Оптические свойства морской воды

1. Световое излучение

Оптические явления, наблюдаемые в океанах и морях, определяются физическими свойствами самой воды и характеристиками источников света. Основной источник света - Солнце. С солнечным излучением связано не только поступление энергии, потребляемой океаном, но и создание необходимых жизненных условий для морских животных и растительных организмов. Физическое свойство воды, которое значительно определяет организацию жизни в море, заключается в способности воды пропускать световые лучи. Раздел океанографии, исследующий перенос и трансформацию световых лучей в море, называется оптикой моря.

Световое излучение представляет собой поток электромагнитных колебаний с широким диапазоном длин волн. Солнечный свет называют белым, потому что в целом он содержит все цвета радуги, смешанные в таких пропорциях, что человеческий глаз воспринимает его как белый цвет. В действительности солнечный свет состоит из многих оттенков и если их расположить по порядку, то это будет солнечный спектр (рис. 1).

Под термином свет понимается не только видимая часть солнечного спектра, лежащая в пределах 0.380-0.770 мк (микрон) или 380-770 нм (нанометров), но и ультрафиолетовая (0.010-0.380 мк) и инфракрасная (0.770-3.000 мк). Инфракрасная часть спектра с длиной волны более 3 мк в оптике моря не рассматривается, так как она поглощается тончайшим поверхностным слоем воды и имеет существенное значение при изучении тепловых процессов в море. Для океана практическое значение имеет видимая часть солнечного излучения и та общая часть спектра, которая дает основной энергетический вклад. Единицей измерения длины волны света является нанометр (нм); 1 нанометр равен одной миллиардной части метра (1Ч10^-9 м) или 0.001 микрона.

Рис. 1. Солнечный спектр и уменьшение энергии света с глубиной.

Наиболее интенсивное излучение размещается в полосе видимого света с длинами волн от 400 до 700 нм. Максимальная интенсивность соответствует примерно 500 нм. Интенсивность быстро падает по направлению к коротковолновому концу спектра, где энергия в ультрафиолетовом диапазоне ниже 300 нм очень мала. У верхнего края земной атмосферы энергия в ультрафиолетовом диапазоне гораздо выше, но большая ее часть поглощается озоновым слоем. Как видно на рис. 11, по направлению к длинноволновому концу инфракрасной области спектра интенсивность излучения ослабевает более плавно. Однако в инфракрасной его части имеется несколько довольно специфических и глубоких «дыр». Такие «дыры» обусловлены избирательным (селективным) поглощением энергии определенных волн некоторыми газами, присутствующими в земной атмосфере. Например, фактически весь солнечный свет с длинами волн больше 6000 нм поглощается углекислым газом CO₂ и парами воды H₂O.

Поскольку световые волны угасают с разной скоростью, из этого следует, что общее световое поле в толще океана изменяется в зависимости от глубины моря (рис. 11).

На глубине 1 см (на рис. 1 не показано) поглощается 15% всей солнечной энергии. В основном это энергия самых длинных волн инфракрасной части спектра, которая теряется из-за поглощения в поверхностной пленке океана.

На глубине 1 м поглощается 55% всей энергии, в том числе все инфракрасные волны и значительная часть ультрафиолетовых.

На глубине 10 м поглощается 84% всей энергии. Только волны синего и зеленого света проникают на еще большие глубины. Если бы ниже этого уровня находилась «желтая подводная лодка», то ее цвет был бы совсем не желтый просто потому, что волны желтой части спектра уже были бы поглощены.

На глубине 100 м остается только 1% солнечной энергии, поступающей на поверхность моря. По цвету это остаточный сине-зеленый свет с длинами волн около 470 нм.

Поверхностный слой воды в океане, в котором имеется достаточно света для процесса фотосинтеза, называется фотическим слоем. Нижняя граница фотического слоя определяется глубиной, которую достигает 1% света, проникающего через поверхность океана, т.е. глубиной 100 м.

