книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

серебро, придающее воде красновато-оранжевую окрас­ ку (реакция окончена!):

К2Сг0 4 + 2 Ag NOs * 2KN03 + Ag2C r04. (3.29)

Задача по определению солености сводится к сле­ дующему:

—точно определить концентрацию раствора азотно­ кислого серебра;

—точно отмерить объемы исследуемой воды и за­ траченного раствора азотнокислого серебра.

Для отмеривания объема воды служат специальные пипетки с автоматической установкой уровня на нужной отметке (обычно 15 см3).

Для измерения объема затраченного раствора азот­ нокислого серебра служат бюретки, обязательными де­ талями которых являются трубки с делениями и двумя кранами. Установка уровня в трубке на нулевое деле­ ние производится либо вручную, либо автоматически.

Концентрация раствора азотнокислого серебра под­ бирается таким образом, чтобы израсходованное его количество, выраженное в делениях бюретки, было рав­ но содержанию хлора в пробе воды, выраженному в промилле. Такая концентрация получится, если в 1 л дистиллированной воды растворить 36,9 г химически чи­ стого азотнокислого серебра. Однако, учитывая некото­ рое загрязнение азотнокислого серебра, берут его не­ сколько большее количество (37,1 г на 1 л воды). Фак­ тически же получившаяся концентрация раствора азот­ нокислого серебра определяется путем титрования этим раствором так называемой «нормальной» воды, содер­ жание солей в которой искусственно доведено до стан­ дарта (S = 35°/oo; Cl = 19,38%о). Соленость морской воды титрованием на хлор определяется в такой последова­ тельности.

1. Титрованием «нормальной» воды определяют а — показатель концентрации (титра) раствора азотно­ кислого серебра:

где УѴ=19,38%о — содержание хлора в «нормальной» воде;

А — израсходованное количество раствора азотно­ кислого серебра (отсчет бюретки).

91

2. Титрованием исследуемой воды определяют израс­ ходованное количество раствора азотнокислого серебра (отсчет бюретки а).

3.Выбирают по а и а из таблицы 146 Океанологиче­ ских таблиц Н. Н. Зубова поправку титрования К.

4.Вычисляют содержание хлора в исследуемой воде

5. Определяют, используя соотношение (3.26), соле­ ность морской воды (с помощью таблицы 7 [24]).

Главными достоинствами аргентометрического мето­ да являются простота установки, независимость от тем­ пературы, возможность объективного контроля (титро­ ванием «нормальной» воды) и, наконец, высокая точ­ ность определений (со средней квадратической ошибкой, равной ±0,02% о, признанной в океанографии совершен­ но необходимой). Однако существенные недостатки, и прежде всего невозможность автоматизации процесса измерения,, затруднительность анализа при качке, зави­ симость результатов определений от субъективных фак­ торов и относительно высокая стоимость определений, связанная с расходованием около 1,5 г азотнокислого серебра на каждую пробу воды, превращают этот су­ губо лабораторный метод в контрольный, предназначен­ ный в основном для тарирования и проверки аппара­ туры, основанной на физических методах определения солености.

Ф и з и ч е с к и е м е т о д ы о п р е д е л е н и я с о л е ­ но с т и. Непосредственное определение солености, на­ пример, выпариванием проб воды с последующим взве­ шиванием сухого остатка практически невыполнимо, так как при этом улетучиваются не поддающиеся учету ко­ личества двуокиси углерода и паров хлористого водо­ рода.

Однако известно и другое: все .физические свойства морской воды могут быть представлены как функции ее температуры, солености и давления. По этому принципу соленость можно определить косвенно, вычислением ее на основании функциональных зависимостей по извест­ ной температуре морской воды и одной из других ха­ рактеристик ее физического состояния (электропровод­ ности, коэффициенту преломления света, скорости зву­ ка или удельному весу). Результаты определения этих

92

косвенных показателей коррелируются затем с величи­ ной солености морской воды. Если при применении хи­ мических методов соленость определяется по хлорности, то при применении физических методов хлорность определяется после солености.

Трудность чисто физических методов заключается прежде всего в их высокой чувствительности к измене­ ниям температуры. Если в качестве критерия точности определения солености принять величину ±0,02 % о, то при физических методах определений должны выдержи­ ваться следующие точности измерения температуры: ±0,025°— по электропроводности, ±0,035° — по коэф­ фициенту преломления света, ±0,060° — по удельному весу и ±0,008° — по скорости звука.

Э л е к т р о с о л е м е р ы . Среди всех чисто физиче­ ских методов определения солености морской воды наи­ более перспективным оказался метод измерения удель­ ной электропроводности с помощью электросолемеров. Морская вода, являясь почти полностью диссоциирован­ ным электролитом, хорошо проводит электрический ток, что обусловлено перемещением ионов под влиянием электрического поля: под действием приложенного по­ стоянного электрического напряжения, которое по своей величине превышает напряжение распада электролита, между электродами, погруженными в морскую воду,

а— коэффициент диссоциации, равный отноше­ нию числа молекул, диссоциированных на ионы, к общему числу молекул растворен­

ного вещества; и+, и~ — подвижности ионов, т. е. средние скорости

движения положительных и отрицательных ионов под действием электрического поля, напряженность которого равна единице.

