6.3.1. Основные свойства воды как среды жизни

Агрегатное состояние.Вода на земном шаре присутствует в трех агрегатных состояниях: твердом (лед, снег и т.п.), жидком (собственно вода) и газообразном (водяной пар). При этом 96 % воды находится в жидком состоянии, остальные 4 % – в твердом и относительно незначительное количество – в атмосфере Земли в виде водяного пара и мельчайших капель (приблизительно 12000 км³в пересчете на жидкую воду). Как известно, температура плавления составляет для воды 0C, температура кипения – 100C. Эти изменения в физическом состоянии воды лежат в основе ее круговорота на Земле.

Температурный режим и плотность.Как уже упоминалось, колебания температуры воды в Мировом океане сравнительно невелики и находятся в приповерхностных слоях в диапазоне от –2 до +33C при среднем значении +17,4C. На глубине свыше 500 – 1000 м температура более или менее постоянна и составляет около +4C. В пресных внутренних водоемах умеренных широт температура приповерхностных слоев колеблется в диапазоне от –0,9C до +25C. В термальных источниках температура воды может достигать 100C.

Изменение плотности воды с температурой имеет одну весьма важную особенность. При повышении температуры воды от 0 C плотность ее вначале возрастает, достигает максимума приблизительно при +4C и уже затем уменьшается. Эта особенность имеет большое значение для водных экосистем, особенно в умеренных широтах, т.к. влияет на сезонную вертикальную циркуляцию воды в водоемах.

Содержание кислорода и углекислого газа.Кислород поступает в водную среду двумя путями: из атмосферы и в результате фотосинтеза в водных зеленых растениях. Содержание кислорода в воде является сильным лимитирующим фактором, поскольку морские организмы столь же нуждаются в кислороде для дыхания, как и наземные. В газах, растворенных в воде, кислород составляет в среднем 35 % (в атмосфере – 21 %). Очевидно, что в приповерхностных областях содержание кислорода выше, чем в глубине. Однако за счет течений и вертикальной циркуляции воды кислород распространяется на большие глубины вплоть до дна океана. Там, где глубинное перемешивание вод затруднено уже на глубинах свыше 200 м свободного кислорода нет, а вода насыщена сероводородом. Такая ситуация характерна для Черного и Аравийского морей и Бенгальского залива.

Углекислый газ растворяется в воде примерно в 35 раз лучше кислорода (при 0 C). В воде его почти в 700 раз больше, чем в атмосфере, из которой он и поступает. Большая часть углекислоты присутствует в воде в виде карбонатов и гидрокарбонатов щелочных и щелочноземельных металлов.

При pH = 8 в богатых кальцием поверхностных водах существенны следующие равновесные обменные процессы:

Углекислый газ необходим водным растениям для фотосинтеза, а также беспозвоночным животным для формирования известковых скелетных образований.

Прозрачность и световой режим.К световому режиму наиболее чувствительны фотосинтезирующие растения, о важнейшей роли которых уже неоднократно говорилось. В мутных водоемах они обитают лишь в приповерхностных областях и только, если прозрачность воды достаточно велика, они могут существовать на более или менее значительных глубинах. В очень чистой воде эта глубина может достигать 100 – 200 м, в то время как в мутной она может уменьшиться до нескольких сантиметров. Солнечный свет с разной длиной волны поглощается водой неодинаково: в красной части спектра поглощение более интенсивно (глубина проникновения – несколько метров), в зеленой – менее (проникает до 500 м), в синей – еще меньше (до 1500 м). Соответственно этому с глубиной зеленые водоросли сменяются бурыми и красными, пигменты которых приспособлены к улавливанию света с более короткой длиной волны. Чем ближе к поверхности, тем разнообразнее и богаче жизнь: из 160000 видов морских организмов более 100000 обитает на глубинах до 500 м.

Соленость.В.И.Вернадский предложил следующую классификацию солености воды: до 1^о/_оо– пресная, от 1 до 10^о/_оо– солоноватая, от 10 до 50^о/_оо– соленая, свыше 50^о/_оо– рассол (в океанологии границей между соленой и солоноватой водой принята величина 24,7^о/_оо, т.к. при такой солености меняются некоторые физические свойства воды).

