Введение

Морская вода, или океаническая вода, – это вода из моря или океана. В среднем, соленость морской воды в мировом океане составляет около 3,5% (35 г/л, 35 ppt, 600 мМ). Это означает, что каждый килограмм (примерно один литр по объему) морской воды содержит приблизительно 35 граммов растворенных солей (преимущественно ионов натрия (Na⁺) и хлорида (Cl⁻)). Средняя плотность на поверхности составляет 1,025 кг/л. Морская вода плотнее, чем пресная и дистиллированная вода (плотность 1,0 кг/л при 4 °C), поскольку растворенные соли увеличивают массу в большей пропорции, чем объем. Температура замерзания морской воды понижается с увеличением концентрации соли. При типичной солености она замерзает примерно при -2 °C (28 °F). Самая холодная морская вода в жидком состоянии, когда-либо зарегистрированная, была обнаружена в 2010 году в потоке под антарктическим ледником: измеренная температура составила -2,6 °C (27 °F). pH морской воды обычно находится в диапазоне от 7,5 до 8,4. Однако не существует универсально принятой шкалы pH для морской воды, и разница между измерениями, основанными на различных эталонных шкалах, может достигать 0,14 единицы.

Соленость

Хотя соленость подавляющего большинства морской воды составляет от 31 до 38 г/кг, то есть 3,1–3,8%, соленость морской воды не является равномерной по всему миру. В местах смешения с пресным речным стоком, вблизи тающих ледников или при большом количестве осадков (например, во время муссонов) соленость морской воды может быть значительно ниже. Самым соленым открытым морем является Красное море, где высокая скорость испарения, низкое количество осадков и малый речной сток, а также ограниченная циркуляция приводят к образованию необычно соленой воды. Соленость в изолированных водоемах может быть еще значительно выше – примерно в десять раз выше, как в случае с Мертвым морем. В прошлом для приблизительной оценки абсолютной солености морской воды использовалось несколько шкал солености. Одной из популярных была "Практическая шкала солености", где соленость измерялась в "практических единицах солености (PSU)". В настоящее время стандартом для измерения солености является шкала "Стандартной солености", при которой соленость выражается в единицах "г/кг".

Плотность

Плотность поверхностной морской воды колеблется от 1020 до 1029 кг/м3 в зависимости от температуры и солености. При температуре 25 °C, солености 35 г/кг и давлении 1 атм плотность морской воды составляет 1023,6 кг/м3. В глубине океана, под высоким давлением, плотность морской воды может достигать 1050 кг/м3 и выше. Плотность морской воды также изменяется в зависимости от солености. Рассолы, образующиеся на установках опреснения морской воды, могут иметь соленость до 120 г/кг. Плотность типичного морского рассола с соленостью 120 г/кг при 25 °C и атмосферном давлении составляет 1088 кг/м3. С тех пор она снижается из-за антропогенного процесса, называемого подкислением океана, связанного с выбросами углекислого газа: в период с 1950 по 2020 год среднее значение pH на поверхности океана упало примерно с 8,15 до 8,05. Значение pH морской воды естественным образом может быть не ниже 7,8 в глубоководных областях в результате разложения органического вещества в этих водах. В поверхностных водах районов с высокой биологической продуктивностью оно может достигать 8,4. Измерение pH осложняется химическими свойствами морской воды, и в химической океанографии существует несколько различных шкал pH. Универсальной эталонной шкалы pH для морской воды не существует, и разница между измерениями, основанными на различных шкалах, может составлять до 0,14 единиц. Однако соотношения растворенных веществ существенно различаются. Например, хотя морская вода содержит примерно в 2,8 раза больше бикарбоната, чем речная вода, процентное содержание бикарбоната в морской воде в соотношении ко всем растворенным ионам намного ниже, чем в речной воде. Бикарбонатные ионы составляют 48% растворенных веществ в речной воде, но только 0,14% в морской воде. Такие различия обусловлены различным временем пребывания растворенных веществ в морской воде: натрий и хлорид имеют очень длительное время пребывания, в то время как кальций (жизненно важный для образования карбонатов) имеет тенденцию осаждаться гораздо быстрее. Его осмолярность составляет около 1000 мОсм/л. Обнаружены небольшие количества других веществ, включая аминокислоты в концентрациях до 2 микрограммов атомов азота на литр, которые, как считается, сыграли ключевую роль в происхождении жизни. + Элементарный состав морской воды (соленость = 3,5%) ЭлементПроцент по массеКислород85,84Водород10,82Хлор1,94Натрий1,08Магний0,1292Сера0,091Кальций0,04Калий0,04Бром0,0067Углерод0,0028 + Общий молярный состав морской воды (соленость = 35) КомпонентКонцентрация (моль/кг) H2O 53,6 0,546 0,469 0,0528 SO4 0,0282 0,0103 0,0102 CT 0,00206 0,000844 BT 0,000416 0,000091 0,000068

