《海洋中的常量元素》PPT课件.ppt

标准海水 标准海水英文名称 standardseawater 定义 氯度值被精确测定的用作测定氯度标准的天然海水 经过放置和严格的过滤处理 调整其氯度为19 38 左右 其氯度值准确测定到0 001 的大洋海水 密封于玻璃安瓿瓶中 国际上以此作为测定海水的氯度和盐度的统一标准 使用标准海水代替其他标准溶液来测定海水氯度的优点 可以避免受原子量改变的影响 1937年国际上制作了一批氯度为19 381 的标准海水 为使用方便 有的国家根据国际标准海水 制备了本国的标准海水 中国标准海水由山东海洋学院生产 其氯度值与中国海平均氯度数值相近 在17 19 左右 海水盐度 Salinityofsedwater 海水中含盐量的一个标度 海水的重要特性之一 也是研究海洋的一个重要参数 多年来 海水盐度的定义 历经数次变更 第17届国际物理海洋协会 IAPSO 会议通过决议 取消 1978年国际盐标 名称 将盐度分为绝对盐度和实用盐度 并把实用盐度定为习惯上的盐度定义 且定名为 1978年实用盐度 海水盐度 绝对盐度 SA 为海水溶解物质的质量与海水质量的比值 但它实际上不能直接测定 而用实用盐度代替 实用盐度 S 即盐度 是在一个大气压 即101325帕斯卡 和15 时海水的电导率 与在同温 1968年国际实用温标 和同压下标准氯化钾溶液所含KCl的质量比 恰为32 4356 10 3的电导率的比值 比值为K15 海水盐度 利用比值按下式确定海水的实用盐度 取a0 0 0080 a1 0 1692 a2 25 3851 a3 14 0941 a4 7 0261 a5 2 7081 ai 35 000 2 10 3 S 42 1O 3 上式反映了海水的离子浓度 这一盐度新定义已在国际上广泛应用 并制定了盐度与电导比 K15 的查算表 世界大洋的平均盐度约为35 10 3 但各海洋并不一致 由于降水 蒸发 洋流性质和陆地径流等因素的影响 海洋表面盐分水平分布的总趋势是从亚热带海区向高 低纬递减 即赤道附近盐度较低 南北纬20 附近盐度最高 然后随纬度的增加而降低 盐度的测定 LS28T折光盐度计用于快速测定含盐 氯化钠 溶液百分比浓度或折射率可应用于海洋 渔场 养殖场使用的海水 水族馆使用的海水或人工海水 储藏鱼使用的盐水等的浓度管理 测试范围 0 28 阿贝折光仪 阿贝尔折光仪可直接用来测定液体的折光率 定量地分析溶液的组成 鉴定液体的纯度 同时 物质的摩尔折射度 摩尔质量 密度 极性分子的偶极矩等也都可与折光率相关连 因此它也是物质结构研究工作的重要工具 阿贝折光仪 基本原理当一束光从一种各向同性的介质m进入另一种各向同性的介质M时 不仅光速会发生改变 如果传播方向不垂直于界面 还会发生折射现象 阿贝折光仪 盐度的测定 比重计 盐度与比重的关系 盐度是指单位体积中所含盐分的数量 不同地域的海水 不同水温的海水 盐度是不同的 比重是指海水的密度除以蒸馏水的密度 由于蒸馏水的密度等于1 所以海水的比重永远大于1 海水的盐度和比重 在不同的水温中 数值是变化的 如在珊瑚礁海域 在水温25 时 测得天然海水的比重介于1 022 1 023间 天然海水的盐度介于3 3 3 5 间 盐度与比重的关系 实际上 海水的盐度是很难测定的 它是通过液体比重计和导电度计的数值推算出来的 导电度法是使用电导仪测定海水中的带电离子的数量 以此来推断海水的盐度 比重法是依据海水的密度与纯水的比值来推算海水的盐度 它在海水观赏鱼的饲养中应用较普遍 测试时要注意当时的水温 只有在同一水温测得的数值才可以比较 这样控制了海水比重的稳定 也就是控制了海水盐度的变化 盐度与比重的关系 不同温度下 海水比重与盐度的换算关系水温 t 高于17 5 时 S 1305 比重 1 t 17 5 0 3水温 t 低于17 5 时 S 1305 比重 1 17 5 t 0 2 电导法 盐度计ES 421 电导法 盐度计ES 421 电导法 使用漏斗形传感器 电导法 测量范围 0 00 10 0 盐度g 100g 最小标度 0 01 盐度0 00 2 99 0 1 盐度3 0 10 0 测量精度 0 05 盐度0 00 1 00 5 盐度1 00 10 0 温度补偿 10 40 平衡电桥式电导仪 Rx 电导池 和R1 R2 R3组成四个桥臂 当电桥调至平衡时 则下式成立 式中 R3 R2 