Динамика воды в мировом океане

Вода Мирового океана никогда не находится в состоянии покоя. Движения вод происходят не только на поверхности, но и в глубинах, вплотьдо придонных слоев. Различают три вида движения воды: колебательные, поступательные и смешанные. Навсехглубинах воды перемешиваются. Волнения - преимущественно колебательные движения воды, течения – поступательные, а смешанные наблюдаются у приливов и отливов.

Волны. Главная причина волнений на поверхности Океана – ветер, землетрясения, извержения вулканов, приливообразующие силы вызывают волнения всей толщи океанских вод.

Каждое возвышение на поверхности воды и соседнее с ним углубление составляет одну волну. Волна характеризуется длиной, высотой и скоростью. Высота волны -это вертикальное расстояние от самой нижней точки ложбины – подошвы до гребня; длина - расстояние между соседними гребнями. Скорость – расстояние, проходимое в единицу времени гребнем волны. Высота волн обычно составляет 4-6 м. Наибольшая - около 30 м.

Самые мелкие волны, вызываемые ветром, который захватывает только верхнюю пленку воды - рябь. В штормовую погоду при скорости ветра 20 м/сек и более гребни волны срываются и образуется белая пена "барашки", когда ветер стихает, остаются длинные и пологие волны зыби. Глубже 200 м даже сильное волнение незаметно. При приближении к берегу от трения о дно скорость движения подошвы волны замедляется и гребень опрокидывается. Возникает прибой. У крутых берегов его сила составляет 30-38 т/м².

Вследствиеподводных землетрясений и извержений вулканов возникаютсейсмические волны – цунами, идущие далеко друг от друга. Они перемещаются от места возникновения со скоростью 700-800 км/час. В открытом океане длина их измеряется в 200-300 км, а иногда до 1800 км при высоте около 1 м. Поэтому прохождение каждой такой волны сопровождает обманчивое затишье. Они незаметны для судов в открытом океане. У берегов их скоростьуменьшается, а высота увеличивается до 30 м. Цунами наносят катастрофические разрушения и многочисленные жертвы.

Под действием сил притяжения Луны и Солнца возникают периодические колебания уровня Океана – приливно-отливные движения океанских вод. Особенно заметны приливы, вызываемые Луной. Вследствие вращения Земли приливные волны перемещаются навстречу ее движению, т.е. с востока на запад. Вследствие удаленности Солнца от Земли солнечные приливы слабее лунных. В открытом Океане прилив достигает 1 м, а в узких заливах - до 18 м (зал. Фанди). Приливная волна в некоторых реках образует водяной вал до 5 м (устье реки Темза). Приливы обладают огромной энергией - примерно в 1,5 раза большей, чем энергия всех рек Земли.

Течения. Морские течения - это горизонтальное перемещение воды на большие расстояния, состоящие из поступательных движений. Течения в Океане вызываются в основном ветром (ветровые или дрейфовые), а также они возникают вследствие разной высоты уровня воды (стоковые), и разной ее плотности (плотностные). Во всех случаях на направление их движения оказывает действие вращение Земли (сила Кориолиса) - в Северном полушарии вправо, в Южном - влево. Главная причина поверхностных течений – ветер. Ветер создает потоки воды, текущей среди менее подвижных вод. Ширина этих потоков можетдостигать тысячи,а длина - многих тысяч километров. В целом вся масса воды Мирового океана подчиняется определённому круговороту: экваториальные и тропические воды благодаря течениям направлены в умеренные и арктические широты, где благодаря высокой солёности они опускаются ко дну и медленно передвигаются обратно к тропикам (придонные течения), где поднимаются к поверхности и снова движутся в высокие широты.

Различают теплые, холодные и нейтральные течения. Теплым считаются течения, которые несут воду более теплую, чем вода района, куда они приходят. Обычно теплые течения идут от экватора к полюсам, а холодные - наоборот. Теплое течение Гольфстрим (от английского Gulf stream – течение залива), приходящее из Атлантики в Северный Ледовитый океан, является самым крупным на Земле (длина 10000 км, ширина 500 км, глубина от 600 до 1000 км) имеет температуру у берегов Флориды на З-5°С выше, среднегодовой температуры воздуха. Гольфстрим ежегодно переносит из экваториальной зоны Атлантического океана более 100 тыс. км³ тёплой воды. Гольфстрим – это печка Юго-Восточного побережья Северной Америки и Северо-Западного побережья Европы. В Баренцевом море, где среднегодовая температура воздуха колеблется в пределах – 2-5ºС, среднегодовая температура воды составляет +9-10ºС. Вследствие этого Мурманский морской порт на северном побережье Кольского полуострова никогда не замерзает. Отепляющее действие Гольфстрима ощущается и на Северном полюсе.

