Взгляд со стороны химии

  Знаменитая океанографическая экспедиция «Челленджера» ознаменовала начало систематических работ по сбору дан­ных, анализу и описанию океана. Благодаря финансовой поддержке британского Адмиралтейства этот рейс дал воз­можность группе ученых собрать всевозможные физические, химические, биологические, геологические и метеорологичес­кие данные по Атлантическому, Тихому и Южному океа­нам. Результатом экспедиции стали около 50 томов анали­зов и описаний.

  Впервые пробы морской воды из разных океанов были собраны вместе и проанализированы на предмет сходства как по химическому составу растворенного вещества, так и по характерным проявлениям морской жизни. Мы узнали, что океаны и в самом деле хорошо перемешаны и что, хотя содержание растворенных солей может изменяться от одного района океана к другому в широких пределах, соотношение концентраций различных солей остается практически одина­ковым. Из этого следуют два принципиальных вывода.

  1. Соли хорошо размешаны в океанах. Из этого можно заключить, что устойчивая концентрация всей совокупности солей велика по сравнению с интенсивностью добавления новых солей и что вода разных океанов «перемешивается» довольно быстро.

  2. Наблюдаемые различия в концентрации солей в раз­ных океанах следует интерпретировать как вариации содер­жания чистой воды в морской воде. Поскольку во внутрен­них областях океана источники или стоки чистой воды неиз­вестны, такие вариации можно объяснить только как добав­ление или потерю Н20 в результате контакта с атмосферой. Последняя служит главным источником воды, которая по­ступает в океан в виде атмосферных осадков, и одновремен­но отбирает много воды посредством испарения.

  Эти выводы действительно очень важны, и в дальней­шем все новые гипотезы об изменчивости океана должны быть согласованы с ними. Теперь у нас появились рамки для оценки времени, требуемого для круговорота воды, циркулирующей в крупных океанических бассейнах. Необхо­димо также изучать процессы, приводящие в действие вер­тикальную циркуляцию, и искать способы измерения скоро­сти таких процессов. Возникла химическая океанология, ко­торая с самого начала была тесно связана с физикой океа­нов и атмосферы (рисунок 3.6).

  Химик-океанолог видит в океане сложный раствор, со­держащий множество компонентов. Первая задача - опоз­нать эти компоненты, органические и неорганические, и точно измерить их концентрации (см. таблицу 7.1). Вторая за­дача разбивается на три главные линии изучения.

  1. Каким образом разные компоненты попадают в оке­аны — где источники химических веществ?
  2. Как эти компоненты остаются растворенными в морской воде — какие реакции в ней происходят?
  3. Куда эти компоненты в конце концов уходят — что представляют собой химические «стоки»? Необходимо не только установить, какие при этом происходят процессы, но и измерить их скорости.

  Мы различаем химиков моря и химиков океана. Первые исследуют свойства морской воды в лабораториях, устанав­ливают химический состав растворенных веществ и скоро­сти процессов. Химики-океанологи применяют полученные химические данные к океанам и находят массу нового фак­тического материала, требующего изучения.

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 рН, 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 рН 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.

Океаны с точки зрения химии

Рисунок 3.6. Океаны с точки зрения химии.

  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 рН.

  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 СаСО3, 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.