第四章-海水的化学组成和特性

第四章海水的化学组成和特性4.1海水的化学组成4.2海水中的二氧化碳系统4.3海气界面的气体交换4.4海水中的营养元素海洋化学背景知识海洋化学:研究海洋各部分的化学组成、物质分布、化学性质和化学过程，以及海洋化学资源在开发利用中的化学问题的科学。海洋化学是海洋科学的一个分支，和海洋生物学、海洋地质学、海洋物理学等有密切的关系。1670年前后，英国玻意耳研究了海水的含盐量和海水密度变化的关系，这是海洋化学研究的开始。海洋化学背景知识1819年，马塞特发现世界大洋海水中主要成分的含量之间，有几乎恒定的比例关系。1884年W.迪特马尔发表了他对1873～1876年英国挑战者号调查船采集的海水样品的分析结果，进一步证实了世界大洋海水中各主要溶解成分含量的恒比关系。1900年前后，丹麦M.克努曾等建立了海水的氯度、盐度和密度的测定方法。海洋化学背景知识随后，海水中二氧化碳系统、溶解气体、微量元素、营养盐等都得到深入研究，形成了化学海洋学。40年代以后，在海洋化学资源的开发利用过程中，形成了海洋资源化学。50年代末以后对海水中化学平衡的定量研究，建立了海洋物理化学的理论体系。§4.1海水的化学组成海水中不同形态无机铜所占比例主要成分（常量元素，浓度大于10-6mg/kg）5种阳离子：Na+,K+,Ca2+,Mg2+,Sr2+;5种阴离子:Cl-,SO42-,Br-,HCO33-(CO32-),F-;1种分子:H3BO3;11种成分占海水总盐分的99.9%；各成分的浓度比例恒定，为保守元素。1.海水中的成分2、溶解气体：溶解氧、氮和惰性气体等；3、营养元素：N，P，Si，Fe等；4、微量元素：海水中含量很低，但又不属于营养元素；5、海水中的有机物：腐殖质、氨基酸、糖类、色素等2.微量元素浓度低于10-6mg/kg的元素，主要来源有河流输入、大气沉降和海底热泉等；研究中最大的困难是：采样（沾污），分析（灵敏度问题、干扰问题）；微量元素在海水中的存在形式和形态：与海洋的地球化学、生物及化学过程密切相关1）弱酸在海水中的解离2）变价元素在海水中的氧化还原3）生物合成的有机物4）微量元素和海水中的有机物或无机物络合5）海水中的有机和无机颗粒三大基本定律ThreeBasicLawsFirstBasicLaw:海水主要成分相对恒定RelativeCompositionofMajorComponentsofSeawaterg/Cl(‰)SoluteABCDNa+0.55560.55550.55670.55653Mg2+0.066950.066920.066670.06626Ca2+0.021060.021260.021280.02127K+0.02000.02060.02060.02060Sr2-0.000700.000400.000420.00041Cl-0.99894-------0.99891SO42-0.1394---0.14000.14000HCO3-0.00735------0.00586Br-0.00340---0.0034730.00347CO32----------0.000060B(OH)4----------0.00034F-7x10-5------0.000067B(OH)30.001370.001051.81841.81537A:DittmarB:CoxandCulkin1966C:RileyandTongadai1967D:Millero1982TheRuleofConstantProportions:RelativecompositionofoceanwaterisnearlyconstantThevariationofg/Cl(‰)withdepthNaKMgCa106SrDepthABABABABAB0-100m.5554.5566.0206.0206.06691.06666.2124.021234239700-1500m.5557.5567.0206.0206.06691.06668.02128.02113143401500m.5555.5568.0206.0206.06695.06667.02130.021334340MEAN.5555.5568.0206.0206.06695.06667.02130.021334340Std.error.0007.0007.0002.0001.00004.00007.00004.0000622Number49935484669166813858A:CulkinandCox(1966)B:RileyandTongudai(1967)Valuesofg/Cl(‰)forVariousOceansNaKMgCa106SrOceanABABABABABAtlantic.5552.5567.0206.0206.06691.06671.02127.021233942Pacific.5555.5568.0206.0206.06691.06668.02128.021264042N.Seas.5553.5566.0205.0205.06690.06669.02121.021213941S.Seas.5567.5561.0206.0207.06691---.02130.021264042Indian.5554.5569.0207.0206.06696.06661.02124.021224043Mediterranean.5557.5568.0206.0206.06685.06668.02131.021233944Red.5563---.0206---.06685---.02115---38---PersianGulf.5557---.0208---.06645---.02123---38---Baltic.5554---.0205---.06694---.02127---38---North.5541---.0206