海洋学基础04通选课课件

1、海 洋 学 基 础主讲：林卫兵海 洋 学 基 础主要内容及学时安排第一章 ： 绪 论 2学时第二章 ： 地球科学与海底系统 4学时第三章 ： 海水的物理性质和大洋的层化结构 2学时第四章 ： 海水的化学组成和特性 2学时第五章 ： 海洋环流 2学时第六章 ： 海洋中的波动现象 2学时第七章 ： 潮 汐 2学时第八章 ： 大气与海洋 2学时第九章 ： 海洋生物 2学时第十章 ： 大洋调查方法简介 2学时复习作业 ： 2学时海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性主要内容：2学时第四章：海水的化学组成和特性海水的化学组成海水中的二氧化碳系统海气界面的气体交换海水中的营养元素海洋的化学资源海

2、洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.1 海水的化学组成 化学海洋学：用化学的原理和方法解决海洋中有关问题的科学。基本内容： 研究海水的化学组成和特性。 即研究：海水中各种均相化学过程、海水与大气界面的气液化学过程、海水与沉积物及悬浮颗粒的固液界面的化学过程。 化学海洋学为海洋科学的其它方向的发展奠定了基础： 海洋环流、水团等需要利用示踪方法跟踪海水的运动，海水化学成分分析有助于确定其运动和来源；生物海洋学的研究；海洋地质学研究等方面。海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.1 海水的化学组成 海水的化学组成： 复杂的多组分水溶液。 海水中铜的存在比较复杂；海水中的钠的存

3、在形式比较简单；海水中溶解的有机物也十分复杂。海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.1 海水的化学组成 1、海水中的成分划分：主要成分：浓度大于110-6mg/kg的成分（又称保守元素）。阳离子：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+（锶）；阴离子：Cl、SO42、Br、HCO3（CO32）、F、分 子：H3BO3。占海水的99.9%。氯度比值 = 主要成分含量（g/kg）Cl4.1.1 海水的主要成分 海水主要成分含量（g/kg）= 氯度比值 Cl近似估计：SA = （氯度比值） ClSA = 1.81544 Cl根据海水组成的恒定性，可测定海水的成分：（Si属于非保守元素

4、）海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.1 海水的化学组成 成 分含量（g/kg）氯度比值氯度比值变化范围Cl19.35350.99894Na+10.76340.555560.5535-0.5572SO422.71240.140000.1394-0.1406Mg2+1.2940.066800.06641-0.06713Ca2+0.41210.021270.0211-0.02134K+0.39910.020600.0203-0.0209HCO30.13560.007002Br0.06720.003470.00344-0.00351Sr2+0.00770.000400.00038-0

5、.00044B(OH)30.02570.001330.00130-0.00140F0.001290.0000670.000064-0.000090共 计35.17051.815437海水主要成分的含量（S=35）及氯度比值海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.1 海水的化学组成 4.1.1 海水的主要成分 3、元素在海水中的逗留时间T =海水中某元素的总量该元素每年进入海洋的量即：元素以固定的速率向海洋输送，把海水中该元素全部置换出来所需的平均时间。QR海 洋M dM/dt = Q R稳定状态：Q=R海水中的元素输出与元素的含量成正比：R=kM（k为输出速率常数）1/k = M/

6、Q = 即：元素的逗留时间等于元素输出速率常数的倒数。海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性4.1.1 海水的主要成分 元素log元素log元素log元素logH4.5Cl7.9As5Hg5Li6.5K6.7Se4Pb(2.6)Be(2)Ca5.9Br8Ra6.6B7.0Sc4.6Rb6.4Th(2)C4.9Ti4Zr5U6.4N6.3V5Mo5O4.5Cr3Ag5F5.7Mn4Cd4.7Na7.7Fe2Sb4Mg7.0Co4.5I6Al2Ni4Cs5.8Si3.8Cu4Ba4.5P4Zn4La6.3S6.9Ga4Au5海水中一些元素的逗留时间 4.1 海水的化学组成 海 洋 学 基

7、础第四章：海水的化学组成和特性 4.1 海水的化学组成 4.1 .2 海水中的微量元素 海水中的微量元素：浓度小于110-6mg/kg的成分。来源：河流输入、大气沉降、海底热泉等。平衡：络合、熬合、氧化还原、生物吸收、颗粒吸附与解吸等。研究方法：分析测定。 Fe、Al在地壳中的含量高，但在海水中的含量低，是海水中的微量元素。海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.1 海水的化学组成 4.1 .3 海水中的放射性同位素 1、天然放射性同位素三大天然放射系 铀系、锕系、钍系：U、Pa-镤、Th钍（ 227Th 、228Th、 230Th 、231Th 、232Th 、234Th ）、A

