Океан и его ресурсы

ОКЕАН И ЕГО РЕСУРСЫ

ОКЕАН, АТМОСФЕРАИКЛИМАТ

Океан (Мировой океан) — водная оболочка, покрывающая большую часть зем­ной поверхности (четыре пятых в Южном полушарии и более трех пятых — в Се­верном). Лишь местами земная кора вздымается над поверхностью океана, образуя континенты, острова, атоллы и т. д. Хотя Мировой океан представляет собой единое целое, для удобства исследования отдельным его частям присвоены различные на­звания: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны. Наи­более крупные океаны — Тихий, Атлантический и Индийский.

Тихий океан (площадь около 178,62 млн км2
) имеет в плане округлую форму и занимает кочти половину водной поверхности земного шара. Атлантический оке­ан (91,56 млн км2
) имеет форму широкой буквы S, причем его западное и восточ­ное побережья почти параллельны. Индийский океан площадью 76,17 млн км2
имеет форму треугольника. Северный Ледовитый океан площадью всего 14,75 млн км2
почти со всех сторон окружен сушей. Как и Тихий, он имеет округ­лую в плане форму. Некоторые географы выделяют еще один океан — Антаркти­ческий, или Южный, — водное пространство, окружающее Антарктиду Мировой океан, средняя глубина которого составляет около 4 км, содержит 1350 млн км3
воды. Атмосфера, окутывающая всю Землю слоем толщиной в несколько сотен ки­лометров, с гораздо большим основанием, чем Мировой океан, может рассматри­ваться как «оболочка». И океан, и атмосфера представляют собой текучие среды, в которых существует жизнь; их свойства определяют среду обитания организмов. Циркуляционные потоки в атмосфере влияют на общую циркуляцию волн в оке­анах, а от состава и температуры воздуха в сильной степени зависят свойства оке­анических вод. В свою очередь, океан определяет основные свойства атмосферы и является источником энергии для многих протекающих в атмосфере процессов. На циркуляцию воды в океане влияют ветры, вращение Земли и барьеры суши. Известно, что температурный режим и другие климатические характеристики ме­стности на любой широте могут существенно изменяться по направлению от по­бережья океана в глубь материка. По сравнению с сушей океан медленнее нагре­вается летом и медленнее остывает зимой, сглаживая колебания температуры на прилежащей суше. Атмосфера получает от океана значительную часть поступаю­щего к ней тепла и почти весь водяной пар. Пар поднимается, конденсируется, образуя облака, которые переносятся ветрами и поддерживают жизнь на планете, проливаясь в виде дождя или снега. Однако в тепло- и влагообмене участвуют только поверхностные воды; более 95% воды находится в глубинах, где ее темпе­ратура остается практически неизменной.

СОСТАВ
И
СВОЙСТВА
МОРСКОЙ
ВОДЫ

Вода в океане соленая. Соленый вкус придают содержащиеся в ней 3,5% раство­ренных минеральных веществ — главным образом соединения натрия и хлора — основные ингредиенты столовой соли. Следующим по количеству является маг­ний, за ним идет сера; присутствуют также все обычные металлы. Из неметалличес­ких компонентов особенно важны кальций и кремний, так как именно они участву­ют в строении скелетов и раковин многих морских животных. Благодаря тому, что вода в океане постоянно перемешивается волнами и течениями, ее состав почти оди­наков во всех океанах. Плотность морской воды (при температуре 20°С и солености около 3,5%) примерно 1,03, т. е. несколько выше, чем плотность пресной воды (1,0). Плотность воды в океане меняется с глубиной из-за давления вышележащих слоев, а также в зависимости от температуры и солености. В наиболее глубоких частях океана воды обычно солонее и холоднее.

Наиболее плотные массы воды в океане могут оставаться на глубине и сохра­нять пониженную температуру более 1000 лет. Поскольку морская вода имеет низ­кую вязкость и высокое поверхностное натяжение, она оказывает относительно сла­бое сопротивление движению корабля или пловца и быстро стекает с различных поверхностей. Преобладающая синяя окраска морской воды связана с рассеянием солнечных лучей взвешенными в воде мелкими частицами. Морская вода гораздо менее прозрачна для видимого света по сравнению с воздухом, но более прозрачна по сравнению с большинством других веществ. Зарегистрировано проникновение солнечных лучей в океан до глубины 700 м. Радиоволны проникают в толщу воды лишь на небольшую глубину, зато звуковые волны могут распространяться под во­дой на тысячи километров. Скорость распространения звука в морской воде колеб­лется, составляя в среднем 1500 м в секунду. Электропроводность морской воды примерно в 4000 раз выше, чем электропроводность пресной воды. Высокое содер­жание солей препятствует ее использованию для орошения и полива сельскохозяй­ственных культур. Для питья она также непригодна.

