Области исследований

Углеродный цикл: баланс кислотности — щелочности. Мы уже давно установили, что относительная кислотность проб морской воды, взятых из мест, весьма удаленных одно от другого, меняется только в весьма узком интервале. На шкале водородного показателя pH, где значение 1 соответствует высокой кислотности, а 14 — высокой щелочности, значения для океана редко бывают меньше 7,8 или больше 8,3. Таким образом, вода в океане слегка щелочная (нейтральное значение равно 7) и устойчиво сохраняет такое состояние. Какие химические процессы поддерживают это почти нейтральное состояние pH морской воды? Такие процессы часто называют «буферными». То обстоятельство, что эти буферные, сглаживающие процессы в океане действительно происходят, имеет огромное значение для поддержания жизни, иначе она не могла бы процветать в «бульоне» ни со слишком высокой кислотностью, ни с высокой щелочностью.

Химики-океанологи выделяют сейчас два главных буферных механизма с разной шкалой времени. Диффузия углекислого газа из атмосферы в океан и диссоциация солей, таких как карбонат кальция СаС03, приводят в действие краткосрочный механизм. Попадая в морскую воду, молекула С02 легко соединяется с молекулой воды, образуя НС03 и свободный ион Н+ или С03 и два иона Н+. Избыточные ионы Н+ изменяют состояние воды в направлении большей кислотности, но в их присутствии диссоциирует больше карбоната кальция и образуются новые молекулы С03, которые затем соединяются с избыточными Н +, образуя больше НС03 и т.д., что ведет к снижению числа свободных ионов Н+ и приводит воду в состояние, близкое к нейтральному.

Измерение скоростей этих химических процессов стало постоянной задачей химиков-океанологов. Она осложняется неоднозначной ролью морских растений и мелких животных, строящих раковины и панцири из карбоната кальция. Их жизнедеятельность удаляет как ионы кальция, так и ионы карбоната и таким образом изменяет баланс этих ионов в буферном механизме. Следовательно, химики и биологи океана должны совместно исследовать процессы, изменяющие уровень pH.



Значительно более долгосрочный характер носят буферные процессы в поверхностном слое океана, определяемые скоростью, с которой известковые раковины и кости выпадают в осадок. Некоторая часть этого органогенного вещества растворяется и снова попадает в морскую воду; растворение усиливается с давлением, так что в глубоких частях океана СаС03 никогда не накапливается. Напротив, глубинные воды растворяют этот материал, который встречается в детрите, опускающемся на дно. Поэтому глубинные воды, выходящие в конце концов на поверхность, выносят с собой добавочное количество карбоната кальция на пользу органической продукции в эвфотической зоне, но осуществление этого цикла требует сотен лет.

Углеродный цикл и проблема избыточного С02. В настоящее время известно, что за период времени в несколько сотен лет или больше океаны могут поглотить и удалить — через осадки — весь избыточный углекислый газ, попадающий в атмосферу при сжигании минерального топлива. В этой связи химик-океанолог изучает скорости переноса вещества между воздухом и морем, между морской водой и донными осадками и между морской водой и обитающей в ней биотой. По существу точное определение океанов как «стоков» будет получено только тогда, когда будут определены скорости процессов массопереноса.

Химия загрязняющих веществ. В последнее десятилетие химики измерили концентрации свинца в поверхностных водах океана, и оказалось, что они во много раз выше, чем в глубинных водах. Источник свинца — в основном его добавки в бензине. После сгорания топлива частицы свинца выбрасываются в воздух и распределяются по поверхности океанов преимущественно вдоль поясов западных ветров; в конце концов они пересекают границу воздух — море и захватываются океаном. Изучаются также циклы метана и фреона. Метан в воздухе, как и углекислый газ, участвует в создании парникового эффекта (гл. 1). Фреон, как полагают, взаимодействует с озоном в верхней атмосфере и тем самым изменяет интенсивность ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности моря (гл. 14).

Количество и ассортимент новых химикатов, выпускаемых человечеством в прибрежные воды и атмосферу, непрерывно возрастают. Нас очень беспокоит, как это скажется на океане — системе, поддерживающей жизнь (гл. 19). Это многодисциплинарная проблема очень сложного характера. Для ее решения необходимо, чтобы физики-океанологи составили карты течений и выяснили, когда происходят крупные наводнения. В этих исследованиях должны участвовать геологи, так как глинистые частицы, приносимые в суспензии в стоке рек, — это составные части химических реакций, в результате которых загрязняющее вещество экстрагируется и связывается в прибрежных осадках. Биологи в свою очередь изучают, как загрязняющие вещества меняют жизненные циклы морских организмов.

