Универсальный растворитель
Морская вода существенно отличается от пресной. Попытавшись вскипятить воду, взятую, например, из Чёрного, Мёртвого и Средиземного морей, нетрудно убедиться, что закипает она при разных температурах и все они далеки от 100°C. Эффект от купания в этих морях вызовет не меньшее удивление, так как усилия, которые приходится затратить, чтобы удержаться на плаву, во всех трёх случаях оказываются различными.
Морская вода существенно отличается от пресной. Попытавшись вскипятить воду, взятую, например, из Чёрного, Мёртвого и Средиземного морей, нетрудно убедиться, что закипает она при разных температурах и все они далеки от 100°C. Эффект от купания в этих морях вызовет не меньшее удивление, так как усилия, которые приходится затратить, чтобы удержаться на плаву, во всех трёх случаях оказываются различными.
Измерение же температуры воды, например, у берегов Антарктиды показывает, что она там значительно ниже 0°C — точки замерзания для пресной воды. Наконец, если опустить один кубический метр морской воды с поверхности на глубину 5000 м, где давление в 500 раз выше, то легко убедиться, что её объем при этом уменьшится на 2%, а температура возрастёт на 0,5°C.
Если мы будем пить морскую воду, то рискуем получить не только расстройство желудка, но и умереть — по причине, как ни странно, обезвоживания организма: чтобы вывести избыточную соль, организм начинает использовать воду из клеток тканей, а это влечёт за собой обезвоживание и гибель. В то же время компрессы, ванны, полоскания и другие процедуры с использованием морской воды помогают излечиться от множества болезней: целебность при наружном применении придаёт высокая концентрация как положительных, так и отрицательных ионов.
Наконец, ещё один пример загадочного явления, связанного с водой. В селе Новая Покровка в Приазовье на Украине в 1929 году по вечерам наблюдалась фантастическая картина. Из скважины через изогнутую трубу мощная струя воды поступала в каскад наклонных желобов, расположенных на высоких опорах, а по ним стекала к конюшне. Всё бы хорошо, но вот загадка: в первых от скважины желобах вода горела в сумерках голубым пламенем, как спирт, а внизу… её пили лошади.
Такие „чудеса“ определяются прежде всего удивительной способностью воды растворять различные вещества. В этом с ней не может сравниться ни одна жидкость. В природе практически нет веществ, совершенно нерастворимых в воде. В случае с лошадиным водопоем из скважины била вода, насыщенная метаном. На поверхности при снижении давления газ выходил из жидкости, местные шутники его поджигали, а оставшуюся после сгорания газа чистую воду спокойно пили животные.
Это качество воды — растворять почти всё — и приводит к тому, что морская вода представляет собой очень разбавленный, а потому почти полностью ионизированный нейтральный раствор почти всех известных природных твёрдых химических веществ. Кроме того, в ней растворены газы — кислород, азот, углекислый газ, инертные газы. А там, где вода застаивается, — сероводород. И наконец, в морской воде содержатся органические вещества.
В получившемся природном „коктейле“ непрерывно протекают сложные физико-химические, биологические и другие процессы, направленные на изменение его общего солевого состава, а также соотношения между отдельными ионами. В итоге основными катионами Мирового океана становятся натрий, магний и кальций. Их в морской воде соответственно 14,1, 1,7 и 0,5×1015 т. Преобладающие же анионы в океане представлены прежде всего хлоридами и сульфатами, количество которых (25,5 и 3,5×1015 т) на порядки превышает содержание других отрицательных ионов.
Кстати, хотя средняя солёность воды Мирового океана в десять раз больше, чем содержание соли в крови позвоночных, соотношение основных химических компонентов в обеих жидкостях почти одинаково и сохраняется постоянным на протяжении миллионов лет. Этот факт многие учёные интерпретируют как дополнительное доказательство океанического происхождения жизни на Земле. Из 92 существующих в природе химических элементов в морской воде обнаружено 73. Однако только у 14 из них концентрация выше, чем одна часть на миллион. Например, в литре морской воды содержиттся лишь 1600 атомов радона.
В поисках солёности
В 70-х годах XVII столетия Роберт Бойль, соавтор известного газового закона, выполнил первые достоверные измерения общего содержания солей в воде, взятой с разных глубин океана у побережья Англии, после чего высказал предположение о постоянстве солевого состава морской воды.
