Таким образом, на общем фоне географической зональности процессы ландшафтообразования в океане в значительной мере контро-лируются геологическим строением и рельефом

Земная кора с присущими ей особенностями геологического стро-ения и рельефа - основа, на которой формируются подводные ландшафты.

Моря и океаны можно рассматривать как сложные системы, с бесчисленными процессами трансформации вещества, поступающего через геохимические барьеры, результатом которых являются средние элементные составы вод, осадков и т.п.

Цикл химических реакций (буферной системы морских вод) позволяет, несмотря на значительные внешние воздействия, сохранить пропорции характерные для водных масс за счет динамики выведения определенных компонентов в осадок и повторного растворения. Хотя 60% солей, поступающих в океан с речной водой, относится к карбонатам, CaCO₃ насыщает воды у экватора (до 300%_о) и легко выводится в осадок (и для образования скелетов морских организмов и т.п.). За время существования океана им выведено в осадок во много раз больше солей, чем растворено в нем сейчас. Общий уровень соленности неизменен в течение сотен миллионов лет.

В океане широко изменяется количество растворенных О и СО₂, последнего в океане примерно в 60 раз больше, чем в атмосфере. Океан содержит около 4×10¹² т углерода в растворе, на суше его примерно в 20 раз меньше. Органо-неорганическое превращение углерода в океане –«биологический насос» уменьшает концентрацию СО₂ в верхнем слое океана, а также в атмосфере, и увеличивает содержание С в глубоких частях вод (рис. 4.4). Это важная роль долгосрочной аккумуляции углерода.

Концентрация Р минимальна в низких широтах и максимальна в полярных. В глубоководных зонах выявлены многочисленные проявления гидротермальных источников, привносящих сюда вулканические газы.

Рис. 4.4. Наблюдаемые изменения концентрации растворенного

неорганического углерода (å СО2) в Мировом океане

С точки зрения протекания биогеохимических процессов гидросфера распадается как минимум на два основных слоя: аэробный и анаэробный (рис.4.5). Между ними постоянно существует часто подвижная граница, выполняющая значение геохимического барьера, связанного со сменой знака окислительно-восстановительного потенциала (Eh).

Именно здесь идет химическая трансформация, сопровождающаяся биологическими процессами поглащения и выделения энергии, с сопутствующим обменом между аэробным и анаэробным слоями, что характерно для открытых поликомпонентных саморазвивающихся систем.

Основой для разделения этих слоев являются особенности био- и гидрохимических процессов синтеза и деструкции органического вещества. Определяющий аэробный слой процессы - фотосинтез (преимущественно морским фитопланктоном) и разложение отмирающей органики. Соотношение продуцирования и деструкции изменяется с глубиной, и ниже слоя фотосинтеза господствуют процессы окисления.

При минерализации органического вещества (ОВ), входящие в его состав N и P, при достаточном количестве кислорода окисляются до нитратов и фосфатов:

(CH₂O)₁₀₆(NH₃)₁₆H₃ PO₄+138О₂ «106 СО₂+122 Н₂О+16 NO₃+ H₃PO₄.

Окислительно-восстановительные условия ниже резко меняются и биохимические процессы становятся явно анаэробными.

Восстановление сульфатов до сульфидов проявляется в виде свободного сероводорода. В качестве промежуточных восстановленных форм образуются сульфиты и тиосульфаты.

При минерализации ОВ в анаэробных условиях N выделяется в виде аммиака (иона аммония):

(СH₂O)₁₀₆(NH₃)₁₆H₃PO₄+53SO₄^2- ® 106CO₂+53S² +16NH₃+106H₂O+H₃PO₄.

Переходный слой может иметь толщину от нескольких миллиме-тров до сотен метров. Процесс денитрификации определяет верхнюю границу переходного слоя; начало окисления сероводорода и исчезновение кислорода - нижнюю.

Рис. 4.5. Схема биохимических основ сосуществования аэробного и анаэробного слоев гидросферы

С уменьшением содержания кислорода и сменой знака Eh на отрицательный, в соответствии с термодинамической последовательностью, идут реакции восстановления нитратов, соединений Mn, Fe и сульфатов с активным участием бактерий. Слой, в котором восстановленные формы серы существуют одновременно с кислородом, называется слоем сосуществования (с -слой).

Продолжительность обмена воды в океане около 3000 лет.

Крайне важны, как крупные резервуары преимущественно пресных вод, внутриконтинентальные озерно-речные системы и искусственные водохранилища.

