Мертвое море живые организмы и переворот воды

В 1980 году вода в самом соленом озере мира «перевернулась»: погребенный на дне плотный рассол, ранее полностью лишенный контакта с атмосферой, перемешался с вышележащей толщей менее соленых вод.


Долгими тысячелетиями пресная вода, иссушая незримый груз солей, вымываемых из горных пород, песка и почвы, течет по рифтовой долине реки Иордан на юг, в Мертвое море – замкнутое бессточное озеро. Под палящими лучами солнца, которое почти никогда не бывает закрыто облаками, вода, вливающаяся в Мертвое море, испаряется и уходит в иссушенный воздух пустыни, а остающиеся соли накапливаются в самом озере и в его осадках. В результате Мертвое море является самым соленым озером в мире: средняя соленость воды здесь составляет 280 г/кг по сравнению со средней величиной 35 г/кг для вод Мирового океана. Кроме того. Мертвое море – самая низменная область на Земле: его поверхность лежит примерно на 400м ниже уровня моря. Благодаря такому положению и высокой солености это озеро богато ценными природными ресурсами. Израиль и Иордания уже эксплуатируют его как кладовую химических соединений; кроме того, Израиль планирует использовать энергетический потенциал этой глубокой котловины и производить электроэнергию, подавая в нее по трубопроводам воду из Средиземного моря.
Всякое озеро чувствительно реагирует на изменения природной среды, которые фиксируются в осадках, отлагающихся на его дне. В случае же Мертвого моря его геологическая и гидрологическая история зарегистрирована не только в осадках, но и в самой толще рассола, в распределении солености в ней, сохраняющемся в течение долгого времени. Из всех сверхсоленых озер мира Мертвое море является как самым соленым, так и самым глубоким: его максимальная глубина составляет 320 м. Столетиями пресная вода, поступавшая в приповерхностную часть озера, лишь в незначительных масштабах смешивалась с гораздо более соленой озерной водой, образуя слои с пониженной соленостью, которые как бы плавали поверх плотной толщи погребенной воды. Однако, когда воду во все возраставших количествах стали отводить на нужды ирригации, уровень озера понизился, в результате чего произошло повышение солености и, следовательно, плотности приповерхностных вод. Некоторое время назад существовавший ранее градиент параметров воды исчез, и произошла инверсия: толща воды как бы перевернулась снизу вверх, в результате чего погребенный рассол смешался с более молодыми водами.

Мертвое море состоит из двух впадин: очень глубокой северной, имеющей большую площадь, и южной, менее значительной по размерам и глубиной всего несколько метров. Впадины разделены широким полуостровом Эль-Лисан (по-арабски означает «язык»), который вдается в озеро со стороны восточного побережья, оставляя лишь узкий пролив вдоль западного берега. Уровень Мертвого моря настолько низок, что самая мелкая часть пролива выступает над водой, а южная впадина остается сухой в течение большей части года (за исключением участков, отведенных под испарительные бассейны). Южная оконечность озера лежит на широте, примерно соответствующей границе между областями средиземноморского и аридного климата; и действительно, годовая норма осадков в Иудейских горах, ограничивающих озеро с запада, и в Моавских горах, ограничивающих его с востока, достигает 600 мм.
Тем не менее климат в районе Мертвого моря исключительно сухой и жаркий. Озеро лежит в области «дождевой тени» Иудейских гор, и среднегодовая норма осадков здесь составляет всего 50—75 мм. В районе г. Седом на южной оконечности озера 300 дней в году бывают солнечными, относительная влажность воздуха в летний период составляет 30 – 40%, а среднемесячная температура колеблется от 16 до 34°С; летом в дневное время температура здесь может достигать 54° С. Несмотря на такую аридность климата, испарение вод Мертвого моря происходит довольно медленно; это объясняется тем, что давление водяных паров над его поверхностью понижено под влиянием растворенных в воде солей.