ОБИТАТЕЛИ
МОРЯ

Жизнь в океане необычайно разнообразна — там обитает более 200 000 видов организмов. Некоторые из них, например кистеперая рыба целакант, представляют собой живые ископаемые, предки которых процветали здесь более 300 млн лет на­зад; другие появились совсем недавно. Большая часть морских организмов встреча­ется на мелководье, куда проникает солнечный свет, способствующий процессу фо­тосинтеза. Благоприятны для жизни зоны, обогащенные кислородом и питатель­ными веществами, например, нитратами. Широко известно такое явление, как «ап-веллинг»(англ. upwelling), — поднятие к поверхности глубинных морских вод, обо­гащенных питательными веществами; именно с ним связано богатство органичес­кой жизни у некоторых побережий. Жизнь в океане представлена самыми различ­ными организмами — от микроскопических одноклеточных водорослей и крошеч­ных животных до китов, превышающих в длину 30 м и превосходящих по размерам любое животное, жившее когда-либо на суше, включая самых крупных динозавров. Океаническая биота делится на следующие основные группы. Планктон представ­ляет собой массу микроскопических растений и животных, не способных к самостоятельному передвижению и обитающих в приповерхностных хорошо освещенныхслоях воды, гдеони образуют плавучие «кормовые угодья» для более крупных

животных. Планктон состоит из фитопланктона (включающего такие растения, как диатомовые водоросли) и зоопланктона (медузы, криль, личинки крабов и пр.). Нектон состоит из свободно плавающих в толще воды организмов, преимуществен­но хищных, и включает более 20 000 разновидностей рыб, а также кальмаров, тюле­ней, морских львов, китов. Бентос состоит из животных и растений, обитающих на дне океана или вблизи него, как на больших глубинах, так и на мелководье. Расте­ния, представленные различными водорослями (например, бурыми), встречаются на мелководье, куда проникает солнечный свет. Из животных следует отметить гу­бок, морских лилий (одно время считавшихся вымершими), плеченогих и др. Бо­лее 90% органических веществ, составляющих основу жизни в море, синтезируется при солнечном освещении из минеральных веществ и других компонентов фито­планктоном, в изобилии населяющим верхние слои водной толщи в океане. Неко­торые организмы, входящие в состав зоопланктона, поедают эти растения и в свою очередь являются источником пищи для более крупных животных, обитающих на большей глубине. Тех поедают более крупные животные, живущие еще глубже, и такая закономерность прослеживается до самого дна океана, где наиболее крупные беспозвоночные, например стеклянные губки, получают необходимые им питатель­ные вещества из остатков отмерших организмов — органического детрита, опуска­ющегося на дно из вышележащей толщи воды. Однако известно, что множество рыб и другие свободно передвигающиеся животные сумели приспособиться к экст­ремальным условиям высокого давления, низкой температуры и постоянной тем­ноты, характерных для больших глубин.

РЕСУРСЫОКЕАНА

По мере того как ресурсы планеты все с большим трудом удовлетворяют по­требности растущего населения, океан приобретает особое значение как источник пищи, энергии, минерального сырья и воды.

Пищевые ресурсы океана.
В океанах ежегодно вылавливаются десятки милли­онов тонн рыбы, моллюсков и ракообразных. В некоторых частях океанов добыча с применением современных плавучих рыбозаводов ведется очень интенсивно. По­чти полностью истреблены некоторые виды китов. Продолжающийся интенсивный вылов может нанести сильный ущерб таким ценным промысловым видам рыбы, как тунец, сельдь, треска, морской окунь, сардина

Рыбоводство.
Для разведения рыбы можно было бы выделить обширные участ­ки шельфа. При этом можно удобрять морское дно, чтобы обеспечить рост морских -■астений, которыми питается рыба.

