Химический состав морской воды

Как физическое тело вода обнаруживает много особенностей, отличающих ее от всех других тел. Наиболее важные их них следующие:

Согласно кинетической теории, плотность тела при повышении температуры уменьшается. Плотность воды при повышении температуры от 0º до 3,98º (принимаем 4º) увеличивается. При 4º плотность становится наибольшей и уменьшается только при дальнейшем повышении температуры. Свойства морской воды:

При замерзании вода резко увеличивает свой объем (почти на 10 %)

Вода обладает большой удельной теплопроводностью.

Лед обладает исключительно большой теплотой плавления, т.е. вода и лед при 0º отличаются по содержанию скрытой энергии почти на 80 калорий.

Скрытая теплота парообразования очень велика – 539 калорий на грамм при температуре 100º.

Коэффициент преломления света в воде n = 1,34, между тем, как согласно волновой теории света, он должен был бы быть равным 9.

Все эти особенности объясняются молекулярным строением и особенностями структуры воды.

Морская вода отличается от вод суши значительно более богатым составом растворенных в ней веществ и поэтому все ее свойства оказываются отличными от таковых для пресной воды. В морской воде могут быть найдены почти все существующие в природе вещества. Изменение свойств воды под влиянием растворенных в ней веществ настолько велико, что морская вода перестает быть водой в собственном смысле и является слабым раствором. Правда некоторые элементы находятся в столь малых количествах, что их присутствие обнаруживается только в морских организмах, собирающих эти элементы из окружающей их морской воды. Присутствие других доказывается лишь их наличием в морских отложениях. Кроме твердых веществ, в морской воде растворены некоторые газы: кислород, азот, аргон, углекислота, сероводород и др. И некоторое количество органического вещества океанического и материкового происхождения.

Среднее количество растворенных в водах Мирового океана твердых веществ составляет около 3,5 % по весу и лишь в отдельных морях, соединенных с океаном, достигает 41,0 % (Красное море). Больше всего в морской воде содержится хлора – 1,9, затем следует натрий – 1,06, магний – 0,13, сера – 0,008, кальций – 0,040, калий – 0,038, бром – 0,0065, углерод – 0,003 %. Содержание остальных веществ составляет еще меньшие величины.

Главнейшие растворенные в воде элементы находятся в виде соединений. Основными из них являются:

1.Хлориды (NaCl, MgCl), процентное содержание которых равно 88,7 % всех растворенных в воде твердых веществ. Они обусловливают горько-соленый вкус воды;

2.Сульфаты (MgSO 4 , CaSO 4 , K 2 SO 4), которых в морской воде содержится 10,8 %;

3.Карбонаты (CaCO 3), составляющие 0,3%.

Следует отметить, что в речной воде соотношение между растворенными солями обратное. Больше всего в ней содержится карбонатов (60,1 %) и меньше хлоридов (5,2 %).

Горизонтальное распределение солености . Экстремальные значения солености наблюдаются в прибрежных районах и некоторых морях, характеризующихся ограниченным водообменом с океаном. В Ботническом заливе она может быть всего лишь 5 0 / 00 , в то время как в Красном море превышает 40,0 0 / 00 . Пределы изменения солености в океане обычно от 33,0 до 37,0 0 / 00. Средняя соленость – 34,73 0 / 00 . Распределение солености в поверхностном слое океана имеет зональный характер. Наименьшие значения солености наблюдаются в полярных районах, вторичный минимум прослеживается в узкой экваториальной зоне. Максимальная соленость приходится на субтропические зоны, примерно между 30º с.ш. и 20–30º ю.ш. Эти максимумы наибольшие в Атлантическом океане к северу и югу от экватора, здесь она превышает 37 0 / 00 . Самые высокие значения солености наблюдаются в северном полушарии, где средняя величина достигает 35,45 0 / 00 . Эти зональные различия являются результатом физических процессов, связанных с водным балансом океанов. Ледообразование и испарение увеличивают соленость морских вод, в то время как осадки, материковый сток и таяние льдов уменьшают ее. Океанические течения и процессы перемешивания уменьшают различия солености в различных районах поверхностного слоя океана и его толще. В табл. 2.4 перечислены процессы, которые изменяют соленость.

1.1 Распределение воды и суши на земном шаре.

Общая поверхность земли 510 млн.кв.км.

Суша составляет - 149 млн.кв.км. (29%)

Занято водой - 310 млн.кв.км. (71%)

В Северном и Южном полушариях соотношение поверхности суши и воды неодинаково:

В Южном полушарии вода занимает 81%

В Северном полушарии вода занимает 61%

Материки в большей или меньшей степени разобщены между собой, тогда как воды океана образуют непрерывное водное пространство на поверхности земного шара, которое называется Мировым океаном. По физико-географическим особенностям последний подразделяется на отдельные океаны, моря, заливы, бухты и проливы.

