Эстуарии
Эстуарий — связанное с океаном полузамкнутое водное пространство, в котором воды значительно разбавлены пресной водой, стекающей с суши. Эстуарии многочисленны в таких районах, как восточное побережье США, где затоплены ледниковые долины, еще не заполненные речными отложениями. Воды в эстуариях —от пресных речных до вод нормальной морской солености, в зависимости от стока материковых вод и скорости водообмена эстуария с открытым океаном. Этот обмен может быть значительно усилен приливными течениями. Большая изменчивость солености сказывается на изменениях плотности, которая определяет вертикальную циркуляцию вод эстуария. Рассмотрим гипотетический эстуарий, представляющий собой затопленную речную долину, соединяющуюся узким проливом с океаном. Уровень вод в эстуарии будет повышаться и понижаться соответственно фазам прилива, однако не обязательно будет таким же, как в океане. Вследствие эффекта резонанса между периодичностью природных колебаний вод в эстуарии и частотой колебаний приливообразующих сил амплитуда уровня прилива в эстуарии может увеличиваться. Объем вод между уровнями полной и малой воды принято называть приливной призмой. В течение каждого приливного цикла объем вод равен объему обмена приливной призмы с океаном. Вынос вод из эстуария увеличивается за счет речного стока, поэтому существует разница между объемами вод, выносимых из эстуария и поступающих в него. Когда в эстуарии происходит приливное повышение уровня, в него поступают воды из океана, а при спаде прилива воды возвращаются в океан. Приливный водообмен накладывается на сток речных вод. Течение достигает максимума в период, когда уровень меняется наиболее быстро. Поток через пролив меняет направление на обратное непосредственно перед наступлением в эстуарии полной воды и сразу после малой воды, когда приливные течения оказываются сильнее стока речных вод. Время отсутствия сточного течения будет зависеть от отношения объемов речного стока и приливного водообмена. Если речной поток больше, чем скорость приливного водообмена, в эстуарии всегда будет сохраняться вынос вод, интенсивность которого будет модулироваться изменениями прилива.
Циркуляция вод в эстуарии зависит от амплитуды прилива и развития вертикального перемешивания между пресными речными и солеными океаническими водами. Сначала рассмотрим случай, когда приливная призма пренебрежимо мала и вертикальное перемешивание невелико. Менее плотные речные воды натекают на плотные морские. В этом случае перемешивание при взаимодействии речных и морских вод слабо развито и лишь некоторая часть морских вод будет выноситься обратно в море вместе с пресными водами, а вынос будет возмещаться медленным придонным течением вновь поступивших морских вод. Граница солености между обеими водами будет сравнительно четкой; в пресных водах соленость возрастет после того, как в океане сильное волнение перемешает воды, в результате чего поток пресных вод рассеется. Если приливный водообмен останется пренебрежимо мал, а вертикальное перемешивание в эстуарии увеличится. В этом случае обмен между двумя водами более значителен и поэтому градиент солености по вертикали меньше; в эстуарий будет поступать больше морских вод, возмещающих воды, смешавшиеся с пресными и выносимые поверхностными течением из эстуария. Вертикальная структура солености при этом будет представлена тремя слоями: поверхностные воды малой солености, увеличение которой будет происходить в направлении к морю; придонные воды с соленостью, соответствующей солености моря, и промежуточный слой перепада солености, в котором происходит смешение. Движение вод поверхностного слоя будет направлено к морю, а поток придонных вод, наоборот, к суше. Растворенный и взвешенный сток рек в верхнем слое будет распространяться в море, тогда как влекомые наносы могут вноситься из океана в эстуарий. Примером эстуария с пренебрежимо малым влиянием прилива может служить устье р. Миссисипи. Здесь объем речного стока много больше, чем объем вод, поставляемых приливным течением. Текущие к морю речные воды подстилаются морскими. Наблюдается медленное придонное течение соленых вод из моря в реку, возмещающее морские воды, увлекаемые речным течением в море. При подъеме воды в реке соленый клин морских вод будет сокращаться, а при понижении уровня речных вод будет распространяться дальше в реку. В заключение рассмотрим, как изменяется циркуляция вод в эстуарии при различных фазах приливного течения. Так как уровень воды в эстуарии растет и падает соответственно фазам прилива, объем вод приливной призмы будет характеризовать водообмен между эстуарием и океаном. Таким образом, приливное течение будет усиливать как вынос речных вод, так и придонное течение. Если сток пресных вод пренебрежимо мал в сравнении с приливным водообменом, то распреснение вод в заливе будет незначительно. По этому признаку можно считать, что в данном случае мы имеем дело скорее с заливом, а не с эстуарием. Конечно, большей частью четко выраженного различия между эстуарием и заливом нет, в том и в другом случае есть много общих черт. И все же, в то время как залив с нормальной соленостью заселен обычной прибрежной фауной, в фауне эстуария доминируют семейства, способные обитать при низкой солености или при значительной ее изменчивости. Приливные течения увеличивают водообмен между океаном и эстуарием. В то же время сильные течения будут увеличивать перемешивание вод. В результате изменения солености по вертикали будут значительно сглажены. В таком случае более характерным будет изменение солености в горизонтальном направлении — от пресной воды за пределами распространения приливной волны до солености вод открытого моря. В каждом из эстуариев распределение солености своеобразно, более того, в одном и том же эстуарии распределение солености может изменяться во времени. Изучение результирующей Циркуляции в эстуариях часто осуществляется путем моделирования. Это особенно полезно в тех случаях, когда необходимо предусмотреть, как отразится на циркуляции вод в эстуарии строительстве тех или иных сооружений или, например, углубление фарватера.
