Солёность

Стандартная морская вода производства OSIL

Солёность — содержание солей в воде. Измеряется в «‰» (промилле) или в ПЕС (практические единицы солёности), PSU (англ. Practical Salinity Units) практической шкалы солёности (англ. Practical Salinity Scale).

Содержание некоторых элементов в морской воде

Элемент
Хлор	19 500
Натрий	10 833
Магний	1 311
Сера	910
Кальций	412
Калий	390
Бром	65
Углерод	20
Стронций	13
Бор	4,5
Фтор	1,0
Кремний	0,5
Рубидий	0,2
Азот	0,1

Солёность в промилле — это количество твёрдых веществ в граммах, растворённое в 1 кг морской воды, при условии, что все галогены заменены эквивалентным количеством хлора, все карбонаты переведены в оксиды, органическое вещество сожжено.

В 1978 году введена и утверждена всеми международными океанографическими организациями шкала практической солёности (Practical Salinity Scale 1978, PSS-78), в которой измерение солёности основано на электропроводности (кондуктометрия), а не на выпаривании воды. В 1970-х годах широкое применение в морских исследованиях получили океанографические CTD-зонды, и с тех пор солёность воды измеряется в основном электрическим методом. Для поверки работы ячеек электропроводности, которые погружаются в воду, используют лабораторные солемеры. В свою очередь, для проверки солемеров используют стандартную морскую воду. Стандартная морская вода, рекомендованная международной организацией IAPSO для поверки солемеров, производится в Великобритании лабораторией Ocean Scientific International Limited (OSIL) из натуральной морской воды. При соблюдении всех стандартов измерения можно получить точность измерения солёности до 0,001 ПЕС.

Шкала практической солёности PSS-78 основана на сравнении электропроводности исследуемой пробы воды с электропроводностью раствора хлорида калия, содержащего 32,4356 грамма KCl в 1 кг раствора. Измерения проводят при температуре растворов 15 °C и давлении 1 атм (стандартные условия по ISO 13443). Солёность рассчитывается из отношения электропроводности пробы и стандартного раствора по эмпирической формуле:

S = a 0 + a 1 K 15 1 / 2 + a 2 K 15 + a 3 K 15 3 / 2 + a 4 K 15 2 + a 5 K 15 5 / 2 , {\displaystyle S=a_{0}+a_{1}K_{15}^{1/2}+a_{2}K_{15}+a_{3}K_{15}^{3/2}+a_{4}K_{15}^{2}+a_{5}K_{15}^{5/2},}(ПЕС)

K 15 {\displaystyle K_{15}} — относительная электропроводность (отношение электропроводности измеряемой морской воды к электропроводности 32,4356 ‰ раствора хлорида калия) при стандартных условиях.

Шкала PSS-78 даёт числовые результаты, близкие к измерениям массовых долей, и различия заметны либо когда необходимы измерения с точностью выше 0,01 ПЕС, либо когда солевой состав не соответствует стандартному составу океанской воды.

Средняя солёность Мирового океана — 35 ‰ или 35 ПЕС. Для калибровки приборов в Бискайском заливе добывается так называемая нормальная вода с солёностью, близкой к 35 ‰ или 35 ПЕС.

Показатель преломления воды зависит от солёности, на этом основан рефрактометрический метод её измерения. Преимущества этого метода в оперативности и возможности проводить измерения в небольших (несколько капель) пробах воды.

Соленость. Определение солености

Как уже отмечалось выше, отличительным свойством морской воды является ее соленость (обозначается символом S). Под истинной соленостью понимается отношение массы растворенного твердого вещества в морской воде к ее массе. Это определение солености было принято в начале прошлого века Международным советом по исследованию морей.

Из-за сложности состава морской воды невозможно прямым химическим анализом определить полное количество соли, растворенное в пробе морской воды. Сухой остаток, получаемый после выпаривания, очень хорошо впитывает влагу и для его получения требуется длительное нагревание, приводящее к разложению карбонатов и солей магния. Группа ученых, в которую входили М. Кнудсен, К. Соренсен и С. Форх, разработали метод обезвоживания в среде хлора, который давал высокоточные результаты. Но этот метод слишком сложен, и на практике соленость морской воды им никогда не измеряется.

В настоящее время соленость определяется либо по содержанию одного из компонентов солевого состава (метод Мора- Кнудсена), либо по электропроводности морской воды, либо по показателю преломления. В результате возникли различные шкалы солености, основанные на различных принципах. Единица измерения солености зависит от способа ее определения — г кг’1 или %о (промилле) в случае метода Кнудсена и в единицах практической солености при определении S по электропроводности.