Следовательно, по величине электропроводности элек­ тролита можно судить о его концентрации. В основу

93

конструкции всех солемеров и положено измерение электропроводности, как меры концентрации ионов в морской воде, с помощью электролитических преобразо­ вателей. Отличительной особенностью измерения соле­ ности этим методом является большой диапазон изме­ нения удельной электропроводности от 0 до 64 мСм/см при изменении солености от 0 до 39%0 и температуры от 0 до +30°.

Вопрос влияния давленияна электропроводность морской воды изучен еще недостаточно подробно; от­ дельные исследования показывают, что заметное влия­ ние ощутимо лишь на значительных океанских глуби­ нах, поэтому в дальнейшем оно приниматься в расчет не будет. Однако сильная зависимость электропроводно­ сти от температуры электролита должна быть всегда учтена.

Можно выделить два типа конструкции электросо­ лемеров: портативные лабораторные установки для определения солености добытых проб воды и телеметри­ ческие (дистанционные) приборы для измерения соле­ ности непосредственно за бортом на различных глу­ бинах.

По принципу измерения солемеры могут быть индук­ тивные и кондуктометрические.

И н д у к т и в н ы й м е т о д измерения электропро­ водности морской воды применен в лабораторном соле­ мере СОЛ-65, основанном на принципе измерения э. д. с.

связь между трансформаторами осуществляется иссле­ дуемой водой, образующей виток связи. Величина связи зависит от электропроводности исследуемой воды. На­ пряжение, подаваемое на одну из катушек тороидаль­ ного трансформатора, индуктирует через виток связи (воду) э. д. с. в другой катушке трансформатора. При введении поправок на температуру солемеры индуктив­ ного типа обеспечивают высокую точность измерений со

т и п а основаны на измерении сопротивления раствора в сосуде с платиновыми электродами. Измерительная схе­ ма таких солемеров представляет собой уравновешен­

94

ный измерительный мост, для питания которого приме­ няют переменный ток, чтобы избежать электролиза рас­ твора.

Мост регулируется таким образом, чтобы он был уравновешен, когда исследуемая вода имеет соленость, равную эталону (3 5 % о ). Если соленость не равна 3 5 % 0, мост разбалансируется, в измерительной диагонали по­ является ток разбаланса.

Электросолемер кондуктометрического типа исполь­ зован в блоке солености (рис. 15) для дистанционного измерения и регистрации солености на различных глу­ бинах (УТСГ-1).

Датчик солености этой установки является одновре­ менно чувствительным элементом (преобразователем) и частью схемы измерительного моста. Он представляет собой трехэлектродную электролитическую ячейку (жид­ костный резистивиметр), заполняющуюся при погруже­ нии морской водой,— измеряется электропроводность столба воды постоянных геометрических размеров. Тер­ мокомпенсация достигается автоматическим введением поправок на температуру от блока температуры с по­ мощью специального потенциометра. Солемеры этого типа обеспечивают точность измерений со средней ква­ дратической ошибкой ± 0 , 1 — 0,2°/оо. Они к-тому же не­ стабильны в работе из-за разрушения, поляризации и биологического обрастания электродов.

О п р е д е л е н и е с о л е н о с т и м о р с к о й в о д ы по п р е л о м л е н и ю с вета . Пробы морской воды раз­ ной солености при одной и той же температуре имеют различные коэффициенты преломления света. В интер­ ферометре— приборе, где использован этот принцип, параллельный пучок лучей пропускается частично через трубку с «нормальной» водой, частично через трубку с исследуемой водой. Если исследуемая вода имеет соле­

95

Рис. 15. Принципиальная электрическая схема блока солено­ сти установки УТСГ-1:

Если пучок лучей пропустить через узкую щель, то вследствие разности хода образовавшиеся интерферен­ ционные полосы оказываются сдвинутыми. Величина

сдвига коррелируется затем с величиной разности соле­ ностей.

О п р е д е л е н и е с о л е н о с т и м о р с к о й в о д ы по ее у д е л ь н о м у весу. Удельный вес морской воды может быть определен с помощью ареометров по­

При производстве измерений в береговой лабора­ тории можно определить соленость пробы с точностью ±0,04 0,08 % о. Зависимость результатов ареометриро-

вания от качки делает прибор малопригодным для ра­ боты в судовых условиях.

Растворенные газы. Растворенные газы являются не­ отъемлемой частью состава вод океана. Из них наи­

сутствие газов в морской воде объясняется поступле­ нием их молекул из атмосферы через границу раздела воздух вода, а также в результате химических и био­

логических процессов, протекающих как в самой толще воды, так и на дне Мирового океана.

Процесс растворения газов в воде является обрати­ мым. Он характеризуется притоком газов из атмосферы в океан и одновременной отдачей океаном излишков газов в атмосферу в соответствии со степенью насыще­ ния воды отдельными газами. При равной скорости про­ текания этих процессов наступает подвижное равнове­ сие между концентрациями газа в воде и в атмосфере (равновесие, но не равенство концентраций). Величина концентрации газа в морской воде при наступлении равновесия характеризует величину растворимости дан­ ного газа. Растворимость газов в морской воде прямо пропорциональна парциальному (частичному) давле­ нию данного газа над поверхностью океана и обратно пропорциональна температуре и солености морской воды. Концентрацию растворенных в морской воде га­ зов''- обычно выражают в абсолютной форме через ко­

97

личество миллилитров газа, растворенных в одном лит­ ре воды (мл/л), либо в атомной форме — в миллиграмматомах на один литр воды (мг-атом/л) путем деления величины абсолютной концентрации на его атомную массу. Содержание кислорода часто выражают в отно­ сительной форме— в процентах от его насыщающего количества, причем за насыщающее принимают то ко­ личество газа, которое может раствориться в воде дан­ ной температуры и солености при нормальной сухой ат­ мосфере и давлении 760 мм рт. ст.

Атмосферный воздух состоит главным образом из азота и кислорода, смешанных в пропорции 1 :4 (78% N2 и 21% 0 2). В морской воде соотношение между количе­ ством этих газов выражается большим отношением (1:2), так как морская вода лучше растворяет кисло­ род, чем азот. Это отношение еще больше у двуокиси углерода: его растворимость в морской воде примерно

в 80 раз больше растворимости азота и в 40 раз больше растворимости кислорода.

Особенно большое значение для развития жизни в океане имеет растворенный кислород. В отличие от хи­ мически инертного азота кислород в океане принимает весьма активное участие в существующих повсюду про­ цессах окисления веществ и дыхания организмов. Со­ держание кислорода в воде весьма изменчиво; оно за­ висит от интенсивности поглощения водой атмосферного кислорода и от выделения из воды свободного кислоро­ да при фотосинтезе. Присутствующий в клетках зеленых водорослей хлорофилл является основным звеном, свя­ зывающим энергию Солнца с жизнью в океане. В про­ цессе фотосинтеза организмы преобразуют электромаг­ нитную энергию света в химическую, используя реак­ цию между двуокисью углерода С 02 и водой. При этом образуются органические вещества—углеводы, выде­ ляется молекулярный кислород и восстанавливается углерод. Концентрация кислорода в океане изменяется в довольно широких пределах, достигая в исключи­ тельных случаях 8—10 мл/л. Сезонные изменения содер­ жания .кислорода отмечаются лишь в пределах верхней зоны до глубин 100—300 м, где происходит наиболее интенсивный обмен с атмосферой и в воду проникает свет (до глубин 80—200 м) в количествах, достаточных для фотосинтеза.

98

Суточный ход содержания кислорода обусловлен су­ точным ходом интенсивности фотосинтеза, зависящим в свою очередь от периодических суточных изменений ос­ вещенности и температуры морской воды. Распределе­ ние кислорода с глубиной сложно и определяется как динамическими, так и гидробиологическими факторами. Характерной чертой в распределении кислорода с глу­ биной является наличие слоя минимума кислорода на глубинах 100—700 м с очень малым его содержание?*і. Нарушение водообмена, затрудняющее передачу кисло­ рода на глубины, приводит иногда к понижению его со­ держания и даже полному исчезновению, а также к по­ явлению сероводорода (Черное море) [1]. В то же время при наличии водообмена даже в наиболее глубоковод­ ных впадинах содержание кислорода довольно высоко (до 3—4 мл/л во впадинах Тихого океана).

Знание распределения растворенного кислорода и других газов помогает пониманию многих процессов и явлений, протекающих в океане.

Биогенные элементы. В результате фотосинтеза в клетках зеленых водорослей возникает запас свободной энергии, которая используется в процессах живого орга­ низма. В клетке к углеводам присоединяются азот, фос­ фор и другие элементы, образуя различные белки — ос­ нову жизни, составные части каждого живого организ­ ма. К биогенным элементам относятся различные соединения фосфора, азота, кремния, растворенные в воде и тесно связанные с жизнью в океане. Концентра­ ция биогенных элементов в морской воде обусловлена главным образом биологическими и биохимическими процессами. Источниками этих соединений в океане служат выносы рек, растворение донных отложений, процессы распада тканей, скелетов и панцирей погиб­ ших организмов.

Органические вещества. Они присутствуют в океане в виде различных организмов — животных, растений, бактерий и продуктов неполного распада отмерших ор­ ганизмов— растворенных органических веществ.

Животные организмы в океане имеют чрезвычайно многообразные и сложные формы. В их составе обнару­ жено до 60 элементов, но главные части живого веще­ ства — водород, углерод, кислород, азот и фосфор. Дея­ тельность живых организмов является важнейшей при-

99