На протяжении XVII–XIX веков благодаря усилиям учёных многих стран эта мысль получила убедительное подтверждение. В 1819 году в сборнике научных трудов Лондонского Королевского общества были опубликованы результаты анализов вод открытых районов Ледовитого и Атлантического океанов, а также семи морей, расположенных в противоположных частях Мирового океана. Их автор — исследователь моря А. Марсет — также пришёл к выводу, что „пробы морской воды во всех районах земного шара содержат одни и те же компоненты в очень близких пропорциях… различия в химическом составе вод различных морей состоят только в общем количестве присутствующих солей“. В дальнейшем к аналогичному заключению пришли французский учёный Жозеф Луи Гей-Люссак, русский физик Эмилий Христианович Ленц, американский океанолог Мэтью Фонтен Мори. Оно было подтверждено и профессором У. Дитмаром после кругосветного плавания первого научно-исследовательского судна „Челленджер“ (1873–1876), положившего начало регулярным крупномасштабным исследованиям Мирового океана.
Солёная-солёная вода
Зная о постоянстве соотношения главных ионов в морской воде, мы можем по содержанию в конкретной пробе одного из основных элементов определить её общую солёность — концентрацию всех растворённых твёрдых веществ. „Приоритетными“ элементами для расчёта общей солёности морской воды выбрали сумму галогенов — хлора, брома, фтора, пересчитанную на концентрацию хлора. Так сделали потому, что массовая доля галогенов в общем количестве солей морской воды превышает 55%, к тому же их легко и точно определять химическим путём в полевых условиях. Эта величина называется хлорностью морской воды, а её производная, солёность, — условная величина, рассчитанная по сумме галогенов. Она отражает вес в граммах всех солей, растворённых в литре морской воды, измеряется в десятых долях процента и обозначается ‰ — промилле.
Содержание солей в морской воде изменяется под действием многих факторов, которые можно разделить на три группы:
— речной сток, осадки, испарение, образование и таяние морских льдов;
— жизнедеятельность морских организмов, формирование и трансформация донных отложений;
— дыхание морских организмов, фотосинтез растений, деятельность бактерий.
Средняя солёность на поверхности Мирового океана равна 34,84‰. В Тихом океане она составляет 34,56, в Индийском — 34,68, а в Атлантическом, самом солёном, — 35,30‰. Средняя солёность толщи вод Мирового океана (без Арктического бассейна) — 34,71‰. По этому показателю самым солёным также оказывается Атлантический океан (34,87‰), затем следуют Индийский (34,78‰) и Тихий (34,63‰) океаны. В Северном полушарии средняя солёность на 0,13‰ выше, чем в Южном.
Именно из-за различий в солёности поверхностных вод Чёрного (17–18‰), Средиземного (36–37‰) и Мёртвого (260–270, а иногда и 310‰) морей их плотность также значительно отличается и плавание в них требует затраты разных усилий. Соль-то и приводит к тому, что температура кипения морской воды превышает 100°C, а температура замерзания — ниже нуля.
Наконец, с тем, что солёность вод неодинакова как в различных районах Мирового океана, так и на разных глубинах, связано развитие и интенсивность многих физико-динамических процессов — вертикальной и горизонтальной циркуляции вод, конвективного (из-за различий температуры воды по вертикали) и турбулентного (из-за „хаотического“ движения вод) перемешивания, ответственных за снабжение океана веществом и энергией — то есть за поддержание жизни.
Родники на дне моря
Говоря о значимости солей, растворённых в морской воде, для жизни обитателей океана, нельзя не упомянуть о некоторых феноменальных явлениях природы, связанных с этим её свойством.
После того как в 1126 году во французской провинции Артуа пробурили первую в Европе скважину для добычи воды, во всём мире такие её источники стали называть артезианскими. Оказывается, источники артезианских вод могут располагаться и на дне океана, если разность уровней между областью их питания (на суше) и областью разгрузки (под морским дном) достаточно велика. Напор пресной воды в таких сообщающихся сосудах преодолевает давление столба морской воды в месте выхода источника, и пресный фонтан начинает бить из морского дна. В солёной морской воде образуется пресный оазис.
