книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

§ 15. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОКЕАНАХ И МОРЯХ

Океан, как и все другие природные воды, населяют живые организмы, имеющие чрезвычайно многообраз­ ные и сложные формы. Главной особенностью океана как жизненного пространства является то, что живые организмы — растения и животные, обитающие в нем, распределены во всех его трех измерениях, тогда как флора и фауна суши занимает, по существу, лишь самую поверхность материков. Вода, как и суша, способна вос­ производить живое вещество из неживого в процессе фо­ тосинтеза: в основе всей жизни в океане лежит способ­ ность зеленых растений — одноклеточных и многоклеточ­ ных водорослей синтезировать сложные органические вещества (углеводы) из простых неорганических соеди­ нений (углекислоты, воды) с помощью лучистой све­ товой энергии, поглощаемой хлорофиллом. Таким обра­ зом, зеленые растения непосредственно используют ми­ неральную пищу, на что животные не способны. Создается первичная продукция океана — пища для рас­ тительноядных животных, которыми в свою очередь пи­ таются плотоядные животные. Цикл биологического круговорота веществ в океане, начатый в процессе фо­ тосинтеза, завершается распадом отмерших организмов и превращением органических' веществ в неорганиче­ ские.

В океане насчитывается около 150 тысяч видов жи­ вотных и около 10 тысяч видов растений, общая масса которых достигает 50—60 млрд. т. Говоря о закономер­ ностях распределения организмов, необходимо отметить, что животные заселяют всю толщу океана — от поверх­ ности до самого дна, растения же, нуждающиеся для синтеза органических веществ в большом количестве энергии, которую поставляет солнечный свет, обитают только в верхнем слое океана (0—100, предельно 200 м), на глубинах возможности фотосинтеза.

По характеру поведения в воде и типу питания жи­ вые организмы в океане подразделяются на планктон, нектон и бентос. Отдельно выделяются бактерии, оби­ тающие на поверхности взвесей органического и неорга­ нического происхождения, особенно на частицах ила.

Планктоном (от греч. plankton — блуждающее) назы­ вается совокупность организмов, населяющих толщу

158

ров до нескольких метров) слое морской воды, что по­ следняя заметно меняет свои оптические свойства. На­ личие планктонных организмов вызывает интенсивное рассеяние света. Прозрачность воды резко уменьшается, вода приобретает зеленый, буро-зеленый и даже крас­ ный цвет. Массовому развитию фитопланктона способ­ ствует интенсивный прогрев воды солнечным теплом и наличие питательных (биогенных) веществ. Такое соче­ тание в умеренных широтах приходится на гидрологиче­ скую весну и осень, в тропиках — на зиму. В полярных водах интенсивное развитие фитопланктона происхо­ дит в течение одного месяца, когда инсоляция достигает максимума, и в течение месяца сменяют друг друга гидрологические весна, лето и осень.

Скопления планктонных организмов и взвешенных частиц могут возникать не только в связи с цветением моря. При наличии слоев скачка плотности резкое уве­ личение плотности морской воды с глубиной препятст­ вует (по закону гидростатики) погружению частиц, что и обусловливает их сосредоточение на верхней границе слоя скачка. В результате возникают оптические экра­ ны, вызывающие интенсивное ослабление света за счет рассеяния.

Способностью светиться обладают некоторые виды морских бактерий, планктонные организмы и более крупные животные. Физическая сущность этого явле­ ния — биолюминесценция, при которой происходит окис­ ление люциферином (протеин с большой молекулярной массой) люцифераза (вещества, близкого к витами­ ну К). При этом энергия химической реакции, вызываю­ щей биолюминесценцию, почти полностью (на 90% и более) переходит в свет без затраты на тепло.

В умеренных и высоких широтах свечение чаще всего наблюдается гидрологическим летом и в начале гидро­ логической осени. Наиболее интенсивное свечение, осо­ бенно бактериальное, отмечается в прибрежных водах тропической и субтропической зон Мирового океана, од­ нако в некоторых холодных морях, например Охотском, также может быть сильное и разнообразное свечение.

