Термические и оптические свойства воды

По сравнению с почвой и воздухом вода отличается гораздо большей термостабильностью, что благоприятно для существова­ния жизни. Сохранению температурного постоянства воды способ­ствует ее необычайно высокая теплоемкость, равная 4,9 -10³ Дж/кг на 1 К. Такая аномально высокая теплоемкость объясняется тем, что часть получаемой тепловой энергии расходуется на раз­рыв водородных связей между ассоциированными молекулами. В результате вода медленно охлаждается и нагревается при смене сезонов года, а также времени суток, играя роль важного регу­лятора температуры.

Поддержанию термостабильности воды способствуют крайне высокие теплота парообразования (2,26 -10⁶ Дж/кг, или 539 кал/г при 100°С) и плавления льда (3,35-10⁵ Дж/кг, или 80 кал/г).

Когда поступление тепла в водоемы усиливается и вода начи­нает нагреваться, возрастает испарение, вследствие чего повы­шение температуры замедляется. При охлаждении воды ниже 0°С и образовании льда выделяющееся тепло тормозит дальнейшее понижение температуры.

По сравнению с воздухом вода гораздо менее прозрачна, и попадающий в нее свет довольно быстро поглощается и рассеи­вается. Поглощение света выражается законом Бугера — Лам­берта: I_z—Io-e~^mz, где I_z — интенсивность (энергия) световой волны после прохождения ею слоя воды толщиной г, /₀ — исходная ин­тенсивность, т — коэффициент поглощения света, зависящий от длины волны (А,):

Я, нм . . 820 680 620 580 520 460 400 380

т . . . . 2,42 0,455 0,273 0,210 0,016 0,0054 0,0134 0,0255

В природных водах, содержащих большое количество различ­ных взвешенных частиц, коэффициенты поглощения всех лучей заметно выше. Вследствие разницы в поглощении лучей разной длины волны спектральный состав света по мере прохождения его сквозь толщу воды резко меняется. Очень бысто в нем исче­зают инфракрасные лучи (длиннее 820 нм), затем красные (680 нм) и оранжевые (620 нм). Наиболее далеко проходят зе­леные(520 нм) и особенно синие (460 нм). Изменение спектраль­ного состава света существенно влияет на условия фотосинтеза и отражается на поведении гидробионтов.

Параллельно поглощению света в толще воды происходит его рассеивание, т. е. отклонение лучей во все стороны от первоначаль­ного направления молекулами воды и другими частицами. Ослаб­ление светового потока за счет рассеяния выражается уравнением, аналогичным предыдущему: I_r=Io-e~^hz, где k — коэффициент мо­лекулярного рассеяния, зависящий от длины волны лучей (k= =0,000156ХА,^-4). Следовательно, коротковолновые лучи рассеи­ваются молекулами воды сильнее длинных (например, синие в 3 раза сильнее красных). Взвешенные в воде частицы преиму­щественно рассеивают длинноволновые лучи; рассеивание света взвешенными частицами в природной воде может превосходить молекулярное в десятки и сотни раз. Суммарное ослабление света за счет его поглощения и рассеяния выражают уравнением /₈= =/₀- e~^{(fe+m) z}, где (k-\-m)—суммарный коэффициент затухания света.

Под прозрачностью воды (F) понимается отношение потока излучения, прошедшего через слой толщиной z (I_z), к вошедшему в него (/о): F= (I_s: /о) =e-<^fe+^m)z. Хорошей характеристикой проз­рачности (П) служит глубина, на которой становится невидимым белый диск диаметром 30 см (диск Секки). Она тесно коррелирует с коэффициентом поглощения света (k) и, согласно Пулю и Ат­кинсу, может быть найдена по формуле П=1,7:/е. По-видимому, константа 1,7 в этой формуле несколько завышена и в действи­тельности близка к 1,5 (Walker, 1982).

