海水的化学组成.pdf

1 第二章 海水的化学组成第二章 海水的化学组成 第1节 引言第1节 引言 一 宇宙的形成一 宇宙的形成 距今约140亿年前 一个比针尖还小的点发生大爆 炸 宇宙从此诞生 伽莫夫 1948 物质粒子摆 脱了能量的束缚 开始自发地排列起来形成现在的 宇宙 距今约140亿年前 一个比针尖还小的点发生大爆 炸 宇宙从此诞生 伽莫夫 1948 物质粒子摆 脱了能量的束缚 开始自发地排列起来形成现在的 宇宙 第2节 海洋的形成第2节 海洋的形成 二 太阳的形成二 太阳的形成 距近约50亿年前 一快由气体和尘埃组成的巨大 烟云在万有引力的重压下崩塌瓦解 由于原子核发 生熔化 使得云团中心处的温度变得非常高 密度 也很大 太阳由此形成 距近约50亿年前 一快由气体和尘埃组成的巨大 烟云在万有引力的重压下崩塌瓦解 由于原子核发 生熔化 使得云团中心处的温度变得非常高 密度 也很大 太阳由此形成 2 三 地球的形成三 地球的形成 太阳的引力开始对星云的其余部分产生吸引 随着 太阳的逐渐增大 引力越来越强 直到除了零星碎 片和部分气体 因为距离遥远和游移速度极快而保 持孤立外 其余都被控制 各布其位 最后 这些 粒子和气体凝聚在一起 各星球包括地球就形成了 太阳的引力开始对星云的其余部分产生吸引 随着 太阳的逐渐增大 引力越来越强 直到除了零星碎 片和部分气体 因为距离遥远和游移速度极快而保 持孤立外 其余都被控制 各布其位 最后 这些 粒子和气体凝聚在一起 各星球包括地球就形成了 地球形成初期 是一个炽热的火球 温度高达 5000 C 同时不断地经受数百万颗陨石的冲击 地球形成初期 是一个炽热的火球 温度高达 5000 C 同时不断地经受数百万颗陨石的冲击 地球形成初期是一个炽热的火球地球形成初期是一个炽热的火球 三 地球的形成三 地球的形成 地球燃烧了100万年后才逐渐冷却 质量较大的 铁 镍等金属物质在地心处沉积下来 形成一个灼 热的 直径3000多公里的地核 质量较轻的矿物 质则不断上升 形成厚约3000多公里的地壳 地球燃烧了100万年后才逐渐冷却 质量较大的 铁 镍等金属物质在地心处沉积下来 形成一个灼 热的 直径3000多公里的地核 质量较轻的矿物 质则不断上升 形成厚约3000多公里的地壳 地球形成的时间 地球形成的时间 距今46亿年距今46亿年 地球形成时间的证据 地球形成时间的证据 古老的矿物结晶体古老的矿物结晶体 锆石 测定年代为44亿年前 锆石 测定年代为44亿年前 四 月亮的形成四 月亮的形成 年轻的地球与一个火星大小的 高速运动的星体发生 碰撞 冲击力将地球表层掀掉一大块 这块被剥离的 熔岩状星体外壳溅落到太空中 绕着地球的轨道飞行 10亿年后才被地球引力揉成一个小星球 即为月球 年轻的地球与一个火星大小的 高速运动的星体发生 碰撞 冲击力将地球表层掀掉一大块 这块被剥离的 熔岩状星体外壳溅落到太空中 绕着地球的轨道飞行 10亿年后才被地球引力揉成一个小星球 即为月球 证据 证据 在月球上发现地球的星体残片以及其他来自 地球的物质 在月球上发现地球的星体残片以及其他来自 地球的物质 五 海洋的形成五 海洋的形成 地球形成初期 火山活动持续不断 底下熔融的 岩浆从地表爆发出来 释放出CO 地球形成初期 火山活动持续不断 底下熔融的 岩浆从地表爆发出来 释放出CO2 2 N N2 2 CH CH4 4 H H2 2和水蒸汽 此为地球的脱气作用 和水蒸汽 此为地球的脱气作用 约40亿年前 大气层中以水蒸气 CO约40亿年前 大气层中以水蒸气 CO2 2为主 随 着地球的继续冷却 聚集在大气中的水蒸气转化 为一场持续几百万年的滂沱大雨 加上带有冰的 彗星不断地落在地球上 水蒸气的冷凝及冰的融 化形成液态水 水累积在低洼地带 形成海洋 为主 随 着地球的继续冷却 聚集在大气中的水蒸气转化 为一场持续几百万年的滂沱大雨 加上带有冰的 彗星不断地落在地球上 水蒸气的冷凝及冰的融 化形成液态水 水累积在低洼地带 形成海洋 海洋形成时间 海洋形成时间 38亿年前 38亿年前 3 地球的演化历史地球的演化历史 1 水的特殊性质及其意义1 水的特殊性质及其意义 第3节 海水的化学组成第3节 海水的化学组成 海水中含量最多的元素是氢和氧 水 海水中含量最多的元素是氢和氧 水 1 异常高的冰点与沸点 导致其高的热容量 1 异常高的冰点与沸点 导致其高的热容量 水所具有的 高热容量对于维持地球的气候与生命具有重要意义 夏天的时 候 热被储存在海洋中 