3海洋物化環境
第3章海洋的化學和物理 林雨莊編譯
水的魔力
要了解海水化學，首先需要了解一些有關水本身化學的知識。
水分子是存在的最小量的水。細小水滴上至少有10億個水分子。水分子彼此之間以及與其他化學物質之間的行為方式賦予水以其獨特的物理和化學特性。
水分子(H 2 O)是氧(O)原子與兩個氫(H)原子結合而成。水分子的結構是不尋常的。在大多數具有三個原子(例如二氧化碳(CO 2 ))的分子中，原子將自己排列成一條直線。但是，水分子的形狀更像是飛旋鏢或香蕉。它在中間彎曲。
儘管水分子總體上是電中性的，但其表面具有不同的電荷。氧原子為負數，兩個氫原子為正數。由於相反的電荷吸引，因此一個水分子的略帶正電荷的部分被吸引到另一水分子的略帶負電荷的部分。這種吸引作用稱為氫鍵。結合水分子彎曲的事實，氫鍵作用促使水分子在可能的幾何排列中彼此對齊。這有助於創建雪花中發現的美麗的冰晶星狀圖案。氫鍵還會產生水的許多其他異常特性。
沒有氫鍵，在常溫下，水將像二氧化碳一樣成為氣體。氫鍵使水分子不太可能飛散而形成氣體。出於這個原因，地球上的大多數水以液體形式而不是蒸氣形式存在。在物質中，水也是不尋常的，因為在地球的正常溫度範圍內，水以三種物理狀態存在：固體(冰)，液體和氣體(蒸汽)。
圖3-1
水分子與氫鍵結合。相鄰水分子中的氧與氫原子之間的靜電吸引力稱為氫鍵。它們會產生許多水的異常物理性質。
溫度和海水
在海平面，純淨水在0°C時凍結，在100°C時沸騰。如果物質溶於水，它們的存在會稍微改變其凝固點和沸點。例如，海面平均鹽度高的海水在–1.9°C下凍結。
像其他液體一樣，水在冷卻時會變得更稠(更重)。因此，4°C時的水比6°C時的水重，並且傾向於下沉到下方，而溫水則趨於高於涼水。當冷水從海面下沉時，其他水會流過以替換它。同時，在其他地方，溫暖的水上升到地表以代替下沉的水。不斷下沉和上升的海水混合在一起，並有助於引導主要的洋流。
大多數液體在凍結時會下沉。水又是一個例外。低於4°C，水接近其凝固點時，由於氫鍵形成了冰晶的開放框架，因此密度降低了。在淡水和海水中，冰都會漂浮。否則，湖泊、河流和極地海洋將結冰。如果真是這樣，那麼只有地球上較暖的區域才會有液態水，而地球上的大片區域或多或少將不適合居住。實際上，當極地海洋在地表凍結時，水繼續在冰下循環。冰層使溫暖的水遠離可能凍結其的冷空氣。
溫度控制著生物體內外的化學反應速率。在溫暖的條件下反應通常更快，而在涼爽的條件下反應則慢。大多數海洋物種只能在相當窄的溫度範圍內繁衍生息，因此環境溫度是影響生物體生活的關鍵因素。可以內部控制體溫的鳥類和哺乳動物是例外。例如，北極燕鷗和座頭鯨在大洋中從極地到熱帶水域都在海洋中廣泛傳播。
在除極地海洋以外的所有海洋中，至少一年中的一部分海洋是三層的。最溫暖的頂層(海平面下0至100公尺)被風和水流混合，並被太陽加熱，溫度大約為27度。第二層的深度在100至500公尺之間，在此之下溫度延伸，溫度從上到下迅速下降，降幅介於5°C和27°F之間。這是溫床(來自希臘語klinein，指“坡度”)，其陡峭的溫度梯度成為許多生物運動的障礙。有些生物，例如稱為co足類的類似蝦的小型動物，在日常旅行中可以通過溫躍層，但許多生物卻無法通過。溫躍層將溫暖的地表水與深海的涼水分開。
