課6溶解氣體海洋化學(xué)

第五章海水中氣體

海水中除含有大量無(wú)機(jī)物和有機(jī)物以外，還溶解一些氣體，如O2，CO2，N2等。研究這些溶解氣體起源和分布對(duì)了解海洋中各種物理和化學(xué)過(guò)程起著主要作用。第1頁(yè)氧是海洋學(xué)中研究得最早、最廣泛一個(gè)氣體，它在深海中分布與海水運(yùn)動(dòng)相關(guān)，經(jīng)過(guò)氧分布特征能夠了解海水物理過(guò)程，如水團(tuán)劃分和年紀(jì)以及運(yùn)動(dòng)速度等。海水中溶解氧含量與海洋生物活動(dòng)相關(guān)，海洋植物光合作用放出氧氣，呼吸作用消耗氧氣。“保守氣體”或非活性氣體：不參加海水化學(xué)和生物反應(yīng)，如氮、氫和其它惰性氣體。有利于深入了解空——海界面物理過(guò)程，以及深入了解氦經(jīng)由海底放射核素輸入過(guò)程。微量氣體，如甲烷和一氧化碳等，氣體全球性循環(huán)過(guò)程。放射性氣體，如3H,222Rn,3He，可用來(lái)研究海——空界面氣體交換，同時(shí)也是海水運(yùn)動(dòng)中有用氣體指示劑。第2頁(yè)海水中所溶解氣體主要來(lái)自大氣、海底火山活動(dòng)、海水中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和其它過(guò)程（比如生物過(guò)程尤其是光合作用和呼吸作用、有機(jī)物分解和放射性蛻變，以及地球化學(xué)過(guò)程等）。水循環(huán)、風(fēng)化作用、光合作用、生物腐敗分解、波浪和海流等很多海洋學(xué)和海洋化學(xué)過(guò)程都與大氣相關(guān)。大氣與海洋相比有相同之處，比如二者都是流體，它們大多數(shù)成份逗留時(shí)間比地球壽命短等。

第3頁(yè)DissolvedGasesOtherthanCO2

CompositionoftheAtmosphereDissolutionofGasesinSeawaterAir-SeaExchangeNonreactiveGasesinSeawaterOxygenintheOceansOtherNonconservativeGasesChemicalOceanography第4頁(yè)SourcesofGasestotheOceans1.Atmosphere(N2,O2)2.VolcanicActivity(H2S)3.ChemicalProcessesBiologicalActivity

(NO3

N2O)RadioactiveDecay(226Ra

222Rn)

ChemicalOceanography第5頁(yè)CompositionoftheAtmosphere

N2 0.7808 O2 0.2095 Ar 0.00934 CO2 0.00033 Ne 1.8x10-5 He 5.2x10-6 Kr 1.1x10-6 Xe 8.7x10-8 Pollutants (O3,SO2,NO2,CH4,CO)ChemicalOceanographyGas MoleFraction第6頁(yè)大氣中溫室氣體第7頁(yè)MeasurementMethods1.EquilibratingorstrippingwithaninertgasandmeasurebyG.C.,M.S.

orI.R.(N2,CH4,CO2,Ar,etc.).2.Directmeasurementinsolution(O2byWinklerMethod).

Mn2++2OH-

Mn(OH)2 Mn(OH)2+O2

MnO(OH)2 MnO(OH)2+4H++3I-

Mn2++I3-+3H2O I3-+2S2O32-

2I-+S4O62-

ChemicalOceanography第8頁(yè)BasicConcepts

Dalton’sLaw

PT=PN2+PO2+PAr+PH2O

IdealGasLaw

PG=nGRT/VG R=82.05

cm3atmmol-1deg-1

Henry’sLaw

P’G=KG[G] [G]=P’G/KG

P’G(soln)=PG(air)ChemicalOceanography第9頁(yè)第10頁(yè)SolubilityofGasesinSeawater

[G]=kPG=(1/KG)PGPG(atm)=PG(solution)ln[G]=a0+a1Sln[G]=b0+b1/T+b2lnT

ln[G]=A1+A2(100/T)+A3ln(T/100)+S[B1+B2(T/100)+B3(T/100)^2]

ChemicalOceanography第11頁(yè)EffectofSalinityonSolubilityGas Water SeawaterHe 2.2nM 1.8nMNe 10 7.9Kr 5.8 4.0Xe 0.9 0.2N2 823

M 616

MO2 456 349Ar 22 17CO2 23 20

ChemicalOceanography第12頁(yè)EffectofTemperatureonSolubilityGas 0oC 25oCHe 1.8nM 1.7nMNe 7.9 6.6Kr 4.0 2.3Xe 0.6 0.4N2 616

M 383

MO2 349 206Ar 17 10CO2 20 9

ChemicalOceanography第13頁(yè)EffectofTemperatureChemicalOceanography第14頁(yè)第15頁(yè)第16頁(yè)CausesofDeviationsfromExpectedSolubility1.DeparturesfromStandardAtmosphere2.DissolutionofAirBubbles3.AirInjection4.Differential(微分，微分)HeatandGasExchange5.MixingofWatersofDifferentTemperatures6.Radiogenic（放射性，無(wú)線(xiàn)電廣播）orPrimordial（原始）AdditionChemicalOceanography第17頁(yè)RoleofBubblesChemicalOceanography第18頁(yè)EffectofMixingWaterofDifferentTemperatureChemicalOceanography第19頁(yè)GasSaturationAnomaliesChemicalOceanography第20頁(yè)HeliuminDeepWatersChemicalOceanography第21頁(yè)HefromHydrothermalVentsChemicalOceanography第22頁(yè)HeliuminDeepWatersChemicalOceanography第23頁(yè)Flux（流量，通量）ofGasAcrosstheAir-SeaInterfaceChemicalOceanography第24頁(yè)DoubleLayerGasFluxModelChemicalOceanography第25頁(yè)FluxofGasAcrosstheAir-SeaInterface