GEOSECS. В 1969 г., после того как было обнаружено, что загрязняющие вещества, образующиеся при ядерных испытаниях в атмосфере, попадают в глубинные области океана, химики-океанологи и геохимики выдвинули проект, имевший целью закартировать химические характеристики на всех глубинах океанов. Логика была проста: нам нужно получить химическое описание глубокого океана «дочеловеческой» эры. Иначе мы уже никогда не узнаем, какими были глубинные области океанов в химическом отношении до начала человеческой деятельности. Проект получил название GEOSECS (Geochemical Ocean Sections Study — Геохимическое изучение океана на разрезах) и включал проведение серии рейсов вдоль и поперек всех крупных океанических бассейнов общей протяженностью 160 тыс. км с 316 станциями сбора данных на всех глубинах вплоть до океанического дна (рис. 3.7).

К концу проведения работ по этому проекту стоимость каждой станции составила 100 тыс. долл. [2].

Один из примеров новой информации, приобретенной в результате работ по проекту GEOSECS, — карта концентрации радия-226 в глубинных водах Тихого океана (рис. 3.7). Радий-226 — это встречающийся в природе радиоактивный элемент, поступающий в океан снизу, со дна, как продукт химического превращения в толще осадков. Интерпретация полученной картины изолиний содержания 226Ra показала, что древнее всех вод глубинные воды северо-восточной части Тихого океана.

Радиохимия. Роль радиохимии в океанологии неуклонно возрастает. Она используется для анализа стабильных изотопов, таких как 18О, или радиоактивных изотопов, таких как 14С или 95Sr. Стабильные изотопы применяют для прослеживания движений водных масс. Например, отношение числа атомов 18О/16О в хорошо перемешанной морской воде постоянно; когда морская вода испаряется, образующийся вначале водяной пар уносит атомы кислорода из жидкой воды в том же соотношении. Однако вследствие того, что атомы 18О «тяжелее», они раньше выпадают в виде атмосферных осадков. Следовательно, воздушная масса, двигаясь со стороны моря во внутренние районы суши, приносит туда дожди, в которых отношение 18О/16О становится все меньше. Например, в снегу, падающем во внутренних районах Антарктиды, указанное отношение изотопов исключительно мало, оно сохраняется в составе снега и льда, медленно скользящих обратно в море в виде ледников и откалывающихся от них тающих айсбергов. Таким образом, обнаружив где-либо, что отношение изотопов кислорода ниже среднего, можно считать, что где-то недалеко происходит приток большего, чем обычно, количества пресной воды. Специалисты пользуются этим методом для установления времени «взрывного» высвобождения талой воды под шельфовым ледником Росса на западе Антарктиды — это случается примерно раз в 6 лет; зная это, мы можем оценить и скорость, с которой морские течения доставляют тепло в Антарктиду. Такие сведения чрезвычайно необходимы для изучения влияния Антарктиды на климат всей Земли.

Тритий 3Н — радиоактивный изотоп водорода, превосходящий обычный водород по массе в три раза. Этот изотоп образовался в атмосфере в больших количествах при ядерных взрывах на большой высоте, проводившихся в 1950-х годах, и сейчас присутствует в морской воде. Имея период полураспада 12,3 года (объяснение термина см. на рис. 19.23), тритий стал в настоящее время важным индикатором скорости формирования и движения водных масс. На рис. 3.8 показано распределение трития в северной части Атлантического океана в 1972 г.

Расположение изолиний однозначно свидетельствует о том,, что поверхностные воды (в которых прежде всего и распространился тритий, попав из атмосферы) погружаются в районе Гренландии и медленно перемещаются на более глубоких уровнях в южном направлении (см. также рис. 11.3).

Сбор данных химиками-океанологами.Основным методом получения данных всегда был отбор проб воды для последующего анализа в лаборатории. Для определения солености теперь требуется только около 50 см3 морской воды; в этом анализе измеряется электропроводность жидкости. В то же время для определения концентраций радиоактивных элементов надо взять огромное количество воды — до нескольких тонн. Это сильно ограничивает число проб, которое можно отобрать и обработать в одной экспедиции.

Химики-океанологи измеряют также концентрации растворенных питательных веществ. Эти данные крайне необходимы для биологических исследований. В общем нас больше всего интересует содержание этих веществ в близповерхностных водах, и химикам удалось разработать автоматические приборы для такого анализа, позволяющие непрерывно следить за содержанием питательных веществ и растворенных газов при прямой прокачке воды из моря через судовую лабораторию (рис. 3.9).






Дата добавления: 2019-05-06; просмотров: 67;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2019 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.006 сек.