Вода в природе вообще. Вода в чисто химическом виде в природе не встречается, даже наиболее чистые воды, дождевые или снеговые, всегда содержат некоторые примеси, поглощенные ими из воздуха. Текучая вода всегда имеет в растворе уже заметное количество какого-либо вещества, смотря по составу горных пород, по которым она протекала или сквозь которые она просачивалась до выхода на поверхность земли. Поэтому все пресные воды имеют в своем составе различные примеси, иногда ясно ощущаемые на вкус, а в некоторых случаях минерализация вод источников бывает очень значительна. Вода представляет чрезвычайно распространенный элемент на земной поверхности и даже вообще в твердой коре земного шара, где она встречается и в свободном состоянии в верхних слоях, и в связанном состоянии в виде составной части различных горных пород. Огромное выделение водяных паров при вулканических извержениях заставляет предполагать, что и на значительной глубине в земной коре имеется вода в каком-либо состоянии. Так как на земном шаре вода в жидком состоянии в виде океанов и морей занимает 71% ее поверхности, и, кроме того, существуют еще довольно значительные водные массы на суше в виде озер и рек, то в общем вода занимает на поверхности земного шара преобладающее положение, о чем люди, живущие на суше, часто не видавшие не только океана, но и моря, не всегда имеют правильное представление. Кроме того, также очень важна способность воды при тех колебаниях температур, какие бывают на поверхности земли, принимать три состояния, совершенно различные по своему физическому значению: газообразное, жидкое и твердое. При этом вода при переходах из одного состояния в другое то поглощает, то освобождает большие количества тепла. Все это вместе придает воде огромное значение как физико-географическому элементу.
Газы, находящиеся в морской воде. Вода обладает способностью поглощать газы, с которыми ее поверхность находится в соприкосновении. Поглощение газов водой происходит в зависимости от температуры ее и парциального давления газов, последнее в случае, если над поверхностью воды находится смесь нескольких газов, как это бывает в природе при соприкосновении воды с атмосферным воздухом. Температура оказывает большое влияние на величину поглощения газов водой: чем температура ниже, тем вода поглощает газов больше. Приблизительно вода поглощает при 0° в два раза больше кислорода и азота и в три раза больше углекислоты, нежели при температуре 30°. Парциальное давление атмосферных газов различно. Известно также, что вода поглощает из воздуха кислород и азот неравномерно, и если в воздухе их содержание выражается отношением 21 : 78, т. е. округленно, как 1 : 4, то в воде при 15° те же газы будут содержаться приблизительно в отношении 34 : 63 или, округляя, как 1 : 2. Следовательно, вода поглощает кислород в большей степени, нежели азот; последнее очень важно для развития жизни в воде (животных и растений). Морская вода вследствие своей солености обладает, сравнительно с пресной водой, меньшей способностью поглощения газов. Чем соленость больше, тем морская вода меньше поглощает газов; но и в морской воде главное влияние на количество поглощенных газов имеет ее температура. Таким образом, морская вода поглощает почти в два раза больше газов при низких температурах, нежели при высоких, и, как и в случае дистиллированной воды, кислород поглощается в большей пропорции, нежели азот, приблизительно также в отношении 1 : 2. Распределение газов, поглощенных водой, на поверхности и на глубинах в океанах и морях. Исследования содержания и присутствия атмосферных газов в воде открытых океанов показали, что нет таких глубин, где бы отсутствовали кислород и азот. Из этих двух газов азот недеятельный, и потому его количество в воде остается неизменным; а следовательно, по его содержанию в воде (зная процентное отношение поглощения водой азота и кислорода, о чем сказано выше) можно всегда судить и о том количестве кислорода, какое должно было бы быть в данном образце воды, если бы кислород не расходовался на жизненные процессы и окисление. Отсюда узнают, сколько его было израсходовано на поддержание жизни организмов и окисление. Подобного рода исследования в широком размере стали возможны только в самое последнее время; кроме того, они требуют опытных наблюдателей и большого труда, а потому подобных работ пока произведено очень немного. На их основании оказывается, что поверхностные слои океанов, конечно, всего богаче кислородом, потому что они пе только непосредственно соприкасаются с атмосферою, но и благодаря волнению постоянно перемешиваются. В высоких широтах содержание кислорода в поверхностной воде значительнее, нежели в тропиках, потому что температура там ниже. Около экватора вода на поверхности содержит на литр 4— 5 см3 кислорода; в широте 50° с. — 6—7 см3, в широте 50° ю. — 7— 8 см3- Увеличение содержания кислорода в южных широтах обуславливается более низкой температурой воды на поверхности (на 50° с. ш. температура около 10—11 , а на 50 ю. ш. — около 4°).