Исследования спектрального состава биолюминес­ ценции показывают, что оно укладывается в диапазоне

160

Освещенность, создаваемая организмами, порой пре­ вышает освещенность, создаваемую полной Луной. В исключительных случаях свечение может быть столь интенсивным, что мешает смотреть, ослепляет и дей­ ствует на зрение из-за постоянно сверкающей поверхно­ сти океана.

Учитывая вклад различных компонентов в общий ба­ ланс подводной освещенности, в толще океана можно выделить три световые зоны:

1)0—200 м — зона дневного солнечного и ночного смешанного (астрономического и биолюминесцентного) свечения;

2)200—700 м — зона дневного солнечного и ночного биолюминесцентного свечения;

щественное влияние на силы и средства военно-морского флота как демаскирующий, а иногда как маскирующий фактор. Свечение кильватерных струй сильно демаски­ рует надводные корабли и подводные лодки. При бак­ териальном свечении образуется равномерный светлый фон, на котором могут выделяться очертания подводных лодок, минных заграждений и даже отдельных мин. Свечение моря демаскирует не только движущиеся, но и неподвижные предметы в воде (мины, банки, рифы, бо­ новые и сетевые заграждения и т. п.), особенно при на­ личии течения. Свечение, вызываемое движением круп­ ных животных (китов и дельфинов), может имитировать следы торпед, подводных лодок.

Исключительно велико влияние организмов на рас­ пространение звука в океане. Скопления планктонных организмов, плотные косяки рыб, кальмаров и т. п. об­ разуют звукорассеивающие, экранирующие слои, пре­ пятствующие проникновению звука в толщу океана и обусловливающие интенсивную реверберацию звука. Возникают сильные помехи эхопеленгованию подводных целей, на фоне которых бывает трудно, а порой и не­ возможно выделить полезный сигнал.

Ряд представителей морской фауны, особенно тропи­ ческой, сами являются источниками подводного шума. Основными источниками биологического шума являются позвоночные животные (китовые и рыбы), ракообраз­

161,

ные и беспозвоночные. Прыжки китов сопровождаются шумом, который слышен за десятки миль. Хорошо слыш­ но в воде и дыхание китообразных (выдох гренланд­ ского кита, например, слышен на расстоянии, превы­ шающем одну милю). Тюлени, моржи и котики издают интенсивные звуки, напоминающие рев домашних жи­ вотных. Звуки дельфинов, похожие на писк, длятся от тысячных долей до целых секунд и лежат в диапазоне частот от 7 до 200 кГц. Крики касаток чем-то напоми­ нают мяукание, модулированное по частоте в рабочем диапазоне шумопеленгаторных станций (от единиц до нескольких десятков килогерц).

Звуки рыб разнообразны по характеру (квакание, хруст, удары в барабан), интенсивности и диапазону ча­ стот (от десятков до нескольких тысяч герц). Наиболь­ шая интенсивность звука, издаваемого рыбами, отме­ чается в вечерние часы кормления (до 40—50 дБ). Ми­ грация рыб приводит к значительным суточным и се­ зонным колебаниям интенсивности шума.

Кроме шумов биологического происхождения рыбы, движущиеся в косяке, создают значительные гидроди­ намические шумы, имитирующие шум движущейся тор­ педы.

Креветки, рачки, несмотря на малые размеры, спо­ собны создавать весьма интенсивные шумы, так как встречаются на дне в громадных количествах (до 200— 300 экземпляров на 1 м2). Они не способны к мигра­ ции, что и определяет незначительные суточные и се­ зонные изменения интенсивности создаваемого ими шума. Водятся они вблизи скалистых берегов и никогда не встречаются на песчаном грунте.

Беспозвоночные (губки, моллюски, кольчатые черви и др.) также способны издавать звуки, состоящие из неустановившихся импульсных сигналов. Однако дан­ ные о них ограничены техническими возможностями ис­ следований.