Океан - крупнейшая часть Мирового океана, ограниченная с разных сторон не связанными между собой материками.

С 30-х годов ХХ в принято деление на 4 океана: Тихий, Индийский, Атлантический, Северный Ледовитый (раньше Южный Ледовитый).

Расчленяющий Мировой океан материки определяют естественные границы между океанами. В высоких южных широтах таких границ нет и они здесь принимаются условно: между Тихим и Атлантическим по меридиану мыса Горн (6804 ‘з.д.) , от острова Огненная земля до Антарктиды; между Атлантическим и Индийским - от мыса Игольный по меридиану 20в.д. ; между Индийским и Тихим - от мыса Юго - Восточный на о. Тасмания по меридиану 14655’.

Площади океанов в процентах от общей площади Мирового океана составляют;

Тихий - 50%

Атлантический - 25,8%

Индийский - 20,8%

Северный Ледовитый - 3,6%

В каждом их океанов выделяются моря и представляющие собой более или менее обособленные и достаточно обширные районы океана, обладающие собственным гидрологическим режимом, соединяющая под влиянием местных условий и затрудненного водообмена с прилегающими районами океана.

Моря по степени их обособленности от океана и физико-географическим условиям делятся на три основные группы:

1. внутренние моря

а. средние моря

б. полузамкнутые

2. окрайные моря

3. межостровные моря

Средиземные моря окружены со всех сторон сушей и сообщаются с океаном одним или несколькими проливами. Они характеризуются максимальной обособленностью природных условий, замкнутостью циркуляции поверхностных вод и наибольшей самостоятельностью в распределении солёности и температуры.

К таким морям относятся: Средиземное, Чёрное, Белое моря.

Полузамкнутые моря частично ограниченны материками и отделены от океана полуостровами или цепью островов, пороги в проливах между которыми затрудняют водообмен, но он всё же осуществляется значительно свободней чем в средиземных морях.

Пример: Берингово, Охотское, Японское моря которые отделены от тихого океана Алеутскими, Курильскими, Японскими островами.

Окрайные моря являются более или менее открытыми частями океана, отделенными от океана полуостровами или островами.

Водообмен между морями этого типа и океаном практически свободен. На формирование системы течений и на распределение солёности и температуры в равной мере влияют и материк и океан. К окрайным морям относятся: арктические моря, кроме Белого.

Межостровные моря - это части океана, окруженные кольцом островов, пороги в проливах между которыми препятствуют в какой-то свободному водообмену. В результате влияния океана природные условия этих морей подобны природным условиям океана. Имеет место некоторая самостоятельность в характере течений и рспределение температуры и солёности на поверхности и на глубине этих морей. К морям такого типа относятся моря Восточно - Индийского архипелага: Сулу, Целебаское, Бенда, Яванское и др.

Более мелкими подразделениями океана являются заливы, бухты и проливы. Различие между заливом и бухтой достаточно условное.

Заливом называют часть моря, вдающуюся в сушу и достаточно открытую для воздействия прилегающих вод. Наиболее крупные заливы: Бискайский, Гвинейский, Бенгальский, Аляска, Гудзонов, Анадырский др.

Бухтой называют небольшой залив с устьем уже самого залива, ограниченный островами или полуостровами, несколько затрудняющими водообмен между бухтой и прилегающим водоёмом. Пример Севастопольская, Золотой Рог, Цемеская и др.

На севере глубоко вдающиеся в сушу заливы куда обычно впадают реки, называют губами,на дне губы имеются следы речных отложений, вода сильно опреснена.

Крупнейшие губы: Обская, Двинская, Онежская и др. Извилистые, низкие, глубоко вдающиеся материк заливы, образовавшиеся в связи с ледниковой эрозией, называют фиордами .

Лиманом называют затопленную морем устьевую часть речной долины, или балки, в результате незначительного опускания суши. Лагуной называют: а) неглубокий водоём, отделённый от моря в результате отложения наносов в виде берегового бара и соеденённый с морем узким проливом; б) участок моря между материком и коралловым рифом или атолла.

Проливом называют относительно узкую часть Мирового океана, соединяющую два водоёма с достаточно самостоятельными природными условиями.