В 30-х годах XX века (т.е. до начала осуществления широкомасштабных ирригационных мероприятий) на долю р. Иордан, в которой объединяется сток Тивериадского (Генисаретского) озера, лежащего на севере, и водосборного бассейна р. Ярмук, впадающей в Иордан с востока, приходилось примерно две трети от общего притока воды в Мертвое море. Существование баланса объяснялось наличием более мелких рек (таких, как Эль-Муджиб), немногочисленных пресных и соленых источников, а также сезонных потоков – вади, которые дренируют горное обрамление озера. Как это обычно отмечается в переходных климатических зонах, колебания величины осадков и стока были весьма значительными, и соответственно менялись глубина Мертвого моря и занимаемая им площадь.
В последние десятилетия почти каждый год происходило стабильное уменьшение притока воды в Мертвое море, поскольку значительную часть пресноводного стока стали отводить — сначала в систему водоснабжения Израиля, а затем в канал Гхор на территории Иордании. В настоящее время уровень воды в озере понижается примерно на полметра в год (за исключением редких особо дождливых сезонов). Но даже при сохранении современных масштабов испарения для высыхания озера потребовались бы многие сотни лет, так как его северная впадина имеет большую глубину. В действительности потери на испарение должны уменьшиться вследствие сокращения площади поверхности бассейна по мере снижения уровня воды, а также в связи с увеличением ее солености за счет уменьшения объема водной массы, что в свою очередь вызывает дальнейшее понижение давления водяных паров и, следовательно, уменьшение испаряемости на единицу площади. В конечном счете все более концентрирующийся рассол станет гигроскопичным и начнет поглощать влагу из воздуха.
Происхождение Мертвого моря можно объяснить с позиций тектоники плит, т.е. перемещения гигантских пластин, на которые разделяется литосфера — внешняя жесткая оболочка Земли. Озеро лежит в пределах Сирийско-Африканского рифта — «трансформной границы», вдоль которой две плиты скользят одна относительно другой уже в течение примерно 10 млн. лет. Участок земной коры к востоку от рифта сместился в северном направлении относительно участка, располагающегося к западу от рифта. Это относительное перемещение вызвало растяжение и тем самым уменьшение толщины коры, которая в результате опустилась. Местами зона разлома зигзагообразно изгибается к западу, пересекая направление, в котором происходит скольжение, вследствие чего возникли изолированные впадины, такие, как впадина Мертвого моря.

Химический состав рассолов Мертвого моря формировался в ходе эволюции самого озера и его впадины. Рассолы характеризуются уникальным набором солей: по сравнению с рассолами морского происхождения в них больше кальция, магния, калия, брома, но меньше натрия, сульфатов и карбонатов. Такой состав не мог образоваться ни за счет испарения морской воды, ни в результате выветривания континентальных горных пород или растворения минералов, образовавшихся путем кристаллизации из раствора. Конкретные этапы эволюции рассолов Мертвого моря пока еще окончательно не выяснены, однако, по всей вероятности, источников минеральных веществ было несколько.
К аналогичному выводу приводят и попытки определить возраст рассола. Еще в 1715 г. английский астроном Э. Галлей высказал предположение, что, сопоставив масштабы поступления солей в озеро с солевым составом воды и осадков, можно установить, как долго происходило накопление рассола (и по этим данным, как он считал, можно определить дату сотворения мира.) Я. Бентор из Еврейского университета выполнил подобные расчеты в приложении к химическим веществам, переносимым водами реки Иордан, а также водами известных соленых источников и участков высачивания подземных вод. Он нашел, что возраст ассоциации солей Мертвого моря составляет 12 тыс. лет. Этот результат означает, что соли озера почти так же молоды, как и само озеро, и что, следовательно, вес соли тех озер, которые существовали ранее на месте Мертвого моря, погребены под его осадками.
Однако более тщательные исследования показывают, что в действительности соли большей частью поступают в озеро не из системы крупных рек, а из местных источников и с поверхностей высачивания подземных вод. Многие из этих источников по своему составу очень близки к водам самого озера; по этим источникам осуществляется рециркуляция рассолов Мертвого моря или озер-предшественников. Следовательно, накопление солей в озере происходило за счет их поступления с меньшей скоростью, чем рассчитал Бентор, но в течение более длительного времени. Уникальный состав рассола отражает факт его формирования не только за счет недавнего и современного поступления в озеро продуктов континентальной эрозии, но и за счет переработки более древних отложений, в том числе осадков существовавшей когда-то морской лагуны. Подобное объяснение согласуется с тем обстоятельством, что Мертвое море расположено в самой глубокой впадине на поверхности суши, откуда вымывание накопившихся солей практически невозможно.