Поскольку количество световой энергии быстро уменьшается с глубиной, можно ожидать, что растения лучше всего развиваются на поверхности моря, где свет наиболее интенсивен. Тем не менее это не так. Наблюдениями установлено, что больше всего фитопланктона сосредоточено на глубинах примерно от 7 до 17 м. Объяснение этого противоречия между потребностями растений и обеспечением их светом включает фактор вертикальных движений в приповерхностном слое. Конвекция, обусловленная охлаждением и испарением на поверхности океана, вызывает вертикальное перемешивание, к которому дополняется ветровое перемешивание. Они создают турбулентное движение в приповерхностных водах. Все движущиеся воды несут с собой мельчайший фитопланктон, так что какое-то вертикальное распределение растительных клеток неизбежно.

С другой стороны, питательные вещества поступают снизу, из-под перемешанного поверхностного слоя. На большинстве океанских акваторий, где не происходит апвеллинг, единственный механизм пополнения запасов пищи - это медленная диффузия богатых питательными веществами вод вверх, в поверхностный слой. Турбулентному движению в поверхностном слое способствует вода, активно поступающая снизу. Следовательно, условия, необходимые для возникновения оптимальной продукции растений, должны существовать на каком-то уровне между поверхностью моря, где выше всего интенсивность света, и низом перемешанного слоя, куда поступают питательные вещества. Интервал от 7 до 17 м, в котором обнаруживается самая высокая концентрация растений, является компромиссным уровнем, выбранным самими растениями. Вообще многие растения являются фотоингибиторными, т. е. их продукция снижается, когда они подвергаются воздействию сильного света. Однако замедление развития под действием света свойственно не всем растениям; между видами существует значительный разброс по той интенсивности освещения, при которой каждый вид достигает оптимальной продукции.

2. Радиационный баланс Земли и освещенность поверхности моря

Рассмотрим распределение солнечной энергии на поверхности Земли. На верхнюю границу атмосферы поступает солнечная энергия равная 100%. Ультрафиолетовая радиация, составляющая 3% из 100% приходящего солнечного света, большей частью поглощается озоновым слоем в верхней части атмосферы. Около 40% из оставшихся 97% взаимодействует с облаками - из них 24% отражается обратно в космос, 2% поглощается облаками и 14% рассеивается, достигая земной поверхности как рассеянная радиация. 32% приходящей радиации взаимодействует с водяным паром, пылью и дымкой в атмосфере - 13% из них поглощается, 7% отражается обратно в космос и 12% достигает земной поверхности как рассеянный солнечный свет (рис. 2).

Рис. 2. Радиационный баланс Земли

Следовательно, из первоначальных 100% солнечного излучения поверхности Земли достигает 2% прямого солнечного света и 26% рассеянного света. Из этого общего количества 4% отражается от земной поверхности обратно в космос, а суммарное отражение в космос составляет 35% падающего солнечного света. Из 65% света, поглощаемого Землей, 3% приходится на верхние слои атмосферы, 15% - на нижние слои атмосферы и 47% - на поверхность Земли - океан и сушу.

Для того, чтобы Земля сохраняла тепловое равновесие, 47% всей солнечной энергии, которая проходит сквозь атмосферу и поглощается сушей и морем, должна отдаваться сушей и морем обратно в атмосферу.

Видимая часть спектра радиации, поступающей на поверхность океана и создающей освещенность, состоит из солнечных лучей, прошедших через атмосферу (прямая радиация), и некоторой части лучей, рассеянных атмосферой во всех направлениях, в том числе и к поверхности океана (рассеянная радиация). Соотношение энергии этих двух световых потоков, падающих на горизонтальную площадку, зависит от высоты Солнца - чем выше оно над горизонтом, тем больше доля прямой радиации. Это объясняется тем, что при разных высотах Солнца его лучи ослабляются различной толщей проходимой ими атмосферы. При Солнце в зените его лучи проходят наименьшую толщу, а следовательно, и меньше рассеиваются. Если принять путь, который проходит луч в атмосфере, когда Солнце в зените, за единицу («одна масса атмосферы»), то при высоте Солнца 40° его лучи проходят 1.55 массы атмосферы, при 20° - 2 массы, а при 0° - 35.4 массы атмосферы.

