Файл: Егоров Н.И. Физическая океанография.pdf

растворенных неорганических и органических веществ она прибли­ жается к коллоидным, а вблизи побережий и к мутным растворам. В таких растворах происходит постепенное соединение растворен­ ных веществ и осаждение вследствие увеличения их веса. Наличие примесей, находящихся во взвешенном состоянии, существенным об­ разом влияет на оптические, акустические и другие явления, проте­ кающие в океане.

§7. Химический состав морской воды

иее соленость

Химический состав морской воды. Как отмечено выше, теоре­ тически в морской воде могут быть найдены почти все существую­ щие в природе вещества. Правда, некоторые элементы находятся в столь малых количествах, что их присутствие обнаруживается только в морских организмах, собирающих эти элементы из окру­ жающей их морской воды. Таковы, например, кобальт, никель и олово, найденные в крови голотурий, омаров, устриц и других жи­ вотных. Присутствие некоторых других элементов 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 органиче­ ского вещества океанического и материкового (принесенного бере­ говым стоком) происхождения.

Среднее количество растворенных в водах Мирового океана твердых веществ составляет около 3,5% по весу и лишь в отдельных морях, соединенных с океаном, может достигать 4,0% (Красное море). Больше всего в морской воде содержится хлора — 1,9%, т. е. более 50% всех растворенных в воде твердых веществ. Затем сле­ дуют натрий— 1,06%, магний — 0,13%, сера — 0,088%, кальций —

0,040%, калий — 0,038%, бром — 0,0065%, углерод — 0,003%. Со­ держание остальных веществ определяется еще меньшими величи­ нами, а некоторые из них обнаруживаются только при анализах мор­ ских организмов, которые, естественно, могли их получить только из морской воды.

Главнейшие растворенные в воде элементы обычно находятся не в чистом виде, а в виде соединений (солей). Основными из них являются:

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

2)сульфаты (MgS0 4 , CaS0 4 , K2SO4), которых в морокой воде содержится 10,8%.

3)карбонаты (СаСОз), 0,3%•

Следует отметить, что в речной воде соотношение между раство­ ренными солями обратное. Больше всего в ней содержится карбо­

45

единиц — промилле и обозначать знаком %о. Содержание раство­ ренных твердых веществ, выраженное в промилле, численно равно их весу, содержащемуся в одном килограмме морской воды и вы­ раженному в граммах.

Размеры твердых частиц и их соединений (солей), растворенных в морской воде, весьма малы и не превышают 10- 7 см. Поэтому чи­ стая (незагрязненная) морская вода ведет себя как молекулярный (кристаллоидный) раствор.

Однако, как отмечено выше, в морской воде всегда находится из­ вестное количество твердого вещества в виде взвесей неорганиче­ ского и органического происхождения, которые придают морской воде некоторые свойства коллоидных растворов (броуновское дви­ жение, электрофорез и др.), а при большом скоплении крупных ча­ стиц— свойства мутных растворов.

В водах океана непрерывно идут сложные химические, биологи­ ческие и геологические процессы, изменяющие состав и содержание растворенных в нем веществ. Эти процессы можно разделить на две группы.

Процессы 1-й группы меняют лишь общую концентрацию рас­ твора, не затрагивая его содержания, т. е. соотношений между рас­ творенными веществами. Сюда относятся приток пресных вод, осадки, испарение, образование и таяние льда. При этих процессах концентрация раствора может меняться в очень широких преде­ лах — от 0 до 4 % (от 0 до 40%о).

Процессы 2-й группы меняют содержание, т. е. соотношение ме­ жду растворенными в воде веществами. К ним относятся фотосин­ тез растений и дыхание животных, сильно меняющие содержание газов, деятельность бактерий, деятельность всех организмов, расхо­ дующих некоторые вещества на постройку своих скелетов, панцирей и тканей, а также отложение и распад (растворение) донных отло­ жений.

Эти процессы могут очень сильно — в несколько раз — изменять содержание фосфатов, нитратов, нитритов, солей аммония и других микроэлементов, имеющих большое биологическое значение, так как они в значительной мере определяют условия развития населяю­ щих океан организмов.

Содержание главных элементов эти процессы почти не затраги­ вают.

Содержание в морской воде таких элементов, как Na, К, Mg, Са, обусловлено выветриванием горных пород и последующим их вы­ носом реками. Содержание Cl, SO4, Вг обусловлено дегазацией ман­ тии и выносом в океан через атмосферу или подземные пути на дне океана. Поэтому можно предположить, что состав океана ме­ нялся под влиянием выноса береговым стоком продуктов химиче­ ского выветривания земной коры и поступления летучих веществ (прежде всего НС1), выделяемых мантией и прорывающихся через земную кору и дно океана, а также атмосферу, менявшую свой со­ став. По А. П. Виноградову, 50% солевой массы приходится на долю выветривания, а 50% на долю дегазации мантии.

46

Вместе с тем изменения химического состава Мирового океана, па протяжении доступного для нас периода изучения истории Земли, оказались весьма незначительными, что свидетельствует о его ста­ билизации.

