Файл: Егоров Н.И. Физическая океанография.pdf

Кислород, растворенный в воде, расходуется на дыхание мор­ ских организмов и на окисление находящихся в ней веществ. При этом относительное содержание кислорода может сильно пони­ жаться. Понижается оно и на больших глубинах, куда кислород поступает только в результате вертикальной циркуляции. В некото­ рых случаях, когда перемешивание отсутствует (штиль), в районах, где на поверхности моря находится сильно распресненная вода, со­ держание кислорода падает до нуля даже в верхних слоях. Это яв­ ление, сопровождаемое так называемым «замором» рыбы, обычно наблюдается в мелководных и предустьевых районах морей.

Содержание растворенного в морской воде азота изменяется сравнительно мало. В поверхностных слоях его относительное со­ держание всегда близко к 100% и обычно уменьшается с увеличе­ нием глубины. В особых условиях вертикальной циркуляции содер­ жание азота с глубиной возрастает.

Избыток азота образуется, по-видимому, за счет восстановления нитратов и распада органических веществ. Растворенный азот ус­ ваивается в каком-то количестве вблизи берегов особыми азотофик­ сирующими бактериями и перерабатывается ими в азотистые соеди­ нения, которые затем поглощаются растениями.

Сероводород (H2S) появляется в морской воде в тех случаях, когда передача на глубину кислорода, накопление которого проис­ ходит только в поверхностных слоях океана, в силу каких-либо при­ чин затруднена. Присутствие сероводорода отмечено в некоторых глубоких фиордах Норвегии, в Каспийском, Черном и Аравийском морях.

ВЧерном море содержание сероводорода достигает 6,5 мг/л. Вертикальное перемешивание достаточно хорошо развито здесь лишь до горизонта 75—125 м. Ниже этого слоя количество кисло­ рода быстро падает и на горизонте 175—225 м становится равным пулю. Начиная с горизонта 100—150 м, в воде появляется серово­ дород.

ВАравийском море сероводородная область обнаружена (1934 г.)

квостоку от мыса Рас-эль-Хад на склонах к большим океанским глубинам. На глубине 421 м в придонной пробе содержание серово­ дорода оказалось равным примерно 19 мл/л.

Образование сероводорода в морской воде объясняют либо дея­ тельностью гнилостных бактерий, разлагающих органический бе­ лок, либо деятельностью сероводородных (анаэробных) бактерий. Сероводородные бактерии в бескислородной среде используют для дыхания кислород сульфатов, преобразуя их в сульфиты, и одно­ временно выделяют углекислоту. Соединяясь с сульфитами, угле­ кислота образует карбонаты и сероводород.

Не исключен и иной путь появления сероводорода — вынос его находящимися на дне минеральными (сероводородными) источни­ ками. Во всех трех случаях слабое вертикальное перемешивание и, как следствие его, отсутствие кислорода является необходимым ус­ ловием накопления сероводорода. В присутствии кислорода он легко окисляется.

50

Углекислота, или двуокись углерода (СОг), растворяется в воде

взначительно больших количествах, чем кислород и азот. При этом

внейтральной воде растворимость свободной углекислоты, так же как и растворимость кислорода и азота, уменьшается с повыше­

нием температуры. Для дистиллированной воды при давлении 760 мм это уменьшение составляет от 1713 мл/л при 0° до 665 мл/л

при 30°.

При одной и той же температуре растворимость свободной угле­ кислоты уменьшается с увеличением солености. Так, например, при температуре 0° растворимость углекислоты уменьшается от 1713 мл/л при солености, равной нулю, до 1406 мл/л при солености

40°/о0.

Если бы вода не обладала ни свойством щелочи, ни кислоты, т. е. была нейтральной, то насыщающее количество свободной угле­ кислоты вследствие малости ее парциального давления могло бы достигать лишь 0,5 мл/л, в то время как насыщающее количество азота достигает 19,0 мл/л, а кислорода 10,5 мл/л. Однако морская вода всегда имеет слабощелочную реакцию, и углекислота ведет себя в ней совершенно иначе, чем кислород и азот. Часть углекис­ лоты по мере растворения вступает в соединение с основаниями. В раствор переходят новые количества углекислоты, и в результате общее ее содержание (свободной, связанной) может достигать

50 мл/л.

Углекислота, соединяясь с водой, образует угольную кислоту

С 02 + Н 20 ^ Н 2С0з,

которая затем дважды диссоциирует, выделяя сначала бикарбонатный ион

н2со-^н++нсо-

а затем карбонатный

нсо-^н++со-.

Между углекислотой атмосферы и океана устанавливается, та­ ким образом, подвижное равновесие.

Присутствие в морской воде легко перестраивающихся соедине­ ний углекислоты заставляет при исследовании ее общего баланса в водах океана учитывать не только свободную углекислоту, но и связанную (карбонаты и бикарбонаты), и, наконец, общее ее содер­ жание. При этом оказывается, что с увеличением солености общее содержание углекислоты не только не уменьшается, как содержа­ ние кислорода, азота и свободной углекислоты, но, наоборот, уве­ личивается.