Во многих частях Мирового океана, в частности в Атлантическом океане, в южной части Тихого океана, выявлен ряд изменяющихся звуков очень низкой ча­ стоты, превышающих на 30—40 дБ обычный для этих районов уровень естественных подводных шумов океа­ на. Среди этих звуков наиболее распространен и наи­ более часто прослушивается импульс, основная энергия

162

название странного шума, длится около 1 с. Импульсы появляются в виде серии общей продолжительностью несколько минут по одному импульсу примерно через 10 с. Попытки опознать источник странного шума были неудачны; предполагается его биологическое происхо­ ждение [58].

Подводные шумы биологического происхождения создают помехи нормальной работе акустических не­ контактных взрывателей и гидроакустических станций.

Морские древоточцы (моллюски, ракообразные и на­ секомые), разрушающие бетон и железо бактерии, свер­ лящие камень и бетон животные и растения наносят существенный ущерб корпусам судов, плавучему огра­ ждению и гидротехническим сооружениям. Проблема изыскания эффективных средств защиты этих сооруже­ ний пока остается до конца нерешенной.

Крупная водная растительность может явиться по­ мехой движению мелких кораблей и катеров, особенно в ходе десантных операций при подходе к берегу. Дви­ жение малых подводных лодок в скоплениях гигантских водорослей сопряжено также с опасностью.

Морские обрастания, т. е. поселения различных мор­ ских организмов (водорослей, моллюсков, червей ит. п.) на днищах судов, приносят колоссальные убытки при эксплуатации торговых судов: из-за потерь скорости (до 50%), горючего (до 40%) и времёни (до 50%), а также из-за преждевременного износа двигателей в ре­ зультате перегрузки и необходимости частых докований. Обрастания днищ кораблей, корпусов подводных лодок, забортных устройств технических средств (ла­ гов, эхолотов, гидроакустических станций) существенно снижают их боевые возможности и требуют применения средств защиты специальных покрытий и окрасок. Наиболее интенсивное обрастание днищ происходит в тропической зоне океана; в холодных и распресненных водах скорость обрастания незначительна.

§10. ВОДНЫЕ МАССЫ МОРЕЙ И ОКЕАНОВ

Вкаждом конкретном районе Мирового океана мож­ но выделить значительные объемы морской воды, раз­ личные как по происхождению, так и по своим свойст­

163

вам. Воды океана можно классифицировать либо по присущим им физическим характеристикам, либо по входящим в их состав химическим соединениям и эле­ ментам.

Однако при изучении гидрологического режима мо­ рей и океанов возникла необходимость ввести такую комплексную характеристику их вод, которая позволяла бы не только всесторонне определять их физическое со­ стояние и происхождение, но и в определенной мере отражала бы протекающие в океане процессы. С этой целью в океанографии введено и находит широкое при­ менение понятие «водные массы», аналогичное понятию «воздушные массы» в синоптической метеорологии.

объем морской воды, обладающий в течение длитель­ ного времени некоторыми общими свойствами и квази­ постоянством своих физико-химических и биологических характеристик и который переносится в результате го­ ризонтальной и вертикальной циркуляции как одно це­ лое в другие районы и на другие глубины океана.

Вкачестве основных характеристик при выделении водных масс обычно используются их температура и со­ леность как важнейшие и наиболее изученные пара­ метры состояния морской воды.

Вкачестве дополнительных параметров при анализе водных масс могут использоваться: содержание раство­ ренного кислорода, нитратов, биогенных элементов,

планктона, оптические характеристики морской воды и др.

Классификация водных масс Мирового океана. Еди­ ной, общепринятой классификации водных масс Миро­ вого океана не существует, и это объясняется тем, что понятие «водная масса» в известной степени условно: квазипостоянство физико-химических характеристик определяется выбором тех или иных допустимых преде­ лов их изменения, что в свою очередь определяет сте­ пень детализации при выделении водных масс различ­ ных типов.

