Пути исследования

Опубликовал admin в июля 24, 2012 в рубрике Океан

До сих пор мы вели изложение в таком стиле, что ему лучше всего подошло бы название «талассопоэзия». Более обоснованно его можно вести двумя путями. Один из путей «геохимического баланса» – состоит в применении ЭВМ для детального прослеживания циркуляции 60 элементов в геохимическом цикле от изверженных пород до перехода их снова в метаморфизованные отложения. При другом подходе современный химизм каждого элемента прослеживается посредством применения термодинамических методов Джозиа Уилларда Гиббса к системам, рассматриваемым как комплексы, близкие к равновесию. Такая попытка была впервые сделана Ларсом Гуннаром Силленом в Швеции и продолжена Робертом М. Гаррелсом (Северо-Западный университет, США) и Генрихом Д. Холландом (Принстонский университет).
Естественно, ни один знающий химик не стал бы серьезно говорить о равновесии в системе с переменными температурой, давлением и составом, к тому же плохо перемешанной, содержащей разнообразные добавки и живые существа.


Но с другой стороны, наблюдающаяся однородность океана и весьма большое время протекания реакций заставляют полагать, что, по крайней мере, главные компоненты раствора в нем достаточно близки к равновесию, чтобы его изучение имело смысл. (Мы знаем, что компоненты, содержащиеся в незначительном количестве, не находятся в состоянии равновесия.) Метод изучения этого равновесия основан на правиле фаз Гиббса, согласно которому число фаз (Р), возможное в системе с С компонентами, находящимися в равновесии, определяется уравнением Р = С + 2 — F, где F-число «степеней свободы», или число, которое может независимо изменяться при сохранении числа фаз или их состава (хотя F может изменять их относительные пропорции). В уравнение входит число 2, потому что в большинстве химических реакций важную роль играют только две переменные величины – температура и давление. В состав одной из наиболее всеобъемлющих моделей океана, разработанной Силленом, входят девять компонентов: вода, соляная кислота, кремнезем, три гидроксида (алюминия, натрия и калия), двуокись углерода и окислы магния и кальция. Наблюдения над донными осадками океана в сочетании с данными лабораторных исследований свидетельствуют о том, что в результате должен иметь место девяти-фазный океан. Если С и Р обе равны девяти, то по правилу фаз число степеней свободы (F) должно быть равно двум. Логично предположение, что это температура (которая в пределах океана может изменяться от минус 2° до плюс 30°С) и концентрация хлоридного иона (ее значение может превышать нормальную для океана величину, не нарушая состава устойчивых фаз).
Необходимо обратить внимание, что в состав жидкой фазы входят ионы, не упомянутые выше ни как компоненты, ни как фазы (например, Н+ и ОН”). В термодинамике их не обязательно учитывать непосредственно, потому что они варьируют в зависимости друг от друга; их концентрации фиксируются константами равновесия, связывающими наблюдаемые фазы, так что Н7О = Н+ + ОН”. Более того, известно, что произведение Н+ и О является термодинамической постоянной, равной 10~14 молей на литр. Подобные соотношения связывают всю систему в единое целое, так что, когда выполнены все подсчеты, обнаруживается равновесие концентраций пяти катионов (Н+, Na+, K+, Mg+ + и Са+ +) и четырех анионов (СГ, ОН~, НСО3~ и СОз).
Может показаться странной необходимость рассматривать «атмосферу», в состав которой входят только водяной пар и двуокись углерода. К числу компонентов легко можно добавить кислород и азот. Поскольку новых фаз они не прибавят, при их введении число степеней свободы повысится с двух до четырех (9=11+ 2-4). Эти два новых F будут представлять собой полное атмосферное давление и отношение между кислородом и азотом. Однако при изучении океана парциальное давление двуокиси углерода имеет большее значение, чем полное атмосферное давление. Кроме того, для неорганической среды океана присутствие газообразных кислорода и азота большого значения не имеет, так что проще пренебречь ими, не нарушив почти «реальную» картину.
Предположите теперь, что мы нарушаем равновесие моделированного океана, допуская, что подводный вулкан неожиданно выделил некоторое количество соляной кислоты (НС1), достаточное для того, чтобы содержание хлоридного иона (СГ) удвоилось. При диссоциации соляной кислоты высвобождается достаточное количество ионов Н4, чтобы общее количество водородных ионов в океане повысилось и вместо прежнего значения равновесия (СГ8 молей на литр) составило 10+03 молей на литр. Ввиду этого избытка водородных ионов все присутствующие карбонатные ионы (СО3) почти тотчас же превратятся в ионы бикарбонатов (НСО3), а позднее – в угольную кислоту (Н2СО3). Однако все эти изменения приведут лишь к незначительному понижению рН, которое останется высоким до тех пор, пока в результате медленной циркуляции океанских вод водородные ионы не войдут в непосредственный контакт с глинистыми осадками морского дна.

Оставить комментарий