Изменчивая жизнь соленых озер
Почти все озера Крыма – соленые, часто – пересоленные (гипергалинные ) и мелководные. Колебания погодных условий приводят к быстрому изменению глубины таких озер, концентрации солей в воде и, как следствие, к смене видового состава их обитателей и модификации потоков энергии, идущих через пищевые цепи. Изучение экосистем соленых озер и управление ими интересно как в научном, так и в хозяйственном аспекте.
На территории Крыма известно 48 соленых озер, 26 из которых имеют площадь более 1 квадратного километра. Исследования этих озер важны с практической точки зрения. Во-первых, соленые озера являются источником различных минералов, необходимых в пищевой, фармацевтической, химической и других отраслях промышленности. Во-вторых, частый обитатель соленых озер жаброногий рачок Artemia служит важным объектом сельскохозяйственной индустрии как ценная пищевая основа кормов для рыб, птиц, ракообразных, моллюсков (в большинстве случаев используются высушенные яйца артемии или замороженные взрослые особи). В-третьих, на базе соленых озер строятся бальнеологические курорты.
С научной точки зрения представляет интерес физиология обитателей соленых озер и проблема их адаптации к экстремальным условиям. Изучение упрощенных экосистем гипергалинных озер помогает понять изменения, происходящие в других экосистемах при экстремальных воздействиях, например, в условиях антропогенного давления.
Экосистемы соленых озер сравнительно просты, поэтому их можно изучать целиком. Сложность изучения других целых экосистем (пресноводных или морских) связана с большим видовым разнообразием водных жителей, неоднородностью среды обитания, сложностью трофических связей. Эти проблемы минимизированы в соленых озерах с весьма низким видовым разнообразием, относительно гомогенной средой, упрощенными трофическими связи и пищевыми цепочками.
В статье Е.В.Балушкиной, С.М.Голубкова, М.С.Голубкова, Л.Ф.Литвинчук (Зоологический институт РАН) и Н.В.Шадрина (Институт биологии южных морей НАН Украины) рассматривается зависимость фауны соленых озер и взаимоотношений между организмами от различных факторов среды обитания, а также реакция экосистем на колебания погодных условий.
Одним из важных механизмов, обеспечивающих надежное функционирование экосистем, является биоразнообразие сообществ. Когда виды или жизненные формы взаимозаменяемы в пищевых цепях – это поддерживает динамическое равновесие и «забуферивает» экосистемы в нестабильных внешних условиях. Длинные пищевые цепи более устойчивы к внешним воздействиям. Однако пищевые цепи крымских соленых озер короткие, их видовой состав – беден. Позвоночные животные в озерах отсутствуют. Представители беспозвоночных планктона и бентоса сочетают довольно широкую толерантность к меняющейся солености с относительно сильной зависимостью от качества и количества пищевых ресурсов, наличия хищников, конкуренции со стороны новых (морских) вселяющихся видов.
Численность животных, их биомасса и количество видов в озерах зависели в первую очередь от величины первичной продукции: с ее повышением эти показатели возрастали. Вторым по значимости фактором оказалась соленость: при увеличении солености видовое богатство, напротив, снижалось вплоть до полного исчезновения донных животных.
Экосистема оз. Бакальское в 2005 году претерпела катастрофические изменения и практически утратила свой озерный облик. Во время сильных штормов волны Черного моря перехлестывали косу, отделяющую озеро от моря, и занесли с собой черноморские хищные виды животных, которые заняли в озере лидирующее положение.
Авторы статьи обращают внимание на то, что специальные инженерно-технические мероприятия могут помочь в управлении состоянием экосистем соленых озер, способствовать трансформации илов в лечебную грязь. Удачным примером использования закономерностей функционирования гипергалинных озер может служить искусственное преобразование западного бассейна оз. Сакское, одного из крупнейших в мире бальнеологических курортов.
При какой солености жизнь в озере отсутствует
Большое городское озеро
Малое городское озеро
История образования города тесно связана с добычей соли. Основной причиной для строительства поселения явились огромные залежи каменной соли, выходившие своим куполом на поверхность.
