Гидрофизические факторы
Гидрофизические факторы
Следующая рассматриваемая нами группа абиотических факторов – гидрофизические. Так называют факторы, связанные с физическими свойствами воды. Такой важный фактор, как прозрачность воды, мы были вынуждены обсудить заранее, в связи с обсуждением особенностей распространения в воде света. Поэтому сейчас мы остановимся на других гидрофизических явлениях.
Плотность воды
Вода является уникальным в своем роде химическим веществом. В то время как для большинства веществ плотность уменьшается с увеличением температуры и увеличивается при уменьшении температуры, плотность воды оказывается максимальной при 4 оС, а при более сильном охлаждении или нагревании становится меньше. Это приводит в условиях умеренного климата к интересным перераспределениям слоев воды в пресных водоемах в течение года. Зимой подо льдом температура воды в них близка к 0 оС. На дне же оказываются, в силу своей плотности, слои воды с температурой около 4 оС. Весной, при повышении температуры воздуха над водоемом выше 0 оС, лед начинает таять и вода из поверхностных слоев, после того как она нагреется до 4 оС, опускается на дно. В результате часть воды поднимается из глубины, а температуры частично выравниваются. Летом теплые слои воды оказываются над медленно прогреваемыми плотными 4-градусными. Осенью поверхностные воды снова охлаждаются до 4 оС и опускаются на дно, вызывая второе за год перемешивание водных масс, выравнивание температуры и перераспределение кислорода.
Совокупность организмов, населяющих толщу воды и не способных противостоять переносу течениями, называют планктоном. Многие планктонные организмы обладают специальными приспособлениями, позволяющими им парить во взвешенном состоянии в толще воды. К ним относятся уменьшение плотности тела: за счет высокого содержания воды, как у медуз и гребневиков, наличия пузырьков газа, как в цитоплазме у радиолярий, или жировых включений, как у диатомовых водорослей. Увеличение несущей поверхности также способствует парению, поэтому многие планктонные организмы имеют специальные выросты тела, ее увеличивающие – например, листовидные выросты на параподиях у полихет, выросты на ноге у крылоногих моллюсков. Наконец, легкости парения способствует уменьшение размеров тела, поэтому среди представителей планктона преобладают мелкие виды.
Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение является результатом притяжения молекул жидкости. На границе водной и воздушных сред создаются такие условия, которые позволяют мелким животным использовать поверхность жидкости как опору. Так, находясь в воздушной среде, по поверхности воды передвигаются некоторые пауки-волки, ногохвостки, некоторые мухи, а также клопы из нескольких семейств, известные под общим названием «водомерки». Большинство из них обитает на поверхности пресных водоемов и только представители водомерок семейства Halobatidae обитают на поверхности морей. Приспособлениями к передвижению по поверхности воды у этих членистоногих служат относительно небольшие размеры и несмачиваемость их лапок. Некоторые другие водные животные, например, улитки прудовики, передвигаются по пленке поверхностного натяжения, сами находясь в воде. Эти улитки могут иметь значительно большую массу, чем только что рассмотренные членистоногие, поскольку ее в воде компенсирует архимедова сила. Для увеличения сил поверхностного натяжения такие ползущие улитки активно выделяют слизь. Напротив, пена значительно ослабляет силы поверхностного натяжения. Именно ее образование ограничивает распространения организмов, подобных водомеркам, на поверхности моря.
Течения
Течения воды известны и в Мировом океане, и в пресных водоемах. Очень велико влияние океанских течений на распределение тепла в океане и формирование климата близлежащих территорий. Например, именно теплое течение Гольфстрим значительно смягчает климат прилежащей Европы, в том числе Скандинавии. В какой-то мере эти течения можно сравнить по своей роли с постоянными перемещениями воздушных масс в атмосфере.
Рекомендуемые материалы
Помимо участия в формировании климата, океанские течения играют роль и в перераспределении морских организмов. Как уже было сказано, океанские течения разносят по Мировому океану многочисленные планктонные организмы. Именно благодаря течениям (Канарскому, Северному Пассатному и Гольфстриму) в Атлантическом океане сформировался такой феномен, как Саргассово море. Окружающие этот регион течения препятствуют выносу за его пределы обильно размножающихся здесь из-за благоприятных температурных условий плавающих бурых водорослей, из-за чего здесь образуются их огромные скопления. Иногда океанские течения используются живыми организмами для облегчения их миграций. Так, из того же Саргассового моря Гольфстримом к берегам Европы приносятся личинки европейского угря, которые затем мигрируют в реки.
Перемещения масс морской воды характерны также для приливно-отливной зоны (литорали), где они носят периодический характер. Живые организмы, обитающие на литорали, обладают различными приспособлениями, позволяющими удерживаться на субстрате. Среди литоральных животных много ведущих прикрепленный образ жизни, а свободноживущие формы имеют различные приспособления к временному прикреплению к субстрату. Необходимость этого обусловлена, во-первых, высоким давлением волн, которые могут достигать 3 кг на см2, а во-вторых, опасностью быть выброшенными волнами на сушу, в зону так называемых штормовых выбросов, откуда вернуться обратно в нормальную среду обитания могут только формы, способные хорошо передвигаться по суше и существовать приемлемое время вне воды.
