Соль

Хорошо известен один из величайших парадоксов, связанных с океаном: оказавшись в море (то есть фактически соприкасаясь с 97 % всей земной гидросферы), вы тем не менее легко можете умереть от жажды^[22]. Виной всему, разумеется, соль. При растворении в воде кристаллы соли распадаются на компоненты и проникают между молекулами воды, становясь невидимыми. Эти крошечные вкрадчивые частицы имеют колоссальное значение для функционирования машины Мирового океана. Не будь на Земле соли, наша планета имела бы совершенно другой облик.

Соль абсолютно необходима для жизни в привычном для нас представлении. В теле взрослого человека около 200 граммов соли, и это далеко не пустой балласт, а незаменимое вещество, от которого ежесекундно зависит нормальная жизнедеятельность организма. Соль участвует в передаче нервных импульсов к мышцам и органам чувств, регулирует объем крови. Если человек теряет (с потом или мочой) слишком много соли, этот дефицит крайне важно восполнить. Плотоядные животные поддерживают водно-минеральный баланс, получая соль из мяса, тогда как травоядные нуждаются в альтернативном источнике этого вещества^[23]. Последнее относится и к людям в аграрных сообществах. Соль кажется чем-то само собой разумеющимся, но только если у вас ее вдоволь. Вдали от побережья найти белое сокровище не так-то просто. Вся история человеческой цивилизации буквально пересыпана солью: с древнейших времен люди старались контролировать соляной промысел (такого рода монополией обладала, в частности, Британская империя, не говоря уже об ацтеках и китайцах), изобретали хитроумные способы добычи и транспортировки драгоценного продукта; соль была предметом торговли и средством платежа, причиной бунтов и войн, афер и интриг^[24]. А еще мы обязаны ей появлением такого феномена культуры, как засоленная сельдь^[25].

Отсюда, впрочем, не следует, что соли на нашей планете недостаточно. Всего только в одной ванне морской воды содержится 5 килограммов – небольшое ведерко – этого жизненно необходимого минерала. Запасы соли на Земле огромны. Если завтра к нам прилетит фантастических размеров астероид и вся вода в океане превратится в пар, то на морском дне останется слой соли толщиной примерно 65 метров и общим весом 49 миллиардов миллиардов (!) тонн. На просторах Мирового океана соленость распределена относительно равномерно, но и здесь есть любопытнейшие закономерности, которые могут открыться, если подойти к вопросу грамотно. Умение расшифровывать эти неявные сигналы имеет стратегическое значение, недаром НАСА и Европейское космическое агентство не жалеют денег на орбитальные спутники, позволяющие непрерывно отслеживать концентрацию соли на поверхности океана. Человечество, правда, далеко не всегда осознавало важность этой характеристики морских вод и даже не имело представления о ее природе. «Съедобный камень» озадачивал многих выдающихся мыслителей прошлого.

Глядя на портреты знаменитого ученого XVII века Роберта Бойля, довольно трудно представить, как этот господин склоняется над зловонной посудиной с застоявшейся морской водой. Ниспадающие на плечи пышные букли парика, ажурная пена кружев под подбородком, богатая обстановка – всё красноречиво говорит о том, что перед нами человек высокого социального положения, обладающий средствами и влиянием. Но особенно высок был его авторитет как исследователя, и вполне заслуженно. Бойль считал необходимым поставить изучение материи на прочную экспериментальную основу и отказывался принимать на веру факты, которые тот или иной натуралист (желательно он сам) не установил опытным путем. Сегодня подобными взглядами никого не удивишь, но в те времена такой настойчивый скептицизм был в новинку: известный набор метафизических представлений и освященных историей догм считался достаточным для понимания окружающего мира. Бойль же опирался только на практику. Он придирчиво исследовал этот мир и дотошно описывал свои эксперименты в пространных трактатах на самые разные темы. Ученого интересовало образование льда, упругость воздуха, сущность цвета и многое, многое другое^[26]. Будучи одним из основателей Лондонского королевского общества (а в более ранние годы – «Незримой коллегии», на базе которой оно возникло), Бойль в полной мере разделял его девиз: Nullius in verba, «Ничьих слов не принимать на веру». В 1674 году он опубликовал труд, получивший название «Наблюдения и опыты по солености моря».