Это явление было описано ещё немецким естествоиспытателем географом Александром Гумбольдтом в тридцатитомном труде „Путешествие в равноденственные области Нового Света“. У берегов Кубы учёный находил в море пресные источники по скоплению морских коров-ламантинов, избегающих вод с высокой солёностью.
В январе 1857 года в Мексиканском заливе между южными берегами полуострова Флорида и острова Ки-Уэст в результате прорыва со дна моря пресной воды возникла мощная подводная река шириной около 50 км! На морской поверхности она оставляла ужасный „мёртвый след“ из тел обитателей солёных вод, убитых опреснением.
В Юкатанском проливе, соединяющем Мексиканский залив с Карибским морем, у берегов полуострова Юкатан со дна моря также бьют холодные пресные ключи. Местные жители с лодок вёдрами черпают воду из таких подводных „колодцев“, а стенки этих уникальных жидких сооружений образует тёплая солёная морская вода.
Эхо веков
История формирования солевого состава вод Мирового океана содержит множество интересных страниц. Наиболее простым и понятным объяснением этого явления казалось предположение о том, что соль в море приносят реки. Однако более детальные исследования опровергают эту гипотезу.
Дело в том, что речная вода, в отличие от морской, содержит в основном карбонаты (60,1%), соединения азота, фосфора, кремния и органические вещества (24,8%), выщелачиваемые потоком из горных пород и почвы. Главный катион здесь кальций, а анионы — бикарбонаты и карбонаты. За год в океан с речным стоком поступает до 0,56 млрд. т кальция и 0,96 млрд. т анионов. Преобладающих же в морской воде хлоридов натрия и магния в речных водах очень мало. Поэтому рассматривать реки как источники запаса основных солей в Мировом океане нельзя — уж больно долго им пришлось бы трудиться.
Куда более убедительно выглядит другое предположение: солевой состав океана сформировался в процессе возникновения нашей планеты много миллиардов лет назад. Согласно одной из современных гипотез, Земля образовалась из твёрдого холодного космического вещества, которое разогревалось под влиянием сжатия и тепла, выделяемого в процессе распада радиоактивных элементов — ядерных реакций. Это привело к перераспределению вещества планеты: оно расслоилось, образовав оболочки. Легкоплавкие вещества — базальтовая магма и пары воды, составлявшие основу растворённых в ней газов, — оказались на поверхности. Далее, по мере охлаждения, пары воды и другие газы — аммиак, метан, угарный и углекислый — конденсировались, образуя кислый раствор, содержащий ионы хлора, серы, углерода и множества других элементов. Одновременно с постепенным растворением горных пород этот раствор нейтрализовался и обогащался ионами натрия, магния, кальция, калия, стронция. Получается, что уже на заре образования гидросферы праокеан был солёным и содержал почти все элементы современного солевого состава.
В соответствии со второй, не менее популярной, гипотезой горячего начала Земли, наша планета сформировалась из газообразного облака в процессе гравитационного сжатия. При этом выделялись раскалённые газовые образования, которые затем дифференцированно конденсировались в порядке понижения температуры конденсации отдельных химических соединений: сначала соединения железа и никеля с кремнием и магнием, затем сульфиты и силикаты, в последнюю очередь вода.
Описанные события начались задолго до возникновения жизни на Земле, в так называемую катархейскую эру (от 4,6–4,5 до 3,6–3,4 млрд. лет назад). В конце этого периода объём вод пра-океана составлял 20% от современного. В нём не было ни кислорода, ни оксидов серы, азота, углерода. Вместо них воды океана были насыщены сероводородом, аммиаком, метаном. В последующие архейскую и протерозойскую эры (от 3,6–3,4 до 0,58–0,56 млрд. лет назад) на нашей планете зародилась и стала развиваться жизнь. Объём вод океана к тому времени возрос до 70% от современного, восстановительные условия сменились окислительными — появились оксиды серы, углерода и азота.