Считается, что регулирование речного стока плотинами увеличивает возобновимые водные ресурсы на 25%. Сейчас в мире более 1 млн водохранилищ объемом 6000 км³. В результате динамика вод, водообмен зарегулированных речных систем снижен с 20 до 100 суток. Изменяется природный гидрологический режим рек. Осуществляются переброски речного стока, масштабы которых выросли за последний век с 0,5 км³ в год до 10 км³.

Наиболее сложные обстановки характеризуют речные системы - наиболее тонкое и уязвимое звено, имеющее чрезвычайное значение для жизни на Земле.

Все больше головной боли доставляет переэксплуатация подземных вод, приводящая к их истощению, загрязнению и проседаниям земной поверхности.

2. Динамика гидросферы

Таким образом, функционирование гидрогеологического звена идет в двух взаимопротивоположных направлениях: фиксируется относительно устойчивая динамическая структура океана и, одновременно, идет разрушение этих структур с выравниванием градиентов физико-химических свойств морской воды. Но процессы упорядочения гидроклиматических характеристик преобладают: в водах океана сформирован квазастационарный режим определеных динамических структур.

Благодаря инерционности водных масс, гидрологические структуры относительно устойчивы во времени, но имеют зыбкие и расплывчатые границы. Спусковой механизм функционирования гидрогеологического звена находится в поверхностной толще.

Чем же определяются и как развиваются океанические течения? Неравномерный нагрев Земли Солнцем формирует барические центры атмосферных минимумов и максимумов, а затем систем атмосферной циркуляции. Неравномерное поле ветра порождает систему дрейфовых течений, которая, сочетаясь с действием отклоняющей силы Кориолиса, определяет основную картину циркуляции поверхностных вод (рис. 4.6).

На динамику океанических вод накладываются термодинамические явления (солевой и тепловой баланс). Перенос тепла с океаническими течениями достаточно хорошо известен (рис. 4.7). Однако, следует подчеркнуть, что он достаточно изменчив и во времени.

При постоянном перемещении водных масс они сходятся (конвергируют) и расходятся (дивергируют). То есть существует и вертикальное перемешивание вод.

Выясняется все более существенная роль глубинных течений (противотечений) - рис. 4.8.

Появились уточненные сведения о наличие на континентальных подножиях придонных геострофических (оборотных) горизонтальных течений.

Важное значение имеют восходящие (апвеллинг) и нисходящие (даунвеллинг) прибрежные морские течения, имеющие, как теперь достаточно достоверно установлено, важное экологическое значение.

Рис. 4.6. Схема циркуляции поверхностных вод океана

1 - береговая линия; 2 - направления перемещения основных потоков; 3 - главные океанические фронты: э - экваториальный, сэ- субэкваториальный, т - тропический, сп - субполярный, п - полярный; 4 - конвергенция; 5 - дивергенция.

Макроциркуляционные системы: I - антициклоническая экваториальная; II – циклоническая тропическая; III – антициклоническая субтропическая; IV - циклоническая высокоширотная; V – антициклоническая арктическая

Рис. 4.7. Перенос тепла океаническими течениями

Заштрихованы районы с более теплыми поверхностными водами.

Числа обозначают объемы переноса воды (млн м³/с ^-1),а стрелки - направления течений. Хорошо видна система Гольфстрим, отепляющая пространства Западной Европы

В перемешивании океанических вод велика и роль рельефа дна, отражающегося на направлении глубинных течений. Суть этого азонального фактора физико-химической дифференциации Мирового океана глубоко раскрывает Я.Я. Гаккель: " Подобно тому, как пересеченный рельеф земной поверхности играет огромную роль в распределении воздушных потоков, обтекающих встречаемые ими на своем пути препятствия, морские течения подвергаются столь же, если не большему влиянию со стороны морского дна. Грубо говоря, чем пересеченнее рельеф суши и морского дна, чем более он горист и чем больше разность высот в смежных районах и областях, тем значительнее влияние рельефа на движение воздушных и водных масс и, более того, на метеорологические особенности этих районов. Над сушей это сказывается на характере гидрометеорологических, аэрологических и синоптических процессов, на циркуляции атмосферы и вообще на климате. Над морским дном и на нем самом это сказывается в тех же по своей сути гидроклиматических, гидросиноптических и циркуляционных (морских течениях) особенностях моря (тем более океана).

