Морская вода: химический состав, солёность, температура замерзания

Вода в морях и океанах очень сильно отличается от речной и озерной. Она соленая – и это определяет многие ее свойства. От этого фактора зависит и температура замерзания морской воды. Она не равняется 0 °C, как в случае с пресной водой. Чтобы покрыться льд…

Влияние солености

Сказать однозначно, при какой температуре замерзает морская вода, невозможно, так как этот показатель зависит от степени ее солености. В разных местах мирового океана она разная.

Самое соленое – Красное море. Здесь концентрация соли в воде достигает 41‰ (промилле). Меньше всего соли в водах Балтийского залива – 5‰. В Черном море этот показатель равен 18‰, а в Средиземном – 26‰. Соленость Азовского моря – 12‰. А если брать в среднем, соленость морей составляет 34,7‰.

Чем выше соленость, тем больше должна охладиться морская вода для перехода в твердое состояние.

Это хорошо видно из таблицы:

Соленость, ‰	Температура замерзания, °C	Соленость, ‰	Температура замерзания, °C
0 (пресная вода)		20	-1,1
2	-0,1	22	-1,2
4	-0,2	24	-1,3
6	-0,3	26	-1,4
8	-0,4	28	-1,5
10	-0,5	30	-1,6
12	-0,6	32	-1,7
14	-0,8	35	-1,9
16	-0,9	37	-2,0
18	-1,0	39	-2,1

Там, где соленость еще выше, как, например, в озере Сиваш (100 ‰), заливе Кара-Богаз-Гол (250 ‰), в Мертвом море (свыше 270 ‰), вода может замерзнуть только при очень большом минусе – в первом случае – при -6,1 °C, во втором – ниже -10 °C.

За средний же показатель для всех морей можно принять -1,9 °C.

Свойства[править | править код]

Важнейшие свойства морского льда — пористость и солёность, определяющие его плотность (от 0,85 до 0,94 г/см³). Из-за малой плотности льда льдины возвышаются над поверхностью воды на 1/7—1/10 их толщины. Таяние морского льда начинается при температуре выше −2,3 °C. По сравнению с пресноводным он труднее поддаётся раздроблению на части и более эластичен[1].

Солёность[править | править код]

Солёность морского льда зависит от солёности воды, скорости льдообразования, интенсивности перемешивания воды и его возраста[2]. В среднем солёность льда в 4 раза ниже солёности образовавшей его воды, колеблясь от 0 до 15 промилле (в среднем 3—8 ‰)[3].

Плотность[править | править код]

Морской лёд является сложным физическим телом, состоящим из кристаллов пресного льда, рассола, пузырьков воздуха и различных примесей. Соотношение составляющих зависит от условий льдообразования и последующих ледовых процессов и влияет на среднюю плотность льда. Так, наличие пузырьков воздуха (пористость[4]) значительно уменьшает плотность льда. Солёность льда оказывает на плотность меньшее воздействие, чем пористость. При солёности льда 2 промилле и нулевой пористости плотность льда составляет 922 килограмма на кубический метр, а при пористости 6 процентов понижается до 867. В то же время при нулевой пористости увеличение солёности с 2 до 6 промилле приводит к увеличению плотности льда только с 922 до 928 килограммов на кубический метр[5].

Теплофизические свойства[править | править код]

Средняя удельная теплопроводность морского льда примерно в пять раз выше, чем у воды, и в восемь раз выше, чем у снега, и составляет около 2,1 Вт/м·градус, но к нижней и верхней поверхностям льда может уменьшаться из-за увеличения солёности и роста количества пор.

Теплоёмкость морского льда приближается к теплоёмкости пресного льда с понижением температуры льда, когда солевой рассол вымерзает. С ростом солёности, а следовательно, увеличением массы рассола, теплоёмкость морского льда всё больше зависит от теплоты фазовых преобразований, то есть изменений температуры. Эффективная теплоёмкость льда увеличивается с повышением его солёности и температуры.

Теплота плавления (и кристаллизации) морского льда колеблется от 150 до 397 кДж/кг в зависимости от температуры и солёности (с повышением температуры или солёности теплота плавления понижается).