均为标准电阻 称为倍率电阻 其比值可为0 1 1 10 100 以适应不同测量范围的要求 R1 带刻度盘的标准可变电阻 测量时 调节R1 使电桥输出端AB间电压减小至零 由平衡指示器得知 则电桥达到平衡 故从R1的刻度盘上可以读出被测溶液的电阻 Rx 或电导 Lx 海洋与温室效应 海洋不仅是能量的蓄存器 而且是二氧化碳的蓄存器 海洋变冷导致二氧化碳由大气融入海洋 海洋变热导致二氧化碳有海洋释放到大气 弱潮汐导致表面海洋变热 大气变热 海洋中二氧化碳逸出 二氧化碳温室效应导致变暖加强 强潮汐导致表面海水变冷 大气降温 二氧化碳逐渐融入海洋 强潮汐导致强震海啸 大气 海洋进一步变冷 二氧化碳被海洋大量吸收 温室效应减弱 气候再次变冷 这一循环可以解释俄国科学家发现的二氧化碳变化规律 海洋与温室效应 起源于海底火山和热液喷发而导致的海洋整体热循环是全球变暖的重要过程 它导致海洋增温和大量二氧化碳气体由岩石圈和海洋排向大气 使全球变暖 我们称之为 海洋锅炉效应 全球变暖导致两极冰盖融化和赤道海平面上升200m 赤道海洋地壳均衡下降66m 赤道洋壳周长收缩近400m 封闭了地下流体通道 减少CO2排放 温暖期的大量降水也减少大气的CO2含量 酸雨将碳元素化合在石灰岩中 大气中CO2减少和地球内能释放中断 导致全球变冷和两极冰盖扩展 变冷的海水吸收更多的二氧化碳 导致温室效应进一步减弱 这就是冰期与间冰期交替发生的自组织过程 人类活动加速全球变暖 加快海平面上升 因而也就关闭了地下二氧化碳排放的开关 加快冰期的到来 海洋与温室效应 海洋具有长期积累冷能和热能的地球物理机制 因此在全球气候变化中其不可替代的作用 全球变暖不仅与温室气体的增加对应 而且与海洋底部温度的增加准确对应 深而冷的海水对调解全球气候起至关重要的作用 两极冰盖压裂椭球地壳 就像我们踩扁一个桔子使其破裂 打开了地下CO2排放开关 反之 冰盖融化导致的海平面上升 压迫海洋地壳下降 关闭了地下二氧化碳排放的开关 温室效应与海洋锅炉效应密切相关 海水的PH值 海水pH值是海水酸碱度的一种标志 海水的pH值大于7 所以海水呈弱碱性 海水pH值因季节和区域的不同而不同 夏季时 由于增温和强烈的光合作用 使上层海水中二氧化碳含量和氢离子浓度下降 于是pH值上升 即碱性增强冬季时则相反 pH值下降 在溶解氧高的海区 pH值也高 反之 pH值就低 海水的PH值 海水水pH的分布特征是 春季高 秋季低 表层较高 底层较低 海水的PH值 海水的pH值约为8 1 其值变化很小 因此有利于海洋生物的生长 海水的弱碱性有利于海洋生物利用CaCO3组成介壳 海水的CO2含量足以满足海洋生物光合作用的需要 因此海洋成为生命的摇篮 海水的PH值 海水从大气中吸收CO2的能力很大 而且最初它所能吸收的CO2是现金的几倍 要准确估计海水吸收CO2的能力是较为困难的 因为整个体系处于动态之中 CO2与水生成碳酸 碳酸离解得到碳酸氢根和碳酸根 这是海水中溶解碳的主要化学形式 CO2浓度随深度增加 因为藻类光合作用消耗CO2而在呼吸中放出CO2 另一个原因是CO2的溶解度随压力增加而增加 海水的PH值 海水中的二氧化碳含量约为2 2mmol kg CO2的各种形式随pH的变化而变化 海水的pH值等于8 1 以HCO3形式为主 其次是CO3 而CO2 H2CO3含量很低 在CO2 H2CO3中则是以溶解CO2为主 H2CO3更少 常常把CO2 H2CO3称为 游离CO2 写为CCO2 T 海水的PH值 pH标度pH实用标度影响海水pH的因素 pH标度 1909年Sorensen首次提出了pH标度 定义为pHs logCH 这里是使用H 的浓度标度的 在1924年离子活度概念提出后 他又提出一个用活度标度的定义 pHa logaH 这两种标度之间差一个常数 25 C时 pHa pHs 0 027 pH实用标度 实际上单独离子的活度无法测定 为了得到一个确定的值 需要确定一个实用标准 即根据现有的pH标准液 pHs 对比未知溶液的pHpH pHs E Es F 2 303RT这里的pHs标准一般采用0 05mol dm苯二甲酸氢钾的水溶液在25 C时pH值 即4 00 影响海水pH的因素 大洋水的pH变化主要是由CO2的增加或减少引起的 海水的pH一般在8 0 8 5的范围变化 主要取决于二氧化碳的平衡 在温度 压力 盐度一定的情况下 