Морская вода , или морская вода , — это вода из моря или океана . В среднем морская вода в Мировом океане имеет соленость около 3,5% (35 г/л, 35 ppt, 600 мМ). Это означает, что каждый килограмм (примерно один литр по объему) морской воды содержит примерно 35 граммов (1,2 унции) растворенных солей (преимущественно натрия ( Na+
) и хлорид ( Cl−
) ионы ). Средняя плотность на поверхности составляет 1,025 кг/л. Морская вода плотнее , чем пресная и чистая вода (плотность 1,0 кг / л при 4 ° C (39 ° F)), поскольку растворенные соли увеличивают массу в большей степени, чем объем. Температура замерзания морской воды снижается по мере увеличения концентрации соли. При типичной солености он замерзает при температуре около -2 ° C (28 ° F). [1] Самая холодная морская вода, все еще находящаяся в жидком состоянии, когда-либо зарегистрированная, была обнаружена в 2010 году в ручье под антарктическим ледником : измеренная температура составила -2,6 °C (27,3 °F). [2]
pH морской воды обычно ограничивается диапазоном от 7,5 до 8,4. [3] Однако не существует общепринятой эталонной шкалы pH для морской воды, и разница между измерениями, основанными на разных эталонных шкалах, может достигать 0,14 единиц. [4]
Хотя подавляющее большинство морской воды имеет соленость от 31 до 38 г/кг, то есть 3,1–3,8%, во всем мире морская вода не является одинаково соленой. Там, где происходит смешивание со стоком пресной воды из устьев рек, вблизи тающих ледников или большого количества осадков (например, муссонов ), морская вода может быть существенно менее соленой. Самым соленым открытым морем является Красное море , где высокие темпы испарения , малое количество осадков и низкий речной сток, а также ограниченная циркуляция приводят к необычно соленой воде. Соленость в изолированных водоемах может быть еще значительно выше – в случае Мертвого моря она примерно в десять раз выше . Исторически для приблизительного определения абсолютной солености морской воды использовалось несколько шкал солености. Популярной шкалой была «Шкала практической солености», в которой соленость измерялась в «практических единицах солености (PSU)». В настоящее время стандартом солености является шкала «Эталонная соленость» [6] , в которой соленость выражается в единицах «г/кг».
Плотность поверхностной морской воды колеблется примерно от 1020 до 1029 кг/м 3 в зависимости от температуры и солености. При температуре 25 °С, солености 35 г/кг и давлении 1 атм плотность морской воды составляет 1023,6 кг/м 3 . [7] [8] Глубоко в океане, под высоким давлением, морская вода может достигать плотности 1050 кг/м 3 и выше. Плотность морской воды также меняется в зависимости от солености. Рассолы, образующиеся на установках по опреснению морской воды, могут иметь соленость до 120 г/кг. Плотность типичного рассола морской воды 120 г/кг солености при 25°С и атмосферном давлении составляет 1088 кг/м 3 . [7] [8]
Значение pH на поверхности океанов в доиндустриальное время (до 1850 г.) составляло около 8,2. [9] С тех пор он снижается из-за антропогенного процесса, называемого закислением океана , который связан с выбросами углекислого газа : между 1950 и 2020 годами средний pH поверхности океана упал примерно с 8,15 до 8,05. [10]
Значение pH морской воды в глубоких океанских водах естественным образом составляет всего 7,8 в результате разложения органических веществ в этих водах. [11] В поверхностных водах в районах с высокой биологической продуктивностью он может достигать 8,4 . [12]
Измерение pH осложняется химическими свойствами морской воды, и в химической океанографии существует несколько различных шкал pH . [13] Общепринятой эталонной шкалы pH для морской воды не существует, и разница между измерениями, основанными на разных эталонных шкалах, может достигать 0,14 единиц. [4]
Морская вода содержит больше растворенных ионов , чем все виды пресной воды. [14] Однако соотношения растворенных веществ существенно различаются. Например, хотя морская вода содержит примерно в 2,8 раза больше бикарбоната, чем речная вода, процентное содержание бикарбоната в морской воде по отношению ко всем растворенным ионам намного ниже, чем в речной воде. Ионы бикарбоната составляют 48% растворенных веществ в речной воде и только 0,14% в морской воде. [14] [15] Подобные различия обусловлены разным временем пребывания растворенных веществ в морской воде; натрий и хлорид имеют очень длительное время пребывания, тогда как кальций (жизненно важный для образования карбонатов ) имеет тенденцию выпадать в осадок гораздо быстрее. [15] Наиболее распространенными растворенными ионами в морской воде являются натрий, хлорид, магний , сульфат и кальций. [16] Его осмолярность составляет около 1000 мОсм/л. [17]
Обнаружены небольшие количества других веществ, в том числе аминокислот в концентрации до 2 микрограммов атомов азота на литр [18] , которые, как полагают, сыграли ключевую роль в зарождении жизни .
