Физические свойства морской воды
Как известно, за международную единицу измерения массы принят килограмм. Платиновый килограммовый эталон хранится в Палате мер и весов в Париже, а очень точные дубликаты имеются в аналогичных учреждениях многих стран. Но почему именно килограмм (а не фунт, унция или золотник) принят теперь во всем мире за единицу измерения массы? Дело в том, что все другие единицы были произвольными, а килограмм имеет свой природный эквивалент: такова масса одного кубического дециметра воды при 4 градусах Цельсия.
Учитывать температуру совершенно необходимо, так как с ее изменением меняется и плотность воды. Всякая ли вода годится для установления эталона массы? В учебниках об этом обычно ничего не говорится, так как в данном случае под словом «вода» подразумевают вовсе не ту жидкость, которая течет из водопроводного крана, а химически чистое вещество: воду, подвергшуюся специальной обработке или же синтезированную из водорода и кислорода и не содержащую никаких примесей.
Морская вода, представляющая собой сложный раствор, таким требованиям совершенно не удовлетворяет: ее физические свойства, в том числе и плотность, значительно отличаются от свойств химически чистой воды. В среднем плотность морской воды равна 1,025 грамма на кубический сантиметр. Стало быть, ее литр на 25 граммов тяжелее пресной. Но плотность воды неодинакова по всему Мировому океану, она несколько меняется в зависимости от солености и температуры. Чем выше соленость, тем больше и плотность. Зависимость плотности от температуры обратная: чем вода теплее, тем плотность ее меньше. Так, наименьшая плотность морской воды — 1,022 грамма на кубический сантиметр — была отмечена в поверхностных слоях экваториальной зоны Тихого океана, а наибольшая—1,028 грамма на кубический сантиметр — вблизи океанского дна.
Даже незначительное изменение плотности морской воды влечет за собой весьма существенные последствия. Так, при охлаждении верхних слоев океана вода становится плотнее и опускается. Навстречу ей устремляются менее плотные глубинные воды. Возникают вертикальные токи. В сочетании с горизонтальными течениями они придают Мировому океану вид слоеного пирога, каждый слой которого характеризуется своими особыми показателями плотности, солености и температуры. Благодаря вертикальным токам вода в океане до известной степени перемешивается, в глубину проникают насыщенные кислородом поверхностные воды, из придонных слоев поднимаются богатые биогенными солями придонные массы воды.
Азбучная истина о том, что вода замерзает при О градусов, не распространяется на морскую воду. Из-за растворенных солей она остается жидкой и при отрицательной температуре. Только охлажденная ниже минус 1,9 градуса Цельсия, она начинает переходить в твердое состояние. Правда, это касается только воды с нормальной океанической соленостью. Если же в ней растворено не 35 граммов соли на килограмм, а меньше, то она станет замерзать при более высокой температуре. Так, Азовское море, соленость которого равна 12 промилле, замерзает при 0,6 градуса ниже нуля, а Белое море (соленость его 25 промилле) — при 1,4 градуса ниже нуля.
Когда изменяется агрегатное состояние пресной воды, ее состав не меняется. Совсем иначе обстоит дело с морской водой. Замерзание моря начинается с образования тонких, похожих на иглы ледяных кристалликов, совершенно лишенных соли. Если в этот момент марлевым сачком собрать такие иглы и растопить, то получится вполне чистая пресная вода. Естественно, что на первых порах образования льда соленость верхних слоев воды несколько повышается за счет поступления в эти слои тех порций соли, которые не вошли в кристаллические ледяные иглы. Только потом, когда начинается смерзание комков этих кристаллов, лед также становится соленым, но его соленость все же ниже солености окружающей морской воды. Во время таяния льда прилежащие слои воды несколько распресняются.
Распространение в морской воде световых и звуковых волн также имеет свои особенности. Еще 20— 25 лет назад большинство людей могло судить о том, как выглядит подводный мир, только Наблюдая его через поверхность воды. Но с тех пор, как подводные очки и маски повсюду вошли в моду, любой желающий может лично познакомиться с красотами царстве Нептуна. При этом стала очевидной одна весьма существенная деталь: в маске не очень хорошо виден подводный мир реки, в море же видимость превосходна. Удивительного в этом ничего нет: морская воде значительно прозрачнее воды большинства пресноводных водоемов.