Сверхсоленая вода весьма неблагоприятна для развития жизни; именно отсутствию высших организмов в Мертвом море с давних пор озеро и обязано своим названием. (Его древнееврейское название Ям Хамелах не столь выразительно: оно попросту означает Соленое море). Только в 1936 г. Б Элазари-Волкани из Зиффовского института установил, что в озере обитают микроорганизмы. Он обнаружил несколько видов бактерий и один вид водорослей. Зеленая водоросль Dunaliella обычно обитает в пресной или морской воде, но может приспособиться и к сверхсоленой среде, синтезируя в большом количестве вязкий глицерин, который повышает осмотическое давление внутри клеток и тем самым препятствует проникновению в них соли.
Бактерии, которые способны жить в воде с умеренной концентрацией солей, были обнаружены только в самой северной части озера, где пресные воды реки Иордан смешиваются с озерной водой. Шире распространены действительно солеустойчивые виды. Выяснилось, однако, что наиболее многочисленны аэробные бактерии, способные жить только в соленой среде; эти бактерии нуждаются в кислороде и не могут существовать в среде с содержанием хлорида натрия ниже 150 г/кг. Бактериальная клетка характеризуется очень высокой концентрацией калия, а мембрана клетки проявляет исключительную специфичность по отношению к калию в противоположность натрию. Благодаря этому бактерия способна удерживать калий и тем самым сохранять свою целостность.

Между физическими и химическими свойствами вод Мертвого моря, с одной стороны, и количеством и типом населяющих его микроорганизмов, с другой стороны, существует тесная взаимосвязь. Исследования, выполненные еще в то время, когда водная масса озера была стратифицированной, показали, что на глубине 50 м общее количество бактерий уменьшалось в 100 раз. Ниже глубины 100 м никаких живых водорослей обнаружено не было. Исследователи подсчитали, что на поверхности озера в каждом миллилитре воды обитало 40 тыс. водорослей Dunaliella, ниже глубины 50 м встречались только анаэробные бактерии.
В рассолах Мертвого моря обнаружены следующие минеральные вещества, имеющие промышленную ценность: сильвин, или хлорид калия (KCI), содержание которого в рассоле составляет 1%; поваренная соль, или хлорид натрия (NaCl), — 8%; хлорид магния (MgCl2) — 13% и бромид-ион (Br-) — 0,3%. Первые практические шаги по извлечению этих веществ из рассола были предприняты горным инженером М. А. Новомейским, который получил концессию от британской администрации подмандатной Палестины. Разработанный им процесс избирательного осаждения с тех пор лежит в основе технологии добычи солей на калийном комбинате Мертвого моря. Озерную воду подают в несколько неглубоких испарительных водоемов, где каждая конкретная соль осаждается по мере того, как ее концентрация достигает насыщения. Первым кристаллизуется гипс (сульфат кальция), затем хлорид натрия. Минерал карналлит (гидратированный хлорид калия и магния) начинает кристаллизоваться, когда плотность рассола достигает 1,3 г/см3. В целях извлечения сильвина, который в основном используется как удобрение, карналлитовую суспензию расщепляют на составные части, после чего хлорид калия подвергают дальнейшей очистке. Небольшую долю остаточного «конечного рассола» обрабатывают газообразным хлором с целью извлечения брома.