Текучие пресные воды играют большую роль в перераспределении воды на материках и между материками и Мировым океаном. Реки, особенно крупные, сильно влияют на гидротермические условия территорий, по которым они протекают. Они же служат для водных организмов путями миграций, как случайных, так и регулярных, свойственных, например, проходным рыбам, нерестящимся в пресных водах, например, в верховьях рек, как многие лососевые, а во взрослом состоянии обитающих в морях.
Организмы, обитающие в текучих пресных водах, называют реофильными, в противовес лимнофильным – обитателям стоячей пресной воды. Обитание в текучих водах означает для живых организмов необходимость адаптации к движению воды, способности противостоять течению. Многоклеточные водоросли в текучих водах ведут прикрепленный образ жизни, животные же преодолевают силу течения либо за счет мускулатуры, либо, подобно обитателям морской литорали, с помощью крючков, присосок и тому подобных органов, позволяющих им временно или постоянно прикрепляться к субстрату. Часто такие животные имеют уплощенное тело, позволяющее плотно прижиматься ко дну. Для реофильных беспозвоночных характерно дыхание почти исключительно кислородом, растворенным в воде, в то время как среди лимнофильных не редки и виды, дышащие атмосферным воздухом. Эта особенность связана с тем, что для дыхания атмосферным воздухом водные животные должны время от времени подниматься к поверхности воды, что в условиях текучей воды может быть затруднено. Из поведенческих приспособлений, характерных для реофилов, можно назвать так называемый реотропизм – предпочтение двигаться против течения.
Бесплатная лекция: "6 Спорадические гонения на церковь" также доступна.
Соотношение между жидким и твердым агрегатными состояниями воды.
В условиях нашей планеты вода встречается в трех агрегатных состояниях – газообразном (пар), жидком и твердом (снег, лед). О водяном паре, находящемся в атмосфере, мы уже много говорили в связи с климатическими факторами. Поговорим об особенностях существования воды в жидком и твердом состояниях.
Как известно, пресная вода при нормальном атмосферном давлении замерзает при 0оС. У соленой воды температура замерзания понижается по мере увеличения солености. В диапазоне солености от 30 до 35 промилле точка замерзания меняется от -1.6 до -1.9 оС. Образование морского льда можно рассматривать как замерзание пресной воды с вытеснением солей в ячейки морской внутри толщи льда. Когда температура достигает точки замерзания, образуются ледяные кристаллы, которые «окружают» не замерзшую воду. Незамерзшая вода обогащается солями, вытесненными кристаллами льда, что приводит к дальнейшему понижению точки замерзания воды в этих ячейках. Если кристаллы льда не полностью окружат обогащенную солями незамерзшую воду, она будет опускаться и смешиваться с нижележащей морской водой. Если процесс замерзания растянут во времени, почти весь обогащенный солями рассол уйдет изо льда и его соленость окажется близкой к нулю. В результате соленость и плотность остающейся незамерзшей воды увеличится. Эта тяжелая вода опустится ко дну. При быстром замерзании большая часть рассола захватится льдом и его соленость будет почти такой же, как и соленость окружающей воды.
Образование льда в значительной мере уменьшает взаимодействие водоема с атмосферой, задерживая распространение конвекции в глубину. Перенос тепла должен осуществляться уже через лед – весьма плохой проводник тепла. Лед действует как изолятор, предохраняя водоем от выхолаживания. С учетом того, что с понижением температуры уменьшается способность воды удерживать в себе растворенный кислород, это обстоятельство имеет особое значение для существования водных организмов в холодный сезон. Однако после образования льда на поверхности воды становится невозможным и обмен кислородом между водой и находящейся над ней атмосферой. Достаточно известно явление так называемого замора – массовой гибели рыбы подо льдом вследствие недостатка растворенного в ней кислорода. Провоцировать замор в озере, например, могут интенсивные процессы окисления, происходящие в донных отложениях.
В крупных водоемах, например, морях, наличие ледового покрова может иметь и еще одно очень большое значение – а именно, он может препятствовать образованию волн при ветре над поверхностью водоема. Так, в 1991 году раннее освобождение ото льда Белого моря в сочетании с сильными штормами привело в мае к массовому выбросу на берег морских звезд, сорванных с находящегося на глубине 4-8 м поселения мидий, в котором они хищничали. Масштабы это явления были столь велики, что оно было первоначально ошибочно интерпретировано как результат крупной техногенной катастрофы.
В пресных водоемах в зимнее время подо льдом также оказывается большое количество организмов. Часть из них, оказываясь в условиях пониженной температуры и пониженного содержания кислорода, снижает общую активность и тем самым понижает свою потребность в кислороде. Известны живые организмы, способные в состоянии анабиоза выдерживать даже продолжительное вмерзание в лед. Такой феномен известен, в частности, для обитающей в арктических морях у берегов Чукотки и Аляски рыбы даллии. Любопытны приспособления к обитанию подо льдом тех пойкилотермных животных, которые в теплое время года, обитая в воде, используют для дыхания атмосферный воздух. Так, некоторые жуки из семейства плавунцов используют для газообмена воздушный пузырь, находящийся у них под надкрыльями. Когда содержание кислорода в нем становится в результате дыхания меньшим, чем в воде, жук слегка приподнимает надкрылья и пузырь начинает частично соприкасаться с водой, поглощая из нее кислород и отдавая углекислый газ. При сниженной двигательной активности этого оказывается достаточно, чтобы пережить зиму.
