万物皆有理:海洋中的物理
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是谁给海底带来了氧气

陆地上的高等动物是用肺直接呼吸空气中的氧气的,而除在海水中生活的鲸类、海豚、海豹等海洋哺乳动物仍然用肺呼吸空气中的氧气外,大部分水生动物(海洋动物、淡水动物等)是用鳃呼吸溶解在水中的氧气(溶解氧)的,这是陆地动物与水生动物的最大差别之一。

海水中的溶解氧

海水中的溶解氧是空气在海浪的作用下进入海水中,或者海洋上层的藻类和光合细菌进行光合作用时释放的。无论是哪种方式,溶解氧的产生都是在海洋的表层和上层。在静止的水体中,越接近水面,溶解氧的浓度越高,而水下越深的地方,距离水面越远,水压越大,溶解氧因扩散距离远,其浓度也就越低。与此同时,如果水体接触空气的面积越大,溶解到水中的氧就越多,因此,水体如果翻腾,那么水体表面的溶解氧就会被带到水体的深处。

很多家庭都有养观赏鱼的爱好,他们通常会在鱼缸中放一个加氧器,加氧器实际上加的是空气。空气中有约21%的成分是氧气,加氧器不断地通过小管子把空气加到鱼缸的底部,大量气泡就会在水中生成,这样不但增加了鱼缸中水接触空气的面积,也使鱼缸底部的水接触到了空气,从而让鱼缸中的水溶解到了更多的氧气,提高了水中的溶解氧浓度,让鱼缸中的观赏鱼更自由、充分地呼吸。

深海也有海洋生物

由于潮汐和风的影响,海洋一直有浪,这就增加了海洋表面接触空气的面积,加上海洋面积巨大,占地球表面积的71%左右,因此海洋上层有大量的溶解氧。虽然如此,单靠扩散作用,溶解氧是很难到达海洋的中层和下层的,中下层的海洋动物很可能会因为缺氧而无法生存。这也是水越深,海洋生物的种类和数量就越少的主要原因之一,因而,在相当长的历史时期内,海洋生物学界普遍认为深海是生物的“沙漠”,而英国著名的海洋生物学家爱德华·福布斯在1839年更是将海洋550米水深以下的部分称为“深海无生命地带”。这一论断曾经“统治”海洋生物学界很多年。那时人们相信,550米水深以下的深海严重缺氧,没有生物能够存活。

然而,深海考察已经发现,深海中有很多动物种类,如海绵、珊瑚、铠甲虾、海参、海蛇尾、海百合等大型动物,有孔虫等小型动物,它们都生活得好好的,并没有因为缺氧而死。

随着科技的发展,人类的海洋探测早已到达深海,我国的万米载人深潜器“奋斗者”号已到达10909米的大海深处,创造了世界纪录。深海考察已经确定,即使在海洋中最深的马里亚纳海沟也是有动物生存的,甚至有大型海参在活动,它们也是需要呼吸海水中的溶解氧的,而深海那么深,深海里的溶解氧来自哪里?深海的动物会不会因为缺氧而死呢?答案是,不会。

垂直向的大洋环流

深海中之所以有充足的溶解氧,是因为有大洋环流,海洋的洋流不但有水平运动形成的大洋环流,也有垂直运动形成的大洋环流。垂直向大洋环流的形成和运动也是地球自转、月球和太阳的引力、太阳黑子、太阳光强、气候、大气循环、地震、海底火山爆发、陆地和海岛的阻隔、水团密度、海底地貌、水温变化等因素造成的,而且大洋环流很有规律,总是沿着固定的流向和路径日夜流动。垂直向的大洋环流与表层流、次表层流等形成严密的洋流网体系,也就是说,一团水有时平流,有时下沉,有时上升,一直在不停地流动着。

全球海洋不仅不同地点的海水在不断交换,不同深度、不同层次的海水也在不断交换。事实证明,浅海的海水会被俯冲下沉的洋流带到深海,而深海的海水也会被上升的洋流带到浅海。大海表层的溶解氧就这样被洋流带到了深海。例如,靠近南极的大洋的海水,由于水温低、密度高,会下沉到海底,便将表层的溶解氧也带到了深海,这些溶解氧甚至有可能到达热带大洋的深海。

深海生物的发现

随着人类深海探险技术的提高,对深海的考察活动越来越多,人类在越来越深的海洋中采集到了海洋生物。即使在水深达到11000多米的世界上最深的马里亚纳海沟“挑战者海渊”,人类也发现了深海的巨型底栖生物(长度大于2厘米的底栖生物被称为巨型底栖生物)。

人类还在海洋最深处的沉积物中采集到了古菌、细菌等微生物样品。这充分证明,无论多深的海洋中都有生命的存在。深海生物的种类、数量之所以低于浅海,其主要原因并非缺少溶解氧,而是缺少食物。

正是由于日夜奔腾不息的洋流,将氧气带到了海洋的各个角落,才使得整个海洋充满了生机。关于洋流运动的具体细节,人们所知仍然有限,还需要进一步调查研究。海洋中还有很多秘密,等待着一代又一代的海洋学家们去探索、去研究。

知识小卡片

溶解氧 指溶解在海水中的氧气。海水中的溶解氧,一部分是空气中的氧气通过海洋表面直接溶解在海水中,另一部分是海洋微藻、大型藻类、海草等海洋植物在光合作用过程中排放到海水中的。海洋表面和上层的溶解氧则通过洋流被带到海洋的各个层次、各个角落,使得整个海洋的海水中都有溶解氧。