Как ни велики 17 миллионов лет, но для истории Земли это немного. В поддержании определенной солености вод океанов большое значение имеют химические процессы осаждения принесенных веществ и жизнедеятельность существ, обитающих в них. Часть принесенных солей сохраняется в растворе, но почти такое же количество солей разносится ветром с брызгами воды далеко вглубь континентов. В последующее время эти соли опять будут снесены в океан.
Влияние живых существ на солевой состав воды идет с самых отдаленных времен. Бесчисленные животные и растения потребляют для постройки своих раковин и скелетов большие количества веществ, приносимых реками. Особенно много извлекают они углекислого кальция, который так сильно отличает солевой состав морских вод от пресных вод, втекающих в океан с суши.
В раковине моллюсков и скелете кораллов отлагается по весу до 95–99 процентов углекислого кальция. До 60–80 процентов веса тела кремневых губок и радиолярий составляют кремнезем, диатомовые водоросли на 20 процентов по весу состоят из кремнезема. Много извлекается из морской воды различными организмами также и железа. Донные водоросли извлекают в большом количестве калий и иод.
Растения, питаясь, поглощают углекислый газ и выделяют кислород; при этом они создают в своем теле органические вещества. Все животные и растения дышат кислородом и выдыхают углекислый газ. Бактерии разлагают тела отмерших организмов с выделением углекислоты и неорганических веществ. Роль живых существ не ограничивается перемещением - миграцией - различных соединений. Они участвуют в образовании и горных пород. Существование мощных толщ известняков нельзя себе представить без участия многочисленных микроскопических корненожек, известковых водорослей, кораллов, моллюсков и других животных. Их раковины и скелеты часто обнаруживаются при раскалывании известковых глыб.
Примеры влияния бактерий, водорослей и животных на химический состав воды и процессы осаждения на дне моря можно значительно увеличить. Все они говорят о том, что химические процессы в океане проходят во взаимной связи с жизнью различных организмов, давая яркий пример диалектического развития природы.
Для развития и роста водных растений особенно важны так называемые биогенные вещества. Это в первую очередь соли фосфорной кислоты (фосфаты) и соли азотной кислоты (нитраты), которыми удобряют почву. Так же как и на суше, в море их очень немного. Эти вещества, необходимые для создания белков, очень быстро усваиваются водорослями. Вот почему так важно, чтобы поверхностный слой воды, где живут растения, имел бы постоянный источник пополнения биогенными веществами. Таких источников два.
Во-первых, это материковая вода, смывающая биогенные вещества с поверхности суши и удобряющая близлежащие пространства моря. Этим, кстати, объясняется, почему в районах моря, близко расположенных к устьям рек, количество животных и растений увеличивается.
Во-вторых, источником пополнения этими питательными веществами поверхностных слоев моря являются глубинные воды. Отмирающие организмы, опускаясь в глубину, постепенно разлагаются и пополняют запасы биогенных веществ в нижних слоях воды. При перемешивании вод моря они подымаются вверх и удобряют слои воды, где живут водоросли.
В зависимости от солености изменяется видовое разнообразие фауны и флоры. Как правило, в опресненных местах количество видов меньше по сравнению с настоящими морскими районами. Например, в Средиземном море имеется 524 вида рыб, соленость воды этого моря 35–38 ‰. В Черном море - 143 вида рыб, а соленость воды 18 ‰. В Азовском море всего 80 видов рыб, соленость - 12 ‰. Но при этом выступает новая закономерность. В сильно опресненных районах малое число видов сопровождается их массовым развитием. В мелководном Азовском море, снабжаемом реками большим количеством биогенных веществ, при хорошем перемешивании вод, "плотность" животного мира огромна. Нет другого моря в мире, в котором приходилось бы на один гектар столько рыбы.
Жизнь в воде зависит от распространения газов, особенно кислорода. Главный источник насыщения вод моря газами - атмосферный воздух. Он проникает в воду и растворяется в ней. В результате вертикального перемешивания вод газы разносятся на различные глубины. Вода лучше растворяет кислород и хуже азот. Поэтому в составе растворенных в морской воде газов кислорода будет в среднем 34 процента вместо 21 процента в составе атмосферного воздуха. Большое значение в обогащении кислородом воды играют водоросли.
Количество растворенных газов в воде зависит от многих причин, особенно большое значение имеет температура воды. Чем выше температура воды, тем меньше газов в ней растворится.