Освещенность поверхности моря в естественных условиях зависит также от облачности. Высокие и тонкие облака отбрасывают вниз много рассеянного света, благодаря чему освещенность поверхности моря при средних высотах Солнца может быть даже больше, чем при безоблачном небе. Плотные, дождевые облака резко уменьшают освещенность.

Световые лучи, создающие освещенность поверхности моря, претерпевают на границе вода-воздух отражение и преломление (рис. 13) по известному физическому закону Снеллиуса

n =,

где ц - угол падения лучей, - угол преломления; n - показатель преломления среды. Для чистой морской воды при солености 35‰ n= 1,34. При таком значении n из формулы следует, что угол ц всегда больше угла , и поэтому входящий наклонно в море луч ближе к вертикали, чем в атмосфере. Выходящие наклонно из моря лучи также отклоняются от вертикали, и существует такой угол выхода , что подходящий к поверхности моря снизу луч претерпевает полное внутреннее отражение и не выходит из моря. Этот угол равен 48.5⁰.

Рис. 3. Отражение и преломление луча света на поверхности океана

Таким образом, все падающие на поверхность моря световые лучи, частично отражаясь, преломляются и входят в море. В то же время из моря выходят в каждой точке только лучи, подходящие снизу в конусе с углом при вершине = 97°. Остальные лучи отражаются вниз. Этим объясняется то, что при взгляде снизу поверхность моря всегда серебрится, как зеркало, что хорошо знакомо ныряльщикам.

Соотношение между преломленным и отраженным световыми потоками зависит от высоты Солнца. При высоте Солнца 0⁰ весь световой поток отражается от поверхности моря. С увеличением высоты Солнца доля светового потока, проникающего в воду, увеличивается, и при высоте Солнца 90⁰ в воду проникает 98% всего падающего на поверхность потока.

Отношение отраженного от поверхности моря светового потока к падающему, называется альбедо поверхности моря. Тогда альбедо поверхности моря при высоте Солнца 90⁰ составит 2%, а для 0⁰ - 100%.

Альбедо поверхности моря различно для прямого и рассеянного светового потоков. Альбедо прямой радиации существенно зависит от высоты Солнца, альбедо рассеянной радиации практически не зависит от высоты Солнца. По данным наблюдений альбедо рассеянной радиации колеблется в пределах 5-6 %.

Альбедо также зависит от состояния поверхности моря, т. е. от волнения. При больших высотах Солнца волнение увеличивает альбедо, а при малых высотах уменьшает.

3. Поглощение и рассеяние света в море

Cвет - это поток частиц, движущихся со скоростью света. Элементарная частица света называется фотоном, который является световым эквивалентом энергии. Фотоны с различными длинами волн соответствуют разным цветам и обладают разной энергией. Число фотонов, которое проходит через единицу площади за секунду, определяет интенсивность света.

С точки зрения оптики морская вода представляет собой мутную поглощающую среду. Световой поток, проникающий в воду и проходящий сквозь толщу воды, ослабевает за счет поглощения (перехода световой энергии в другие формы энергии) и рассеяния. В применении к электромагнитному излучению поглощение (абсорбция) означает, что один или более падающих фотонов захватываются и их энергия поглощается. Вместо того чтобы поглощаться, фотоны могут рассеиваться. Рассеиваться они могут вперед, назад и в любом другом направлении. Ослабление света объединяет эффекты как поглощения, так и рассеяния. Оно служит мерой того, как быстро ослабевает свет, проходя сквозь морскую воду.

Потеря энергии световым лучом с длиной волны л вследствие поглощения при прохождении толщи воды z составляет I_z= I_oe, где I_o - энергия светового луча, входящего в море, I_z - энергия луча на глубине z, ч_л - показатель поглощения. Показатель поглощения, зависит от среды, в которой распространяется свет, и от длины волны л. Показатель поглощения имеет размерность, обратную размерности длины (м^-1). Знак «минус» в формуле указывает на потерю энергии, а экспоненциальная зависимость указывает на быстрое ослабление энергии света с глубиной. Из формулы следует, что при глубине z = световой поток ослабляется в е раз (е =2.7183). Эту глубину называют натуральной длиной поглощения света.