而到冬天的时候再将其辐射回大气 由此使地球的气候较为舒适 这也是为何沿海地区夏天没有内 陆地区来得热 而冬天没有内陆地区来得冷的原因 水所具有的 高热容量对于维持地球的气候与生命具有重要意义 夏天的时 候 热被储存在海洋中 而到冬天的时候再将其辐射回大气 由此使地球的气候较为舒适 这也是为何沿海地区夏天没有内 陆地区来得热 而冬天没有内陆地区来得冷的原因 水分子具有异常高的熔点和沸点水分子具有异常高的熔点和沸点 2 异常的密度变化 2 异常的密度变化 对于中纬度地区水中生物的生存 具有重要意义 当冬季接近的时 候 表层水变冷 密度的增加导 致这些水往深层下沉 此过程不 断连续进行直至水温降低至4 C 以下 在更低温度的时候 进一 步的冷却使水的密度降低 此时 下沉停止了 如果气温达到 0 C 冰首先在表层形成 并成 为下覆水体与大气冷却的屏障 延缓深层水的结冰 因此 结冰 是从表层往下进行的 这也就保 护了水中鱼类等生物免于被冻死 对于中纬度地区水中生物的生存 具有重要意义 当冬季接近的时 候 表层水变冷 密度的增加导 致这些水往深层下沉 此过程不 断连续进行直至水温降低至4 C 以下 在更低温度的时候 进一 步的冷却使水的密度降低 此时 下沉停止了 如果气温达到 0 C 冰首先在表层形成 并成 为下覆水体与大气冷却的屏障 延缓深层水的结冰 因此 结冰 是从表层往下进行的 这也就保 护了水中鱼类等生物免于被冻死 水密度随温度的变化水密度随温度的变化 4 3 水是极好的溶剂 3 水是极好的溶剂 NaCl在水中的溶解在水中的溶解 4 水中盐分的增加导致冰点的降低 以及达到最大密度的温度降低 4 水中盐分的增加导致冰点的降低 以及达到最大密度的温度降低 冰点与最大密度温度与盐度的关系冰点与最大密度温度与盐度的关系 5 水中盐分的增加导致渗透压增加 5 水中盐分的增加导致渗透压增加 水中的高离子浓度使海水较纯水具有高的渗透 压 渗透压的差异会导致水分子跨越半透膜从低盐 区域向高盐区域扩散 当两边盐浓度相同时 水的 净扩散就停止了 最典型的天然半透膜就是细胞 膜 许多海洋生物细胞内体液的盐含量与海水是接 近的 这就是他们几乎不用耗费多的能量来维持体 内与海水之间的盐浓度平衡 哺乳动物血液中的盐 浓度与海水也是接近的 3 5 wt v 这并不奇 怪 因为生物看来是在海洋中演化起来的 水中的高离子浓度使海水较纯水具有高的渗透 压 渗透压的差异会导致水分子跨越半透膜从低盐 区域向高盐区域扩散 当两边盐浓度相同时 水的 净扩散就停止了 最典型的天然半透膜就是细胞 膜 许多海洋生物细胞内体液的盐含量与海水是接 近的 这就是他们几乎不用耗费多的能量来维持体 内与海水之间的盐浓度平衡 哺乳动物血液中的盐 浓度与海水也是接近的 3 5 wt v 这并不奇 怪 因为生物看来是在海洋中演化起来的 一 原始海水的化学组成一 原始海水的化学组成 自地球上海洋形成起 就进行着蒸发自地球上海洋形成起 就进行着蒸发 冷凝构成的 水循环 水对其接触的岩石进行风化 岩石变成了 碎屑 元素溶于水中 由此形成了海水 冷凝构成的 水循环 水对其接触的岩石进行风化 岩石变成了 碎屑 元素溶于水中 由此形成了海水 海水中的大多数阳离子组分由此而来 通过海洋中 发生的各种过程 海水生成沉淀物和成岩作用等 海水中的大多数阳离子组分由此而来 通过海洋中 发生的各种过程 海水生成沉淀物和成岩作用等 原始海水组成可视为由0 3 M HCl溶液与岩石接触 溶解Ca Mg K Na Fe Al等元素 中和后 Fe Al等以氢氧化物沉淀 把无机物和有机物沉积到海底 原始海水组成可视为由0 3 M HCl溶液与岩石接触 溶解Ca Mg K Na Fe Al等元素 中和后 Fe Al等以氢氧化物沉淀 把无机物和有机物沉积到海底 第3节 海水的化学组成第3节 海水的化学组成 5 30亿年前海水化学组成与现代海水的比较30亿年前海水化学组成与现代海水的比较 3 083 13 210 7现代海水现代海水 1730 4723 2913 2430亿年前海水 亿年前海水 K Na Ca2 Mg2 年代年代 30亿年前的海水 其K浓度比现代海水来得高 而Na浓度比现代海水来得 低 原因在于 玄武岩与HCl作用生成黏土矿物 它们与海水发生Na 0亿年前的海水 其K浓度比现代海水来得高 而Na浓度比现代海水来得 低 原因在于 玄武岩与HCl作用生成黏土矿物 它们与海水发生Na 和 K 和 K H H 的交换反应 结果是不仅使海水的pH 8 而且K的交换反应 