Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Газы в морской воде. В морской воде растворены газы атмосферного, биохи-мического, химического, радиохимического происхождения, а также радиоактивные и газы ядерных реакций. Концентрации газов подвержены значительным колебаниям по площади океана и по разрезу его водной толщи. Отмечается большое качественное совпадение одних и тех же газов в атмосфере и морской воде. Этого нельзя сказать о концентрациях одних и тех же газов. Как видно из таблицы 14, в составе атмосферного воздуха и морской воды содержатся разные количества наиболее распространенных газов. В морской воде по сравнению с воздухом меньше только азота, все остальные газы, особенно углекислота, значительно превосходят их объемы в атмосфере.
Таблица 14
Содержание (%) газов по объему в атмосфере и морской воде /27/.
|
Г а з ы |
Атмосфера |
Морская вода,S=35%;t=10oC |
|
Азот |
78,08 |
62,1 |
|
Кислород |
20,95 |
34,4 |
|
Аргон |
0,93 |
1,7 |
|
Углекислый газ |
0,03 |
1,8 |
Такие газы, как неон, криптон, ксенон, метан, закись азота и водород в атмосфере и в морской воде встречаются в виде следов, а общая их доля не превышает 0,01%.
В застойных, слабо или совсем невентилируемых водах могут образоваться сероводород и газообразные продукты деструкции органических остатков, например, метан и его гомологи.
В морской воде выявлены газы, которые связаны со всеми геосферами Земли. Однако главными источниками газов являются земная кора и биосфера, тесно взаимодействующие между собой.
Основная масса представлена газами биохимического происхождения; это СН4; СО2; CnH2n+2; N2; H2S; O2; NH3 и др. В результате химических реакций при обменном раз-ложении появляются СО2; Н2S и др.газы. В местах интенсивного проявления на океанском дне магматических и метаморфических процессов (зоны спрединга, вулканизма, разрывообразования и т.д.) в морскую воду поступают СО2; H2S; CH4;CnHm; CO; N2; HCl; HF; NH3; B(OH)3; SiO2; Cl; H2 и др.
Распад радиоактивных элементов инициирует обогащение воды He, Ra, Th, Ar, Xe и др. Некоторое количество Н2; О2; СН4; CnH2n; CO2 и СО обязано своим происхождением радиоактивному излучению. Элементарные газы образуются и поступают в морскую воду и при ядерных реакциях, а какая-то их доля поступает из космоса.
Газам морской воды посвящено множество разнообразных исследований, разработаны методы их определения, созданы теории, удовлетворительно объясняющие их состав и генезис.
Важнейшим положением теории газов морской воды является вывод о том, что концентрация растворенного газа пропорциональна его парциальному давлению. Этот вывод базируется на предположении, что всякий элемент объема воды в той или иной степени соприкасался с атмосферой, в результате чего между атмосферой и данным объемом воды установилось газовое равновесие /27/. Поскольку газы одного и того же состава могли образоваться за счет разных процессов и в различных условиях, генетическая индивидуальность таких газов исчезает и в образовавшейся смеси доля каждого из них суммируется с такими же газами другого происхождения и именно эта сумма определяет величину их парциального давления.
Активные процессы перемешивания и перемещения водных масс приводят к выравниванию состава газовой смеси и к такому абсолютному выражению ее концентрации, которая определяется гидрологическими параметрами воды в той или иной структурной зоне океанской толщи. При этом исчезает всякая надежда выявить истинные концентрации элементарных газов различного происхождения. Даже высокоразрешающие методы современной изотопии не в состоянии решить эту проблему.
Все газы в морской воде находятся в растворенном состоянии. Растворимость газов зависит от состава и свойств газов, их количества, температуры и солености воды. Большую роль в этом процессе играют волнение, течения, испарение, влажность атмосферы, конвекция и адвекция воды, многие другие гидрологические условия.
Растворимость газов, приведенных в вышеозначенной таблице 14, обусловлена главным образом их свойствами, количеством, температурой и солёностью. Кислород и углекислый газ растворяются значительно лучше, чем азот.
Углекислый газ, как было показано выше, взаимодействует с водой и образует слабую угольную кислоту, которая находится в равновесии с бикарбонатным НСО3- и карбонатным СО32- ионами. Это равновесие устанавливается очень быстро. Распределение СО2 по структурным зонам и по площади океана было рассмотрено выше.
