img-417193806
.pdfО. А . А л е к и н
Ю. И . Л я х и н
хим ия ОКЕАНА
Допущено Министерством высшего и среднего специального
образования СССР
в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности «Океанология»
Л ени нград Гидром етеоиздат |
1984 |
УДК 551.464(075.8)
Рецензенты:
д-р геогр. наук А. И. Симонов, Одесский гидрометеорологический институт (канд. хим. наук И. А. Кащеева,
канд. геогр. наук А. Е. Филонов).
Приводятся современные сведения о химическом составе вод океана, фор мах содержания в растворе отдельных компонентов, их происхождении, взаи модействии и характерных чертах режима, дается характеристика гидрохимии внутренних и окраинных морей СССР. Рассматриваются проблемы антропоген ных воздействий на гидрохимический режим морских акваторий, борьбы с за грязнениями, опреснения морских вод и т. д.
Для студентов вузов океанологических специальностей и специалистовпрактиков, занимающихся исследованием океанов и морей.
The text book for higher educational establishments “Chemistry of the ocean” by O. A. Alekin and Yu. I. Lyakhin gives modern information on chemical com position oi ocean water, forms of individual components content in the solution, their origin, interaction and characteristic regime features as well as characteristic of hydrochemistry of inland and marginal seas of the USSR. Problems of anthro pogenic impact on hydrochemical regime of seas, pollution prevention, deminerali zation of sea water etc. are considered.
Is intended for studens of higher educational establishments, studying oceano graphy, and practical specialists investigating oceans and seas.
A |
38-84 |
Ленинградский |
^ гидр0мете0и3дат i9s4 r. |
“ <02)-84 |
|
|
мк' |
'БИВЛИО!fe HA
ОТ АВТОРОВ
Знания по океанологии за последние 2—3 десятилетия на столько расширились и углубились, что среди комплекса океано логических наук стало естественным выделение самостоятельной научной дисциплины — химии океана, или химической океано
логии.
Если еще недавно некоторые монографии по океанологии лишь включали в качестве самостоятельной главы сведения по химии морской воды, то теперь проблемам химии океана посвя щаются специальные труды. Среди них надо упомянуть «Мор скую химию» Д. Ф. Мартина (1968 г.), «Введение в морскую химию» Д. П. Релея и Р. Шестера (1970 г.) и «Химию вод океана», составленную коллективом советских авторов (АН СССР, 1979 г.).
Химия океана введена теперь в качестве самостоятельного курса в учебную программу ряда высших учебных заведений, в той или иной мере связанных с изучением или использованием океана. В 1966 г. было создано первое специальное пособие по лекционному курсу «Химия океана», составленное одним из авто
ров данной книги, предназначенное для студентов, обучающихся по специальности «Океанология».
За прошедшие годы накопилось много новых материалов по химии океана, поэтому возникла необходимость расширить неко торые разделы соответственно изменениям учебной программы. В частности, в данном учебном пособии введен большой раздел,
касающийся контроля состояния загрязненности океана, который, к сожалению, приобретает все возрастающее значение. Введены разделы, рассматривающие методы опреснения морской воды и
борьбы с коррозией металлов.
Представлены новые данные о карбонатной системе и обмене двуокисью углерода между океаном и атмосферой, приобретаю щие в настоящее время большое климатологическое значение. Расширен раздел, характеризующий органическое вещество не только в водной массе, но и в донных осадках океана.
Отдельные главы посвящены краткой гидрохимической харак теристике морей, омывающих берега СССР. Они предназначены не только для ознакомления с отечественными морями, но и для того, чтобы указать на единство химических и биологических про цессов, происходящих в океанах и морях, а также показать, какие экстремальные отклонения в гидрохимическом режиме Мирового
океана могут происходить под влиянием локальных условий во :внутренних морях.
Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам доктору географических наук А. И. Симонову, кандидату хими ческих наук И. А. Кащеевой и кандидату географических наук А. Е. Филонову, высказавшим ряд ценных замечаний, которые
были учтены при подготовке рукописи к печати.
1*
ВВЕДЕНИЕ
1. Предмет и задачи исследований химии океана
Вода океана представляет собой сложную многокомпонентную химическую систему. Она содержит множество всевозможных хи
мических соединений в растворенном состоянии и в составе кол лоидов, взвесей и многочисленных живых организмов. Именно присутствие в водном растворе химических веществ придает водам
морей и океанов особые физические свойства, существенно влияю щие на их циркуляцию, создает необходимые условия для обита ния флоры и фауны. Деятельность живых организмов и биохи мическое окисление отмершего органического вещества ведут к из
менениям солевого и газового состава раствора. В воды океана с материков, из атмосферы и из недр Земли непрерывно посту пают различные химические соединения. В то же время океан
и сам служит источником солей, поставляемых в атмосферу и на материки.
Исследование гидрохимических основ биологической продук тивности океана, извлечение из воды морей и океанов ценного сырья, поиски гидрохимических индикаторов нефтегазоносности донных осадков, разработка теоретических представлений об условиях образования железомарганцевых и других конкреций на дне океанов, разработка методов борьбы с вредными свойст вами морских вод (коррозия металлов и бетона) — все эти про блемы стоят в поле зрения химии океана.
Водные массы океана находятся в непрерывном движении. Количество и состав растворенных в них веществ изменяются в течение года, по сезонам и даже в течение суток. Неоднороден состав воды океана в разных его районах и по глубинам.
Изменения химического состава воды во времени и простран стве составляют гидрохимический режим океанов и морей, изуче
ние которого является одной из главных задач химии океана. Закономерности изменчивости состава воды могут быть по
няты только при учете всех причин, ее вызывающих. Следовательно, химия океана — наука, изучающая химический
состав воды в океанах (морях) и донных осадках, его происхож
дение, режим, пространственное распределение в причинной зави симости от химических, физико-химических, физических и биоло
гических процессов; химический состав взвесей, донных осадков, льда, организмов (водных) в океане (море) и его изменения; химические и физико-химические процессы, совершающиеся в воде и граничащих с ней средах (атмосфера и дно, живые организмы,
взвеси, лед, донные осадки).
Вместе с физикой, биологией и геологией океана химия океана исследует один объект■—океаны и моря, но каждой дисциплине свойственны собственные методы. Химия океана заимствует свои методы исследования из различных разделов химических наук —
2. Развитие химии океана |
5 |
физической, аналитической,- неорганической •и |
органической хи |
мии. В зависимости от детализации объекта исследования химия океана подразделяется на две части —химию вод океана и химию
донных осадков. |
|
|
|
■ |
|
Большая часть знаний,, составляющих химию океана как на |
|||||
учную дисциплину, |
относится |
к |
области |
гидрохимии'—‘науки |
|
о химии |
природных |
вод (океана* |
морей, рек, озер, подземных |
||
вод). Это |
обусловлено тесной |
генетической |
связью всех видов |
||
природных вод в единой глобальной системе — гидросфере, в ко торой на долю Мирового океана приходится более •95 % всей массы поверхностных вод -Земли. Химия океана в широком её понимании, относится и к области геохимии-— науки о химии Земли как планеты. Одновременно химия океана тесно связана с океанологией -—комплексной наукой о морях й океанах, являясь ее разделом. Таким образом, при рассмотрении предмета и задач
химии |
океана |
наглядно проявляется комплексность и взаимо |
|
связь |
всех наук, исследующих:Мировой океан. |
|
|
2. |
Развитие химии океана |
- , ; |
|
На |
разных |
этапах развития знаний об |
океане потребности |
науки, и,практики: выдвигали перед химией океана различные задачи. Первой задачей было создание представлений 0 круго
вороте солей в природе и изучение химического состава вод морей |
||
и океанов. |
..л-:: 'л- |
s'-... |
С именами Э. Мариотта, Э. Галлея ж Р. Бойлясвязано |
уста |
|
новление правильного понимания |
закономерностей ' круговорота |
|
воды в природе. Р. Бойль ввел количественные методы определе ния растворенных газов и солёности воды, выяснил различия
в : химическом составе воды, минеральных источников и морской
воды, указал на разное их происхождение и |
поставил вопрос |
|
о постоянстве состава сухого остатка морской воды, |
указывал |
|
: На -'существование природного круговорота |
солей |
|
и М. В. Ломоносов, который в своей работе «О слоях |
земных» |
|
писал: «Отрещись нельзя, что пресные и дождевые и речные воды немало рассолу из ключей и горных солей в моря вводят. Однако сие ничто' иное есть, как возвращение в море того, что из него
прежде взято».