Влияние деятельности человека на эстуарии
Многие из наиболее плотно населенных городов мира расположены на берегах эстуариев. В процессе урбанизации человек изменяет географию, прорывая каналы и засыпая прибрежные районы эстуария. Он использует воды эстуария для отдыха и в транспортных целях, сбрасывает индустриальные стоки и теплые воды паровых электростанций. Все эти не сопоставимые друг с другом воздействия оказывают влияние на экологические системы. Флора и фауна эстуариев, состоящие из сообществ, сформировавшихся на протяжении геологических эпох, характеразуются высокой продуктивностью и сравнительно небольшим видовым разнообразием. Кроме того, эстуарии также служат нерестилищами и питомниками для молоди многих животных, популяции взрослых особей которых обитают в открытом океане. Нарушения экологических условий эстуария отражаются не только на жизненных условиях типично эстуарных видов, например устриц, но и на численности некоторых видов прибрежных рыб. В качестве примера воздействия человека на режим водоема можно привести исследования Ритера (1954), показавшего, что причиной аномального разрастания водорослей в некоторых заливах Лонг-Айленда послужило сильное загрязнение в результате сброса в эти заливы сточных вод утиных ферм. Сточные воды содержали большое количество солей, стимулирующих растительность в морской воде. Соотношение фосфатов и нитратов в стоковых водах было значительно выше, чем в обычной морской воде. Нарушение баланса биогенов привело к разрастанию некоторых водорослей, что в свою очередь привело к угнетению популяций планктона, обычно населяющих эти заливы, и как следствие имело место значительное уменьшение урожайности устриц. Нормальный уровень концентрации питательных веществ в море таков, что органическое вещество, производимое в процессе фотосинтеза, может быть почти полностью потреблено организмами, использующими кислород, растворенный в воде. Избыток питательных веществ приводит к увеличению интенсивности фотосинтеза з поверхностных водах, увеличению продуктивности, вследствие чего органических веществ производится много больше, чем потребляется, и избыток органических веществ аккумулируется на дне эстуария. Концентрация растворенного кислорода зависит главным образом от температуры воды, определяющей парциальное давление растворенных газов. Если парциальные давления растворенных в воде газов и газов, входящих в состав атмосферы, находятся в состоянии равновесия, то можно сказать, что растворенные газы насыщают воду данной температуры и солености. Если глубина распространения вертикальной циркуляиии ограничена температурной и соленостной стратификацией, то содержание кислорода на глубинах может оказаться недостаточным для дыхания организмов, потребляющих органические вещества. Поскольку кислорода будет не хватать, животные не смогут существовать на этих глубинах и их место займут анаэробные бактерии. В открытом океане такие случаи кислородной недостаточности очень редки, однако они наблюдаются в некоторых эстуариях, где обмен придонных вод с океаном ограничен мелководным порогом глубин. Наибольший водоем, не имеющий кислорода в глубинных водах,— Черное море.
