课6溶解气体海洋化学省公开课一等奖全国示范课微课金奖

第五章海水中气体

海水中除含有大量无机物和有机物以外，还溶解一些气体，如O2，CO2，N2等。研究这些溶解气体起源和分布对了解海洋中各种物理和化学过程起着主要作用。第1页氧是海洋学中研究得最早、最广泛一个气体，它在深海中分布与海水运动相关，经过氧分布特征能够了解海水物理过程，如水团划分和年纪以及运动速度等。海水中溶解氧含量与海洋生物活动相关，海洋植物光合作用放出氧气，呼吸作用消耗氧气。“保守气体”或非活性气体：不参加海水化学和生物反应，如氮、氢和其它惰性气体。有利于深入了解空——海界面物理过程，以及深入了解氦经由海底放射核素输入过程。微量气体，如甲烷和一氧化碳等，气体全球性循环过程。放射性气体，如3H,222Rn,3He，可用来研究海——空界面气体交换，同时也是海水运动中有用气体指示剂。第2页海水中所溶解气体主要来自大气、海底火山活动、海水中发生化学反应和其它过程（比如生物过程尤其是光合作用和呼吸作用、有机物分解和放射性蜕变，以及地球化学过程等）。水循环、风化作用、光合作用、生物腐败分解、波浪和海流等很多海洋学和海洋化学过程都与大气相关。大气与海洋相比有相同之处，比如二者都是流体，它们大多数成份逗留时间比地球寿命短等。

第3页DissolvedGasesOtherthanCO2

CompositionoftheAtmosphereDissolutionofGasesinSeawaterAir-SeaExchangeNonreactiveGasesinSeawaterOxygenintheOceansOtherNonconservativeGasesChemicalOceanography第4页SourcesofGasestotheOceans1.Atmosphere(N2,O2)2.VolcanicActivity(H2S)3.ChemicalProcessesBiologicalActivity

(NO3

N2O)RadioactiveDecay(226Ra

222Rn)

ChemicalOceanography第5页CompositionoftheAtmosphere

N2 0.7808 O2 0.2095 Ar 0.00934 CO2 0.00033 Ne 1.8x10-5 He 5.2x10-6 Kr 1.1x10-6 Xe 8.7x10-8 Pollutants (O3,SO2,NO2,CH4,CO)ChemicalOceanographyGas MoleFraction第6页大气中温室气体第7页MeasurementMethods1.EquilibratingorstrippingwithaninertgasandmeasurebyG.C.,M.S.

orI.R.(N2,CH4,CO2,Ar,etc.).2.Directmeasurementinsolution(O2byWinklerMethod).

Mn2++2OH-

Mn(OH)2 Mn(OH)2+O2

MnO(OH)2 MnO(OH)2+4H++3I-

Mn2++I3-+3H2O I3-+2S2O32-

2I-+S4O62-

ChemicalOceanography第8页BasicConcepts

Dalton’sLaw

PT=PN2+PO2+PAr+PH2O

IdealGasLaw

PG=nGRT/VG R=82.05

cm3atmmol-1deg-1

Henry’sLaw

P’G=KG[G] [G]=P’G/KG

P’G(soln)=PG(air)ChemicalOceanography第9页第10页SolubilityofGasesinSeawater

[G]=kPG=(1/KG)PGPG(atm)=PG(solution)ln[G]=a0+a1Sln[G]=b0+b1/T+b2lnT

ln[G]=A1+A2(100/T)+A3ln(T/100)+S[B1+B2(T/100)+B3(T/100)^2]

ChemicalOceanography第11页EffectofSalinityonSolubilityGas Water SeawaterHe 2.2nM 1.8nMNe 10 7.9Kr 5.8 4.0Xe 0.9 0.2N2 823

M 616

MO2 456 349Ar 22 17CO2 23 20

ChemicalOceanography第12页EffectofTemperatureonSolubilityGas 0oC 25oCHe 1.8nM 1.7nMNe 7.9 6.6Kr 4.0 2.3Xe 0.6 0.4N2 616

M 383

MO2 349 206Ar 17 10CO2 20 9

ChemicalOceanography第13页EffectofTemperatureChemicalOceanography第14页第15页第16页CausesofDeviationsfromExpectedSolubility1.DeparturesfromStandardAtmosphere2.DissolutionofAirBubbles3.AirInjection4.Differential(微分，微分)HeatandGasExchange5.MixingofWatersofDifferentTemperatures6.Radiogenic（放射性，无线电广播）orPrimordial（原始）AdditionChemicalOceanography第17页RoleofBubblesChemicalOceanography第18页EffectofMixingWaterofDifferentTemperatureChemicalOceanography第19页GasSaturationAnomaliesChemicalOceanography第20页HeliuminDeepWatersChemicalOceanography第21页HefromHydrothermalVentsChemicalOceanography第22页HeliuminDeepWatersChemicalOceanography第23页Flux（流量，通量）ofGasAcrosstheAir-SeaInterfaceChemicalOceanography第24页DoubleLayerGasFluxModelChemicalOceanography第25页FluxofGasAcrosstheAir-SeaInterface