Оптические свойства[править | править код]

Чистый лёд прозрачен для световых лучей. Включения (воздушные пузырьки, солевой рассол, пыль) рассеивают лучи, значительно уменьшая прозрачность льда.

Оттенки цвета морского льда в больших массивах варьируют от белого до коричневого.

Белый лёд образуется из снега и имеет много пузырьков воздуха или ячеек с рассолом.

Молодой морской лёд зернистой структуры со значительным количеством воздуха и рассола часто имеет зелёный цвет.

Многолетние торосистые льды, из которых выдавлены примеси, и молодые льды, которые замерзали в спокойных условиях, часто имеют голубой или синий цвет. Голубым также бывает глетчерный лёд и айсберги. В голубом льду чётко видна игольчатая структура кристаллов.

Коричневый или желтоватый лёд имеет речной или прибрежный генезис, в нём имеются примеси глины или гуминовых кислот.

Начальные виды льда (ледяное сало, шуга) имеют тёмно-серый цвет, иногда со стальным оттенком. С увеличением толщины льда его цвет становится светлее, постепенно переходя в белый. При таянии тонкие льдинки снова становятся серыми.

В случае, если лёд содержит большое количество минеральных или органических примесей (планктон, эоловые взвеси, бактерии), его цвет может меняться на красный, розовый, жёлтый, вплоть до чёрного.

В связи со свойством льда задерживать длинноволновую радиацию, он способен создавать парниковый эффект, что приводит к нагреванию находящейся под ним воды.

Механические свойства[править | править код]

Под механическими свойствами льда понимают его способность противостоять деформациям.

Типичные виды деформации льда: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб. Выделяют три стадии деформации льда: упругая, упруго-пластическая, стадия разрушения. Учёт механических свойств льда важен при определении оптимального курса ледоколов, а также при размещении на льдинах грузов, полярных станций, при расчёте прочности корпуса судна[6].

Традиционно физико-механические свойства морского льда изучаются на основании кернов и образцов, выбуренных из ровных ледяных полей, торосов и стамух. В последнее время для определения прочности льда безобразцовым методом также стал применяться скважинный зонд-индентор, состоящий из гидростанции, индентора, регистратора показаний датчиков давления, перемещения и сигналов трещинообразования во льду во время испытания. Применение данного способа позволяет значительно сократить временные затраты на исследования[7].

КРУГОВОРОТ ВОДЫ В МИРОВОМ ОКЕАНЕ

В приполярных зонах вода, остывая, становится более плотной и опускается на дно. Оттуда она медленно сползает к экватору. Поэтому на всех широтах глубинные воды холодные. Даже у экватора придонные воды имеют температуру только 1-2° выше нуля.

Так как от экватора течения уносят теплую воду в умеренные широты, то на ее место из глубины очень медленно поднимается холодная вода. На поверхности она снова прогревается, уходит в приполярные зоны, где остывает, опускается на дно и по дну снова перемещается к экватору.

Таким образом, в океанах существует своеобразный круговорот воды: по поверхности вода движется от экватора в приполярные зоны и по дну океанов — из приполярных зон к экватору. Этот процесс перемешивания воды наряду с другими явлениями, о которых говорилось выше, создает единство Мирового океана.

.

Как замерзает вода

Кристаллизация воды – сам по себе очень интересный и многогранный процесс. Давайте разберемся, как это происходит. Как известно вода состоит из молекул, которые немного связаны между собой и стремятся к воссоединению. Всё довольно просо, при высоких температурах начинается отдаление молекул, а при низких температурах сближение. Под влиянием низких температур их движение замедляется и они, соединяясь, образовывают кристаллическую структуру. Кристаллизация, или же замерзание это превращение воды в лёд, переход в твёрдое состояние.

Состояния и виды воды

Вода на планете Земля может принимать три основных агрегатных состояния: жидкое, твёрдое и газообразное, которые способны трансформироваться в разные формы, одновременно сосуществующие друг с другом (айсберги в морской воде, водяной пар и кристаллы льда в облаках на небе, ледники и свободно текущие реки).