Сначала испарительные бассейны располагались только на южном окончании озера, но позже их общую площадь расширили приблизительно до 130 км2 с помощью дамб, которыми оградили примерно половину всей мелководной южной впадины. Изменения параметров озера, происшедшие с момента создания испарительных бассейнов, оказали определенное влияние на технологию добычи солей. Увеличение солености воды сокращает время, необходимое для испарения, но усиливает осаждение солей внутри водоводов и насосных систем. Понижение уровня озера создает необходимость перекачки рассола на более значительные расстояния и выше по вертикали.
В климатической зоне, в которой находится Мертвое море, для любого озера характерна сезонная цикличность. В пресноводном озере солнце летом нагревает приповерхностный слой воды, плотность которого при этом уменьшается, тогда как более глубокие слои воды остаются более холодными и плотными. Препятствующий перемешиванию градиент плотности устанавливается за счет наличия температурного градиента. Пограничная зона с резким градиентом свойств – термоклин – изолирует практически не затронутые внешними воздействиями глубинные воды от верхнего слоя воды толщиной порядка 10 м, прогреваемого солнцем и перемешиваемого ветром. Осенью или зимой поверхностные воды достаточно сильно остывают, и тогда всю толщу воды охватывает циркуляция, приводящая к перемешиванию поверхностных вод с глубинными. В Мертвом море плотность воды зависит от уровня солености и от температуры в значительно большей степени, чем в менее соленых водоемах. В результате образуется сложная стратификация водной массы, которая может претерпевать некоторые изменения, но не подчиняется простому повторяющемуся ежегодному циклу.

Вариации солености связаны с разбавлением рассола в результате подтока пресной воды или его обогащением солями вследствие испарения. Теоретически вариации плотности воды, вызываемые этими колебаниями солености, могут быть скомпенсированы изменениями температуры. Например, если температура воды повысится на 20° С, а соленость одновременно возрастет на 9,2 г/кг, то плотность воды останется неизменной. Однако в действительности колебания солености поверхностных вод Мертвого моря составляли 40 – 50 г/кг, а в прошлом они были еще более резкими. Вариации солености, вызываемые превышением подтока пресной воды над масштабами испарения или наоборот, не могут быть скомпенсированы цикличными годовыми колебаниями температуры (от 18° С зимой до 35° С летом). Изменения температуры воды обычно не достаточны для того, чтобы уравновесить изменения солености; кроме того, оба этих колебательных процесса вряд ли точно совпадают по фазе.
В результате структура толщи воды Мертвого моря и характер ее сезонной и долговременной эволюции сильно отличаются от того, что наблюдается в пресноводных озерах, а также (вследствие большой глубины Мертвого моря) в большинстве соленых и сверхсоленых озер. Первые гидрографические измерения, выполненные в 1864 г., показали, что водная масса Мертвого моря стратифицирована вследствие наличия градиента солености. Этот факт был подтвержден измерениями 1919 г.; оказалось, что стратификация – явление долговременное. Изучение стратификации водной массы Мертвого моря показало, что плотность воды в верхних слоях озера составляла 1,20—1,21 г/см3; (это соответствует средней солености порядка 250 г/кг). На глубине 40 – 50 м соленость резко увеличивалась – до 25 г/кг; этот градиент солености, как и более плавная переходная зона, простиравшаяся до глубины 80 м, отделяли верхние, подверженные сезонным вариациям слои от глубинных вод. В пределах верхних слоев отмечались резкие сезонные колебания температуры и солености воды.

