книги из ГПНТБ / Шишкина, Л. А. Гидрохимия учебное пособие

§ 3. Группа растворенных газов

Морская вода вследствие того, что соприкасается с атмосфе­ рой, содержит в своем составе в первую очередь газы атмосферы: азот, кислород, аргон и двуокись углерода. Кроме атмосферных газов, в морской воде могут быть газы и другого происхождения: сероводород, метан.

Содержание газов сильно меняется во времени и пространстве и служит хорошим показателем происхождения водных масс и степени их перемешанности. Например, большое содержание кис­ лорода на больших глубинах океана указывает на хорошую вер­ тикальную циркуляцию, а появление сероводорода — на ее отсут­ ствие.

Наличие в морской воде растворенных газов, особенно кисло­ рода, двуокиси углерода, имеет огромное значение для развития органической жизни.

50

Процесс растворения газов является обратимым, так как моле­ кулы газов переходят не только из атмосферы в воду (абсорбция), но и из воды в атмосферу (десорбция). Процессы абсорбции и десорбции газов протекают крайне медленно и зависят от степени насыщения воды газом.

Большое значение для переноса газов с поверхности в глу­ бины океанов имеет конвективное и турбулентное перемешивание водных масс.

Кислород. Кислород является весьма подвижным и химически активным компонентом морских вод. Характер распределения кис­

лорода в морской воде является процесс абсорбции кислорода из атмосферы. Переход кислорода из атмосферы в воду происходит только при его недостаточном для насыщения в морской воде количестве, т. е. при относительном его содержании меньше 10 0 %.

Количество абсорбированного поверхностным слоем кислорода зависит от гидрометеорологических условий и регулируется глав­ ным образом температурой и соленостью (табл. 13).

Другим мощным источником растворенного кислорода служит фотосинтезирующая деятельность водных растений, главным об­ разом планктона. Процесс фотосинтеза осуществляют хлорофил­ лоносные водные растения, ассимилирующие на свету за счет

Оба процесса обогащают кислородом лишь верхний слой оке­ ана: атмосферный кислород растворяется непосредственно в по­ верхностном слое воды, а фото­ синтез обычно ограничивается слоем воды толщиной 50—75 м.

Поступление кислорода в более глубокие слои океана происходит исключительно за счет верти­ кального водообмена (конвектив­ ного и турбулентного перемеши­

уменьшающим содержание кисло­ рода в морских водах, в первую очередь следует отнести переход кислорода в атмосферу. Этот процесс происходит только в поверхностном слое моря при насыщении кислородом свыше

10 0 %.

Кроме того, кислород расхо­ дуется на различные биологиче­ ские, биохимические и химиче­ ские процессы, связанные с по­ треблением кислорода (дыхание организмов, окислительные про­ цессы и др.). Потребление кисло­ рода на различные окислительные и биологические процессы проис­ ходит во всей толще океана от поверхности до дна с различной интенсивностью.

Таким образом, в зависимости от соотношения интенсивности приходной и расходной частей баланса кислорода наблюдается

с динамикой водных масс, так как с увеличением глубины умень­ шается приходная часть кислородного баланса. Но океан в целом не ощущает кислородного голода и даже в глубочайших впадинах Мирового океана имеется достаточное для жизни количество кис­ лорода.

Типичное распределение кислорода по вертикали изображено на рис. 6 .

52

По величине концентрации кислорода толщу океана можно1

подразделить по вертикали на три зоны: верхнюю, промежуточную и глубинную (рис. 7).

Верхняя зона располагается от поверхности до глубины 200— 300 м. Она в свою очередь делится еще на три слоя: самый по­ верхностный слой, слой наибольшего фотосинтеза и нижний слой.

Самый поверхностный слой (от 0 до 10 м) характерен нор­ мальным ( 10 0 %) вследствие постоянного обмена с атмосферой

Но при резких изменениях температуры на поверхности моря мо­ гут наблюдаться и некоторые небольшие отклонения как в сто­ рону пересыщения, так и в сторону дефицита.

В слое наибольшего фотосинтеза, где много света и фитопланк­ тона, наблюдается зачастую значительное пересыщение воды ра­ створенным кислородом (до 120— 130%). Нижняя граница этой зоны определяется положением точки компенсации.