结果是不仅使海水的pH 8 而且K 被黏土矿物吸 附 而水中Na 被黏土矿物吸 附 而水中Na 浓度升高 浓度升高 30亿年前的海水 其Mg Ca浓度比现代海水来得高 原因在于 海水变 成中性后 大气CO 30亿年前的海水 其Mg Ca浓度比现代海水来得高 原因在于 海水变 成中性后 大气CO2 2进入海水并开始有CaCO进入海水并开始有CaCO3 3沉淀形成 Mg同时也发生 共沉淀 结果海水中的Mg Ca浓度逐渐降低 沉淀形成 Mg同时也发生 共沉淀 结果海水中的Mg Ca浓度逐渐降低 海水中的许多阴离子 如F Cl Br I S As等 它们在海水中的含量远 比从岩石溶出的要多 可能是火山 海底热液等输入的缘故 海水中的许多阴离子 如F Cl Br I S As等 它们在海水中的含量远 比从岩石溶出的要多 可能是火山 海底热液等输入的缘故 二 海水化学组成的变迁二 海水化学组成的变迁 海水化学组成至少在几亿年内基本恒定 证据包括 海水化学组成至少在几亿年内基本恒定 证据包括 贝壳的Sr Ca比看 贝壳的Sr Ca比看 2 62 6亿年前海水的主要元 素和Sr Ca比与现代海水相近 亿年前海水的主要元 素和Sr Ca比与现代海水相近 寒武纪的沉积物看 可能寒武纪的沉积物看 可能 2020 亿年前海水中主要 化学组分浓度与现代相近 亿年前海水中主要 化学组分浓度与现代相近 三 现代海水的化学组成三 现代海水的化学组成 1 元素存在形态1 元素存在形态 海洋物质 1 颗粒物质 由海洋生物碎屑等形成的颗粒有机 物和各种矿物所构成的颗粒无机物 2 胶体物质 多糖 蛋白质等构成的胶体有机物 和Fe Al等无机胶体 3 气体 保守性气体 N 海洋物质 1 颗粒物质 由海洋生物碎屑等形成的颗粒有机 物和各种矿物所构成的颗粒无机物 2 胶体物质 多糖 蛋白质等构成的胶体有机物 和Fe Al等无机胶体 3 气体 保守性气体 N2 2 Ar Xe 和非保守气 体 O Ar Xe 和非保守气 体 O2 2 CO CO2 2 4 真正溶解物质 溶解于海水中的无机离子和分子 以及小分子量的有机分子 4 真正溶解物质 溶解于海水中的无机离子和分子 以及小分子量的有机分子 海洋物质的粒径区分标准海洋物质的粒径区分标准 0 001溶解物质溶解物质 0 001 0 1胶体胶体 0 1颗粒物质颗粒物质 颗粒粒径 颗粒粒径 m 类别类别 实际工作中 一般以孔径为实际工作中 一般以孔径为0 4 m的滤膜过滤海 水 被滤膜截留的称为颗粒物 通过滤膜的称为溶解 物质 其中包含了胶体物质 操作性定义 的滤膜过滤海 水 被滤膜截留的称为颗粒物 通过滤膜的称为溶解 物质 其中包含了胶体物质 操作性定义 6 各种物质粒径大小及对应的分离方法各种物质粒径大小及对应的分离方法 2 海水的元素组成2 海水的元素组成 1 常量元素 常量元素 大于大于0 05 mmol kg 有 有11种 阳离子 种 阳离子 Na K Ca2 Mg2 Sr2 阴离子 阴离子 Cl SO42 Br HCO3 CO32 F Si例外 分子 例外 分子 HBO3 以上占海水总盐分的以上占海水总盐分的99 2 微量元素 微量元素 0 05 50 mol kg 3 痕量元素 痕量元素 0 05 50 nmol kg和和 50 pmol kg 4 营养盐 营养盐 N P Si 主要营养盐 主要营养盐 Mn Fe Cu Zn 微量营养盐 等 微量营养盐 等 它们与海洋生物生长密切相关它们与海洋生物生长密切相关 5 溶解气体 溶解气体 O2 CO2 N2 惰性气体等 惰性气体等 6 有机物质 有机物质 海水化学组成 以浓度高低排序 海水化学组成 以浓度高低排序 g L mg L沙 黏土 海洋生物沙 黏土 海洋生物颗粒物质颗粒物质 mg L多糖 蛋白质多糖 蛋白质胶体胶体 ng L mg L氨基酸 腐殖酸氨基酸 腐殖酸溶解有机物质溶解有机物质 0 05 M Ni Li Fe Mn Zn Pb Cu Co U Hg 痕量金属痕量金属 MNO3 NO2 NH4 PO43 H4SiO4营养盐营养盐 nM mM N2 O2 Ar CO2 N2O CH3 2S H2S H2 CH4 气体气体 MHCO3 Br Sr2 F 微量离子微量离子 mMCl Na Mg2 SO42 Ca2 K 常量离子常量离子 浓度范围浓度范围例子例子类别类别 3 海水主要成分 常量元素 组成的恒定性3 海水主要成分 常量元素 组成的恒定性 1779年 年 Bergman最早对海水进行化学分析 