在熱躍層之下(海平面500公尺以下)，深海的水很冷，溫度在0°C至5°C之間。在海洋最深處，在海溝的底部，水降至–1°C，低於正常的水冰點。水不會凍結，因為它處於如此高的壓力下，並且因為其中含有降低冰點的鹽。僅在靠近火山熱作用的地方(例如靠近熱液(熱水)通風口的區域)，深海水溫才會升高到5°C以上。
由於大多數深海水的溫度都非常恒定，因此海洋學家非常重視甚至很小的溫度變化。通過監視海水溫度和鹽度，他們可以跟踪流過數千公里的海洋洋流。每個洋流都有自己的溫度和鹽度組合，與其他洋流略有不同。
圖3-2海水中可以穿透多遠的光線。藍色波長穿透最多，紅色穿透最少。
光
人們看到的光只是電磁光譜的一部分-一系列穿過物質並具有電和磁特性的波。撞擊地球的陽光是“白”光。但是很明顯，當雨滴使陽光彎曲以形成彩虹時，陽光由從紅色到紫色的一系列可見顏色組成。各種顏色具有不同的波長。他們的波長不同。
我們看到的顏色是不同波長的光從我們周圍的物體反射回來。陽光下的沙子看起來是黃色的，因為黃色的光從其表面反射出來。沙子吸收了其他波長的可見光，所以我們看不到它們。
當陽光照射到海面時，海洋吸收某些波長的光，而其他波長則容易通過。例如，紅色波長僅傳播約10公尺深，而藍色光在清澈的水中可穿透100公尺以上。這有助於解釋為什麼清澈的海水顯示為藍色。穿透力很強的藍色波長被反射回海面，您會看到它們。海水的吸光特性也解釋了為什麼壯觀的珊瑚礁在10公尺以下的深水區會顯得很單調。因為在這個深度，穿透的陽光不再包含可見光譜的全部範圍。海水呈藍綠色。紅色的海綿看起來是黑色而不是紅色，因為沒有紅色的波長可以反射。在此深度下，只有當來自人造光源的白光(例如手電筒)照到海綿上時，動物的本色才會顯現出來。
在清澈的海水中大約100公尺處，已經吸收了99％的表面陽光。對於一些生活在此深度以下且背景光暗淡的動物來說，紅色是很好的偽裝。動物在微弱的光線下顯得黑色或灰色。
漂浮在水中的顆粒會反射或吸收光，因此會阻擋光的穿透。許多熱帶和亞熱帶水域中漂浮的顆粒相對較少，並且水呈透明的藍色。在溫帶水域(熱帶和極地之間的海水)中，海水通常看起來是綠色的，因為海水中含有豐富的營養成分，可促進微小浮游植物的生長。這些微觀植物含有誘光的顏料，使它們呈綠色。
在河流附近的沿海水域，海水通常看起來像咖啡色，因為其中包含懸浮的泥土和沙子。
海水中的陽光是控制海洋生物發生地點的關鍵因素。即使在最清澈的海水中，超過200公尺的深度也沒有足夠的陽光來維持光合作用，該過程是植物捕獲陽光以製造食物的過程。從微觀浮游植物到100米長的海藻，海洋植物僅在海洋的頂層(適當地稱為陽光照射區)中生長。最大數量的海洋生物生活在海洋的最高1,000公尺處。儘管在下面的墨深處，有些動物會發出自己的光，但太陽光不會到達該深度以下。陽光還溫暖著海洋的上層，這種變暖的作用攪動了海洋，推動了洋流，並推動了空氣流通。
聲音科學
由於海洋平均深度為3,800公尺，並且陽光最多只能穿透約1,000公尺，因此很明顯，使用自然光並不是繪製海床的有效方法。即使在水下車輛上安裝了照明燈，任何時候都只能露出很小的一小部分海底(幾十公尺)。用聲音而不是光進行映射是海洋醫生的選擇方法。