8、c-锕、Ra镭、Fr钫、Rn氡、Po钋、Bi铋、Pb、Tl铊等11种元素38种核素。 放射性核素在海水中浓度的表示方法：g/L ；pm/L。 宇宙射线与大气元素或其它物质作用的产物3H、7Be、14C、26Al、32Si、32P、33P、35S、35Cl、37Cl和39Ar等。14N + 1n 12C + 3H 14N + 1n 14C + 1p海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.1 海水的化学组成 4.1 .3 海水中的放射性同位素 海洋中长寿命放射性核素 176Lu镥、147Sm钐、138La铼、87Rb铷、68Ga、40K等，浓度为1041012 g / L，半衰期109

9、1016a。2、人工放射性核素核爆炸：产生的裂变产物、活化产物、残余物。裂变产物：235U、239Pu分裂的产物-89Sr锶、90Sr、90Y钇、95Zr锆、95Nb铌、103Ru-氡、106Ru、131I、137Cs铯、140Ba钡、141Ce铈、 144Ce。海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.1 海水的化学组成 4.1 .3 海水中的放射性同位素 活化产物：核爆炸产生的中子与空气、弹壳、土壤等物质发生核反应所产生的放射性核素。 32P、35S、51Cr、54Mn、55Fe、59Fe、57Co、58Co、60Co、65Zn、14C、3H等。残余物：核反应不完全而剩余的放射性

10、核燃料。空中核爆炸产生的放射性尘埃： 90Sr、 137Cs铯、 55Fe、 65Zn、 60Co、 95Zr锆- 95Nb铌、 103Ru-氡-103Rh铑、 106Ru- 106Rh、 141Ce铈、 144Ce。 水下核爆炸产生的活化产物：35Cl、45Ca、35S、82Br、24Na、27Mg、42K等。海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.1 海水的化学组成 核动力舰船及原子能工厂排放的放射性废物 包括放射性液体、树脂、固体废物等。 18F、24Na、51Cr、66Mn、60Co、65Ni、89Sr、90Sr、131I、137Cs、140Ba、144Ce等。高放射性核废

11、料向海洋投放 海水运动、深海生物的携带等。放射性核素的应用和事故 核医学、科研、太空航行器、同位素能源发生器、核潜艇、卫星火箭等应用放射性材料可造成海洋（环境）放射性污染。4.1 .3 海水中的放射性同位素 海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.2 海水中的二氧化碳系统 海水中碳化物的主要形式为：HCO3、CO32、 H2CO3和CO2。CO2（g）+ H2O = H2CO3 = H+ + HCO3 = 2H+ + CO32 Ca2+ + CO32 = CaCO3（s）6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2光合作用呼吸作用海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和

12、特性 4.2 海水中的二氧化碳系统 4.2 .1 海水的pH值秉海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.2 海水中的二氧化碳系统 4.2 .1 海水的pH值1、pH标度1909年Sorensen提出的pH标度：pHs = log CH+1924年Sorensen又提出活度标度：pHa = log aH+25C时， pHa = pHs + 0.027。2、pH实用标度pH = pHs + （E ES）F 2.303 RT pHs标准采用0.05 mol / dm3苯二甲酸氢钾的水溶液在25C时，pH = 4.00。3、影响海水pH的因素海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性

13、4.2 海水中的二氧化碳系统 4.2 .2 海水的缓冲容量海水的缓冲容量：使pH变化一个单位所需加入的酸或碱的量：B = dCbdpH 海水的pH在69之间时缓冲容量最大。大洋水的pH变化主要由CO2的变化引起的。 海水的缓冲容量还与H3BO3有关，海水的缓冲容量比淡水和NaCl溶液都要大（离子对的影响）。海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.2 海水中的二氧化碳系统 4.2 .3 海水的总碱度、碳酸碱度和总二氧化碳1、海水总碱度AT碱度：用以中和弱酸负离子所需的氢离子的物质量除以海水的体积（mol / dm3） 。 海水的总碱度可分为：碳酸盐碱度（CA）、硼酸盐碱度（BA）和过

14、剩碱度（SA）。碱度方程： AT + H+ = HCO3 + 2CO32 + OH + B（OH）4 + SA AT = HCO3 + 2CO32 + B（OH）4简化方程为：2、海水的碳酸盐碱度 CT = HCO3 + 2CO32海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.2 海水中的二氧化碳系统 4.2 .3 海水的总碱度、碳酸碱度和总二氧化碳3、海水的总二氧化碳海水对CO2的吸收取决于：海水的静态容量；大气海洋之间CO2 的交换速率；海水垂直混合速率。海水的总CO2： CO2 = C CO2（T） + CHCO3 + CCO3 海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.