На протяжении „эры явной жизни“, фанерозоя (570±15 млн. лет назад и до наших дней), в солевом составе океанических вод произошли наиболее значительные изменения. В нижнем палеозое (585–340 млн. лет назад) на нашей планете началось бурное развитие растений и в океане, и на суше, определившее резкое повышение — почти до современного уровня — содержания кислорода, сульфатов, карбонатов, а также натрия, магния, кальция, калия и других элементов. Последние 250 млн. лет соотношение между солями морских вод практически не изменялось. Значит, солевой состав вод Мирового океана можно рассматривать как историческую память формирования нашей планеты. Земля обеспечила солевой состав океана. Океан передал свой состав живым существам. Так, через воду, жизнь на нашей планете оказалась чуть ли не напрямую связана с исходным протопланетным облаком, история возникновения которого теряется в глубинах пространства-времени.
Если мы будем пить морскую воду, то рискуем получить не только расстройство желудка, но и умереть — по причине, как ни странно, обезвоживания организма: чтобы вывести избыточную соль, организм начинает использовать воду из клеток тканей, а это влечёт за собой обезвоживание и гибель. В то же время компрессы, ванны, полоскания и другие процедуры с использованием морской воды помогают излечиться от множества болезней: целебность при наружном применении придаёт высокая концентрация как положительных, так и отрицательных ионов.
Наконец, ещё один пример загадочного явления, связанного с водой. В селе Новая Покровка в Приазовье на Украине в 1929 году по вечерам наблюдалась фантастическая картина. Из скважины через изогнутую трубу мощная струя воды поступала в каскад наклонных желобов, расположенных на высоких опорах, а по ним стекала к конюшне. Всё бы хорошо, но вот загадка: в первых от скважины желобах вода горела в сумерках голубым пламенем, как спирт, а внизу… её пили лошади.
Такие „чудеса“ определяются прежде всего удивительной способностью воды растворять различные вещества. В этом с ней не может сравниться ни одна жидкость. В природе практически нет веществ, совершенно нерастворимых в воде. В случае с лошадиным водопоем из скважины била вода, насыщенная метаном. На поверхности при снижении давления газ выходил из жидкости, местные шутники его поджигали, а оставшуюся после сгорания газа чистую воду спокойно пили животные.
Это качество воды — растворять почти всё — и приводит к тому, что морская вода представляет собой очень разбавленный, а потому почти полностью ионизированный нейтральный раствор почти всех известных природных твёрдых химических веществ. Кроме того, в ней растворены газы — кислород, азот, углекислый газ, инертные газы. А там, где вода застаивается, — сероводород. И наконец, в морской воде содержатся органические вещества.
В получившемся природном „коктейле“ непрерывно протекают сложные физико-химические, биологические и другие процессы, направленные на изменение его общего солевого состава, а также соотношения между отдельными ионами. В итоге основными катионами Мирового океана становятся натрий, магний и кальций. Их в морской воде соответственно 14,1, 1,7 и 0,5×1015 т. Преобладающие же анионы в океане представлены прежде всего хлоридами и сульфатами, количество которых (25,5 и 3,5×1015 т) на порядки превышает содержание других отрицательных ионов.
Кстати, хотя средняя солёность воды Мирового океана в десять раз больше, чем содержание соли в крови позвоночных, соотношение основных химических компонентов в обеих жидкостях почти одинаково и сохраняется постоянным на протяжении миллионов лет. Этот факт многие учёные интерпретируют как дополнительное доказательство океанического происхождения жизни на Земле. Из 92 существующих в природе химических элементов в морской воде обнаружено 73. Однако только у 14 из них концентрация выше, чем одна часть на миллион. Например, в литре морской воды содержиттся лишь 1600 атомов радона.
В поисках солёности
В 70-х годах XVII столетия Роберт Бойль, соавтор известного газового закона, выполнил первые достоверные измерения общего содержания солей в воде, взятой с разных глубин океана у побережья Англии, после чего высказал предположение о постоянстве солевого состава морской воды.
