big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

О волноводах в океане

В последние годы в океанах на определенных глубинах обнаружены слои воды, по которым звук передается на огромные расстояния. Так, взрывы небольших зарядов тринитротолуола (62,7 кг), производившиеся американским геофизиком М. Юингом в Атлантическом океане на глубине 1000 м, были хорошо слышны на расстоянии 5700 км от места взрыва.

Такие слои получили название волноводов. Причины их происхождения до сих пор не объяснены, однако известно, что плотность воды в них должна быть пониженной, так как в этом случае звук не уходит из слоя, а перемещается с полным внутренним отражением (рис. 31).

Обычно уменьшение плотности воды объясняют либо повышением температуры, либо уменьшением концентрации растворенных солей. Конечно, такие явления не исключены, однако они не могут быть причинами длительного и тем более постоянного существования волноводов, ибо нет причин, способных постоянно поддерживать в относительно тонких слоях воды повышенную температуру или низкую концентрацию. Ведь и теплая вода и вода, содержащая мало солей, обязательно должны подниматься кверху, и нет причин, препятствующих их подъему. Если к тому же принять во внимание, что волноводные слои существуют на огромных площадях и на определенных глубинах, то станет ясно, что для объяснения появления волноводов, пригодны механизмы, действующие постоянно и закономерно.

К числу наиболее приемлемых причин снижения плотности слоя воды на определенной глубине в океане, по-видимому, относятся

Схема волновода в воде океана

особенности фазовых переходов газов, выделяющихся из пород океанического дна и постоянно поднимающихся в толще воды.

Чтобы обосновать такое представление, необходимо, во-первых, показать, что газы действительно постоянно поднимаются из пород дна океана кверху, и, во-вторых, что поднимающиеся газы претерпевают на определенных глубинах такие специфические превращения, которые могут вызывать уменьшение плотности воды в ее слоях на этих же определенных глубинах.

Первое требование — постоянное восходящее движение газов — может найти обоснование в том, что в толще воды океанов постоянно возникают, развиваются, а значит, и отмирают огромные массы представителей простейших и других различных форм жизни; накопление отмирающих растительных и животных организмов в виде рассеянного органического вещества и последующее его разложение сопровождаются выделением различных газов и прежде всего двуокиси углерода (СО2), метана (СН4), сероводорода (H2S), аммиака (NH3) и др. Например, углеводы, являющиеся продуктами реакции фотосинтеза, идущей по уравнению

и сопровождающейся выделением свободного кислорода, могут после накопления их в осадочных породах дна претерпеть разложение с выделением метана и двуокиси углерода по уравнению

Белковые вещества, содержащие азот и серу, при разложении также выделяют сероводород, аммиак, двуокись углерода и другие более сложные вещества. Поскольку развитие и отмирание планктона и других форм жизни идет постоянно, поскольку постоянно и накопление на дне их остатков и их разложение, а следовательно, и образование газов.

Важным обстоятельством для понимания процессов уменьшения плотности воды в волноводах является то, что выделение вышеперечисленных газов происходит в условиях всестороннего давления, создаваемого в осадках весом столба воды океана. При средней глубине океана 3,8 км гидростатическое давление на его дна достигает 380 атм, что значительно выше критического давления перечисленных выше газов. Критическое давление двуокиси углерода, выделение которой из пород дна наиболее вероятно, равняется 73 атм. Так как такое давление создается весом слоя воды на глубине около 700 м, то это значит, что на более значительных глубинах происходит выделение не газообразной, а жидкой двуокиси углерода.

На возможность существования двуокиси углерода в жидком состоянии в морских глубинах обращал внимание В. И. Вернадский: «Ее критическая температура равна 30°, а критическое давление — около 73 атм. Из этого ясно, что очень значительная часть биосферы лежит в поле устойчивости жидкой углекислоты и в том числе весь всемирный Океан — гидросфера! Уже при 0° и 33 атм (330 м глубины) углекислота (в чистом виде) легко превращается в жидкость. На морских глубинах ниже 730 м (ниже критического давления) жидкая углекислота должна быть устойчивой, а не газообразной...».

В. И. Вернадский также обратил внимание на важную особенность жидкой углекислоты: «Жидкая углекислота почти не растворяется в воде и почти не растворяет воду. Поэтому при достаточном давлении и при низкой температуре образуется равновесие:

водный раствор, содержащий СО2 ↔ жидкая углекислота + водный раствор».

Жидкая двуокись углерода легче воды. Поэтому капли жидкой углекислоты постоянно всплывают кверху. Но поднявшись к тому горизонту, где давление воды равно давлению насыщенного пара СО2 (35—36 атм при 1—2° С), т. е. поднявшись до глубины, равной —350 м, углекислота перейдет из жидкого в газообразное состояние. Так как плотность газообразной двуокиси углерода (0,1 г/см3) при этих условиях меньше плотности жидкой СО2 (0,9 г/см3), то образование пузырьков газа может уменьшить плотность воды в слое, находящемся выше глубины перехода СО2 в газ (рис. 32).

Переход из жидкого в газообразное состояние четко определяет нижнюю границу волновода. Но кроме нижней границы волновод должен иметь и верхнюю, где плотность вновь возрастает до нормальной для воды океана. Появление верхней границы, по-видимому, объясняется тем, что газообразная СО2, которая лучше растворима, чем жидкая, постепенно поглощается водой. Пузырьки углекислого газа, появляясь у нижней границы, постепенно уменьшаются за счет растворения и, в конце концов, полностью исчезают. Граница полного растворения и является верхней границей волновода.

При таком понимании механизма образования волноводов глубина их расположения определяется давлением перехода газа из жидкого в газообразное состояние и должна быть, на первый взгляд,

Схема возниконовения волновода в воде океана вследствие перехода жидкой двуокиси углерода в газообразную

всюду одинаковой, однако в действительности это не так. Волноводы в воде океанов в разных местах находятся на различной глубине. В центральной части Атлантического океана волновод расположен на глубине 700—800 м, тогда как в северной части океана он поднимается до глубины около 100 м.

Объяснение этого, по-видимому, надо искать не столько в различии температуры воды, сколько в различии состава газообразных продуктов распада органического вещества, накапливающихся на дне океанов. Двуокись углерода, вероятно, является основным компонентом восходящих газов, хотя присутствуют и другие газы. Если на дне океана в данном месте накапливаются преимущественно отмирающие водоросли, то в качестве примесей может преобладать метан, тогда как при накоплении организмов, богатых белками, в качестве примесей можно также ожидать сероводород и аммиак. В соответствии с составом газа изменяются его физические свойства, поэтому может изменяться глубина расположения нижней и верхней границ волновода.

Глубина перехода той или иной газовой смеси в жидкое состояние и наоборот определяется не столько гидростатическим давлением в слое воды, сколько парциальным давлением сжижаемого компонента газовой смеси. Парциальное давление определяется долевым участием этого компонента. Если, например, содержание СО2 в газовой смеси равно 50%, то необходимое для ее снижения давление в —35 атм будет достигаться не на глубине 350 м, а на глубине 700 м.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.