и поверхностное натяжение. Такие адсорбируемые вещества называют поверхностно-активными, или сокращенно ПАВ. Это многие органические вещества морской воды: пептиды, жирные кислоты типа тех, что входят в состав мыла и создают пену. Они адсорбируются на поверхности океана тончайшими слоями толщиной в одну (мономолекулярный слой) или несколько молекул. Это пока и есть предел наиболее тонких слоев морской воды у границы ее соприкосновения с воздухом. В этих случаях концентрация органического вещества в десятки, иногда в сотню раз выше, чем в более глубоких слоях воды. Но если ветер взбивает на поверхности моря пену, в ней концентрация органических веществ повышается еще в 10 раз. Моряки знают: когда появляется много пены, волнение достигает 4 баллов и ветер свеж — 8 м/сек. Срываемая ветром и переносимая на сушу морская пена иногда попадает на провода и портит линии электропередачи, покрывает рельсы и заставляет буксовать поезда. В больших количествах эта пена угнетает земные растения, а в малых — стимулирует их развитие. Она вызывает приток крови к коже человека и ощущение тепла. Некоторые рыбаки собирают пленку высохшей пены как средство от ревматизма. Крупный английский ученый Джон Бернал считал, что жизнь на Земле, подобно древнегреческой богине Афродите, родилась из морской пены. Однако концентрирование органического вещества из древнего морского «бульона» в пене, обильно образующейся в прибойных зонах, — это необходимое, но еще недостаточное условие для возникновения сложных биологических полимеров. Расчеты показывают, что вероятность такой самопроизвольной реакции полимеризации ничтожна. Некоторые ученые полагают, что она возможна при сильных электрических разрядах в атмосфере. Так или иначе тайну происхождения жизни связывают с активной поверхностью океана, и мы к этому еще вернемся.
Схема 1. Корж и Савенко показали, что соотношение концентраций молекул на поверхности воды отличается от соотношения в объеме. Например, в единичном объеме содержится 1000 молекул вещества А и 125 молекул поверхностно-неактивного вещества Б. Молекулы распределены равномерно. На каждое ребро единичного объема приходится по 10 молекул вещества А и по 5 молекул вещества Б. На каждую грань (поверхность) единичного объема приходится 10x10=100 молекул вещества А и 5x5 = 25 молекул вещества Б. Соотношение количества молекул веществ А: Б в объеме равно 1000: 125 = 8: 1, а на поверхности 100: 25 = 4: 1.
Схема 2. Зависимость хлорных отношений (концентрации веществ СА к концентрации хлора Сcl) в атмосферной влаге от хлорных отношений в океанской воде. Тангенс угла наклона сплошной прямой равен 2/3.
Поверхностная пленка морской воды отличается не только особыми физическими и химическими свойствами, но и населяющими ее живыми организмами, совокупность которых имеет даже специальное название — «нейстон» (от греческого «неин» — плавать). Еще в 1939 г. профессор Б. А. Скопинцев, первым начав изучать химический состав пены, обнаружил, что на Каспии в 1 см3 пены содержится в 30 раз больше бактерий, чем в таком же. объеме морской воды. Но в ту пору этим данным не придали значения. Считалось, что поверхностная морская пленка безжизненна. Основания для такого мнения: одноклеточные водоросли и питающийся ими зоопланктон предпочитают более глубокие слои, чтобы не подвергаться воздействию прямых солнечных лучей. Кроме бактерий в поверхностном слое обитают другие микроорганизмы и в огромном количестве икра и личинки рыб, моллюсков, рачков. Они закрепляются на поверхностной пленке кто с помощью пузырька воздуха, а кто благодаря капелькам жира. Пионер морской нейстонологии Ю. П. Зайцев называет поверхностный пятисантиметровый слой «важнейшим питомником и инкубатором морей и океанов», отданным в распоряжение молоди. Черев эту поверхностную пленку идет интенсивный и важный для всей биосферы обмен между океаном и атмосферой, солями и газами — происходит «дыхание» океана. Ежегодно в цикле океан — атмосфера — суша участвует более полумиллиарда тонн солей. Отсюда ясна роль океана в общем круговороте веществ на поверхности Земли, в формировании облачности, выпадении атмосферных осадков и т. д. Часть солей выносится в атмосферу в виде аэрозолей при образовании брызг морской воды под действием ветра и при лопании пузырьков на поверхности океана. Это так называемое механическое испарение. Другая часть солей переходит в атмосферу в виде донов или молекул. Это так называемое физическое испарение. Ученые обнаружили, что при переходе солей из океана в атмосферу изменяется соотношение их концентраций. Это явление назвали метаморфизацией состава. Для его объяснения предлагали самые различные теории. Одни усматривали причину в различиях энергии гидратации ионов, другие полагали, что все дело в различии атомных весов, ионных радиусов, адсорбционных свойств. Однако явление не удавалось объяснить даже качественно. Но недавно молодые советские ученые В. Д. Корж и В. С. Савенко показали, что метаморфизацию состава можно объяснить самыми простыми причинами. Отношение количеств двух веществ на единице поверхности (м2) равно их отношению в единице объема (м3), взятому в степень 2/3. А поскольку вещества испаряются с поверхности, а не из объема всего тела, то и отношения их концентраций в атмосфере те же, что и на поверхности, то есть равны их отношениям в объеме в степени 2/3. Это можно проверить с помощью схемы 1, подсчитав число шариков А и Б в кубах и на их гранях и вычислив объемные и поверхностные отношения чисел этих шариков. Что эта теория верна, подтверждает график на схеме 2.