Черное море
Черное море можно рассматривать как эстуарий Средиземного моря. Чтобы попасть в Черное море, воды океана должны сначала пройти Средиземное море, затем через Эгейское море войти в узкий пролив Дарданеллы, пересечь Мраморное море и, наконец, через узкий пролив Босфор они попадут в Черное море. Северная часть Черного моря соединяется с Азовским, являющимся эстуарием р. Дон. Другие важнейшие реки, впадающие в Черное море,— Дунай и Днепр. Циркуляция вод Черного моря определяется разностью между испарением, осадками и речным стоком. Если на испарение будет затрачено больше воды, чем поступит ее с осадками и стоком рек, то дефицит будет восполняться из Средиземного моря, что приведет к увеличению солености. В другом случае превышение поступления вод от стока и атмосферных осадков над потерей воды на испарение привело бы к стоку избытка вод в Средиземное море и понижению солености. Приток придонных вод высокой солености через пролив Босфор вызывает соленостную стратификацию Черного моря. Соленость поверхностных вод в приустьевых районах невелика, и даже в центре моря максимальная соленость 18,2%о. Средняя соленость поверхностных вод несколько ниже 18%о. На глубине, превышающей глубину сезонного перемешивания, соленость вод быстро увеличивается до 21,7%о на глубине 300 м. Далее до дна соленость плавно возрастает до 22,3%о. Поскольку соленость поверхностных вод Черного моря меньше, чем соленость придонных, последние могут обновляться только за счет притока соленых вод из Мраморного моря. Произведем приближенный расчет скорости обновления придонных вод. Площадь Черного моря 4,2-1015 см2 и объем его вод 5,4-1020 см3. Причем на глубинах ниже 100 м объем вод Черного моря 5-1020 см3. Средняя соленость глубинных вод около 22,2%о, отсюда общее количество соли в них 1,1-1019 г. Глубинные воды могут формироваться только за счет притока плотных придонных вод через Босфор. Если соленость глубинных вод устойчиво сохраняется, то количество соли, вносимой в море, равно количеству соли, выносимой из него, и составляет
Кислород в Черном море
Возраст вод на самых больших глубинах Черного моря около 2000 лет. В биологическом отношении Черное море характеризуется высокой продуктивностью; годовой объем производимого в нем сухого органического вещества до 1014 г. Это соответствует продуктивности порядка 100 г углерода на квадратный метр в год. Сочетание высокой продуктивности с медленной сменой глубинных вод приводит к истощению растворенного кислорода в глубинных слоях Черного моря. Таким образом, кислорода достаточно для биологических процессов в поверхностном слое, тогда как в глубинных водах его недостаточно и существование биологических популяций невозможно. Исходя из этого, можно было бы ожидать, что органические останки и ассоциирующиеся с ними биогены будут аккумулироваться на дне. Изменения характеристик вод с глубиной в центральной части Черного моря показаны на рис. 27.9. Возле поверхности изменчивость рассматриваемых элементов определяется сезонным циклом; летом температура вод возрастает, а соленость уменьшается. Содержание кислорода на глубинах более 50 м быстро убывает до нуля примерно на глубине 175 м. Ниже этого горизонта воды содержат сероводород, количество которого увеличивается с глубиной; возрастает и концентрация фосфатов. Поскольку окисление органического вещества в глубинных водах вследствие отсутствия кислорода невозможно, следовало бы ожидать аккумуляцию фосфатов в донных отложениях в виде компоненты неразложившихся органических соединений, и соответственно содержание фосфатов в глубинных водах должно было бы быть небольшим. Однако фактические данные показывают увеличение концентрации фосфатов ко дну, следовательно, этот биоген регенерируется. В случае отсутствия свободного кислорода органическое вещество поглощается сульфатредуцирующими бактериями. Бактерии преобразуют сульфатный ион в сульфидный и окисляют органическое вещество до С02 и воды. Сульфидный ион, соединяясь с водородным ионом, образует сероводород. Сульфатредуцирующие бактерии разлагают органическое вещество и высвобождают неорганические биогены в круговороте веществ. В результате перемешивания биогены постепенно возвращаются в поверхностные воды, где они утилизуются фитопланктоном. В богатых кислородом водах происходит окисление диффундирующего к поверхности сероводорода в сульфаты. В результате в поверхностных водах Черного моря концентрация сульфатов увеличивается, а в глубинных уменьшается.