Гораздо сложнее обстоит дело с растворением азота и с его поведением в водной толще. Напрямую азот не участвует ни в химических реакциях, ни в биологическом цикле. Азот реакционно неактивен из-за высокой прочности молекулы. Однако косвенно азот все же имеет отношение к течению биологических процессов. В морской воде есть бактерии, которые усваивают свободный азот и восстанавливают нитриты до элементарного азота. Некоторые синие водоросли способны усваивать свободный азот. На количество растворённого азота оказывает влияние конвекция и адвекция вод с другим содержанием азота. Количество растворенного азота понижается в поверхностном слое воды от 14,1 мл/л в полярной до 8,2 мл/л, в экваториально-тропической зоне. По разрезу водной толщи количество растворенного азота подвержено значительным колебаниям. Наиболее контрастными они бывают в фотическом слое и очень плавно понижаются от подошвы этого слоя ко дну, не превышая в среднем 4,2-5,2 мл/л.
Так же как и азот, кислород не взаимодействует с водой. Насыщенность вод кислородом оценивается по отношению концентрации О2 к величине его растворимости при температуре и солености воды исследуемого интервала, выраженному в процентах. Морская вода полностью насыщается, а местами и пересыщается кислородом лишь в слое толщиной до 100 м во время весеннего и осеннего вегетационного периода фитопланктона. Ниже слоя фотосинтеза вся толща воды в разной степени недонасыщена кислородом. На растворимость О2 оказывают влияние давление столба воды, температура и соленость. Например, увеличение гидростатического давления на 100 атм понижает растворимость О2 на 0,01 мл/л. Повышение температуры от 0 до 30оС уменьшает растворимость кислорода почти на 50%, а возрастание солености от 0 до 40% уменьшает ее на 25% (рис.52). По направлению от полярных к экваториально-тропическим климатическим зонам при одинаковой степени насыщения в результате понижения растворимости концентрация О2 в поверхностном слое снижается от 8,5 до 4,4 мл/л. Распределение кислорода по толще воды находится в тесной связи с перемешиванием разных ее объемов и зависит от положения зон дивергенции, конвергенции, океанических фронтов. Поэтому воды различных регионов океанов сильно отличаются между собой по содержанию кислорода, по характеру распределения его запасов и степени насыщения.
Поверхностному слою (300-600 м) свойственны резкие колебания степени насыщения воды растворенным кислородом. В слое с интенсивным развитием фитопланктона за счет биохимических процессов продуцируются максимальные его концентрации. В слоях, где окисляются части тел отмерших организмов, содержание кислорода сильно понижается. Насыщение воды кислородом зависит также от его количества в приводном контактном слое атмосферы. В поверхностном слое происходит интенсивное перемешивание разных объемов воды с разными гидрологическими параметрами, в результате чего в нем формируются сезонные и даже суточные градиенты температуры, солености, плотности. Частая смена концентрации О2 в разных интервалах поверхностного слоя является основой формирования его тонкой гидрологической структуры, которая выражается чередованием слоев с относительно высоким или низким содержанием кислорода и сменой других параметров водных слоев.
Рис. 52. Кривая насыщения кислорода О2 (сплошная линия) и измеренные концентрации растворенного кислорода в воде поверхностного слоя океана /по R/Duncan, неопубл.данные/.
Рис. 53. Изменение с глубиной содержания кислорода в водах Тихого, Индийского и Атлантического океанов /по 27/.
Вода промежуточного слоя (300-1600 м) недонасыщена кислородом в гораздо большей степени, чем вода глубинного и придонного слоев, не говоря уже о воде поверхностного слоя. Кислород в промежуточную структурную зону поступает при турбулентном обмене с поверхностным слоем. При этом расход О2 на окисление поступающего сверху органического вещества бывает значительно большим «турбулентного» кислорода. Более того, на разных батиметрических уровнях в разных областях океанов образуются слои с минимальной концентрацией кислорода. Причина появления таких слоев различная. Она, например, может быть обусловлена привносом в средние части циклонических круговоротов воды с высоким содержанием первичной продукции, на деструкцию такой продукции расходуется большая часть растворенного кислорода. На шельфах, вода которых богата первичной продукцией, ее придонный слой имеет низкую концентрацию растворенного кислорода. Чаще всего это наблюдается в апвеллинговых зонах.
Вниз по разрезу водной толщи, начиная примерно с глубины 1000-1200 м, количество растворенного кислорода возрастает с 2 до 6,7 мл/л. Однако на глубине 3000-4000 м во многих регионах отмечается некоторое понижение его концентрации. На большей глубине местами она увеличивается и в низах глубинного и в придонном слоях достигает 7,0-7,2 мл/л. Такое поведение растворенного кислорода отмечено в Северной Атлантике, вблизи Антарктики, в Аравийском море и др. (рис.53) /49/. Колебания в содержании кислорода в глубинных и придонных водах связаны с циркуляцией вод главным образом с поступлением сюда арктических и антарктических вод, обогащенных растворенным кислородом.