Цвет воды, как и ее прозрачность, зависит от избирательности поглощения и рассеивания различных лучей, определяясь отноше­нием светового потока, выходящего из воды, к падающему на ее поверхность. От цвета воды следует Отличать цвет поверхности водоемов, который в отличие от первого зависит от погодных ус­ловий (облачность, ветер, волнение) и угла зрения. Например, близкие участки кажутся более темными, чем удаленные, которые в крупных водоемах сливаются на горизонте по своёй окраске с фоном неба. Если смотреть на поверхность водоема вертикально, глаз наблюдателя в основном улавливает световой поток, выходя­щий из воды (ее собственный цвет). С уклонением от вертикали в глаз попадает все больше отраженного света и соответственно меняется спектральный состав суммарно воспринимаемого свето­вого потока (цвет поверхности воды).

Чистая вода рассеивает преимущественно коротковолновые лучи и потому в соответствии со спектральным составом выходя­щего из нее светового потока кажется синей. С увеличением в воде количества взвешенных частиц, включая мелкие организмы, возрастает рассеивание длинноволновых лучей, и ее цвет приоб­ретает желтоватый или коричневый оттенок. Таким образом, по цвету воды можно с известной степенью точности судить о ее чистоте и количестве находящихся в ней мелких твердых частиц и микроорганизмов.

4Физико-химические свойства грунтов.

Из отдельных физико­химических свойств грунтов наибольшее экологическое значение для донного населения имеют размеры частиц, плотность их при­легания друг к другу и стабильность взаиморасположения, степень смыва течениями и темп аккумуляции за счет оседания взвешен­ного материала. Физические свойства грунтов прежде всего харак­теризуются их механическим, или гранулометрическим, составом, под которым понимают размер зерен, образующих донные осадки.

Мелкозернистые грунты называют мягкими. К ним относятся глины (пелиты), илы (селиты, алевриты) и песок, имеющие раз­мер зерен соответственно менее 0,01, 0,01—0,1 и 0,1 —1,0 мм. Жесткие грунты представлены гравием (0,1—1 см), галькой (1— 10 см), валунами (10—100 см) и глыбами (более 1 м).

Мелкозернистые грунты в зависимости от содержания тонких фракций (частиц мельче 0,01 мм) подразделяют на песок, илистый песок, песчанистый ил, ил и глинистый ил (тонких фракций соот­ветственно до 5, 10, 30, 50 и более 50%). Если в грунте присут­ствуют несколько разноразмерных фракций, его называют смешан­ным. По отношению к грунтам различают стен- и эвриэдафические формы (edaphon — почва, грунт), из которых первые приурочены к какому-либо одному субстрату, а вторые обитают на разных грунтах. Среди стенэдафических форм различают литофилов, оби­тающих на камнях, псаммофилов, живущих на песке, аргиллофи- лов, селящихся на глине, и педофилов, жизнь которых связана с илистыми грунтами (lithos — камень, psammos— песок, pelos — ил, argillos — глина).

С переходом от каменистых грунтов к песчанистым и илистым численность донных животных обычно увеличивается, а их сред­няя масса снижается в результате мельчания представителей эпи­фауны (уменьшение опорности грунта, невозможность нахождения на нем крупных форм). За счет представителей инфауны общая биомасса бентоса на мягких грунтах может быть выше, хотя биомасса животных эпифауны здесь ниже, чем на жестких грун­тах (см. рис. 1).

Находясь на не свойственном им субстрате, бентонты испыты­вают угнетение или вовсе погибают. Например, полихеты Hypania invalida, посаженные на песок, не строят трубок, в которых обычно обитают, и через 7 дней погибают. На мелком песке эти черви тратили на построение трубок 50—80 мин, через 20 дней в живых оставалось 20% особей; на заиленном песке и иле животные строи­ли трубки соответственно за 35—60 мин и 15—30 мин. Их выжи­ваемость достигала 80 и 100% (Иоффе, 1958).

Гидробионты активно выбирают грунты, наиболее соответствую­щие их потребностям. Обычно это осуществляется путем избира­тельного оседания планктонных личинок донных беспозвоночных на те или иные субстраты, передвижением взрослых форм по грунту или их всплыванием в толщу воды с последующим выбо­ром нового участка дна. Аттрактивность («привлекательность») грунтов определяется не только их гранулометрическим составом, но и многими другими качествами. Мелкозернистые грунты, осо­бенно илистые, имеют различную степень уплотнения и в верхних слоях лежат более рыхло, чем в нижних. По мере уплотнения грунтов внедрение в них становится более затруднительным, и ор­ганизмы закапываются на меньшую глубину. С другой стороны, слишком мягкие, полужидкие грунты становятся недостаточно опорными и поэтому неблагоприятны для донных организмов. По данным JI. А. Зенкевича (1951), в Баренцевом море с пере­ходом от гравия к песку и илу средняя масса гидробионтов, обитающих на этих грунтах, снижается с 1,34 до 0,31 и 0,05 г. У форм, живущих в толще грунта, наблюдалась обратная картина: в гравии их средняя масса равнялась 3 мг, в иле — 8 мг. Среди крупных частиц, которые трудно раздвигать, мелким организмам передвигаться легче, и этим объясняется разница в размере жи­вотных, обитающих в илистом грунте и гравии.