Таблица 6 Показатели поглощения ч_л волн видимой части солнечного спектра

Вода неодинаково поглощает световые лучи различных длин волн, т.е. обладает избирательным (селективным) поглощением. Показатели поглощения ч_л волн видимой части солнечного спектра для дистиллированной воды приведены в табл. 6.

Сильнее всего поглощаются лучи красной части спектра (с длиной волны более 0.6 мк), почти совершенно не поглощаются короткие (зеленые, синие и фиолетовые лучи с длиной волны менее 0.5 мк). Красная часть спектра поглощается в поверхностном слое моря, в глубину проникают лучи зеленой и особенно синей части спектра, которые формируют цвет моря и создают освещенность в глубинах. В результате поглощения красной части спектра кровь рыбы на глубине 15 м окажется желто-коричневой, а на глубине 30-50 м зеленой.

Кроме поглощения световые лучи в толще воды испытывают рассеяние, в результате чего энергия света с глубиной ослабляется.

Рассеяние света связано с прохождением света через неоднородную среду. Неоднородностями являются молекулы воды и взвешенные частицы, вызывающие оптическую неоднородность морской воды. Характер рассеяния света зависит от размеров рассеивающих частиц. Поэтому рассматривают раздельно рассеяние света частицами, имеющими размеры меньше длины волны падающего света - молекулярное рассеяние, и рассеяние света крупными частицами, соизмеримыми с длиной волны падающего света.

Ослабление светового потока за счет рассеяния при прохождении толщи воды определяется формулой I_z= I_oe, где I_o - энергия светового луча, входящего в море, I_z - энергия луча на глубине z, k_л - показатель рассеяния, определяемый как k_л =, а - модуль рассеяния, равный для дистиллированной воды 1.56Ч10^-4, z= -расстояние, на котором световой поток ослабляется вследствие рассеяния в е раз, называют натуральной длиной рассеяния света.

Ослабление энергии светового потока за счет рассеяния зависит от длины волны света л. Оно обратно пропорционально четвертой степени длины световой волны. Поэтому в воде сильнее всего рассеиваются лучи зеленой и особенно синей части спектра с длиной волны менее 0.5 мк.

Этим, например, объясняется голубой цвет неба: прямые солнечные лучи на пути сквозь атмосферу претерпевают рассеяние, которое в синей части спектра оказывается наибольшим. Подобным же образом объясняется красная окраска Солнца во время восхода и заката: при малых высотах Солнца солнечным лучам приходиться пронизывать более значительный слой воздуха, чем при больших высотах. Из-за этого прямые солнечные лучи лишаются большой части энергии, приходящей на область коротких синих волн. Красные же лучи дойдут до поверхности Земли, испытав значительно меньшее рассеяние.

Эти выводы относятся к рассеянию света частицами малыми по сравнению с длиной световой волны, т.е. случаю молекулярного рассеяния. Оно наблюдается тогда, когда в морской воде нет растворенных газов и примесей, находящихся во взвешенном состоянии. Если же в воде находятся растворенные газы и примеси, то те и другие могут достигать размеров порядка длины световой волны и даже больших. Они будут вызывать сильное рассеяние света, которое не подчиняется законам молекулярного рассеяния.

Когда размер рассеивающей частицы соизмерим с длиной световой волны, на ее поверхности под воздействием переменного электромагнитного поля, распространяющегося в направлении светового потока, возникают не простые электромагнитные колебания, как в случае молекулярного рассеяния, а сложные. Световой поток, проникший под поверхность моря, рассеивается каждым элементарным слоем воды как вперед, так и назад. Оба эти потока в свою очередь рассеиваются в обе стороны (рассеяние второго порядка). В зависимости от размеров и характера частиц возникают электромагнитные колебания не только второго, но и третьего, четвертого порядков и т.д. Суммарный эффект рассеяния каждым элементарным слоем представляет сложную картину многократного рассеяния световых лучей в толще моря.