Flux=dC/dt=D(dC/dz)Flux=(D/K

)[PG(air)-PG(soln)]Flux=k[PG(air)-PG(soln)]=kPG

kisexitcoefficient

isboundarylayerthickness KisHenry’sLawconstant Disdiffusioncoefficient

ChemicalOceanography第26页影响气体交换原因

温度气体溶解度风速季节等第27页温度影响大气与海洋间气体交换主要决定于气体在两相中分压差。当海水温度升高或降低都会使水体中气体分压发生改变，因而引发气体在两相间交换。Downing等人(1955)发觉：CO2交换速率随温度升高而直线增加，25℃海水交换速率大约是5℃两倍。第28页气体溶解度影响不一样气体在海水中溶解度各不相同。所以，对于某一恒定分压差，各种气体进人海洋扩散通量相差悬殊，比如O2,CO2和N2通量比率是2：70：1。第29页风速影响

Downing等人(1955)研究了空气和水之间交换速率。他们指出：风速在0-3m·s-1时，交换速率几乎保持恒定（在液体表面上方5cm处测量）。而风速在3-13米／秒时，交换速率快速增加。第30页季节影响进入或逸出海洋表层气体体积随季节性改变是相当大。Redfield(1948)曾预计，在秋季和冬季平均约有30×104cm3O2进入美国缅因湾海洋表层，在春季和夏季却以对应体积从海洋表面逸出。其中大约2/5是光合作用产生氧，其余是因为在温暖水中氧溶解度降低而逸出。第31页DiffusionCoefficients(105cm2s-1)Gas MW 0oC 24oCHe 4 2.0 4.0Ne 20 1.4 2.8N2 28 1.1 2.1O2 32 1.2 2.3Ar 40 0.8 1.5CO2 44 1.0 1.9N2O 44 1.0 2.0Kr 84 0.7 1.4Xe 131 0.7 1.4Rn 222 0.7 1.4

ChemicalOceanography第32页BoundryLayerThicknessChemicalOceanography第33页ExitCoefficientasFunctionofWindSpeedChemicalOceanography第34页第35页nitrogen:mostcommondissolvedgasinseawater(accountsfor50%ofthedissolvedgasinwater)majorsourceisdiffusionfromtheatmosphereisextremelyimportantforproteinandaminoacid（氨基酸）productionbyorganisms,butisonlyavailablewhenfixed(oxidized)intoaformlikeammonia（氨基，氨水）--thenitcanbeconvertedintonitrate（硝酸盐,硝酸钾）Theprincipalgasesdissolvedinseawaterareoxygenandnitrogen.Nitrogenisconservative(likethe11majorelements;concentrationchangesbymixingonly)第36页OxygenintheOceansChemicalOceanography第37页OxygeninSurfaceWatersChemicalOceanography第38页EffectofPhotosynthesisonO2ChemicalOceanography第39页第40页EffectofUpwellingonO2ChemicalOceanography第41页OxygeninAtlanticOceanWatersChemicalOceanography第42页OxygenDistribution-Atlantic第43页OxygeninPacificOceanWatersChemicalOceanography第44页OxygeninIndianOceanWatersChemicalOceanography第45页ApparentOxygenUtilizationChemicalOceanographyAOU=[O2]Calc-[O2]MeasAOU>0O2isbeingusedAOU<0O2isbeingproduced第46页AOUinDeepOceanWatersChemicalOceanography第47页AOUinPacificWatersChemicalOceanography第48页ModelingO2ProfilesChemicalOceanography第49页OxygenUtilizationRatesChemicalOceanography第50页oxygen:majorsourceofdissolvedoxygenisthephotosyntheticactivityofplantslivinginthesurfacelayeroftheocean

seawatercanholdonlyasmallfractionoftheoxygenthatisproduced,soexcessoxygenisdiffusedintotheatmosphere(oceanprovides50%oftheatmosphere'soxygencontent)theamountofdissolvedoxygencanbeincreasedbyturbulence(watermovement)causedbywavesandsurfacewindsdissolvedoxygendeclinesrapidlyasdepthincreasesbecausetherateofphotosynthesisisslowedbydecreasinglightintensitythermoclinescanalsodecreasethelevelofoxygenduetothehighlevelofbacterialrespirationatthisdepth,butbelowthethermocline,theamountofdissolvedoxygenmayincreaseagainsinceoxygensolubilityisincreasedbycolderwatersandtherearefewerorganismslivingindeepwaters(andmosthavelowermetabolicrates)第51页CarbonMonoxideSaturationChemicalOceanography第52页HydrogenintheOceansChemicalOceanography第53页MethaneintheOceansChemicalOceanography第54页MethaneinCoastalWatersChemicalOceanography第55页N2OandO2inArabianSeaChemicalOceanography第56页CarbonMonoxideChemicalOceanography第57页carbondioxide:canenterseawaterintwoways:fromtheatmosphere(oceanscontain60timesmo