Точкой компенсации называется такая глубина, на которой количество' кислорода, образуемого фитопланктоном в единицу времени, будет равно количеству расходуемого кислорода.

53

Точка компенсации находится обычно на глубине 25—50 м, но в различные сезоны в зависимости от биологических, гидроло­ гических и других факторов она может менять свое положение. Например, положение точки компенсации (по Л. А. Зенкевичу) для некоторых морей следующее:

Саргассово море — 100 м, Ла-Манш (Английский канал) — 45 м,

западное побережье Канады — 10— 19 м.

Нижний слой располагается от точки компенсации до нижней границы верхней зоны. Нижний слой вследствие ослабления фо­ тосинтеза и наличия скачка плотности характеризуется резким падением кислорода.

Промежуточная зона располагается между верхней и глубин­

ной зонами. Ее нижняя граница 1400— 1600 м. В этой зоне на­ блюдается падение температуры до 12—5° С и скачок плотности.

щения. Это слой кислородного минимума, который обусловлен со­

отношением между потреблением и приходом кислорода. Появлению слоя кислородного минимума способствуют накоп­

ление поступающих из верхней, продуктивной зоны остатков ор­ ганизмов вследствие резкого возрастания плотности, интенсив­ ность процессов минерализации органических остатков при более высокой (12—5°С), чем в глубинных слоях, температуре и мини­ мальная подвижность вод, создающая слабый водообмен и малый приток кислорода.

Верхняя и нижняя границы слоя кислородного минимума за­ висят от гидрологических и биологических условий.

Глубинная зона располагается ниже 1400— 1600 м и занимает основную часть океана (рис. 8). Содержание кислорода довольно

высокое (около 5 мл/л), что соответствует 70—80% насыщения. Относительно высокое содержание кислорода в глубинной зоне объясняется перемещением водных масс арктического и антарк­ тического происхождения, которые при низких температурах хо­ рошо насыщены кислородом и вследствие высоких плотностей проникают в глубинную зону, обогащая ее кислородом. Кроме того, повышенному содержанию кислорода способствует малое его потребление на биологические и биохимические процессы, которые здесь замедленны в результате низких (1—2° С) температур.

В глубоководных впадинах содержание кислорода довольно высокое: во впадинах Тонга и Кермадек 4,25—4,65 мл/л, в Филип­

сезонного хода может лежать несколько ниже 75 м. Сезонность кислорода хорошо заметна в средних и высоких широтах, где

54

смена гидрометеорологических условий в течение года наиболее резкая.

Зимой на поверхности моря, несмотря на уменьшение фотосин­ теза, содержание кислорода может возрастать, так как при пони­ жении температуры воды растворимость кислорода повышается. Летом при повышении температуры и понижении растворимости содержание кислорода уменьшается, но нередко весной и летом в период бурного развития фитопланктона наблюдается высокое: содержание кислорода в слое наибольшего фотосинтеза.

Рис. 8. Распределение кислорода (мл/л) в Атлантическом океане на разрезе по 15° з. д. (НИС «Михаил Ломоносов», август—ноябрь 1963 г.).

процессов, определяющих приход и расход кислорода. Так как потребление кислорода в течение суток мало изменяется, а фото­ синтез всецело определяется суточными изменениями солнечной радиации, то в дневное время будет происходить накопление кисло­ рода, а в ночное только его расходование (рис. 9). Амплитуда суточного хода может достигать 1 — 2 мл/л (Азовское море). В от­

крытом океане суточный ход прослеживается слабо, так как он сглаживается действием волнения и движением водных масс.

Характерна зависимость содержания кислорода в поверхно­ стном слое Черного моря (в порту Туапсе) от изменения солнеч­ ной радиации во время солнечного затмения (рис. 1 0 ).

Азот. Газообразный азот растворен в воде в виде молекул N2.

Ввиду химической инертности существенного значения для жизни и химических процессов в океане азот не имеет. Его используют только азотофйксирующие бактерии, способные переводить сво­ бодный азот в его соединения. Поэтому среди других газов азот имеет наибольшую концентрацию (табл. 13). Основной источник азота в океане — атмосфера. В поверхностных слоях океана азот

55

находится почти в полном равновесии, его относительное содер­ жание всегда близко к 10 0 %; отклонения от 10 0 % насыщения

азотом глубинных и придонных вод Мирового океана не превы­ шают 5%.