В ходе исследования 1957 года, проведенного Океанографическим институтом Скриппса, были взяты пробы воды как в пелагических , так и в неритических местах Тихого океана. Использовались прямые микроскопические подсчеты и культуры, при этом прямые подсчеты в некоторых случаях показывали до 10 000 раз больше, чем полученные при посеве. Эти различия объяснялись наличием бактерий в агрегатах, избирательным действием культуральной среды и наличием неактивных клеток. Заметное снижение количества бактериальных культур было отмечено ниже термоклина , но не при прямом микроскопическом наблюдении. Большое количество спириллоподобных форм было обнаружено под микроскопом, но не при культивировании. Несоответствие чисел, полученных двумя методами, хорошо известно в этой и других областях. [20] В 1990-х годах усовершенствованные методы обнаружения и идентификации микробов путем исследования лишь небольших фрагментов ДНК позволили исследователям, принявшим участие в Переписи морской жизни , идентифицировать тысячи ранее неизвестных микробов, обычно присутствующих только в небольших количествах. Это выявило гораздо большее разнообразие, чем предполагалось ранее: в литре морской воды может содержаться более 20 000 видов. Митчелл Согин из Морской биологической лаборатории считает, что «число различных видов бактерий в океанах может превзойти от пяти до десяти миллионов». [21]
Бактерии встречаются на всех глубинах толщи воды , а также в отложениях, причем некоторые из них являются аэробными, другие анаэробными. Большинство из них свободно плавают, но некоторые существуют как симбионты внутри других организмов – примером тому являются биолюминесцентные бактерии. Цианобактерии сыграли важную роль в эволюции океанических процессов, обеспечив развитие строматолитов и кислорода в атмосфере.
Некоторые бактерии взаимодействуют с диатомовыми водорослями и образуют важнейшее звено в круговороте кремния в океане. Один анаэробный вид, Thiomargarita namibiensis , играет важную роль в разрушении извержений сероводорода из диатомовых отложений у побережья Намибии и вызван высокими темпами роста фитопланктона в зоне апвеллинга Бенгельского течения , который в конечном итоге падает на морское дно.
Бактерии-подобные археи удивили морских микробиологов своим выживанием и процветанием в экстремальных условиях, таких как гидротермальные источники на дне океана. Алкалотолерантные морские бактерии , такие как Pseudomonas и Vibrio spp. выживают в диапазоне pH от 7,3 до 10,6, тогда как некоторые виды растут только при pH от 10 до 10,6. [22] Археи также существуют в пелагических водах и могут составлять до половины биомассы океана , очевидно, играя важную роль в океанических процессах. [23] В 2000 году в отложениях со дна океана был обнаружен вид архей, который расщепляет метан , важный парниковый газ и основной фактор, способствующий потеплению атмосферы. [24] Некоторые бактерии разрушают породы морского дна, влияя на химический состав морской воды. Разливы нефти и сточные воды, содержащие сточные воды и химические загрязнители, оказывают заметное воздействие на микробную жизнь в окрестностях, а также содержат патогены и токсины, влияющие на все формы морской жизни . Протистские динофлагелляты могут в определенное время подвергаться популяционным взрывам, называемым цветением или красными приливами , часто после антропогенного загрязнения. В результате этого процесса могут образовываться метаболиты , известные как биотоксины, которые перемещаются по пищевой цепи океана, отравляя животных-потребителей более высокого порядка.
Pandoravirus salinus , разновидность очень крупного вируса, геном которого намного больше, чем у любого другого вида вируса, был обнаружен в 2013 году. Как и другие очень крупные вирусы Mimivirus и Megavirus , Pandoravirus заражает амеб, но его геном содержит от 1,9 до 2,5 мегабаз ДНК, в два раза больше, чем у Мегавируса , и сильно отличается от других крупных вирусов по внешнему виду и структуре генома.