Запасы углекислоты в океане поддерживаются дыханием орга­ низмов и растворением известковых пород дна и берегов, а также современных органогенных отложений (скелетов, раковин и т. д.). Значительные количества углекислоты поступают в океан при под­ водных вулканических извержениях. Расходуется углекислота на

фотосинтез растений и на образование организмами скелетов и ра­ ковин.

Щелочной резерв. Активная реакция морской воды. Морская вода, как отмечено выше, обладает свойствами щелочи. Щелочность морской воды определяется щ е л о ч н ы м р е з е р в о м , который может быть выражен количеством кислоты, которое надо прибавить к определенному объему воды, чтобы в ней не оставалось карбонат­ ных и бикарбонатных ионов и недиссоциированных молекул уголь­ ной кислоты.

С диссоциацией угольной кислоты и содержанием карбонатных (СОз) и бикарбонатных (НСОз) ионов, т. е. с щелочным резервом, тесно связано содержание водородных ионов.

Как показано выше, первая и вторая диссоциации угольной кислоты приводят к образованию водородных ионов. Их концентра­ ция определяет так называемую а к т и в н у ю р е а к ц и ю морской воды. Она характеризует равновесие между угольной кислотой и карбонатами и бикарбонатами. Действительно, бикарбонаты и кар­ бонаты делают морскую воду щелочной. Угольная кислота, наобо­ рот, делает ее кислой. Поэтому активная реакция (концентрация водородных ионов) определяет степень диссоциации угольной кис­ лоты, соответствующую равновесию с карбонатными и бикарбонатными ионами.

Для воды, как для любого электролита, существует соотношение

Как установлено опытом, концентрация водородных ионов в воде равна одной десятимиллионной нормальной (нормальный раствор

(Н+> 1*10~7 г), то вода кислая, а если преобладают гидроксиль­ ные ионы (Н+<10~7 г), то вода щелочная.

Принято выражать концентрацию водородных ионов показате­ лем степени (десятичным логарифмом), взятым с обратным знаком и обозначать pH. Таким образом,

pH = lg [Н+].

Пз предыдущего следует, что если pH = 7, то вода нейтральная, если pH >7, то вода щелочная, и если pH <7, то вода кислая.

Концентрация водородных ионов тесно связана с содержанием свободной и связанной углекислоты. Установлено, что pH растет

сувеличением концентрации карбонатных и бикарбонатных ионов

ис уменьшением содержания свободной углекислоты СОг.

52

В открытом море pH колеблется от 7,8 до 8,8. Летом, когда фи­ топланктон энергично потребляет углекислоту поверхностных слоев, величина pH растет. Зимой, когда дыхание преобладает над асси­ миляцией углекислоты, pH понижается. С глубиной pH уменьша­ ется, так как давление повышает диссоциацию угольной кислоты, а это делает воду более кислой.

Таким образом, содержание углекислоты, щелочной резерв и концентрация водородных ионов тесно связаны между собой.

§ 8. Физические свойства морской воды

Физические свойства дистиллированной воды зависят только от двух параметров: температуры и давления. Физические же свойства морской воды зависят, кроме того, еще и от солености, которая со­ ставляет наиболее характерную ее особенность. Некоторые свой­ ства, как например, сжимаемость, термическое расширение, коэф­ фициент преломления, относительно мало изменяются с изменением солености, в то время как другие-—плотность, температура замер­ зания и наибольшей плотности и другие существенно зависят от солености. С соленостью связано наличие таких свойств морской воды, которых нет у дистиллированной (осмотическое давление, электропроводность).

Рассматривая физические свойства природной воды, необходимо учитывать наличие растворенных (взвешенных) в воде частиц и осо­ бенности ее движения.

Наличие растворенных в природной воде частиц изменяет ее оп­ тические, акустические и другие свойства. Процессы теплопровод­ ности, диффузии, трения протекают в неподвижной воде несоизме­ римо медленнее по сравнению с этими же процессами, наблюдаю­ щимися в воде при турбулентном ее движении. Поэтому значения коэффициентов теплопроводности, диффузии, вязкости, полученные в лабораторных условиях в неподвижной воде, т. е. для молекуляр­ ных процессов, не имеют практического значения при изучении ре­ альных процессов в океане и требуют замены соответствующими коэффициентами турбулентной теплопроводности, диффузии и вяз­ кости. Однако следует иметь в виду, что если одни физические свой­ ства морской воды, не зависящие от наличия в ней примесей и ха­ рактера движения, могут быть определены с высокой точностью в зависимости от температуры, солености и давления, то другие мо­ гут быть определены только приближенно, так как меняются с из­ менением количества взвешенных в воде частиц и характера дви­ жения, которые в настоящее время не могут быть определены с до­ статочной точностью.

Не все физические свойства имеют одинаковое значение при изу­ чении процессов, протекающих в Мировом океане. Наиболее важ­ ными являются такие, как плотность, теплоемкость, температура замерзания и наибольшей плотности, которые и рассматриваются ниже с большей подробностью. Другие, как, например, температура

53