Для начала Бойль опровергает гипотезу Аристотеля о том, что море соленое из-за некоего «наводящего» действия солнечных лучей. Он оставляет сосуд с пресной водой на солнце и убеждается, что вода – сюрприз – так и осталась пресной. Признавая, что частный эмпирический результат не обладает всеобщей значимостью, ученый расширяет поле зрения до всего океана. Если Аристотель прав, рассуждает он, то в поверхностном слое морская вода должна отличаться большей соленостью, а с глубиной переходить в пресную, однако тому нет никаких достоверных доказательств. Здесь Бойль ссылается на свидетельства ловцов жемчуга. Великолепные ныряльщики, они без каких-либо приспособлений погружаются в морскую пучину в поисках добычи и утверждают, что на дне океана вода не менее соленая, чем наверху^[27]. Далее автор с воодушевлением переходит к разбору альтернативных теорий, попутно позволяя себе несколько раз отвлечься от темы. Желая проверить тезис о том, что морская вода не способна к гниению, он оставляет бочонок на открытом солнце и констатирует, что «спустя несколько недель [вода] приобрела сильный неприятный запах». Меньше десяти лет назад его ассистент Роберт Гук усовершенствовал микроскоп и открыл удивительный мир, скрытый от нашего взора. Бойль с притворной скромностью умалчивает о своих познаниях в этой сфере и лишь многозначительно замечает, что, по мнению многих мореплавателей, «обширные пространства [океана] полны невообразимого множества случайных корпускул, которые разными способами расторгают однородность его частей, в силу чего он перестает быть простым раствором соли». Но самые современные идеи ученый приберег под конец. Он размышляет, меняется ли соленость моря со временем и одинакова ли она во всех точках земного шара. Он не боится задаваться фундаментальными научными вопросами (а ведь необходим поистине блестящий ум, чтобы даже просто осознать их существование) – и вместе с тем понимает ограниченность своих ответов. Принципиально отказываясь делать какие-либо выводы при отсутствии достаточных данных, Бойль заключает, что понадобится «огромное количество наблюдений в разных климатических зонах и разных частях океана»: только тогда можно будет определить, везде ли океан имеет одинаковую соленость. За 350 лет, прошедших со времени издания трактата, океанологи провели миллиарды таких наблюдений (особенно процесс активизировался в последние 30 лет). Педантичный Бойль наверняка оценил бы подобную методичность, хотя, думаю, больше всего его порадовали бы не отдельные детали, а складывающаяся из них обширная океанографическая картина. Но прежде чем предметно говорить о распределении солености, сделаем шаг назад и попробуем разобраться: что́ представляет собой вещество, именуемое морской солью?

У меня на книжной полке собраны разные диковинки: кусок минерала из Антарктиды, образец воды с Северного полюса… Тут же и металлический горшочек, который мне довелось купить в гавайском городе Кона. Внутри, как гласит этикетка, – соль, выкачанная из холодной пучины вод в рамках проекта NELHA. Если я решу употребить содержимое, в организм попадет частичка глубоководной вселенной, и моей нервной системе будет легче передавать сигналы мышцам, запуская их сокращение. Но отличается ли эта экзотическая вкусовая добавка от банальной каменной соли, добываемой в Нортвиче или Нантвиче^[28] – недалеко от моих родных мест? Ответ на этот вопрос оставался скрыт в недрах океана, пока в 1872–1876 годах не была предпринята экспедиция на корвете «Челленджер». Океанографические экспедиции снаряжались и раньше, но «Челленджер» вывел изыскания на совершенно новый уровень. В плавании участвовали крупные ученые, влюбленные в свое дело. За четыре года этой кругосветки судно успело обследовать Атлантику, Тихий и Южный океаны. Сделанные открытия заложили основу удивительной научной дисциплины и необычайно расширили горизонты нашего познания. Только не стоит думать, что все это было затеяно какими-то бессребрениками, желавшими облагодетельствовать человечество.