最早对海水进行化学分析 1819年 年 Marcet首次指出 海盐的化学组成基本 恒定 首次指出 海盐的化学组成基本 恒定 1965年 年 Forchhammer测定世界海洋表层水测定世界海洋表层水Cl SO42 Mg2 Ca2 K Na 的浓度 发现元素 之间的比值仅存在很小变化 的浓度 发现元素 之间的比值仅存在很小变化 1884年 年 Dittmar分析了分析了 挑战者挑战者 号采集的样品 结果与 号采集的样品 结果与Forchhammer的相当吻合 但深水中的的相当吻合 但深水中的 Ca2 浓度比表层水高约浓度比表层水高约0 3 1965年 年 Culkin综合此前的数据 进一步证明海 水常量元素组成相对恒定的观点 综合此前的数据 进一步证明海 水常量元素组成相对恒定的观点 7 Marcet Dittmar恒比规律恒比规律 6 67 10 50 00128F 0 000230 00445B 0 000410 0079Sr2 0 003480 0674Br 非保守非保守0 142HCO3 0 020600 399K 0 021250 412Ca2 0 06681 294Mg2 0 14002 712SO42 0 55610 773Na 19 344Cl 与氯度比值 与氯度比值 g kg Cl 含量 含量 g kg S 35 离子离子 海水的大部分常量元素 其含量比值基本上是不变的海水的大部分常量元素 其含量比值基本上是不变的 不管盐度从一个地方到另一个地方如何变化 开阔 大洋水中的常量元素的比值几乎是恒定的 不管盐度从一个地方到另一个地方如何变化 开阔 大洋水中的常量元素的比值几乎是恒定的 0 05 0 15 0 35 0 55 AtlanticPacificIndian Na Cl K Cl Mg Cl Ca Cl 三大洋表层水主要阳离子与氯度的比值三大洋表层水主要阳离子与氯度的比值 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 Na ClK ClMg ClCa Cl Surface Deep 开阔大洋表层水与深层水主要阳离子与氯度的比值开阔大洋表层水与深层水主要阳离子与氯度的比值 水体在海洋中的移动速率快于加入或迁出元素 的化学过程的速率 因为加入或迁出水不会改 变海洋中盐的总量 仅仅是离子浓度和盐度的 改变 水体在海洋中的移动速率快于加入或迁出元素 的化学过程的速率 因为加入或迁出水不会改 变海洋中盐的总量 仅仅是离子浓度和盐度的 改变 海水中常量元素恒定的原因海水中常量元素恒定的原因 8 相对于海水混合速率 常量组分由河流输入海洋 的速率是慢的 这也称为保守行为 但河口区与 近岸污染严重海域例外 常量组分对海域生物过程 地球化学过程不敏 感 仅受控于物理过程 例外的情况包括 生物 过程对 相对于海水混合速率 常量组分由河流输入海洋 的速率是慢的 这也称为保守行为 但河口区与 近岸污染严重海域例外 常量组分对海域生物过程 地球化学过程不敏 感 仅受控于物理过程 例外的情况包括 生物 过程对Ca2 Sr2 的影响 结冰和融冰对的影响 结冰和融冰对Na SO42 的影响 海底热液的影响等 的影响 海底热液的影响等 恒比规律的引论 恒比规律的引论 恒比规律不适用于微量或痕量组分 恒比规律没有历史继承性 并非指海水之过去和 未来都有相似的规律 恒比规律表明常量组分具有保守性质 并不是说 这些组分未经任何化学等反应 仅仅是因为它们 的浓度大到足以掩盖这些过程的效应 恒比规律不适用于微量或痕量组分 恒比规律没有历史继承性 并非指海水之过去和 未来都有相似的规律 恒比规律表明常量组分具有保守性质 并不是说 这些组分未经任何化学等反应 仅仅是因为它们 的浓度大到足以掩盖这些过程的效应 4 海水常量组分组成非恒定性的影响因素4 海水常量组分组成非恒定性的影响因素 1 河口区 河口区 河水输入对区域恒比规律有一定影响河水输入对区域恒比规律有一定影响 River Water Ca2 Mg2 SO42 Cl HCO3 SiO2 Na K Seawater Ca2 Mg2 SO42 Cl Na K 海水海水河水河水 2 缺氧海盆 缺氧海盆 细菌的还原作用 使细菌的还原作用 使SO42 被还原为被还原为 H2S 进而可通过形成 进而可通过形成FeS2 ZnS CuS等沉淀将硫 迁出水体 由此导致海水中的 等沉淀将硫 迁出水体 由此导致海水中的SO42 Cl 非常低 偏离 恒比规律 非常低 偏离 恒比规律 3 海冰的形成 