Кислород - важнейший газ для жизни всех живых существ. Морские организмы дышат кислородом, растворенным в воде. Обычно в поверхностных слоях моря кислорода больше, нежели в глубинных. Течения в большинстве морей хорошо перемешивают воду, поэтому кислород, хотя бы в малом количестве, всегда распространяется до дна. Временный недостаток кислорода в море может привести к гибели рыб и других животных. Изредка в застойных глубинах морей, как, например, в Черном море, кислорода нет. Там могут жить только бактерии, способные существовать без растворенного в воде кислорода.
* * *
Солнечные лучи не достигают больших глубин океана. Чем ниже стоит солнце над горизонтом, тем больше лучей отражается от поверхности моря. Поэтому в арктических морях, где солнце не подымается высоко, при прочих равных условиях свет распространяется на меньшую глубину, чем в средних широтах и особенно в Экваториальной области.
Судьба солнечного луча, проникшего в воду, не простая. Он распадается на составные части спектра, то-есть лучи разного цвета, которые доходят до различной глубины.
При этом почти все инфракрасные лучи и большая часть ультрафиолетовых, то-есть особо длинные и самые короткие лучи спектра, невидимые человеческим глазом, поглощаются в первых же метрах воды. Так как в инфракрасной части солнечного спектра содержится основное количество тепловой энергии, то легко понять, почему нагревается только самый поверхностный слой воды. Это тепло передается нижележащим слоям в результате перемешивания. Глубже проникают те части солнечного луча, которые несут световую и химическую энергию.
Различные мелкие организмы, во множестве населяющие поверхностные слои, рассеивают свет, проникший в воду. Рассеивание вызывается также молекулами воды, солями и ионами. Оно зависит и от величины частиц, на которые наталкиваются лучи света.
Всего сильнее рассеиваются синие и фиолетовые лучи спектра. Они отражаются и вверх, человек видит синий свет, исходящий из глубин моря. Поэтому цвет прозрачной морской воды вдали от берегов синий. Там, где в воде много взвешенных частиц (массы планктона, прибрежная муть), рассеиваются сильно зеленые лучи, цвет воды становится зеленым. Если вода очень засорена частицами грунта, то она приобретает желтую окраску. Особенно часто это бывает после шторма; тогда в прибрежной области вода может стать даже коричневой от поднятых со дна частиц грунта.
Смену цветов видит каждый моряк, когда он покидает прибрежные желтозеленые воды и переходит к синим водам открытого моря. Замечательный русский художник Айвазовский талантливо запечатлел на своих картинах эту игру красок.
Но вернемся к лучам света, проникшим в воду. Угасание света различных частей спектра идет так быстро, что можно говорить об "исчезновении" отдельных частей солнечного спектра. Длинные лучи теряют энергию начального светового потока скорее, чем короткие. Так, если принять проникшие в воду лучи за 1 тысячу единиц, то красные и оранжевые лучи на глубине в 10 метров составляют 2–3 единицы, зеленые и голубые - 166, синие - 437, а фиолетовые - 800 единиц. На глубине в 100 метров измерить энергию красных лучей уже затруднительно; оранжевый дает только следы (0,0001), зеленый и голубой - 0,03, синий - 5,5, а фиолетовый - 10 единиц. На глубине 200 метров наступают трудности в определении энергии оранжевых лучей, а на глубине 500 метров такая же судьба постигает зеленые лучи. На глубине в 1 тысячу метров "угасают" синие лучи, а на глубине 1500 метров - и лучи фиолетовой части спектра. Это подтверждается опытом. В Средиземном море на глубину в 1700 метров была опущена в особом приборе фотографическая пластинка. Несмотря на трехчасовую экспозицию, пластинка не потемнела.
Человеческий глаз обладает наилучшей восприимчивостью к желтой, зеленой, голубой частям солнечного спектра, то-есть к лучам, имеющим относительно хорошее проникновение в воду. При опускании в гидростате человек может различать предметы на глубине до 300 метров, последние следы света для него исчезают не глубже 580 метров.
На глубине в 17 метров красные животные кажутся человеку черными в связи с ничтожным количеством здесь красных лучей. На глубине 50 метров вода имеет зеленую окраску, переходящую на 60 метрах в зеленовато-синюю. На 180 метрах вода синего цвета, а на глубинах в 500 метров кажется человеку черно-голубой или темно-сероголубой.
Глаз рыб особенно восприимчив к синей и даже фиолетовой части спектра. Рыбы близоруки, зато вблизи они могут различать предметы при ничтожных следах света. Так, опыты с рыбой лепомис показали, что она видит при освещении, которое человеческий глаз уже не воспринимает. При таких ничтожных "крохах" света эти рыбки видят двухмиллиметровых рачков на расстоянии в сантиметр, а предметы диаметром в два сантиметра на расстоянии в 10 сантиметров. Можно предположить, что глубоководные рыбы с телескопическими глазами довольствуются еще меньшими проблесками света и видят на большем расстоянии.