在水下，聲波傳播得很快，在溫暖的水中以每秒1,500公尺/秒的速度到達數百公里的距離，而在數十公里的範圍內，聲波在空氣中傳遞每秒約330公尺/秒的速度。到1920年代，海洋學家開始使用聲納(聲音導航和測距)來測量海床的深度。該技術涉及發送聲音脈衝並測量迴聲返回所需的時間。在其他條件相同的情況下，迴聲返回所需的時間越長，海床越深。當今的聲納設備非常複雜。被拖曳到研究船後面的人可以掃描跨越多公里的海底寬度，並且一天之內就可以產生數據以繪製馬薩諸塞州大小的區域。隨著船隻的前進，計算機將分析聲納數據流，以建立海床的三維地圖。
聲波在水中傳播的速度隨溫度，壓力和鹽度(鹽度)的不同而略有不同。這些功能突然改變時，它們可能會成為聲音的障礙。在大約300至1,000公尺之間的深度處，存在著天然屏障，這是由溫度急劇變化所引起的，即themo-mocline。聲波往往會從該層反彈回來，或者被困在其中。總體效果是，該層充當通道，使聲音沿滯留在該層中的側面傳播很長的距離。
潛艇指揮官使用稱為sofar(Sound Fixing And Ranging)聲音固定和測距通道的這一層進行水下長距離通信。一種座頭鯨(座頭鯨)甚至會唱歌，沿著沙發道傳播數百公里。
在1990年代，海洋學家沃爾特·蒙克(Walter公尺unk，1917年-)及其團隊在斯克里普斯海洋學研究所使用了沙發床來測量海水溫度。通過在太平洋上發送低調的聲音信號並測量信號到達目的地所花費的時間，該團隊能夠獲得小於百分之一攝氏度的廣域溫度差(0.01 °C)。比較一年到下一年的海水溫度，可以提供一種潛在的廉價有效的方法來監測全球變暖。該團隊的試驗在1990年代後期中止，因為環保主義者擔心聲音脈衝對鯨魚的聲音交流和聽覺的影響。現在已經對這些問題進行了調查，自2002年以來，仍在繼續進行較小規模的試驗。
壓力
地球表面上的每個人的頭頂都直達900公里高的空氣。這列空氣在海平面上的壓力稱為一個大氣壓。一旦一個人潛入海面以下，一列海水和一股空氣就會向下壓在她身上。而且由於水比空氣密度大(重)，因此在水壓產生明顯影響之前，不必降得很遠。只需在水面以下10公尺處潛水，即可使身體壓力加倍。這種壓力變化會改變體內空氣空間的體積。例如，隨著水壓的升高，潛水員的耳朵可能會感到疼痛或不適。潛水教練教新潛水員的第一件事之一是如何通過“擦耳”來避免問題。這包括捏鼻子並輕輕吹氣以迫使空氣進入中耳。內部的額外氣壓平衡了鼓膜外部的升高壓力。當潛水員在水體中升起時，中耳中的空氣膨脹。沿著連接中耳和喉嚨的咽鼓管迫使空氣自然釋放壓力。
當游泳者從地面自由潛水10米(即沒有潛水裝備)時，他充滿空氣的肺部收縮到正常體積的一半。當游泳者回到水面時，壓力恢復到一個大氣壓，肺恢復到正常大小。壓力對體內流體和固體的影響要小得多，因為它們的體積不會隨著壓力的變化而明顯變化。
對於許多海洋生物而言，突然的壓力變化足以傷害或殺死。例如，當漁民從數百公尺深處拖曳漁獲物時，壓力下降會導致魚的泳囊(其充氣浮力囊)像氣球一樣膨脹。即使漁民想將其退還生活一天，這通常足以殺死該魚。
水下高壓也有其他作用。它使空氣中的某些氣體比其他氣體更容易溶解於血液中，有時會產生有害影響。例如，下降到40公尺以上並呼吸壓縮空氣的水肺潛水員需要意識到“氮氣麻醉”的危險。這種醉酒狀態是由血液中額外的氮溶解引起的，它可能影響潛水員冒險冒險。適應潛水的海豹和鯨魚等哺乳動物具有特殊的機制，可以避免此類問題。
