Газы, растворенные в морской воде

Кислород. Растворенный в морской воде кислород заимствуется из атмосферы на контакте воды с воздухом. Он образуется также при фотосинтезе морских растений. С другой стороны, кислород потребляется при дыхании живых организмов и при окислении различных веществ моря, главным образом органического детрита.

Растворимость кислорода в морской воде зависит от температуры и солености; эта зависимость может быть выражена формулой Якобсона:

(1.11.)

V(O₂)= 10,062-0,2822-0,006144t²-0,000061t³-Cl(0,1073-0,003586t+0,000055t²),

Где V(O2) – растворимость кислорода в 1 см³ на 1 л морской воды при нормальных температуре и давлении в условиях равновесия воды и воздуха при нормальном давлении; Cl- хлорность; t – температура воды, ^оС.

Интересно, что во всех океанах существует слой с минимальным содержанием кислорода, глубина которого меняется в зависимости от географии.

Однако Ричардс и Редфилд [1955] указывают, что слои с минимальным содержанием кислорода в океане наиболее часто приурочены к поверхности одной и той же плотности - s_t = 27,2 / 27,3.

Свердруп [1938] рассмотрел возможные причины равновесия между динамическим притоком и биохимическим потреблением в слое минимального содержания кислорода. Считал что, существование слоя с минимальным содержанием кислорода обусловлено главным образом биохимическим расходом кислорода и характером распределения в море органического вещества и сделал заключение, что важной причиной минимума кислородного содержания является существование в океане горизонта перерыва.

Рейкстро [1947] определял скорости расхода кислорода в пробах воды, отобранных на поверхности, в слое с минимальным содержанием кислорода и в глубоководном слое. При этом начальная температура проб в течение длительного времени поддерживалась постоянной. Он установил, что расход кислорода за два года в воде слоя с минимальным содержанием, равно как и в воде глубоководного слоя, весьма незначителен. С другой стороны, поверхностная вода после небольшого выдерживания приобрела ту же концентрацию кислорода, что и пробы воды из слоя с минимальным содержанием кислорода. Рейкстро высказал предположение, что органическое вещество в вертикальной колонне воды, по крайней мере до слоя с минимальным содержанием кислорода, поступает с ее собственной площади поверхности и этим объясняется дефицит кислорода.

Мияки и Сарухаши [1956] исследовав причины вертикальной миграции в море растворенного кислорода, пришли к выводы, что дефицит кислорода тесно связан с увеличением содержания в морской воде углекислоты и с локально протекающим окислительным разложением органического вещества.

Первое исследование изотопного состава растворенного в морской воде воздушного кислорода было проведено Рейкстро, Раддом и Доулом.

Результаты масс-спектрометрических определений показали, что между величиной отношения О¹⁸/О¹⁶ и количеством кислорода, растворенного в морской воде на разной глубине, существует значительное расхождение отрицательного знака. Использовав в качестве стандарта отношение О¹⁸/О¹⁶ в воздухе (0,2039%), удалось установить, что разница между процентным содержанием О¹⁸ и таковым воздуха с глубиной постепенно возрастает, достигая максимума в +0,006% в слое с минимальным содержанием кислорода, располагающемся на глубине около 700 м. После прохождения слоя с минимальным содержанием кислорода d снова уменьшается, падая на глубине 2870 м примерно до +0,001%. Доул [1952] установил, что кислород, освобождающийся при фотосинтезе, имеет более низкую величину отношения О¹⁸/О¹⁶, чем атмосферный кислород; по его данным, фактор фракционирования равен 0,983. Это должно приводить к уменьшению относительного количества О¹⁸ в растворенном в морской воде кислороде, так как этот кислород частично производится фитопланктоном.

С другой стороны, кислород в морской воде поглощается при дыхании живых организмов, при бактериальных процессах, при окислении органического детрита и т.д.; при этом легкий изотоп кислорода поглощается избирательно. Вследствие этого следует ожидать, что находящийся в воде остаточный кислород по сравнению с воздухом должен быть относительно обогащен О¹⁸. По данным определений Доула [1954], фактор фракционирования изотопов кислорода при процессах поглощения кислорода, растворенного в морской воде, равен 0,991. Необходимо отметить, что азот в газе, растворенном в воде океана, так же как и атмосферный азот, имеет нормальный изотопный состав.

Азот и редкие газы. Растворимость азота в морской воде описывается следующей формулой Фокса:

(1.12.)

V(N₂)=18,639-0,4304t / 0,00745t²-0,0000549t³-Cl(0,2172-0,00718t+0,0000952t²).

Результаты определений показывают, что содержание растворенного азота, а также аргона, неона и гелия, в отличие от кислорода мало изменяется с глубиной и всегда близко к насыщению.

В таблице 5 приведен пример данных о вертикальных вариациях содержания растворенных в воде неона и гелия в Атлантическом океане.

Таблица 5. Вариации содержания в морской воде растворенных неона и гелия (Rakestraw и др., 1939).

Атлантический океан (35о55’ с.ш. и 67о39’ з.д.), апрель
Глубина, м	Температура, оС	Содержание кислорода, см3/л	Содержание He+Ne 10-5 см3/л
0 5 25 62 166 333 622 912 1772 2959	18,28 18,31 17,97 17,93 17,92 17,63 15,62 9,55 3,86 3,16	5,14 5,15 5,05 5,17 5,15 4,90 4,10 3,60 5,88 6,15	18,5 14,1 15,2 15,2 15,2 15,6 15,9 15,9 16,5 17,8