На месте озера когда-то высилась гора Туз-Тюбе, на казахском языке это означает «соляная крыша». Именно здесь в 1754 году начали масштабно добывать соль, вследствие чего на месте горы со временем образовалась глубокая впадина. Отсюда и имя озера – Развал. В 1906 году с началом весенних паводков река Песчанка затопила котлован. Так появился уникальный соленый водоем, диаметром 300 м и максимальной глубиной 22 метра [6].
Вода озера Развал очень насыщена солью. Её содержание почти в 10 раз превышает концентрацию солей в воде Черного и Средиземного моря (18-30 г/л). В одном литре озерной воды растворено более 300 граммов соли! Этим оно схоже с широко известным Мёртвым морем в Израиле (рис. 3, 4).
Рис. 3. Озеро Развал. Рис. 4. Мертвое море.
Высокое содержание в воде солей брома, хлора, сульфидов, а также сухой и жаркий климат оказывают укрепляющее и оздоравливающее влияние на приезжающих сюда людей. Здесь успешно лечатся суставные и кожные заболевания, бронхиальная астма.
До сих пор одно из главных предприятий города – соледобывающее предприятие «Илецксоль». Сейчас соль добывают в шахтах на глубине в несколько сотен метров. Произведенную здесь соль можно найти в магазинах по всей России [2].
- Условия плавания предметов в различных жидкостях
В разных жидкостях одинаковые предметы могут плавать или тонуть в зависимости от плотности предмета и жидкости.
Лёд Вода Золото
900 кг/м 3 1000 кг/м 3 19320 кг/м 3
Рис. 5. Плотность веществ.
То есть плотность различных веществ различная. В таблице 1 приведены плотности некоторых веществ.
Вещество/тело
Плотность, кг/м 3
Вещество/тело
Плотность, кг/м 3
Вода пресная
1000
Согласно законам физики [7]:
Предмет тонет, если его плотность больше плотности жидкости.
Предмет всплывает, если его плотность меньше плотности жидкости.
Предмет остается на некоторой глубине внутри жидкости, если плотности предмета и жидкости равны.
Следовательно, человек не будет тонуть в воде, если плотность этой воды больше плотности тела человека.
Насколько много соли в воде, определяется таким показателем, как солёность. Измеряется она в граммах сухой соли, содержащихся в килограмме воды. Единица измерения солёности – промилле (‰) [9].
Информация о солёности воды озера Развал не была найдена. Но поскольку, во многих источниках говорится, что по содержанию соли вода озера Развал похожа на воду Мёртвого моря, то примем солёность воды озера Развал равной солёности Мёртвого моря, а именно 270 ‰ [8] (Таблица 3).
Солёность озерной воды меняется в зависимости от времени года: она меньше весной во время таяния снега и максимальна зимой.
Если сравнивать с морской водой, то солёность морской воды существенно ниже, чем солёность воды озера Развал (Таблица 3).
Солёность воды в разных морях Мирового океана совершенно разная (Таблица 3). Соленость морской воды зависит от количества осадков и испарения, таяния и образования льдов, притока пресных вод с суши. Средняя солёность морей составляет почти 35 ‰ [3], [12].
Воды рек, источников и проточных озер тоже солёные. Но мы этого не чувствуем, так как содержание хлорида натрия в них в 70 раз меньше, чем в море. И физические свойства этих вод, которые мы называем пресными, существенно не отличаются от свойств чистой воды.
Плотность солёной воды зависит от солёности (Таблица 2), а также от давления и температуры воды. Она тем плотнее, чем холоднее, солонее и чем на большей глубине находится.
Таблица 2. Зависимость плотности воды, содержащей поваренную соль, от уровня её солёности [9].
Солёность, ‰
Плотность при 15 °C, кг/ м 3
Таким образом, плотность воды озера Развал при ее солёности 270 ‰ превышает плотность 1200 кг/ м 3 . А это означает, что плотность солёной воды озера Развал больше плотности тела человека, что не дает человеку утонуть. Пресная же вода Ижевского пруда меньше плотности тела человека и потому утонуть в нем возможно, если не умеешь держаться на воде.