95 % всей воды на земном шаре сосредоточено в морях и океанах, т.е. является водой солоноватой или соленой. Соленость морей и океанов колеблется в пределах от 3 – 5 ^о/_оодо 40 – 45^о/_оопри средней величине 35^о/_оо. Соленость морской воды обусловлена присутствием в ней хлоридов, в основном NaCl (88,7 % всех солей), сульфатов (10,8 %), карбонатов (0,3 %) и некоторых других солей (0,2 %). Если выпарить всю воду океанов, то их дно оказалось бы покрытым 60-метровым слоем соли. Большое количество растворенных в морской воде солей обусловливает довольно высокое осмотическое давление, равное 265 кПа (2,7 атм).

Кроме того, в морской воде присутствует более сорока микроэлементов с концентрациями от сотых до миллиардных и менее долей процента.

В связи с этим отметим, что в ряде стран достаточно развита промышленность по извлечению из морской воды химического минерального сырья: поваренной соли (Индия, Италия, Франция, Испания, США), магния (США, Великобритания, Италия, Франция, Тунис и др.), брома (США, Канада, Украина, Бразилия, Франция, Япония, Индия и др.), калия (Великобритания, Япония и др.). Получение минерального сырья из морской воды имеет ряд очевидных преимуществ: морская вода является универсальным сырьем, позволяющим извлекать из нее при должной технологии целый комплекс минеральных веществ, экологически такое производство гораздо менее вредно, чем добыча соответствующих полезных ископаемых на суше, очищенная вода может затем использоваться для промышленных, сельскохозяйственных и бытовых нужд, что поможет решить проблему дефицита чистой пресной воды. Однако технологии добычи минерального сырья из морской воды в настоящее время еще недостаточно разработаны и экономически зачастую менее выгодны, чем традиционные (исключая получение брома).

Соленость морской воды зависит от нескольких факторов: количества осадков, скорости испарения воды с поверхности, полноводности впадающих в то или иное море рек. Так, например, соленость Балтийского моря в силу этих причин невысока – менее 10 ^о/_оо– за счет таких крупных рек как Нева, Западная Двина, Висла, Одра и др., а вода в восточной части Финского залива благодаря Неве почти пресная.

Кроме морей и океанов вода со значительной концентрацией солей содержится в бессточных озерах. Самое известное такое озеро – Мертвое море в Палестине, в котором соленость достигает 260 ^о/_оо(отметим, что при солености свыше 270^о/_оов воде жизнь отсутствует). В России к таким озерам относятся Каспийское море (соленость около 14^о/_оо) и озера Эльтон и Баскунчак (Волгоградская и Астраханская области), в которых добывается поваренная соль.

Засоленными часто бывают также подземные воды вследствие растворения в них минеральных веществ, находящихся в глубине земли. Минерализованные подземные воды часто выходят на поверхность земли через глубокие трещины. Многие из них обладают целебными свойствами и тогда называются минеральными, однако иногда в них могут содержаться и опасные для человека вещества, например, мышьяк. Отметим, что поскольку температура земной коры повышается на каждые 100 метров глубины примерно на 3 C, подземные воды часто бывают теплыми и даже горячими.

Пресная вода – это вода, соленость которой не превышает 1 ^о/_оо, среди растворенных в небольших количествах в пресной воде солей, в отличие от морской воды, доминируют карбонаты. После попадания в Мировой океан эти карбонаты используются многими морскими организмами для построения своих скелетов и раковин.

Кислотность.Этот вопрос уже обсуждался вразделе 2.5.3. Напомним, что средняя кислотность морской воды составляет 8,8, а большинство пресноводных рыб может существовать при значениях кислотности от 5 до 9. При pH < 5 наступает массовая гибель рыб, а при pH > 9 погибают все рыбы и многие другие водные животные.

Щелочность.Критерий качества воды, выраженный как эквивалентная концентрация CaCO₃; в очищенной воде не должна превышать 120 мг/л.