海冰的形成 海冰形成时 仅少量离子结合进入 海冰 导致盐卤水常量组分比值偏离恒比规律 海冰形成时 海冰形成时 仅少量离子结合进入 海冰 导致盐卤水常量组分比值偏离恒比规律 海冰形成时 SO42 结合进入冰体 导致海冰具有 高 结合进入冰体 导致海冰具有 高SO42 Cl 比值 而残余水的比值 而残余水的SO42 Cl 比值较低 海冰形成过程中 比值较低 海冰形成过程中 CaCO3沉淀在海冰中的形成也 会导致 沉淀在海冰中的形成也 会导致Ca Cl比值的变化 比值的变化 9 4 矿物的沉淀与溶解 矿物的沉淀与溶解 海洋中文石或方解石的沉 淀会导致海水中Ca 海洋中文石或方解石的沉 淀会导致海水中Ca2 2 浓度 的减少 而文石或方解石 在深层水中的溶解可导致 Ca 浓度 的减少 而文石或方解石 在深层水中的溶解可导致 Ca2 2 浓度增加约1 这 就导致海水中Ca Cl比值 的变化 浓度增加约1 这 就导致海水中Ca Cl比值 的变化 NORMALIZED CALCIUM mM 10 3010 3410 3810 42 DEPTH m 0 1000 2000 3000 4000 5000 归一化后的Ca归一化后的Ca2 2 浓度 mM 浓度 mM 深度 m 深度 m 太平洋水体中Ca太平洋水体中Ca2 2 浓度的垂直变化 浓度的垂直变化 5 海底热液的输入 海底热液的输入 热液的注入对绝大多数海 水主要成分的影响很小 但最近对海底热液的研 究显示 一些常量组分也会发生变化 如Si和Ca 浓度的增加 Mg K B和SO 热液的注入对绝大多数海 水主要成分的影响很小 但最近对海底热液的研 究显示 一些常量组分也会发生变化 如Si和Ca 浓度的增加 Mg K B和SO42 42 浓度的降低等 此外 在大西洋海脊处观察到高的F Cl比值 也 被归因于海底火山气体的注入 浓度的降低等 此外 在大西洋海脊处观察到高的F Cl比值 也 被归因于海底火山气体的注入 6 与盐卤水的混合 与盐卤水的混合 不同矿物 如不同矿物 如NaCl 食盐 食盐 CaCO3 文 石 文 石 CaSO4 2H2O 石膏 是在蒸发的不 同阶段形成 即在不同时间以不同的速率迁出 石膏 是在蒸发的不 同阶段形成 即在不同时间以不同的速率迁出 7 海 海 气界面物质的交换 气界面物质的交换 每年通过气泡释放至大 气中的离子高达 每年通过气泡释放至大 气中的离子高达109吨 其中的绝大多数直接或间接 地返回海洋 在此过程中 由于气泡会将部分溶解组 分和颗粒物选择性地富集在其表面并离开海洋 导致 元素组成发生分馏 由风引起的海水飞沫的搬运 吨 其中的绝大多数直接或间接 地返回海洋 在此过程中 由于气泡会将部分溶解组 分和颗粒物选择性地富集在其表面并离开海洋 导致 元素组成发生分馏 由风引起的海水飞沫的搬运 Cl Br F 海面的蒸发 海面的蒸发 I Br S H2BO3 气体溶入海水中 气体溶入海水中 CO2 SO2 CH4 10 8 沉积物间隙水的影响 沉积物间隙水的影响 沉积物间隙水的一些常量组分与海水明显不同 例 如 沉积物间隙水的一些常量组分与海水明显不同 例 如 Ca2 浓度由于沉积物有机碎屑氧化释放出浓度由于沉积物有机碎屑氧化释放出CO2 进而导致 进而导致CaCO3的溶解而发生变化 的溶解而发生变化 SO42 因为细菌 作用还原为 因为细菌 作用还原为H2S而发生变化 另外 而发生变化 另外 K 和其它一些阳 离子会与黏土矿物进行离子交换而发生变化 间隙水 中的 和其它一些阳 离子会与黏土矿物进行离子交换而发生变化 间隙水 中的Mg2 由于被绿泥石吸附或与由于被绿泥石吸附或与CaCO3反应形成白云 石而浓度降低 反应形成白云 石而浓度降低 K 可通过长石的水解而富集 另外 温度对间隙水的组成也有较大影响 因为固 可通过长石的水解而富集 另外 温度对间隙水的组成也有较大影响 因为固 液分配 与温度有关 因此 受沉积物间隙水影响的水体 其 常量组分会发生一定的变化 液分配 与温度有关 因此 受沉积物间隙水影响的水体 其 常量组分会发生一定的变化 盐度提出的目的 衡量海水中溶解物质的总量 通过将海水干燥并称重来测定含盐量的做法存在困难 盐度提出的目的 衡量海水中溶解物质的总量 通过将海水干燥并称重来测定含盐量的做法存在困难 第4节 盐度与氯度第4节 盐度与氯度 H H2 2O COO CO2 2有机物有机物 CaCO CaCO3 3 CO CO2 2 CaO 2 CO CaO 2 CO2 2Ca