Структура глин

Опубликовал admin в июля 24, 2012 в рубрике Океан

Структура глин характеризуется тем, что атомы кислорода на свободных углах полиэдров несут ненасыщенные отрицательные заряды, притягивающие положительно заряженные ионы. В связи с тем, что океан весьма богат ионами натрия (NA+), последние занимают наибольшую часть углов глинистых полиэдров. Когда избыточные водородные ионы вступают в контакт с глинами, они быстро замещают ионы натрия, предоставляя им «плыть по воле волн». Масштабы этой скоротечной реакции ограничены, потому что суммарная поверхность и способность глин к ионному обмену на границе между слоями невелики. Эта способность значительно возрастает, когда преобразуется структура глин, например, при превращении монтмориллонита в каолинит также поглощаются атомы водорода и освобождается натрий. При наличии достаточного времени (столетий) такие перестройки неизбежно имеют место, и рН океана медленно возвращается к своему значению равновесия. Избыток выделенных нашим вулканом хлоридов впоследствии уравновешивается не ионами Н+, а ионами Na + . Этот медленный механизм восстановления равновесия может рассматриваться как «рН-стат» (по аналогии с термином «термостат»).


Эта глинисто-катионная модель заставляет полагать, что рН океана на протяжении соответствующего короткого отрезка геологического времени остается постоянным, а из этого следует, что и содержание двуокиси углерода в атмосфере колебалось лишь в узких пределах.
Если бы выравнивание колебаний рН в океане обеспечивалось только описанным выше «рН-статом», то океанская среда испытывала бы резкие локальные флуктуации. Когда требуется мощная ответная реакция, контроль рН осуществляет карбонатная буферная система. На практике океанографы до недавнего времени не обращали должного внимания на реакции с катионами глин, допуская, что карбонатная буферная система почти полностью определяет рН в океане.
Может возникнуть мысль, что, если бы содержание двуокиси углерода в атмосфере уменьшалось, произошло бы выделение углекислоты из океана в атмосферу, которое привело бы к истощению всех карбонатных соединений в океане и, в конце концов, возможно, к растворению некоторых карбонатных осадков. В действительности происходит нечто совсем иное, потому что карбонатная система служит для самой себя источником водородных ионов. Удаление из воды двуокиси углерода приводит к уменьшению концентрации угольной кислоты (Н2СО3)-гидратированной формы двуокиси углерода. Для возмещения этой кислоты за счет бикарбонатных ионов необходим ион водорода, который может быть получен только в результате превращения другого бикарбонатного иона в карбонатный. Полная реакция, следовательно, 2HCOJ = Н2СО3 + СО. Таким образом, вместо растворения существующих осадков удаление двуокиси углерода из моря может на самом деле привести к осаждению карбоната. Такую реакцию можно наблюдать над Багамской банкой, где происходит «побеление» моря, когда холодные глубинные воды, содержащие большое количество растворенных двуокиси углерода и кальция, выталкиваются на поверхность и нагреваются. В то время как двуокись углерода улетучивается в воздух, рН воды падает и в осадок выпадает арагонит (СаСО3); при этом большие пространства океана становятся белыми из-за присутствия мириад мельчайших кристаллов этого минерала.
Приведенная выше реакция не изменяет электрического заряда, а это значит, что «щелочность» («щелочи» – так по традиции называют концентрацию иона натрия, необходимую для поддержания этого отрицательного заряда) также сохраняется неизменной. Эта «карбонатная щелочность», представляющая собой концентрацию бикарбоната плюс двукратная концентрация карбоната, полезна при описании явлений, так как она остается постоянной даже в тех случаях, когда относительные количества обеих этих форм изменяются.
Длительный процесс восстановления равновесия после такого удвоения количества атмосферной углекислоты можно представить в виде двух этапов. На первом из них действует система рН-буфера – в мировую систему добавляется 2,5 граммов или два процента общей массы, углекислоты при постоянной щелочности. Поэтому в перспективе эффект внезапного удвоения содержания углекислоты в атмосфере сведется к окончательной величине 2 процента, то есть 326 частей на миллион против 320, и часть этого увеличения в конечном счете должна перейти в растительность и перегной.
Очевидно, что коренное влияние на глобальное распространение двуокиси углерода оказывает скорость процессов. В поверхностном, перемешанном ветром слое океанской воды обмен двуокисью углерода с атмосферой протекает быстро, и для восстановления равновесия требуется меньше десятилетия. Поскольку этот слой распространяется лишь до глубины около ста метров, он представляет только ничтожную долю общей массы океанской воды. Поэтому удаление загрязняющей атмосферу двуокиси углерода в широких масштабах может осуществляться за счет растворения в океанской воде и переноса в ее более глубокие слои.
Такой вертикальный перенос осуществляется почти исключительно лишь в море Уэдделла у берегов Антарктиды. Ежегодно зимой при намерзании ледяного шельфа Уэдделла из новообразованного льда вымораживается соль, в связи с чем соленость, а следовательно, и плотность подстилающего слоя воды возрастают. Очень холодная вода, способная содержать больше растворенного газа, чем теплая вода в тропиках (в равных объемах), стекает по пологому континентальному склону Антарктиды на большую глубину и начинает свое пятитысячелетнее путешествие к северу вблизи дна океана. Двуокиси углерода, содержащейся в этих «придонных антарктических водах», с избытком хватает времени на то, чтобы прийти в равновесие с глинистыми осадками.

Оставить комментарий