Физико химические свойства морской воды

Морская вода является очень разбавленным (по весу не более 4% твердых веществ веществ) и почти полностью ионизированным раствором. В морской воде, кроме твердых веществ, растворены газы азот, кислород, углекислый газ, в некоторых случаях сероводород. Изменение соотношения между отдельными ионами и количество растворенных в морской воде газов зависят от жизнедеятельности морских организмов, распада донных отложений фотосинтеза

морских растений, деятельности бактерий. Все эти процессы вызывают относительно большие изменения, но они касаются главным образом веществ, находящихся в воде малых количествах.

Замечательным свойством морской воды является постоянство солевого состава - неизменное соотношение

между главными ионами, определяющими ее химико-физические свойства в открытых частях океанов.

По данным С. В. Бруевича соотношение между главнейшими ионами морской воды определяется следующими значениями, приведенными в табл. 9.

По своему солевому составу, как видно из табл. 10, морская вода резко отличается от речной. Соленость морской воды.

В морской воде идут непрерывные химико-физические, биологические процессы, направленные к изменению ее общего солевого состава (концентрации), которая выражается через величину солености.

Соленость морской воды – масса в граммах всех твердых растворенных неорганических веществ, содержащихся в 1 кг морской вод. Ее размерность – промилле – обозначается %о.

Установлена связь между соленостью и относительной теплопроводностью морской воды:

S=? fn(R15) (19), где S - соленость, %о;

R15 – относительная теплопроводность при температуре 15? С.

Под относительной электропроводностью понимается отношение удельной электропроводности проб морской воды к удельной электропроводности воды, имеющей соленость ровно 35%о.

Зависимость (19) позволяет применять новый метод измерения солености приборами, построенными на бесконтактном индуктивном принципе измерения. В настоящее время используется сколько типов судовых солемеров — ГМ-55, ГМ-56 и ГM-65, которые определяют соленость воды по ее относительной электропроводности.

Причины, влияющие на величину солености. Соленость морской воды изменяется от притока пресных вод и выпадения осадков, интенсивности испарения воды, образования и таяния льдов и процессов перемешивания вод.

Речные воды и атмосферные осадки распресняют морские воды и уменьшают величину солености. При испарении с поверхности моря в атмосферу уходят частицы чистой воды, и соленость морких вод увеличивается. Таяние морских льдов уменьшает соленость, так как морские льды, как правило, имеют меньшую соленость, чем соленость окружающих вод.

При образовании льдов наблюдается увеличение солености так как в лед переходит только часть солей, содержащихся морской воде. Перемешивание поверхностных вод с глубинными под воздействием волнения или изменения температуры приводит к повышению или понижению солености поверхностных вод. Изменение величины солености наблюдается и с глубиной, причем в общем случае соленость с глубиной увеличивается. В отдаленных от берегов районах Мирового океана средняя соленость морских вод равна 35 %о. Эту величину иногда называют нормальной соленостью. В морях величина солености как на поверхности

так и на глубине меняется в значительно больших пределах, чем в океане.

Температура морской воды.

Суммарное действие прямой и рассеянной солнечной радиации, эффективное излучение системы вода-атмосфера, конвекция и испарение являются основными факторами, которые непрерывно изменяют температуру морской воды. Кроме того, на степень нагретости воды в прибрежной зоне оказывают влияние сток речных вод, а в отдельных районах выпадение интенсивных осадков.

Основными процессами, повышающими температуру поверхностных слоев моря, являются поглощение морем прямой и рассеянной солнечной радиации; излучение из более теплой атмосферы в более холодный океан; конденсация влаги из атмосферы над более холодным океаном; выпадение осадков, более теплых, чем поверхностные слои океанов.

Основными процессами, понижающими температуру поверхностных вод, являются излучение океана в атмосферу; испарение;

конвекция в атмосфере; выпадение на поверхность океана более холодных осадков.

Процессы, изменяющие температуру вод Мирового океана, не идут изолированно друг от друга. Они совершаются одновременно, причем часто в различных направлениях и с меняющейся по силе интенсивностью.

Так, нагревание поверхностных вод лучистой энергией Солнца усиливает испарение, которое в свою очередь охлаждает поверхностные слои.

Удельная теплоемкость и теплопроводность.