Средиземное море
Вследствие того что в Черном море приток пресных вод превышает испарение, соленость его меньше, чем в океане. Приток придонных соленых вод через пролив Босфор приводит к выклиниванию кислорода на глубине более 150 м, где могут существовать только анаэробные сульфатредуцирующие бактерии. В Средиземном море, наоборот, испарение воды больше, чем ее поставляют атмосферные осадки и материковый сток. Превышение испарения определяет более высокую соленость вод Средиземного моря в сравнении с. Атлантическим океаном у входа в Гибралтарский пролив. Средняя соленость на поверхности Средиземного моря около 38,5%о, тогда как соленость вод Атлантического океана у входа в Гибралтарский пролив 36,6%о-В этом случае соотношение 38,5/36,6=1,05. Скорость обновления вод много больше в Средиземном море, чем в Черном. Вот какое следствие того, что Гибралтарский пролив значительно глубже и шире пролива Босфор. Водообмен обоих рассматриваемых проливов характеризуется противоположной направленностью. Распресненные поверхностные воды вытекают из Черного моря, а плотные соленые поступают в него. Поверхностные атлантические воды через Гибралтарский пролив входят в Средиземное море, тогда как плотные глубинные средиземноморские воды вытекают в придонных слоях пролива. Скорость притока поверхностных атлантических вод не определяет времени обновления придонных средиземноморских вод, так как их обновление зависит от образования этих вод в самом Средиземном море. Для того чтобы получить представление о глубинной циркуляции в Средиземном море, необходимо рассмотреть, как модифицируются поверхностные атлантические воды, поступающие через Гибралтар. После того как поверхностные атлантические воды пройдут через Гибралтарский пролив, они, распространяясь вдоль берегов Африки, направляются на восток, а затем поворачивают и идут на запад вдоль побережья Европы, образуя многочисленные вторичные круговороты. По мере продвижения вод с запада на восток превышение испарения над осадками определяет постепенное повышение солености. Распределение солености на поверхности показывает, что наивысшая соленость, достигающая более 39%о, наблюдается в северо-восточной части Средиземного моря. В то время как соленость возрастает преимущественно при движении с запада на восток, температура воды в зимний период понижается с юга на север. Таким образом, самые низкие температуры наблюдаются вдоль побережья Франции и в северной части Адриатического моря.
Глубинная циркуляция Средиземного моря
Глубинная циркуляция Средиземного моря определяется соотношением плотности высокосоленых теплых вод восточной и холодных менее соленых вод северной и центральной частей моря. Теплые воды с высокой соленостью имеют плотность, лишь незначительно меньшую, чем плотность холодных вод на севере. Высокая соленость поверхностных вод в восточной части моря приводит к образованию промежуточных вод, которые погружаются в зимний период и распространяются с востока на запад на глубине около 300 м. Текущие в западном направлении промежуточные воды распресняются вследствие смешения с выше- и нижележащими водами и придонным течением Гибралтарского пролива выносятся в Атлантический океан. Топография Черного моря сравнительно проста, поскольку оно представляет собой единичную депрессию глубиной около 2,2 км. Средиземноморские придонные воды образуются в двух районах. Наиболее плотные воды (ат=29,25) формируются в Адриатическом море. Эти воды распространяются вдоль дна на юг, смешиваясь с местными водами и заполняя придонные слои Ионической котловины. Из этой котловины воды поступают в Восточную котловину. Другой район формирования донных вод — Лионский залив. Воды в нем достигают плотности 29,1 и заполняют Западную котловину, из которой переливаются в Продуктивность Средиземного моря сравнительно невелика. Скорость образования придонных вод в Адриатическом море и Лионском заливе достаточна для возобновления кислорода, поглощаемого организмами, обитающими на глубинах. Однако так было не всегда. Изучение образцов грунта со дна Средиземного моря показывает существование слоев осадков, которые отлагались в условиях дефицита кислорода. Изменение климатических условий в предшествовавших эпохах, по-видимому, периодически уменьшало скорость образования донных вод до критической величины, ниже которой кислород в придонных водах истощался. Плотность поверхностных вод Средиземного моря значительно больше, чем в открытом океане. Плотность поверхностных вод Атлантического и Тихого океанов характеризуется величиной от, немногим превышающей 27, тогда как от Средиземного моря более 29. Вытекающие вдоль дна Гибралтарского пролива средиземноморские воды смешиваются с водами, поступающими из Атлантического океана, однако и после смешения их плотность остается значительно большей, чем плотность поверхностных вод Атлантического океана. Средиземноморские воды, выносимые в Атлантический океан, стекают по его дну до глубины порядка 1,2 км, где располагаются глубинные атлантические воды такой же плотности. Вынос средиземноморских вод оказывает значительное влияние на глубоководную циркуляцию Атлантического океана. Эстуарии — заливы океана, воды которых распреснены материковым стоком. Циркуляция вод в эстуариях зависит от объема стока пресной воды, силы приливных течений и интенсивности вертикального перемешивания. Эстуарии могут иметь или ярко выраженную соленостную стратификацию, или наибольший градиент солености в горизонтальном направлении. Превышение притока пресных вод над испарением в Черном море определило формирование соленостной стратификации, которая привела к истощению концентраций растворенного кислорода. В результате сульфатредуцирующие бактерии преобразуют органические вещества в СО2, используют сульфаты как источник кислорода для окисления органического вещества и последующего образования сероводорода. Превышение испарения над притоком пресных вод характерно для Средиземного моря. Донные воды Средиземного моря формируются вследствие осолонения поверхностных вод и охлаждения их в течение зимы в Адриатическом море и Лионском заливе.
