Соленость воды: определение, измерение и факторы влияния

Введение

Соленость (/s//ə/'/l//ɪ//n//ɪ//t//i/) – это соленость или количество соли, растворенной в теле воды, называемой соленой водой (см. также соленость почвы). Обычно она измеряется в г/л или г/кг (граммах соли на литр/килограмм воды; последнее значение безразмерно и равно ‰). Соленость является важным фактором, определяющим многие аспекты химии природных вод и биологических процессов, происходящих в них, и является термодинамической переменной состояния, которая, наряду с температурой и давлением, определяет физические характеристики, такие как плотность и теплоемкость воды. Линия, соединяющая точки с одинаковой соленостью, называется изохалиной или иногда изохалой.

Определения

Соленость в реках, озерах и океане концептуально проста, но технически сложна в точном определении и измерении. Концептуально соленость – это количество растворенных солей в воде. Соли – это соединения, такие как хлорид натрия, сульфат магния, нитрат калия и бикарбонат натрия, которые диссоциируют на ионы. Концентрация растворенных ионов хлорида иногда называется хлорностью. Операционно, растворенное вещество определяется как то, что может пройти через очень тонкий фильтр (исторически фильтр с размером пор 0,45 мкм, но в настоящее время обычно 0,2 мкм). Соленость может быть выражена в виде массовой доли, то есть массы растворенного вещества в единице массы раствора. Соленость морской воды обычно составляет около 35 г/кг, хотя более низкие значения характерны вблизи побережий, где реки впадают в океан. Соленость рек и озер может варьироваться от менее 0,01 г/кг до нескольких г/кг, хотя есть много мест, где наблюдается более высокая соленость. Соленость Мертвого моря превышает 200 г/кг. Атмосферные осадки обычно имеют содержание TDS 20 мг/кг или меньше. Независимо от размера пор, используемого в определении, значение солености данного образца природной воды не будет отличаться более чем на несколько процентов (%). Однако физические океанографы, работающие в глубоководном океане, часто обеспокоены точностью и сопоставимостью измерений, выполненных разными исследователями в разное время, с точностью до пяти значащих цифр. Хотя для морской воды с максимальной точностью также учитываются дополнительные семь второстепенных ионов. Основные ионы преобладают в неорганическом составе большинства (но далеко не всех) природных вод. Исключения составляют некоторые карстовые озера и воды из некоторых гидротермальных источников. Концентрации растворенных газов, таких как кислород и азот, обычно не включаются в описания солености. Соленость, измеренная с использованием PSS 78, не имеет размерности. Суффикс psu или PSU (обозначающий практическую единицу солености) иногда добавляется к значениям измерений PSS 78. Добавление PSU в качестве единицы измерения после значения "формально неверно и настоятельно не рекомендуется". В глобальном масштабе весьма вероятно, что вызванные деятельностью человека изменения климата способствовали наблюдаемым изменениям солености поверхности и подповерхностных вод с 1950-х годов, а прогнозы изменений солености поверхности на протяжении всего 21-го века указывают на то, что пресные регионы океана будут продолжать становиться менее солеными, а соленые регионы – более солеными. Соленость служит трассером различных водных масс. Поверхностные воды притекают для замены опускающихся вод, которые, в свою очередь, становятся достаточно холодными и солеными, чтобы погрузиться. Распределение солености способствует формированию океанической циркуляции.

Salinity in rivers, lakes, and the ocean is conceptually simple, but technically challenging to define and measure precisely. Conceptually the salinity is the quantity of dissolved salt content of the water. Salts are compounds like sodium chloride, magnesium sulfate, potassium nitrate, and sodium bicarbonate which dissolve into ions. The concentration of dissolved chloride ions is sometimes referred to as chlorinity. Operationally, dissolved matter is defined as that which can pass through a very fine filter (historically a filter with a pore size of 0.45 μm, but nowadays usually 0.2 μm). Salinity can be expressed in the form of a mass fraction, i. e. the mass of the dissolved material in a unit mass of solution. Seawater typically has a mass salinity of around 35 g/kg, although lower values are typical near coasts where rivers enter the ocean. Rivers and lakes can have a wide range of salinities, from less than 0.01 g/kg to a few g/kg, although there are many places where higher salinities are found. The Dead Sea has a salinity of more than 200 g/kg. Precipitation typically has a TDS of 20 mg/kg or less. Whatever pore size is used in the definition, the resulting salinity value of a given sample of natural water will not vary by more than a few percent (%). Physical oceanographers working in the abyssal ocean, however, are often concerned with precision and intercomparability of measurements by different researchers, at different times, to almost five significant digits. although for seawater at highest precision an additional seven minor ions are also included. The major ions dominate the inorganic composition of most (but by no means all) natural waters. Exceptions include some pit lakes and waters from some hydrothermal springs. The concentrations of dissolved gases like oxygen and nitrogen are not usually included in descriptions of salinity. Salinities measured using PSS 78 do not have units. The suffix psu or PSU (denoting practical salinity unit) is sometimes added to PSS 78 measurement values. The addition of PSU as a unit after the value is "formally incorrect and strongly discouraged". On the global scale, it is extremely likely that human caused climate change has contributed to observed surface and subsurface salinity changes since the 1950s, and projections of surface salinity changes throughout the 21st century indicate that fresh ocean regions will continue to get fresher and salty regions will continue to get saltier. Salinity is serving as a tracer of different masses. Surface water is pulled in to replace the sinking water, which in turn eventually becomes cold and salty enough to sink. Salinity distribution contributes to shape the oceanic circulation.