HCOCa HCO3 3 2 2 MgO CO MgO CO2 2MgCOMgCO3 3 损失一些HCl损失一些HClCaClCaCl2 2 x xH H2 2OO 损失一些HCl损失一些HClMgClMgCl2 2 x xH H2 2OO 无变化 水分在较低温度下损失 无变化 水分在较低温度下损失 NaNa2 2SOSO4 4 x xH H2 2OO 无变化无变化K K2 2SOSO4 4 无变化无变化KClKCl 无变化无变化NaClNaCl 加热干燥后的变化加热干燥后的变化盐分盐分 对海水进行完全的化学分析是唯一可靠的测定海 水实际含盐量的方法 但是这个方法实在是太复 杂 难以实现常规的监测 对海水进行完全的化学分析是唯一可靠的测定海 水实际含盐量的方法 但是这个方法实在是太复 杂 难以实现常规的监测 寻找与海水盐度具有相关关系 而又能方便 准 确测量的其它要素就成为海洋学家努力的方向 寻找与海水盐度具有相关关系 而又能方便 准 确测量的其它要素就成为海洋学家努力的方向 一 克纽森盐度公式一 克纽森盐度公式 1902年 丹麦海洋学家Knudsen等人建立了海水盐度 氯度 定义 并给出了二者之间的经验公式 1902年 丹麦海洋学家Knudsen等人建立了海水盐度 氯度 定义 并给出了二者之间的经验公式 盐度 盐度 在1 kg海水中 将所有的碳酸盐转变为氧化物 所 有的溴和碘为等摩尔的氯所取代 且所有有机物被 氧化以后 所含全部固体物质的总克数 单位 g kg 以符号S 在1 kg海水中 将所有的碳酸盐转变为氧化物 所 有的溴和碘为等摩尔的氯所取代 且所有有机物被 氧化以后 所含全部固体物质的总克数 单位 g kg 以符号S 表示 表示 反应式 反应式 MgCOMgCO3 3 2HCl MgCl 2HCl MgCl2 2 CO CO2 2 H H2 2O Ca同 Mg HCO O Ca同 Mg HCO3 3 2 2 2HCl MgCl 2HCl MgCl2 2 CO CO2 2 H H2 2O Ca同 MgCl O Ca同 MgCl2 2 MgO 2HCl 2Br MgO 2HCl 2Br Cl Cl2 2 2Cl 2Cl Br Br2 2 2I 2I Cl Cl2 2 2Cl 2Cl I I2 2 有机物 有机物 COCO2 2 H H2 2O O 11 克纽森盐度并非完全等同于原始海水中溶解固体物质的总含量克纽森盐度并非完全等同于原始海水中溶解固体物质的总含量 对于1 kg 35对于1 kg 35 海水 克纽森盐度与实际溶解固体物质含量的差异海水 克纽森盐度与实际溶解固体物质含量的差异 156 156合计合计 1 2 1 21 2 mg kg1 2 mg kg有机物有机物 26 2626 mg kg26 mg kg硼酸硼酸 90 6 90 6CaCOCaCO3 3转化为CaO转化为CaO 37 5 37 5溴转化为氯溴转化为氯 变化 mg kg 变化 mg kg 计算值计算值物质物质 35 4579 91 67 3 79 91 1660 123 6 60 氯度 氯度 在1 kg海水中 当溴和碘为等摩尔的氯所取 代 所含氯的克数 单位 g kg 以符号Cl 在1 kg海水中 当溴和碘为等摩尔的氯所取 代 所含氯的克数 单位 g kg 以符号Cl 表示 表示 盐度与氯度之间的关系 盐度与氯度之间的关系 测定氯度 再根据海水主要成分组成的恒定性 规律来计算盐度 S 测定氯度 再根据海水主要成分组成的恒定性 规律来计算盐度 S 0 030 1 8050 Cl 0 030 1 8050 Cl 二 1969年电导盐度定义二 1969年电导盐度定义 1969年 英国国立海洋研究所Cox等通过测定氯度 再测定 水样与标准海水的电导比 得到 S 1969年 英国国立海洋研究所Cox等通过测定氯度 再测定 水样与标准海水的电导比 得到 S 1 80655 Cl 1 80655 Cl S S 0 08996 28 29720 0 08996 28 29720R R15 15 12 80832 12 80832R R15 152 2 10 6786910 67869R R15 153 3 5 98624 5 98624R R15 154 4 1 32311 1 32311R R15 155 5 其中 R其中 R15 15为15 C海水水样的电导率与该温度下35 0000 为15 C海水水样的电导率与该温度下35 0000 标 准海水的电导率比值 标 准海水的电导率比值 