Самая высокая прозрачность отмечена в центральной части Атлантического океана, где служащий эталоном белый металлический круг диаметром в 30 сантиметров — «диск Секки» — виден через поверхность воды на глубине более 65 метров. Прозрачность вод Тихого и Индийского океанов несколько меньше и равна соответственно 60 и 50 метрам. Чем ближе к берегу, тем больше в морской воде различных взвешенных частиц и мельчайших планктонных организмов, поэтому прозрачность там ниже, чем в открытом океане.
В Средиземном море «диск Секки» не виден уже на глубине 30 метров, в Черном море — на глубине 20 метров, а в Балтийском — даже на 13 метрах. В большинстве пресноводных водоемов прозрачность воды не превышает 10 метров, в реках она, как правило, значительно меньше, иногда лишь 0,5—1 метр. Только в Байкале, который славится чистотой своей воды, ее прозрачность равна 30—40 метрам.
По сравнению с атмосферой водная среда пропускает свет хуже, потому что сильнее поглощает его и рассеивает. Когда солнце находится в зените (это возможно только в тропиках), в воду проникает почти весь его световой поток; косые же лучи утреннего или полуденного времени в значительной степени отражаются водной гладью. Поэтому сумерки под водой наступают раньше, чем на суше; день там короче, а ночь длиннее.
Даже в прозрачной воде открытых частей океана яркость света убывает с глубиной примерно в десять раз на каждые 50 метров. Человек, совершающий глубоководное погружение, уже ниже 400 метров не различает за стеклом иллюминатора аппарата никаких следов дневного света. Правда, чувствительная фотографическая пластинка после часовой экспозиции на глубине 1000 метров при проявлении темнеет, но на глубине 1700 метров она вообще не засвечивается.
Прозрачность морской воды неодинакова для разных частей видимого спектра: более короткие световые волны (фиолетовая часть спектра) проникают через нее легче и дальше, чем длинные (красная часть спектра). Первыми в море поглощаются красные лучи, поэтому на глубине более метра красные предметы кажутся уже не такими яркими, как на воздухе. Синие и фиолетовые лучи проникают значительно дальше, они придают подводным пейзажам своеобразный цветовой колорит, за который освещаемая днем часть морского дна получила образное название «голубого континента».
На глубине цвет самых обыденных и хорошо известных предметов меняется до неузнаваемости. Жак Кусто рассказывает: «Мы брали с собой таблицы с ярко-красными, голубыми, желтыми, зелеными, пурпурными и оранжевыми квадратами, а также шкалу серых тонов от белого до черного и фотографировали на различной глубине вплоть до сумеречной зоны. На глубине пять метров красный цвет казался розовым, а на двенадцатом метре абсолютно черным. Одновременно исчезал и оранжевый цвет. На глубине 35 метров желтый цвет начал превращаться в зеленый, здесь царит уже почти полная монохроматия.
Как-то раз мы охотились в море под уединенными скалами Ла Кассадань. Нырнув на 35 метров, Дюма подстрелил гигантскую ставриду. Гарпун прошел сквозь тело позади головы, но не задел позвоночника. Загарпуненная рыба отчаянно сопротивлялась. Дюма стал подтягиваться все ближе и ближе к ставриде по тросу. Наконец он подобрался вплотную, схватил кинжал и вонзил его прямо в сердце рыбины. Кровь брызнула мощным фонтаном.
Но кровь была зеленая! Ошеломленный этим зрелищем, я подплыл и уставился на струю. Она была изумрудного цвета. Мы с Дюма переглянулись в недоумении. Мы не раз плавали среди гигантских ставрид, но никогда не подозревали, что у них зеленая кровь. Потрясая гарпуном со своим поразительным трофеем, Дюма направился к поверхности. На глубине пятнадцати метров кровь стала коричневой. Шесть метров — она уже розовая, а на поверхности она растеклась алым потоком».
Цвет моря зависит именно от того, что часть лучей поглощается морской водой. Чем вода чище и прозрачней, тем синее цвет. Впервые попав в открытый океан, трудно поверить, что вода в нем не подкрашена. Ближе к материкам цвет воды зеленеет от примеси взвешенных частиц, у самого берега он может быть желтоватым. Вообще говоря, чистая вода обладает крайне низкой по сравнению с другими жидкостями способ» полностью рассеивать свет. Это связано с тем, что рассеяние в любой чистой оптической среде происходит из-за неоднородности ее плотности. Вода же в отличи от многих других жидкостей очень малосжимаема, поэтому плотность ее почти однородна. По-видимому, наблюдающееся светорассеяние в чистой морской воде и в воде чистых горных озер связано с наличием в ней мельчайших пузырьков воздуха.