Работами А. Лавуазье были установлены формы существо
вания воды в трех фазах и дано ясное представление о природной воде как растворе солей. Все это на основе правильного понима ния процессов круговорота воды создало условия для быстрого роста объема знаний о составе природных, в частности морских,
вод.
Ценный вклад в решение проблемы солености океана внес академик Российской Академии наук Э. X. Ленц во время экспе диции О. Е. Коцебу на шлюпе «Предприятие» (1823—1826 гг.).
6 |
Введение |
Э. X. Ленц сконструировал прибор для взятия проб воды с разных глубин (прототип современного батометра). Сделав ряд опреде лений: солености и плотности в пробах воды с разных глубин во всех океанах, Ленц доказал наличие поверхностных максимумов
солености в тропических областях и минимума у экватора, пред ставив им правильное объяснение. Наблюдения Э. X. Ленца очень высоко оценивал выдающийся русский океанолог С. О. Макаров,
сам проводивший обширные исследования Тихого океана на кор вете «Витязь» (1886—1889 гг.).
Английская кругосветная экспедиция на судне «Челленджер»
в1872—1876 гг. знаменовала начало следующего крупного этапа
вразвитии химии океана — химической океанографии, когда
ставилась задача исследовать закономерности пространственного распределения элементов солевого состава, солености, биогенных
веществ, элементов карбонатной системы, состава растворенных газов, микроэлементов в тесной связи с гидрологическими, гидро биологическими и геологическими условиями. Решению этой за дачи были посвящены зарубежные экспедиции на судах «Карнеги»
(1928—1929 гг.), «Дана-П» (1921—1935 гг.), «Метеор» (1925— 1928 гг.), «Дискавери» (с 1930 г.), «Атлантис» (с 1931 г.) и др.
Широкую известность получили отечественные экспедиции под руководством И. Б. Шпиндлера и Ф. П. Врангеля, во время кото
рых |
были |
проведены |
большие |
гидрохимические |
исследования |
А. А. |
Лебединцевым в |
Черном |
(1891—1892 гг.), |
Мраморном |
|
(1894 |
г.) и |
Каспийском |
(1897 г.) |
морях, обнаружившие наличие |
|
сероводорода на глубинах Черного моря. Исследования биологи ческой продуктивности и гидрохимического режима Баренцева моря (1899—1906 гг.) провел Н. М. Книпович.
После Великой Октябрьской социалистической революции океанографические исследования получили дальнейшее развитие. Уже в 1921 г. В. И. Ленин подписал декрет об организации Пла вучего морского научного института с использованием сначала ледокольного парохода «Соловей Будимирович» («Малыгин»), а позже «Персея». Были продолжены исследования Н. М. Книповича в Баренцевом море (1923—1926 гг.). Гидрохимические работы выполнялись и во время крупнейшей черноморской экспе диции 1923—1927 гг. под руководством Ю. М. Шокальского.
В 1921 г. возобновила свою работу Мурманская биологическая станция. При освоении Арктики наряду с общими океанологиче скими работами проводились гидрохимические исследования с экспедиционных судов «Седов» (с 1929 г.), «Сибиряков» (1932 г.),
«Челюскин» (1933 г.), «Садко» (1934—1936 гг.), «Красин» и мно
гих других.