Озера и реки

Лимнологи и химики часто определяют соленость как массу соли на единицу объема, выраженную в единицах мг/л или г/л. Фактическая проводимость обычно изменяется примерно на 2% на градус Цельсия, поэтому измеренная проводимость при 5 °C может находиться в диапазоне 50–80 мкС/см. Прямые измерения плотности также используются для оценки солености, особенно в сильно засоленных озерах. Определение солености часто следует "Венецианской системе" (1959). В отличие от гомоиохалинных сред, существуют определенные поикилохалинные среды (которые также могут быть талассовыми), в которых колебания солености имеют биологическое значение. Соленость воды в поикилохалинных условиях может варьироваться от 0,5 до более 300 ‰. Важной характеристикой является то, что соленость этих вод имеет тенденцию изменяться в течение биологически значимого диапазона в сезонном цикле или в сопоставимых временных масштабах. Проще говоря, это водоемы с весьма переменной соленостью. Вода с высокой соленостью, из которой соли кристаллизуются (или собираются кристаллизоваться), называется рассолом.

Экологические соображения

Соленость является важным экологическим фактором, влияющим на типы организмов, обитающих в водоеме. Кроме того, соленость определяет, какие растения будут расти в водоеме или на земле, питаемой водой (или грунтовыми водами). Растение, приспособленное к соленым условиям, называется галофитом. Галофиты, устойчивые к остаточной солености карбоната натрия, называются сарсаном, солянкой или бариллой. Организмы (в основном бактерии), способные жить в очень соленых условиях, классифицируются как экстремофилы, или, конкретнее, галофилы. Организм, способный выдерживать широкий диапазон солености, называется эврихалином. Удаление солей из воды – дорогостоящий процесс, поэтому солесодержание является важным фактором при использовании воды, влияющим на ее пригодность для питья и орошения. Наблюдается повышение солености в озерах и реках США из-за использования дорожной соли и других противогололедных реагентов, попадающих в сток. Степень солености в океанах является движущей силой мировой океанской циркуляции: изменения плотности, вызванные изменениями солености и температуры на поверхности океана, приводят к изменениям плавучести, вызывающим опускание и подъем водных масс. Считается, что изменения солености океанов вносят вклад в глобальные изменения концентрации углекислого газа, поскольку более соленые воды хуже растворяют углекислый газ. Кроме того, в ледниковые периоды гидрографические условия таковы, что образование расслоенных океанов может быть причиной снижения циркуляции. В таких случаях субдукция воды через термохалинную циркуляцию затруднена. Соленость не только является движущей силой океанской циркуляции, но и изменения в циркуляции океана влияют на соленость, особенно в субполярной Северной Атлантике, где с 1990 по 2010 год увеличение притока гренландских талых вод компенсировалось усилением переноса соленых атлантических вод на север. Однако воды Северной Атлантики стали менее солеными с середины 2010-х годов из-за увеличения потока талых вод Гренландии.

Salinity is an ecological factor of considerable importance, influencing the types of organisms that live in a body of water. As well, salinity influences the kinds of plants that will grow either in a water body, or on land fed by a water (or by a groundwater). A plant adapted to saline conditions is called a halophyte. A halophyte which is tolerant to residual sodium carbonate salinity are called glasswort or saltwort or barilla plants. Organisms (mostly bacteria) that can live in very salty conditions are classified as extremophiles, or halophiles specifically. An organism that can withstand a wide range of salinities is euryhaline. Salts are expensive to remove from water, and salt content is an important factor in water use, factoring into potability and suitability for irrigation. Increases in salinity have been observed in lakes and rivers in the United States, due to common road salt and other salt de icers in runoff. The degree of salinity in oceans is a driver of the world's ocean circulation, where density changes due to both salinity changes and temperature changes at the surface of the ocean produce changes in buoyancy, which cause the sinking and rising of water masses. Changes in the salinity of the oceans are thought to contribute to global changes in carbon dioxide as more saline waters are less soluble to carbon dioxide. In addition, during glacial periods, the hydrography is such that a possible cause of reduced circulation is the production of stratified oceans. In such cases, it is more difficult to subduct water through the thermohaline circulation. Not only is salinity a driver of ocean circulation, but changes in ocean circulation also affect salinity, particularly in the subpolar North Atlantic where from 1990 to 2010 increased contributions of Greenland meltwater were counteracted by increased northward transport of salty Atlantic waters. However, North Atlantic waters have become fresher since the mid 2010s due to increased Greenland meltwater flux.