В этом случае модуль рассеяния оказывается во много раз больше модуля для молекулярного рассеяния. Если при молекулярном рассеянии а=1.56Ч10^-4, то в природной морской воде, содержащей взвешенные примеси, модуль рассеяния может достигать величины 0.030. Поэтому, крупные частицы могут вызывать суммарный эффект рассеяния, примерно в 200 раз превышаюший эффект молекулярного рассеяния.

В результате совместного эффекта поглощения и рассеяния света с глубиной происходит ослабление светового потока и изменение его спектрального состава, так как показатели поглощения и рассеяния различным образом зависят от длины волны. Длинноволновые лучи (>0.6 мк) поглощаются в основном поверхностным слоем толщиной в несколько метров, глубже преобладает рассеянная зелено-синяя часть спектра.

В природе процессы поглощения и рассеяния света действуют одновременно. Поэтому при проникновении света в глубину моря его ослабление будет происходить за счет обоих процессов.

Суммарное ослабления светового потока за счет поглощения и рассеяния будет равно I_z= I_oe. Сумму (ч_л+k_л) = с называют показателем ослабления света морской водой или показателем экстинкции.

Расстояние z = , на котором происходит ослабление света в е раз, называют натуральной длиной ослабления света.

В чистой океанской воде ослабление света минимальное и определяется преимущественно поглощением света. Рассеяние света имеет одинаковый порядок с поглощением только в голубой части спектра (от 0.3 до 0.5 мк) с максимумом при длине световой волны 0.460 мк. При длинах волн более 0.580 мк доля рассеяния в общем ослаблении света не превышает 1%.

С увеличением замутненности воды, обычно наблюдаемой при подходе к берегу, значение рассеяния в суммарном ослаблении возрастает вследствие наличия в воде крупных взвешенных частиц. Одновременно возрастает и поглощение крупными частицами, что вызывает общее увеличение суммарного ослабления и смещение минимума ослабления в зону более длинных волн.

Зависимость ослабления света от длины волны и наличия примесей определяет общепринятые оптические характеристики - прозрачность морской воды и цвет моря.

4. Прозрачность и цвет воды

Прозрачностью морской воды называют отношение потока излучения, прошедшего в воде без изменения направления путь, равный единице, к потоку излучения, вошедшему в воду в виде параллельного пучка. Прозрачность морской воды тесно связана с коэффициентом пропускания Т морской воды, под которым понимается отношение потока излучения, пропущенного некоторым слоем воды I_z, к потоку излучения, упавшему на этот слой I₀, т.е. Т = = e^-сz. Способность пропускать свет противоположна ослаблению света, а коэффициент пропускания является мерой того, сколько света проходит путь определенной длины в морской воде. Тогда прозрачность морской воды будет И=e^-с, это означает, что она связана с показателем ослабления света с.

Наряду с указанным физическим определением прозрачности используется понятие условной (или относительной) nрозрачности, под которым понимают глубину прекращения видимости белого диска диаметром 30 см (диска Секки).

Глубина исчезновения белого диска или относительная прозрачность связана с физическим понятием прозрачности, поскольку та и другая характеристики зависят от коэффициента ослабления света.

Физическая природа исчезновения диска на определенной глубине заключается в том, что при проникновении светового потока в толщу воды происходит его ослабление за счет рассеяния и поглощения. При этом с увеличением глубины происходит увеличение потока рассеянного света в стороны (за счет рассеяния высших порядков). На некоторой глубине рассеянный в стороны поток оказывается равным потоку прямого света. Следовательно, если опускать диск ниже этой глубины, то поток, рассеянный в стороны, будет больше основного потока, идущего вниз, и диск перестает быть видимым.

По расчетам академика В.В.Шулейкина, глубина, на которой выравниваются энергии основного потока и потока, рассеянного в стороны, соответствующая глубине исчезновения диска, равна для всех морей двум натуральным длинам ослабления света. Иными словами, произведение показателя рассеяния на прозрачность есть величина постоянная и равная 2, т. е. k_лЧ z = 2, где z - глубина исчезновения белого диска. Это соотношение дает возможность связать условную характеристику морской воды - относительную прозрачность с физической характеристикой - показателем рассеяния k_л. Так как показатель рассеяния входит составной частью в показатель ослабления, оказывается возможным связать также относительную прозрачность и с показателем ослабления, а, следовательно, и с физическими характеристиками прозрачности. Но поскольку между показателями поглощения и рассеяния нет прямой пропорциональности, то в каждом море связь показателя ослабления с прозрачностью будет своя.