總而言之，海洋生物適應了海洋中特定深度和壓力的生活。大多數人無法承受壓力的快速變化，這種情況對於想要從深海帶回活體標本的海洋生物學家來說是一個特殊的問題。這些研究人員需要使用特殊的加壓容器。隨著每10米深度的水壓力增加一個大氣壓，橫跨大多數海床的壓力至少為300個大氣壓。水下航行器需要經過高度設計，以承受巨大的高壓，這會壓碎普通航行器中的空氣空間。
海水化學
與純水相比，溶解在水中的物質更多。水之所以成為如此好的溶劑(一種溶解固體的液體)的原因之一是其原子上存在弱電荷。水分子聚集在鹽中發現的離子(帶電原子)周圍。氯化鈉(普通鹽或餐桌鹽)是海水中最豐富的鹽。
氯化鈉含有鈉離子(Na + )和氯離子(CL - )，在它們通常的形式，結合在一起以形成鹽晶體。但是，將鹽晶體滴入水中，水分子會聚集在鹽離子周圍，將其從晶體中拉出，使它們溶解。水對其他鹽具有相同的作用。
鑑於水是一種良好的溶劑，並且在常溫下以如此大量的量存在，因此水是其中發生生命過程的液體就不足為奇了。大多數生物至少有65％的水，而某些海洋生物(例如水母)有95％的水。
海水的主要成分在世界範圍內是相同的，並且從一個海洋到另一個海洋，這些不同物質的平衡各不相同。每1000份海水中的海水平均鹽度為35份溶解鹽。但是，如果淡水在河口流入大海，溶解鹽的濃度可能會大大低於千分之三十。另一方面，如果水從海水中蒸發掉而沒有被替換，則鹽濃度會升高。在紅海，鹽度達到千分之四十一。
這些鹽度差異對海洋生物很重要。大多數海洋生物只能在鹽度接近正常的海水中生存。但是，有些生物生活在海岸和河口，其中鹽度會在幾個小時內急劇變化。他們必須使自己遠離變化的環境，就像某些蛤lam和貽貝確實包裹在殼中一樣，或者必須忍受變化。
在海水中少量發現的某些化學物質，例如硝酸鹽，磷酸鹽和鐵，其濃度從海洋的一部分到另一部分是變化的。海洋植物依賴於這些營養素，沒有它們就無法生長。海洋上部生命的零散分佈很大程度上歸因於海水中此類養分的分佈。
氣體也溶解在海水中，它們的存在會影響生命的分佈。大多數生物依靠氧氣進行化學反應(稱為“呼吸”)，從而從食物中釋放能量。氧氣溶解在海水中，有兩種來源：海面空氣中吸收的氧氣，以及海洋植物在光合作用過程中釋放的氧氣(植物通過這些氧氣捕獲陽光並將其用於生產食物)。
洋流將富含氧氣的水從水面附近運送到海洋深處，因此，即使在深海中，也很少有地方完全沒有氧氣。但是有一些重要的例外。例如，在熱液噴口附近，熱噴口水中的化學物質會發生反應並消耗掉可用的氧氣。通風動物已經進化為無氧氣的情況下and壯成長，甚至可以生存於大多數生物體致命的高水平硫化氫(“腐蛋臭味”氣)中。
化學循環
海水中的鹽從哪裡來？根據一個古老的北歐傳說，一個巨大的鹽廠正在海底磨去生產它。實際上，侵蝕是鹽的主要來源。陸上的岩石不斷被磨損，它們的化學物質衝入大海。此外，海底火山將各種物質添加到海水中，陸地上的火山產生諸如二氧化硫之類的氣體，這些氣體溶解在水滴中，並以輕度酸雨滴的形式落入大海。在過去的150年左右的時間裡，農場，城鎮和工業界一直在向土地，河流，湖泊和空氣中添加多種化學物質，其中一種或多種途徑，其中許多以污染物的形式進入海洋。