Метод Мора-Кнудсена основан на постоянстве солевого состава морской воды. Вследствие возможных отклонений от закона Дитмара определение всей массы растворенных солей по содержанию одного из компонентов не совсем точно, но не столь существенно по сравнению с точностью самого определения солености. В этом методе соленость (96о) определяется по хлорно- сти (С1) морской воды, представляющей собой сумму ионов хлора, брома и йода и полученную стандартным аргентометрическим методом титрования на хлор. Соотношение между соленостью и хлорностью для океанских вод выражается эмпирической формулой:

Эта формула была получена в 1901 г. М. Кнудсеном. Она справедлива для диапазона солености морских вод от 2,69 до 40,18 %о. Отметим, что для замкнутых морей (Каспийское, Аральское), а также внутриматериковых морей (Балтийское, Черное, Азовское) соотношения между соленостью и хлорностью отличаются от (3.34) .

Наличие в (3.34) свободного члена приводит к тому, что соленость оказывается величиной неаддитивной. В то же время известно, что соленость — величина консервативная, подчиняющаяся линейному закону смешения. Для устранения этого противоречия в 1962 г. группой экспертов при ЮНЕСКО была предложена следующая формула (шкала Кокса):

? %о = 1,80655-0 %о . (3.35)

Для определения солености по электропроводности (см. раздел 8.1) была разработана Шкала практической солености, 1978 г. (ШПС-78) . Эта шкала основана на эмпирической зависимости от электропроводности не природных вод, а растворов стандартной морской воды. Первичным эталоном в этом методе служит водный раствор хлористого калия (KCI) при температуре 15° С и давлении в одну стандартную атмосферу (101325 Па).

Практическая соленость вычисляется по следующей эмпирической формуле:

В выражении (3.36) Rj обозначает относительную электропроводность, равную отношению электропроводности пробы воды к электропроводности воды с соленостью 35 при атмосферном давлении. Обе пробы должны иметь температуру 15° С.

Относительная электропроводность RT по данным измерений in situ рассчитывается следующим образом. Пусть у(S,T,p) — условная электропроводность морской воды in situ (см. раздел 8.1), у(35,15,0) — условная электропроводность морской воды при 7=15° С, практической солености 35 и атмосферном давлении (4,2914 См м’1). Величина

называется коэффициентом электропроводности.

Этот коэффициент можно разложить на три части:

Формула (3.36) справедлива в диапазонах температуры Т от -2° до 35° С по МПТШ-68, практической солености S от 2 до 42 и давлении от 0 до 1000 бар. Зависимость практической солености морской воды от электропроводности и температуры показана на рис. 3.1.

Соленость в Мировом океане главным образом заключена в пределах между 33 и 37%о. Исключение составляют приустьевые районы, бассейны опреснения (такие как Балтийское и Черное моря), где соленость значительно уменьшается, и бассейны осо- лонения (Средиземное и Красное моря), где соленость превышает 38 %о. Средняя соленость вод Мирового океана — 34,72%о.

Рис. 3.1. Зависимость практической солености морской воды от электропроводности и температуры по ШПС-78

С глубиной соленость воды в разных районах Мирового океана изменяется по-разному. В Черном море, например, увеличивается. В Атлантическом океане сначала растет (воды повышенной солености), затем понижается и снова повышается. В таблице 3.4 приведены средние значения солености воды в Мировом океане. Если бы удалось выделить из океана всю растворенную в нем соль, то она покрыла бы весь земной шар слоем соли толщиной более 40 м и весом 95 тонн на 1 м2!

• Отметим, что при написании практической солености знак %о опускается. Некоторые отечественные исследователи для обозначения практической солености пользуются аббревиатурой епс (единицы практической солености), в англоязычной литературе эта аббревиатура выглядиттак: psu или PSS-78.

Что такое соленость морской воды, и в каких единицах она измеряется?

Концентрация растворенных в воде веществ характеризуется соленостью, которая измеряется в промилле (%о), т. е. в граммах вещества на 1 кг воды.

Линии на карте, соединяющие точки с одинаковой соленостью, называют изогалинами (изохалинами).

Соленость пресной воды в среднем равна 0,146 %о, а морской — в среднем 35 %о. Растворенные в воде соли придают ей горько-соленый вкус.

Около 27 из 35 граммов составляет хлористый натрий (поваренная соль), поэтому вода соленая. Соли магния придают ей горький вкус.

Поскольку вода в океанах образовалась из горячих соленых растворов земных недр и газов, соленость ее была изначальной. Есть основания предполагать, что на первых этапах формирования океана его воды по солевому составу мало отличались от речных. Различия наметились и стали усиливаться после преобразования горных пород в результате их выветривания, а также развития биосферы. Современный солевой состав океана, как показывают ископаемые остатки, сложился не позже протерозоя.

Помимо хлоридов, сульфитов и карбонатов в морской воде обнаружены почти все известные на Земле химические элементы, в том числе и благородные металлы. Однако содержание большинства элементов в морской воле ничтожно, например, золота в кубометре воды выявлено лишь 0,008 мг, а на наличие олова и кобальта указывает их присутствие в крови морских животных и в донных осадках.