По содержанию растворенного кислорода определяется возраст глубинных вод; для этого необходимо знать время от момента погружения определенной водной массы до отбора и анализа пробы этой воды.
В несравненно меньших количествах в морской воде присутствуют углеводородные газы, представленные метаном СН4 и его высшими гомологами: этаном С2Н6, пропаном С3Н8, изобутаном iC4H10, н-бутаном nC4H10 и др. Общая масса углеводородных газов измеряется величинами порядка 10-4-10-5 мл/л. Более 94-98% этой массы принадлежит метану, на долю его гомологов приходится около 10-6 мл/л. Ввиду сложности техники отбора проб и их анализа на содержание указанных газов, достоверные сведения имеются только для метана.
Углеводородные газы в воде находятся в растворенном состоянии. Растворимость метана в дистиллированной воде при температуре 20оС и нормальном давлении равна 90 мл/л, а в морской воде при таких же условиях не превышает 29 мл/л. С ростом температуры до 30оС растворимость метана в морской воде уменьшается до 22 мл/л. Установлено, что в водах экваториально-тропической зоны в поверхностном слое концентрация метана достигает 4,5.10-5 мл/л, а в водах полярных зон она почти в два раза выше, около 8,6.10-5 мл/л.
По сравнению с водами открытого океана прибрежные воды обогащены метаном на 2-3 порядка выше. Повышенными концентрациями характеризуются воды окраинных континентально-океанических и средиземных морей, например, Черного, Каспийского, Охотского, Японского, Средиземного, Карибского, Красного и др. Относительно высокие содержания метана определены в водах океанов и морей, где донные отложения слагаются мощными толщами терригенных образований.
По разрезу океанских вод концентрация метана понижается сверху вниз от поверхностного к придонному слою. Гомологи метана, как правило, не обнаруживаются здесь даже в виде следов. В воде, зараженной сероводородом Н2S, наблюдается обратная картина: содержание метана увеличивается книзу, к придонному слою и на 2-3 порядка бывает выше, чем в поверхностной воде.
В водах полузамкнутых бассейнов, например, в Мексиканском заливе, во впадинах Дерюгина и ТИНРО в Охотском море, вблизи уступа краевого плато Вёринг в Норвеж-ском море и др. повышенные концентрации метана отмечены как в поверхностной, так и в воде придонного слоя.
Метан поверхностного слоя является продуктом биохимических процессов, более активно протекающих в интервалах повышенного содержания и развития фитопланктона. Обогащение метаном локальных участков поверхностного слоя может также происходить за счет массового разложения скоплений зоо- и фитопланктона в фотическом слое, может быть связано с загрязнением воды нефтепродуктами, с процессами преобразования углеводов, жиров, белков и других компонентов рассеянного в донных осадках органического вещества, а также в результате струйного поступления метана из крупных скоплений углеводородов, образовавшихся в осадочном чехле на морском или океанском дне.
Газы радиоактивного происхождения представлены гелием Не, неоном Ne, арго-ном Ar, ксеноном Хе, эманациями Ra и тория Th. Они образуются вследствие радиоак-тивного распада урана, тория, самария и др. В осадочных горных породах концентрации (в граммах на 1 грамм породы) колеблются от 0,5 до 1,5.10-12 радия, от 2,7 до 4,2.10-6 урана и от 00,4 до 1,3.10-5 тория. В морской воде почти все радиоактивные газы измеряются величинами на 2-3 порядка меньше и не всегда улавливаются даже в виде следов.
Относительно высокими являются содержания гелия. Концентрации гелия вместе с неоном в атмосфере изменяются от 5,92 до 10,31 объемных процентов. Повышенные концентрации гелия обнаруживаются в придонной воде в пределах рифтовых долин и гидротермальных источников на срединно-океанических хребтах.
Газы радиохимического происхождения возникают под влиянием лучей на различные органические вещества. Продуктами этих реакций являются водород, углекислый газ, закись углерода, метан, другие углеводородные газы.
Несмотря на то, что в каждый данный момент за счет радиоактивного распада и радиохимических реакций образуется ничтожно малое количество газообразных продуктов, их общий вклад в газовую сферу Земли за время ее существование представляется очень большим.