В зависимости от особенностей происхождения, назначения и состава вода может быть:

• пресной;
• минеральной;
• морской;
• питьевой (сюда же отнесём водопроводную воду);
• дождевой;
• талой;
• солоноватой;
• структурированной;
• дистиллированной;
• деионизированной.

Наличие изотопов водорода делает воду:

1. лёгкой;
2. тяжёлой (дейтериевой);
3. сверхтяжёлой (тритиевой).

Все мы знаем о том, что вода бывает мягкой и жёсткой: этот показатель определяется содержанием катионов магния и кальция.

Каждый из перечисленных нами видов и агрегатных состояний воды имеет свою температуру замерзания и плавления.

Микробные компоненты

В ходе исследования, проведенного в 1957 году Океанографическим институтом Скриппса, были взяты пробы воды как в пелагических, так и в неритических районах Тихого океана. Использовались прямые микроскопические подсчеты и посевы, причем прямые подсчеты в некоторых случаях показывали до 10 000 раз больше, чем полученные на посевах. Эти различия объяснялись наличием бактерий в агрегатах, избирательным действием культуральной среды и присутствием неактивных клеток. Заметное снижение количества бактериальных культур было отмечено ниже термоклина , но не при прямом микроскопическом наблюдении. Большое количество спириллоподобных форм было замечено под микроскопом, но не при культивировании. Расхождение в числах, полученных двумя способами, хорошо известно в этой и других областях. В 1990-х годах усовершенствованные методы обнаружения и идентификации микробов путем зондирования только небольших фрагментов ДНК позволили исследователям, участвующим в Переписи морской флоры и фауны, идентифицировать тысячи ранее неизвестных микробов, обычно присутствующих в небольшом количестве. Это выявило гораздо большее разнообразие, чем предполагалось ранее, так что литр морской воды может содержать более 20 000 видов. Митчелл Согин из Морской биологической лаборатории считает, что «количество различных видов бактерий в океанах может затмить от пяти до 10 миллионов».

Бактерии обнаруживаются на любой глубине в толще воды , а также в отложениях, некоторые из которых являются аэробными, другие анаэробными. Большинство из них плавают свободно, но некоторые существуют в виде симбионтов внутри других организмов, например, биолюминесцентные бактерии. Цианобактерии сыграли важную роль в эволюции океанических процессов, способствуя развитию строматолитов и кислорода в атмосфере.

Некоторые бактерии взаимодействуют с диатомовыми водорослями и образуют важнейшее звено в круговороте кремния в океане. Один анаэробный вид, Thiomargarita namibiensis , играет важную роль в разрушении извержений сероводорода из диатомовых отложений у побережья Намибии и вызван высокими темпами роста фитопланктона в зоне апвеллинга Бенгельского течения , в конечном итоге падая на морское дно.

Бактерии, похожие на археи, удивили морских микробиологов своим выживанием и процветанием в экстремальных условиях, таких как гидротермальные источники на дне океана. Алкалотолерантные морские бактерии, такие как Pseudomonas и Vibrio spp. выживают в диапазоне pH от 7,3 до 10,6, в то время как некоторые виды будут расти только при pH от 10 до 10,6. Археи также существуют в пелагических водах и могут составлять до половины биомассы океана , явно играя важную роль в океанических процессах. В 2000 году в отложениях со дна океана был обнаружен вид архей, который расщепляет метан , важный парниковый газ и основной фактор потепления атмосферы. Некоторые бактерии разрушают скалы морского дна, влияя на химический состав морской воды. Разливы нефти и сточные воды, содержащие человеческие сточные воды и химические загрязнители, оказывают заметное влияние на микробную жизнь в окрестностях, а также содержат патогены и токсины, влияющие на все формы морской жизни . Простейшие динофлагелляты могут в определенное время подвергаться популяционным взрывам, называемым цветением или красными приливами , часто после антропогенного загрязнения. В ходе этого процесса могут образовываться метаболиты, известные как биотоксины, которые перемещаются по пищевой цепи океана, заражая потребителей животных более высокого порядка.