Минеральные ресурсы океанов.
Все минералы, которые находят на суше, присут­ствуют и в морской воде. Наиболее распространены там соли, магний, сера, каль­ций, калий, бром. Недавно океанологи обнаружили, что во многих местах дно океа­на буквально покрыто россыпью железомарганцевых конкреций с высоким содер­жанием марганца, никеля и кобальта. Найденные на мелководье фосфоритные кон­креции могут использоваться в качестве сырья для производства удобрений. В мор­ской воде присутствуют также такие ценные металлы, как титан, серебро и золото. В настоящее время в значительных количествах из морской воды добываются лишь соль, магний и бром.

Нефть.
На шельфе уже сейчас разрабатывается ряд крупных месторождений нефти, например у берегов Техаса и Луизианы, в Северном море, Персидском зали­ве и у берегов Китая. Ведется разведка месторождений во многих других районах, например у берегов Западной Африки, у восточного побережья США и Мексики, у берегов арктической Канады и Аляски, Венесуэлы и Бразилии.

Океан — источник энергии. Океан является практически неистощимым источ­ником энергии.

Энергия приливов.
Уже давно было известно, что приливные течения, проходя­щие через узкие проливы, можно использовать для Получения энергии в такой же степени, как водопады и плотины на реках. Так, например, в Сен-Мало во Франции с 1966 успешно действует приливная гидроэлектростанция.

Энергия волн также может использоваться для получения электроэнергии.

Энергия термического градиента.
Почти три четверти солнечной энергии, по­ступающей на Землю, приходится на океаны, поэтому океан является идеальным гигантским накопителем тепла. Получение энергии, основанное на использовании разности температур поверхностных и глубинных слоев океана, могло бы прово­диться на крупных плавучих электростанциях. В настоящее время разработка та­ких систем находится в экспериментальной стадии. К другим ресурсам океана мож­но отнести жемчуг, который образуется в теле некоторых моллюсков; губки; водо­росли, использующиеся в качестве удобрений, пищевых продуктов и пищевых до­бавок, а также в медицине как источник йода, натрия и калия; залежи гуано — пти­чьего помета, добываемого на некоторых атоллах в Тихом океане и используемого в качестве удобрения. Наконец, опреснение позволяет получить из морской воды пресную

ЗАГРЯЗНЕНИЕМИРОВОГООКЕАНА

Нефтьинефтепродукты

Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость темно-коричневого цвета и обладающую слабой флуоресценцией. Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифатических и гидроароматических углеводородов. Основные ком­поненты нефти — углеводороды (до 98%) — подразделяются на 4 класса.

1. Парафины (алкены)
(до 90% от общего состава) — устойчивые вещества, мо­лекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Лег­кие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.

2. Циклопарафины
(30—60% от общего состава) — насыщенные циклические соединения с 5—6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

3. Ароматические углеводороды
(20—40% от общего состава) — ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов водород

а меньше, чем циклопарафины, В нефти присутствуют летучие соединения с молеку-лой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), затем бициклические (на­фталин), полуциклические (пирен).

4. Олефины
(алкены) (до 10% от общего состава) — ненасыщенные нецикличес­кие соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.

Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющи­ми веществами в Мировом океане. К началу 80-х годов в океан ежегодно поступало около 6 миллионов тонн нефти, что составляло 0,23 % мировой добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод — все это становится при­чиной наличия постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. В период за 1962—1979 годы в результате аварий в морскую среду поступило около 2 миллионов тонн нефти. За последние годы пробурено около 2000 скважин в Мировом океане, из нихтолько в Северном море 350 из 1000 промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 0,1 миллиона тонн нефти. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневым стоками. Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 миллиона т/год. Со стоками промышленности ежегодно попадает 0,5 миллиона тонн нефти. Попадая в морскую среду, нефть сначала растекается в виде пленки, образуя слои различной мощности. По цвету пленки можно определить ее толщину.

Нефтяная пленка видоизменяет состав спектра и интенсивность проникнове- ния в воду света. Пропускание света тонкими пленками сырой нефти составлявляет 1—10% (280 нм), 60—70% (400 нм). Пленка толщиной 30—40 мкм полностью погло­щает инфракрасное излучение. Смешиваясь с водой, нефть формирует эмульсии двух типов: прямую — «нефть в воде» и обратную — «вода в нефти». Прямые эмуль­сии, составленные из капелек нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефти, которая содержит поверхностно-активные вещества. При удалении летучих фракций нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут оставаться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.