Flux=dC/dt=D(dC/dz)Flux=(D/K

)[PG(air)-PG(soln)]Flux=k[PG(air)-PG(soln)]=kPG

kisexitcoefficient

isboundarylayerthickness KisHenry’sLawconstant Disdiffusioncoefficient

ChemicalOceanography第26頁(yè)影響氣體交換原因

溫度氣體溶解度風(fēng)速季節(jié)等第27頁(yè)溫度影響大氣與海洋間氣體交換主要決定于氣體在兩相中分壓差。當(dāng)海水溫度升高或降低都會(huì)使水體中氣體分壓發(fā)生改變，因而引發(fā)氣體在兩相間交換。Downing等人(1955)發(fā)覺(jué)：CO2交換速率隨溫度升高而直線(xiàn)增加，25℃海水交換速率大約是5℃兩倍。第28頁(yè)氣體溶解度影響不一樣氣體在海水中溶解度各不相同。所以，對(duì)于某一恒定分壓差，各種氣體進(jìn)人海洋擴(kuò)散通量相差懸殊，比如O2,CO2和N2通量比率是2：70：1。第29頁(yè)風(fēng)速影響

Downing等人(1955)研究了空氣和水之間交換速率。他們指出：風(fēng)速在0-3m·s-1時(shí)，交換速率幾乎保持恒定（在液體表面上方5cm處測(cè)量）。而風(fēng)速在3-13米／秒時(shí)，交換速率快速增加。第30頁(yè)季節(jié)影響進(jìn)入或逸出海洋表層氣體體積隨季節(jié)性改變是相當(dāng)大。Redfield(1948)曾預(yù)計(jì)，在秋季和冬季平均約有30×104cm3O2進(jìn)入美國(guó)緬因?yàn)澈Ｑ蟊韺樱诖杭竞拖募緟s以對(duì)應(yīng)體積從海洋表面逸出。其中大約2/5是光合作用產(chǎn)生氧，其余是因?yàn)樵跍嘏醒跞芙舛冉档投莩觥５?1頁(yè)DiffusionCoefficients(105cm2s-1)Gas MW 0oC 24oCHe 4 2.0 4.0Ne 20 1.4 2.8N2 28 1.1 2.1O2 32 1.2 2.3Ar 40 0.8 1.5CO2 44 1.0 1.9N2O 44 1.0 2.0Kr 84 0.7 1.4Xe 131 0.7 1.4Rn 222 0.7 1.4

ChemicalOceanography第32頁(yè)BoundryLayerThicknessChemicalOceanography第33頁(yè)ExitCoefficientasFunctionofWindSpeedChemicalOceanography第34頁(yè)第35頁(yè)nitrogen:mostcommondissolvedgasinseawater(accountsfor50%ofthedissolvedgasinwater)majorsourceisdiffusionfromtheatmosphereisextremelyimportantforproteinandaminoacid（氨基酸）productionbyorganisms,butisonlyavailablewhenfixed(oxidized)intoaformlikeammonia（氨基，氨水）--thenitcanbeconvertedintonitrate（硝酸鹽,硝酸鉀）Theprincipalgasesdissolvedinseawaterareoxygenandnitrogen.Nitrogenisconservative(likethe11majorelements;concentrationchangesbymixingonly)第36頁(yè)OxygenintheOceansChemicalOceanography第37頁(yè)OxygeninSurfaceWatersChemicalOceanography第38頁(yè)EffectofPhotosynthesisonO2ChemicalOceanography第39頁(yè)第40頁(yè)EffectofUpwellingonO2ChemicalOceanography第41頁(yè)OxygeninAtlanticOceanWatersChemicalOceanography第42頁(yè)OxygenDistribution-Atlantic第43頁(yè)OxygeninPacificOceanWatersChemicalOceanography第44頁(yè)OxygeninIndianOceanWatersChemicalOceanography第45頁(yè)ApparentOxygenUtilizationChemicalOceanographyAOU=[O2]Calc-[O2]MeasAOU>0O2isbeingusedAOU<0O2isbeingproduced第46頁(yè)AOUinDeepOceanWatersChemicalOceanography第47頁(yè)AOUinPacificWatersChemicalOceanography第48頁(yè)ModelingO2ProfilesChemicalOceanography第49頁(yè)OxygenUtilizationRatesChemicalOceanography第50頁(yè)oxygen:majorsourceofdissolvedoxygenisthephotosyntheticactivityofplantslivinginthesurfacelayeroftheocean

seawatercanholdonlyasmallfractionoftheoxygenthatisproduced,soexcessoxygenisdiffusedintotheatmosphere(oceanprovides50%oftheatmosphere'soxygencontent)theamountofdissolvedoxygencanbeincreasedbyturbulence(watermovement)causedbywavesandsurfacewindsdissolvedoxygendeclinesrapidlyasdepthincreasesbecausetherateofphotosynthesisisslowedbydecreasingli