В 2013 году исследователи из Абердинского университета объявили, что начинают охоту за неоткрытыми химическими веществами в организмах, которые развились в глубоководных впадинах, надеясь найти «следующее поколение» антибиотиков и предвидя «антибиотический апокалипсис» с отсутствием новых инфекций. борьба с наркотиками. Финансируемые ЕС исследования начнутся в Атакамском желобе , а затем перейдут на поисковые траншеи у Новой Зеландии и Антарктиды. [25]
Океан имеет долгую историю утилизации отходов жизнедеятельности человека, исходя из предположения, что его огромные размеры позволяют ему поглощать и разбавлять все вредные материалы. [26] Хотя это может быть правдой в небольших масштабах, регулярно сбрасываемые большие объемы сточных вод нанесли ущерб многим прибрежным экосистемам и сделали их опасными для жизни. В таких водах встречаются патогенные вирусы и бактерии, такие как кишечная палочка , холерный вибрион , вызывающий холеру , гепатит А , гепатит Е и полиомиелит , а также простейшие, вызывающие лямблиоз и криптоспоридиоз . Эти патогены обычно присутствуют в балластной воде крупных судов и широко распространяются при сбросе балласта. [27]
Скорость звука в морской воде составляет около 1500 м/с (тогда как в воздухе скорость звука обычно составляет около 330 м/с при давлении примерно 101,3 кПа, 1 атмосфера) и зависит от температуры воды, солености и давления. Теплопроводность морской воды составляет 0,6 Вт/мК при 25 °C и солености 35 г/кг. [28] Теплопроводность уменьшается с увеличением солености и увеличивается с повышением температуры. [29]
Считалось, что вода в море поступает из вулканов Земли , начиная с 4 миллиардов лет назад, и выделяется в результате дегазации расплавленной породы. [30] : 24–25 Более поздние исследования предполагают, что большая часть воды на Земле может поступать из комет . [31]
Научные теории происхождения морской соли начались с сэра Эдмонда Галлея в 1715 году, который предположил, что соль и другие минералы переносились в море реками после того, как дожди вымыли их из земли. Достигнув океана, эти соли концентрировались по мере того, как со временем прибывало все больше соли (см. Гидрологический цикл ). Галлей отмечал, что большинство озер, не имеющих выхода к океану (например, Мертвое море и Каспийское море , см. бессточный бассейн ), имеют повышенное содержание солей. Галлей назвал этот процесс «континентальным выветриванием».
Теория Галлея была отчасти верной. Кроме того, при формировании океана натрий вымылся со дна океана. Присутствие другого доминирующего иона соли, хлорида, является результатом выделения хлорида (в виде соляной кислоты ) с другими газами из недр Земли через вулканы и гидротермальные жерла . Ионы натрия и хлорида впоследствии стали наиболее распространенными компонентами морской соли.
Соленость океана оставалась стабильной на протяжении миллиардов лет, скорее всего, из-за химической/ тектонической системы, которая удаляет столько соли, сколько откладывается; например, поглотители натрия и хлоридов включают отложения эвапоритов , захоронение поровых вод и реакции с базальтами морского дна . [15] : 133
Изменение климата , повышение уровня углекислого газа в атмосфере Земли , избыток питательных веществ и загрязнение во многих формах меняют глобальную геохимию океана . Темпы изменений некоторых аспектов значительно превышают исторические и недавние геологические данные. Основные тенденции включают повышение кислотности , снижение содержания подземного кислорода как в прибрежных, так и в пелагических водах, повышение уровня прибрежного азота, а также повсеместное увеличение содержания ртути и стойких органических загрязнителей. Большинство этих возмущений прямо или косвенно связаны со сжиганием ископаемого топлива, удобрений и промышленной деятельностью человека. По прогнозам, в ближайшие десятилетия концентрации будут расти, что будет иметь негативные последствия для биоты океана и других морских ресурсов. [32]
Одной из наиболее ярких особенностей этого процесса является закисление океана , возникающее в результате повышенного поглощения океанами CO 2 в связи с более высокой концентрацией CO 2 в атмосфере и более высокими температурами [33] , поскольку оно серьезно влияет на коралловые рифы , моллюсков , иглокожих и ракообразных (см. обесцвечивание кораллов ).
Случайное употребление небольших количеств чистой морской воды не представляет вреда, особенно если морскую воду принимать вместе с большим количеством пресной воды. Однако пить морскую воду для поддержания гидратации контрпродуктивно; Для выведения соли (через мочу ) необходимо вывести больше воды, чем количество воды, полученное из самой морской воды. [34] В обычных обстоятельствах было бы опрометчиво употреблять большое количество нефильтрованной морской воды.
Почечная система активно регулирует уровень натрия и хлоридов в крови в очень узком диапазоне около 9 г/л (0,9% по массе).