В тропической полосе с глубиной, количество кислорода быстро убывает, и на глубинах между 200 и 800 м его особенно мало в двух областях по обе стороны экватора. По мере удаления от экватора к северу и к югу количество кислорода на тех же глубинах возрастает. Рассматриваемое явление станет еще понятнее, если построить такой разрез океана, где было бы показано, сколько не хватает кислорода на каждой глубине для насыщения им воды соответственной солености и температуры. Поверхностные слои, соприкасающиеся с воздухом и постоянно перемешиваемые волнением, почти насыщены кислородом. В тропиках, особенно между 20° с. и ю. ш., линии, показывающие распределение одинаковых недостатков насыщения воды кислородом, идут почти параллельно поверхности и очень сближены между собой, тогда как за пределами 20-х широт эти линии совершенно расходятся и опускаются на большие глубины, показывая тем самым, что здесь мощные слои воды океана почти насыщены кислородом. Между параллелями 20° с. и ю. ш. на глубинах от 200 до 800 м очерчивается обширная область недостатка кислорода с двумя центрами, где не хватает до 5— 6 см3 на литр. Причиной подобного распределения кислорода на глубинах являются два обстоятельства. Первое заключается в богатом развитии жизни, животной и растительной, в верхних слоях океана. Животные поглощают из воды кислород, необходимый для окисления их тканей, и выделяют углекислоту, остающуюся в воде. Водоросли же поглощают углекислоту и разлагают ее на углерод, идущий на созидание их клеточек, и на кислород, поглощаемый водой. Для существования растений необходим свет, поэтому водоросли встречаются только в верхних слоях океана, где они особенно многочисленны около поверхности. Таким образом, приповерхностные слои океанов получают еще кислород и от водорослей, поэтому он тут, как выше было указано, почти насыщает воды океанов. На больших глубинах, куда свет проникает мало, а начиная с глубин 800—1000 м и совсем отсутствует, водорослей нет, кислород поглощается еще богатой животной жизнью, и потому его на глубинах 300—500 м всего меньше. Другой причиной, поддерживающей подобное распределение кислорода на глубинах, является существование вертикальной циркуляции вод в океанах. В умеренных широтах охладившиеся соленые воды становятся плотнее, и, кроме того, вследствие постоянного испарения увеличивается соленость поверхностной воды; эти две причины, делая ее тяжелее нижележащих слоев, заставляют опускаться вниз, унося с собой большое количество кислорода на глубины океана. После продолжительного и медленного движения к экватору эти воды около последнего поднимаются, и, конечно, они бедны кислородом после продолжительного нахождения на значительных глубинах, где их кислород постепенно израсходовался. Исследования содержания газов на глубинах в других океанах показывают, что и там кислород распределен таким же образом, как в Атлантическом океане. В морях содержание газов в поверхностных и глубинных слоях находится в зависимости от местных условий. Для поверхности морей эти условия заключаются в ее температуре и солености. Чем ниже температура и меньше соленость, тем большее количество атмосферного воздуха поглощается поверхностными слоями моря. Для глубинных слоев морей местные условия заключаются главным образом в способе подводного сообщения данного моря с океаном или другим морем и в характере вертикального распределения плотности воды как в нем самом, так и в том бассейне, с которым оно имеет подводное сообщение. При некотором сочетании указанных условий получаются особенные, своеобразные распределения газов в глубинных слоях, совершенно иные, нежели в океанах, где проветривание глубоководных слоев обеспечено вертикальной циркуляцией воды, обусловленной большой разностью плотностей воды на поверхности океанов в тропических поясах и на полярных окраинах умеренных поясов. Отсутствие таких условий в некоторых морях, разобщенных на глубинах от океанов, создает бассейны с плохо и вовсе не проветриваемыми глубинными слоями, примеры коих приведены дальше. Средиземное море обладает довольно равномерным вертикальным распределением кислорода. В поверхностных слоях количество кислорода в западной половине моря около 4,5—5,3 см3 на литр воды, что составляет 95 — 99% полного насыщения; а в восточной половине моря, где соленость больше, количество кислорода на поверхности колеблется около 4,4—4,7 см3 на литр, что составляет 92—98% насыщения. На больших глубинах количество кислорода от 4,0 до 4,6 см3 на литр, что составляет от 70 до 80% насыщения. Согласно новейшим исследованиям, вертикальная циркуляция (конвекционные точки) в Средиземном море устанавливается главным образом зимой в северных частях моря, около берегов Франции и Италии, в южной части Адриатического моря и в северной части Архипелага. Эта циркуляция захватывает и слои больших глубин, принося с собой туда кислород из поверхностных слоев и проветривая таким образом большие глубины. Черное море обладает совершенно особенным распределением газов на глубинах, обусловленным особым распределением плотности воды. Как выше было указано (в статье о распределении солености), поверхностные воды Черного моря значительно распреснены, а на глубинах ниже 200 м и до самого дна встречаются только воды солености от 21 до 22,4%. плотностью от 1,01651 до 1,01733, тогда как плотность поверхностных слоев всего около 1,01006. По причине подобного распределения плотностей только в поверхностных слоях до глубины в 200 м существует вертикальный обмен воды. Этот обмен обуславливается охлаждением воды на поверхности зимой, а следовательно, увеличением ее плотности, что и заставляет охладившуюся воду -опускаться до глубины слоя одинаковой с ней плотности, каковая находится на глубине около 200 м (это так называемые конвекционные токи). Вся же толща вод от 200 м до днг (2200 м) совершенно уединена от более легкого поверхностного слоя и потому лишена вертикальной циркуляции. Запас кислорода, приносимый по дну Босфора в глубины Черного моря вместе с тяжелыми солеными водами Мраморного моря, недостаточен для окисления всех продуктов гниения органических остатков, падающих из поверхностных слоев. При таких условиях хотя поверхностные слои почти насыщены кислородом, на глубинах, начиная со 150 м и до дна, кислород совершенно отсутствует в водах Черного моря, а вместо него там образуется сероводород, препятствующий развитию всякой жизни на этих глубинах, где встречаются только сероводородные бактерии. На глубине 200 м в воде уже находится сероводорода около 0,4 см3 на литр, а в придонных слоях больших глубин количество сероводорода на литр достигает 5 см3. Балтийское море относительно вертикального распределения кислорода находится в довольно благоприятных условиях. Вообще до слоя глубиной около 50—60 м, т. е. во многих местах Финского залива в слое, близком ко дну (наибольшие глубины залива около 80—90 м), а в Рижском заливе безусловно до самого дна, содержание кислорода в воде около 8 см3 на литр воды, что очень близко к ее насыщению (85— 95%). В самых же глубоких частях Балтийского моря количество кислорода уменьшается до 4, 3 и даже 2 см3 на литр, составляя всего 40 и даже 25% от количества, насыщающего воду при температуре ее на данной глубине. Для больших глубин моря, по-видимому, приток соленых вод из Каттегата есть единственный путь получения кислорода, так как вследствие большой плотности глубинных слоев не может существовать обмена вод между поверхностью моря, охлажденной зимой, и большими его глубинами (отсутствуют конвекционные токи для больших глубин). Каспийское море представляет в отношении распределения газов на глубинах пример, приближающийся к Черному морю. На поверхности содержание кислорода подходит к нормальному, начиная с глубины около 300 м, количество кислорода в воде становится малым, а на 600— 700 м он совершенно исчезает вследствие недостаточной вертикальной циркуляции между глубинными слоями и поверхностными. Отсутствие вертикальной циркуляции (конвекционных токов) обусловлено соответственным распределением плотностей (соленость с глубиной увеличивается, а температура понижается).
Сжимаемость воды и давление на глубинах. Вода вообще и морская вода, в частности, обладает некоторой сжимаемостью. Коэффициент сжимаемости дистиллированной воды выражается величиной 0,0000490; для морской воды он разный при различных соленостях, именно с увеличением солености он уменьшается; так при солености 35%о коэффициент сжимаемости равен 0,0000442. Коэффициент сжимаемости находится в зависимости и от величины давления, и от температуры. Вследствие сжимаемости морской воды некоторый объем ее при том же химическом составе и при той же температуре будет иметь на разных глубинах различную плотность, тем большую, чем значительнее глубина. При изучении распределения плотностей на глубинах в океане необходимо принимать во внимание сжимаемость морской воды; распределение же плотностей на глубинах имеет значение для возникновения течений. Другое последствие сжимаемости (морской воды есть некоторое сжатие всего слоя воды в океанах. Если принять среднюю глубину Мирового океана равной 3700 м и вычислить объем слоя воды, который получился бы, если бы вода была абсолютно несжимаема, то окажется, что объем Мирового океана должен был бы тогда быть больше на 11 000 000 км3. Если эти 11 миллионов распределить на всю поверхность Мирового океана (361 млн. км2), то получится слой воды в 30 м толщиной, т. е. уровень Мирового океана при существующих условиях лежит на эту величину ниже, и, таким образом, благодаря сжимаемости морской воды прибрежная полоса континентов некоторой ширины находится выше уровня океана, увеличивая тем самым общую поверхность суши. Давление с глубиной в океане возрастает почти пропорционально глубине: на каждые 10 м приблизительно по одной атмосфере. Таким образом, на 9000 м давление равняется приблизительно 900 атм., а на 10 000 м —1000 атм. (точнее, на 9000 м давление 915 атм., а на 10 000 м— 1119 атм.).
Газы, находящиеся в морской воде. Вода обладает способностью поглощать газы, с которыми ее поверхность находится в соприкосновении. Поглощение газов водой происходит в зависимости от температуры ее и парциального давления газов, последнее в случае, если над поверхностью воды находится смесь нескольких газов, как это бывает в природе при соприкосновении воды с атмосферным воздухом. Температура оказывает большое влияние на величину поглощения газов водой: чем температура ниже, тем вода поглощает газов больше. Приблизительно вода поглощает при 0° в два раза больше кислорода и азота и в три раза больше углекислоты, нежели при температуре 30°. Парциальное давление атмосферных газов различно. Известно также, что вода поглощает из воздуха кислород и азот неравномерно, и если в воздухе их содержание выражается отношением 21 : 78, т. е. округленно, как 1 : 4, то в воде при 15° те же газы будут содержаться приблизительно в отношении 34 : 63 или, округляя, как 1 : 2. Следовательно, вода поглощает кислород в большей степени, нежели азот; последнее очень важно для развития жизни в воде (животных и растений). Морская вода вследствие своей солености обладает, сравнительно с пресной водой, меньшей способностью поглощения газов. Чем соленость больше, тем морская вода меньше поглощает газов; но и в морской воде главное влияние на количество поглощенных газов имеет ее температура. Таким образом, морская вода поглощает почти в два раза больше газов при низких температурах, нежели при высоких, и, как и в случае дистиллированной воды, кислород поглощается в большей пропорции, нежели азот, приблизительно также в отношении 1 : 2. Распределение газов, поглощенных водой, на поверхности и на глубинах в океанах и морях. Исследования содержания и присутствия атмосферных газов в воде открытых океанов показали, что нет таких глубин, где бы отсутствовали кислород и азот. Из этих двух газов азот недеятельный, и потому его количество в воде остается неизменным; а следовательно, по его содержанию в воде (зная процентное отношение поглощения водой азота и кислорода, о чем сказано выше) можно всегда судить и о том количестве кислорода, какое должно было бы быть в данном образце воды, если бы кислород не расходовался на жизненные процессы и окисление. Отсюда узнают, сколько его было израсходовано на поддержание жизни организмов и окисление. Подобного рода исследования в широком размере стали возможны только в самое последнее время; кроме того, они требуют опытных наблюдателей и большого труда, а потому подобных работ пока произведено очень немного. На их основании оказывается, что поверхностные слои океанов, конечно, всего богаче кислородом, потому что они пе только непосредственно соприкасаются с атмосферою, но и благодаря волнению постоянно перемешиваются. В высоких широтах содержание кислорода в поверхностной воде значительнее, нежели в тропиках, потому что температура там ниже. Около экватора вода на поверхности содержит на литр 4— 5 см3 кислорода; в широте 50° с. — 6—7 см3, в широте 50° ю. — 7— 8 см3- Увеличение содержания кислорода в южных широтах обуславливается более низкой температурой воды на поверхности (на 50° с. ш. температура около 10—11 , а на 50 ю. ш. — около 4°).В тропической полосе с глубиной, количество кислорода быстро убывает, и на глубинах между 200 и 800 м его особенно мало в двух областях по обе стороны экватора. По мере удаления от экватора к северу и к югу количество кислорода на тех же глубинах возрастает. Рассматриваемое явление станет еще понятнее, если построить такой разрез океана, где было бы показано, сколько не хватает кислорода на каждой глубине для насыщения им воды соответственной солености и температуры. Поверхностные слои, соприкасающиеся с воздухом и постоянно перемешиваемые волнением, почти насыщены кислородом. В тропиках, особенно между 20° с. и ю. ш., линии, показывающие распределение одинаковых недостатков насыщения воды кислородом, идут почти параллельно поверхности и очень сближены между собой, тогда как за пределами 20-х широт эти линии совершенно расходятся и опускаются на большие глубины, показывая тем самым, что здесь мощные слои воды океана почти насыщены кислородом. Между параллелями 20° с. и ю. ш. на глубинах от 200 до 800 м очерчивается обширная область недостатка кислорода с двумя центрами, где не хватает до 5— 6 см3 на литр. Причиной подобного распределения кислорода на глубинах являются два обстоятельства. Первое заключается в богатом развитии жизни, животной и растительной, в верхних слоях океана. Животные поглощают из воды кислород, необходимый для окисления их тканей, и выделяют углекислоту, остающуюся в воде. Водоросли же поглощают углекислоту и разлагают ее на углерод, идущий на созидание их клеточек, и на кислород, поглощаемый водой. Для существования растений необходим свет, поэтому водоросли встречаются только в верхних слоях океана, где они особенно многочисленны около поверхности. Таким образом, приповерхностные слои океанов получают еще кислород и от водорослей, поэтому он тут, как выше было указано, почти насыщает воды океанов. На больших глубинах, куда свет проникает мало, а начиная с глубин 800—1000 м и совсем отсутствует, водорослей нет, кислород поглощается еще богатой животной жизнью, и потому его на глубинах 300—500 м всего меньше. Другой причиной, поддерживающей подобное распределение кислорода на глубинах, является существование вертикальной циркуляции вод в океанах. В умеренных широтах охладившиеся соленые воды становятся плотнее, и, кроме того, вследствие постоянного испарения увеличивается соленость поверхностной воды; эти две причины, делая ее тяжелее нижележащих слоев, заставляют опускаться вниз, унося с собой большое количество кислорода на глубины океана. После продолжительного и медленного движения к экватору эти воды около последнего поднимаются, и, конечно, они бедны кислородом после продолжительного нахождения на значительных глубинах, где их кислород постепенно израсходовался. Исследования содержания газов на глубинах в других океанах показывают, что и там кислород распределен таким же образом, как в Атлантическом океане. В морях содержание газов в поверхностных и глубинных слоях находится в зависимости от местных условий. Для поверхности морей эти условия заключаются в ее температуре и солености. Чем ниже температура и меньше соленость, тем большее количество атмосферного воздуха поглощается поверхностными слоями моря. Для глубинных слоев морей местные условия заключаются главным образом в способе подводного сообщения данного моря с океаном или другим морем и в характере вертикального распределения плотности воды как в нем самом, так и в том бассейне, с которым оно имеет подводное сообщение. При некотором сочетании указанных условий получаются особенные, своеобразные распределения газов в глубинных слоях, совершенно иные, нежели в океанах, где проветривание глубоководных слоев обеспечено вертикальной циркуляцией воды, обусловленной большой разностью плотностей воды на поверхности океанов в тропических поясах и на полярных окраинах умеренных поясов. Отсутствие таких условий в некоторых морях, разобщенных на глубинах от океанов, создает бассейны с плохо и вовсе не проветриваемыми глубинными слоями, примеры коих приведены дальше. Средиземное море обладает довольно равномерным вертикальным распределением кислорода. В поверхностных слоях количество кислорода в западной половине моря около 4,5—5,3 см3 на литр воды, что составляет 95 — 99% полного насыщения; а в восточной половине моря, где соленость больше, количество кислорода на поверхности колеблется около 4,4—4,7 см3 на литр, что составляет 92—98% насыщения. На больших глубинах количество кислорода от 4,0 до 4,6 см3 на литр, что составляет от 70 до 80% насыщения. Согласно новейшим исследованиям, вертикальная циркуляция (конвекционные точки) в Средиземном море устанавливается главным образом зимой в северных частях моря, около берегов Франции и Италии, в южной части Адриатического моря и в северной части Архипелага. Эта циркуляция захватывает и слои больших глубин, принося с собой туда кислород из поверхностных слоев и проветривая таким образом большие глубины. Черное море обладает совершенно особенным распределением газов на глубинах, обусловленным особым распределением плотности воды. Как выше было указано (в статье о распределении солености), поверхностные воды Черного моря значительно распреснены, а на глубинах ниже 200 м и до самого дна встречаются только воды солености от 21 до 22,4%. плотностью от 1,01651 до 1,01733, тогда как плотность поверхностных слоев всего около 1,01006. По причине подобного распределения плотностей только в поверхностных слоях до глубины в 200 м существует вертикальный обмен воды. Этот обмен обуславливается охлаждением воды на поверхности зимой, а следовательно, увеличением ее плотности, что и заставляет охладившуюся воду -опускаться до глубины слоя одинаковой с ней плотности, каковая находится на глубине около 200 м (это так называемые конвекционные токи). Вся же толща вод от 200 м до днг (2200 м) совершенно уединена от более легкого поверхностного слоя и потому лишена вертикальной циркуляции. Запас кислорода, приносимый по дну Босфора в глубины Черного моря вместе с тяжелыми солеными водами Мраморного моря, недостаточен для окисления всех продуктов гниения органических остатков, падающих из поверхностных слоев. При таких условиях хотя поверхностные слои почти насыщены кислородом, на глубинах, начиная со 150 м и до дна, кислород совершенно отсутствует в водах Черного моря, а вместо него там образуется сероводород, препятствующий развитию всякой жизни на этих глубинах, где встречаются только сероводородные бактерии. На глубине 200 м в воде уже находится сероводорода около 0,4 см3 на литр, а в придонных слоях больших глубин количество сероводорода на литр достигает 5 см3. Балтийское море относительно вертикального распределения кислорода находится в довольно благоприятных условиях. Вообще до слоя глубиной около 50—60 м, т. е. во многих местах Финского залива в слое, близком ко дну (наибольшие глубины залива около 80—90 м), а в Рижском заливе безусловно до самого дна, содержание кислорода в воде около 8 см3 на литр воды, что очень близко к ее насыщению (85— 95%). В самых же глубоких частях Балтийского моря количество кислорода уменьшается до 4, 3 и даже 2 см3 на литр, составляя всего 40 и даже 25% от количества, насыщающего воду при температуре ее на данной глубине. Для больших глубин моря, по-видимому, приток соленых вод из Каттегата есть единственный путь получения кислорода, так как вследствие большой плотности глубинных слоев не может существовать обмена вод между поверхностью моря, охлажденной зимой, и большими его глубинами (отсутствуют конвекционные токи для больших глубин). Каспийское море представляет в отношении распределения газов на глубинах пример, приближающийся к Черному морю. На поверхности содержание кислорода подходит к нормальному, начиная с глубины около 300 м, количество кислорода в воде становится малым, а на 600— 700 м он совершенно исчезает вследствие недостаточной вертикальной циркуляции между глубинными слоями и поверхностными. Отсутствие вертикальной циркуляции (конвекционных токов) обусловлено соответственным распределением плотностей (соленость с глубиной увеличивается, а температура понижается).