Ниже глубины 80 м вода была по существу однородной и имела температуру 21,3° С и соленость 276 г/кг. Такая соленость – самая высокая для поверхностных вод всех известных водных бассейнов. Кроме того, пробы глубинных вод имели резкий запах сероводорода, что свидетельствовало об отсутствии в воде растворенного кислорода и о получении населявшими ее анаэробными бактериями энергии за счет восстановления сульфатов. Отсутствие кислорода подтверждалось еще и тем, что железо здесь находилось в восстановленном (двухвалентном) состоянии. Все говорило за то, что гомогенная вода ниже глубины 80 м образует погребенное тело, которое оставалось не затронутым внешними воздействиями в течение длительного времени и было изолировано зоной градиента плотности от любых контактов с верхними слоями воды и с атмосферой.
Телу погребенной воды суждено было прекратить свое существование зимой 1978-79 г. в результате перемешивания с вышележащими слоями. Это сенсационное явление полной инверсии водной массы, а также события, вызвавшие его, документально зафиксированы при гидрографических наблюдениях, проводимых с 1975 г. группой специалистов из Института им. Вейсмана в Израиле. Уже с самого начала работ было очевидно, что соленость приповерхностных слоев волы резко возросла, поскольку разность значений солености приповерхностных и глубинных вод за период с 1959 по 1975 г. снизилась с 25 г/кг до 2 г/кг. Соответственно уменьшилась и степень стабильности водной массы. Толща воды становилась все более однородной но мере того, как средняя соленость более молодых верхних слоев приближалась к солености глубоких погребенных вод. Уровень раздела между молодыми и погребенными водами неуклонно опускался: за период с 1960 по 1975 г. он переместился сначала с глубины 60 – 80 м на глубину 80 – 100 м, а затем осенью 1978 г. до 200 м. Тело погребенных вод подвергалось размыванию, но то, что от него оставалось, по существу, сохраняло свои свойства неизменными.
К лету 1978 г. верхний слой стал уже более соленым, чем глубинная вода. Тем не менее стратификация воды сохранялась; теперь она поддерживалась градиентом температуры. Приповерхностная вода была теплее, отчего в течение некоторого времени она продолжала оставаться чуть менее плотной, чем донная вода. В последующую зиму приповерхностная вода несколько остыла, и этого было достаточно для окончательного перемешивания. В момент, когда произошла инверсия, приповерхностная вода была более соленой, но все же немного более теплой, чем погребенная вода. В результате гомогенизированная толща воды сразу после переворота оказалась на полградуса теплее, чем ранее существовавшая масса погребенной воды, и на 0,4 г/кг солонее.

Как долго существовала долговременная стратификация толщи воды до инверсии? Иными словами, каков был возраст тела погребенных вод? Ученые определили возраст двух радиоактивных изотопов — радия-216 и углерода-14, обнаруженных в пробах воды, которые были взяты в 1978 г. с глубины ниже поверхности раздела. Исследователи предположили, что оба изотопа сперва попали в приповерхностные слои и в результате перемешивания проникли в глубь толщи воды еще до начала ее стратификации. (Радий-226 образуется преимущественно в теплых соленых источниках по берегам Мертвого моря; углерод-14, который в следовых количествах присутствует в углекислом газе атмосферы, растворяется в приповерхностных водах, непосредственно контактирующих с воздухом.) Как только более глубинные воды оказались изолированными от поверхности, поступление этих двух изотопов должно было прекратиться. Поскольку периоды полураспада этих радиоактивных изотопов известны (1260 лет для радия и 5600 лет для углерода), то по степени их распада удалось выяснить, что вода, находившаяся на глубине ниже 180 м, оказалась изолированной от поверхности около 300 лет назад, к концу «малого ледникового периода».

