Химия на хидросферата
Морската вода е много разреден разтвор на твърди минерални вещества, различни газове и определено количество органични вещества, който също съдържа мътност и суспензии от органичен и неорганичен произход.
В морската вода протичат непрекъснати физикохимични, биологични и геоложки процеси, насочени към промяна на общата концентрация на разтвора. Общата концентрация се влияе от притока на прясна вода, изпаренията от морската повърхност, атмосферните валежи на тази повърхност, образуването и топенето на лед. Редица процеси - активността на морските организми, образуването и разпадането на дънните утайки - са насочени към промяна в съдържанието на отделни твърди вещества в разтвора и следователно към промяна в съотношението между тях и дишането на организмите, фотосинтезата и активността на бактериите влияят върху промяната в количеството газове, разтворени в морската вода.
Независимо от това, всички тези процеси като цяло практически не нарушават постоянството на солевия състав на водите по отношение на основните елементи, влизащи в разтвора. Далеч от брега, съставът на морската вода е еднакъв навсякъде и само общата концентрация на разтвора се променя до известна степен.
Основните компоненти на морската вода (в грамове на 1000 g вода) могат да бъдат представени чрез следните стойности.
Хлоридите играят преобладаваща роля в състава на морската вода: NaCl придава солен вкус на морската вода, MgCl2 придава горчив вкус.
Общото количество соли, разтворени в морската вода, изразено във фракции на хиляда части морска вода по тегло, се нарича соленост. Нормалната соленост на океана е 35 ‰. Общо 5 X 10 16 тона твърди вещества се разтварят в Световния океан; тези соли, разпределени равномерно по повърхността на Земята, биха образували слой с дебелина 45 m и разпределени само по повърхността на сушата - слой от 153 m.
Соли има и в сладките води на реки и езера. Но тук свършва приликата между „прясна“ и морска вода. Прясната вода се различава рязко от морската не само по общото количество разтворени вещества, но и по своя състав и съотношението на съставните й части. Хлоридите доминират в морската вода, а карбонатите в речната вода.
Само по съдържание на сулфат морските води са близки до речните. Има и друга съществена разлика: морските води са хомогенни навсякъде, докато сладките води се различават значително една от друга в зависимост от скалите, през които текат, или от количеството органично вещество, което носят.
Концентрацията на соли в различните части на Световния океан не е еднаква, но колебанията в солеността се появяват главно в горните слоеве на океана, които са пряко повлияни от различни фактори, които допринасят за промяната в концентрацията. Започвайки средно от дълбочина 1000 м и надолу до дъното, солеността остава почти непроменена.
Основната причина за увеличаване на солеността във всички географски ширини е изпарението от водната повърхност. Изпарението зависи от влажността на въздуха, от температурата на въздуха, която от своя страна се контролира от процесите на инсолация и от наличието или отсъствието на вятър. Колкото по-сух е въздухът, толкова по-висока е температурата, толкова по-малко облачност, толкова по-висока е скоростта на вятъра и по-ниско е атмосферното налягане, толкова по-енергично се извършва изпарението и толкова по-силна е общата концентрация на морска вода. Солеността на водата също се увеличава, когато нейният обем намалява поради охлаждане, до момента на образуване на лед; когато се образува лед, солеността може също да се увеличи поради отделянето на соли от леда.
Причините за обезсоляването на морската вода са: атмосферни валежи, които, като че ли падат на повърхността на морето, разреждат водата, притокът на речна вода от сушата, възлизащ годишно на 30-40 хиляди кубически метра. км и топенето на айсберги (ледени планини). Този обезсолен слой обикновено остава на повърхността. Въпреки това, много студената вода в резултат на топенето на айсбергите, въпреки факта, че е прясна, може да потъне до определена дълбочина, тъй като плътността на водата на повърхността зависи не само от солеността, но и от температурата (на дълбочини, налягане се добавя към това).
Познавайки общите условия на промяната на солеността, е лесно да се създаде обща картина на разпределението на солеността на повърхността на Световния океан.
В екваториалната спокойна зона солеността е най-малка: в Атлантическия океан 35 ‰, в Тихия океан 34 ‰. Това се обяснява с факта, че в спокойната зона доминират спокойствие и дебели облаци, а валежите също са в изобилие. Първите два фактора отслабват изпарението, третият фактор пряко допринася за обезсоляването.
В района на пасатите се наблюдава максимална соленост, тъй като има много силно изпарение, което се стимулира от постоянни ветрове, сух въздух и липса на облачност; освен това валежите падат в незначителни количества. Соленост в Атлантическия югозапад от Азорските острови до 37,9 .9, на изток от Бразилия до 37,6 ‰, в Тихия океан в северното полукълбо до 35,9 ‰, в южното полукълбо в същия океан до 36,9 ‰, в в Индийския океан също до 36,9 ‰.
Полярните морета се характеризират с ниска соленост, тъй като има слабо изпарение поради ниските температури и топенето на лед обезсолява водата.
