3.6: Чому море гірке

Last updated
Save as PDF

Page ID: 35956

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Первісний раз і... мабуть, був лише слабо солоним. Але випадають дощі
були символом розпуску материків. З того моменту,
як почали падати дощі, земля стала зношуватися і виноситися до моря. Це
нескінченний, невблаганний процес, який ніколи не зупинявся - розчинення
гірських порід, вимивання з їх містяться мінералів, перенесення
фрагментів гірських порід та розчинених мінералів до океану. І за еони часу море все гіркіше з сіллю материків.

—Рейчел Карсон, Море навколо нас

Рейчел Карсон надала це поетичне твердження про еволюцію хімії морської води з плином часу у своїй книзі, вперше написаній у 1950 році. Це цікаве твердження про переважаючу думку того часу - про те, що солоність океану розвивалася повільно і прогресивно і що річки були єдиним джерелом солі. Обидві ці ідеї є невірними у світлі останніх наукових досліджень. Ми висвітлимо ці питання в цьому розділі Уроку 3, оскільки вони ведуть нас до деяких цікавих понять і розрахунків. На захист Рейчел Карсон, рідної Пенсильванської та предтечі сучасного екологічного руху, її нездатність правильно описати систему є функцією величезних наукових досягнень, які були досягнуті в науках про Землю, починаючи з початку 1960-х років. Концепція тектоніки плит була зароджена в 1950-х роках і не була широко прийнята геонауковим співтовариством до остаточних доказів на її підтримку в 1970-х роках. Рейчел Карсон поняття не мала, що гідротермальна система середньо-океанічного хребта існує тому, що ніхто не спостерігав підводного гарячого джерела до 1977 року (Галапагоські острови на глибині 2500 метрів). Ми можемо пробачити їй її незнання, чи не так?

Оскільки Земля охолола понад 4 мільярди років тому, і вода почала конденсуватися в океанах (вона, ймовірно, спочатку конденсувалася і падала як дощ), ця перша вода, ймовірно, не мала дуже високого вмісту солі. Ця вода була викинута разом з іншими летючими речовинами з надр Землі (мантія) і, можливо, також накопичилася від кометних ударів. Деякі геологічні дані свідчать про те, що основна частина океанів була сформована вже приблизно 3,8 мільярда років тому (Га). Але дуже швидко різні хімічні іони, мабуть, розчинялися у воді, коли вона купалася або проходила над свіжоутворилися магматичними породами (ймовірно, в основному базальтові за складом спочатку), і почали вимиватися в басейни, які з часом виросли в океани. Вода - чудова речовина (див. Написати на «Фізичні властивості води»). «Полярна» молекула води дозволяє їй взаємодіяти з зарядженими хімічними іонами (елементи з незаповненими електронними оболонками, які розчинені у воді), такими як Na ⁺ і Cl ^- в розчині. Ці хімічні іони при розчиненні у воді прийнято називати «солями». Можливо, знадобилися сотні мільйонів років, щоб океан накопичив значну кількість цих солей в результаті роботи глобального гідрологічного циклу. У двох словах: з тих пір, як атмосферна водяна пара може конденсуватися в дощ, вода потрапляла на поверхню суші і зливається врешті-решт, через річки та грунтові води, в океани. Вода, яка потрапляє на землю, розчиняє дрібну кількість солі (називається «вивітрювання гірських порід») під час її проходження над сушею. Вона несе цю сіль до океану. Тим часом тепло від сонця забезпечує енергію, щоб викликати більше випаровування. Потім випаровується вода конденсується і знову падає як дощ на суші (по суті замінюючи воду, що стікала в море), і таким чином продовжує цикл. Солі морської води по суті не можуть випаровуватися, і тому, коли вода океану випаровується, сіль залишається позаду.

Океан, звичайно, постійно втрачає чисту прісну воду через випаровування і отримання невеликої кількості розчиненої солі з річки і підземних вод, що надходять всередину. Хоча здавалося б, що океани з часом повинні ставати солонішими, записи осадових відкладень, які називаються «евапорітами» (див. Експеримент нижче, також розглянутий на класі), від стародавніх океанів та безперервність життя, про що свідчить викопний запис, вказують на те, що цього не відбувається. Цікаво, що солоність морської води, здається, залишилася відносно постійною (але ми побачимо про це!) приблизно 3.5% (35 ppt за вагою або 35 грам солі, розчиненої в 965 грамах прісної води), принаймні за останні 500 мільйонів років або близько того, але, можливо, навіть з коли-небудь раніше (наприклад, ймовірно, з приблизно 2 мільярдів років тому або більше), після утворення океанів. Таким чином, різні хімічні, біологічні та тектонічні процеси повинні діяти для видалення солей з морської води в кількостях, необхідних для збереження вмісту солі в океані від значної різниці.