На протяжении XVII–XIX веков благодаря усилиям учёных многих стран эта мысль получила убедительное подтверждение. В 1819 году в сборнике научных трудов Лондонского Королевского общества были опубликованы результаты анализов вод открытых районов Ледовитого и Атлантического океанов, а также семи морей, расположенных в противоположных частях Мирового океана. Их автор — исследователь моря А. Марсет — также пришёл к выводу, что „пробы морской воды во всех районах земного шара содержат одни и те же компоненты в очень близких пропорциях… различия в химическом составе вод различных морей состоят только в общем количестве присутствующих солей“. В дальнейшем к аналогичному заключению пришли французский учёный Жозеф Луи Гей-Люссак, русский физик Эмилий Христианович Ленц, американский океанолог Мэтью Фонтен Мори. Оно было подтверждено и профессором У. Дитмаром после кругосветного плавания первого научно-исследовательского судна „Челленджер“ (1873–1876), положившего начало регулярным крупномасштабным исследованиям Мирового океана.
Солёная-солёная вода
Зная о постоянстве соотношения главных ионов в морской воде, мы можем по содержанию в конкретной пробе одного из основных элементов определить её общую солёность — концентрацию всех растворённых твёрдых веществ. „Приоритетными“ элементами для расчёта общей солёности морской воды выбрали сумму галогенов — хлора, брома, фтора, пересчитанную на концентрацию хлора. Так сделали потому, что массовая доля галогенов в общем количестве солей морской воды превышает 55%, к тому же их легко и точно определять химическим путём в полевых условиях. Эта величина называется хлорностью морской воды, а её производная, солёность, — условная величина, рассчитанная по сумме галогенов. Она отражает вес в граммах всех солей, растворённых в литре морской воды, измеряется в десятых долях процента и обозначается ‰ — промилле.
Содержание солей в морской воде изменяется под действием многих факторов, которые можно разделить на три группы:
— речной сток, осадки, испарение, образование и таяние морских льдов;
— жизнедеятельность морских организмов, формирование и трансформация донных отложений;
— дыхание морских организмов, фотосинтез растений, деятельность бактерий.
Средняя солёность на поверхности Мирового океана равна 34,84‰. В Тихом океане она составляет 34,56, в Индийском — 34,68, а в Атлантическом, самом солёном, — 35,30‰. Средняя солёность толщи вод Мирового океана (без Арктического бассейна) — 34,71‰. По этому показателю самым солёным также оказывается Атлантический океан (34,87‰), затем следуют Индийский (34,78‰) и Тихий (34,63‰) океаны. В Северном полушарии средняя солёность на 0,13‰ выше, чем в Южном.
Именно из-за различий в солёности поверхностных вод Чёрного (17–18‰), Средиземного (36–37‰) и Мёртвого (260–270, а иногда и 310‰) морей их плотность также значительно отличается и плавание в них требует затраты разных усилий. Соль-то и приводит к тому, что температура кипения морской воды превышает 100°C, а температура замерзания — ниже нуля.
Наконец, с тем, что солёность вод неодинакова как в различных районах Мирового океана, так и на разных глубинах, связано развитие и интенсивность многих физико-динамических процессов — вертикальной и горизонтальной циркуляции вод, конвективного (из-за различий температуры воды по вертикали) и турбулентного (из-за „хаотического“ движения вод) перемешивания, ответственных за снабжение океана веществом и энергией — то есть за поддержание жизни.
Родники на дне моря
Говоря о значимости солей, растворённых в морской воде, для жизни обитателей океана, нельзя не упомянуть о некоторых феноменальных явлениях природы, связанных с этим её свойством.
После того как в 1126 году во французской провинции Артуа пробурили первую в Европе скважину для добычи воды, во всём мире такие её источники стали называть артезианскими. Оказывается, источники артезианских вод могут располагаться и на дне океана, если разность уровней между областью их питания (на суше) и областью разгрузки (под морским дном) достаточно велика. Напор пресной воды в таких сообщающихся сосудах преодолевает давление столба морской воды в месте выхода источника, и пресный фонтан начинает бить из морского дна. В солёной морской воде образуется пресный оазис.
Это явление было описано ещё немецким естествоиспытателем географом Александром Гумбольдтом в тридцатитомном труде „Путешествие в равноденственные области Нового Света“. У берегов Кубы учёный находил в море пресные источники по скоплению морских коров-ламантинов, избегающих вод с высокой солёностью.
В январе 1857 года в Мексиканском заливе между южными берегами полуострова Флорида и острова Ки-Уэст в результате прорыва со дна моря пресной воды возникла мощная подводная река шириной около 50 км! На морской поверхности она оставляла ужасный „мёртвый след“ из тел обитателей солёных вод, убитых опреснением.