如果不斷向世界海水中添加鹽分，海洋是否會變得更咸？好像沒有 科學家們檢查了古代海洋留下的鹽礦，似乎海水的鹽度幾百萬年來幾乎保持不變。要做到這一點，這意味著將鹽盡快添加到海洋中就被帶走了。這也適用於海水中的許多其他化學物質。
當海洋中許多溶解的物質附著在沉澱在海底的顆粒上時，它們會被清除。隨著更多的沉積物堆積在頂部，顆粒被掩埋。最終，埋藏的沉積物被壓實以形成沉積岩，例如石灰石或頁岩。這樣，化學物質便從海洋系統中清除了。數百萬年後，當兩個構造板塊碰撞時，海底可能會抬升到陸地上。這些化學物質最終從陸地上侵蝕並衝入大海，因此完成了循環。但是，許多化學物質的回收利用比這要快得多，而且生物有機體在此過程中起著至關重要的作用。
圖3-3碳循環。碳在陸地，海洋和空氣之間循環。大量的碳被困在海底的石灰石中。
硫和碳循環
硫離子以硫酸鹽(SO 4 2– )的形式存在，是一種重要的營養素，可幫助植物在陸地和海洋中生長。當硫酸根離子從岩石中溶解，從土壤中浸出並排入河流中並最終排入大海時，硫在陸地上就會流失。當火山嚮空氣中添加二氧化硫(SO 2 )氣體時，會發生一些替換。當將化石燃料(例如煤和汽油)燃燒成電力或供熱城鎮，工業園區和車輛時，也會釋放二氧化硫。儘管二氧化硫含量高時，雨水可能會變成強酸，但該氣體通常溶解在水中以產生輕微的酸雨。酸性雨水替代了從土地流失的部分硫磺，但不是全部。不知何故，丟失到海洋中的硫必須重新回到陸地。但是如何？
英國科學家詹姆斯·洛夫洛克(James Lovelock，1919年-)提出，DMS(二甲基硫醚)可能是這個難題的缺失部分。各種浮游植物(微小的類植物生物)產生DMS。1972年，Lovelock及其同事在從北大西洋一直延伸到南大洋的海水中發現了DMS。1980年代的研究表明，浮游植物釋放DMS時，其中一些進入大氣。在這裡，它與氧氣反應生成微小的硫酸滴。明顯地，這些酸滴導致形成雨雲。當輕度酸雨落到地面上時，它有助於更新土地的硫供應，從而完成循環。
碳在陸地，海洋和空氣之間的循環非常重要，因為它與地球上的生命息息相關。生命有機體是基於碳的。也就是說，構成生物體細胞和組織的物質(例如蛋白質，碳水化合物，脂肪和DNA等物質)富含碳。
在碳循環中，植物在光合作用時會吸收氣體中的二氧化碳，然後將其用於製造所需(和動物食用)的食物。人們燃燒化石燃料時，會向大氣中添加二氧化碳。由城鎮，工廠和燃燒化石燃料的車輛引起的空氣中二氧化碳水平的上升可能是導致全球變暖的原因。
大多數人都熟悉陸地上的森林是地球的“肺”的想法。樹木吸收二氧化碳並釋放出氧氣，因此“補充”了空氣。海洋的微觀植物(浮游植物)也可以做到這一點。在這方面，它們與陸地上的植物一樣重要。
浮游植物有助於在海洋、空氣和陸地之間循環利用碳。大氣中的二氧化碳溶解在海水中，海洋浮游植物通過光合作用吸收並化學轉化這些二氧化碳。它們分解食物釋放能量(呼吸過程)時會釋放二氧化碳。一些浮游植物使用二氧化碳來建立人體的碳酸鈣骨架。當浮游植物死亡時，它們的骨骼通常沉落在海底，在那裡被埋沒並被擠壓形成石灰岩沉積物。長期死亡的生物所掩埋的碳是“碳匯”的一部分-數百萬年來從循環中去除的碳。