Рис. 4.8. Основные глубинные течения Мирового океана

1 – течения, направленные на север; 2 – течения, направленные на юг; антарктические придонные воды: 3 – оси течений, 4 – направление течений, рассчитанное по принципу температур, 5 - изобаты

3. Важнейшие экологические проблемы,

связанные с состоянием гидросферы

Экологические проблемы, связанные с состоянием гидросферы, весьма разнообразны. К главным из них можно отнести деградацию вод и разрыв системы река-море, эвтрофизацию, асидификацию, адвективный перенос загрязнений, а также такое новое явление как феномен Эль-Ниньо.

Деградация вод и разрыв системы река-море

В деградации - ухудшении качества вод особенно велика роль антропогенной составляющей. Главный пользователь пресной воды - ирригация (65% забираемых в мире вод). Доля промышленности около 25%. 10% приходится на коммунальные системы водоснабжения. Величина сброса вод составляет около 700 км³ в год. Вклад источников загрязнения Мирового океана оценивается так: сток загрязнений с суши составляет 40%, выпадение из атмосферы - менее 40%, транспортные и прочие источники на море - менее 20%. В том числе, сброс по рекам России 59,3 км³ (1997 г.), из них загрязненных сточных вод около 30 км³, при средней величине стока 4260 км³ в год.

Воды могут быть загрязнены патогенами, органическими и механическими взвешенными веществами, а также нефтепродуктами и металлическими компонентами. Обычный уровень разбавления сточных вод речными 10-12 раз, не менее. Но дальнейшее разбавление уже нисколько не решает проблему: «Solution to pollution is not dilution».

Около 80% заболеваний связано с некачественной водой. 1 млрд. людей не обеспечено чистой питьевой водой, и столько же канализацией.

При патогенном заражении от диарреи умирают до 3 млн детей в возрасте до 5 лет. 700000 жителей США заражаются криптоспориодизом и т.д.

Сликами нефти загрязнено до 1/3 акваторий морей. Большинство речных систем мира несут воды, которые непригодны для непосредственного использования в пищу. Интенсивно загрязняются такие уникальные кладовые пресной воды как Байкал, в котором сосредоточено 3/4 запасов мира (и 4/5 России).

Нарушена и разрушается связь реки-водоемы и в том числе реки-моря. Большой разбор вод на ирригацию и другие нужды приводит к резкому снижению водности рек в их приустьвой части (рис. 4.9), и даже полному разрыву, как это случилось с Аральским морем, превратившимся в умирающие соленые и токсичные остаточные водоемы.

Происходит в значительных масштабах засоление речных вод морскими по тем же причинам, включая подземные артезианские воды при их сверхинтенсивной эксплуатации.

Сохранение пресных качественных вод на Земле - одна из самых актуальных глобальных проблем жизнеобеспечения.

Эвтрофизация

Свое название это явление получило по высокой (хорошей - эв) питательности (трофе - питание) вод, что зачастую связано с накоплением в водоемах биогенных веществ и, в первую очередь, N и Р. Часто это свидетельство глубоких антропогенных изменений в глобальных биогеохимических циклах этих компонентов, особенно в связи с сельскохозяйственной деятельностью с широким использованием минеральных удобрений. Оно уже затрагивает не только внутренние водоемы, но и прибрежные акватории морей. Прежде всего, это проявляется в «цветении вод» - широком развитии циановых водорослей, способных при их интенсивном развитии отравить воды выделяющими ими ядами, что резко сказывается на составе и количестве биоты.

Рис. 4.9. Изменение годового стока некоторых рек Евразии

Принципиальная направленность этого процесса – изменение круговорота органического вещества (ОВ), являющегося частью круговорота углерода. Одновременно эвтрофизация влечет и противоположный процесс - усиление минерализации ОВ и высвобождения C, N и P. При эвтрофизации водоемов усиливается интенсивность круговорота ОВ, возрастает скорость его продуцирования и деструкции, что определяется не только температурным фактором, но и высоким уровнем обеспеченности первичных продуцентов питанием. При ускорении круговорота ОВ в экосистеме может снизиться его запас и этим усиливается оборот питательных веществ и вынос их за пределы водоема - в атмосферу и речную сеть.

В глубинных водоемах водная толща не однородна: вверху находится зона фотосинтеза, внизу преобладают процессы деструкции ОВ. Поверхность дна изолируется оседающей органо-минеральной взвесью.

Деструкция ОВ в подобных водоемах нередко даже превышает его продукцию и тогда в оборот биогенных элементов вкючается органическое вещество, которое ранее депонировалось в донные осадки.

В связи с этим идет переоценка эффективности действия многих гидротехнических систем в связи с негативными экологическими последствиями, но одновременно происходит еще и сооружение крупнейшего в мире водохранилища Три Ущелья на р. Янцзы в Китае и огромного Юго-Восточного Анатолийского гидрокомплекса в бассейнах рек Тигра и Евфрата в Турции.

