Океан - жизнь со дна
Об изменении климата постоянно идёт много споров, прогнозы погоды часто ошибаются. Всё потому, что дело касается больших и сложных систем с огромным количеством характеристик и переменных. Так и рассказ об океане и жизни в нём связан с тесно пересекающимся множеством параметров, о которых говорить раздельно практически невозможно. Даже говоря в прошлом посте о железе, было очень сложно удержаться и не коснуться такого явления как апвеллинг. А это очень интересное явление, связанное с силой Кориолиса, ветрами, температурой воды и прочим - вот как тут рассказывать о чём-то одном? Но давайте попробуем.
Про это явление можно прочитать в Википедии, но там описаны не все интересные аспекты. Не буду пересказывать Вики, скажу о том, что мне самому нравится в этом явлении.
Отсюда
В прошлый раз была немного затронута тема того, что океанические воды на самом деле не так уж полны нужными для жизни элементами. В воде очень многое тонет, а не растворяется, следовательно выходит из круговорота. Это относится не только к железу, но и к основным необходимым элементам: углерод, азот, фосфор. С углеродом обычно нет проблем, так как он берётся из атмосферного углекислого газа, а вот с двумя другими элементами хуже.
Внимательный читатель может задаться вопросом: почему плохо в азотом? Его же полно в атмосфере. Дело в том, что в воздухе азот в виде молекулы N2, где атомы азота связаны тройной связью, а она очень сильная. У некоторых бактерий есть ферментативные системы, которые разрывают эту связь и встраивают азот в органические молекулы, но они работают только в бескислородной среде. Почему так? Часть промежуточных этапов очень чувствительны к кислороду - неправильно окисляются в его присутствии. Бактерии научились частично изолироваться от кислорода, но это получилось у немногих, потому азотистые удобрения одни из самых нужных для фотосинтетиков (растений, бактерий), в том числе в океане. И вообще фиксация азота очень энергоёмкий процесс, так что значительно удобнее добывать его в уже связанной форме. Такой азот выделяют все, кто питается не светом, а органикой. Мочевина - яркий того пример.
Округлые специализированные клетки у цианобактерий, занимающиеся азотфиксацией.
Интересно, что кремний, который нужен многим одноклеточным водорослям, не является лимитирующим элементом - он относительно хорошо растворим в воде, как это не удивительно. Для любопытных - задачка про диатомовые водоросли и образование осадочных пород. Чтобы не возвращаться: кислород тоже не проблема - его берут из воздуха, причём в том числе из углекислого газа (СО2), из воды (Н2О). Из последнего источника так же получают необходимый водород.
Большой процент органики тонет, как восстанавливать количество азота и фосфора в приповерхностном круговороте? Понятное дело за счёт подъёма со дна вместе с нижними слоями воды. Именно этот процесс и называется апвеллингом. Именно в местах апвеллинга наибольшая первичная продуктивность океана - фитопланктон очень радуется большому количеству неорганики и активно размножается. Есть ещё области коралловых рифов, где тоже высокая продуктивность, но там иные механизмы.
Выделяют разные типы апвеллинга, но они лишь условно разделяются, так как механизмы примерно одни и те же. Практически всегда апвеллинг происходит у побережья, за счёт чего мы можем ловить очень много рыбы не уплывая глубоко в океанические просторы. Вот как в Википедии показано распределение зон апвеллинга:
Красным показаны зоны апвеллинга
Из этой карты понятно, почему Курильские острова там важны - там очень много морской жизни в прибрежных водах. Однако, кажется, на карте не всё учтено, только прибрежный апвеллинг. Например, Ла-Нинья, как пишут, создаёт область апвеллинга в экваториальных районах Тихого океана вдалеке от берега.
Почему возникает подъём воды в этих зонах? Почему именно в этих областях? А почему не происходит глобального перемешивания воды в океане? Возникает множество вопросов. Давайте попробуем ответить на них, но для этого нужно рассказать про температуру, солёность, плотность воды. Готовы к погружению?