Пестициды

Пестициды —
это группа искусственно созданных веществ, которые использу­ются для борьбы с вредителями и болезнями растений. Пестициды разделяются на следующие группы: инсектициды
— для борьбы с вредными насекомыми, фунгици­ды
и бактерициды —
для борьбы с бактериальными болезнями растений, гербици­ды
— для борьбы с сорными растениями. Установлено, что пестициды, yничтoжaя вредителей, причиняют вред многим полезным организмам и подрывают здоровье биоценозов. В сельском хозяйстве давно уже стоит проблема перехода от химичес­ких (загрязняющих среду) к биологическим (экологически чистым) методам борь­бы с вредителями. В настоящее время более 5 миллионов тонн пестицидов попадает на миро­вой рынок. Около 1,5 миллионов тонн этих веществ уже вошло в состав наземных и морских экосистем эоловым и водным путем. Промышленное производство пестицидов со­провождается возникновением большого количества побочных продуктов, загряз­няющих сточные воды. В водной среде чаще других встречаются представители инсектицидов, фунгицидов и гербицидов. Синтезированные инсектициды делятся на три основные группы: хлорорганические, фосфорорганические
и карбонаты.
Хлорорганические инсектициды получаются путем хлорирования ароматических и гетероциклических жидких углеводородов. К ним относятся ДДТ и его производные, в молекулах которых устойчивость алифатических и ароматических групп в совме­стном присутствии возрастает, всевозможные хлорированные производные хлородиена (элдрин). Эти вещества имеют период полураспада до нескольких десятков лет и очень устойчивы к биодеградации. В водной среде часто встречаются полихлорбифенилы
— производные ДДТ без алифатической части, насчитывающие 210 гомологов и изомеров. За последние 40 лет использовано более 1,2 миллионов тонн полихлорбифенилов в производстве пластмасс, красителей, трансформаторов, конденсато­ров. Полихлорбифенилы (ПХБ) оказываются в окружающей среде в результате сбросов промышленных сточных вод и сжигания твердых отходов на свалках. Пос­ледний источник поставляет ПХБ в атмосферу, откуда они с атмосферными осадка­ми выпадают во всех районах земного шара. Так, в пробах снега, взятых в Антаркти­де, содержание ПХБ составило 0,03— 1,2 кг/л.

Синтетическиеповерхностно-активныевещества

Детергенты (СПАВ) относятся к обширной группе веществ, которые понижают поверхностное натяжение воды. Они являются составляющими синтетических мо­ющих средств (CMC), широко применяемых в быту и промышленности. Вместе со сточными водами СПАВ попадают в материковые воды и морскую среду. CMC со­держат полифосфаты натрия, в.которых растворены детергенты, а также ряд доба­вочных ингредиентов, токсичных для водных организмов: ароматизирующие ве­щества, отбеливающие реагенты (персульфаты, пербораты), кальцинированная сода, карбоксиметилцеллюлоза, силикаты натрия. В зависимости от природы и структу­ры гидрофильной части молекулы СПАВ делятся на анионоактивные, катионоак-тивные, амфотеркые
и неионогенные.
Последние не образуют ионов в воде. Наибо­лее распространенными среди СПАВ являются анионоактивные вещества. На их долю приходится более 50% всех производимых в мире СПАВ. Присутствие СПАВ в сточных водах промышленности связано,с использованием их в таких процессах, как флотационное обогащение руд, разделение продуктов химических технологий, получение полимеров, улучшение условий бурения нефтяных и газовых скважин, борьба с коррозией оборудования. В сельском хозяйстве СПАВ применяются в со­ставе пестицидов.