---.06703---.02118---40---Std.S.W.5562---.0205---.06690---.02122---39---MEAN.5555.5567.0206.0206.06692.06667.02126.0212840--A:CulkinandCox(1966)B:RileyandTongudai(1967)TheSecondLawRedfieldRatio1958RedfieldRatio阐述营养元素C,N,P,O值(原子比)PNCO浮游生物体内的含量116106--276(Phytoplankton)海水里的变化115105--235(Seawater)海水里可提供量1151000200--300(Available)106CO2+16HNO3+H3PO4+122H2O(CH2O)106(NH3)16H3PO4+138O2RedfieldRatio(atomic)C:N:P:O=106:16:1:276PhotosynthesisRespirationP:N:C:Ca:SiParticulateDebrisSoftTissue1:15:105:0:0HardParts0:0:26:26:50Composite1:15:131:26:50SeaWaterDeep1:15:1000:5000:50WarmSurface0:0:869:4974:0Particulatedebrisfallingfromthesurfacetowardthedeepseacomparedwiththeelementalcompositionofaveragesurfaceanddeepwater.NitrateversusphosphatescatterdiagramforwatersfromthroughouttheAtlanticOceanN/P~16:1RESIDENCETIMEofadissolvedsubstanceinseawaterTheThirdLaw海水中元素的逗留时间（T）DistributionoftransporttypesintheoceanT=海水中某元素的总量/该元素每年进入海洋的量T：元素在海水中的逗留时间，即全部把海水中该元素置换出来所需的平均时间M:海水中某元素的总量;Q:海水中某元素的输入速率;R：输出速率;dM/dt=Q-R处于稳定状态是，dM/dt=0，Q=R海水中的元素输出与元素含量成正比：R=kM(k为输出速率常数）Q-kM=0，T=M/QQR海洋MTheResidenceTimesofElementsinSeawaterResidencetime(Myears)ElementRiverinputSedimentationNa210260Mg2245Ca18K1011Sr1019Si0.9350.01Li1219Rb6.10.27Ba0.050.084Al0.00310.0001Mo2.150.5Cu0.0430.05Ni0.0150.018Ag0.252.1Pb0.000560.002Na2.6108yrCa8108yrZn180000Cu50000Mn7000Pb2000Al100Distribution分布Nutrient-typeSurfaceenrichmentHydrothermalInput3.海洋化学污染海洋污染定义：直接或间接由人类向大洋和河口排放的各种废物或废液，引起对人类生存环境和健康的危害，或者危及海洋生命的现象。污染物种类：碳氢化合物：石油海洋重金属：Hg,Pb,Cr,Cd,Cu合成有机化合物营养物质（富营养化）放射性核素石油污染：主要发生在从石油产地到炼油厂和石油消费地之间海上运输过程中的泄露和海上事故。海上溢油的危害：对健康的危害：苯及衍生物对安全的危害：爆炸性对环境的危害：形成油膜，将大气与海水隔开，减弱了海面的风浪，妨碍空气中的氧溶解到海水中，使水中的氧减少；相当部分的原油，将被海洋微生物消化分解成无机物，或者由海水中的氧进行氧化分解，这样，海水中的氧被大量消耗，使鱼类和其它生物难以生存。对渔业、水产业的危害珠江重油外泄海上石油泄漏海洋中重金属污染重金属的主要污染源为：工业废水矿山污泥废水被污染的大气重金属污染对海洋生物的危害致死现象阻化效应形态变化危害的根本原因：生物对重金属的富集作用一类海水二类海水重金属污染重金属对海洋污染的来源、途径和污染危害趋势Ag100.071012.3河流Ⅱ(L)As390.73785倾废Ⅲ(L)Cd17101.162河流、大气Ⅲ(L)Co220.7153.7河流I(L)Cr28002024022河流I(L)Cu600025025022倾废、河流、大气Ⅱ(L)Hg103.23.526河流、大气Ⅳ(R)Ni660300170246河流I(L)Pb30003001500.4大气、河流Ⅳ(W)Se10.5784大气Ⅱ(L)V121231256大气I(W)元素世界产量103t/y　大气输入　103t/y河流输入103t/y　残留时间a103y污染途径污污危害趋势bZn5300670060018.5倾废、河流、大气Ⅱ(L)水俣病由于大量食用被工厂废水所污染的鱼、贝等而引起的甲基汞中毒。甲基汞随着鱼、贝进入人体后，被肠胃所吸收，经血液循环先进入肝脏和胃脏，而后被转移至大脑或胎儿体内，并蓄积于此，袭击人的神经系统。中毒症状：手脚麻木，哆嗦，头疼，耳鸣，视力减退，听力困难，言语表达不清，动作迟缓，失去味觉嗅觉，健忘……DDT杀虫剂化学名为双对氯苯基三氯乙烷，化学式(ClC6H4)2CH(CCl3)。是有效的杀虫剂。为20世纪上半叶防止农业病虫害，减轻疟疾伤寒等蚊蝇传播的疾病危害起到了不小的作用。1948年，瑞士科学家米勒因合成高效有机杀虫剂DDT获诺贝尔生理学或医学奖。在环境中非常难降解，并可在动物脂肪内蓄积。从70年代后滴滴涕逐渐被世界各国明令禁止生产和使用。《寂静的春