15、3 海气界面的气体交换4.3 .1 海水中的溶解气体气 体体积百分数分压（101325Pa）N278.840.0040.7808O220.9460.0020.2095Ar0.9340.0010.0093CO20.0330.0010.0003Ne1.8180.00410-31.8210-5He0.524 + 0.00410-35.210-6Kr1.140.0110-41.110-6Xe0.870.00110-48.710-7H20.510-4510-4气体来源含量（10-6）CH4210-6O3紫外线照射00.07（夏季）00.07（冬季）SO2工业01NO2工业00.02NH3工业不定CO工业

16、不定空气中不变成分的含量空气中可变成分的含量（地面）1、空气的主要成分和分压海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.3 海气界面的气体交换4.3 .1 海水中的溶解气体2、气体的溶解度 气体的溶解度决定于气体的水面上的分压、海水的温度和盐度。（单位：mol/dm3）3、大气成分在海水中的溶解度 大气成分在海水中的溶解度主要决定于气体的性质、气体的分压、海水的温度和盐度。 对单一的某气体，在标准大气压下，气体的溶解度可表示为海水温度、盐度（氯度）的函数。Fox（1909）提出：CF=10.2910.2809t+0.006009t20.0000632t3（0.11610.003922t

17、+0.0000631t2）Cl海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.3 海气界面的气体交换4.3 .2 气体在海气界面的交换1、气体交换模式海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.3 海气界面的气体交换4.3 .3 含硫气体和甲烷 海水中的硫主要以二甲基硫（DMS）、硫化氢、二硫化 碳、二甲亚砜（DMSP）的形式存在。H2S：以重金属硫化物存在；CS2：水溶性差；DMS：海洋中浮游植物代谢产生DMSP，在酶作用下产生DMS。 CH4：海洋中有机碎屑分解产生（CO、CO2还原）。表层海水中的分布与H2、N2O相近。 垂直分布随深度增加而降低。海 洋 学 基 础第四章：海

18、水的化学组成和特性 4.3 海气界面的气体交换4.3 .4 氮和惰性气体 惰性气体化学性质稳定，不参加化学反应，称为保守气体。由于分析方法的限制，目前在海水中的分布情况不清楚。N2O： 1963年测定结果表明，高纬度海水中N2O可能处于不饱和状态。 1971年在大西洋中北部测定结果表明，表层海水中N2O处于过饱和状态。 海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.4 海水中的营养元素4.4.1 海洋中氮、磷、硅的主要存在形式1、海洋中氮的主要存在形式NO3（海水） NO3（细胞内）NO2 NH4+ 氨基酸透性酶硝酸还原酶亚硝酸还原酶谷氨酸脱氢酶海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和

19、特性 4.4 海水中的营养元素4.4.1 海洋中氮、磷、硅的主要存在形式2、海洋中磷的主要存在形式无机磷酸盐（溶解的无机磷酸盐-DIP） H3PO4 H+ + H2PO4 H+ + HPO4 2 H+ + PO4 3 K1K2K387%87%12%海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.4 海水中的营养元素4.4.1 海洋中氮、磷、硅的主要存在形式 海水中PO43聚合成的多磷酸盐（Polyphosphate）以磷酸根团通过P-O-P键结合，形成链状或环状，和多种金属阳离子形成络合物。 海洋中颗粒态无机磷酸盐（PIP）主要以磷酸盐矿物存在于海水悬浮物和海洋沉积物中。 磷灰石：Ca10

20、（PO4）6X2，其中X=F，OH，Cl。 Ca：Na+，K+，Ag+，Sr2+，Mn2+，Mg2+，Zn2+，Cd2+，Ba2+，Sc2+，Y3+等取代。 PO43：CO32，SO42 ，CrO42 ，AsO42 ，VO42 ，F ，OH ，SiO32 等取代。有机磷合物 颗粒有机磷化合物（POP）主要存在于生物体内和有机碎屑物中。如核酸（DNA、RNA），高能化合物三磷酸腺苷（ATP），细胞膜的磷脂等。 海水中还存在溶解有机磷化合物（DOP）。海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.4 海水中的营养元素4.4.1 海洋中氮、磷、硅的主要存在形式3、海水中硅的存在形式 海水中硅的

21、存在形式：溶解硅酸盐、悬浮二氧化硅。H4SiO4 H+ + H3SiO4 H+ + H2SiO42H4SiO4 SiO2 海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.4 海水中的营养元素4.4.2 海洋中的硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐的分布与变化1、平面变化：海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.4 海水中的营养元素4.4.2 海洋中的硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐的分布与变化2、垂直分布：海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.4 海水中的营养元素4.4.2 海洋中的硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐的分布与变化3、季节变化：海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.4 海水中的营养元素4.4.2 海洋中的硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐的分布与变化海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.4 海水中的营养元素4.4.2 海洋中的硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐的分布与变化海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.4 海水中的营养元素4.4.3 海洋中的氮、磷、硅的循环1、海洋中氮的循环海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.4 海水中的营养元素4.4.3 海洋中的氮、磷、硅的循环2、海洋中磷的循环海 洋 学 基 础第四章：海水的化学组成和特性 4.4 海水中的营养元素4.