Соленость морской воды. Исследования морской воды по пору­ чению специальной международной комиссии были выполнены группой ученых в составе Кнудсена (методика сбора проб, удельные веса и вычисление таблиц), Форха (коэффициент термического рас­ ширения морской воды), Серенсена (хлор и соленость) и другими лицами, принявшими участие в этой обширной работе. Анализу было подвергнуто большое число проб воды с соленостью от 2,688 до 40,181 %о, собранных в разных частях Мирового океана. При этом оказалось, что содержание в этих пробах хлора составляло не меньше 55,21% и не больше 55,34% от веса всех растворенных ве­ ществ. Главнейшим результатом этих исследований было установ­ ление факта о стабильности соотношения между растворенными в морской воде веществами для различных частей Мирового океана,

Благодаря этому оказалось возможным составить таблицы для вычисления солености и удельного веса морской воды по содержа­ нию в ней хлора как элемента, содержащегося в наибольшем коли­ честве, названные их составителем М. Кнудсеном (1901 г.) гидро­ графическими. С тех пор этими таблицами пользуются при всех океанографических расчетах. В 1931 г. были изданы наши отечест­ венные океанографические таблицы, составленные Н. Н. Зубовым. В этих таблицах под содержанием хлора понимается число граммов хлора, эквивалентное общему количеству галогенов, содержащихся в 1000 г морской воды. (К галогенам относятся фтор, хлор, бром, иод.)

Под с о л е н о с т ь ю понимается общий вес в граммах всех твер­ дых веществ, растворенных в 1000 г морской воды, при условии, что бром замещен эквивалентным количеством хлора, все карбонаты превращены в окислы и все органические вещества сожжены (при

480° С).

Соотношение между соленостью S и содержанием хлора С1 вы­ ражается формулой

S = 0,030+1,805001.

Считается, что действительное содержание солей никогда не от­ личается от вычисленного по приведенной формуле больше, чем на

0,25%.

Внутренние бассейны, частично или полностью отчлененные от Мирового океана и благодаря этому сильно распресненные или, наоборот, осолоненные, могут иметь иной солевой состав, а следова­ тельно, и другие соотношения между соленостью и содержанием хлора.

В Балтийском и Черном морях эти отличия почти незаметны. Однако в Азовском и Каспийском различия весьма существенны.

47

Поэтому для соотношения между соленостью и содержанием хлора выглядят так:

Азовское море

5 = 0,23+ 1,790,

Каспийское море

5 = 0,14 + 2,386С1.

Для расчета солености в таких морях составлены особые таблицы. В настоящее время для определения солености морской воды разработан более совершенный метод, основанный на измерении электропроводности морской воды. Применение этого метода оказа­ лось возможным после разработки в последние годы прецизионных приборов для измерения электропроводности морской воды. ЮНЕСКО совместно с Национальным океанографическим институ­ том Великобритании опубликовало Международные океанологиче­ ские таблицы. При составлении таблиц использовано следующее

условное соотношение между соленостью и хлорностью: 5% 0 = 1,80655СГ%0.

В основу соотношения между соленостью и относительной элек­ тропроводностью 1* ^ 1 5 положены точные определения хлорности и ^ 15 135 проб морской воды, собранных в слое от поверхности до 100 м. Эти пробы взяты из всех океанов, а также из Балтийского, Черного, Средиземного и Красного морей. После перевода хлорно­ сти в соленость по приведенному соотношению был рассчитан ме­ тодом наименьших квадратов следующий полином:

5%о= —0,08996 + 28,29720Ra + 12,80832/?*s—

— 10,67869/?315+5,98624Я416— 1,32311/?*5.

Среднеквадратическая ошибка при расчете солености по этой формуле равна 0,002% 0 при хлорности больше 15%0 и 0,005%о при меньшей.

Следует отметить, что новый метод измерения солености по относительной электропроводности ни в коей мере не исключает фи­ зического определения солености, приведенного выше.

Газы в морской воде. Вода поглощает (растворяет) газы, с ко­ торыми она соприкасается. Естественно, что, соприкасаясь с атмо­ сферой, океан должен содержать в растворе, в первую очередь, все атмосферные газы. Кроме того, в море поступают газы, имеющие и другое происхождение, как например, связанное с биологической деятельностью, стоком вод и другими процессами.

Несмотря на то что газовый режим океана оказывает сущест­ венное влияние на гидробиологические и химические процессы, на

1 Относительная электропроводность R\s — отношение электропроводности пробы воды к электропроводности воды с соленостью точно 35%0 при условии, что обе пробы находятся при одной и той же температуре (15° С для ^?i5) и при давлении в одну стандартную атмосферу.

48

распространение звука в воде и другие процессы, его изученность остается слабой.

Количество растворенных газов в воде Q зависит от парциаль­ ного давления данного газа р и от его растворимости т и опреде­ ляется соотношением

Q— pm.

Растворимость газа, в свою очередь, зависит от температуры и солености воды. Как правило, она увеличивается с понижением тем­ пературы и уменьшением солености. Действительное содержание каждого газа в воде определяется, кроме того, интенсивностью свя­ занных с ним химических и биологических процессов и условиями перемешивания и вертикальной циркуляции. Поэтому содержание некоторых газов, например кислорода, часто выражают в процентах от его насыщающего количества и называют относительным содер­ жанием. За насыщающее принимают то количество газа, которое может раствориться в воде данной температуры и солености при нормальной сухой атмосфере и давлении 760 мм.

Кислород и азот. Насыщающее количество кислорода и азота в морской воде в зависимости от температуры и солености, по дан­ ным Фокса,представлено в табл.5.

Из таблицы видно, что соотношение кислорода и азота, раство­

Кислород поступает в воду не только из атмосферы, но и в ре­ зультате фотосинтеза растений, находящихся в верхних слоях воды, в которые проникает солнечный свет. В этих слоях летом, особенно на мелководье, наблюдается повышенное содержание кислорода (до 180%). В Азовском море, по наблюдениям Н. М. Книповича, пере­ насыщение воды кислородом достигало 315%. Перенасыщение воды кислородом может также наблюдаться при ее нагревании. Избыток кислорода в этих случаях передается атмосфере.