Соленость океанских вод — величина не постоянная. Она зависит от климата (соотношения осадков и испарения с поверхности океана), образования или таяния льдов, морских течений, вблизи материков — от притока пресных речных вод.

В открытом океане соленость колеблется в пределах 32- 38%; в окраинных и средиземных морях колебания ее значительно больше.

Особенно сильно на соленость вод до глубины 200 м влияет количество выпадающих атмосферных осадков и испарение. Исходя из этого, можно говорить, что соленость морской воды подвержена закону зональности.

В экваториальных и субэкваториальных районах соленость составляет 34 %с, потому что количество выпадавших осадков больше воды, затраченной на испарение. В тропических и субтропических широтах — 37 так как осадков мало, а испарение велико. В умеренных широтах — 35 %о. Наименьшая соленость морской воды наблюдается в приполярных и полярных областях — всего 32 так как количество осадков превышает испарение.

Морские течения, сток речных вод и айсберги нарушают зональную закономерность солености. Например, в умеренных широтах Северного полушария соленость вод больше около западных берегов материков, куда с помощью течений приносятся более соленые субтропические воды, меньшая соленость воды — у восточных берегов, куда холодные течения приносят менее соленую воду.

Сезонное изменение солености воды происходит в приполярных широтах: осенью за счет образования льда и уменьшения силы речного стока соленость увеличивается, а весной-летом за счет таяния льда и усиления речного стока соленость уменьшается. Вокруг Гренландии и Антарктиды в летний период соленость становится меньше в результате таяния близлежащих айсбергов и ледников.

Самый соленый из всех океанов — Атлантический океан, наименьшую соленость имеют воды Северного Ледовитого океана (особенно у азиатского побережья, близ устьев сибирских рек — менее 10 %о).

Среди частей океана — морей и заливов — максимальная соленость наблюдается в областях, ограниченных пустынями, например, в Красном море — 42 %с, в Персидском заливе — 39 %с.

От солености воды зависят ее плотность, электропроводность, образование льда и многие другие свойства.

Что такое плотность морской воды?Как влияет изменение плотности морской воды (солености, температура) на осадку судна?

Плотность воды. Температура и соленость — главные факторы, обусловливающие плотность воды.

Для морской воды, чем ниже температура и выше соленость, тем больше плотность воды. Так, при солености 35 %о и температуре 0 °С плотность морской воды составляет 1,02813 г/см3 (масса каждого кубометра такой морской воды на 28,13 кг больше, чем соответствующего объема дистиллированной воды). Температура морской воды наибольшей плотности не +4 °С, как у пресной, а отрицательная (-2,47 °С при солености 30 %с и -3,52 °С при солености 35 %о.

Благодаря нарастанию солености плотность воды увеличивается от экватора к тропикам, а в результате понижения температуры — от умеренных широт к Полярным кругам. Зимой происходит опускание полярных вод и их движение в придонных слоях к экватору, поэтому глубинные воды Мирового океана в целом холодные, но обогащенные кислородом.

При переходе судна из одного водного бассейна в другой изменяется соленость (плотность) забортной воды. При плавании в воде плотностью ρ и ρ1водоизмещение судна соответешенно будет:

D = ρ×V и D = ρ1×V1,

где V — объемное водоизмещение судна до перехода в воду другой плотности;
V1 — объемное водоизмещение судна после перехода.
приравнивая правые части равенств, получим:

ρ×V = ρ1×V1или V/V1= ρ1/ρ

Объемное водоизмещение можно выразить через главныеразмерення L, В, Т и коэффициент общей полноты:

V = δ×L×B×T и V1 = δ1×L1×B1×T1

При малых изменениях объемного водоизмещения, например при изменении солености воды, длина, ширина и коэффициент общей полноты практически не изменяются. В этом случае изменение водоизмещения происходит за счет изменения осадки. Таким образом:

ρ×T = ρ1×T1или T/T1= ρ1/ρ

Следовательно, при переходе судна из воды одной солености в воду другой солености осадка его изменяется примерно обратно пропорционально плотности воды.
Изменение объемного водоизмещения определяется с помощью выражения:

ΔV = V1 — V = D/ ρ1 — D/ ρ = D(ρ — ρ1)/(ρ×ρ1) или ΔV = V×(ρ — ρ1)/ρ1

Изменение объемного водоизмещения ΔV можно также рассчитать как объем слоя с основанием, равным площади действующей ватерлинии S (практически неизменной в пределах малых изменений осадки), и высотой, равной изменению средней осадки ΔТ, т.е. V = S×ΔT. Тогда:

S×ΔТ = V×(ρ — ρ1)/ρ1

Отсюда:

ΔТ = V/S × (ρ — ρ1)/ρ1или ΔТ = D/(S×ρ) × (ρ — ρ1)/ρ1

При переходе судна из пресной воды (ρ = 1,0 т/м3 ) в морскую (ρ = 1,025 т/м3):