Эстуарий — связанное с океаном полузамкнутое водное пространство, в котором воды значительно разбавлены пресной водой, стекающей с суши. Эстуарии многочисленны в таких районах, как восточное побережье США, где затоплены ледниковые долины, еще не заполненные речными отложениями. Воды в эстуариях —от пресных речных до вод нормальной морской солености, в зависимости от стока материковых вод и скорости водообмена эстуария с открытым океаном. Этот обмен может быть значительно усилен приливными течениями. Большая изменчивость солености сказывается на изменениях плотности, которая определяет вертикальную циркуляцию вод эстуария. Рассмотрим гипотетический эстуарий, представляющий собой затопленную речную долину, соединяющуюся узким проливом с океаном. Уровень вод в эстуарии будет повышаться и понижаться соответственно фазам прилива, однако не обязательно будет таким же, как в океане. Вследствие эффекта резонанса между периодичностью природных колебаний вод в эстуарии и частотой колебаний приливообразующих сил амплитуда уровня прилива в эстуарии может увеличиваться. Объем вод между уровнями полной и малой воды принято называть приливной призмой. В течение каждого приливного цикла объем вод равен объему обмена приливной призмы с океаном. Вынос вод из эстуария увеличивается за счет речного стока, поэтому существует разница между объемами вод, выносимых из эстуария и поступающих в него. Когда в эстуарии происходит приливное повышение уровня, в него поступают воды из океана, а при спаде прилива воды возвращаются в океан. Приливный водообмен накладывается на сток речных вод. Течение достигает максимума в период, когда уровень меняется наиболее быстро. Поток через пролив меняет направление на обратное непосредственно перед наступлением в эстуарии полной воды и сразу после малой воды, когда приливные течения оказываются сильнее стока речных вод. Время отсутствия сточного течения будет зависеть от отношения объемов речного стока и приливного водообмена. Если речной поток больше, чем скорость приливного водообмена, в эстуарии всегда будет сохраняться вынос вод, интенсивность которого будет модулироваться изменениями прилива.
Циркуляция вод в эстуарии
Циркуляция вод в эстуарии зависит от амплитуды прилива и развития вертикального перемешивания между пресными речными и солеными океаническими водами. Сначала рассмотрим случай, когда приливная призма пренебрежимо мала и вертикальное перемешивание невелико. Менее плотные речные воды натекают на плотные морские. В этом случае перемешивание при взаимодействии речных и морских вод слабо развито и лишь некоторая часть морских вод будет выноситься обратно в море вместе с пресными водами, а вынос будет возмещаться медленным придонным течением вновь поступивших морских вод. Граница солености между обеими водами будет сравнительно четкой; в пресных водах соленость возрастет после того, как в океане сильное волнение перемешает воды, в результате чего поток пресных вод рассеется. Если приливный водообмен останется пренебрежимо мал, а вертикальное перемешивание в эстуарии увеличится. В этом случае обмен между двумя водами более значителен и поэтому градиент солености по вертикали меньше; в эстуарий будет поступать больше морских вод, возмещающих воды, смешавшиеся с пресными и выносимые поверхностными течением из эстуария. Вертикальная структура солености при этом будет представлена тремя слоями: поверхностные воды малой солености, увеличение которой будет происходить в направлении к морю; придонные воды с соленостью, соответствующей солености моря, и промежуточный слой перепада солености, в котором происходит смешение. Движение вод поверхностного слоя будет направлено к морю, а поток придонных вод, наоборот, к суше. Растворенный и взвешенный сток рек в верхнем слое будет распространяться в море, тогда как влекомые наносы могут вноситься из океана в эстуарий. Примером эстуария с пренебрежимо малым влиянием прилива может служить устье р. Миссисипи. Здесь объем речного стока много больше, чем объем вод, поставляемых приливным течением. Текущие к морю речные воды подстилаются морскими. Наблюдается медленное придонное течение соленых вод из моря в реку, возмещающее морские воды, увлекаемые речным течением в море. При подъеме воды в реке соленый клин морских вод будет сокращаться, а при понижении уровня речных вод будет распространяться дальше в реку. В заключение рассмотрим, как изменяется циркуляция вод в эстуарии при различных фазах приливного течения. Так как уровень воды в эстуарии растет и падает соответственно фазам прилива, объем вод приливной призмы будет характеризовать водообмен между эстуарием и океаном. Таким образом, приливное течение будет усиливать как вынос речных вод, так и придонное течение. Если сток пресных вод пренебрежимо мал в сравнении с приливным водообменом, то распреснение вод в заливе будет незначительно. По этому признаку можно считать, что в данном случае мы имеем дело скорее с заливом, а не с эстуарием. Конечно, большей частью четко выраженного различия между эстуарием и заливом нет, в том и в другом случае есть много общих черт. И все же, в то время как залив с нормальной соленостью заселен обычной прибрежной фауной, в фауне эстуария доминируют семейства, способные обитать при низкой солености или при значительной ее изменчивости. Приливные течения увеличивают водообмен между океаном и эстуарием. В то же время сильные течения будут увеличивать перемешивание вод. В результате изменения солености по вертикали будут значительно сглажены. В таком случае более характерным будет изменение солености в горизонтальном направлении — от пресной воды за пределами распространения приливной волны до солености вод открытого моря. В каждом из эстуариев распределение солености своеобразно, более того, в одном и том же эстуарии распределение солености может изменяться во времени. Изучение результирующей Циркуляции в эстуариях часто осуществляется путем моделирования. Это особенно полезно в тех случаях, когда необходимо предусмотреть, как отразится на циркуляции вод в эстуарии строительстве тех или иных сооружений или, например, углубление фарватера.