Pandoravirus salinus , вид очень крупного вируса, с геномом, намного большим, чем у любого другого вида вируса, был обнаружен в 2013 году. Как и другие очень большие вирусы Mimivirus и Megavirus , Pandoravirus заражает амеб, но его геном содержит от 1,9 до 2,5 мегабаз ДНК, вдвое больше, чем у мегавируса , и сильно отличается от других крупных вирусов по внешнему виду и структуре генома.

В 2013 году исследователи из Абердинского университета объявили, что начинают охоту за неоткрытыми химическими веществами в организмах, которые развились в глубоководных траншеях, в надежде найти антибиотики «следующего поколения», ожидая «апокалипсиса антибиотиков» с нехваткой новых инфекций. борьба с наркотиками. Финансируемые ЕС исследования начнутся в желобе Атакама, а затем перейдут к поиску окопов у Новой Зеландии и Антарктиды.

Океан имеет долгую историю удаления отходов жизнедеятельности человека, исходя из предположения, что его огромные размеры позволяют поглощать и растворять все вредные вещества. Хотя в небольших масштабах это может быть правдой, большие объемы сточных вод, которые обычно сбрасываются, нанесли ущерб многим прибрежным экосистемам и сделали их опасными для жизни. В таких водах встречаются патогенные вирусы и бактерии, такие как кишечная палочка , холерный вибрион, вызывающий холеру , гепатит А , гепатит Е и полиомиелит , а также простейшие, вызывающие лямблиоз и криптоспоридиоз . Эти патогены обычно присутствуют в водяном балласте крупных судов и широко распространяются при сбросе балласта.

Этапы замерзания

Очень интересно наблюдать, как замерзает морская вода. Она не покрывается сразу равномерной ледяной коркой, как пресная. Когда часть ее превращается в лед (а он пресный), остальной объем становится еще более соленым, и для его замерзания требуется еще более крепкий мороз.

Виды льда

По мере охлаждения в море образуется лед разных видов:

• снежура;
• шуга;
• иглы;
• сало;
• нилас.

Если море еще не замерзло, но очень близко к этому, и в это время выпадает снег, он при соприкосновении с поверхностью не тает, а пропитывается водой и образует вязкую кашеобразную массу, которая называется снежурой. Смерзаясь, эта каша превращается в шугу, которая очень опасна для кораблей, попавших в шторм. Из-за нее палуба мгновенно покрывается ледяной коркой.

Когда столбик термометра достигает нужной для замерзания отметки, в море начинают образовываться ледяные иглы – кристаллы в форме очень тонких шестигранных призм. Собрав их сачком, смыв с них соль и растопив, вы обнаружите, что они пресные.

Сначала иглы растут горизонтально, потом они принимают вертикальное положение, и на поверхности видны только их основания. Они напоминают пятна жира в остывшем супе. Поэтому лед на этой стадии называют салом.

Когда еще больше холодает, сало начинает смерзаться и образует ледяную корку, такую же прозрачную и хрупкую, как стекло. Такой лед называют нилас, или склянка. Он соленый, хотя и образован из пресных игл. Дело в том, что во время смерзания иглы захватывают мельчайшие капли окружающей соленой воды.

Только в морях наблюдается такое явление, как плавучие льды. Возникает оно потому, что вода здесь быстрее остывает у берегов. Образующийся там лед примерзает к береговой кромке, почему и получил название припай. По мере усиления морозов во время тихой погоды он быстро захватывает новые территории, достигая порой десятков километров в ширину. Но стоит подняться сильному ветру – и припай начинает разламываться на куски различной величины. Эти льдины, часто огромных размеров (ледяные поля), разносятся ветром и течением по всему морю, создавая проблемы судам.

Химический состав морской воды

Учёные считают, что в глубокой древности вода морей и океанов была не настолько солёной, как сейчас, и что уровень солей в ней понемногу растёт. Вода, выпадающая в виде осадков на сушу, просачивается через почву и горные породы, по пути растворяя и вбирая в себя соли, содержащиеся в минералах. Затем реки приносят эту воду назад в океан, где она испаряется – а соли остаются в море. Накопление солей происходит очень медленно, поэтому изменения невозможно отследить современными наблюдениями.