Однако в самом общем виде водные массы Миро­ вого океана можно разделить на три типа: тропосфер­ ные (поверхностные и приповерхностные), промежуточ­ ные и стратосферные (глубинные и донные),

164

Тонкий слой тропосферных поверхностных вод, по существу, не имеет стабильного термохалинного индек­ са, т. е. устойчивых, характерных для данной водной массы значений температуры и солености, так как обыч­ но залегает на глубинах до 100—200 м, где наиболее интенсивны процессы перемешивания, взаимодействия с атмосферой и переноса тепла.

Тропосферные приповерхностные воды залегают на глубинах примерно от 100—200 до 500—900 м; ниже (до глубин 1000—1200 м) располагаются промежуточ­ ные воды, представляющие собой переходный слой ме­ жду океанической тропосферой и стратосферой. Для водных масс высоких широт свойственна большая одно­ родность по глубине, поэтому деление их на океаниче­ скую тропосферу и стратосферу не принято: вся толща воды от поверхности до дна холодная и, за исключением поверхностного распресненного слоя, отличается гомохалинностью. Основные типы наиболее крупных водных масс и их термохалинные индексы приводятся в табл. 10.

Водные массы Мирового океана, как правило, фор­ мируются в его поверхностном слое, именно там, где влияние факторов, формирующих определенные свой­ ства, наибольшее, а затем в результате конвекции и океанских течений перемещаются в другие районы, иногда находящиеся от мест формирования на значи­ тельных расстояниях. Так, например, средиземномор­ ская водная масса зарождается в поверхностных слоях Средиземного моря. В результате летнего испарения и последующего охлаждения поверхностные воды стано­ вятся более плотными — возникает интенсивная конвек­ ция, формирующая глубинные воды моря, которые от­ личаются повышенной температурой (13,5°) и солено­ стью (38,5%о). Придонное течение, существующее в Гибралтарском проливе на глубинах более 200 м, выно­ сит в Атлантический океан в среднем за год 52 000 км3 средиземноморской воды. В результате пропуска вод через подводный порог Гибралтарского пролива, шири­ на которого составляет от 8 до 11 миль, а преобладаю­ щие глубины — от 200 до 500 м, эта водная масса про­ никает в Атлантический океан и распространяется как промежуточная на значительные площади. По повышен­ ной солености она прослеживается даже южнее мыса Доброй Надежды [18].

165

Естественно, что при этом водная масса претерпе­ вает постепенное изменение первоначальных свойств как вследствие изменения широты, так и под воздействием термических и других факторов, иначе говоря, транс­ формируется. Выделяют три основных типа трансфор­

мации водных масс:

1) зональную, обусловленную изменением климати­ ческих факторов при пересечении водными массами раз­ личных географических зон;

2) сезонную, обусловленную годовым ходом метео­ рологических элементов;

3) фронтальную, обусловленную процессами переме­ шивания в переходных (фронтальных) зонах между различными водными массами.

В природе эти виды трансформации водных масс в изолированном виде не существуют, а, накладываясь друг на друга, создают общую трансформацию водных масс, причем в каждом конкретном случае можно вы­ делить тот или иной тип преобладающей трансформа­ ции [69].

При изучении структуры океана особенно интересны стыки теплых и холодных течений — океанические фрон­ ты, в которых происходит интенсивное перемешивание теплых и холодных вод и где отмечаются большие гра­ диенты гидрологических характеристик, резко умень­

(расходимости) течений происходит компенсационный подъем вод. Восходящие потоки несут из глубин к по­ верхности океана воды, богатые питательными солями азота и фосфора. Наиболее интенсивный подъем глу­ бинных вод происходит при встрече течениями подвод­ ных склонов материков и поднятий морского дна. Фрон­ тальные зоны в океане отличаются сложным гидрологическил? режимом и богатством водной фауны. Поэтому основные районы лова рыбы и располагаются близко

кфронтальным зонам. Влияние физико-географических

игидробиологических особенностей фронтальных зон должно учитываться при плавании, а также в процессе использования оружия и боевых технических средств ВМФ в этих районах,

168 '