Вода на планете Земля может принимать три основных агрегатных состояния: жидкое, твёрдое и газообразное, которые способны преображаться в разные формы, одновременно сосуществующие друг с другом (айсберги в морской воде, водяной пар и кристаллы льда в облаках на небе, ледники и свободно текущие реки).
Почему вода замерзает? Обычная вода всегда содержит некоторое количество взвешенных частиц минерального или органического происхождения. Это могут мельчайшие частицы глины, песка или домашней пыли.
Когда температура окружающей среды опускается до определенных значений, эти частицы беру на себя роль центров, вокруг которых начинают образовываться кристаллы льда.
Ядрами кристаллизации могут стать также воздушные пузырьки, а также трещины и повреждения на стенках сосуда, в котором находится вода. Скорость процесса кристаллизации воды во многом определяется количеством этих центров: чем их больше, тем быстрее замерзает жидкость.
В обычных условиях температурой, при которой вода из жидкого состояния переходит в твёрдое, является отметка 0 градусов по Цельсию.
Будучи отличным растворителем, вода легко вступает в реакции с различными веществами, образуя множество подчас неожиданных химических соединений. Разумеется, каждое из них будет замерзать при разных температурах.
Температура замерзания воды с примесями во многом зависит от их количества и характера примесей, входящих в состав водного раствора.
Температура замерзания воды с солью находится в тесной связи со степенью её солёности: чем больше соли в растворе, тем при более низкой температуре он замерзнет [13].
Температура замерзания воды в морях и океанах не имеет постоянного значения, поскольку солёность воды в разных морях Мирового океана совершенно разная. Это видно из таблицы 4.
Таблица 3. Зависимость температуры начала замерзания солёной воды от солёности воды [3], [12].
Солёность, ‰
Температура замерзания солёной воды, °C
Водоём с соответствующей солёностью
Озеро Сиваш
Кара-Богаз-Гол
Мёртвое море
Озеро Развал
Растительный и животный мир морей, океанов, рек и озер очень разнообразен и многочислен. Водных обитателей принято делить на пресноводных и морских. Это связано с тем, что большинство их приспособлено жить либо только в пресной, либо только в морской воде. И если поместить их в чуждую среду (море или, наоборот, реку), они погибнут.
Почему так происходит, рассмотрим на примере рыб.
Оказывается, у пресноводных и морских рыб по-разному настроены и происходят обменные и выделительные процессы в организме.
Необходимо отметить, что большинство водных обитателей приспособлены к строго определенной концентрации соли в воде и при малейшем изменении этой концентрации, выделительная система начинает давать сбой.
Поэтому, если пресноводную рыбу поместить в морскую воду, ее организм быстро потеряет воду, произойдет обезвоживание со всеми вытекающими последствиями. У пресноводных рыб нет механизмов удаления излишков солей из организма, и их концентрация в крови и лимфе превысит допустимые для жизнедеятельности нормы.
Большие концентрации поваренной соли губительно действуют на микроорганизмы, приводя к тому, что из их клеток через мембрану выводится вода в сторону более насыщенного солевого раствора. Клетка как бы сдувается или высыхает, и это делает невозможным обмен питательными веществами между ней и окружающей средой. К тому же соль снижает растворимость кислорода в воде, поэтому в сильносоленой воде микробам, которым для жизни необходим кислород, становится «трудно дышать». Разные виды микроорганизмов становятся безвредными при разных концентрациях соли. Рост значительной части болезнетворных микробов прекращается уже при солености воды 100 промилле. При 150 ‰ перестают размножаться гнилостные бактерии, а при 200‰ останавливается нормальная жизнедеятельность стафилококков. Существуют, правда, отдельные виды дрожжей и молочнокислых бактерий, способные существовать даже в насыщенном солевом растворе [11].