從理論上講，如果說服浮游植物進行更多的光合作用，它們可能有助於降低空氣中的二氧化碳含量，從而應對全球變暖。一些海洋科學家正在嘗試添加鐵，這是一種金屬浮游植物的需求，有時會供不應求，以鼓勵更多的光合作用。這個技巧值得研究，但“播種鐵”可能會對環境產生計劃外的影響，例如改變海洋食物網中浮游動物和其他動物的放牧方式。無論如何，其他人類活動仍在繼續增加海洋污染。這些污染中的一部分殺死了浮游植物，從而總體降低了光合作用。就像砍伐陸地上的雨林一樣，污染海洋可能正在損害地球的肺部。
化石燃料
今天，人類的大部分財富都來自沉沒在古代海洋深處的死海浮游生物。數百萬年來，浮游生物的殘留物已轉化為石油和天然氣，為我們的高科技社會提供了燃料。各國繼續打仗以保護這些寶貴的化石燃料的供應。
通常，這些化石燃料是由海洋浮游生物形成的，這些海洋浮游生物被迅速掩埋在大陸架(大陸棚)上或附近的海底。如果迅速被沉積物覆蓋，有機(富含碳)的殘留物不會像往常一樣腐爛。相反，經過數百萬年，隨著更多的沉積物堆積在頂部，有機殘餘物被擠壓並加熱到海底以下幾千公尺處。大型碳基分子(脂肪，蛋白質，複雜的碳水化合物等)分解為較簡單的分子，這些分子是原油石油精油的成分。當分解過程繼續進行時，石油最終會轉化為富含甲烷的天然氣。
為了在勘探者的可及範圍內積累，石油和天然氣需要從深厚的沉積物中上升並聚集在較低的地方。這樣的位置包括“陷阱”，不透水(不可逾越)的岩石覆蓋層會阻止石油或天然氣的逸出。勘探者使用地震技術(通過上覆的岩石反彈聲波)來發現陷阱可能位於何處的明顯跡象。
今天，勘探者開采的許多油氣藏都在陸地以下，而不是在海底。但是，隨著探礦者耗盡土地儲備，對石油和天然氣儲備的搜尋正在海底之下不斷擴展。如今，最深的石油開採平台可以在1,200米深的海床上開鑿，可鑽探到2,400米以下的海底地層。
在大陸性的斜坡和上升條件下，浮游生物的殘餘物可能無法轉化為石油，但它們仍會產生天然氣。當氣泡冒泡到海底時，寒冷的高壓條件使氣體與水結合，生成了稱為氣體水合物的異常晶體。
天然氣水合物晶體易碎。如果它們是從海床中升起的，它們會自發分解而釋放出氣體。如果找到一種安全地收集晶體的方法，那麼它們的甲烷將是一種寶貴的燃料來源。
研究氣體水合物還有另一個原因。甲烷是一種溫室氣體，是一種捕獲紅外輻射並導致大氣變暖的氣體。如果全球變暖導致深海溫度大幅上升，則可能導致天然氣水合物沉積物分解。如果這樣，海洋將向大氣中釋放大量甲烷，這將進一步加劇全球變暖。
冰山
大海中的冰有兩種形式。冰山從冰川邊緣和溢出到海中的冰原中斷裂。這些漂浮的冰塊由於來自陸地上的降水而含有淡水。另一方面，海冰是冷凍的海水，並且包含鹽分。
在北極和南部海洋中，隨著極短的夏季結束，漂浮的冰晶使海洋顯得油膩。這種“ 油脂冰” 變厚，形成浮動“ 泛蛋糕” 冰是凍結在一起，創造浮冰。浮冰彼此碰撞，彎曲並重疊，從而堆積成厚達5公尺厚的冰塊。
浮冰含有多少鹽，具體取決於其形成的速度和年齡。浮冰中的水晶體是純淨水，但隨著冰的形成，鹽分出並聚集在冰內的微小空間中。它們在這裡形成非常鹹的水或鹽水的口袋。隨著冰齡的增長，一些鹽水會通過微型通道洩漏到冰下的水中。這種涼爽的鹹水沉入極地海域的海底。它有助於推動與世界各地分發營養素深水洋流的系統“ 大洋。
圖3-4前景為南極海冰，背景為板狀冰山(圖片由Tui de Royinden提供)
圖3-5 海岸區潟湖低地養殖漁業