Условиями движения внутри грунта с различным грануломет­рическим составом объясняется разница в размерах организмов, обитающих в песке морских пляжей. Так, в песках со средним размером песчинок более 0,4 мм обычно преобладают мелкие и средние инфузории, не имеющие, как правило, явных морфологи­ческих приспособлений к жизни в песке; для песков с размерами песчинок 0,12—0,4 мм характерны крупные ползающие инфузории, обычно с вытянутой лентовидной или нитевидной формой тела; в очень плотных песках с размером частиц менее 0,1 мм инфузо­рии, как правило, отсутствуют.

Крайне неблагоприятна для существования донного населения недостаточная стабильность грунтов: оседание частиц, снос по­верхностных слоев токами воды и перемещение частиц относи­тельно друг друга. В первом случае обитатели грунта засыпаются слоем наносов, во втором — вымываются и уносятся течением, в третьем — перетираются, не могут укорениться. Наносом и смывом грунта объясняется, например, крайняя бедность бентоса в рав­нинном течении Сырдарьи, Амударьи, Куры и других рек, в кото­рых идет энергичное размывание русла в одних местах и седимен­тация взвесей — в других.

Перемешивание грунтов может вызываться не только движе­нием воды, но и деятельностью самих организмов. Например, полихеты Arenicola в популяциях с плотностью 40 экз/м² ежеднев-- но пропускают через свои кишечники 1,5 кг грунта, а за год — около 0,25. м³, т. е. перемещают весь грунт в слое глубиной 20—30 см. Энергично перекапывают грунт многие другие полихе­ты и олигохеты, личинки хирономид, зарывающиеся в дно моллюс­ки, иглокожие, ракообразные и другие животные. Креветка Axius serratus роет норы на глубину до 3 м. Проникая в грунт, она делает его более пористым и обводненным, перемешивает донные осадки. Несколько схематизируя картину воздействии я организмов на грунт, можно говорить о трех процессах: биоседиментации (фекалии, псевдофекалии, трупы и др.), биодислокации (перека­пывание грунта, рытье нор, сооружение трубок и т. п.) и биоста­билизации (микробное склеивание частиц грунта, укрепление их корнями, ризоидами и др.).

Многие донные животные питаются, пропуская через свои кишечники грунт, и тогда важное экологическое значение приоб­ретает содержание в нем органического вещества, которое обра­зуется в результате попадания в грунт остатков организмов на тех или иных стадиях разложения. Например, в северо-восточной части Тихого океана энергоемкость сухого вещества донных отло­жений колеблется в пределах 0,3—1,3 Дж/г и прослеживается корреляция между концентрацией в грунте легкоусвояемой орга­ники и биомассой грунтоедов (Метельников, 1973).

Наибольшую пищевую ценность органическое вещество имеет на начальных стадиях разложения, затем его питательная цен­ность постепенно снижается. Поэтому для экологической оценки грунта важно знать не только содержание в нем общего количе­ства органического вещества, но и состав последнего. Так, орга­ническое вещество Океанских осадков иногда на 30—35% пред­ставлено гуминовыми кислотами и битумами, которые животные как пищевой материал практически не используют. Точно так же недоступны для них хитин, клетчатка и некоторые другие компо­ненты органического вещества осадков.

Донные отложения тесно взаимодействуют с водой. Из грунта в воду непрерывно поступают различные соли, газы, твердые компоненты, навстречу этому потоку идет другой, несущий в дон­ные отложения различные минеральные и органические вещества из толщи воды. Процессы взаимодействия между ложем водоема и его водной массой имеют большое значение для жизни гидробиоса.