Мёртвое море называется мёртвым из-за того, что считалось, что из-за высокой солёности воды живые организмы (прежде всего – рыба и морские животные) жить здесь не в состоянии. Недавно оказалось, что это не совсем так: в конце прошлого века учёные обнаружили, что вода Мёртвого моря кишит мелкими организмами.
Здесь проживает около 70 видов плесневелых грибов, поселившиеся здесь задолго до того, как море приобрело солёность, которые, выработав новый ген, приспособились к здешней воде.
В воде солёного моря были обнаружены и микроскопические вирусы, активизирующиеся лишь после того, как попадают в живой организм, а вне клеток приобретающие вид неживых частиц.
Были найдены 20 видов архей: микробы, прекрасно себя чувствующие в концентрированном солевом растворе и живущие за счёт энергии, которую преобразовывают из солнечного света. Интересный факт: оказалось, что вода Мертвого моря в 1 мл содержит несколько миллионов этих микробов (при этом, если их сильно много, они за счёт своего пигмента придают воде красноватый оттенок).
Во время дождей, когда солёность воды на поверхности моря слегка разбавляется, из пор развивается жгутиковая водоросль дюналиелла розового цвета – пигмент защищает её от солнечного света, а не погибнуть из-за соли не даёт высокое содержание в растении глицерина, удерживающего влагу. Интересно, что развиваются эти водоросли чрезвычайно быстро и активно: за период «цветения» их число составляет несколько десяток тысяч на один миллилитр. Живут, правда, в Мёртвом море они недолго и исчезают, как только дожди прекращаются [1].
Озеро Дунино, как и озеро Развал, находится в г. Соль-Илецк. Его солёность в два раза меньше солёности озера Развал.
В жаркие летние дни здесь плавает огромное количество красноватого рачка «Артемия Салина» (рис. 6, 7). Маленький красный рачок может выживать и размножаться только в воде солоноватых водоёмов. Поэтому рачок «Артемия Салина» не встречается ни в пресном городском озере, ни в озере Развал, хотя эти озёра находятся ближе остальных к озеру Дунино. Рачок «Артемия Салина» играет чуть ли не первую роль в грязеобразовании. Ежегодно он выбрасывает огромное количество икринок, часть которых гибнет и попадая на дно, идет на образование органической части лечебной грязи. После икрометания гибнет и сам рачок [2].
Рис. 6, 7. Рачок «Артемия Салина».
Таким образом, жизнь в воде с солёностью, существенно превышающей солёность морей, возможна. Хотя не найдены результаты биологических исследований озера Развал, в нем могут обитать микроорганизмы. Возможно, когда-нибудь и рачок «Артемия Салина» приспособится к жизни в озере Развал.
4. Практические опыты
Опыт №1. Проверяем степень влияния наличия соли в воде на плавучесть предметов
Нам понадобятся 3 сосуда, поваренная соль и 3 яйца.
В первый сосуд нальем пресной воды и опустим в нее яйцо (рис.8).
Рис. 8. Проведение опыта с пресной водой.
Рис. 9. Результаты опыта
Результат: яйцо в пресной воде утонуло (рис.9).
Вывод: плотность яйца больше плотности пресной воды
Во второй сосуд нальем воды и добавим 4,5 десертных ложек соли (рис. 10) и опустим второе яйцо.
Рис. 10. Проведение опыта с солёной водой.
Рис. 11. Результаты опыта с солёной водой.
Результат: яйцо во втором сосуде с солёной водой плавает на некоторой глубине (рис.11).
Вывод: плотность яйца равна плотности солёной воды во втором сосуде.
В третий сосуд нальём воды и добавим соли в большем количестве (6,5 десертных ложек) и опустим третье яйцо.
Рис. 12. Результаты опыта с водой с большим содержанием соли.
Результат 3: яйцо в третьем сосуде с водой с большим содержанием соли плавает на поверхности воды (рис.12).
Вывод: плотность яйца меньше плотности воды в третьем сосуде.
Общие выводы:
1) Чем больше соли содержится в воде, тем больше плотность воды.
2) Чем больше соли содержится в воде, тем сильнее вода выталкивает тело на поверхность.