海水的pH主要取决于H2CO3各种离解形式的比值 海水缓冲能力最大的时候pH应当等于碳酸第一 第二级离解常数 反过来 当海水pH值测定后也可以推算出碳酸的浓度 当盐度和总CO2一定时 由于碳酸第一 第二级离解常数随温度 压力变化 所以海水的pH值也随之变化 计算出不同温度 压力下的碳酸第一 第二级离解常数值 就可以计算出pH 在实验室测定海水的pH时 如果温度 压力与现场海水不同 则需要进行校正 温度校正可用下式pHt1 现场 pHt1 测定 0 0113 t2 t1 影响海水pH的因素 深度改变引起的压力的变化由于碳酸的离解度随压力的增大而增大 PH值减小 影响海水pH的因素 PH与温度的关系温度升高 由水电离出的氢离子和氢养根离子的浓度都会生高 pH指氢离子的浓度 所以温度生高pH值会降低 pH lgC H 影响海水pH的因素 海水温度对酸碱度的影响单从温度对碳酸解离常数的影响考虑 海水温度的分布和变化对海水的pH应该起重要作用 并且pH的分布形式也应该表现出与温度相反的趋势 但是海水温度对pH的影响还从另外的方面表现出来 一例如从春季开始的升温过程有利于海洋浮游植物的光合作用 在这种生化过程中 海洋浮游植物吸收利用海水中的游离CO2 同时 海水中的C032 浓度相对地升高 于是导致海水pH值升高 海水温度升高也会加快有机物的分解过程 这后一过程对pH影响与光合作用相反 还必须注意到如下的事实 在增温过程 中海水的垂直稳定增大 以致于出现温跃层 这就使得在上部光合层中出现的CO2亏缺和温跃层 影响海水pH的因素 以下因有机分解引起的CO2盈余难以达成平衡 使得海洋上层的pH总是比温跃层以下高 在浅水区 冬半年的垂直对流混合使得包括pH在内的所有物化性质变得均匀一致 在深水区 温 盐跃层常年存在 跃层以下的海水更新的速度很慢 那里底层海水中的溶解CO2处于高度过饱和状态 pH值很低 温度对pH的影响主要是通过生化过程表现出来 例如上层海水的温度高 海洋浮游植物的光合作用强 那里的pH值也高 温跃层以下海水温度低 光合作用弱 CO2的产生大于消耗 海水pH就低 在大多数情况下 海水pH的时空分布与温度是一致的 影响海水pH的因素 盐度对PH值的影响盐度对海水pH的影响仅在降水和径流量较大的近岸和河口区才显示出它的重要性 而降水只有对水交换条件较差的局部海域的pH值才可能造成一定影响 但由于海水的缓冲作用 这种影响也不会太大 陆源酸性物质的注入则更应引起重视 从总体上pH的分布与盐度的分布 有一种相反的趋势 例如海水上部混合层的盐度低 pH反而高 温 盐跃层以下盐度一般比上层高 而pH却普遍地较低 影响海水pH的因素 生物地球化学过程的影响在物理因素中 海水温度在决定海水pH的水平和分布状况方面具有重要意义 但是温度对海水pH的作用往往通过它对海水浮游生物生长周期的支配作用表现出来 8 也就是说 海洋浮游植物的光合作用以及死生物 生物排泄物和陆源有机质的分解才是决定调查区海水pH的主要因素 当水中浮游生物大量繁殖时 由于光合作用迅速消耗水中的二氧化碳 引起PH上升 而生物呼吸作用又大量积累二氧化碳 引起PH下降 生物地球化学过程在控制海水pH方面所起的重要作 影响海水pH的因素 季风对海水PH值的影响以我国南海为例 我们知道底部的海水的酸性要比海表海水酸性大 当夏季风偏弱时 南海夏季海盆尺度的上升流减弱 故海表的pH值会升高 另一方面 同时发生的冬季风偏强 会带来更多北面干燥大陆的风尘 营养元素 微量元素如铁等 进入南海 提高了海表生产力 这也会促使海表pH的升高 影响海水pH的因素 压力对pH的影响海水压力对海水pH影响是不大的 至于pH随深度增加而降低的普遍现象 虽有压力的微弱影响 但并非主要的因素 海水碱度 海水总碱度是指在温度20 时 中和一升海水所需酸的毫克当量数 单位 毫克当量 升 符号 ALK 海水碱度 海水的碱度 可以用来衡量海水中所含弱酸离子的多少 利用有关碱度的资料 可以区分水团和海流 研究海区水系的来源等 大洋水的总碱度一般为2 4毫克当量 升左右 根据海水组成恒定性的特性 海水AlK与Cl 也有恒定的比值 其比值称 碱氯比值 或 比碱度 碱氯比值或比碱度 碱氯比值 AlK 毫克当量 升 Cl 克 千克 根据碱氯比值的变化 可知淡水与海水的混合情况 海水碱度平均8 4 随着大气CO2增高 PH值正在降低 这将影响海洋生物的生存 原因是 海洋酸化将使钙不能沉积 使海洋生物