0j %

Рис. 9. Суточный ход кислорода в поверхностном (0—5 м) слое.

/ — Черное море, район Туапсе, 16—17 июня 1971 г.; 2 — Белое море. Печорская губа, 31 августа — 1 сентября 1971 г.

0 0 0 < Э ® # # € > 0 0 0 фазы затмения ^ О%

•О

« « В т о а

о,б

О,**I о

0,2 | |

о

J О

Рис. 10. Ход кислорода (3), температуры поверхности моря (2) н продол­ жительности солнечного сияния по гелиографу (1) в порту Туапсе во время солнечного затмения 20 мая 1966 г. (по наблюдениям автора).

Проникновение азота на глубины зависит исключительно от динамики водных масс.

Способность азота сохранять постоянной концентрацию позво­ ляет использовать его в сочетании с кислородом для расчета воз­

56

раста данной водной массы. Допустив, что на поверхности оба газа находились в равновесии с атмосферой, и определив интен­ сивность потребления кислорода за определенный промежуток времени, а также величину отклонения содержания кислорода от

в морской воде в очень малых концентрациях и обычно не выхо­

(около 1 %) связана с водой в виде угольной кислоты:

углерода, идущего на построение первичной клетки. Кроме того,, двуокись углерода океана, являясь регулятором С 02 в атмосфере,, оказывает влияние на климатические условия земного шара.

Присутствие в морской воде легко перестраивающихся соеди­ нений двуокиси углерода (карбонаты и бикарбонаты) определяетщелочность морской воды, а концентрация образованных при дис­

1)поступление из атмосферы,-

2)при дыхании организмов,

3)при разложении органических остатков,

4)при подводных вулканических извержениях,

5)при растворении известковых пород дна,

6)поступление с водами материкового стока.

Ра с х о д С 02. Расходуется двуокись углерода при следующих; процессах:

1)потребление фитопланктоном при фотосинтезе,

2)переход в атмосферу,

3)осаждение на дно океана в виде карбоната кальция.

С г л у б и н о й концентрация С 02 увеличивается в результатеуменьшения потребления его при отсутствии фотосинтеза и уве­ личения поступления двуокиси углерода при разложении органи­ ческих остатков, особенно в слое кислородного минимума. Повы­ шенное содержание двуокиси углерода наблюдается в районах

57'

Заменим буквенные выражения /( но числовыми:

[Н+] [О Н -]=/Сн2о[Н 20 ]= Л 'в.

Ионное произведение Кв для данной температуры строго по­

стоянно и при 22°С равно

Кв— 10~7 • 10 7= 10 14 г-ион/л.

С изменением температуры оно будет равно п • 10-14, где п — коэффициент, зависящий от температуры. Так, например, Кв при

50° С равно 5,6- 10-14, а при 100° С 7 4 - 10-14 г-ион/л.

Ионное произведение воды — очень важная величина. Она по­ зволяет для любого водного раствора найти концентрацию ионов Н+ при известной концентрации ОН- и наоборот. Чтобы опреде­ лить реакцию раствора, достаточно знать концентрацию одних каких-либо ионов. Принято реакцию раствора характеризовать концентрацией ионов водорода.

Поскольку для чистой нейтральной воды [Н+]=[ОН~], то при

22° С

[Н+]2= /С в= 1 0 —14 г-ион/л,

откуда [Н+]= Y 10_14= 10-7.

Если в водном растворе [Н+] больше 10~7 г-ион/л, то такой ра­ створ имеет кислую реакцию. Кислая реакция тем больше, чем больше концентрация ионов водорода. Раствор, в котором [Н+] меньше 10-7 г-ион/л, имеет щелочную реакцию. Щелочная реак­ ция увеличивается с уменьшением концентрации ионов водорода. При [Н+], равном 10-7 г-ион/л, реакция нейтральная.

Практически удобнее пользоваться не абсолютным выраже­ нием концентрации ионов водорода, а ее отрицательным логариф­ мом. Серенсен предложил назвать эту величину водородным по­

нейтральная — прирН = 7, слабощелочная — при рН = 8ч-10, щелочная — при pH =11 ч-14.

В морской воде pH зависит главным образом от соотношения концентрации угольной кислоты и ее ионов. Она определяет рав­ новесие между угольной кислотой (кислая реакция), карбонатами

59