Холодное течение приносит воду холоднее окружающей их воды. Перуанское холодное течение омывает западные берега Южной Америки и проникает почти до экватора. Температура его вод достигает в районе островов Галапагос 22ºС, но она на 5-6º ниже температуры поверхностных вод в районе экватора. На побережье Патагонских Кордильер средняя температура самого тёплого месяца не превышает +8-9ºС.

Нейтральные течения, как правило, широтного направления. Все течения Мирового океана различных направлений и мощности подчиняются общим закономерностям. В океанах существуют системы поверхностных течений, зависящих от направления господствующих ветров, от положения и конфигурации океана.

Началом всех поверхностных течений в Мировом океане можно считать пассаты, которые непрерывно дуют со скоростью 30-40 км/час. Северо-восточный пассат образует пассатное (северо-экваториальное) течение, а юго-восточный - пассатное (южно-экваториальное) течение. Так как между пассатами Северного и Южного полушарий имеется экваториальная зона штиля, то по ней в сторону противоположную дрейфовым пассатным течениям, образуется межпассатное (экваториальное) противотечение. Вдоль восточных берегов на север и на юг уходят теплые течения.

Кроме этого поверхностного противотечения, открыты мощные подповерхностные противотечения на глубине 100-400 м в противоположном пассатным течениям направлении. Они восстанавливают водный и солёный балансы восточных частей океанов.

В умеренных широтах западные ветры вызывают течения, пересекающие океан с запада на восток - Течения Западных Ветров (Западный дрейф), или Антарктическое течение - самое мощное в Южном полушарии, соединяющее воды трех океанов. У западных берегов материков от этого течения отходят ветви, направляющиеся в сторону экватора и замыкающие кольцо течений в каждом океане.

В северной части Индийского океана направление течений изменяется по сезонам в соответствии с изменением направления муссонов.

В Тихом океанe наиболее мощным является Северное пассатное течение, которое у Филиппинских островов разделяется на северную ветвь - Куросио, омывает берега Японии, отклоняется к востоку, к берегам Северной Америки на Алеутское и Калифорнийское и оно сливается с северным пассатным течением, замыкая круг течений. Южная ветвь от Филиппинских островов, пересекая экватор, вливается в Южное пассатное течение, которое затем отражается от берегов Новой Гвинеи и Австралии в виде Восточно-Австралийского течения, которое на юге сливается с Течением Западных ветров. Последнее у берегов Южной Америки образует Перуанское течение, которое вливается в южное пассатное течение.

В Атлантическом океане также выражено южное пассатное течение, которое разделяется у Бразильского выступа на две ветви. Меньшая, под названием Бразильского течения направляется к югу и сливаясь с Течением Западных Ветров идет дальше на восток, образуя у берегов Африки Бенгельское течение, последнее сливается с Южным пассатным течением, завершает круг южной части Атлантического океана. Северная более мощная ветвь, под названием Гвианского течения у Гвианского и Бразильского побережий сливается с Северным пассатным к течение, которое вливается в Карибское море и Мексиканский залив. Всё это приводит к тому, что уровень этих внутренних морей на 4 м выше уровня открытого океана. Через Флоридский пролив, поступающая сюда вода, выходит в виде течения Гольфстрим. Это самое мощное морское течение, его скорость 9 км/час. Гольфстрим направляется вдоль берегов Северной Америки и примерно на 40-й широте отклоняется на северо-восток под названием Северо-Атлантического и Норвежского течений, омывая с северо-запада Европу, вливаясь в Северный Ледовитый. От Северо-Атлантического течения на юго-восток отделяется ветвь в виде Канарского течения, которое огибает своеобразное Capгaccoвo море (« море без берегов») и замыкает круг северной части Атлантического океана.