Вода нагревается в верхних слоях, в первую очередь, от солнечного света, иногда бывает от тёплого ветра с берега. Почти всегда более тёплая вода имеет меньшую плотность, за одним интересным исключением. Наибольшей плотности вода достигает при температуре +4 - это приводит к тому, что при охлаждении вода опускается на дно и её место занимает, обычно, более тёплая. Если же тёплой не остаётся, то при дальнейшем охлаждении вода расширяется и превращается в лёд, который защищает нижележащие слои воды от холода. Если бы вода вела себя как большинство других жидкостей, то есть, если бы лёд был более плотным, чем вода, то все мелкие водоёмы бы промерзали бы полностью при относительно небольшом минусе - лёд бы опускался на дно, а не покрывал бы коркой, как одеялом. Океанам на полюсах тоже было бы плохо. А с существующей физикой все глубинные воды имеют температуру около +4, а не превратились в лёд.
Отсюда
Солёность играет огромную роль в движениях водных масс. Во-первых, солёность увеличивает плотность воды и такая вода начинает опускаться ко дну. Во-вторых, солёная вода превращается в лёд при температуре ниже нуля. Есть области, где большие объёмы воды имеют отрицательную температуру, например, на Белом море зимой подо льдом. Почему солёность не везде одинаковая? Солёность может меняться по разным причинам: уменьшается от стоков пресной воды с континентов - особенно чувствительно около больших рек вроде Амазонки. По этой причине Балтийское море малосолёное: много рек впадает и разбавляет. Повышаться солёность может при вымораживании: когда часть воды превращается в лёд, то большинство соли остаётся в воде, лёд получатся менее солёным. Наиболее распространённая причина повышения солёности - испарение. В жарких краях огромный объём воды испаряется с поверхности океана, который затем выливается ливнем на континенте. Это приводит к повышению солёности и плотности воды - она начинает опускаться.
Бегло рассмотрев две основные характеристики, влияющие на плотность воды, попробуем описать общее изменение плотности воды в океане. В области экваторов вода нагревается, но становится более солёной. На полюсах - охлаждается и становится чуть более солёной. В том числе по этой причине существует довольно много поверхностных течений от экватора к полюсам и обратных - в глубинах. Однако на поверхностные течения влияет и ветер, который зачастую имеет однонаправленных характер - постоянно дует в одну сторону. В апвеллингах поднимается холодная вода из глубины, однако если это происходит вблизи экватора, то она быстро нагревается.
Как видите получается сложная система, которая определяет как будут двигаться водные массы. А это я ещё не сказал о вращении Земли и её влиянии.
Ну и наконец апвеллинг! В глубинах океана живут организмы, которые могут существовать без кислорода, они разлагают органику, получается много неорганики, столь вкусной для фотосинтезирующих водорослей. На побережьях часто условия складываются так, что ветер сдувает поверхностную воду и вода из подлежащих слоёв поднимается - вот вам и апвеллинг. Если мы посмотрим на приведённую выше карту, то увидим, что не на всех побережьях наблюдается это явление - это связано с направлением ветров и другими силами, сумма которых может перемещать воду от берега (при правильной ориентации берега).
Как уже говорилось, поднимающаяся вода холодная, а когда вода холоднее воздуха и берега, то происходит мало испарений и климат на берегу может оказаться сухим, даже пустынным, как на побережье Перу. Зато много рыбы и прочих морепродуктов. Таким образом важные внутриокеанические процессы по замыканию круговорота веществ влияют и на континентальную жизнь.
Самое известное явление, связанное с апвеллингом, называется Эль-Ниньо. Примечательно, что это анти-апвеллинг, то есть процесс, который гасит привычный апвеллинг. Когда сдвиг поверхностной воды сильнее обычного, говорят, что началась Ла-Нинья - усиление апвеллинга, которое менmit волнует людей. Большую часть времени в Перу сухое климат и много рыбы, однако изредко, условия складываются так, что ветер перестаёт отгонять тёплую поверхностную воду от побережья и апвеллинг заканчивается, начинается Эль-Ниньо. При этом на побережье повышается влажность, начинаются ливни, иногда дело доходит до наводнений. А рыба дохнет от голода - нет апвеллинга, нет неорганики, фитопланктон не размножается, вся пищевая цепь распадается. Эта аномалия может существовать длительное время - только после пяти месяцев дают название Эль-Ниньо. В Википедии можно найти много численных характеристик этого явления.
Эль-Ниньо
Апвеллинг, в частности Ла-Нинья/Эль-Ниньо, показывает, что на первый взгляд простой процесс зависит от очень многих переменных, факторов. Из-за этого его сложно предсказать и практически невозможно управлять, но делает интересным, я бы даже сказал, завораживающим.