Від чого залежить склад солі морської води?

Хоча значна частина солі океану в кінцевому підсумку походить від вивітрювання континентальних порід, існують інші важливі джерела та хімічні обміни між морською водою та Землею. Хімічний склад річкової води і солоних внутрішніх озер, на подив, не дуже схожий на такий у океанів. Середня річкова вода містить переважно іони кальцію та бікарбонату, тоді як морська вода в основному складається з натрію і хлориду; насправді лише п'ять хімічних елементів складають більше 99% солі, розчиненої в морській воді. Чому хімія морської води відрізняється від хімії стоку з материків? Ця різниця повинна відображати інші джерела «солі» в океани, а також домінуючі процеси, які виводять певні солі шляхом «опадів». (Ми вивчимо це для різних елементів на Урок 3, Діяльність 2).

Наприклад, верхньо-мантійний шар Землі містить величезні запаси стихій, виявлених в морській воді. Глибоководні отвори, рифтові отвори та вулкани, які виганяють тепло та рідини з надр Землі, постачають велику кількість певних солей через викид газів. У випадку Na (натрій) та Cl (хлорид) гірське вивітрювання забезпечує більшу частину іонів натрію, тоді як викид летких речовин забезпечує хлор. Na і Cl настільки сильно збагачені морською водою, хоча тому, що вони не використовуються організмами і не випадають в осад дуже легко, за винятком високовипарних умов у сольових ставках або ізольованих басейнів, де вони випадають в осад як випарні мінерали. Кажуть, що ці види солей мають тривалий «час перебування» в морській воді порівняно з іншими елементами (наприклад, поживні речовини, такі як азот і фосфор, діоксид кремнію, бікарбонат та деякі інші циклічні дуже швидко). Взаємодія (хімічний обмін) морської води та гарячих базальтів на серединно-океанічних хребтах (пам'ятаєте «гідротермальну циркуляцію», про яку йшла мова на уроці 2?) постачає значну кількість Са (кальцію) в океан, залишаючи позаду еквівалентну кількість морської води Mg (магнію) в отриманих змінених базальтах. Цей процес постійно змінює кількість Са і Mg в морській воді. Крім того, морська вода містить меншу відносну частку розчиненого кремнезему (SiO ₂), Ca та бікарбонату (HCO ^3-), ніж річкова вода. Це пов'язано з тим, що певні групи морських рослин і тварин дуже швидко видаляють ці компоненти, утворюючи їх тверді частини (скелетний матеріал, такий як оболонки або «тести»).

Майте на увазі, що при випаровуванні або розведенні прісною водою вміст солі (солоність) збільшується або зменшується відповідно. Однак співвідношення кожного компонента солі в морській воді до іншого (наприклад, Na/Cl або Ca/Mg) залишається постійним до тих пір, поки солоність не збільшується в тій мірі, в якій починаються мінеральні опади. Це називається «Принцип постійної пропорції» і корисно для розуміння зовнішніх входів або виходів різних елементів, які можуть змінити співвідношення одного елемента до іншого.

Експеримент:

Ось простий експеримент, який ілюструє процес випаровування та осадження солі з морської води, що може посилити цю концепцію для студентів (ми зазвичай бачимо студентів коледжів, які не думають про випаровування, залишаючи сіль позаду як механізм збільшення солоності). Цей експеримент спрацює лише в розумні терміни в теплий сухий період (у вашому «не настільки справедливому» штаті Пенсільванія, таких мало і далеко між ними). Вам слід використовувати будь-яку прозору скляну банку і заповнити її до якоїсь лінії, яку ви позначили на боці посудини. Спочатку наповніть банку чистою (дистильованою, а не водопровідною) водою до лінії. Коли вода повністю випарується (шукайте будь-які залишки), їх бути не повинно. Тепер змішайте м'який розчин солоної води (використовуйте звичайну кухонну сіль до 3,5 г приблизно в 100 мл чистої води) або використовуйте морську воду, якщо вона є, і знову заповніть банку до лінії розчином. Коли це випаровується, знову шукайте залишки (якщо ви могли б вишкребти все це і зважити, вага солей, що залишилися після опадів, повинна бути 3,5 г). Звичайно, вода випаровується в повітря, а сіль залишається позаду. Якщо використовується морська вода (навіть штучна акваріумна морська сіль), можна навіть спостерігати солі різних мінералів, які випадають, коли рівень води в склі падає. Мінерали різних сольових компонентів мають різні точки насичення (менша розчинність), такі, що кальцит (карбонат кальцію, CaCo ₃) випадає спочатку в осад, а потім гіпс (CaSO ₄), галіт (NaCl), сильвіт (KCl) і, нарешті, деякі невеликі кількості різних солей сульфату магнію тощо.