Течения обнаружены на разных глубинах, вплотъ до глубоководных желобов (впадин). Причины течений на глубине - разная плотность воды. Изменение плотности - причина постоянных вертикальных перемещений воды: опускание холодной (или более соленой) и подъем теплой. С этим связано снабжение глубин кислородом и вынос с глубин питательных веществ в поверхностные слои воды. Места интенсивного перемешивания воды в Океане наиболее богаты жизнью.

Морские течения являются важным фактором миграции растений и животных.

 

Органический мир 0кеана

Океан - колыбель зарождения жизни на планете. В Океане обитает около 160 тыс. видов животных и более 10 тыс. видов водорослей. По типу местообитания и образу жизни морские организмы объединяются в три группы:

1. планктон (от греч. planktos – блуждающий) - пассивно перемещающиеся одноклеточные водоросли (фитопланктон) и животные (зоопланктон) - одноклеточные рачки, медузы и др;

2. нектон (от греч. nektos - плавающий, плывущий) - активно передвигающиеся животные (рыбы, китообразные, черепахи, головоногие, моллюски и др.);

3. бентос (от греч. benthos - глубина) - организмы, живущие на дне (бурые и красные водоросли, моллюски, ракообразные, морские звёзды и др.).

Растительные организмы развиваются преимущественно в слое до глубины 400 м, куда проникает свет и возможен фотосинтез. Ниже глубины проникновения света животные питаются зa счет остатков организмов, поступающих сверху, или поедают друг друга.

Распределение жизни в поверхностном слое воды Океана имеет отчётливо выраженный зональный характер. Наибольшей продуктивностью отличаются умеренные широты, т.к. здесь достаточное количество света и тепла, интенсивное перемешивание воды и xopoшее обеспечение глубин кислородом.

В тропических широтах вода на поверхности имеет повышенную солёность, но благодаря высокой температуре оказывается лёгкой, что затрудняет перемешивание. Здесь мало фито- и зоопланктона.

В экваториальных широтах в районах встреч пассатных течений и межпассатного противотечения вода очень богата кислородом и питательными солями.

 

Ресурсы Мирового Океана

В Мировом Океане различают биологические, минеральные и энергетические ресурсы.

Биологические ресурсы. Мировой океан – богатейший источник продуктов питания, содержащих белковые вещества. По масштабам использования и значению ведущее место среди биологических ресурсов занимает нектон. Преобладающая часть (80-85%) его биомассы представлена рыбой, а также другими животными (крабы, устрицы, креветки). Бентос используется недостаточно (моллюски, иглокожие, ракообразные). Большое применение находят водоросли.

Минеральные ресурсы. Ценнейший ресурс Океана – сама вода (“жидкая руда”). В промышленных масштабах из неё извлекают только натрий, хлор, магний и бром. Всё большее значение приобретает опреснение морской воды. Дно Мирового Океана богато минеральными ресурсами (рудные отложения, жидкие и растворимые полезные ископаемые, минеральные отложения (железо-марганцевые конкреции) на поверхности дна).

В морской воде растворены практически все химические элементы. Так, например, из золота растворённого в морской воде океана, можно было бы отлить куб с высотой сторон в 800 м. В океанах растворено серебра в 46 тыс. раз больше, чем добыли его люди на суше со времени открытия Колумбом Америки.

Энергетические ресурсы. Воды Океана обладают огромными запасами дейтерия. Неисчерпаемые потенциальные ресурсы дешёвой энергии аккумулированы в волнах, течениях, приливах и могут быть преобразованы в электрическую энергию.

 

Воды суши

Воды суши – часть водной оболочки Земли. К ним относятся текучие воды (реки, ручьи), стоячие воды (озёра, болота), ледники и подземные воды, заключающие 3,5% общих мировых запасов воды. Из них только 2,5% составляют пресные воды.