1.2. Химический состав и солёность морской воды

Морская вода отличается от пресной вкусом, удельным весом, прозрачностью, цветом, более агрессивным воздействием. Благодаря сильно выраженной полярности и большому дипольному моменту молекул, вода обладает большой диссоциирующей способностью. Поэтому различные соли растворены в ионно-дисперсной форме, и морская вода по существу является слабым, полностью ионизированным раствором со щелочной реакцией, что определяется превышением суммы эквивалентов катионов в среднем на 2,38мг-экв/л (щелочной раствор).Приведённое к вакууму весовое количество, выраженное в граммах растворённых в 1 кг морской воды, при условии, что все галогены замены эквивалентным количеством хлора, все карбонаты превращены в окислы, и органические вещества сожжены, принято называть соленостью морской воды. Обозначается солёность символом S. За единицу солёности принимают 1 г солей, растворённых в 1000г морской воды, и называют промилле , обозначая знаком %0 . Среднее количество минеральных веществ, растворённых в 1 кг морской воды, составляет 35г и,следовательно, средняя солёность мирового океана равна S = 35%0.

Теоретически в морской воде находятся все известные химические элементы, но их весовое содержание различно. Выделяют две группы элементов, содержащихся в морской воде.

1 группа. Главные ионы океанской воды.

2 группа - Микроэлементы общее содержание которых не превышает 3мг/кг.

Отдельные элементы присутствуют в морской воде в исчезающе малых количествах. Пример серебро - 310 -7 г, золото - 510 -7 г. Основные элементы находятся в морской воде соединений солей, главными из которых являются NaCl и MgCl ,составляющие 88,7% от веса всех растворённых в морской воде твердых веществ; сульфаты MgSO4 , CaSO4 , K2SO4 составляющие 10,8% и карбонат СаСО3 , составляющие 0,3%. В результате анализа проб морской воды было установлено, что содержание растворённых минеральных веществ может меняться в широких пределах (от 2 до 30 г/кг) , но их процентное соотношение с достаточно для практических целей точностью может быть принято постоянным. Эта закономерность получила название постоянства солевого состава морской воды .

Исходя из этой закономерности оказалось возможным солёность морской воды связать с содержанием хлора (как элемента в наибольшем количестве содержащегося в морской воде)

S = 0,030 + 1,805 Cl.

В речной воде содержится в среднем карбонатов 60,1% и хлоридов 5,2%. Однако несмотря на то, что ежегодно в Мировой океан с водой рек, сток которых составляет 3,610 4 , поступает 1,6910 9 т. карбонатов (HCO3) общее их содержание в океане остается практически неизменимым. Причинами являются:

Интенсивное потребление морскими организациями для построения известковых образований.

Выпадение в осадок в следствии плохой растворимости.

Следует отметить, что уловить изменения содержания солей практически невозможно т.к. общая масса воды в океане 5610 15 т и поступление солей оказывается практически ничтожным. Например, для изменения содержания хлоридных ионов на 0,02%0 потребуется 210 5 лет.

Солёность на поверхности океана в открытых его частях зависит от соотношения между количеством осадков и величиной испарения,и колебания солености по этим причинам составляет 0,2%0. Чем больше разность температуры воды и воздуха, скорость ветра и его продолжительность тем больше величина испарения. Это приводит к увеличению солёности воды. Выпадение осадков уменьшает поверхностную солёность.

В полярных областях солёность изменяется при таянии и образование льда и колебания здесь составляет примерно 0,7%0.

Изменение солёности по широтам имеет примерно одинаковый характер для всех океанов. Солёность увеличивается в направление от полюсов к тропикам, достигает 20-25с. и ю. или и снова уменьшается на экваторе. Распределение по широтам в Атлантическом океане солёности, осадков, испарения, плотности, температуры воды. (рис 1).

Равномерное изменение поверхности солёности получается благодаря наличию океанических и прибрежных течений, а также в результате выноса пресных вод крупными реками.

Солёность морей тем больше отличается от солёности океана, чем меньше море сообщается с океаном.

Солёность морей:

Средиземное 37-38 %0 на западе

38-39%0 на востоке

Красное море 37%0 на юге

41%0 на севере

Персидский залив 40%0 на севере

37-38%0на востоке

по глубине колебания солёности происходят лишь на глубине 1500м. Ниже этого горизонта солёность меняется не значительно. На распределение солёности по глубине влияют горизонтальные перемещения и вертикальная циркуляция масс воды. Для картографического изображения распределения солёности на поверхности океана или на любом другом горизонте проводятся линии солёности - изогалины .

1.3. Газы в морской воде

Соприкасаясь с атмосферой, морская вода поглощает из воздуха содержащиеся в нем газы: кислород, азот, углекислоту.

Количество растворённых газов в морской воде определяется парциальным давлением и растворимостью газов, которая зависит от химической природы газов и уменьшается с повышением температуры.

Таблица растворимости газов в пресной воде при парциальном давление 760 мм.рт.ст.