Микробные компоненты

Исследование, проведенное в 1957 году Институтом океанографии Скриппса, включало отбор проб воды как в пелагических, так и в нерритических зонах Тихого океана. Для анализа использовались прямые микроскопические подсчеты и культивирование, при этом в некоторых случаях прямые подсчеты показывали результаты в 10 000 раз превышающие данные, полученные при культивировании. Эти расхождения объяснялись наличием бактерий в агрегатах, селективным воздействием питательных сред и присутствием неактивных клеток. Значительное уменьшение количества бактерий, выращенных в культуре, наблюдалось ниже термоклина, однако это не подтверждалось прямым микроскопическим наблюдением. Под микроскопом было обнаружено большое количество спирилловидных форм, которые не удавалось получить в культуре. Различия в численности, определяемой двумя методами, хорошо известны в данной и других областях науки. В 1990-х годах усовершенствованные методы обнаружения и идентификации микробов, основанные на анализе небольших фрагментов ДНК, позволили исследователям, участвовавшим в Переписи морской жизни, идентифицировать тысячи ранее неизвестных микроорганизмов, обычно присутствующих в небольших количествах. Это выявило гораздо большее разнообразие, чем предполагалось ранее, и показало, что в одном литре морской воды может содержаться более 20 000 видов. Митчелл Согин из Морской биологической лаборатории полагает, что "количество различных видов бактерий в океанах может достигать пяти-десяти миллионов". Бактерии встречаются на всех глубинах водной толщи, а также в донных отложениях, некоторые из них – аэробные, другие – анаэробные. Большинство свободноплавающие, но некоторые существуют в виде симбионтов внутри других организмов, примером служат биолюминесцентные бактерии. Цианобактерии сыграли важную роль в эволюции океанических процессов, обеспечив развитие строматолитов и накопление кислорода в атмосфере. Некоторые бактерии взаимодействуют с диатомовыми водорослями, образуя критическое звено в круговороте кремния в океане. Один из анаэробных видов, Thiomargarita namibiensis, играет важную роль в разложении сероводорода, выделяющегося из диатомовых отложений у побережья Намибии, который образуется в результате интенсивного роста фитопланктона в зоне апвеллинга Бенгельского течения и в конечном итоге оседает на морское дно. Бактерии, подобные Archaea, удивили морских микробиологов своей способностью выживать и процветать в экстремальных условиях, таких как гидротермальные источники на дне океана. Алкалоустойчивые морские бактерии, такие как Pseudomonas и Vibrio spp., выживают в диапазоне pH от 7,3 до 10,6, в то время как некоторые виды растут только при pH от 10 до 10,6. Археи также обитают в пелагических водах и могут составлять до половины биомассы океана, играя важную роль в океанических процессах. В 2000 году в донных отложениях были обнаружены археи, способные разлагать метан – важный парниковый газ и основной фактор глобального потепления. Некоторые бактерии разрушают горные породы морского дна, влияя на химический состав морской воды. Разливы нефти и стоки, содержащие бытовые сточные воды и химические загрязнители, оказывают заметное влияние на микробную жизнь в прилегающих районах, а также способствуют распространению патогенов и токсинов, воздействующих на все формы морской жизни. Динофлагелляты, относящиеся к протистам, в определенное время могут испытывать резкое увеличение численности, известное как цветение воды или "красный прилив", часто вызванное антропогенным загрязнением. В результате этого процесса могут образовываться метаболиты, известные как биотоксины, которые распространяются по пищевой цепи океана, загрязняя организмы высших трофических уровней. В 2013 году был открыт Pandoravirus salinus – вид очень крупного вируса с геномом, значительно превышающим геном любого другого вируса. Как и другие очень крупные вирусы Mimivirus и Megavirus, Pandoravirus заражает амеб, но его геном, содержащий от 1,9 до 2,5 мегабаз ДНК, в два раза больше генома Megavirus, и он значительно отличается от других крупных вирусов по внешнему виду и структуре генома. В 2013 году исследователи из Университета Абердина объявили о начале поисков новых химических соединений в организмах, эволюционировавших в глубоководных впадинах, надеясь найти "следующее поколение" антибиотиков в связи с прогнозируемым "антибиотическим апокалипсисом" и нехваткой новых лекарств для борьбы с инфекциями. Исследования, финансируемые ЕС, начнутся в Атакамской впадине, а затем будут проводиться в впадинах у берегов Новой Зеландии и Антарктиды. Океан имеет долгую историю использования в качестве места для сброса отходов жизнедеятельности человека, исходя из предположения, что его огромные размеры позволяют ему поглощать и разбавлять все вредные вещества. Хотя это может быть верно в небольшом масштабе, большие объемы регулярно сбрасываемых сточных вод нанесли ущерб многим прибрежным экосистемам и сделали их опасными для жизни. В этих водах присутствуют патогенные вирусы и бактерии, такие как Escherichia coli, Vibrio cholerae – возбудитель холеры, вирусы гепатита A и E, полиомиелит, а также простейшие, вызывающие лямблиоз и криптоспоридиоз. Эти патогены регулярно присутствуют в балластных водах крупных судов и широко распространяются при их сбросе.