С проникновением в воду лучей разного цвета связана и окраска многих морских животных. Известно, что окраска живых существ является в большинстве случаев маскировкой, помогающей организму скрываться от врага. Многие животные выработали замечательную способность быстро менять свою окраску в зависимости от того, на каком фоне они живут. Маленькая креветка (рачок), живя среди веточек зеленых растений, становится и сама зеленой; попав на красную водоросль, она скоро становится красной. Общеизвестна быстрая смена не только окраски, но и рисунка у камбал, в зависимости от цвета и структуры дна.
У большинства животных окраска постоянная, причем она является дополнительной по отношению к лучам света, проникающим на глубину их обитания. Животные выглядят при этом серыми. Окрашенные в зеленый цвет обитатели поверхностных вод при освещении большим количеством красных лучей становятся серыми. Жители более глубоких слоев окрашенные в красный цвет, становятся серыми при освещении зелеными лучами, господствующими на этой глубине.
С ничтожным количеством света на больших глубинах связаны синие, фиолетовые и черные тона глубоководных животных. У обитателей десятикилометровых глубин, где нет света, окраска почти отсутствует, и они выглядят белыми.
Свет играет особо существенную роль в жизни моря. Распространение растений в глубину зависит от проникновения света в воду. Водные растения нуждаются в солнечном свете, особенно от красной до зеленой части солнечного спектра, а эти лучи не доходят до значительной глубины. Вот почему так мало водорослей встречается на глубинах более 100 метров.
Прикрепленные ко дну водоросли имеют окраску от зеленой, у обитателей прибрежных вод, и до красной - на больших глубинах. В отличие от животных эта окраска хотя и является дополнительной, но играет не защитную роль, а способствует максимальному использованию энергии соответствующих лучей спектра.
У животных нет такой зависимости от света, как у растений. Поэтому они могут населять всю толщу вод океана.
Изменение света в течение суток вызывает суточные вертикальные перемещения живых существ. Миллиарды мелких рачков, червей, мелких рыб и других животных уходят днем от света в глубину моря, а вечером подымаются к поверхности. За ними, в поисках пищи, совершают вертикальные миграции сельди, сардины и другие рыбы.
Таким образом, с распределением света связаны важнейшие жизненные явления океана.
* * *
Большое значение для географического распределения живых существ имеет температура воды. Она очень сильно меняется в зависимости от географического положения и глубины.
В Тропической области температура поверхностных слоев воды обычно выше 20 градусов С, на глубине в 200 метров - менее 15 градусов, на глубине 1 тысячи метров - около 4–6 градусов, глубже - около 2–3 градусов. В Умеренной области температура океанических вод на поверхности - около 10 градусов, на глубине 1 тысячи метров - около 7 градусов. В полярных морях температура воды на различных глубинах часто бывает ниже нуля.
Обычно поверхностные воды - самые теплые, затем идет очень слабое понижение температуры до некоторой глубины, где наступает резкое изменение температуры воды. Здесь она становится значительно холоднее. Этот слой носит название "слой температурного скачка". Он обычно лежит на различных глубинах - от 15 до 100 метров. Замечательная особенность этого слоя-скачка заключается в том, что в связи с резким изменением температуры меняется и плотность воды. При одинаковой солености с понижением температуры увеличивается удельный вес воды, а следовательно, растет и плотность. Иногда возрастание плотности столь велико, что слой температурного скачка образует как бы "водяное дно", которое моряки-подводники называют "жидкий грунт".
Суточные изменения температуры воды очень малы, к тому же они наблюдаются преимущественно в прибрежных районах или в небольших заливах и бухтах.
Более значительны сезонные изменения в температуре воды. Особенно они сказываются в поверхностных слоях воды до 500 метров. Глубже температура воды почти не меняется. В зависимости от места сезонные изменения весьма различны; всего больше они в Умеренной области. Например, у берегов Англии сезонные изменения в температуре верхних слоев воды выражаются почти в 10 градусов, а в Черном море - до 15 градусов. В Экваториальной области сезонные отличия температуры не превышают 2 градуса, а в полярных морях они еще меньше.
Как ни сильно греет солнце в тропиках, но температура воды в океане не бывает выше 30 градусов. Объясняется это большой теплоемкостью воды, охлаждением воды при испарении за счет скрытой теплоты испарения и непрерывным перемешиванием вод океана.
Благодаря сильному испарению с поверхности океана в Тропической области воды становятся более солеными, а следовательно, и более плотными. Более тяжелые воды опускаются вниз, вытесняя из глубоких слоев кверху более легкие, при этом воды перемешиваются. К северу и к югу от тропиков увеличение плотности воды происходит при охлаждении. Благодаря этому зимняя холодная вода начинает опускаться вниз, вызывая тем самым глубокое перемешивание вод. Летом поверхностные воды прогреваются, но еще до осени в глубинных слоях некоторых морей сохраняется зимняя охлажденная вода. Только осенью и зимой произойдет выравнивание температуры воды различных слоев.
Вертикальное перемешивание снабжает глубинные слои кислородом и теплом, а поверхностные слои питательными веществами, столь необходимыми для развития водорослей.
Воды океана находятся всегда в движении. Взамен идущим по поверхности от экватора к полюсам теплым водам в глубине от полюсов к экватору движутся холодные воды с температурой около 2 градусов. В Экваториальной области они поднимаются кверху. Здесь только поверхностные воды - до 50–100 метров толщиною - самые теплые по сравнению с водами в других районах. Глубже 200 метров вода на экваторе холоднее, чем на соответствующей глубине в Умеренной области. Только на глубинах в 2–4 километра и ниже температура везде почти одинакова - около 2 градусов. Это воды, пришедшие из полярных районов, особенно из Антарктики.
Естественно, самые холодные воды - воды Северного Ледовитого океана и воды, омывающие Антарктиду. Соленая морская вода замерзает не при 0 градусов, а при более низких температурах. Чем выше соленость воды, тем более низкая температура необходима для превращения ее в лед.
Воды с соленостью в 35 ‰ замерзают при температуре минус 1,9 градуса. Воды с весьма низкими температурами составляют основную массу вод полярных морей, кроме тех районов, куда проникают более теплые воды Атлантического или Тихого океанов.
С распространением вод, имеющих различную температуру, тесно связано географическое распределение обитателей Мирового океана. Это позволило ученым районировать Мировой океан на пять биогеографических областей: Арктическую и Антарктическую области, для которых характерны низкие температуры воды и пловучие льды не только зимою, но и летом; Северную и Южную умеренные области, для которых особенно характерны значительные сезонные изменения в температуре вод зимою и летом и наличие во многих морях Умеренной области льдов зимою; Тропическую - с постоянно высокой температурой поверхностных слоев воды, где сезонные различия не превышают 2 градусов.
Изменение температуры воды влияет на жизнь всех морских организмов. У многих видов сроки размножения приурочены к определенным температурным условиям. Часто наблюдается массовая гибель икры и личинок, если в период размножения неблагоприятно изменилась температура вод. С прогревом и похолоданием вод связаны сроки подхода рыбы к берегу и обратной их откочевки в море.
В связи с изменением температуры воды в течение года происходит такая же смена сезонных явлений в жизни моря, как и в жизни суши. Наблюдается не только смена форм, но и резкие изменения в количестве организмов.
Исследования температуры воды океанов и морей имеют также огромное значение для изучения и понимания климата в различных частях суши. При этом приходится считаться с некоторыми замечательными температурными особенностями воды.
Вода обладает значительно большей теплоемкостью, чем воздух; чтобы нагреть на один градус равные объемы воды и воздуха, надо затратить при нагревании воды в 3 тысячи раз больше тепла, чем при нагревании воздуха. Зато при охлаждении вода выделит такое количество тепла, которым можно нагреть на один градус 3 тысячи равных объемов воздуха.
Теплоемкость воды так велика, что при образовании льда из одного объема воды выделяется тепло, которым можно нагреть на один градус 250 тысяч равных объемов воздуха. Благодаря всему этому, а также малой теплопроводности воды и льда, полярные моря не промерзают до дна, несмотря на долгую и холодную зиму.
Средняя температура поверхностных вод Мирового океана 17,4 градуса, тогда как средняя температура приземного слоя воздуха всего 14,4 градуса. Таким образом, океан является "печкой", в которой запасено много тепла.
Все лето идет нагревание воды. Океан поглощает громадное количество тепла. В это время море холоднее суши и ветер с моря несет прохладу. Тогда на побережье не так жарко, как в глубине континента. Зимою нагревшиеся за лето массы воды отдают часть тепла воздуху. Ветер уносит это тепло и испарившуюся воду далеко вглубь суши, смягчая и увлажняя климат приморских стран зимою.
С поверхности океанов и морей испаряется более 300 тысяч кубических километров воды в год. Из этого количества 10 процентов в виде осадков выпадают на землю, возмещая полностью испарение влаги над сушей, которое составляет 31 тысячу кубических километров. Испарившаяся в тропиках и перенесенная ветром на север и на юг вода охлаждается; при этом выделяется масса тепла.