3) Также как и яйцо, человек в пресной воде тонет, если не делает плавательных движений, благодаря которым он держится на поверхности воды, т.к. плотность пресной воды меньше плотности тела человека.
4) Также как и яйцо, человек бесконечно может лежать в воде с большим содержанием соли (если плотность такой воды больше плотности тела человека).
Опыт №2. Проверяем степень влияния наличия соли в воде на температуру замерзания воды.
Результат: Пресная вода замерзла, а солёная вода осталась без изменений (рис. 14).
Рис. 13. Ход опыта № 2.
Рис. 14. Результат опыта № 2.
Выводы: 1) Для замерзания солёной воды требуются более низкие температуры, чем для пресной.
Опыт №3. Проверяем влияние наличия соли в воде на жизнеспособность растений.
Рис. 15. Ход опыта № 3.
Рис. 16. Результат опыта №3.
Результат: через 10 дней отросток в солёной воде начал желтеть, а через 15 дней совсем пожелтел – погиб (рис.16).
Вывод: солёная вода не благоприятна для жизни растений, не приспособленных к ней.
В результате анализа информации из различных источников и проведенных опытов можно сделать следующие выводы:
Наличие соли в воде меняет физические свойства воды: чем более солёной является вода, тем более высокой плотностью она обладает, для замерзания такой воды требуется достаточно низкая температура.
Для жизни в солёной воде растения и живые организмы приспосабливаются, прежде всего, защищая себя от обезвоживания.
Озеро Развал образовалось в результате деятельности человека при добыче каменной соли карьерным способом всего 110 лет назад.
Вода в озере Развал обладает высокой солёностью (270 ‰), высокой плотностью (более 1200кг/м 3 ), низкой температурой замерзания (ниже – 11°C). Все эти показатели существенно отличаются от соответствующих показателей пресной и даже морской воды.
Человек может долго и безмятежно лежать на воде озера Развал, не боясь утонуть, благодаря тому, что плотность этой воды больше плотности тела человека.
В озере Развал в виду высокой солёности отсутствуют крупные формы жизни, но на микроуровне (бактерии, мигрогрибки, микроводоросли) жизнь возможна. Возможно, когда-нибудь и рачок «Артемия Салина» из соседнего озера приспособится к жизни в озере Развал.
Гипотеза о том, что причиной уникальных свойств озера Развал является содержание большого количества соли в озерной воде, подтвердилась.
Таким образом, задачи исследования выполнены, цель достигнута, потому что я смог показать причины отличий свойств озера Развал от водоёмов с пресной водой.
Замерзание морской воды [Электронный ресурс] // Детская энциклопедия. URL: http://de-ussr.ru/priroda-ludi/vod-obolochka/zamerzanie.html (дата обращения 15.11.2017).
РАЗНОВИДНОСТИ СОЛЁНЫХ ОЗЁР И ИХ ДОННЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
Рис. 11.6. Регионы наибольшего распространения соленых озёр (/)
Особенно много солёных озёр в Азии. В Китае их общая площадь больше площади пресных озер. Несколько соленых озер есть в оазисах Антарктиды.
Вследствие испарения в солёных озерах происходит концентрирование ионов, поступающих в них в составе атмосферных, поверхностных и подземных вод, повышение минерализации, трансформация солевого состава при кристаллизации и садке солей, накопление их в виде донных отложений. Среди соленых озёр преобладают мелководные водоёмы, поэтому перечисленные процессы очень изменчивы и зависят от синоптических, сезонных и многолетних климатических изменений водного и теплового баланса. В многоводные годы их площадь увеличивается, водная масса несколько распресняется, а в серии маловодных лет они уменьшаются, интенсифицируется садка солей. Некоторые из них высыхают, превращаясь в солончак до следующего многоводья.