Приведенные расчеты основывались на допущении, что глубинные погребенные воды представляли собой абсолютно изолированную систему. В действительности подобная система не может быть полностью изолированной; некоторый обмен с окружающей средой за счет диффузии обязательно происходит даже при условии существования пикноклина, т.е. границы между слоями с разными плотностями. В этой связи возникает вопрос: какова же была степень изоляции глубинных вод в процессе существования долговременной стратификации?
Ученые рассчитали ожидаемую скорость перемешивания исходя только из хаотического броуновского движения молекул. Оказывается, перемешивание путем молекулярной диффузии протекает чрезвычайно медленно и заняло бы тысячи лет. В действительности картина более сложна. В расчет следует принять высачивание подземных вод и наличие источников на дне озера. Время от времени язык плотного приповерхностного рассола из южной впадины может глубоко проникать в северную впадину. Температурные профили глубоководной области озера и переходной зоны позволяют приблизительно оценить масштабы поступления горячих (и, возможно, соленых) вод в область глубинных вод. Следовательно, по существу система не является изолированной. В то же время по содержанию в воде короткоживущих радиоактивных изотопов типа трития, поступающего в воду из атмосферы, можно рассчитать верхние пределы скорости обновления погребенных вод. Этот процесс действительно должен быть медленным и занимать минимум 1000 лет.

Данные о температуре воды и содержании трития свидетельствуют, что даже в годы, непосредственно предшествовавшие инверсии (когда устойчивость стратификации понизилась и проникновение порций приповерхностной воды в толщу глубинных вод стало более вероятным), ежегодно обновлялось менее 2% всего объема погребенной воды. И только в ходе окончательной инверсии водной массы зимой 1978/79 г. приповерхностные воды погрузились и смешались с телом погребенных вод.
Какова же комбинация условий, способная вызвать подобный переворот водной массы Мертвого моря? Важнейшим условием, несомненно, является уменьшение устойчивости водной массы вследствие повышения солености приповерхностных вод за счет падения уровня воды. Для того чтобы все это произошло, состояние более молодых, верхних слоев воды на всю их глубину должно быть таково, чтобы не препятствовать вертикальному перемешиванию. Подобное сочетание условий явно не могло возникнуть в Мертвом море летом, когда приповерхностные слои нагреваются и образуется определяемый термическими условиями пикноклин. Более того, зимой или весной подток пресных вод может вызвать разбавление приповерхностного рассола, и тогда в результате появления градиента солености также образуется пикноклин.И только осенью или в начале зимы под воздействием остывания поверхностных слоев обычно происходит погружение пикноклина на более значительную глубину; глубина, которой достигает перемешивание, определяется состоянием воды в данный момент времени. При этом часто наблюдается упорядоченное расположение слоев воды в соответствии с их возрастом: сверху находится самая молодая вода, а в самом низу — слой погребенной воды.

Лишь после целого ряда последовательных засушливых сезонов приповерхностные слои становятся достаточно солеными (и, следовательно, достаточно плотными), чтобы осеннее перемешивание могло достичь переходной зоны, ограничивающей тело погребенных вод, а затем и дна озера. Тогда и возможен полный переворот водной массы. С другой стороны, особенно дождливый сезон может способствовать сохранению пикноклина на небольшой глубине в течение нескольких лет. Так, например, после дождливого сезона 1979/80 г. толща воды, которая ранее была гомогенизирована в ходе инверсий, снова оказалась стратифицированной, причем стратификация сохранялась в течение трех лет — до конца 1982 г. Однако трехлетнего периода оказалось недостаточно, чтобы восстановилось тело погребенных вод.
Происходили ли аналогичные перевороты в прошлом? При попытках найти следы подобных событий можно отталкиваться от того обстоятельства, что необходимым условием для инверсии водной массы является период сравнительно низкого стояния воды в озере (и соответствующее увеличение средней солености). В то же время это условие, возможно, недостаточно, поскольку случайные паводки могут все же предотвратить инверсию. В ходе последней инверсии высокая соленость воды явилась причиной осаждения из рассолов Мертвого моря галита — минеральной формы хлорида натрия. Любая предшествующая инверсия также могла сопровождаться аналогичным явлением осаждения, следы которого должны были сохраниться в осадках Мертвого моря в виде кристаллов галита. Тщательные поиски пластов галита в осадочном разрезе могут дать указания на засушливые периоды, которые, возможно, соответствовали инверсиям водной толщи Мертвого моря на тех или иных этапах его длительной истории.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *