+Состав морской воды (солёность = 35) Компонент Концентрация (mol/kg) H2O 53.6Cl- 0.546 Na+ 0.469 Mg2+ 0.0528 SO42- || 0.0282 |- | Ca2+ || 0.0103 |- | K+ || 0.0102 |- | |CT || 0.00206 |- | Br- || 0.000844 |- | BT|| 0.000416 |- | Sr2+ || 0.000091 |- | F- 0.000068Морская химия (также химия океана или химическая океанография) — наука о химическом составе и процессах в Мировом океане, включая взаимодействие между морской водой, атмосферой, морским дном и морскими организмами . Рассматривается круговорот таких элементов, как углерод, азот и фосфор, поведение микроэлементов, газов и питательных веществ в морской среде. Химия морской среды зависит от глобальных биогеохимических циклов, морских течений и влияния деятельности человека (загрязнение и изменение климата) на океанические системы. Учитывается тектоника плит и спрединг морского дна, мутность, течения, осадки, уровень pH, атмосферные составляющие, метаморфическая активность и экология.
Влияние деятельности человека на химию океанов Земли усилилось. Промышленность существенно загрязняет океаны. Более того, повышение уровня углекислого газа в атмосфере Земли привело к закислению океана, что оказывает негативное воздействие на морские экосистемы. Восстановление химии океанов является приоритетной задачей, и усилия по достижению этой цели отслеживаются в рамках .
Химическая океанография связана с , геологией и геохимией, биологией и биохимией, . Многие из них изучают биогеохимические циклы, причём привлекает значительный интерес из-за его роли в секвестрации углерода и закислении океана. Другие важные темы, представляющие интерес, включают аналитическую химию океанов, загрязнение морской среды и антропогенное изменение климата.
Органические соединения в океанах
Растворённые органические вещества
Растворённые органические вещества () являются важнейшим компонентом углеродного пула океана и включает в себя множество молекул (аминокислоты, сахара, липиды). Составляют около 90 % от общего количества органического углерода в морской среде. () составляет от 20 до 70 % содержания углерода в океанах, причём его содержание повышено вблизи устьев рек и понижено в открытом океане.
Растворённые органические вещества могут быть переработаны и возвращены в пищевую сеть посредством процесса, называемого микробной петлёй. Они также играют важную роль в глобальном регулировании хранения углерода в океане, поскольку некоторые его формы устойчивы к микробному разложению и могут существовать в океане в течение столетий. Морская жизнь является наиболее богатым источником галогенорганических соединений.
В состав частиц органического вещества () входят: организмы фекальные шарики детрит.
Частицы органического вещества — основной компонент биологического насоса — процесса, посредством которого углерод переносится с поверхности океана в глубинные воды.
По мере того, как частицы тонут, они разлагается под действием бактерий, выделяя питательные вещества и углекислый газ. Фракция тугоплавкого полиоксиметилена может оседать на дне океана и вносить значительный вклад в секвестрацию углерода в течение очень длительного периода времени.
Химическая экология экстремофилов Такие морские организмы, как экстремофилы, процветают в условиях экстремальных температур, давления и освещенности. Экстремофилы населяют множество уникальных местообитаний в океане, таких как гидротермальные источники, чёрные курильщики, холодные просачивания, гиперсоленые области и карманы с рассолом на морском льду. Некоторые учёные предполагают, что жизнь могла зародиться в гидротермальных источниках океана.
В гидротермальных источниках экстремофилы получают энергию посредством хемоавтотрофии (источник энергии— химические соединения, а не свет, как при фотосинтезе). Гидротермальные источники содержат такие химические вещества, как элементарная сера, H2, H2S, Fe2 + и метан . Хемоавтотрофные организмы, в первую очередь прокариоты, получают энергию из этих химических веществ посредством окислительно-восстановительных реакций, служа впоследствии источниками пищи для более высоких трофических уровней.
В экосистемах гидротермальных источников присутствует несколько различных видов метаболизма. Многие морские микроорганизмы, включая Thiomicrospira, Halothiobacillus и Beggiatoa, способны окислять соединения серы, включая элементарную серу и часто токсичное соединение H2S (). Сероводород в гидротермальных источниках образуется при взаимодействии, при высоких температурах, морской воды и горных пород. В более холодных водах, окружающих жерла, окисление серы может происходить с использованием кислорода в качестве акцептора электронов; ближе к жерлам с использованием нитратов. Некоторые виды Thiomicrospira могут использовать тиосульфат в качестве донора электронов, образуя элементарную серу. Такие морские микроорганизмы, как , способны окислять железо. Окисление железа может быть кислородным (в богатых кислородом частях океана) или бескислородным, требующим либо акцептора электронов (такого как нитрат), либо световой энергии. При окислении железа Fe(II) используется в качестве донора электронов; наоборот, восстановители железа используют Fe(III) в качестве акцептора электронов. Эти два метаболизма составляют основу железо-окислительно-восстановительного цикла и, возможно, способствовали .
Некоторые экстремофилы обитают в рассолах морских льдов, где температура очень низкая, а солёность очень высокая(в 3 раза выше, чем в обычной морской воде), что требует приспособления организмов к быстрому изменению солёности при попадании в лёд и при таянии льда. Большинство организмов, обитающих в соляных карманах, являются фотосинтезирующими, поэтому эти микросреды могут стать гиперкислородными, что может быть токсичным для их обитателей. Поэтому эти экстремофилы часто вырабатывают высокие уровни антиоксидантов.
Тектоника плит
Спрединг морского дна срединно-океанических хребтов —ионообменная система глобального масштаба. Гидротермальные источники в центрах спрединга привносят в океан различные количества железа, серы, марганца, кремния и других элементов, некоторые из которых повторно используются в океанической коре. Гелий-3, изотоп, сопровождающий вулканизм из мантии, выбрасывается гидротермальными источниками и может быть обнаружен в шлейфах в океане.
Скорость спрединга на срединно-океанических хребтах варьируется от 10 до 200 мм/год. Высокие скорости спрединга приводят к усилению реакций базальта с морской водой. Соотношение ионов магний / кальций понижено: ионов магния больше удаляется из морской воды, ионов кальция больше удаляется из породы и высвобождается в морскую воду. Гидротермальная активность на гребне хребта эффективна для удаления магния. Более низкое отношение Mg/Ca способствует осаждению полиморфов карбоната кальция с низким содержанием Mg ().
Медленный спрединг на срединно-океанических хребтах имеет противоположный эффект и приводитт к более высокому соотношению Mg/Ca, что благоприятствует осаждению арагонита и полиморфов карбоната кальция с высоким содержанием Mg ().
Эксперименты показывают, что большинство современных организмов с высоким содержанием Mg в кальците прошлых кальцитовых морей были бы организмами с низким содержанием Mg в кальците. Соотношение Mg/Ca в скелете зависит от соотношения Mg/Ca в морской воде, в которой организм рос.
Таким образом, минералогия рифообразующих и осадкообразующих организмов регулируется химическими реакциями вдоль срединно-океанического хребта, скорость которых контролируется скоростью расширения морского дна.
Влияние человека
Загрязнение морской среды
В результате деятельности человека мировой океан загрязняется:
нефтью и нефтепродуктами, поступающими в него как в результате обычной деятельности по добыче и транспортировке нефти, так и в результате аварий, а также смываемыми с дорог. пестицидами, хлорорганическими соединениями (в том числе, диоксинами), фенолами, тяжёлыми металлами (в том числе кадмием и ртутью), радиоактивными веществами биогенными элементами (из сточных вод, а также в результате хозяйственной деятельности), что приводит к антропогенной эвтрофикации прибрежных районов мусором, в том числе пластиковым (включая микропластик) углекислым газом, связанным с деятельностью человека, попадающим из атмосферы (приводит к подкислению морских вод)Е. Г. Дурягина НЕФТЕПРОДУКТЫ В МОРСКОЙ СРЕДЕ В. А. Иванов, К. В. Показеев, Е. Е. Совга Загрязнение мирового океана : учебное пособие. Москва : МАКС Пресс, 2006, 163 с., ISBN 5-317-01810-2.
Изменение климата Повышение уровня углекислого газа (из-за сжигания ископаемого топлива) меняет химию океана. Глобальное потепление и изменение солёности —факторы влияния на экологию морской среды.
История
Ранние исследования химии морской воды, включая работы Роберта Бойля, обычно касались солёности океана. Современная химическая океанография как отрасль науки зародилась в 1872—1876 годах в ходе экспедиции «Челленджера», тогда был систематически исследован состав морской воды (содержание хлорида, натрия и сульфатов в океанских водах).
В начале XX века в области морской химии произошел значительный прогресс, в частности, благодаря появлению более точных аналитических методов (был создан инструмент сбора проб воды с разных глубин океана — бутылка Кнудсена). За 1970-е, 1980-е и 1990-е годы, в рамках инициативы Национального научного фонда, известной как «Будущее химии океана в Соединённых Штатах» (FOCUS), была проведена комплексная оценка достижений в области химической океанографии.
После Второй мировой войны исследователи начали использовать изотопный анализ для изучения циркуляции океана и углеродного цикла. Роджер Ревелль и Ганс Зюсс были пионерами в использовании радиоуглеродного датирования для исследования океанических резервуаров углерода и их обмена с атмосферой.
Начиная с 1970-х годов учёные смогли измерять содержание следов металлов, органических соединений и изотопных соотношений с беспрецедентной точностью. Исследования морских биогеохимических циклов (циклы углерода, азота и серы) стали основой для понимания глобального изменения климата. Использование технологии дистанционного зондирования и глобальных программ наблюдения за океаном, таких как Международная программа геосферы и биосферы (IGBP), предоставило масштабные данные о химии океана, что позволило учёным отслеживать закисление океана, дезоксигенацию и другие процессы, влияющие на морскую среду.
Инструменты, используемые для анализа Инструменты химиков-океанографов: стандартный набор аналитической химии, измерители pH, измерители электропроводности, флуорометры измерители растворённого CO₂.
Большая часть данных собирается посредством измерений на борту судна и с автономных поплавков или буев, но также используется дистанционное зондирование. На океанографическом исследовательском судне проводятся измерения электропроводности, температуры и давления, сбор проб производится при помощи бутылок Нансена. Отложения обычно изучаются с помощью ящичного керноотборника или ловушки для осадка, а более старые отложения могут быть извлечены путем научного бурения .
Для обнаружения следовых количеств элементов, изотопов и органических соединений применяется современное аналитическое оборудование:
масс-спектрометры хроматографы.
Автономные подводные аппараты и технологии дистанционного зондирования позволили осуществлять непрерывный крупномасштабный мониторинг химии океана, в частности, отслеживание изменений в закислении океана и циклах питательных веществ.
Химия морской среды на других планетах и их спутниках Предполагается подобие химического состава подповерхностного океана Европы земному. Подповерхностный океан Энцелада выбрасывает в космос водород и углекислый газ.
См. также Океанография Атлас Мирового океана Морская вода
Примечания
Категория:Геохимия