После Великой Отечественной войны Советский Союз присту пил к методичным и целенаправленным исследованиям Мирового
океана. Огромные заслуги в изучении гидрохимического режима Тихого океана принадлежат экспедиционному судну АН СССР
2. Развитие химии океана |
7 |
«Витязь», совершившему свыше 60 океанских рейсов. В этих
экспедициях под руководством С. В. Бруевича воспиталась боль шая группа советских исследователей-гидрохимиков. Морской
гидрофизический институт на э/с «Михаил Ломоносов» выполнял разносторонние гидрохимические исследования Атлантического океана под руководством Б. А. Скопинцева. Гидрометслужба
СССР продолжала исследования режима внутренних и окраин ных морей под научным руководством Государственного океано графического института. Большой вклад в изучение гидрохими- ■> ческого режима арктических морей и Южного океана внес ; Арктический институт. Благодаря работам Севастопольской био
логической станции, основанной еще в 1871 г. (ныне Институт
биологии южных морей) (В. А. Водяницкий, Н. И. Чигирин, М. А. Добржанская, Г1. Т. Данильченко и другие), затем работам
С. В. Бруевича и Б. А. Скопинцева Черное море, этот уникальный по своеобразию водоем, является одним из наиболее изученных.
Экспедиции ВНИРО под |
руководством |
М. |
В. Федосова и |
С. В. Бруевича подробно |
изучали Каспийское |
море и: биологи |
|
ческую продукцию промысловых районов океана. |
|
||
В последующие годы сформировались |
научно-исследователь |
||
ские системы АН СССР, Госкомгидромета,- ВНИРО, располагаю щие мощным экспедиционным флотом, который дает возможности
охватить исследованиями весь Мировой океан, внутренние и окраинные моря СССР.
В связи с обострением проблемы охраны морских вод от загрязнений усилиями Госкомгидромета (Ю. А. Израэль, А. И. Си монов, С. Г. Орадовский) организована система химического и
биологического мониторинга морей и океанов.
Результаты многолетних гидрохимических исследований были
обобщены в целом ряде монографий: по |
Аральскому |
морю— |
Л. К. Блинова (1956), по Каспийскому — С. |
В. Бруевича |
(1937), |
А. С. Пахомовой и Б. М. Затучной (1966), по Черному — Б. А. Ско пинцева (1975), по Балтийскому — Е. Н. Черновской и соавт. (1965), по арктическим морям —В. П. Русанова и соавт. (1979), по Тихому океану — коллектива авторов под редакцией С. В. Бруе
вича (1966), по Атлантическому — В. Н. Иваненкова |
(1977), по |
Тихому — В. В. Сапожникова (1982). В недавно опубликованной |
|
10-томной монографии «Океанология» Института |
океанологии |
АН СССР один том посвящен химии вод океана (ред. О. К. Бордовский и В. Н. Иваненков, 1979), второй—химии донных осадков океана (ред. И. И. Волков, 1979). Достижения химической океано графии в полной мере отражает гидрохимический раздел гранди озного издания Атласа океанов (1974, 1977 гг.).
Современная химия океана все в большей мере приобретает черты химической океанологии, чему способствует постоянно рас ширяющийся круг фундаментальных и прикладных задач: этой науки (Б. А. Скопинцев, А. И. Симонов, В, Н. Иваненков, 1975):
8 |
Введение |
1)исследование механизма и кинетики протекания химиче ских, физико-химических и биохимических процессов во взаимо связи с физическими, биологическими и антропогенными факто рами;
2)исследование гидрохимических основ первичного биологи ческого продуцирования в океанах и морях;
Рис. 1. Научно-исследовательское судно АН СССР «Академик Курчатов».