В Юкатанском проливе, соединяющем Мексиканский залив с Карибским морем, у берегов полуострова Юкатан со дна моря также бьют холодные пресные ключи. Местные жители с лодок вёдрами черпают воду из таких подводных „колодцев“, а стенки этих уникальных жидких сооружений образует тёплая солёная морская вода.
Эхо веков
История формирования солевого состава вод Мирового океана содержит множество интересных страниц. Наиболее простым и понятным объяснением этого явления казалось предположение о том, что соль в море приносят реки. Однако более детальные исследования опровергают эту гипотезу.
Дело в том, что речная вода, в отличие от морской, содержит в основном карбонаты (60,1%), соединения азота, фосфора, кремния и органические вещества (24,8%), выщелачиваемые потоком из горных пород и почвы. Главный катион здесь кальций, а анионы — бикарбонаты и карбонаты. За год в океан с речным стоком поступает до 0,56 млрд. т кальция и 0,96 млрд. т анионов. Преобладающих же в морской воде хлоридов натрия и магния в речных водах очень мало. Поэтому рассматривать реки как источники запаса основных солей в Мировом океане нельзя — уж больно долго им пришлось бы трудиться.
Куда более убедительно выглядит другое предположение: солевой состав океана сформировался в процессе возникновения нашей планеты много миллиардов лет назад. Согласно одной из современных гипотез, Земля образовалась из твёрдого холодного космического вещества, которое разогревалось под влиянием сжатия и тепла, выделяемого в процессе распада радиоактивных элементов — ядерных реакций. Это привело к перераспределению вещества планеты: оно расслоилось, образовав оболочки. Легкоплавкие вещества — базальтовая магма и пары воды, составлявшие основу растворённых в ней газов, — оказались на поверхности. Далее, по мере охлаждения, пары воды и другие газы — аммиак, метан, угарный и углекислый — конденсировались, образуя кислый раствор, содержащий ионы хлора, серы, углерода и множества других элементов. Одновременно с постепенным растворением горных пород этот раствор нейтрализовался и обогащался ионами натрия, магния, кальция, калия, стронция. Получается, что уже на заре образования гидросферы праокеан был солёным и содержал почти все элементы современного солевого состава.
В соответствии со второй, не менее популярной, гипотезой горячего начала Земли, наша планета сформировалась из газообразного облака в процессе гравитационного сжатия. При этом выделялись раскалённые газовые образования, которые затем дифференцированно конденсировались в порядке понижения температуры конденсации отдельных химических соединений: сначала соединения железа и никеля с кремнием и магнием, затем сульфиты и силикаты, в последнюю очередь вода.
Описанные события начались задолго до возникновения жизни на Земле, в так называемую катархейскую эру (от 4,6–4,5 до 3,6–3,4 млрд. лет назад). В конце этого периода объём вод пра-океана составлял 20% от современного. В нём не было ни кислорода, ни оксидов серы, азота, углерода. Вместо них воды океана были насыщены сероводородом, аммиаком, метаном. В последующие архейскую и протерозойскую эры (от 3,6–3,4 до 0,58–0,56 млрд. лет назад) на нашей планете зародилась и стала развиваться жизнь. Объём вод океана к тому времени возрос до 70% от современного, восстановительные условия сменились окислительными — появились оксиды серы, углерода и азота.
На протяжении „эры явной жизни“, фанерозоя (570±15 млн. лет назад и до наших дней), в солевом составе океанических вод произошли наиболее значительные изменения. В нижнем палеозое (585–340 млн. лет назад) на нашей планете началось бурное развитие растений и в океане, и на суше, определившее резкое повышение — почти до современного уровня — содержания кислорода, сульфатов, карбонатов, а также натрия, магния, кальция, калия и других элементов. Последние 250 млн. лет соотношение между солями морских вод практически не изменялось. Значит, солевой состав вод Мирового океана можно рассматривать как историческую память формирования нашей планеты. Земля обеспечила солевой состав океана. Океан передал свой состав живым существам. Так, через воду, жизнь на нашей планете оказалась чуть ли не напрямую связана с исходным протопланетным облаком, история возникновения которого теряется в глубинах пространства-времени.
Обсуждения Морская соль