В Тихия океан намаляването на солеността на юг и на север от пасатите е съвсем правилно. Намаляването на солеността на юг от пасатите в южното полукълбо в Атлантическия и Индийския океан е също толкова правилно. Но разпределението на солеността в Атлантическия север от района на пасат в северното полукълбо има особени особености: тук, покрай студените течения, ниската соленост се спуска на юг, а високата соленост се простира далеч на север по топлите течения. С други думи, изохалин (т.е. линии с еднаква соленост) образуват силни завои по протежение на разпространението на студени и топли морски течения.
Химията на някои морета, както и водните тела на сушата, се различава значително от химията на Световния океан. В реките солеността е незначителна и колебанията й също са незначителни. Езерата се делят на пресни и солени; първите са много подобни на реките, вторите се характеризират с концентрация на сол, която се колебае в много широк диапазон: солеността тук може да бъде по-малка, отколкото в океана, но може да бъде много по-висока, до състояние, близко до насищане. В някои морета колебанията на солеността са по-широки, отколкото в Световния океан. Тук не можем да разгледаме по-подробно всички тези различия.
Както знаете, прясната вода замръзва при 0 ° и достига най-високата си плътност при + 4 °. В солена вода, съдържаща същите соли като в морската вода.
Ако изградите графика, където солеността се нанася върху абсцисата, а температурите се нанасят върху ординатата, тогава и двете температури (замръзване и най-висока плътност) ще бъдат изобразени с наклонени линии. Тъй като температурата на най-високата плътност се променя бързо, наклонът на двете линии ще бъде различен и те ще се пресичат в някаква точка, което, както се оказва, съответства на соленост от 24,7 ‰ или по-точно 24,695 ‰. Пресичането на двете наклонени линии означава, че температурите на замръзване и най-голямата плътност в точката на пресичане са еднакви и равни - 1 °, 3 или по-точно - 1 °, 332.
Вляво от пресечната точка температурата с най-висока плътност е по-висока от точката на замръзване, а вдясно точката на замръзване е по-висока от температурата на най-голямата плътност. В този случай промените в количествения ред (увеличаване на солеността) в определена точка (при соленост 24,7 ‰) водят до качествена промяна във физическите свойства на морската вода.
Разликите, описани по-горе, са много важни за появата на процеси на вертикална циркулация. Нека солеността на водата да бъде по-малка от 24,7 ‰. Ако повърхностният му слой има температура, по-ниска от температурата на най-висока плътност, тогава нагряването на този слой ще доведе до увеличаване на плътността му. Ако повърхностният слой има температура, по-висока от температурата на най-висока плътност, тогава увеличаването на плътността на слоя се постига чрез охлаждането му. С други думи, във всички случаи, когато температурата на слоя се доближава до температурата с най-висока плътност, този слой става по-тежък и следователно има тенденция да се спуска в дълбочина, т.е. до появата на вертикална циркулация. Напротив, премахването на температурата на слоя от Температурата с най-висока плътност (чрез охлаждане или нагряване) води до намаляване на плътността, до нейното стабилно положение на повърхността.
Ако солеността на водата е повече от 24,7 ‰, тогава тук увеличаване на плътността настъпва само когато тя се охлажда до точката на замръзване (ако изключим случаите на преохлаждане на водата) и намаляване на плътността само при нагряване над точката на замръзване . Следователно циркулацията може да бъде причинена само от един процес - охлаждане на слоя.
Цялата вода съдържа разтворени в нея газове, главно кислород, азот, въглероден диоксид, понякога сероводород и метан. Съдържанието на газове във вода се дължи или на проникването им във водата от атмосферата, или на факта, че те се образуват в самия резервоар в резултат на химични и биологични процеси.
Източникът на кислород във водата е неговата абсорбция (разтваряне) от атмосферата и освобождаване от водни растения по време на фотосинтезата.
Основният източник на азот във водата е атмосферният азот. Тъй като азотът е инертен газ, той остава в свободно състояние във водна атмосфера.
Абсорбцията на газове от атмосферата става на повърхността на резервоара; образуването на газове в резервоара се случва в различни точки на последния. От всички тези огнища на първоначален приток или първоначално образуване газовете се разпространяват по цялото водно тяло чрез дифузия (много бавно) и главно посредством хоризонтална и вертикална циркулация на водата - в последния случай, очевидно, до дълбочината, до която вертикалната циркулация се простира ... По този начин, потъването на студени, наситени с кислород околополярни води в дълбочина и тяхното придвижване от подводно течение към ниските ширини е основният източник на кислород в дълбоките слоеве на океана под екватора и тропиците.
Ние заключаваме, че сладката вода е по-богата на въздух от солената.
Количеството газове, разтворени във вода, зависи както от солеността, така и от температурата. И в двата случая с повишаване на температурата и солеността това количество намалява. Следователно сладките и студени води съдържат повече газове, отколкото солената и топлата вода.