Экспедиция родилась на перекрестке чисто научных интересов и интересов коммерческих и стратегических, связанных с прокладкой подводных телеграфных кабелей для улучшения систем связи. Королевское общество располагало компетентными учеными, Гидрографическое управление имело опыт промерных работ, а военно-морской флот предоставлял топливо, места стоянок, гарантии безопасности и само судно^[29]. Находившийся на борту «ученый факультет» предвкушал знакомство с причудливыми глубоководными созданиями и невиданными осадочными породами, тогда как адмиралтейству был интересен в основном рельеф морского дна. Однако наряду с выполнением «обязательной программы» ученые активно собирали сведения и о множестве других особенностей океана. Не гнушались они и вечеринками в колониальных портах, лежавших на пути «Челленджера», вознаграждая себя за долгие месяцы в море краткими вылазками на берег. Их чествовали как дорогих гостей на приемах и балах, потчевали на банкетах, показывали местные красоты.

Объем материалов, собранных во время плавания, был столь велик, что на систематизацию данных и публикацию отчетов ушло почти двадцать лет работы. Хотя участники экспедиции лично производили все наблюдения, с ходу оценить их значимость они чаще всего не могли. Подобный разрыв характерен для океанологических исследований и сегодня (правда, в наши дни на обработку материалов обычно уходит от одного до четырех лет), и это вполне объяснимо: анализ – процесс небыстрый и кропотливый, а пока ты в море, все силы брошены на получение максимально качественных данных. Если спросить исследователя, сходящего с научного судна, каковы результаты экспедиции, ответом во многих случаях будет: «Пока не знаем». Главные открытия еще впереди, ведь анализ данных наверняка заставит скорректировать тот образ океана, который сложился в голове ученого.

Так одинаков ли состав морской соли в разных географических точках? Ответ на этот вопрос дали 77 проб океанской воды, которые были собраны во время плавания «Челленджера». До поры до времени они ждали своего часа, затесавшись где-то среди заспиртованных экземпляров морской фауны, ящичков с донными осадками и бесчисленных раковин моллюсков, пока наконец их не отправили на анализ Уильяму Диттмару в Глазго. Профессор химии несколько лет корпел над анализом этих образцов, добытых из разных частей и глубин Мирового океана, и в 1884 году опубликовал внушительный отчет с детальным описанием своего исследования. Главный вывод заключался в следующем: количество растворенной в океане соли колеблется, но соотношение между основными ее компонентами (относительное содержание хлористого натрия, соединений магния, калия и т. д.) повсюду постоянно^[30], независимо от региона и глубины. А стало быть, моя «сувенирная» соль из благословенных тропиков ничем не отличается от соли, растворенной в хмурых водах Ирландского моря^[31].

Может, Аристотель и ошибался насчет природы солености океана, но он высказал важную и в своей основе верную мысль: соль есть то, что образуется, если удалить всю влагу, содержащуюся в морской воде. Представьте, что у вас есть неглубокий таз с пологими стенками. Вы наливаете туда морскую воду и даете ей испариться. В таком случае внутри останется несколько отчетливых белых ободков, а это уже косвенный знак того, что «морская соль» не является чем-то однородным. В ее состав входят все химические элементы, которые встречаются на нашей планете и по воле природы оказались растворены в океане. Все началось много миллионов лет назад, когда Земля представляла собой раскаленную негостеприимную пустыню, окутанную плотной атмосферой с повышенной концентрацией углекислого газа. Ландшафт состоял из голых камней, регулярно орошаемых кислотными дождями. При взаимодействии кислот с каменистой породой высвобождались атомы вполне определенных веществ: натрия, калия, магния и кальция. В периодической системе эти элементы находятся в левом верхнем углу, из чего следует, что каждый такой атом стремится отдать один или два электрона и перейти в состояние положительно заряженного иона. Отсюда – их хорошая растворимость в воде^[32]. Но наша молодая планета отличалась еще и невероятной вулканической активностью. Земная твердь непрерывно шипела и содрогалась, ее недра клокотали. Вулканы выбрасывали в атмосферу колоссальные объемы сернистых газов и хлороводорода (высокоактивного соединения ионов водорода и хлора). В результате в океан попали и отрицательно заряженные ионы: сульфатные и хлоридные. В океане все названные ионы – как положительные, так и отрицательные – распределяются между молекулами воды, которые окружают их в соответствии с полярностью и удерживают на расстоянии друг от друга. В литре морской воды содержится 18,9 грамма хлорида, 10,6 грамма натрия, 2,6 грамма сульфата, 1,3 грамма магния, 0,4 грамма кальция и 0,4 грамма калия, а также – в незначительном количестве – множество других ионов^[33]. Пока эти компоненты пребывают в растворенном состоянии, взаимодействие между ними минимально. Но стоит воде исчезнуть, и положительно заряженные ионы объединяются в пары с отрицательно заряженными, образуя твердые соли. Процесс протекает последовательно: первыми возникают соединения, обладающие плохой растворимостью. Вот так и выходит, что при испарении морской воды на стенках сосуда остаются белые ободки. Самая массовая из этих комбинаций – хлорид натрия, обыкновенная пищевая соль. По сути дела, океан выступает в роли своеобразного брачного агентства: он «сводит» хлоридные и натриевые ионы, давая им возможность вращаться в одной среде, но близко сойтись они могут, лишь когда вода деликатно отойдет в сторону. Итак, морская соль есть сухой остаток, получаемый при испарении воды, и состав этого остатка повсюду одинаков.