海水的电导率主要由常量离子 占99 8 所贡献 海水的电导率主要由常量离子 占99 8 所贡献 存在问题 1 仍是建立在海水组成恒定的基础上 为近似的 2 水样均采自200 m以浅 无法反映深海水成分的变化 存在问题 1 仍是建立在海水组成恒定的基础上 为近似的 2 水样均采自200 m以浅 无法反映深海水成分的变化 根据此前有关盐度与氯度的大量工作 科学家们 意识到有必要确立一种容易制作 性质稳定的溶 液作为海水盐度测定的标准 通过采用相同的测 定技术与标准物质 来确保不同实验室得到的盐 度数据的可比性 根据此前有关盐度与氯度的大量工作 科学家们 意识到有必要确立一种容易制作 性质稳定的溶 液作为海水盐度测定的标准 通过采用相同的测 定技术与标准物质 来确保不同实验室得到的盐 度数据的可比性 1978年 Lewis和Perkin提出用KCl水溶液作为海水 盐度测定的标准 并建议该KCl标准溶液的浓度应 使其电导率与氯度为19 374的平均海水的电导率 相同 由此形成了此后广泛采用的实用盐度定义 1978年 Lewis和Perkin提出用KCl水溶液作为海水 盐度测定的标准 并建议该KCl标准溶液的浓度应 使其电导率与氯度为19 374的平均海水的电导率 相同 由此形成了此后广泛采用的实用盐度定义 psu practical salinity unitspsu practical salinity units 三 1978年实用盐度 psu 三 1978年实用盐度 psu 12 定义 在1个标准大气压下 15 C的环境温度下 海水样品 与标准KCl溶液的电导比 以符号S表示 定义 在1个标准大气压下 15 C的环境温度下 海水样品 与标准KCl溶液的电导比 以符号S表示 为无量纲的量 为无量纲的量 对于任意温度下 对于任意温度下 由于海水离子组成 同一海水样品以氯度滴定测得的绝对 盐度S 由于海水离子组成 同一海水样品以氯度滴定测得的绝对 盐度SA A与78实用盐度的关系如下 S 与78实用盐度的关系如下 SA A a b S 其中a b为常数 依赖于海水组成 对于国际标准海水 a 0 b 1 00488 10 a b S 其中a b为常数 依赖于海水组成 对于国际标准海水 a 0 b 1 00488 10 3 3 5 2 15 0 i i i Sa R 5 0 5 0 2 2 15 1 15 R ii i Ti i Ti Rb TK T aS 四 海水密度四 海水密度 海水状态方程 参考相关书籍 海水状态方程 参考相关书籍 密度表示方法 sigma t 密度表示方法 sigma t t t t t 1 1000 其中 为海水密度 g cm 1 1000 其中 为海水密度 g cm3 3 理论计算海水密度与实际密度的差别 对于S 35 温度为4 C的海水 查表得其 理论计算海水密度与实际密度的差别 对于S 35 温度为4 C的海水 查表得其 t t为 27 81 因此 海水密度为 为 27 81 因此 海水密度为 t t 1000 1 27 81 1000 1 1000 1 27 81 1000 1 1 027811 02781 g cmg cm3 3 1000g 盐度为盐度为35 温度为 温度为4 C海水的密度的理论计算海水的密度的理论计算 981 17c1 0192b1000 00海水海水 16 172 165a35 00盐盐 965 001 0000965 00水水 计算的体积 质量 计算的体积 质量 密 度 密 度 cm3 密度 密度 g cm3 质量质量物质物质 实际密度大于计算密度的原因在于 水分子环绕阳离子形 成密度更大的溶液 称为溶剂电缩 实际密度大于计算密度的原因在于 水分子环绕阳离子形 成密度更大的溶液 称为溶剂电缩 a NaCl从从4 25 C的密度 的密度 b 质量质量 体积体积 c 水体积水体积 盐体积盐体积 海水体积海水体积 五 海洋盐度的分布五 海洋盐度的分布 沿岸海域盐度变化很大 主要受控于河流径流与地下水的 输入 沿岸海域盐度变化很大 主要受控于河流径流与地下水的 输入 在开阔大洋 表层水盐度主要受控于蒸发导致的水分损失 与降雨导致的水分增加之间的相对平衡 在开阔大洋 表层水盐度主要受控于蒸发导致的水分损失 与降雨导致的水分增加之间的相对平衡 表层水盐度表层水盐度 蒸发 降雨蒸发 降雨 蒸发 降雨 蒸发 降雨 cm 开阔大洋表层水盐度随纬度的变化开阔大洋表层水盐度随纬度的变化 13 全球海洋表层水盐度的空间分布全球海洋表层水盐度的空间分布太平洋盐度的断面分布太平洋盐度的断面分布 