Плотность воды на земле

Различия в солености и температуре воды приводят к тому, что ее плотность также неодинакова. Воды с разной плотностью могут лежать слоями. Вода с высокой плотностью лежит ниже, чем вода с небольшой плотностью. Низкая температура и высокая соленость повышают плотность воды, а высокая температура и низкая соленость делают воду менее плотной.

Относительно теплая, поверхностная вода с низкой плотностью отделена от холодной, плотной глубинной воды термоклином - зоной, где температура резко меняется с глубиной. Эти разные слои так резко отделены друг от друга, что при штилевой погоде вы можете плыть в теплой воде, опустив руку в холодную. Наиболее ярко такие слои выражены в закрытых пресных водоемах: озерах и карьерах.

Разница температуры воды над и под термоклином может достигать 8-11° С. Когда вода приходит в движение, можно увидеть границу термоклина, похожую на дрожание горячего воздуха, поднимающегося над раскаленным асфальтом или взлетной полосой. Этот эффект вызывается смешением двух слоев воды с разной температурой.

Термоклины можно наблюдать и в пресных, и в соленых водоемах. Термоклин поднимается выше или опускается в зависимости от сезонных изменений температуры воды.

Разница в солености обуславливает более значительные изменения плотности, чем разница по температуре. Переход от менее соленой поверхностной воды к более соленой глубинной воде называется галоклин. В океане термоклин и галоклин совместно образуют пикноклин - зону, где плотность воды значительно возрастает с глубиной. Под пикноклином температура и соленость воды обычно постоянны.

pH - Кислотность и щелочные свойства воды. Соотношение концентрации растворенных в воде положительно заряженных ионов (катионов) водорода и отрицательно заряженных гидроксид ионов (анионов) определяет кислотность воды. Единица измерения кислотности называется pH - шкала, которая описывает соотношение между катионами водорода (Н+) и гидроксид-анионами (ОН-) в жидкости.

Когда раствор содержит много катионов водорода, он называется кислым, а значение pH составляет от 0 до 7 (не включая значение 7). Значение pH, равное 0, означает очень концентрированную кислоту, которая может сжечь кожу, в то время как слабая кислота имеет значение pH 4.0 или 5-5. Например, лимонная кислота, которая придает лимону его вкус, относится к слабым кислотам. Шкала pH - логарифмическая.

Это означает, что для получения каждого следующего значения следует умножить предыдущее на одно и то же фиксированное число. В случае pH основание логарифма - 10, поэтому каждое последующее значение шкалы означает десятикратное изменение. Так, переход от pH б к pH 7 означает уменьшение кислотности в десять раз.

Растворы с высоким содержанием гидроксид-анионов называются щелочными или основными растворами. Значения pH таких растворов больше 7, а растворы с pH выше 9 считаются концентрированными щелочными растворами. Например, pH гидроксида натрия равен 14 — его опасно даже касаться. Пищевая сода, для сравнения, имеет pH около 8.

Значение pH чистой воды равно 7 - она нейтральна. Вы когда-нибудь задумывались, почему вы спокойно открываете глаза в большинстве пресноводных озер, а морская вода щиплет глаза? Причина в том, что морская вода слабощелочная - ее pH обычно варьирует от 7.8 до 8.3 вспомните, что разница между pH 7 и 8 означает десятикратное изменение). Слабощелочные свойства морской воды вызваны растворенной в ней солью.

Пресные воды далеко не всегда имеют нейтральную реакцию pH воды в разных водоемах может варьировать в очень широких пределах, от сильно кислого до сильно щелочного pH одного и того же пресного водоема может существенно меняться из-за естественных и антропогенных причин. Напротив, pH океанской воды относительно стабилен благодаря буферному эффекту. Буфер - это раствор, содержащий компоненты, препятствующие изменению кислотно-щелочного баланса в сторону закисления или защелачивания. Морская вода обладает свойствами буфера в основном благодаря содержанию углекислого газа.

Углекислый газ может вступать с водой в разные реакции, в результате которых связываются или высвобождаются катионы водорода. Когда вода становится слишком щелочной, реакции высвобождают катионы водорода, которые восстанавливают равновесие. Напротив, когда вода слишком закисляется, другие реакции связывают катионы водорода, делая раствор более щелочным. Круговорот углерода - очень важный и сложный процесс, благодаря которому pH океанской воды остается относительно стабильным (подробнее об этом мы расскажем позже).

Хотя pH морской воды относительно стабилен, он меняется с глубиной. Это происходит потому, что количество растворенного углекислого газа на разных глубинах неодинаково. Верхний слой воды, куда проникает солнечный свет, называется фотической зоной и содержит наибольшее количество фотосинтезирующих организмов. Эти организмы используют углекислый газ, делая воду немного более щелочной. Кроме того, поверхностная вода более теплая, что также сокращает количество растворенной углекислоты. В среднем, теплая, богатая жизнью вода имеет pH около 8.5.

В толще океана pH может слегка меняться. Здесь может быть больше углекислоты от дыхания морских животных и других организмов, поэтому вода более кислая, с меньшим значением pH.

На глубинах около 1 000 метров активность жизни снижается. Это означает меньшую дыхательную активность, и, следовательно, меньшее количество углекислого газа, поэтому эти слои воды имеют более щелочную реакцию. На 3000 метрах и глубже вода снова становится более кислой. Причина в том, что разлагающийся органический материал, падающий на дно, выделяет углекислоту, а фотосинтезирующих организмов, которые могли бы поглощать ее, здесь нет. Переход между менее кислой и более кислой зонами называется уровнем карбонатной компенсации (УКК). Вода под УКК достаточно кислая для того, чтобы в ней растворялись падающие сюда известковые раковины (известняк — это карбонат кальция) и прочие останки погибших организмов. Другими словами, ниже УКК скорость растворения карбоната кальция превышает скорость его накопления.

Значение pH воды также влияет на возможность развития морской жизни. Замечательный пример можно наблюдать в лагунах на островах Палау в Тихом океане. Большая часть лагун соединяется с океаном, и вода в них сменяется с приливами и отливами. Некоторые из них, однако, полностью изолированы от океана, и вода поступает в них через трещины в известняке - породе, типичной для островов региона. Размер трещин и пор в известняке позволяет просачиваться в них морской воде, но исключает проникновение любых организмов.

В этих изолированных озерах нет хищников, и благодаря этому и другим условиям в озере на острове Эйл Малк сложилась уникальная фауна. Озеро населяют миллионы нестрекающих медуз, принадлежащих к двум видам (лунная медуза и местига). Они не обладают стрекательными клетками и не охотятся, а вместо этого культивируют одноклеточные водоросли внутри своих прозрачных тел. Эти водоросли используют энергию солнечного света, растут и кормят медузу. Медузы поднимаются к поверхности с рассветом, и перемещаются по озеру вслед за солнцем, а ночью опускаются в глубокий слой воды, начинающийся с 18 метров, где растворен сероводород (ядовитое вещество, к которому они нечувствительны).

Ныряльщики плавают среди медуз в верхних слоях озера, где pH составляет около 8.5. Однако их предостерегают от ныряния глубже 9 метров, поскольку на этой глубине вода становится более щелочной из-за снижения общей дыхательной активности (поскольку другие организмы отсутствуют), и, следовательно, уменьшения количества углекислого газа. Это приводит к возникновению сильно щелочной реакции.