Гурманы, признающие только стопроцентную морскую соль, могут не слишком переживать. В их кулинарном снобизме есть свой резон: хотя химический состав самой соли постоянен, никогда нельзя исключать, что в той или иной точке планеты природа не разбавила это блюдо какими-то приправами. Конечно, вся доступная нам соль изначально происходит из океана, но основная ее часть уже не один миллион лет как пребывает на суше. Да, мы могли бы получать соль выпариванием морской воды, однако для нагрева понадобится слишком много энергии. Куда проще добывать соль в местах, где солнце уже несколько тысячелетий назад выполнило за нас всю тяжелую работу. Каменная соль образуется при высыхании мелководных морей: они сбрасывают свой соляной балласт в виде мощных кристаллических отложений, и те вновь становятся частью суши. Независимо от того, естественным или искусственным путем испаряется вода, в неочищенной соли почти всегда присутствуют мельчайшие примеси водорослей, бактерий, а также (в случае каменной соли) других минералов. Этим и объясняются возможные вариации цвета и вкуса, за что охотно платят поклонники «интересных» сортов. Взять, к примеру, розовую или черную соль: специфический химический состав – следствие тех геологических условий, в которых находилось древнее вещество после того, как получило прописку на суше. Что же касается всем знакомой поваренной соли, то за счет промышленной очистки в ней не содержится практически ничего, кроме «скучного» хлорида натрия.

Джон Бьюкенен, работавший на борту «Челленджера» в 1870-х годах, слабо представлял себе, откуда берется соль. Но именно ему как главному химику экспедиции было поручено определить, много ли в океане соли и, главное, как она распределена: одинакова ли ее концентрация в разных географических зонах и на разных глубинах? Для нормального химического анализа потребовались бы филигранные манипуляции с хрупкой лабораторной посудой – дело невозможное, когда палуба постоянно ходит ходуном. И тогда Бьюкенен соорудил гениальное по своей простоте и надежности измерительное устройство. Он знал, что с ростом солености воды увеличивается и ее плотность, а значит, удельный вес можно считать мерой солености. Сконструированный им прибор выглядел как полый стеклянный цилиндр, по плотности сопоставимый с морской водой и имеющий в верхней секции длинную узкую трубку. Когда этот «поплавок» помещали в сосуд с исследуемым образцом, он погружался до определенного уровня, оказываясь выше или ниже в зависимости от плотности воды^[34]. Верхняя узкая часть имела шкалу, что позволяло считывать точные показания. Систему закрепили на особой подвесной платформе в центре судна: таким образом образцы не страдали от качки. За четыре года экспедиции Бьюкенен провел две тысячи подобных измерений, став первым в истории ученым, составившим карту солености всего Мирового океана^[35]. Он пришел к выводу, что соленость океанических вод варьируется незначительно, в пределах 10 %, однако в рамках этого узкого диапазона существуют явно выраженные закономерности. В частности, было установлено, что соленость меняется с глубиной, а вода в Атлантике более соленая, чем в Тихом океане. В современной океанологии для измерения солености применяется так называемая Шкала практической солености. Соответствующие расчетные значения (практические единицы солености, ПЕС) в большинстве случаев соответствуют массовым долям, то есть количеству твердых веществ в граммах, растворенному в 1 килограмме морской воды^[36]. Средняя соленость Мирового океана составляет по этой шкале порядка 35 единиц. Соленость поверхностных вод Атлантического океана – примерно 37, а Южного океана – около 34. Следующий важный вопрос, которым задались участники экспедиции: в чем причины такой неравномерности? До конца механизм не выяснен до сих пор, но отчасти ответ лежал на виду уже тогда. Речь идет об особенностях двух внутренних морей. Каждое из них занимает особое место в человеческой истории и испокон веков играло неоценимую роль в развитии торговли, но по физическому характеру эти моря – Средиземное и Балтийское – антиподы.