大西洋盐度的断面分布大西洋盐度的断面分布印度洋盐度的断面分布印度洋盐度的断面分布 14 海洋水体的运动主要由两个过程来完成 即平流 和湍流 海洋水体的运动主要由两个过程来完成 即平流 和湍流 平流作用导致水体经历大尺度的净替换 而湍流 作用是水分子的随机运动 平流作用导致水体经历大尺度的净替换 而湍流 作用是水分子的随机运动 海洋中绝大多数的平流输送是通过海流来实现 的 地转流驱动的表层水的运动速率一般介于 1 10 cm s之间 而热盐环流驱动的深层水的运动 速率一般仅0 01 0 1 cm s 海洋中绝大多数的平流输送是通过海流来实现 的 地转流驱动的表层水的运动速率一般介于 1 10 cm s之间 而热盐环流驱动的深层水的运动 速率一般仅0 01 0 1 cm s 第5节 海水化学组分的物理输送第5节 海水化学组分的物理输送 一 水团运动水团运动 平流作用可将水体在水平与垂直方向上运动 最 典型的例子即全球热盐环流 平流作用可将水体在水平与垂直方向上运动 最 典型的例子即全球热盐环流 平流作用速率比湍流作用来得快 水团往往可保 留住它们最后一次在海表面时所获得的温度 盐 度特征 因此 可以利用深层水团独特的温度 盐度信号来追踪热盐环流的路径 当然 相邻水 团之间的湍流混合最终将磨灭这些独特的温盐信 号 平流作用速率比湍流作用来得快 水团往往可保 留住它们最后一次在海表面时所获得的温度 盐 度特征 因此 可以利用深层水团独特的温度 盐度信号来追踪热盐环流的路径 当然 相邻水 团之间的湍流混合最终将磨灭这些独特的温盐信 号 全球海洋主要水团的温盐特征全球海洋主要水团的温盐特征 34 734 7 0 4 0 4南极底层水 AB 南极底层水 AB 34 8 35 134 8 35 12 42 4北大西洋深层与底层水 NAD和B 北大西洋深层与底层水 NAD和B 深层与底层水团深层与底层水团 35 1 35 735 1 35 78 128 12红海中层水 RSI 红海中层水 RSI 35 3 36 535 3 36 56 126 12地中海中层水 MI 地中海中层水 MI 33 8 34 733 8 34 73 73 7南极中层水 AI 南极中层水 AI 34 0 34 534 0 34 54 104 10北太平洋中层水 NPI 北太平洋中层水 NPI 34 7 34 934 7 34 93 53 5北极中层水 NAI 北极中层水 NAI 中层水团中层水团 34 6 34 734 6 34 70 20 2南大洋绕极水南大洋绕极水 33 9 34 733 9 34 73 103 10亚南极水亚南极水 33 5 34 433 5 34 43 63 6太平洋亚北极水太平洋亚北极水 34 6 34 734 6 34 74 54 5大西洋亚北极水大西洋亚北极水 高纬表层水团高纬表层水团 34 5 35 634 5 35 67 167 16印度洋水 IC 印度洋水 IC 34 5 35 634 5 35 610 1710 17西南太平洋水 SPC 西南太平洋水 SPC 34 0 34 934 0 34 96 186 18西北太平洋水 NPC 西北太平洋水 NPC 34 7 36 034 7 36 06 176 17南大西洋水 SAC 南大西洋水 SAC 35 1 36 535 1 36 58 198 19北大西洋水 NAC 北大西洋水 NAC 中心水团中心水团 盐度盐度温度 C 温度 C 水团水团类别类别 水体的湍流混合受密度梯度所控制 由于海水垂向 密度层化较强 因此 水平湍流作用比垂向湍流作 用所起作用的空间尺度更大 水体的湍流混合受密度梯度所控制 由于海水垂向 密度层化较强 因此 水平湍流作用比垂向湍流作 用所起作用的空间尺度更大 对于绝大多数海洋水平环流 从技术上是无法区分 水平平流与水平湍流在水体运动中各自的贡献 对于绝大多数海洋水平环流 从技术上是无法区分 水平平流与水平湍流在水体运动中各自的贡献 垂向湍流又称为涡动扩散 即与分子扩散相类似 用于支持涡动扩散的能量主要来自海面风的作用 相邻水团之间的剪切力和沉积物 垂向湍流又称为涡动扩散 即与分子扩散相类似 用于支持涡动扩散的能量主要来自海面风的作用 相邻水团之间的剪切力和沉积物 水界面的摩擦力 水界面的摩擦力 湍流混合作用比平流输送慢约10湍流混合作用比平流输送慢约103 3 10 105 5倍 倍 15 控制海水中保守性组分C浓度变化的等式 控制海水中保守性组分C浓度变化的等式