Глава 1. Химические и физические свойства морской воды

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.

Ионы и молекулы	На 1 кг воды ( S = 35%0 )
	Граммы	%0
Хлоридный Cl	19,3534	45,09
Сульфатный SO4	2,7007	4,64
Гидрокарбонатный HCO3	0,1427	0, 19
Бромидный B2	0,0659	0,007
Фторидный F	0,0013	0,001
Борная кислота H2 BO3	0,0265	-
Сумма анионов:		50
Натрия Na	10,7638	38, 66
Магния Mg	1,2970	8,81
Кальция Ca	0,4080	1,68
Стронция Sr	0,0136	0,03
Сумма катионов		50
Сумма ионов	35,160	100

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.

Здесь содержание хлора понимается как суммарное количество его в 1кг воды , при условии замещения хлором всех галогенов. В приведённой формуле число 1,805 выражает отношение общей солёности к содержанию хлора ( S/Cl ) и носит название хлорный коэффициент.

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10⁴, поступает 1,6910⁹ 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10¹⁵ т и поступление солей оказывается практически ничтожным. Например, для изменения содержания хлоридных ионов на 0,02%0 потребуется 210⁵ 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.

Рис 1.

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.

T c	Растворимость газов (мл/л)
	Кислород	Азот	Водород	Углекислота	Сероводород
0	49,22	23,59	21,48	1713	4630
10	-	-		1190
20	31	-		880
25	-	14,3		760

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.

Вещество	Теплоёмкость Кал / Г * град
Пресная вода	1
Морская вода	0,932
Лёд	0,502
Водород	3,4
Жидкий Аммиак	1,2
Воздух	0,237
Гранит	0,2
Кварц	0,174
Железо	0,104

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 :

1. удельный вес при температуре 17,5 С , отнесенный к удельному весу дистиллированной воды при той же температуре (обозначается );

2. удельный вес при t = 0С , отнесенный к удельному весу дистиллированной воды при 4 С ()

Выводятся следующие понятия :

Условная плотность

Условный удельный вес при 17,5 С

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