При отражении от морской поверхности спектральный состав света не меняется. А поскольку источником света обычно служит небосвод, то его цвет и придает окраску морской воде. Чем чище небо, чем меньше в нем облаков и аэрозолей (дымов и пыли), тем оно синее и тем синее должен быть дальний план морской поверхности, поскольку дальний план отражает значительно большую часть света, чем передний. Практически можно считать, что дальний план в этом смысле начинается, когда луч зрения составляет с морской поверхностью угол менее 10 градусов; для человека, стоящего на борту судна высотой около 4 метров, эта зона начинается приблизительно на расстоянии 20—30 метров.
Вода служит хорошим проводником для звука. До тех пор, пока человек не проник во владения Нептуна, они казались ему безмолвными. Поэт В. Жуковский так представлял себе тишину подводного мира: «Все спало для слуха в той бездне глухой». Но ведь ни он сам, ни Ф. Шиллер, балладу которого «Ныряльщик» под новым названием «Кубок» перевел В. Жуковский, никогда не были под водой. Они лишь выражали в поэтической форме господствовавшее тогда общее мнение о полной тишине, царящей в морских глубинах. Действительно, человеческое ухо, приспособленное к воздушной среде, не воспринимает звуки, исходящие из воды, но стоит применить простейшие слуховые аппараты, как подводный мир окажется наполненным самыми разнообразными звуками.
В годы первой мировой войны по всем морям и океанам безнаказанно разбойничали немецкие подводные лодки, обнаружить которые военные корабли союзников никак не могли. Но вот удалось изготовить и спустить в воду гидрофоны. На оборудованных ими военных судах — охотниках за субмаринами — натренированные операторы с наушниками — «слухачи» — стали среди тысяч звуков распознавать шумы винтов немецких подводных лодок. Поначалу, правда, не только проплывающий кит, но даже стая сельдей нередко служили поводом для боевой тревоги.
Подводный мир оказался вовсе не безмолвным. Большой знаток морских животных зоолог Н. Тарасова так описывает подводную симфонию вблизи Севастополя: «...Непрекращающееся щелканье бесчисленного множества рачков-альфеусов, в которое по временам врываются «стоны» горбылей или ритмичное урчание морских петухов, а то и лающий «скрежет зубовный» ставрид, наполняют воду разнообразными и громкими звуками».
Услышать голос морских обитателей теперь можно и у себя дома, поставив на проигрыватель пластинку с записями звуков, демонстрирующих «голосовые» возможности некоторых видов рыб и водных беспозвоночных животных.
Звук распространяется в воздухе с постоянной скоростью 340 метров в секунду. В воде он успевает за это же время пробежать расстояние в 4,5 раза больше. Но скорость эта непостоянна и зависит от температуры, солености и давления воды, то есть в конечном счете от ее плотности. В воде с нормальной океанической соленостью при нуле градусов вблизи поверхности скорость звука равна 1440 метрам в секунду. На глубине 10 километров при тех же прочих условиях его скорость возрастает до 1630 метров в секунду. В нагретых до 30 градусов поверхностных водах тропической зоны океана скорость звука повышается до 1543 метров в секунду.
Ультразвук, то есть акустические волны с частотой свыше 16 тысяч колебаний в секунду, уже не воспринимаемый человеческим ухом, поглощается водной средой гораздо сильнее, чем звуки низкой частоты, но зато его можно направлять в виде узкого пучка. Эта особенность ультразвуковых колебаний использована в эхолоте, с помощью которого точно и быстро измеряется глубина. От специального ультразвукового датчика, помещенного на судне, через небольшие промежутки времени вертикально вниз посылается ультразвуковой сигнал. Отразившись от дна, он возвращается обратно и улавливается чувствительной приемной аппаратурой.
Зная скорость прохождения ультразвука и определив время между посылкой и возвращением сигнала, можно легко вычислить расстояние от поверхности до дна. В современных приборах регистрация глубины производится автоматически, а самописец на бумажной ленте вычерчивает кривую, соответствующую профилю дна моря. Так как скорость ультразвука, как и слышимых звуков, зависит от солености, температуры и давления воды, в данные эхолота необходимо вносить поправки.
Моряки, пользующиеся эхолотом, давно заметили, что любые препятствия, находящиеся между поверхностью моря и его дном, также регистрируются на ленте прибора. Оказалось возможным, слегка видоизменив эхолот, использовать его для поисков скоплений промысловых рыб. Хорошо натренированный специалист по характеру кривой на ленте может не только определить местонахождение и размер стаи, но и сказать, к какому виду относятся составляющие ее рыбы.
|
|
Читайте в рубрике «Вода океана»: |