化学海洋学 第二章 海水的组成及其化学成分

对于保守要素， R为0，个别变化 为涡动扩散项，
也为0.
对于非保守要素， R不等与0，只能 明R和涡动扩散项 相互抵消
•
s 、s 、s 均为0，海洋中要素S无浓度梯度，均匀分布， x y z
即使流动也无扩散。
(Kx s )、 (Ky s )、 (Kz s ), x x y y z z 如果一阶偏微分是常数。 则二阶偏微分为0.也会满足情况。 说明海洋中虽然存在浓度梯度， 但在任意位置浓度梯度相同。
硅酸盐，到一定深 度总体不再减少
生物中等限制，表 层利用但未耗尽。 主要为微量成分和 过渡元素，构成海 洋生物有机组织和 骨骼。
物理作用（海 水运动、空间 转移）
(
S t
)
x,
y
,z
dS
dt
海洋是在地球表面，直角坐标是否可行？
• 水平位移相对垂直位移大很多，海洋最深 11000米，相对地球弧度很小，而研究的范 围水平尺度很大。
海水运动
海水不运动，静态 不多见
稳态只有变量t，全微分和偏微分无区别
只与物理运动有关
假设状态，实 际情况下要素 C不可能在此
处截断
单位时间通过单位 截面的物质的量
负号表示方向相反，扩散通量方向 与浓度梯度方向相反（扩散由高浓 度向低浓度，由于化学势不同）
通量（mol/m2s,kg/m2s）
失去还原剂
生物作用
（占主导作用） 与光合作用相反
可逆反应
现代海水是氧化性的，如果假设成立，利用还原剂理论上可以转换为原始海水
定量化
顺序：氧化-还原电位高的优先还原
硝酸盐-氮气；水合氧化铁（Fe2O3·H2O）Fe3O4
一个电池由两个电极及夹于其间的电解质组成。电化学反应的特点是共轭的氧 化反应和还原反应分别在两个电极界面上进行，阳极氧化反应所放出的电子经 外电路输送给阴极，发生还原反应。电解质中由离子传递电荷，从而形成电流 回路。这两个相对独立的电极(包括金属部分及其紧邻的电解质部分)可看成电 池的一半，故称半电池。
各元素含量不随时间改变
海洋中各元素的含量（供给和从海水中去除）处 于一种动态平衡的状态。
• 假设在地球历史之初，形成海洋时就有着 “蒸发——凝聚”的水循环，风对其接触 的岩石进行风化，岩石变成碎屑，元素溶 于水，形成海水。再由海洋生物地球化学 过程，生产沉积物和成岩作用等二次过程。 上述过程反复循环。因此、岩石被风化、 溶解由河流带入海洋的物质的量，等于海 水中溶解物质形成沉积物、成岩等作用而 消耗的量，使得海洋处于动态平衡。
表层消耗。深度增加，生 物作用减弱，有机物分解 为主，以无机形式回到水 体
表层输入，深度增加， 主要由于化学作用（也 包括生物）凝聚为颗粒 物
溶解氧由于光合作用产 生，在消耗大量营养盐 的同时释放。同时海水 表面与大气平衡溶解部 分氧气。
深水中洋气过度消耗。 有机无消耗产生营养盐， 呈对称关系。
表面限制型元素， 表面耗尽，几乎为 零。比如海洋生物 生长所需N、P主要 来源于深层水上升 流和大气输送。河 流也会输送一些。 但生物生长使其表 面耗尽（真光层 内），深层再生。
• 而且海洋中水平变化往往比垂直变化显著。 • z以米计，x、y通常以海里计算，尺度不同。
矢量？标量
z方向上浓度梯度， 标量？矢量？
全微分，除时间的偏 微分外，其他变量也 要考虑
偏微分，其他变量不
变。 S ( t )x,y,z
海上调查，船停在某一位置，间隔 时间采样测量，得到要素的局部变 化。（实际上船的位置很难保持一 定）个别变化需跟踪水质点，不易 直接测量。
易形成沉淀
沉淀
Байду номын сангаас
河水中颗粒物中表面附着，在 海水中其他阳离子含量升高，
需要进行分段判断
P
A2-P外推到A3， 可以认为是A3和A2发生混合。A1与A3混合为P，得到 上图中结果。
主要元 素和部 分微量 元素
突起为光合作 用强烈导致， 没有即使扩散 到大气，形成 积累，过饱和
\
平均海洋逗留时间
输入量主要有河流输送、大气输送等。如果某元素以 河流输入为主，则
元素逗留时间
元素在海洋中的总量 元素输入速率
海洋总体积 河流全年流量
元素在海水中平均浓度 元素的世界河流平均浓
度
元素的世界河流平均浓度需要进行大量调整，而且是多年平 均基础，是统计平均概念，数值进行不断修正。
aweiawei
沉积过程锶和钙共沉淀，不同时期的贝类从海水 中利用钙生成贝壳，同时转移锶，转移量和其海 水中的锶钙比值有关。因此，如果海水化学成分 发生变化，其锶钙比值也会变化。
借助计算机技术
氯化氢、硫化氢、水、CO2等
空气很轻，质量平衡成立 为现代海洋提供氧气
量很少，在前表中为给出，
19.5
4 埋藏和间隙水输出 如Na+和Cl5 逆风化作用
粘土矿物+HCO3-+Si(OH4)-+阳离子=富阳离子铝硅酸盐CO2+H2O (但是遭到一些学者的质疑）
6 板块构造和水热活动
河流、大气、海底热液等
海洋沉积物生产、沉积物间 隙水及成岩作用
14C法测定为1600年。大洋水循环——表层到深层，深层水大洋环流再 回到表层。上述元素进入海洋，到离开海洋的时间很长，但以混合多次 并均匀。
不参与化学生物作用，主要受物理作用控制。
除个别元素（Rb、Cs、Ra等 ，基本为海水中主要成分） 主族元素逗留时间一般比较 长，过渡元素一般较短
整个河口空间扩 散常数不变
全微分和偏微 分一样，只是x 的函数
平流项只考虑x方向上。但实际过程垂直方向上也会有分层现 象
河口区C随位置x的分布情况
∞ 365/5 (1/year）
垂直方向流速很低，主要考虑氧的消耗（与有机 物浓度相关），呈指数衰减
扩散作用（diffusion）
A面和B面对 小体积要素 贡献不一致， B面增加MB， A面移出-MA
平流 （ad
vecti on）
移出 移入
负号：一般 规定箭头前 面的减去箭 头后面的为 正
箭头为 正方向
生物吸收、光合作用、放 射性元素衰变、沉积等
关键所在。比如对于放 射性元素，用一级反应 动力学表达。氧消耗用 指数函数表达。