По своему химическому составу морская вода чрезвычайно богата: в ней можно обнаружить едва ли не все элементы таблицы Менделеева. Основу солевого раствора составляет хлористый натрий, или обычная поваренная соль – примерно 77,8% от всех растворённых в морской воде соединений. Около 11% веществ приходится на долю хлористого магния, который придаёт воде характерный горьковатый привкус. Примерно по 3-3,5% приходится на сульфаты магния, кальция и калия, по десятым долям процента – на карбонаты магния. Остальные соединения составляют ничтожно малые доли процентов.

Формула для расчета

Данный показатель повышается пропорционально погружению. Он рассчитывается по специальной формуле:

P = p * g * h, где

• p — плотность среды. Примерно равна 1000 кг/м2.
• g — это ускорение, которое придается телу силой тяжести. Это значение называется ускорением силы тяжести или свободного падения. На Земле данная величина примерно равняется 9,81 м/с2.
• h — глубина, на которую погружается какой-либо объект. Высчитывается в метрах.

Формула является выражением закона Паскаля. По ней высчитывается значение гидростатического прессинга. Он напрямую зависит от высоты водного столба.

Произведение плотности (p) и ускорения (g) приблизительно равняется 0,1 атм. С каждым метром опускания на дно воздействие в водной среде повышается на 0,1 атм. Данное правило подтверждает тот факт, что чем глубже происходит опускание в толщу, тем выше становится показатель воздействия.

Температура таяния

Тает морской лед не при той же температуре, при которой замерзает морская вода, как можно было бы подумать. Он менее соленый (в среднем в 4 раза), поэтому его превращение обратно в жидкость начинается раньше достижения этой отметки. Если средний показатель замерзания морской воды – -1,9 °C, то среднее значение температуры таяния образовавшегося из нее льда – -2,3 °C.

Видео по теме статьи

Какая вода замерзнет быстрее — соленая или пресная, видео-эксперимент:

Опреснение морской воды.

Касательно опреснения каждый слышал хоть немного, некоторые сейчас даже фильм «Водный мир» вспомнят. Насколько это реально, поставить в каждый дом по одному такому портативному опреснителю и навсегда забыть для человечества о проблеме питьевой воды? Всё ещё фантастика, а не наступившая реальность.

Всё дело в затраченной энергии, ведь для эффективной работы необходимы огромные мощности, никак не меньше атомного реактора. По такому принципу работает опреснительный завод в Казахстане. Идею подавали и в Крыму, вот только мощности севастопольского реактора не хватило для таких объёмов.

Полвека назад, до многочисленных ядерных катастроф, ещё можно было предположить, что мирный атом войдёт в каждый дом. Даже лозунг такой был. Но уже сейчас понятно, что никакого использования ядерных микро-реакторов:

• В бытовой технике.
• На промышленных предприятиях.
• В конструкциях автомобилей и самолётов.
• Да и вообще в городской черте.

В ближайшее столетие не предвидится. Наука может сделать очередной скачок и удивить нас, но пока это всё лишь фантазии и надежды беспечных романтиков.

Стандарт

ASTM International имеет международный стандарт для искусственной морской воды : ASTM D1141-98 (исходный стандарт ASTM D1141-52). Он используется во многих исследовательских испытательных лабораториях в качестве воспроизводимого решения для морской воды, например, для испытаний на коррозию, масляное загрязнение и оценки моющих свойств.

Замерзание солёной воды: Видео

Читайте также

Как сделать водопроводную воду дистиллированной
Что вы знаете о температуре кипения воды?
Как морская вода влияет на волосы?