Относительная прозрачность зависит от высоты, с которой производятся наблюдения, состояния поверхности моря, условий освещенности.

С увеличением высоты наблюдений относительная прозрачность увеличивается благодаря уменьшению влияния отраженного от поверхности моря светового потока, который мешает наблюдениям.

При волнении происходит увеличение отраженного потока и ослабление потока, проникающего в глубь моря, что приводит к уменьшению относительной прозрачности. Это было замечено еще в древности искателями жемчуга, которые ныряли на дно моря с набранным в рот оливковым маслом. Масло, выпущенное ими изо рта, всплывало на поверхность моря, сглаживало мелкие волны и улучшало освещенность дна.

При отсутствии облачности относительная прозрачность уменьшается, так как наблюдения затрудняются солнечными бликами. Мощная кучевая облачность значительно уменьшает падающий на поверхность моря световой поток, что также уменьшает относительную прозрачность. Наиболее благоприятные условия освещения создаются при наличии перистых облаков.

Наибольшее количество оптических наблюдений относится к измерениям относительной прозрачности белым диском.

Относительная прозрачность сильно меняется в зависимости от содержания взвешенных частиц в морской воде. В прибрежных богатых планктоном водах относительная прозрачность не превышает нескольких метров, а в открытом океане достигает десятков метров.

Самые прозрачные воды наблюдаются в субтропическом поясе Мирового океана. В Саргассовом море относительная прозрачность составляет 66.5 м, и это море считается эталоном прозрачности. Такая высокая прозрачность в субтропическом поясе связана с почти полным отсутствием взвешенных частиц и слабым развитием планктона. В море Уэдделла и в Тихом океане вблизи островов Тонга была измерена еще более высокая прозрачность - 67 м. В умеренных и высоких широтах относительная прозрачность достигает 10-20 м.

В морях прозрачность колеблется в значительных пределах. Так, в Средиземном море она достигает 60 м, Японском - 30 м, Черном - 28 м, Балтийском - 11-13 м. В бухтах и особенно вблизи устьев рек прозрачность составляет от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров.

При рассмотрении вопроса о цвете моря различают два понятия: цвет моря и цвет морской воды.

Под цветом моря понимается видимый цвет его поверхности. Цвет моря в сильной степени зависит от оптических свойств самой воды и от внешних факторов. Поэтому он изменяется в зависимости от внешних условий (освещенности моря прямым солнечным и рассеянным светом, от угла зрения, волнения, наличия примесей в воде и др. причин).

Собственный цвет морской воды есть следствие избирательного поглощения и рассеяния, т.е. он зависит от оптических свойств воды и толщины рассматриваемого слоя воды, но не зависит от внешних факторов. Учитывая избирательное ослабление света в море, можно рассчитать, что даже для чистой океанской воды на глубине 25 м солнечный свет будет лишен всей красной части спектра, затем при увеличении глубины отпадет желтая часть и цвет воды покажется зеленоватым, к глубине 100 м останется только синяя часть и цвет воды будет синим. Поэтому говорить о цвете воды можно тогда, когда рассматривается толща воды. При этом в зависимости от толщи воды цвет воды будет различным, хотя ее оптические свойства и не меняются.

Цвет морской воды оценивается с помощью шкалы цветности воды (шкала Фореля-Уле), которая состоит из набора пробирок с цветными растворами. Определение цвета воды состоит в визуальном подборе пробирки, цвет раствора которой ближе других к цвету воды. Цвет воды при этом обозначается номером соответствующей пробирки шкалы цветности.