Но вернемся к факторам, определяющим распределение жизни на суше и по глубинам океана. Выше мы говорили, что такими факторами служит солнечная радиация и вода. Так ли это?
Выше помещена карта распределения в активной поверхностной стометровой зоне Тихого океана зоопланктона — одного из наиболее массовых представителей морского животного мира. При первом же взгляде на карту бросается в глаза, что не только по вертикали, но и по горизонтали, то есть по площади океана, жизнь распределена очень неравномерно. Хотя на экваторе биомасса увеличивается до 100 мг/м3, делать на основании этого вывод о решающем влиянии солнечной радиации было бы неправильно: вблизи Антарктиды, в холодных и гораздо менее освещенных водах, биомассы не меньше, а на севере, где сближаются Азиатский и Американский материки, в подобных же водах количество биомассы доходит до 200 мг/м3 и выше. Бросается в глаза также, что самая густая штриховка на карте, соответствующая биомассам 200 мг/м3 и более, окаймляет Тихий океан и находится на его границах с материками или островами и архипелагами. Такие территории занимают весьма незначительную долю океанического пространства, основная часть которого по мере удаления от берегов, как это видно на карте, все беднее и беднее жизнью, то есть тут в сущности та же картина, что и при распределении жизни по глубине, — максимальное ее развитие на границе океана и в прилегающих к ней слоях. Но причины неравномерного распределения жизни в океане по горизонтали иные, чем по вертикали. Сравнительно недавно основную причину насыщенности жизнью прибрежной зоны видели в речном стоке, выносящем органическое вещество, необходимые для жизни микроэлементы (кобальт, железо, медь, молибден и др.), витамины и так называемые биогенные элементы — соединения фосфора, азота, кремния.
Однако оказалось, что, хотя речной сток и играет большую роль, одним этим нельзя объяснить активность жизни близ границ, разделяющих океан и сушу. Определенное значение имеет также разрушение и вынос берегового материала в извечной борьбе моря и суши. Но не следует упускать из виду эффект стенки — характер перемещения вод вблизи берега. Например, ветер, дующий с материка, отгоняет от берега поверхностную воду, а на ее место перемещаются слои из глубин. Даже ветер, дующий вдоль побережья, вызывает вертикальное перемещение вод вблизи берегов. Это происходит из-за так называемой кориолисовой силы, возникающей благодаря вращению Земли. Эта сила направлена перпендикулярно движению тела, влево в южном полушарии, а в северном — вправо. Поэтому в нашем полушарии подмываются правые берега рек отклоняющимися вправо частичками воды. Точно так же частички морской воды, начиная двигаться под действием ветра вдоль берега, затем уже перемещаются перпендикулярно к нему, вследствие чего возникает вертикальное перемещение вод у берегов, охватывающее значительные глубины. Поднимающаяся из глубин вода содержит морские удобрения — фосфатные и азотные, которыми бедны поверхностные океанские «почвы». Свет и тепло сосредоточены в верхнем активном слое, а удобрения, которых в океане огромное количество, хранятся в его «запасниках» на глубине и используются весьма экономно. Контакт глубинной и поверхностной воды вызывает вспышку жизни — растительной, а вместе с ней и животной.
Существует много технических проектов подъема удобрений на поверхность. Уже на глубине 300–400 м много фосфатов и нитратов. В одном из проектов предлагалось установить на глубине атомный реактор для подогрева воды. Достаточно нагреть глубинную воду на несколько градусов, чтобы она стала легче вышележащих слоев и сама поднялась наверх.
Другой, осуществляемый самой природой способ заключается в создании мощных круговоротов течений на поверхности, приводящих к вертикальным перемещениям слоев. Именно подобным путем поддерживается повышенная концентрация биомассы в приэкваториальных областях (см. карту и схему 4).