Мировой океан представляет собой единый организм с массой внутренних взаимосвязей. Однако в этом цельном платье есть несколько обособленных «кармашков», существующих почти автономно. Хрестоматийный пример – Средиземное море, которое служит южной границей Европы и через царственный Гибралтарский пролив сообщается с Атлантическим океаном. Ширина пролива в самом узком месте всего 14 километров, но к востоку от него средиземноморские воды простираются почти на 4000 километров, омывая берега двадцати одного государства, от Испании до Сирии. Перенесемся теперь на противоположную сторону Европы. Вход в Балтийское море из Северного образован ответвлениями Каттегата – неглубокого извилистого пролива между Данией и Швецией. Вот он переходит в узкое 25-километровое горлышко, а следом берега распахиваются, и начинается открытое море протяженностью 1500 километров, отделяющее Швецию от Финляндии и России. С формальной точки зрения Средиземное и Балтийское моря как будто похожи: и то и другое – довольно большие моря, слабо связанные с Атлантикой. Но животные, обитающие в этих акваториях, существуют в принципиально разных условиях. Вода в Балтике – холодная и почти пресная^[37], среднегодовая температура поверхностных слоев здесь порядка 8 °C, а соленость едва достигает 8. Средиземное море, напротив, теплое и соленое; среднегодовая температура воды на поверхности составляет 20 °C, а соленость – 38. Одним словом, ни о каком сходстве говорить не приходится.

Своеобразие этих морей определяется двумя процессами, которые напрямую не связаны с солью, но оказывают заметное влияние на соленость. Причина в том, что оба бассейна соединены с остальным океаном лишь крошечной перемычкой – настолько узкой, что приток океанской воды, который мог бы выровнять концентрацию, явно недостаточен. Первый процесс – испарение влаги. Молекулы воды отрываются от поверхности теплого моря и переходят в атмосферу, а соль (наряду с водорослями, рыбами, дельфинами…) остается. Второй процесс – поступление пресной воды за счет осадков и речного стока. В Средиземное море, как и в Балтийское, впадает множество рек, которые вбирают в себя дождевые воды больших водосборных бассейнов и переносят эти опресняющие массы в море. Разница в том, какой из процессов преобладает. Прохладное Балтийское море получает обильное количество осадков и речных вод, а его поверхность имеет столь низкую температуру, что вода испаряется крайне слабо. Другими словами, «пресный баланс» оказывается положительным: приток существенно превышает объемы испарения. Средиземное море, наоборот, характеризуется интенсивным испарением, и этот дефицит не компенсируется: неглубокие реки, разливающиеся по иссушенной зноем земле, не способны много дать. Отсюда – повышенная соленость: море постоянно теряет влагу, но лишь малая часть этих потерь возмещается.

Фокус в том, что соленость океана не зависит от соли как таковой. Соль выступает скорее как пассивный груз, транспортировку которого берут на себя морские воды. Что же касается каналов поступления (или расхода) собственно соли, то их крайне мало^[38]: по большому счету, запасы Мирового океана никуда не уходят и не пополняются. Таким образом, когда мы видим неоднородное распределение солености в разных частях океана, эти различия говорят о физических процессах, связанных с динамикой вод, а никак не соли.

От концентрации соли в значительной степени зависит физическая структура и механика океана. Но для многих морских организмов соль – это еще и граница между жизнью и смертью, постоянный фактор риска, требующий неусыпной бдительности. Учитывая, что избыток соли может в кратчайшие сроки привести к летальному исходу, поддержание водно-солевого баланса – далеко не праздный вопрос. Человек, если вокруг него только морская вода, неминуемо умрет от обезвоживания, но рыбы, похоже, справляются неплохо. Так откуда же морские обитатели берут воду для питья?