Влияние деятельности человека на эстуарии
Многие из наиболее плотно населенных городов мира расположены на берегах эстуариев. В процессе урбанизации человек изменяет географию, прорывая каналы и засыпая прибрежные районы эстуария. Он использует воды эстуария для отдыха и в транспортных целях, сбрасывает индустриальные стоки и теплые воды паровых электростанций. Все эти не сопоставимые друг с другом воздействия оказывают влияние на экологические системы. Флора и фауна эстуариев, состоящие из сообществ, сформировавшихся на протяжении геологических эпох, характеразуются высокой продуктивностью и сравнительно небольшим видовым разнообразием. Кроме того, эстуарии также служат нерестилищами и питомниками для молоди многих животных, популяции взрослых особей которых обитают в открытом океане. Нарушения экологических условий эстуария отражаются не только на жизненных условиях типично эстуарных видов, например устриц, но и на численности некоторых видов прибрежных рыб. В качестве примера воздействия человека на режим водоема можно привести исследования Ритера (1954), показавшего, что причиной аномального разрастания водорослей в некоторых заливах Лонг-Айленда послужило сильное загрязнение в результате сброса в эти заливы сточных вод утиных ферм. Сточные воды содержали большое количество солей, стимулирующих растительность в морской воде. Соотношение фосфатов и нитратов в стоковых водах было значительно выше, чем в обычной морской воде. Нарушение баланса биогенов привело к разрастанию некоторых водорослей, что в свою очередь привело к угнетению популяций планктона, обычно населяющих эти заливы, и как следствие имело место значительное уменьшение урожайности устриц. Нормальный уровень концентрации питательных веществ в море таков, что органическое вещество, производимое в процессе фотосинтеза, может быть почти полностью потреблено организмами, использующими кислород, растворенный в воде. Избыток питательных веществ приводит к увеличению интенсивности фотосинтеза з поверхностных водах, увеличению продуктивности, вследствие чего органических веществ производится много больше, чем потребляется, и избыток органических веществ аккумулируется на дне эстуария. Концентрация растворенного кислорода зависит главным образом от температуры воды, определяющей парциальное давление растворенных газов. Если парциальные давления растворенных в воде газов и газов, входящих в состав атмосферы, находятся в состоянии равновесия, то можно сказать, что растворенные газы насыщают воду данной температуры и солености. Если глубина распространения вертикальной циркуляиии ограничена температурной и соленостной стратификацией, то содержание кислорода на глубинах может оказаться недостаточным для дыхания организмов, потребляющих органические вещества. Поскольку кислорода будет не хватать, животные не смогут существовать на этих глубинах и их место займут анаэробные бактерии. В открытом океане такие случаи кислородной недостаточности очень редки, однако они наблюдаются в некоторых эстуариях, где обмен придонных вод с океаном ограничен мелководным порогом глубин. Наибольший водоем, не имеющий кислорода в глубинных водах,— Черное море.
Черное море
Черное море можно рассматривать как эстуарий Средиземного моря. Чтобы попасть в Черное море, воды океана должны сначала пройти Средиземное море, затем через Эгейское море войти в узкий пролив Дарданеллы, пересечь Мраморное море и, наконец, через узкий пролив Босфор они попадут в Черное море. Северная часть Черного моря соединяется с Азовским, являющимся эстуарием р. Дон. Другие важнейшие реки, впадающие в Черное море,— Дунай и Днепр. Циркуляция вод Черного моря определяется разностью между испарением, осадками и речным стоком. Если на испарение будет затрачено больше воды, чем поступит ее с осадками и стоком рек, то дефицит будет восполняться из Средиземного моря, что приведет к увеличению солености. В другом случае превышение поступления вод от стока и атмосферных осадков над потерей воды на испарение привело бы к стоку избытка вод в Средиземное море и понижению солености. Приток придонных вод высокой солености через пролив Босфор вызывает соленостную стратификацию Черного моря. Соленость поверхностных вод в приустьевых районах невелика, и даже в центре моря максимальная соленость 18,2%о. Средняя соленость поверхностных вод несколько ниже 18%о. На глубине, превышающей глубину сезонного перемешивания, соленость вод быстро увеличивается до 21,7%о на глубине 300 м. Далее до дна соленость плавно возрастает до 22,3%о. Поскольку соленость поверхностных вод Черного моря меньше, чем соленость придонных, последние могут обновляться только за счет притока соленых вод из Мраморного моря. Произведем приближенный расчет скорости обновления придонных вод. Площадь Черного моря 4,2-1015 см2 и объем его вод 5,4-1020 см3. Причем на глубинах ниже 100 м объем вод Черного моря 5-1020 см3. Средняя соленость глубинных вод около 22,2%о, отсюда общее количество соли в них 1,1-1019 г. Глубинные воды могут формироваться только за счет притока плотных придонных вод через Босфор. Если соленость глубинных вод устойчиво сохраняется, то количество соли, вносимой в море, равно количеству соли, выносимой из него, и составляет
Кислород в Черном море
Возраст вод на самых больших глубинах Черного моря около 2000 лет. В биологическом отношении Черное море характеризуется высокой продуктивностью; годовой объем производимого в нем сухого органического вещества до 1014 г. Это соответствует продуктивности порядка 100 г углерода на квадратный метр в год. Сочетание высокой продуктивности с медленной сменой глубинных вод приводит к истощению растворенного кислорода в глубинных слоях Черного моря. Таким образом, кислорода достаточно для биологических процессов в поверхностном слое, тогда как в глубинных водах его недостаточно и существование биологических популяций невозможно. Исходя из этого, можно было бы ожидать, что органические останки и ассоциирующиеся с ними биогены будут аккумулироваться на дне. Изменения характеристик вод с глубиной в центральной части Черного моря показаны на рис. 27.9. Возле поверхности изменчивость рассматриваемых элементов определяется сезонным циклом; летом температура вод возрастает, а соленость уменьшается. Содержание кислорода на глубинах более 50 м быстро убывает до нуля примерно на глубине 175 м. Ниже этого горизонта воды содержат сероводород, количество которого увеличивается с глубиной; возрастает и концентрация фосфатов. Поскольку окисление органического вещества в глубинных водах вследствие отсутствия кислорода невозможно, следовало бы ожидать аккумуляцию фосфатов в донных отложениях в виде компоненты неразложившихся органических соединений, и соответственно содержание фосфатов в глубинных водах должно было бы быть небольшим. Однако фактические данные показывают увеличение концентрации фосфатов ко дну, следовательно, этот биоген регенерируется. В случае отсутствия свободного кислорода органическое вещество поглощается сульфатредуцирующими бактериями. Бактерии преобразуют сульфатный ион в сульфидный и окисляют органическое вещество до С02 и воды. Сульфидный ион, соединяясь с водородным ионом, образует сероводород. Сульфатредуцирующие бактерии разлагают органическое вещество и высвобождают неорганические биогены в круговороте веществ. В результате перемешивания биогены постепенно возвращаются в поверхностные воды, где они утилизуются фитопланктоном. В богатых кислородом водах происходит окисление диффундирующего к поверхности сероводорода в сульфаты. В результате в поверхностных водах Черного моря концентрация сульфатов увеличивается, а в глубинных уменьшается.