Удельной теплоемкостью воды называется количество тепловой энергии, потребное для нагревания 1 г дистиллированной воды от 14, 5° до 15, 5°. Дистиллированная вода обладает удельной теплоемкостью, равной 4, 1910 Дж/(кг*град).

С увеличением солености теплоемкость незначительно уменьшается.

Морская вода, обладая теплоемкостью значительно большей, чем у других веществ, поглощает огромное количество тепла. Это обстоятельство имеет первостепенное значение для климатических условий на Земле. Для нагревания 1 см3 морской воды (S=35%o; t =20C) на

один градус затрачивается 3, 902 Дж/(кг*град). Этим количеством тепла можно было бы на 1°С повысить температуру 3200 см3

Ярким примером климатообразующего фактора является переогромных запасов тепловой энергии течением Гольфстрим " Мексиканского залива к берегам Европы, благодаря чему климат этого района значительно мягче, чем на этих же широтах в Северной Америке.

Морская вода обладает очень незначительной теплопроводностью. Если коэффициент молекулярной теплопроводности серебра равен единице, то для морской воды при 18 °С он составляет 0, 00134. С увеличением температуры теплопроводность морской воды возрастает, а с увеличением солености — незначительно уменьшается.

Скорость процесса теплопроводности очень мала. Поэтому прогрев поверхностных вод за счет процесса теплопроводности достигает в умеренных широтах за летнее время всего порядка 10 м.

На большие глубины тепловая энергия поступает в основном вследствие перемешивания водных масс, прежде всего под влиянием ветра и волнения.

Кроме того, теплые воды с поверхности могут опускаться на глубину в результате конвективного перемешивания при изменении плотности водных масс.

Плотность морской воды.

В 1980 г. принято новое уравнение состояния морской воды (УС-80), обязательное к использованию всеми организациями с 1 января 1982 г. С введением этого уравнения понятие плотности в океанографии совпадает с физическим понятием плотности.

Плотность морской воды о имеет размерность в системе СИ кг/м3.

Одновременно для решения ряда практических задач океанографии и судовождения сохраняется понятие относительной плотности d.

Относительная плотность — отношение массы единицы объема воды при температуре t °С к массе единицы объема дистиллированной воды при 4 °С.

Относительная плотность морской воды зависит от температуры и солености. С понижением температуры и возрастанием солености относительная плотность воды увеличивается.

Так как значение относительной плотности всегда немного больше единицы и первый десятичный знак всегда нуль, то для удобства записи применяют величину условной плотности

(20)

Для этого, как видно из соотношения (20), отбрасывают единицу у числа, обозначающего относительную плотность, а запятую переносят на три цифры вправо. Так, например, по “Океанологическим таблицам” относительная плотность морской воды d при t = 20 °С и солености S = 35%0 в полном выражении составляет 1, 0247781. Условная плотность в этом случае запишется 24, 7781.

Величина, обратная плотности р морской воды, называется удельным объемом:

a=1/р.

Условный удельный объем определяется

Vt = (а -0, 9)103. (21)

Изменение осадки судов в водах различной плотности.

В зависимости от значений плотности суда меняют свою осадку что видно из соотношения…………

В Мировом океане встречаются следующие характерные изменения относительной плотности морской воды и соответствующие осадки судов.

1) Вода малой солености (< 5%о) и высокой температуры (> 20°С). В этом случае она имеет минимальную относительную плотность порядка 1, 0009. Такие условия характерны для летних опресненных вод в устьях рек. Осадка судов в таких районах наибольшая.

2) Вода имеет малую соленость (< 5%о) и низкую температуру (1— 3°С). В этом случае наблюдается пониженная относительная плотность воды порядка 1, 0032. Это характерно для осеннего времени в районе портов, расположенных в устьях рек. Осадка судов близка к наибольшей.

3) Воды имеют высокую соленость (> 30%()) и сильно прогреты (20—25 °С). Относительная плотность воды высокая —

1, 0217.

Такие условия наблюдаются в тропической и экваториальной зонах океанов. Осадка судов близка к минимальной.

4) Воды имеют высокую соленость (> 30%о) и низкую температуру (1—3°С). Относительная плотность воды максимальная— 1, 0264.

Подобные условия встречаются у Мурманского побережья в осенне-зимний период. Осадка судов минимальная.