В разделе на вопрос какую можно достичь наи-низчайшую температуру водно-солевого раствора обычной (поваренной, NaCl) соли заданный автором Европейский лучший ответ это Благодаря добавлению соли в воду скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается ниже. Это объясняется тем, что добавление соли вызывает ослабление молекулярного сцепления и разрушение кристаллических решеток льда. Таяние льдосоляной смеси протекает с отбором теплоты от окружающей среды, в результате чего окружающий воздух охлаждается и температура его понижается. С повышением содержания соли в льдосоляной смеси температура плавления ее понижается. Раствор соли с самой низкой температурой таяния называется эвтектическим, а температура его таяния – криогидратной точкой. Криогидратная точка для льдосоляной смеси с поваренной солью -21,2°С, при концентрации соли в растворе 23,1% по отношению к общей массе смеси, что примерно равно 30 кг соли на 100 кг льда. При дальнейшем повышении концентрации соли происходит не понижение температуры таяния льдосоляной смеси, а повышение температуры таяния (при 25%-ной концентрации соли в растворе к общей массе температура таяния повышается до -8°С).
При замораживании водного раствора поваренной соли в концентрации, соответствующей криогидратной точке, получается однородная смесь кристаллов льда и соли, которая называется эвтектическим твердым раствором.
Температура плавления эвтектического твердого раствора поваренной соли -21,2°С, а теплота плавления – 236 кДж/кг. Эвтектический раствор применяют для зероторного охлаждения. Для этого в зероты – наглухо запаянные формы – заливают эвтектический раствор поваренной соли и замораживают их. Замороженные зероты используют для охлаждения прилавков, шкафов, охлаждаемых переносных сумок-холодильников и т. д. (откройте морозилку бытового холодильника – найдете такой контейнер).В торговле льдосоляное охлаждение широко применялось до массового выпуска оборудования с машинным способом охлаждения.

Ответ от Просохнуть[гуру]
самая низкая температура из любой температуры – абсольтный ноль, около – 273 градуса цельсия

Ответ от Оля[эксперт]
температура зависит от концентрации соли в растворе, чем больше концентрация, тем ниже температура замерзания.Точных цифр не скажу, т.к. справочник у меня на время отобрали)) но если исходить из того, что морская вода-это солевой раствор, то можно сделать вывод, что температура замерзания гараздо ниже нуля….градусов -15-20

Ответ от способный[гуру]
22,4 %-ный водный раствор NaClзамерзает при 21,2 °С
Ответ
ссылка
на вопрос
Водный раствор NaCl “температура кристаллизации”

Ответ от Ёергей Незнамов[новичек]
Таблица 10.8. Температура замерзания раствора NaCl
Содержание NaCl, г в 100 г воды Температура замерзания, ?С
1,5 – -0,9
3,0 – – 1,8
4,5 – -2,6
5,9 – -3,5
7,5 – -4,4
9,0 – -5,4
10,6 – -6,4
12,3 – -7,5
14,0 – -8,6
15,7 – -9,8
17,5 – -11,0
19,3 – – 12,2
21,2 – -13,6
23,1 – – 15,1
25,0 – – 16,0
26,9 – -18,2
29,0 – -20,0
30,1 – -21,2

Как заморозить воду

Особенности кристаллизации воды широко используются при ее очистке и смягчении. Вместо долгого кипячения, делающего воду мертвой, и отстаивания, которое позволяет избавиться лишь от хлора и газов, для получения идеально чистой воды существует технология вымораживания.

Вода, которая течет из крана, содержит не только грязь и ржавчину из труб, но соли, металлы, хлор, ненужные примеси, их можно убрать способом заморозки-разморозки, получив в итоге полезную талую воду. Этим способом можно очищать воду в домашних условиях, но есть ряд неудобств:

• необходима морозильная камера с низкими температурами;
• степень замерзания воды нужно постоянно контролировать;
• получается не более 60% чистой воды на выходе;
• для лучшего эффекта замораживать желательно не менее пяти литров воды.

Конечно, если у человека есть время, желание и возможность очищать воду вымораживанием дома, это неплохо. Но промышленные технологии куда точнее и эффективнее, используют методы шоковой и медленной заморозки по Лабзе, Муратову, Маловичко. В условиях жизни большого города и офисной работы, требующей концентрации и полного рабочего дня, тратить драгоценное время на длительные процедуры с домашней морозилкой нерационально. Надежнее поставить в офисе хороший кулер для воды с охлаждением и организовать постоянную доставку чистой воды прямо в офис. На нашем сайте можно найти телефоны доставки воды.