книги из ГПНТБ / Егоров Н.И. Физическая океанография

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

кипения, молекулярная вязкость, теплопроводность и диффузия, имеют меньшее значение и поэтому освещаются менее детально.

Плотность, удельный вес и удельный объем морской воды.

Одну из важнейших характеристик морской воды составляет плот­ ность, с которой тесно связаны такие понятия, как удельный вес и удельный объем. От распределения плотности воды зависит гори­ зонтальная и вертикальная циркуляция вод Мирового океана. В свою очередь, плотность морской воды зависит от ее температуры, солености и давления, из которых наибольшей изменчивостью во времени и пространстве обладает температура воды.

зывать отношение веса единицы объема воды при той температуре, которую она имела в момент наблюдений, к весу единицы объема дистиллированной воды при 4° С, т. е. при температуре ее наиболь­ шей плотности. Как следует из определения, понятие плотности, принятое в океанографии, не соответствует физическому понятию

стеме СГС). Океанографическое понятие плотности соответствует принятому в практике понятию удельного веса, который является величиной безразмерной.

t

Численно плотность морской воды 5 — равна физической плот­

ности, так как масса одного кубического сантиметра дистиллиро­ ванной воды при температуре 4° принимается за единицу. Однако при производстве различных физических расчетов, в которых ис­ пользуется плотность морской воды, следует помнить о ее размерно­ сти. Так как плотность морской воды больше единицы (среднее зна­ чение для океанов равно 1,025 г/см3), то по предложению Кнудсена

определяется как отношение веса единицы объема морской воды при температуре 17,5° (соответствующей средней комнатной темпе­ ратуре) к весу единицы объема дистиллированной воды той же тем­

пературы. Соответственно удельный вес S — определяется как от­

ношение веса единицы объема морской воды при температуре 0°С к весу единицы объема дистиллированной воды при температуре

4° С.

54

Вместо истинных значений удельных весов в практике для со­ кращения записей пользуются условными удельными весами, опре­ деляемыми из соотношений

Условный вес при температуре 0°С — о0 называют стандартным условным весом морской воды.

Во многих случаях бывает удобнее пользоваться не плотностью

а^ - 0 , 9 ] • Ю3.

Врезультате исследований, выполненных комиссией Междуна­ родного совета по изучению морей (Кнудсен и др., 1901 г.), были установлены соотношения между удельным весом при 0°С и при

17° С, с одной стороны, и содержанием хлора (С1%о) и соленостью (S%о) морской воды, с другой. Они выражаются следующими урав­ нениями:

(Т0 = —0,069 + 1,4708С 1— 0,001570СI2 + 0.0000398С I3,

его = —0,093 + 0,8149S — 0.000482S2+ 0.0000068S3,

р17,5 = (0,1245 + О,94О0о+0,000155о2) X 1,00129.

По этим уравнениям составлены таблицы «Соответствия величин С1, S, По и Р17.5», включенные в сборник «Океанологические таб­ лицы», Н. Н. Зубов, Гидрометеоиздат, 1957 (табл. 7).

Соответственно значениям pi7,5 вычисляется условная плотность морской воды Ot по формуле

0( =Pl7,5 — Е.

Значения поправки в зависимости от pi7,5 и температуры воды t даются в «Океанологических таблицах» (табл. 8).

Когда требуется определение условной плотности о* с более вы­ сокой точностью, вычисления производятся через условный удель­ ный вес 0 о по формуле Кнудсена

0f= . 2 * (о0+ 0,1324) [1 — Л( + В( (0о — 0,1324) ].

55

А* = * (4,7867 — 0,098185*+0,0010843*2) • КП3, Bt— t (18,030 — 0,8164*+0,001667*2) • Ю”6.

Значения величин V«> Ди Bt при различных температурах t даны в «Океанологических таблицах» (табл. 9).

По плотности морской воды определяется удельный объем, как величина, обратная плотности. В «Океанологических таблицах» дана таблица перевода условной плотности ot в условный удельный объем vt (табл. 12) и таблица для непосредственного определения vt по температуре и солености для океанских вод (табл. 11).

Определение условного удельного объема может производиться

ис помощью специальных графиков, называемых Т^-диаграммами

ивключаемых в специальные сборники номограмм и графиков для океанографических расчетов. Эти диаграммы представляют систему

изолиний условного удельного объема, нанесенных в прямоуголь­ ной системе координат Т (температура) и S (соленость).

Приведенные формулы и рассчитанные по ним таблицы и диа­ граммы позволяют определять плотность и удельный объем морской воды при атмосферном давлении, принимаемом в океанографии за нулевое значение, т. е. в поверхностном слое. В природных условиях (in situ) морская вода находится на различных глубинах и подвер­ жена воздействию гидростатического давления вышележащих слоев, которое вызывает сжатие воды и соответствующее уменьше­ ние ее удельного веса (увеличение плотности). Поэтому при опре­ делении истинных значений плотности и удельного объема морской воды, которые она имеет на глубине своего залегания, необходимо учитывать ее сжимаемость.

Сжимаемость морской воды. Давление воды р в океане уве­ личивается на каждые десять метров глубины примерно на 1 бар, который равен 106 дин/см2.

В физике величина 1 дин/см2 также называется баром. Следова­ тельно, 1 бар, принятый в океанографии, равен 106 бара, принятым в физике. Величину давления, равную 0,1 бара, называют дециба­ ром. 0,001 бара — миллибаром. Следовательно, на каждый метр глубины давление увеличивается на один децибар. Это обстоятель­ ство позволяет легко переходить от глубины, выраженной в метрах, к давлению, выраженному в децибарах.

Под действием давления вышележащих слоев происходит сжа­ тие морской воды и уменьшение удельного объема а на величину

—-— . Отношение изменения удельного объема под действием давdp

da

ления —j— к значению удельного объема а называют и с т и н н ы м

56

к о э ф ф и ц и е н т о м с ж и м а е м о с т и м о р с к о й в о д ы k. Следовательно,

Вместо истинного значения коэффициента сжимаемости при вы­

Для расчетов среднего коэффициента сжимаемости морской воды Экманом была предложена эмпирическая формула, которая дает удовлетворительный результат только для воды соленостью от 13,0 до 38,53%о и с температурой более 20° С. Поэтому при прак­ тических расчетах условного удельного объема vPts вместо фор­ мулы (2.4) пользуются формулой, предложенной Бьеркнесом,

Поправки 6ip , 6sp , 6sip представляют добавки к 8P за счет от­ клонения t и 5 от 0° до 35%0. Все поправки даются в «Океанологи­ ческих таблицах» (табл. 15—18).

Сжимаемость морской воды невелика. Однако при изучении мно­ гих процессов, как например: исследование плотностных течений,, адиабатических изменений температуры, устойчивости, скорости звука и других, ее неучет может привести к весьма существенным ошибкам.

Интересно отметить, что, несмотря на малую сжимаемость мор­ ской воды, уровень реального Мирового океана расположен при­ мерно на 30 м ниже того уровня, который он бы занимал при усло­ вии несжимаемости воды.

57

Термические свойства морской воды. К термическим свойствам морской воды относятся ее температура, удельная теплоемкость, те­ плопроводность, температура наибольшей плотности и замерзания, теплота испарения (конденсации) и плавления (льдообразования). В зависимости от исследуемых тепловых процессов в океане роль тех или иных характеристик неодинакова. Так, например, на льдо­ образование существенное влияние оказывают соотношение между температурой замерзания и наибольшей плотности, теплота плавле­ ния (льдообразования), которые не имеют значения при исследова­ нии процессов в морской воде при температурах выше температуры замерзания.

Однако при рассмотрении практически любых тепловых процес­ сов невозможно обойтись без учета теплоемкости и турбулентной теплопроводности.

Удельная теплоемкость. Удельная теплоемкость определяется количеством тепла, которое необходимо затратить на нагрев 1 г ве­ щества на 1°С. Удельная теплоемкость зависит от давления, под которым находится тело, и от его объема. Для твердых тел и жид­ костей более важной физической характеристикой является тепло­ емкость при постоянном давлении ср, которая может быть практи­ чески измерена. Теплоемкость при постоянном объеме cv имеет зна­ чение только при изучении некоторых процессов, протекающих в морской воде, например, распространение звука. В этих случаях она определяется по теплоемкости при постоянном давлении, так как измерить ее непосредственно затруднительно.

Теплоемкость морской воды ср зависит от ее температуры t и

уменьшается с увеличением солености и температуры. Она умень­ шается и с увеличением давления. Так, например, морская вода со­ леностью 34,85%о при температуре 0°С имеет теплоемкость при дав­ лении 1000 децибар (на глубине 1000 м) 0,926, а при давлении10

10 000 децибар 0,872----КаЛ— .

г-град

58

Удельная теплоемкость воды при постоянном объеме cv меньше теплоемкости при постоянном давлении и может быть рассчитана по значению ср на основе первого и второго начал термодинамики и уравнения состояния.

Расчетная формула имеет вид

Су—Ср

Тае2 М ’

где Т — абсолютная температура, а — удельный объем, е — коэффи­ циент теплового расширения, k — истинный коэффициент сжимае­ мости и / — механический эквивалент работы.

Чаще при расчетах важно знание не абсолютной величины cVy

Ср

а отношения у = -----, используемого, в частности, для расчета ско-

Со

рости звука в воде.

Для дистиллированной воды при температуре ее наибольшей плотности 4° С и атмосферном давлении у=1. С повышением тем­ пературы у увеличивается до 1,1022 при температуре 90° С.

По данным Экмана, для морской воды соленостью 34,85%0 и ат­ мосферном давлении у растет от 1,0004 при 0°С до 1,0207 при 30° С. Растет у и при увеличении давления. Так, например, при0°С и дав­ лении 1000 децибар у= 1,009, а при давлении 10000 децибар и той же температуре у= 1,0126.

Удельная теплоемкость воды превышает теплоемкость других веществ. Только несколько веществ, как аммиак и жидкий водород,

соответственно). Большинство же веществ, в том числе воздух и по­ роды земной коры, имеют удельную теплоемкость значительно меньше, чем вода. Так, например, воздух имеет удельную теплоем­

кая кость 0,237, гранит 0,200, кварц 0,190------------.

г-град

Высокая теплоемкость воды по сравнению с теплоемкостью суши оказывает огромное влияние на характер тепловых и динамических процессов, протекающих в атмосфере, обеспечивая накопление больших запасов тепла в океане в теплую часть года и постепенную его передачу атмосфере в зимнюю.

Теплопроводность. Под теплопроводностью морской воды по­ нимается количество тепла, переносимого в единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направле­ нию градиента температуры, когда последний равен единице. Она характеризуется либо к о э ф ф и ц и е н т о м м о л е к у л я р н о й т е ­ п л о п р о в о д н о с т и х, когда передача тепла осуществляется мо­ лекулами воды при их хаотическом движении, либо к о э ф ф и ц и ­ е нт о м т у р б у л е н т н о й т е п л о п р о в о д н о с т и , когда пе­ редача тепла осуществляется большими объемами воды при их вихревом (турбулентном) движении.

59