5) Воды имеют соленость менее 20 %0 и высокую температуру порядка 20—30 °С. Относительная плотность близка к среднему значению.

Условия характерны для Азовского и Черного морей в летнее время. Осадка судов средняя.

Сведения о плотности воды в открытых морях можно снять с карт № 19 и 20 2-го тома Морского Атласа или же соответствующих карт “Атласов океанов”.

В портах необходимо использовать фактические данные о плотности воды, так как в прибрежной зоне под воздействием сгонов и нагонов вод, притока пресных вод, воздействия приливо-отливных течений плотность вод может меняться в очень больших пределах.

В портах сведения о фактической плотности морской воды могут быть получены на портовой гидрометеостанции.

При наличии на судне походной гидрохимической лаборатории плотность воды может быть определена непосредственно на судне.

При расчете изменения осадки судов при океанских рейсах следует учитывать зоны, районы и сезонные периоды, которые приведены в Правилах о грузовой марке морских судов, издание Морского Регистра СССР, 1972 г.

Распределение солености, температуры и плотности на поверхности Мирового океана.

Во всех океанах распределение солености поверхностных вод по широтам примерно одинаково.

Как видно из рис. 43, минимум солености наблюдается вблизи экватора, что вызвано выпадением обильных осадков в этом районе. Области максимальной солености находятся в широтах около 20° с. ш. и ю. ш., где наблюдаются наибольшие величины разности испарения и выпадающих осадков. Далее к полюсам соленость вновь уменьшается, достигая минимальных значений в прибрежной зоне Арктических морей, в которых уменьшение солености обусловлено распресняющим влиянием стока вод крупных рек и таянием морских льдов в летнее время.

Колебания солености в открытом океане в течение года не превышают 0, 2 %о.

Максимум среднегодовых значений температуры воды на поверхности Мирового океана наблюдается севернее экватора в районе термического экватора, где температура воды достигает

25-26 °С. К югу и северу от термического экватора температура

воды постепенно понижается.

Характерной особенностью распределения температуры поверхностных вод является, во-первых, то, что в северном полушарии воды значительно теплее, чем на соответствующих широтах южного полушария, и, во-вторых, в северном полушарии годовые изотермы поверхностных вод испытывают весьма значительные отклонения от параллели; в умеренных широтах у западных берегов материков отмечаются отрицательные отклонения в значениях температуры воды, а у восточных — положительные.

Эти явления обусловлены в первую очередь переносом водных масс существующими системами поверхностных течений. Так, холодные антарктические воды свободно проникают в южные широты всех трех океанов, в то время как на севере Тихого океана проникновению холодных вод и льдов из Северного Ледовитого океана мешает узкий Берингов пролив. На северо-восточную часть Атлантического океана оказы-вает отепляющее воздействие теплое течение Гольфстрим.

Рис. 43. Распределение химико-физических свойств воды по широтам в Мировом океане:

/—соленость; 2 — плотность; 3—температура воды

Средняя температура на поверхности Мирового океана равна 17, 4, что превышает на 3 градуса среднюю температуру воздуха на земном шаре. Самым теплым океаном является Тихий (+19, 1град), наиболее холодным - Северный Ледовитый (+ 1, 7°). Минимальная температура воды на поверхности океана наблюдается у берегов Ньюфаундленда (-2°), а максимальная - в Красном море (+36°).

Колебания температуры воды на поверхности океанов достигают весьма больших величин. Максимум годовых амплитуд наблюдается в широтах 40° с. ш. и 30—40° ю. ш. Так, в западных частях Атлантического и Тихого океанов на широте 40° годовая амплитуда достигает 18°. Значительные годовые амплитуды температуры воды наблюдаются в замерзающих морях умеренных широт. Так, в восточной части Балтийского моря летом температура поверхностных вод 17—20°, а зимой — 0, 5°. В Азовском море температура воды в августе достигает 25—26°, а с декабря по февраль море покрыто льдом.

Распределение относительной плотности воды в океанах зависит в первую очередь от температуры морской воды. Поэтому изменения плотности воды по широтам сходно с изменением температуры.

Наибольшая относительная плотность отмечается в высоких широтах (1, 0275). К экватору относительная плотность уменьшается, достигая наименьших значений в области термического экватора (1, 0220).