Летняя минерализация и ионный состав воды в солёных озёрах
На поверхности донных отложений образуется за год тонкий рыхлой слой озёрной соли, которую называют новосадка. В следующий сезон распреснения часть сё растворяется в менее минерализованной воде. Оставшаяся часть не растворившейся новосадки прошлого года, постепенно уплотняется под новым слоем соли, превращается в старосадку. В течение 3-5 последующих лет она, всё более и более уплотняясь, становится корневой солыо плотным кристаллическим веществом, которое добывают при разработке соляных месторождений.
В зависимости от химического состава соли рапные (самосадочные) озёра бывают трех типов:
ное 10-11.10.1973 г. (по: Whelan, Petersen, 1975)
Своеобразен гидрологический режим глубокого и бессточного солёного оз. Развал, образовавшегося в 1916г. в карьере, из которого добывали каменную соль Илецкого соляного купола на Южном Урале близ города Соль-Илецк. Этот степной техногенный водоём находится примерно на той же широте, что и мелководные озёра на севере Карагандинской области (табл. 11.4), отличается от них сильнейшей сезонной изменчивостью термической стратификации (рис. 11.8).
Рис. 11.8. Температура в оз. Развал 1.02.1938 (У) и 25.07.1938 (2), по наблюдениям А. И. Дзснс-Литов- ского(1953)
Соли в озёрной воде
Для характеристики содержания в воде озёр растворённых солей используют либо понятие «минерализация» (единицы измерения мг/л или г/л), либо понятие «солёность» (единицы измерения безразмерные – г/кг, или ‰). Термин «минерализация» применяют при изучении водотоков и водоёмов с небольшим содержанием солей (обычно пресных вод). Термин «солёность» применяют при изучении водоёмов с большим содержанием растворённых солей (обычно более 1000 мг/л, или около 1‰). В соответствии с общей классификацией природных вод по минерализации (солёности) озёра могут быть подразделены на пресные (или пресноводные) с солёностью менее 1‰, солоноватые с солёностью от 1 до 25‰, солёные с солёностью 25–50‰. Озёра последней группы иногда называют соляными или минеральными. Воду в озерах с солёностью более 50‰ называют рассолом или рапой.
Величины солёности воды, принятые в качестве границ между водой разного типа, обоснованы следующим образом: 1‰ – верхняя граница пресной (питьевой) воды; 25‰ (точнее 24,7‰) – солёность воды, при которой температура замерзания воды и температура её наибольшей плотности (–1,33ºС) совпадают; 50‰ – это наибольшая солёность воды в морях, связанных с Мировым океаном. Средняя солёность океанических вод около 35‰.
Наименьшую минерализацию имеют озёра зоны избыточного и достаточного увлажнения. Минерализация вод в озёрах Байкал, Онежское, Ладожское менее 100 мг/л (около 0,1‰). В зоне недостаточного увлажнения минерализация озёрной воды выше: в Балхаше 1,2–4,6‰, Иссык-Куле 5–8‰, в Каспийском море 11–13‰. Наибольшую минерализацию (солёность) имеют озёра в условиях засушливого климата. Так, соленость воды в озёрах Эльтон и Баскунчак составляет 200–300‰. В Мёртвом море в поверхностном слое солёность воды около 260‰, в придонном – около 290‰, в Большом Солёном озере в США солёность воды 270‰, в заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря 290‰.
Существенные изменения солёности воды произошли в последние полвека в Аральском море. В 1960-х гг., когда процесс обмеления этого озера еще не начался, средняя солёность вод Арала составляла 10–11‰. В начале XXI в., когда Аральское море сильно обмелело, солёность его вод возросла до 100–120‰.
Солёность воды в озёрах существенно влияет на другие компоненты его природной среды. С ростом солёности заметно изменяется видовой состав водных организмов (например, исчезают пресноводные рыбы), а также термический и ледовый режим озёр. Если у пресной воды температура замерзания 0ºС, то с увеличением солёности воды её температура замерзания уменьшается (на 0,54ºС на каждые 10‰ солёности). Так, в начале XXI в. Аральское море стало замерзать не при –0,54ºС, как прежде, а уже при –5,4ºС или даже при –6,5ºС.
В зависимости от особенностей химического состава вод соляные (минеральные) озёра делят на три типа:
