Реки мира каждую секунду выливают в океан 109 кг пресной воды. Почему этот постоянный поток не приводит к переполнению моря или уменьшению его солености? Причина в том, что вода рек является только одной частью гидрологического цикла: вода испаряется из моря и затем конденсируется в атмосфере; падая частью на сушу, вода собирается в реки и возвращается в море. Так как дождевая вода просачивается через сушу и скатывается по ней, то она растворяет минеральные горные породы и выносит их в море. Океан не разбавляется речной водой. Наоборот, мы должны ожидать, что его соленость увеличивается вследствие поступления солей, выщелачивавших стекающими по суше водами. Таким образом, можно предположить, что морская вода является концентрированной речной водой. Если это так, то возраст океана можно установить по продолжительности времени, в течение которого реки доставляют соли, находящиеся в море. Чтобы проверить это предположение, рассмотрим состав морской и речной воды.
Для речной воды рецепта не требуется. Просто заключаем, что вода взята из ближайшего потока. Однако, чтобы количественно сравнить воды моря и реки, мы должны определить содержание основных составляющих веществ в обоих растворах. Так как различные соли в воде находятся в виде ионов, то лучше перечислить содержание этих ионов в воде. Так как растворы электрически нейтральны, то выраженные в эквивалентной форме суммы концентраций положительных ионов (катионов) и отрицательных ионов (анионов) должны быть равны. Мы сделали допущение, что вода, которая испаряется из моря, а затем выпадает на сушу, является чистой Н2О. В действительности это не так. В море образуется много брызг. При образовании брызг некоторые мелкие водяные капли испаряются и вносят в атмосферу крошечные кристаллы морской соли. Так как их размеры малы, то кристаллы соли не выпадают обратно в океан, а переносятся ветром на сушу, где их присутствие приводит к более быстрому разрушению металлов в прибрежных районах. Крошечные кристаллы соли вызывают насыщение и конденсацию водяных паров и таким образом образуют ядра — образования капелек воды в облаках. Затем капельки коагулируются в дождь, и морская соль выпадает с дождем в реки, чтобы еще раз вернуться в море. Этот процесс приводит к круговороту морокой соли. Соли, повторно возвращающиеся в океан, называются циклическими. Трудно определить средний вклад циклических солей в речную воду. Очевидно, что он высок у морского побережья и уменьшается в глубь материка. Так как выветривающиеся горные породы обычно содержат очень мало ионов хлора, и если допустить, что все ионы хлора в речную воду попали как циклические соли, то мы должны получить огромную величину для циклических солей. Тогда другие ионы, включающиеся в циклические соли, будут иметь то же самое отношение к хлоридам, какое они имеют в морской воде.
Время пребывания воды в океане по сравнению со временем перемешивания
Проследим за молекулой воды во время ее движения через океан. На поверхности, где ветровые течения относительно быстрые, молекула будет обращаться со скоростью один круговорот за несколько лет. В глубинах океана циркуляция намного медленнее. Можно получить представление о скорости движения глубинных вод, изучая в них концентрацию радиоактивного углерода. Атомы радиоактивного углерода — углерода-14 (14С)—образуются в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей из атомов азота путем захвата нейтронов. Возникший радиоактивный углерод сразу же образует с кислородом двуокись углерода, которая смешивается с обычной двуокисью углерода атмосферы. Таким образом в состав молекулы СО2 входит нестабильный атом 14С с периодом полураспада 5600 лет (точно через 5600 лет половина атомов НС распадается). Углерод-14 в атмосфере имеет постоянную концентрацию, так как скорость образования 14С космическими лучами равна скорости их распада. Углерод-14 в виде СО2 растворяется в поверхностной воде океана и заносится с водой на глубины. Если вода лишена контакта с атмосферой, то невозможно новое поступление 14С, а уже имеющийся 14С будет постепенно распадаться и концентрация его не сохранится. Таким образом, концентрация углерода уменьшается во времени до тех пор, пока вода не вернется к поверхности, где она еще раз может обменяться двуокисью углерода с атмосферой. Поэтому мы можем использовать уменьшение концентрации 14С, чтобы определить, как долго был нарушен контакт океанической воды с атмосферой. Этим методом установлено, что «возраст» глубинных вод колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Таким образом, молекулы воды на глубинах могут находиться около 103 лет до возвращения на поверхность. Следовательно, время перемешивания океана — порядка 103 лет. Если составляющие воды поступают в океан с небольшой по сравнению со временем перемешивания скоростью, то они будут равномерно распределяться по всему океану. Если скорость поступления является большой в сравнении со скоростью перемешивания, то можно предполагать, что концентрации составляющих окажутся существенно различными от места к месту. Продолжительность их пребывания в океане велика в сравнении со временем перемешивания, и поэтому они равномерно распределены по всему океану. Несмотря на обмен водяным паром между океаном и атмосферой, вызывающий изменения солености в поверхностном слое воды, испарение не приводит к изменению соотношения основных ионов морской воды. Таким образом, физические свойства морской воды зависят только от солености. Например, концентрацию ионов Na+ можно точно определить по солености без выполнения химического анализа. Биологическая активность в море влияет на концентрацию ионов бикарбонатов и кальция. В результате концентрация этих элементов в поверхностном слое воды несколько меньше, чем в глубинной воде. Однако эти изменения малы и влияют на физические свойства морской воды незначительно. Концентрации разной формы двуокиси углерода должны определяться химическим анализом, так как в отличие от концентрации ионов натрия они не могут быть вычислены по известной солености. К счастью, изменения содержания двуокиси углерода (рассматриваемые более детально в следующей главе) не оказывают значительного влияния на физическце свойства морской воды.
Другие составляющие элементы морской воды
Многие микроэлементы адсорбируются организмами в море или выпадают в осадок в виде отложений, которые выстилают океаническое дно. Особый интерес представляют так называемые биогенные, или питательные, вещества. Эти вещества являются существенными для роста растений в море. Мы рассмотрим распределение этих веществ в главе 25, когда будем изучать экологию океана. Газы, находящиеся в составе атмосферы, также растворены в морской воде. При повышении температуры растворимость газов атмосферы в воде значительно уменьшается. Поверхностная вода, которая находится в контакте с атмосферой, обычно насыщена атмосферными газами. Однако, когда вода опускается на глубину, то она долго может не обмениваться газами с атмосферой. Азот в значительной степени инертен и поэтому его концентрация остается постоянной. Кислород в море используют организмы для дыхания. В результате длительного пребывания воды на глубине содержание растворенного кислорода значительно уменьшается. Растворенный кислород поэтому может быть использован для определения движения глубинной воды по зависимости от времени нахождения на глубине. Сравнение состава морской и речной воды показывает, что морская вода не является просто концентрированной речной водой. Время пребывания основных ионов в океане изменяется примерно от 105 лет для бикарбонатов до 108 лет и более для натрия. Таким образом, продолжительность пребывания этих элементов значительно превышает время перемешивания. В результате, хотя соленость в океане изменяется, относительная концентрация главных солей действительно является постоянной. Многие микроэлементы в морской воде имеют очень короткое время пребывания, поэтому их концентрация может изменяться от места к месту.
Круговорот углерода
Из главных ионов морской воды самое короткое время пребывания имеют бикарбонаты. В то же время устойчивое сохранение концентрации бикарбонатов в море является одной из наиважнейших проблем. В тепловом балансе атмосферы и выветривании горных, пород главную роль играет двуокись углерода. Она образуется в результате окисления органического вещества и является источником углерода для растений. Изучение того, каким образом этот элемент передается через живые организмы от суши к морю и в атмосферу, проливает свет также на другие геохимические круговороты. Большинство компонентов морской воды подвержено подобной цикличности. Поэтому вместо того чтобы рассматривать подробно все круговороты, сосредоточим внимание на геохимическом круговороте двуокиси углерода.
Производные двуокиси углерода
В окружающей среде двуокись углерода существует в различных формах. В атмосфере содержится 0,03,% СО2. Двуокись углерода сильно поглощает инфракрасную радиацию, что влияет на тепловой баланс Земли. Карбонатные ионы в соединении с щелочными ионами, например кальция (Са+) и магния (Mg2+), образуют большую часть осадочных пород — известняки и доломиты. Карбонатные породы существуют в виде рыхлых осадков и консолидированных — отвердевших Пород. Когда консолидированные осадки залегают глубоко, то превращаются в мрамор. Двуокись углерода является источником углерода для всех растений, а когда растения поедаются животными, то большая часть органического углерода выдается как двуокись углерода. Некоторая часть органического Углерода оказывается погребенной под отложениями. Если содержание органики достаточно высокое, то ископаемое органическое вещество может быть извлечено в виде горючего: нефти или природного газа.
Круговорот карбонатов на поверхности Земли
Рассмотрим эффект поступления речной воды в океан в течение длительного времени. Так как вода будет вновь испаряться, то общее воздействие этих процессов увеличивает в морской воде содержание НС03, и следовательно, точка на диаграмме Диффейса будет перемещаться вверх и вправо под углом 45°. Что может противодействовать этому? Осаждение карбоната кальция, происходящее главным образом при отмирании растений, животных, которые строят свои скелеты из СаСО3. Однако осаждение карбонатов повлечет за собой уменьшение щелочности и общей СО2 в соотношении 2:1. Таким образом, точка А не может вернуться к исходному положению. Скорее, в этом случае будет та же самая щелочность и избыток СО2. Чтобы закончить круговорот, избыток СО2 выделяется в атмосферу, где двуокись углерода растворяется в дождевой воде. Щелочность и концентрация СО2 чистой воды равны нулю. Когда СО2 растворяется в чистой воде, то увеличивается общая СОг, а щелочность остается без изменения. Речная вода затем возвращается в море, и цикл повторяется. Общим результатом цикла является растворение карбонатных пород на суше и осаждение их в море. Концентраций в атмосфере и океане остаются теми же самыми. В море силикаты взаимодействуют с водой, изменяя ее щелочность. От места к месту изменяются детали процесса, зависящие от пород, подверженных эрозии дождевой водой. На изолированных в океане островах, сложенных из карбонатов, таких, как низкие коралловые атоллы, процесс в основном будет протекать. Дождевая вода непрерывно растворяет обнаженный известняк на острове, в то время как растения и животные снова осаждают карбонат кальция на мелководье вокруг острова. круговорот карбонатов в море Дыхание животных в глубинных водах, в темноте, увеличивает концентрацию С02, в то время как щелочность остается неизменной, на котором точки из глубинных горизонтов перемещаются пропорционально вправо. Из рисунка также видно слабое увеличение щелочности с глубиной. Внутренний или внешний скелет многих растений и животных состоит из клеток, содержащих карбонат кальция. Многие из этих животных плавают в море, и когда они погибают, их скелеты падают на морское дно. Другие растения и животные обитают на дне шельфа. Таким образом, на мелководье скапливается карбонат кальция. Именно поэтому на вершинах погружающихся вулканов, наиболее близких к поверхности моря в тропических водах, имеют место наибольшие скопления отложений карбоната кальция — продукта жизнедеятельности морских растений и животных.
Растворимость карбоната кальция в морской воде
Для того чтобы раствор находился в состоянии равновесия с твердым карбонатом кальция, произведение концентрации ионов кальция и карбоната должно иметь определенную величину, соответствующую растворимости карбоната кальция. Ряд химиков уже определили произведение растворимости карбоната кальция в морской воде. Их эксперименты дали величины, различающиеся в два раза. Чтобы обнаружить, ненасыщенна или пересыщена карбонатом кальция морская вода» мы можем исследовать сложенные из известняков берега. Если бы морская вода была недосыщена, то карбонатные отложения растворялись бы; если бы она была пересыщена, то осаждения карбонатов кальция на рыхлых отложениях сцементировал бы их вместе в твердую скалу.
Круговорот углерода
В современных условиях формирование карбонатных отложений прослеживается с трудом. В поверхностной воде тропиков мы видим относительно мало следов растворения или осаждения. В тропических областях приливные бары, лишенные осадков терригенного происхождения, состоят из сферических зерен карбоната кальция размером с песок, названных отолитами. Они образовались при медленном осаждении из морской воды карбоната кальция. На некоторых берегах известковые осадки сцементированы вместе с карбонатом кальция до форм твердой береговой скалы. Однако многие карбонатные обломки раковин существуют в морской воде в течение тысячи лет без роста или цементирования. В другом месте мы обнаруживаем низкие утесы, вырезанные в известняке в приливной (литоральной) зоне. Морская вода близ поверхности, поглощая СО2 из атмосферы, становится насыщенной СО2, и эта вода более агрессивная и может растворять известняк. Этим и объясняется описанный выше феномен. Точные измерения, однако, показали, что морская вода вблизи подводной части утесов существенно не различается по рН от воды ниже их. Исследование показало, что затопляемая приливом часть утеса заселена обильной фауной. Эмери (1962), исследуя о. Гуам, заметил, что затопляемые приливом части утесав плотно заселены моллюсками и что каждый из моллюсков в скальной поверхности занимает незначительное углубление, которое соответствует форме животного. Затем он проанализировал химический состав только что собранных моллюсков и нашел их значительно более кислыми, чем морская вода. Иначе говоря, в приливной зоне животные обитают в крошечных впадинах, которые они создали, растворяя или поглощая скалу. Таким образом, подводная часть утеса является продуктом биологического растворения, « неясно, способна ли морская вода сама по себе растворять известняк. Морские растения и животные могут «гравировать» известняк, а при отмирании их скелеты осаждаются. По-видимому, морская вода слабо взаимодействует с известняком, так как крошечные скелеты на известковом берегу остаются, в сущности, неизменными в течение тысячи лет. Однако пресная вода ведет себя иначе, так как она легко растворяет или осаждает карбонатные соли, что приводит к формированию известковых впадин (карст). Исследуя это явление, автор (1967) нашел, что различие в свойствах морской и пресной воды, по-видимому, является следствием высокой концентрации магния в морской воде. Ион магния химически сходен с ионом кальция, за исключением того, что он имеет незначительно меньший радиус и образует с кальцием доломит (CaMg(C03)2). В карбонатах кальция, поглощаемых некоторыми растениями, содержание магния достигает 20%. Из этого материала строятся скелеты растений, которые значительно более растворимы, чем чистые карбонаты кальция. Таким образом, магний может осаждаться с карбонатом кальция, способствуя высокой растворимости кристаллов. Если кристалл карбоната кальция поместить в морскую воду, которая пересыщена карбонатом кальция, то начнется осаждение этой соли на поверхность кристалла, причем одновременно осаждается и некоторое количество магния. Растворение солей увеличивается лишь до тех пор, пока концентрация их в морской воде низкая. Следовательно, растущий кристалл придет в равновесие с морской водой. После очень малого роста осаждение приостанавливается, так как поверхность кристалла теперь содержит магний и создалось равновесие между раствором и морской водой. В пресной воде осаждение продолжается, пока концентрация кальция, умноженная на концентрацию карбоната в воде, станет равновесной с чистым кристаллом. Поэтому создается впечатление, что в то время, как поверхность кристалла, соприкасающаяся с морской водой, в основном пересыщена карбонатом кальция, осаждающийся магний образует на ней очень тонкий поверхностный слой, который находится в равновесии с морской водой. При превышении двукратной концентрации карбоната зерна известняка находятся в морской воде без заметного растворения или осаждения. Это объясняет, почему различные исследователи получили такие разные произведения растворимости карбоната кальция в морской воде, в то время как результаты исследования в пресной воде не показывают таких
расхождений.
„Снеговая" линия
Если перейти от мелководных районов тропических вод к глубинам океана, ситуация упростится. В верхних слоях океана обитают крошечные животные с карбонатными раковинами. После их смерти раковины медленно падают на океаническое дно. За время их погружения вода насыщается или пересыщается; частицы, падая на дно, образуют обширные площади глубоководных морских осадков. Если глубинная вода недосыщена, то мелкие раковины растворяются прежде, чем они достигнут дна. В глубоководных осадках имеется граница, ниже которой отсутствует карбонат кальция. Так как мелкие, медленно осаждающиеся раковины белые, то линия, которая отделяет известковые осадки от неизвестковых глубоководных осадков, получила название „снеговой". Подводные возвышенности выше „снеговой" линии покрыты белыми известковыми осадками. На больших глубинах встречаются лишь немногочисленные, изъеденные растворением частицы карбоната кальция, выдержавшие путешествие через ненасыщенные воды ниже „снеговой" линии.
Состав морокой и речной воды
Для речной воды рецепта не требуется. Просто заключаем, что вода взята из ближайшего потока. Однако, чтобы количественно сравнить воды моря и реки, мы должны определить содержание основных составляющих веществ в обоих растворах. Так как различные соли в воде находятся в виде ионов, то лучше перечислить содержание этих ионов в воде. Так как растворы электрически нейтральны, то выраженные в эквивалентной форме суммы концентраций положительных ионов (катионов) и отрицательных ионов (анионов) должны быть равны. Мы сделали допущение, что вода, которая испаряется из моря, а затем выпадает на сушу, является чистой Н2О. В действительности это не так. В море образуется много брызг. При образовании брызг некоторые мелкие водяные капли испаряются и вносят в атмосферу крошечные кристаллы морской соли. Так как их размеры малы, то кристаллы соли не выпадают обратно в океан, а переносятся ветром на сушу, где их присутствие приводит к более быстрому разрушению металлов в прибрежных районах. Крошечные кристаллы соли вызывают насыщение и конденсацию водяных паров и таким образом образуют ядра — образования капелек воды в облаках. Затем капельки коагулируются в дождь, и морская соль выпадает с дождем в реки, чтобы еще раз вернуться в море. Этот процесс приводит к круговороту морокой соли. Соли, повторно возвращающиеся в океан, называются циклическими. Трудно определить средний вклад циклических солей в речную воду. Очевидно, что он высок у морского побережья и уменьшается в глубь материка. Так как выветривающиеся горные породы обычно содержат очень мало ионов хлора, и если допустить, что все ионы хлора в речную воду попали как циклические соли, то мы должны получить огромную величину для циклических солей. Тогда другие ионы, включающиеся в циклические соли, будут иметь то же самое отношение к хлоридам, какое они имеют в морской воде.
Время пребывания воды в океане по сравнению со временем перемешивания
Проследим за молекулой воды во время ее движения через океан. На поверхности, где ветровые течения относительно быстрые, молекула будет обращаться со скоростью один круговорот за несколько лет. В глубинах океана циркуляция намного медленнее. Можно получить представление о скорости движения глубинных вод, изучая в них концентрацию радиоактивного углерода. Атомы радиоактивного углерода — углерода-14 (14С)—образуются в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей из атомов азота путем захвата нейтронов. Возникший радиоактивный углерод сразу же образует с кислородом двуокись углерода, которая смешивается с обычной двуокисью углерода атмосферы. Таким образом в состав молекулы СО2 входит нестабильный атом 14С с периодом полураспада 5600 лет (точно через 5600 лет половина атомов НС распадается). Углерод-14 в атмосфере имеет постоянную концентрацию, так как скорость образования 14С космическими лучами равна скорости их распада. Углерод-14 в виде СО2 растворяется в поверхностной воде океана и заносится с водой на глубины. Если вода лишена контакта с атмосферой, то невозможно новое поступление 14С, а уже имеющийся 14С будет постепенно распадаться и концентрация его не сохранится. Таким образом, концентрация углерода уменьшается во времени до тех пор, пока вода не вернется к поверхности, где она еще раз может обменяться двуокисью углерода с атмосферой. Поэтому мы можем использовать уменьшение концентрации 14С, чтобы определить, как долго был нарушен контакт океанической воды с атмосферой. Этим методом установлено, что «возраст» глубинных вод колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Таким образом, молекулы воды на глубинах могут находиться около 103 лет до возвращения на поверхность. Следовательно, время перемешивания океана — порядка 103 лет. Если составляющие воды поступают в океан с небольшой по сравнению со временем перемешивания скоростью, то они будут равномерно распределяться по всему океану. Если скорость поступления является большой в сравнении со скоростью перемешивания, то можно предполагать, что концентрации составляющих окажутся существенно различными от места к месту. Продолжительность их пребывания в океане велика в сравнении со временем перемешивания, и поэтому они равномерно распределены по всему океану. Несмотря на обмен водяным паром между океаном и атмосферой, вызывающий изменения солености в поверхностном слое воды, испарение не приводит к изменению соотношения основных ионов морской воды. Таким образом, физические свойства морской воды зависят только от солености. Например, концентрацию ионов Na+ можно точно определить по солености без выполнения химического анализа. Биологическая активность в море влияет на концентрацию ионов бикарбонатов и кальция. В результате концентрация этих элементов в поверхностном слое воды несколько меньше, чем в глубинной воде. Однако эти изменения малы и влияют на физические свойства морской воды незначительно. Концентрации разной формы двуокиси углерода должны определяться химическим анализом, так как в отличие от концентрации ионов натрия они не могут быть вычислены по известной солености. К счастью, изменения содержания двуокиси углерода (рассматриваемые более детально в следующей главе) не оказывают значительного влияния на физическце свойства морской воды.
Другие составляющие элементы морской воды
Многие микроэлементы адсорбируются организмами в море или выпадают в осадок в виде отложений, которые выстилают океаническое дно. Особый интерес представляют так называемые биогенные, или питательные, вещества. Эти вещества являются существенными для роста растений в море. Мы рассмотрим распределение этих веществ в главе 25, когда будем изучать экологию океана. Газы, находящиеся в составе атмосферы, также растворены в морской воде. При повышении температуры растворимость газов атмосферы в воде значительно уменьшается. Поверхностная вода, которая находится в контакте с атмосферой, обычно насыщена атмосферными газами. Однако, когда вода опускается на глубину, то она долго может не обмениваться газами с атмосферой. Азот в значительной степени инертен и поэтому его концентрация остается постоянной. Кислород в море используют организмы для дыхания. В результате длительного пребывания воды на глубине содержание растворенного кислорода значительно уменьшается. Растворенный кислород поэтому может быть использован для определения движения глубинной воды по зависимости от времени нахождения на глубине. Сравнение состава морской и речной воды показывает, что морская вода не является просто концентрированной речной водой. Время пребывания основных ионов в океане изменяется примерно от 105 лет для бикарбонатов до 108 лет и более для натрия. Таким образом, продолжительность пребывания этих элементов значительно превышает время перемешивания. В результате, хотя соленость в океане изменяется, относительная концентрация главных солей действительно является постоянной. Многие микроэлементы в морской воде имеют очень короткое время пребывания, поэтому их концентрация может изменяться от места к месту.
Круговорот углерода
Из главных ионов морской воды самое короткое время пребывания имеют бикарбонаты. В то же время устойчивое сохранение концентрации бикарбонатов в море является одной из наиважнейших проблем. В тепловом балансе атмосферы и выветривании горных, пород главную роль играет двуокись углерода. Она образуется в результате окисления органического вещества и является источником углерода для растений. Изучение того, каким образом этот элемент передается через живые организмы от суши к морю и в атмосферу, проливает свет также на другие геохимические круговороты. Большинство компонентов морской воды подвержено подобной цикличности. Поэтому вместо того чтобы рассматривать подробно все круговороты, сосредоточим внимание на геохимическом круговороте двуокиси углерода.
Производные двуокиси углерода
В окружающей среде двуокись углерода существует в различных формах. В атмосфере содержится 0,03,% СО2. Двуокись углерода сильно поглощает инфракрасную радиацию, что влияет на тепловой баланс Земли. Карбонатные ионы в соединении с щелочными ионами, например кальция (Са+) и магния (Mg2+), образуют большую часть осадочных пород — известняки и доломиты. Карбонатные породы существуют в виде рыхлых осадков и консолидированных — отвердевших Пород. Когда консолидированные осадки залегают глубоко, то превращаются в мрамор. Двуокись углерода является источником углерода для всех растений, а когда растения поедаются животными, то большая часть органического углерода выдается как двуокись углерода. Некоторая часть органического Углерода оказывается погребенной под отложениями. Если содержание органики достаточно высокое, то ископаемое органическое вещество может быть извлечено в виде горючего: нефти или природного газа.
Круговорот карбонатов на поверхности Земли
Рассмотрим эффект поступления речной воды в океан в течение длительного времени. Так как вода будет вновь испаряться, то общее воздействие этих процессов увеличивает в морской воде содержание НС03, и следовательно, точка на диаграмме Диффейса будет перемещаться вверх и вправо под углом 45°. Что может противодействовать этому? Осаждение карбоната кальция, происходящее главным образом при отмирании растений, животных, которые строят свои скелеты из СаСО3. Однако осаждение карбонатов повлечет за собой уменьшение щелочности и общей СО2 в соотношении 2:1. Таким образом, точка А не может вернуться к исходному положению. Скорее, в этом случае будет та же самая щелочность и избыток СО2. Чтобы закончить круговорот, избыток СО2 выделяется в атмосферу, где двуокись углерода растворяется в дождевой воде. Щелочность и концентрация СО2 чистой воды равны нулю. Когда СО2 растворяется в чистой воде, то увеличивается общая СОг, а щелочность остается без изменения. Речная вода затем возвращается в море, и цикл повторяется. Общим результатом цикла является растворение карбонатных пород на суше и осаждение их в море. Концентраций в атмосфере и океане остаются теми же самыми. В море силикаты взаимодействуют с водой, изменяя ее щелочность. От места к месту изменяются детали процесса, зависящие от пород, подверженных эрозии дождевой водой. На изолированных в океане островах, сложенных из карбонатов, таких, как низкие коралловые атоллы, процесс в основном будет протекать. Дождевая вода непрерывно растворяет обнаженный известняк на острове, в то время как растения и животные снова осаждают карбонат кальция на мелководье вокруг острова. круговорот карбонатов в море Дыхание животных в глубинных водах, в темноте, увеличивает концентрацию С02, в то время как щелочность остается неизменной, на котором точки из глубинных горизонтов перемещаются пропорционально вправо. Из рисунка также видно слабое увеличение щелочности с глубиной. Внутренний или внешний скелет многих растений и животных состоит из клеток, содержащих карбонат кальция. Многие из этих животных плавают в море, и когда они погибают, их скелеты падают на морское дно. Другие растения и животные обитают на дне шельфа. Таким образом, на мелководье скапливается карбонат кальция. Именно поэтому на вершинах погружающихся вулканов, наиболее близких к поверхности моря в тропических водах, имеют место наибольшие скопления отложений карбоната кальция — продукта жизнедеятельности морских растений и животных.
Растворимость карбоната кальция в морской воде
Для того чтобы раствор находился в состоянии равновесия с твердым карбонатом кальция, произведение концентрации ионов кальция и карбоната должно иметь определенную величину, соответствующую растворимости карбоната кальция. Ряд химиков уже определили произведение растворимости карбоната кальция в морской воде. Их эксперименты дали величины, различающиеся в два раза. Чтобы обнаружить, ненасыщенна или пересыщена карбонатом кальция морская вода» мы можем исследовать сложенные из известняков берега. Если бы морская вода была недосыщена, то карбонатные отложения растворялись бы; если бы она была пересыщена, то осаждения карбонатов кальция на рыхлых отложениях сцементировал бы их вместе в твердую скалу.
Круговорот углерода
В современных условиях формирование карбонатных отложений прослеживается с трудом. В поверхностной воде тропиков мы видим относительно мало следов растворения или осаждения. В тропических областях приливные бары, лишенные осадков терригенного происхождения, состоят из сферических зерен карбоната кальция размером с песок, названных отолитами. Они образовались при медленном осаждении из морской воды карбоната кальция. На некоторых берегах известковые осадки сцементированы вместе с карбонатом кальция до форм твердой береговой скалы. Однако многие карбонатные обломки раковин существуют в морской воде в течение тысячи лет без роста или цементирования. В другом месте мы обнаруживаем низкие утесы, вырезанные в известняке в приливной (литоральной) зоне. Морская вода близ поверхности, поглощая СО2 из атмосферы, становится насыщенной СО2, и эта вода более агрессивная и может растворять известняк. Этим и объясняется описанный выше феномен. Точные измерения, однако, показали, что морская вода вблизи подводной части утесов существенно не различается по рН от воды ниже их. Исследование показало, что затопляемая приливом часть утеса заселена обильной фауной. Эмери (1962), исследуя о. Гуам, заметил, что затопляемые приливом части утесав плотно заселены моллюсками и что каждый из моллюсков в скальной поверхности занимает незначительное углубление, которое соответствует форме животного. Затем он проанализировал химический состав только что собранных моллюсков и нашел их значительно более кислыми, чем морская вода. Иначе говоря, в приливной зоне животные обитают в крошечных впадинах, которые они создали, растворяя или поглощая скалу. Таким образом, подводная часть утеса является продуктом биологического растворения, « неясно, способна ли морская вода сама по себе растворять известняк. Морские растения и животные могут «гравировать» известняк, а при отмирании их скелеты осаждаются. По-видимому, морская вода слабо взаимодействует с известняком, так как крошечные скелеты на известковом берегу остаются, в сущности, неизменными в течение тысячи лет. Однако пресная вода ведет себя иначе, так как она легко растворяет или осаждает карбонатные соли, что приводит к формированию известковых впадин (карст). Исследуя это явление, автор (1967) нашел, что различие в свойствах морской и пресной воды, по-видимому, является следствием высокой концентрации магния в морской воде. Ион магния химически сходен с ионом кальция, за исключением того, что он имеет незначительно меньший радиус и образует с кальцием доломит (CaMg(C03)2). В карбонатах кальция, поглощаемых некоторыми растениями, содержание магния достигает 20%. Из этого материала строятся скелеты растений, которые значительно более растворимы, чем чистые карбонаты кальция. Таким образом, магний может осаждаться с карбонатом кальция, способствуя высокой растворимости кристаллов. Если кристалл карбоната кальция поместить в морскую воду, которая пересыщена карбонатом кальция, то начнется осаждение этой соли на поверхность кристалла, причем одновременно осаждается и некоторое количество магния. Растворение солей увеличивается лишь до тех пор, пока концентрация их в морской воде низкая. Следовательно, растущий кристалл придет в равновесие с морской водой. После очень малого роста осаждение приостанавливается, так как поверхность кристалла теперь содержит магний и создалось равновесие между раствором и морской водой. В пресной воде осаждение продолжается, пока концентрация кальция, умноженная на концентрацию карбоната в воде, станет равновесной с чистым кристаллом. Поэтому создается впечатление, что в то время, как поверхность кристалла, соприкасающаяся с морской водой, в основном пересыщена карбонатом кальция, осаждающийся магний образует на ней очень тонкий поверхностный слой, который находится в равновесии с морской водой. При превышении двукратной концентрации карбоната зерна известняка находятся в морской воде без заметного растворения или осаждения. Это объясняет, почему различные исследователи получили такие разные произведения растворимости карбоната кальция в морской воде, в то время как результаты исследования в пресной воде не показывают таких
расхождений.
„Снеговая" линия
Если перейти от мелководных районов тропических вод к глубинам океана, ситуация упростится. В верхних слоях океана обитают крошечные животные с карбонатными раковинами. После их смерти раковины медленно падают на океаническое дно. За время их погружения вода насыщается или пересыщается; частицы, падая на дно, образуют обширные площади глубоководных морских осадков. Если глубинная вода недосыщена, то мелкие раковины растворяются прежде, чем они достигнут дна. В глубоководных осадках имеется граница, ниже которой отсутствует карбонат кальция. Так как мелкие, медленно осаждающиеся раковины белые, то линия, которая отделяет известковые осадки от неизвестковых глубоководных осадков, получила название „снеговой". Подводные возвышенности выше „снеговой" линии покрыты белыми известковыми осадками. На больших глубинах встречаются лишь немногочисленные, изъеденные растворением частицы карбоната кальция, выдержавшие путешествие через ненасыщенные воды ниже „снеговой" линии.