Наблюдатель, стоящий на берегу или наблюдающий с борта судна, видит не цвет воды, а цвет моря. В этом случае цвет моря определяется соотношением величин и спектральным составом двух основных световых потоков, попадающих в глаз наблюдателя. Первый из них - это поток отраженного поверхностью моря светового потока, падающего от Солнца и небесного свода, второй - световой поток диффузного света, исходящего из глубин моря. Так как отраженный поток является белым, при его возрастании цвет моря становится менее насыщенным (белесоватым). Когда наблюдатель смотрит по вертикали вниз на поверхность, он видит поток диффузного света, а отраженный поток мал - цвет моря насыщенный. При перемещении взгляда к горизонту цвет моря становится менее насыщенным (белесоватым), приближаясь к цвету небосвода, благодаря возрастанию отраженного потока.

В океанах имеются огромные пространства воды темно-голубого цвета (цвет океанской пустыни), свидетельствующие об отсутствии в воде посторонних примесей и ее исключительной прозрачности. С приближением к берегам наблюдается постепенный переход к голубовато-зеленым, а в непосредственной близости от берегов - к зеленым и желто-зеленым тонам (цвет биологической продуктивности). Вблизи устья реки Хуанхэ, впадающей в Желтое море, преобладает желтый и даже бурый оттенок воды, обусловленный выносом рекой огромного количества желтого лесса.

4. Биолюминесценция и цветение моря

В ночное время в океанах и морях может увеличиваться яркость поверхности моря за счет жизнедеятельности морских организмов. Видимое свечение некоторых живых организмов называется биолюминесценцией или свечением моря.

Биолюминесценция характерна для всей толщи вод. Абсолютной темноты в океанских глубинах не существует. Бесчисленные вспышки света, испускаемые глубоководными организмами, поддерживают освещенность в толще воды на некотором постоянном, хотя и очень низком уровне.

Биолюминесценция - результат биохимической реакции, в которой химическая энергия возбуждает специфическую молекулу и та излучает свет. В ходе реакции субстрат (люциферин) окисляется под действием фермента (люциферазы). Люциферины и люциферазы у разных организмов химически различаются, однако все люминесцентные реакции требуют молекулярного кислорода и протекают с образованием промежуточных комплексов - органических пероксидных соединений. При распаде этих комплексов высвобождается энергия, возбуждающая молекулы вещества, ответственного за светоизлучение, при этом испускается фотон видимого света - отсюда химическое свечение «холодным» светом (хемилюминесценция). Никакого другого внешнего источника энергии не требуется. Фактически биолюминесценция представляет собой химический процесс, обратный фотосинтезу у растений.

Участвующие в реакции соединения получили свои названия давно, на заре исследований, когда люди считали, что в этом в процессе не обошлось без участия дьявола Люцифера. Из небольшого светящегося двустворчатого моллюска Cypridina было выделено соединение, названное люциферином. Затем получено второе соединение - люцифераза. Свет возникает, когда два этих выделенных вещества соединяются в присутствии кислорода. Чрезвычайно низкие концентрации выделенного светящегося вещества в воде, порядка 1Ч 10^-10, делают свет видимым для глаз.

Биолюминесценция - высокоэффективный процесс. Световая эффективность ее значительно выше эффективности всех известных электрических и тепловых источников света. Свечение моря также называют «холодным светом», так как только 1% энергии, затраченной на выработку света, теряется в виде тепла, а коэффициент полезного действия биолюминесценции превышает 90%. Какой бы ни была причина того, что некоторые морские организмы приобрели способность люминесцировать, они теряют на это мало энергии.

Первая и основная особенность биолюминесценции - она почти всегда возникает не самостоятельно, а возбуждается внешними причинами: движением корабля или морских животных, волнением моря, ударами прибоя о берег, сейсмическими причинами.

Вторая особенность биолюминесценции - ее непостоянство. Биолюминесценция может быть интенсивна в одних районах океана и почти отсутствовать в других, появляться в определенное время года и исчезать в другое. Она зависит от сочетания многих факторов - состояния поверхности моря, морских течений, фаз Луны и др.

Самым поразительным фактом в биологии морских организмов является то, что у огромного числа разнообразных животных, совершенно не связанных родственно между собой, развилась способность к испусканию света. Хотя люминесценция встречается у эволюционно разнородных групп организмов, она отсутствует у более высокоорганизованных животных. Кроме того, наблюдается почти полное отсутствие люминесцирующих видов среди пресноводных организмов. Замечательным подтверждением этого правила являются динофлагелляты: из них обладают способностью светиться только виды, обитающие в соленой воде.