Реки. Реки – постоянные водные потоки, протекающие в разработанных ими же углублениях – руслах. Углубление, в котором располагается русло реки, называется долиной. Та часть долины, которая затопляется в половодье, называется поймой. Пойма покрыта аллювием – различными речными отложениями (песком, глиной, илом). Уступы на берегах реки с горизонтальной поверхностью представляют собой террасы. Граница между берегом и водой называется урезом. Река имеет исток – место, где она берёт начало. Место впадения реки в море, озеро, другую реку называется устьем. Река, впадающая в другую реку, называется – притоком. Самая длинная река в мире – Нил с притоком Кагера (6671 км). Разность высот поверхности воды у истока и устья реки называется падением реки. Величина падения реки, делённая на её длину, называется уклоном. Скорость течения реки прямо пропорциональна уклону. Реки равнин имеют небольшие уклоны, и скорости их едва превышают 1м/сек, у горных – скорость более 5м/сек. Падение воды с отвесного уступа называется водопадом. Самый высокий водопад на Земле – Анхель (1054м) находится в бассейне реки Ориноко (Южная Америка).

Главная река со всеми притоками образует речную систему. Площадь, с которой река собирает поверхностные и подземные воды, называется речным бассейном. Река Амазонка имеет самый крупный в мире бассейн (около 7 млн. км²). Бассейны соседних рек отделяются водоразделом. В горных районах водоразделы проходят по горным хребтам.

Важнейшей характеристикой рек является их питание. Выделяют четыре источника питания: снеговое, дождевое, ледниковое или подземное. Большинство рек имеют смешанное питание. Дождевое питание характерно для рек экваториальных, тропических и муссонных областей. Амазонка питается исключительно дождевой водой и является самой полноводной рекой в мире (годовой сток равен 7000 км³). Водами тающего снега питаются реки умеренного климата с холодными и снежными зимами. Ледниковое питание получают реки, начинающиеся в высоких горах, покрытых ледниками. Благодаря подземным водам реки не пересыхают летом и не иссякают подо льдом.

Водный режим реки характеризуется изменением её уровня в течение года, то есть расходом воды или стоком. Расход – это количество воды, проходящее по руслу в одну секунду. Сток – расход воды за длительное время (месяц, сезон, год). Водоносность – количество воды, которое несут реки в среднем за год. Самая многоводная река на Земле – Амазонка (средний годовой сток – 175000 м³/сек). Самая мутная река в мире – река Хуанхэ.

Половодье – ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон длительное и значительное увеличение количества воды в реке, сопровождающееся подъёмом уровня. Межень – самый низкий уровень воды в реке. Паводок – кратковременный внезапный подъём воды в реке.

Направление течения любой реки зависит от особенностей рельефа. Дно равнинных рек обычно сложено из мягких пород, которые сравнительно легко размываются водным потоком. На основании главных закономерностей водного режима выделяются основные зональные его типы: полярный, субарктический, умеренный, субтропический, тропический и экваториальный.

Озёра. Озеро – это замкнутое естественное углубление на поверхности суши, занятое водоёмом замедленного водообмена, не сообщающегося с океаном. Самое глубокое озеро в мире Байкал (1620 м), а самое большое по площади – Каспийское море (370000 км²). По происхождению озёра разнообразны.

По происхождению водной массы озёра делятся на материковые, т.е. образовавшиеся за счёт атмосферных осадков и реликтовые, которые когда-то были частью океана и связывались с ним проливами (Ладожское, Онежское).

По происхождению озёрных котловин озёра подразделяются на несколько генетических типов: тектонические (Байкал), вулканические (Севан), ледниковые (Верхнее), водно-аккумулятивные, водно-эрозионные, провальные, эоловые и запрудные. Наиболее многочисленные озёра относятся к тектоническому типу. Они имеют большую глубину и вытянутую форму. Африканской сестрой Байкала называют озеро Танганьика, за схожесть размеров и формы, происхождение и пресность воды.

По режиму озёра делятся на сточные (Байкал), из которых вытекают реки, и бессточные (Иссык-Куль), не имеющие стока воды. Интересно озеро Чад, расположенное на окраине Сахары, которое является пресным сверху и солоноватым у дна. Пресная речная и дождевая вода, попадая в озеро, не смешивается с солоноватой, а как бы плавает на ней. В верхнем слое живут пресноводные рыбы, а попавшие в озеро в давние времена морские рыбы держатся у дна.

Котловину озера принято разделять на литораль, профундаль и сублитораль.