3)изучение гидрохимического режима морей и океанов;
4)разработка теории разнопериодного гидрохимического прог
ноза в: целях предсказания гидрохимического режима водных объектов, интенсивности и масштабов биологического продуцирования в них;
5)исследование механизма и скоростей обмена химическими веществами на поверхностях раздела внутри водной толщи океана
ина его границах с атмосферой, сушей и дном;
6)исследование химического баланса Мирового'океана;
7)изучение состояния и динамики антропогенной загрязнен ности морей и океанов. Исследование процессов самоочищения
вод и донных осадков водоемов от загрязнений. Разработка мето дов прогнозирования состояния загрязненности и оценки пре*
дельно допустимой нагрузки морей и океанов загрязняющими веществами. .
2. Развитие химии океана |
9 |
Последние два десятилетия знаменуются ведущей ролью СССР
в исследованиях Мирового океана. Советские ученые принимают активное участие в разработке и выполнении многих международ
ных и межведомственных программ всестороннего изучения Ми рового океана: «Эквалант», «Полигон-70», «Тропэкс-72», «Тро-
пэкс-74», ПОЛИМОДЕ, «Тайфун» и др. Во всех подобных экспе дициях широко используется советский научно-исследовательский флот во главе с флагманом НИС «Академик Курчатов» (рис. 1). Большинством экспедиций проводятся всесторонние гидрохимиче ские исследования.
1 |
|
Гл ав а 1 |
|
|
|
|
ЭВОЛЮЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА |
|
|
ВОД ОКЕАНА |
|
1.1. Формирование солевой массы океана |
|
|
Количество солей, |
растворенных в океане, при |
объеме вод |
Мирового океана 1,37 -109 км3оценивается в 47,8 • 1015 |
т. |
|
Химический состав воды океана по своему генезису является |
||
продуктом сложных |
и длительных процессов, тесно |
связанных |
с историей развития Земли. |
|
|
По современным воззрениям (А. П. Виноградов, 1967; А. С. Мо |
||
нин, О. Г. Сорохтин, |
1979), планета Земля образовалась путем |
|
агломерации холодного космического вещества, которое все эле менты будущей атмосферы и гидросферы содержало в связанном
состоянии. Исходное протовещество планеты подвергалось разогре ванию благодаря энергии гравитационного сжатия и особенно тепла радиоактивного распада U, Th и 40К. Под влиянием разо
гревания происходил односторонний процесс дифференциации вещества Земли на оболочки.
Процесс формирования внутренних оболочек Земли завершился через 0,5—1 млрд. лет после образования планеты. На этой ста дии гидросферы и атмосферы ещ не существовало.
Период катархея (от 4,1 до 3,4 млрд. лет от нашего времени) характеризовался выплавкой базальтов с выделением водяного
пара и газов из верхней мантии |
при вулканических |
процессах.. |
В процессе дегазации мантии на |
поверхность Земли |
поступали |
водяной пар (не менее 75% общего объема вулканических газов),
соединения углерода С02, СО и СН4, аммиак, сера и ее соедине ния H2S и SO2, кислые дымы HCI, HF, НВг, HI, водород, аргон
и другие инертные газы.
Имеются основания полагать, что состав древних вулкани ческих извержений мало отличался от современного.
При температуре лучистого равновесия (15°С), которая уста навливается в результате уравновешивания потока солнечного' тепла, поглощаемого поверхностью Земли, с потоком уходящего' излучения поверхности Земли, почти весь водяной пар конденси ровался, превращался в жидкую воду и давал начало гидросфере. В исходном океане растворялись практически все составные части вулканических газов. Равновесная часть оставшихся газов фор мировала первоначально тонкий слой атмосферы. Невелик был и объем первичной гидросферы, поскольку значительная часть, конденсированной влаги связывалась при гидратации пород зем ной коры. Интенсивный рост объема океана начался примерно' 2,0 млрд. лет от нашего времени, когда океанская кора приобрела
современный вид.