Канцерогены

Канцерогенные вещества
— это химически однородные соединения, проявля­ющие трансформирующую активность и способность порождать канцерогенные, тератогенные (нарушение процессов эмбрионального развития) или мутагенные изменения в организмах. В зависимости от условий воздействия они могут при­водить к ингибированию роста, ускорению старения, нарушению .индивидуального развития и изменению генофонда организмов. К веществам, обладающим канце­рогенными свойствами, относятся хлорированные алифатические углеводороды, винилхлорид и, в особенности, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Максимальное количество ПАУ в современных донных осадках Мирового океана i более 100 мкг/км массы сухого вещества) найдено в тектонически актив­ных зонах^ которые подвержены глубинному термическому воздействию. Основ­ные антропогенные источники ПАУ — это пиролиз органических веществ при сжигании различных материалов, древесины и топлива. Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк,медь,мъшъяк)отиосятся
к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко при­меняются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединений Тяжелых металлов в промышлен­ных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасными являются ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу. При выветривании осадочных и изверженных пород ежегодно выделя­ется 3,5 тыс. т ртути. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс. т ртути, причем значительная часть — антропогенного происхождения. Около половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс. т/год) различными путями попадает в океан. В районах, загрязняемых промышленными водами, кон­центрация ртути в растворе и взвесях сильно увеличивается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды в высокотоксичную метилртуть. Заражение морепро­дуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению прибрежного населения. К1977 году насчитывалось 2800 жертв болезни Минамата, причиной стали отходы предприятий по производству хлорвинила и ацетальдегида, на которых в качестве катализатдра использовалась хлористая ртуть Недостаточно очищенные сточные воды предприятий попадали в залив Минамата. Свинец — типичный рассеянны* элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных поро­дах, почзах, природных водах, атмосфере, живых организмах. Наконец, свинец ак­тивно рассеивается в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленными и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопными газами двигателей внутреннего сго­рания. Миграционный поток свинца с континента в океан идет не только с речными стоками, но и через атмосферу.

Сбросотходоввморесцельюзахоронения (дампинг)

Многие страны, которые имеют выход к морю, совершают морское захороне­ние различных материалов и веществ, в частности грунта, вынутого при дноуглу­бительных работах, бурового шлака, отходов промышленности, строительного му­сора, твердых отходов, взрывчатых и химических веществ, радиоактивных отходов. Объем захоронений составил около 10% от всей массы загрязняющих веществ, по­падающих, в Мировой океан. Основанием для дампинга в море служит возмож­ность морской среды перерабатывать большое количество органических и неорга­нических веществ без особого ущерба для воды. Однако эта способность не может быть беспредельной. Поэтому дампинг рассматривается Как вынужденная мера. В шлаках промышленных производств находятся разнообразные органические веще­ства и соединения тяжелых металлов. Бытовой мусор в среднем содержит (па мас­су сухого вещества) 32—40% органических веществ; 0,56% азота; 0,44% фосфора. 0,155% цинка; 0,085% свинца; 0,001% ртути; 0,001% кадмия. Во время сброса и про­хождения материала сквозь столб воды часть загрязняющих веществ переходит в раствор, изменяя качество воды, другая сорбируется частицами взвеси и перехо­дит в донные отложения. Одновременно увеличивается мутность воды. Наличие органических веществ часто приводит к быстрому расходованию кислорода в воде и нередко к его полному исчезновению, растворению взвесей, накоплению метал-лов в растворенной форме, появлению сероводорода. Присутствие большого ко­личества органических веществ создает в грунтах устойчивую восстановительную среду, в которой возникает особый тип иловых вод, содержащих сероводород, ам­миак, ионы металлов. Воздействию сбрасываемых материалов в разной степени подвергаются организмы бентоса и др. В случае образования поверхностных пле­нок, содержащих нефтяные углеводороды и СПАВ, нарушается газообмен на гра­нице воздух — вода. Загрязняющие вещества, попадающие в раствор, могут акку­мулироваться в тканях и органах гидробионтов и оказывать токсическое воздей­ствие на них. Сброс материалов дампинга на дно и длительная повышенная мут­ность придонной воды приводят к гибели от удушья малоподвижные формы бен­тоса. У выживших рыб, моллюсков и ракообразных сокращается скорость роста за счет ухудшения условий питания и дыхания. Нередко изменяется видовой состав данного сообщества. При организации системы контроля за сбросами отходов в море решающее значение имеет определение районов дампинга, динамики загряз­нения морской воды и донных отложений. Для выявления возможных объемов сброса в море необходимо проводить расчеты всех загрязняющих веществ в соста­ве материального сброса.

Тепловоезагрязнение

Тепловое загрязнение поверхности водоемов и прибрежных морских акваторий появляется в результате сброса нагретых сточных вод электростанциями и некото­рыми промышленными производствами. Сброс нагретых вод во многих случаях становится причиной повышения температуры воды в водоемах на 6—8 градусов Цельсия. Площадь пятен нагретых вод в прибрежных районах может достигать 30 кв. км. Более устойчивая температурная стратификация препятствует водообме­ну поверхностного и донного слоев. Растворимость кислорода снижается, а потреб­ление его возрастает, поскольку с ростом температуры увеличивается активность аэробных бактерий, разлагающих органическое вещество. Увеличивается видовое разнообразие фитопланктона и всей флоры водорослей.