В большинстве открытых водоемов концентрации варьируются в пределах типичных значений около 3,5%, что намного выше, чем может переносить организм, и почти превышает то, что могут переработать почки. В утверждениях о том, что почки могут выделять NaCl в балтийских концентрациях 2%, часто упускают из виду (в аргументах об обратном) то, что кишечник не может поглощать воду в таких концентрациях, поэтому нет никакой пользы от употребления такой воды. Однако соленость поверхностных вод Балтийского моря никогда не достигает 2%. Оно составляет 0,9% или меньше и, следовательно, никогда не превышает таковое в телесных жидкостях. Употребление морской воды временно увеличивает концентрацию NaCl в крови. Это сигнализирует почкам о необходимости выведения натрия, но концентрация натрия в морской воде превышает максимальную концентрационную способность почек. В конце концов концентрация натрия в крови возрастает до токсичного уровня, удаляя воду из клеток и нарушая нервную проводимость, что в конечном итоге приводит к судорогам со смертельным исходом и сердечной аритмии . [ нужна цитата ]
Руководства по выживанию постоянно советуют не пить морскую воду. [35] По данным 163 путешествий на спасательных плотах, риск смерти для тех, кто пил морскую воду, составил 39%, по сравнению с 3% для тех, кто этого не делал. Влияние потребления морской воды на крыс подтвердило негативные последствия употребления морской воды при обезвоживании. [36]
Искушение пить морскую воду было наибольшим у моряков, которые израсходовали запасы пресной воды и не смогли собрать достаточно дождевой воды для питья. Это разочарование было описано в строчке из книги Сэмюэля Тейлора Кольриджа « Иней древнего мореплавателя» :
Вода, вода повсюду,
И все доски сжались;
Вода, вода повсюду,
И ни капли для питья.
Хотя люди не могут выжить на морской воде, некоторые люди утверждают, что до двух чашек в день, смешанных с пресной водой в соотношении 2:3, не оказывают никакого вредного воздействия. Французский врач Ален Бомбар пережил пересечение океана на небольшой резиновой лодке «Зодиак», используя в основном сырое мясо рыбы, которое содержит около 40% воды (как и большинство живых тканей), а также небольшое количество морской воды и других продуктов, добытых из океана. Его выводы были оспорены, но альтернативного объяснения не было дано. В своей книге 1948 года « Экспедиция Кон-Тики» Тур Хейердал сообщил , что во время экспедиции 1947 года он пил морскую воду, смешанную с пресной в соотношении 2:3. [37] Несколько лет спустя другой авантюрист, Уильям Уиллис , утверждал, что выпивал две чашки морской воды и одну чашку свежей воды в день в течение 70 дней без каких-либо вредных последствий, когда он потерял часть своего запаса воды. [38]
В 18 веке Ричард Рассел выступал за медицинское использование этой практики в Великобритании [39] , а Рене Куинтон в 20 веке распространил пропаганду этой практики на другие страны, особенно на Францию. В настоящее время его широко практикуют в Никарагуа и других странах, якобы используя новейшие открытия медицины. [40] [41]
Большинство океанских судов опресняют питьевую воду из морской воды, используя такие процессы, как вакуумная дистилляция или многоступенчатая мгновенная дистилляция в испарителе или, в последнее время, обратный осмос . Эти энергоемкие процессы обычно не были доступны в эпоху парусного спорта . Более крупные парусные военные корабли с большим экипажем, такие как HMS Victory Нельсона , были оснащены дистилляционными аппаратами на своих галерах . [42] Такие животные, как рыбы, киты, морские черепахи и морские птицы , такие как пингвины и альбатросы , приспособились к жизни в среде обитания с высоким содержанием соли. Например, морские черепахи и морские крокодилы удаляют излишки соли из своего тела через слезные протоки . [43]
Минералы добывались из морской воды с древних времен. В настоящее время четыре наиболее концентрированных металла – Na , Mg , Ca и K – добываются в промышленных масштабах из морской воды. [44] В 2015 году в США 63% производства магния приходилось на морскую воду и рассолы. [45] Бром также производят из морской воды в Китае и Японии. [46] В 1970-х годах пытались извлечь литий из морской воды, но вскоре от этих испытаний отказались. Идея извлечения урана из морской воды рассматривалась как минимум с 1960-х годов, но в конце 1990-х годов в Японии было добыто лишь несколько граммов урана. [47] Главный вопрос заключается не в технологической осуществимости, а в том, что текущие цены на урановом рынке на уран из других источников примерно в три-пять раз ниже, чем самая низкая цена, достигаемая при добыче морской воды. [48] [49] Подобные проблемы препятствуют использованию переработанного урана и часто выдвигаются против ядерной переработки и производства МОКС-топлива как экономически нежизнеспособного.
ASTM International имеет международный стандарт для искусственной морской воды : ASTM D1141-98 (оригинальный стандарт ASTM D1141-52). Он используется во многих исследовательских лабораториях в качестве воспроизводимого раствора для морской воды, например, при испытаниях на коррозию, загрязнение нефтью и оценку моющих свойств. [50]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Таблицы