Растворимость кислорода и азота, не вступающих в реакцию с морской водой зависит ещё от солёности и уменьшается с её увеличением. Содержание растворимых газов в морской воде оцениваются в абсолютных единицах (мл/л) или в процентах от насыщенного количества, т.е. от того количества газов, которое может раствориться в воде при данной температуре и солёности, нормальной влажности и давлением 760 мм.рт.ст. Кислород и азот, в силу лучшей растворимости кислорода в морской воде находится в соотношение 1:2. Содержание кислорода колеблется во времени и в пространстве от значительного перенасыщения (до 350% потом на мелководье в результате фотосинтеза, до полного его исчезновения при расходование на дыхание организмов и окисление и при отсутствии вертикальной циркуляции.

Поскольку растворимость кислорода в значительной степени зависит от температуры, то в холодное время года кислород поглощается морской водой, а с повышением температуры избыток кислорода переходит в атмосферу.

Углекислота содержится в воздухе в количестве 0,03% и поэтому её содержание в воде должно было бы достигаться при 0,5 мл/л. Однако, в отличие от кислорода и азота, углекислота не только растворяется в воде, но и вступает частично в соединения с основаниями (т.к вода слабощёлочную реакцию). В результате общее содержание свободной и связанной углекислоты может достичь 50 мл/л. Расходуется углекислота при фотосинтезе и на построение организмами известковых образований. Небольшая часть углекислоты (1%) соединяется с водой с образованием угольной кислоты

CO2 + H2O  H2CO3.

Кислород диссоциирует выделяя бикорбанатные и карбонатные ионы, а также ионы водорода

Н2CO3  Н + НСО3

H2CO3  Н + СО3

Нормальный раствор водородных ионов содержит 1г

в 1л воды. Опытами установлено, что при концентрации ионовH 110 -7 г/л вода является нейтральной. Концентрация водородных ионов приятно выражать показателем степени с обратным знаком и обозначить рН.

Для нейтральной воды рН = 7

Если преобладают ионы водорода рН < 7 (кислая реакция).

Если преобладают гидроксильные ионы рН > 7 (щёлочная реакция).

Установлено, что с уменьшением содержания свободной углекислоты рН растёт. В открытом океане вода имеет слабощёлочную реакцию или рН = 7,8 – 8,8.

1.4. Температура и тепловые свойства морской воды

Нагревание поверхности океана происходит прямо и рассеянной солнечной радиацией.

При отсутствии материков температура на поверхности океана зависела бы только от широты места. В действительности, за исключением южной части Мирового океана, карта совершенно другая из-за расчлененности океана, влияние океанических растений вертикальной циркуляции.

Средне газовые температуры на поверхности океанов:

Атлантический - 16,9 С

Индийский - 17,0 С

Тихий 19,1 С

Мировой - 17,4С

Средняя температура воздуха 14,3 С

Самая высокая в персидском заливе (35,6 С). Самая низкая в Северном Ледовитом океане (-2 С). Температура с глубиной убывает до горизонтов 3000 - 500 м очень быстро, далее до 1200 - 1500 м значительно медленнее и от 1500 м до дна или очень медленно или не меняется совсем. (Рис 2)

Рис.2. Изменение температуры с глубиной на различных широтах.

Суточные колебания температуры быстро убывают с глубиной и затухают на горизонте 30-50 м. Максимум температуры на глубине наступает на 5 - 6 часов позднее чем на поверхности. Глубина прникновения газовых клебаний температуры зависти от метсных условий, но обычно не превосходит 300 - 500 м. Удельная теплоёмкость очень высокая:

1 Кал / г * град = 4186,8 Дж / кг * град.

При охлаждение 1 куб см воды на 1С выделяется количество теплоты, достаточное для нагрева на 1 м около 3000 куб. см воздуха.

Теплопроводимость морской воды определяется коэффициентом молекулярной теплопроводимости, который меняется в зависимости и от температуры, солёности, давления в пределах (1,3 - 1,4) 10 -3 Кал / см  градсек.

Передача теплоты таким способом происходит крайне медленно. В реальных условиях всегда имеет место турбулентность движения жидкости, и теплопередача в океане всегда определяется коэффициентом турбулентной теплопроводимости.

1.5. Плотность, удельный вес и сжимаемость морской воды

Плотностью морской воды называют отношение единицы веса объёма воды при температуре в момент наблюдения к весу единицы объёма дистиллированной воды при температуре 4  С ().

Из физики известно,что плотность определяется как масса, заключённая в единицы объёма (г/см; кг/м).

Поскольку плотности и удельный вес дистиллированной воды при 4 С принят = 1 , то численно плотность () и физическая плотность равны.

В океанографии плотность не измеряют а вычисляют через удельный вес, при этом для промежуточных расчётов употребляются 2 формы удельного веса:

Выводятся следующие понятия:

Условная плотность

Условный удельный вес при 17,5  С

Условный удельный вес при 0  С (стандартный условный вес морской воды)