Особенно это опасно в сочетании с засолением внутренних водоемов внутристочных областей и бессточных депрессий, которые занимают до 1/4 площади суши (35 млн км²).

Асидификация водоемов

Асидификация для природных вод означает достижение кислотности рН равной или меньшей 5. Масштабы этого явления для озерных сред отдельных регионов приобрели массовый характер.

Так, в Швеции из 85000 озер 4000 значительно асидифицированы, а 18000 периодически подкислены. В южной части Норвегии закислены тысячи озер, из них 1750 обезрыблены по этой причине. В Финляндии кислотными являются 500 озер из 8000. Показатель рН вод за 30 лет вырос более чем в 10 раз. Асидифицированы некоторые озера в Канаде, США, Великобритании, Германии, Нидерландах, Австрии, Швейцарии, то есть закисление вод приняло субконтинентальный характер.

Биологические процессы в пресных водоемах оптимальны при рН 6-8. В озерах восточной Канады и Скандинавии при рН равном 6 исчезают ракообразные, насекомые, некоторые водоросли, зоопланктон. Рыбные популяции исчезают при рН до 5, а ниже этого значения ограничивается и продукция земноводных. Контрмерой является известкование водоемов, причем в Швеции в нем нуждается до четверти площадей озер. Но при этом в бассейн привносится и ряд тяжелых металлов.

Адвентивный перенос

Под адвекцией понимается загрязнение вод течениями (морскими), на что до недавнего времени практически не обращалось внимание. Однако даже радиоактивное загрязнение арктических морей у Новой Земли показывает их чрезвычайно важную роль.

Учитывая, что динамика океанических вод чрезвычайно сложна, что имеется целый ряд систем восходящих течений, следует больше внимания придавать возможности циркуляции вод из глубоких морских впадин, которые в связи с этим вряд ли являются надежными депонаторами захороненных там радиоактивных контейнеров и сосудов с высокотоксичными компонентами.

Феномен Эль-Ниньо

Чтобы уяснить суть аномалии Эль-Ниньо рассмотрим обычную климатическую ситуацию этого региона. Она определяется Перуанским холодным течением (Гумбольдта), выносящим воды из Антарктики вдоль западных берегов Южной Америки до Галапогосских островов (на экваторе).

Пассаты, пересекая высокогорный барьер Анд, оставляют влагу на их восточных склонах. Западное побережье - это сухая каменистая пустыня. Пассаты вновь набирают влагу и переносят ее на западные берега Тихого океана. Эти ветры определяют и преобладающее западное направление поверхностных течений, вызывающих нагон воды в западной части Тихого океана, которые разгружаются противопассатным течением Кромвеля. В экваториальной зоне Тихого океана в полосе шириной 400 км на восток выносятся огромные массы воды на глубинах 50-300 м со скоростью 0,5 м/с. Это одно из наиболее мощных течений Мирового океана.

В связи с Перуанским течением в прибрежных перуанско-чилий-ских водах на площади в доли процента от площади Мирового океана добыча рыбы (в основном анчоуса) превышает 20% общемировой. Максимальная добыча в 1972 г. составила более 12 млн т. Обилие рыбы определяет колоссальные скопления рыбоядных птиц: бакланов, олуш, пеликанов. На птичьих базарах образуются огромные количества гуано - ценного N-P удобрения. Залежи его здесь достигают 50 м. Это объект эксплуатации и экспорта.

В годы Эль-Ниньо ситуация меняется. Температура вод повышается на несколько градусов. Наступает массовая гибель и уход рыбы, из-за снижения содержания растворенного кислорода. Исчезают птицы. Наступает кризис рыбной промышленности.

Атмосферное давление в восточной части Тихого океана падает.

Воздушные потоки меняют направление (с запада на восток). Они уносят влагу из Западнотихоокеанского региона и проливают дожди на восточные берега океана. У подножия Анд бушуют паводки, сели, наводнения. От страшной засухи выгорают тропические леса в Индонезии, на Новой Гвинее. Резко снижается урожайность сельскохозяйственных культур в Австралии и других странах Западно-Тихокеанского региона. От Чилийских берегов и до Калифорнии развиваются «красные приливы», вызванные бурным развитием микроскопических водорослей, из-за обилия которых морские организмы - фильтраторы, например устрицы, становятся ядовитыми. Они вызывают пищевое отравление у людей.

Дата добавления: 2014-12-26