Вода в озёрах содержит различные соли. По составу и количеству солей, озёра делятся на пресные и солёные. Пресными считаются те озёра, в которых общее содержание солей меньше 1‰. В пресных водах преобладают углекислые соли. Солёные озёра в пустынях относятся к трём типам: собственно солёные, содовые и борные. При большом насыщении соляного раствора (до 250-300‰) соли выпадают в виде осадка. Такие озёра называются самосадочными (Эльтон, Баскунчак, залив Кара-Богаз-Гол).

В озере можно выделить несколько зон растительности: растения мелководья (осоки, хвощи, рогозы, ежеголовник, стрелолист), зона камышей и тростника, зона растений с плавающими листьями, зона погружённых растений (рдест, роголистник, телорез, водяной лютик) и зона водорослей и мхов. Иногда, начиная от берегов, растительно-торфяной войлок распространяется по озеру, образуя трясину (зыбун). Этот войлок в конце концов покрывает всё озеро и превращает его в болото. В горах северного побережья острова Новая Гвинея на высоте 150 м над уровнем моря, расположено озеро Сентани, где обитают акулы и рыба-пила.

Болото. Болота – это участки поверхности суши с избыточным увлажнением, покрытые влаголюбивой растительностью и характеризующиеся процессом образования торфа, слой которого имеет мощность не менее 0,3 м.

Болота содержат до 90-95% воды и лишь 5-10% сухого вещества.

По условиям водного питания и характеру растительности болота подразделяются на три типа: низинные, или травяные, верховые, или моховые, и переходные, или смешанные.

Низинные болота образуются в понижениях, чаще всего на месте бывших озёр. Они питаются грунтовыми или речными водами, содержащими минеральные частицы. Для них характерны осока, тростник, ситник, хвощ болотный, рогоз, зелёные мхи.

Верховые болота возникают на водоразделах. Они питаются за счёт атмосферных осадков. В растительном покрове главную роль играют белые, или сфагновые мхи, способные жить без грунтового питания, так как впитывают про запас огромное количество воды. Ежегодно мох даёт сверху прирост, отмирая в нижних слоях. Образуются слои торфа до 8-10 м и более. Сфагновый мох и торф плохо проводят тепло, поэтому температура почвы под моховым покровом летом значительно ниже температуры воздуха. Для них характерны пушица, багульник, клюква, росянка и сосна болотная.

Переходный тип болота представляет стадию между низинным и верховым типами.

Подземные воды. Подземные воды находятся в толще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и парообразном состоянии. Основная их масса образуется вследствие просачивания с поверхности дождевых, талых и речных вод. Они постоянно перемещаются. Глубина их залегания зависит от водопроницаемости горных пород. К водопроницаемым горным породам относятся галечники, пески, гравий. К водонепроницаемым – глины, плотные породы без трещин, мёрзлые грунты. Корневые системы растений усваивают капиллярную и гравитационную воду.

По условиям залегания подземные воды подразделяются на:

1. почвенные, находящиеся в самом верхнем почвенном слое;

2. грунтовые, залегающие на первом от поверхности постоянном водоупорном слое;

3. межпластовые, находящиеся между двумя водоупорными пластами. Последние чаще бывают напорными и носят название артезианских. Наименование происходит от названия провинции Артуа во Франции, где ещё в XII веке появился первый такой колодец.

Грунтовые воды питаются просочившимися атмосферными осадками, водами рек, озёр, водохранилищ. Уровень их колеблется по сезонам года и в разных зонах. Подземные воды, содержащие большое количество солей и газов называют минеральными. Там, где слой водоупорных пород с водоносным горизонтом над ним выходит на поверхность, появляется источник. Источники с температурой воды до 20°C называют холодными, с температурой 20-37°С – тёплыми, с температурой свыше 37°С – горячими или термальными.

Грунтовые воды питают реки, озёра летом, когда мало дождей и зимой.

Запасы подземных вод очень велики, но возобновляются крайне медленно.

Ледники. Ледники – движущиеся массы льда, возникшие на суше в результате накопления и постепенного преобразования твёрдых атмосферных осадков. Они представляют собой естественные скопления льда на поверхности суши и образуются из снега в полярных зонах и в горах. Ледники занимают 11% площади суши. В них содержится около 2/3 всех мировых запасов пресной воды. Объём воды, содержащейся в ледниках, равняется сумме атмосферных осадков, выпадающих на Земле на протяжении 50 лет, или стоку всех рек в течение 100 лет. Лёд самая распространённая горная порода в Солнечной системе. Марс, Юпитер, Сатурн, Уран содержат огромные массы льда, а некоторые спутники планет сложены им почти целиком. Так, спутники Юпитера (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто) состоят изо льда примерно на 90%. Существует десять кристаллических и одна аморфная разновидностей льда.

