже­ лыми, они опускаются вниз и растекаются над глубин­ ными холодными водами в направлении, противополож­ ном первоначальному потоку.

С приближением к Антарктиде промежуточные воды выталкиваются к поверхности еще более тяжелыми при­ донными водами, текущими в противоположном направ­ лении. Из глубин океана они приносят с собой много питательных веществ, вызывая бурное развитие расти­ тельной и животной жизни в водах Антарктики.

Кроме этого меридионального противопотока существу­ ют и широтные экваториальные промежуточные проти­ вотечения, которые направлены против поверхностных пассатных течений и имеют компенсационный характер (Ханайченко, 1974).

Холодные глубинные воды выходят на поверхность океана в зонах дивергенции - расхождения поверх­ ностных течений, которые образуются в результате нерав­ номерного распределения скоростей поверхностных

ветровых потоков и плотности воды. Устойчивые зоны конвергенции находятся в восточных частях океанов в субтропических и умеренных широтах. У западных бере­ гов континентов ветры постоянно отгоняют поверхностную воду от крутого берегового склона. В результате апвеллинга на поверхность поднимается холодная глубинная вода, богатая биогенными элементами. Зоны апвеллинга, в про­ тивоположность пустынным берегам, характеризуются колоссальными популяциями рыб и птиц и являются наи­ более продуктивными океаническими областями. Измене­ ния направления ветра и поступление поверхностных теплых вод вызывает “цветение” в бескислородной среде ядовитых водорослей динофлагеллат и приводит к массо­ вой гибели рыбы и другим последствиям. Наиболее часто подобные катастрофы происходят в зоне Перуанского апвел­ линга, с которым связано явление Эль-Ниньо.

Система поверхностных океанических течений опре­ деляется общей циркуляцией атмосферы. Ее вероятные трансформации при усилении парникового эффекта (сме­ щение центров действия атмосферы и изменение скорос­ ти ветров в умеренных и тропических широтах) могут привести к изменениям общей циркуляции океаничес­ ких вод. Не исключается ситуация, при которой теплые и более соленые поверхностные воды потекут от тропи­ ков к югу, а поверхность океана займет поток холодных глубинных вод, океан “опрокинется” . Запасы холода в нем столь велики, что для наступления нового леднико­ вого периода достаточно перемешать небольшую часть его вод. Однако возможность такого варианта развития биосферы под влиянием антропогенного пресса пока не подтверждена научными исследованиями.

4.6. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЛАСТИ И СООБЩЕСТВА ОРГАНИЗМОВ В ОКЕАНЕ

Мировой океан как среда, в которой развивается и распространяется Жизнь, резко отличается от суши. От­ личия связаны в основном с тем, что это водная среда с относительно постоянным солевым составом, мало изменя­ ющимся в пространстве и во времени.

Данное свойство обусловило сохранение в Мировом океане потомков организмов, существовавших в древ­ нейшие геологические эпохи, особенно на больших глу­ бинах с низкой температурой воды. Таковы, например, морские звезды, ежи и стебельчатые морские лилии, оби­ тавшие еще в палеозое. В 1952 г. датское судно “Галатея” подняло с глубины 3950 м моллюска неопилину (Neopilina chalumnae), очень близкого к кембрийскому роду триблидиум. Научной сенсацией стала поимка в 1938 г. у Коморских островов, расположенных у берегов Южной Африки, латимерии (Latimeria chalumnae), принадлежа­ щей к древним целакантовым (кистеперым) рыбам. В 1998 г. латимерия была поймана также у побережья вулканичес­ кого острова Манадо Туа, расположенного в Целебесском море, у берегов Индонезии. Палеонтологические остатки целакантовых, от которых произошли наземные позвоноч­ ные, неизвестны в слоях моложе мелового возраста.

Хотя океан представляет собой непрерывную водную оболочку Земли, окружающую материки и острова и об­ ладающую общностью солевого состава, он подразделя­ ется на несколько экологических зон, или областей, с различным набором условий существования организмов.

Прежде всего, различают толщу воды —пелагиалъ (от греч. pelagos —море), область распространения организмов в толще воды или на ее поверхности, и дно океана —бенталь (от греч. benthos —глубина), которая заселена организмами, обитаю­ щими на грунте или в грунте (рис.4.12).

Бенталь подразделяется на супралитораль, литораль, сублитораль, батиаль, абиссаль и ультраабиссаль. Суп­ ралитораль —это побережье океана, расположенное выше уровня воды в самый высокий прилив и подверженное только эпизодическому воздействию океанических вод при нагонах и штормах. Здесь обитают как наземные, так и морские организмы.

Литораль (от лат. litoralis —береговой, прибрежный) представляет собой прибрежную часть морского дна, за­ тапливаемую во время приливов и осушаемую при отливах. Она покрывается водой и освобождается от нее дважды в сутки. В океанографической литературе нижняя граница литорали иногда определяется глубиной действия волн (40—50 м) или распространения растений (200 м).

Растительный мир литорали состоит в основном из синезеленых, зеленых, бурых и красных водорослей,