У разных организмов биолюминесценция может быть разного цвета: матовая, зеленоватая, синеватая, красноватая.

Известно множество светящихся видов морских организмов, наиболее мелкими из которых являются бактерии. Светящимися организмами являются простейшие панцирно-жгутиковые организмы - перидинеи и ноктилюки (ночесветки), планктонные рачки (криль), гребневики, медузы, некоторые морские черви, многочисленные ракообразные и веслоногие рачки. Очень сильным является свет рачков эвфаузиид, обладающих специальным излучающим органом (фотофором). Распространено свечение также среди глубоководных рыб.

Биологический смысл свечения еще полностью не ясен. Свет позволяет животным одного вида опознавать друг друга, свечение используется для отпугивания хищника или привлечения жертвы.

Наиболее загадочно так называемое фигурное свечение, когда в океане появляется система вращающихся светящихся полос или кругов. Эта явление, называемое иногда «волшебной мельницей», связывают с реакцией планктонных организмов на движение вод.

К районам с регулярной интенсивной биолюминесценцией относятся тропические широты океанов (северная часть Индийского океана, экваториальная Атлантика, Аравийское и Карибское моря, моря Индонезии). В морях умеренной зоны свечение наиболее интенсивно в летнее время.

Цветением моря называется изменение окраски моря при скоплении в поверхностных слоях мельчайших животных организмов - зоопланктона или растений - фитопланктона.

Обычно цветение происходит при массовом развитии какого-нибудь одного вида планктона. Жгутиковые - перидинеи и ноктилюки, развиваясь иногда в огромных количествах, вызывают цветение в виде розовых, буро-красных, желтых или зеленоватых пятен и полос. В тропической зоне океана иногда наблюдается интенсивное развитие сине-зеленой водоросли - триходесмиум, которая окрашивает воду в зеленый цвет. Осенью в Азовском море в результате интенсивного развития одноклеточных диатомовых водорослей вода может принимать коричневую окраску. В полярных районах за счет скопления бледно-розовых рачков нередко наблюдается красное или розовое цветение. Резко падает в это время и прозрачность воды.

В 1997 году в Беринговом море наблюдалось уникальное по масштабам и последствиям цветение воды в результате бурного развития одноклеточных планктонных водорослей - кокколитофорид. Оно было обусловлено явлением Эль Ниньо - положительной температурной аномалией в тропических районах Тихого океана, оказавшей влияние на экосистемы высокоширотных морей, в том числе и Берингова моря. Кокколитофориды достаточно обычны в тропических морях и гораздо менее многочислены в высоких широтах. В нормальные годы в период наибольшего развития фитопланктона в Беринговом море 95-99% его биомассы составляют различные диатомовые водоросли. Однако в середине лета 1997 г. в результате бурного развития кокколитофорид вода моря стала молочно-аквамариновой. Пятно цветения охватывало весь юго-восточный беринговоморский шельф. Толщина охваченной цветением воды составляла до 50 м, прозрачность ее была втрое ниже обычной. Общая численность кокколитофорид составляла 99,8% общей численности фитопланктона. Обычные доминанты этих вод - диатомовые водоросли - практически исчезли.

Цветение воды кокколитофоридами на юго-восточном шельфе Берингова моря в 1997 г. - явление в шкале подобных для всего Мирового океана очень крупное по своим масштабам. Огромной была и его продолжительность - более 3 месяцев (вспышки численности диатомей длятся обычно 2-4 недели). Произошло радикальное и длительное изменение в составе пищевых цепей. Значительно уменьшилась миграция лососей в море; в районах, занятых цветением, отмечалась массовая гибель морских птиц.

В тропических и умеренных водах иногда также происходит массовое развитие одноклеточных организмов, называемых динофлагеллятами. При этом цвет моря становится красно-коричневым или красно-желтым, в воде падает содержание кислорода и почти все живое погибает от ядовитых веществ, выделяемых динофлагеллятами. Такое явление получило название «красного прилива».