Ледники делятся на покровные (или материковые) и горные. Материковые ледники возникают там, где снеговая линия располагается на небольшой высоте (например, в Антарктиде, Гренландии, на арктических островах). Они образуют ледниковые покровы, толщина которых в Антарктиде составляет свыше 4000 м. Здесь находится самый крупный материковый ледник на Земле ледник Ламберта (70º ю.ш. и 70º в.д.). От ледниковых покровов откалываются огромные глыбы, которые, перемещаясь, оказываются в океане. Их называют айсбергами (от английского ice – лёд и berg – гора). Они могут достигать в длину более 100 км, а в высоту – 700-800 м. Большая часть айсберга находиться под водой. Океанические течения перемещают эти ледяные глыбы в умеренную зону, где они тают. Горные ледники образуются в горах, в условиях преобладания температуры ниже 0ºС на протяжении всего года. Самые крупные горные ледники находятся на Аляске, в Гималайских горах и горах Гиндукуш. Горные ледники играют важное значение в питании рек. Ледники имеют две области: питания и стока.

Таким образом, атмосфера в совокупности с гидросферой играет исключительно важную роль во всех физико-химических и биологических процессах на Земле. Две сферы планеты создали необходимые предпосылки для возникновения на ней жизни и обеспечили её развитие, что привело к образованию новой биогеохимической планетной сферы, которой знаменитый французский естествоиспытатель Ламарк впервые дал название биосферы.

 

 

Глава 6

ЛИТОСФЕРА

 

Особенности литосферы

 

Литосфера ( греч. lithos – камень + sphaira – шар) – наружная оболочка Земли, сложенная твёрдыми горными породами, включающая самый верхний слой мантии (субстрат), лежащей на горячей астеносфере и земную кору. Астеносфера имеет важное значение для развития глобальных эндогенных геологических процессов. Малейшее нарушение термодинамического равновесия способствует образованию огромных масс расплавленного вещества, которые поднимаются вверх, способствуя перемещению отдельных блоков литосферы по поверхности Земли. В ней возникают магматические очаги.

Земная кора – часть литосферы, лежащая выше границы Мохоровичича и она составляет 12% от массы литосферы. Нижняя граница литосферы проводится над астеносферой.

Процессы в литосфере определяют глобальную тектонику на нашей планете, спрединг океанического дна и связанный с ним дрейф континентов. К литосфере привязаны очаги вулканической и сейсмической активности. Эта область служит пределом распространения жизни на Земле. Глубже находятся нижняя мантия и ядро, составляющие по объёму и массе основное тело планеты.

Литосфера обладает максимальной прочностью вещества. Она весит примерно 2,367 · 10¹⁹ т. Из этого количества материи около 1/10 составляет свободная и химически связанная вода. Объём литосферы равняется 10,2 млрд. км³. Плотность вещества колеблется в пределах 2,7-3,3 г/см³.

Литосфера немонолитна, она разделена гигантскими разломами на литосферные плиты.

По химическим и физическим процессам в литосфере можно выделить несколько зон. Самая верхняя зона характеризуется разрушением горных пород, где различается зона выветривания и образуется кора выветривания. Под ней лежит зона цементации, где растворённые вещества выпадают в осадок, цементируются и уплотняются в результате значительного давления. На глубине около 10 км начинается сиалитическая (гранитная) оболочка, состоящая из силикатов и алюминия, достигающая мощности 10-40 км. Ниже находится симатическая (базальтовая) оболочка толщиной до 30 км.

Мощность литосферы различна в разных областях Земли. Под материками она максимальна и достигает от 70 до 250 км, из них 5-70 км приходиться на долю земной коры. Под океанами мощность литосферы составляет в среднем 4,7 км (до 7 км). Данные геофизических исследований показывают, что под Европой и Австралией самая тонкая литосфера, насчитывающая до 37 км, а самая мощная – под Азией – 46 км.