Средиземное море
Вследствие того что в Черном море приток пресных вод превышает испарение, соленость его меньше, чем в океане. Приток придонных соленых вод через пролив Босфор приводит к выклиниванию кислорода на глубине более 150 м, где могут существовать только анаэробные сульфатредуцирующие бактерии. В Средиземном море, наоборот, испарение воды больше, чем ее поставляют атмосферные осадки и материковый сток. Превышение испарения определяет более высокую соленость вод Средиземного моря в сравнении с. Атлантическим океаном у входа в Гибралтарский пролив. Средняя соленость на поверхности Средиземного моря около 38,5%о, тогда как соленость вод Атлантического океана у входа в Гибралтарский пролив 36,6%о-В этом случае соотношение 38,5/36,6=1,05. Скорость обновления вод много больше в Средиземном море, чем в Черном. Вот какое следствие того, что Гибралтарский пролив значительно глубже и шире пролива Босфор. Водообмен обоих рассматриваемых проливов характеризуется противоположной направленностью. Распресненные поверхностные воды вытекают из Черного моря, а плотные соленые поступают в него. Поверхностные атлантические воды через Гибралтарский пролив входят в Средиземное море, тогда как плотные глубинные средиземноморские воды вытекают в придонных слоях пролива. Скорость притока поверхностных атлантических вод не определяет времени обновления придонных средиземноморских вод, так как их обновление зависит от образования этих вод в самом Средиземном море. Для того чтобы получить представление о глубинной циркуляции в Средиземном море, необходимо рассмотреть, как модифицируются поверхностные атлантические воды, поступающие через Гибралтар. После того как поверхностные атлантические воды пройдут через Гибралтарский пролив, они, распространяясь вдоль берегов Африки, направляются на восток, а затем поворачивают и идут на запад вдоль побережья Европы, образуя многочисленные вторичные круговороты. По мере продвижения вод с запада на восток превышение испарения над осадками определяет постепенное повышение солености. Распределение солености на поверхности показывает, что наивысшая соленость, достигающая более 39%о, наблюдается в северо-восточной части Средиземного моря. В то время как соленость возрастает преимущественно при движении с запада на восток, температура воды в зимний период понижается с юга на север. Таким образом, самые низкие температуры наблюдаются вдоль побережья Франции и в северной части Адриатического моря.
Глубинная циркуляция Средиземного моря
Глубинная циркуляция Средиземного моря определяется соотношением плотности высокосоленых теплых вод восточной и холодных менее соленых вод северной и центральной частей моря. Теплые воды с высокой соленостью имеют плотность, лишь незначительно меньшую, чем плотность холодных вод на севере. Высокая соленость поверхностных вод в восточной части моря приводит к образованию промежуточных вод, которые погружаются в зимний период и распространяются с востока на запад на глубине около 300 м. Текущие в западном направлении промежуточные воды распресняются вследствие смешения с выше- и нижележащими водами и придонным течением Гибралтарского пролива выносятся в Атлантический океан. Топография Черного моря сравнительно проста, поскольку оно представляет собой единичную депрессию глубиной около 2,2 км. Средиземноморские придонные воды образуются в двух районах. Наиболее плотные воды (ат=29,25) формируются в Адриатическом море. Эти воды распространяются вдоль дна на юг, смешиваясь с местными водами и заполняя придонные слои Ионической котловины. Из этой котловины воды поступают в Восточную котловину. Другой район формирования донных вод — Лионский залив. Воды в нем достигают плотности 29,1 и заполняют Западную котловину, из которой переливаются в Продуктивность Средиземного моря сравнительно невелика. Скорость образования придонных вод в Адриатическом море и Лионском заливе достаточна для возобновления кислорода, поглощаемого организмами, обитающими на глубинах. Однако так было не всегда. Изучение образцов грунта со дна Средиземного моря показывает существование слоев осадков, которые отлагались в условиях дефицита кислорода. Изменение климатических условий в предшествовавших эпохах, по-видимому, периодически уменьшало скорость образования донных вод до критической величины, ниже которой кислород в придонных водах истощался. Плотность поверхностных вод Средиземного моря значительно больше, чем в открытом океане. Плотность поверхностных вод Атлантического и Тихого океанов характеризуется величиной от, немногим превышающей 27, тогда как от Средиземного моря более 29. Вытекающие вдоль дна Гибралтарского пролива средиземноморские воды смешиваются с водами, поступающими из Атлантического океана, однако и после смешения их плотность остается значительно большей, чем плотность поверхностных вод Атлантического океана. Средиземноморские воды, выносимые в Атлантический океан, стекают по его дну до глубины порядка 1,2 км, где располагаются глубинные атлантические воды такой же плотности. Вынос средиземноморских вод оказывает значительное влияние на глубоководную циркуляцию Атлантического океана. Эстуарии — заливы океана, воды которых распреснены материковым стоком. Циркуляция вод в эстуариях зависит от объема стока пресной воды, силы приливных течений и интенсивности вертикального перемешивания. Эстуарии могут иметь или ярко выраженную соленостную стратификацию, или наибольший градиент солености в горизонтальном направлении. Превышение притока пресных вод над испарением в Черном море определило формирование соленостной стратификации, которая привела к истощению концентраций растворенного кислорода. В результате сульфатредуцирующие бактерии преобразуют органические вещества в СО2, используют сульфаты как источник кислорода для окисления органического вещества и последующего образования сероводорода. Превышение испарения над притоком пресных вод характерно для Средиземного моря. Донные воды Средиземного моря формируются вследствие осолонения поверхностных вод и охлаждения их в течение зимы в Адриатическом море и Лионском заливе.