Другие параметры

Скорость звука в морской воде составляет около 1500 м/с (в то время как в воздухе она обычно составляет около 330 м/с при давлении примерно 101,3 кПа, что соответствует 1 атмосфере), и изменяется в зависимости от температуры воды, солености и давления. Теплопроводность морской воды равна 0,6 Вт/(м·К) при 25 °C и солености 35 г/кг. Теплопроводность уменьшается с ростом солености и увеличивается с ростом температуры.

Добыча полезных ископаемых

С древних времен из морской воды добывают минералы. В настоящее время четыре наиболее концентрированных металла – Na, Mg, Ca и K – добываются из морской воды в коммерческих целях. В 2015 году в США 63% магния было произведено из морской воды и рассолов. Бром также получают из морской воды в Китае и Японии. Попытки извлечения лития из морской воды предпринимались в 1970-х годах, но испытания вскоре были прекращены. Идея добычи урана из морской воды рассматривалась как минимум с 1960-х годов, однако в конце 1990-х годов в Японии было извлечено лишь несколько граммов урана. Основная проблема заключается не в технологической возможности, а в том, что текущие рыночные цены на уран из других источников примерно в три-пять раз ниже, чем минимальная цена, достижимая при добыче из морской воды. Схожие проблемы препятствуют использованию переработанного урана и часто приводятся в качестве аргументов против экономической нецелесообразности ядерной переработки и производства MOX-топлива.

Будущее добычи полезных ископаемых и элементов

Для того чтобы добыча минералов и элементов из морской воды осуществлялась с учетом принципов устойчивого развития, необходимо внедрить системы контролируемого управления. Это подразумевает управление морскими акваториями и их состоянием, экологическое планирование, разработку четких инструкций для обеспечения контролируемой добычи, регулярную оценку состояния моря после добычи и постоянный мониторинг. Использование технологий, таких как подводные дроны, может способствовать устойчивой добыче. Применение низкоуглеродной инфраструктуры также позволит сделать процессы добычи более устойчивыми, снижая углеродный след от извлечения минеральных ресурсов. Несмотря на то, что добыча из морской воды может принести значительную пользу обществу, крайне важно учитывать воздействие на окружающую среду и обеспечивать, чтобы все операции добычи проводились с учетом и признанием связанных с ними рисков для устойчивости морских экосистем.

Стандарт

ASTM International имеет международный стандарт для искусственной морской воды: ASTM D1141 98 (первоначальный стандарт ASTM D1141 52). Он используется во многих исследовательских лабораториях для проведения испытаний в качестве воспроизводимого раствора, имитирующего морскую воду, например, при испытаниях на коррозию, загрязнение нефтью и оценке моющих свойств.

Экосистемы

Минералы, содержащиеся в морской воде, также играют важную роль в океане и его пищевом цикле. Например, Южный океан вносит значительный вклад в глобальный углеродный цикл. Учитывая, что этот водоем не содержит высоких концентраций железа, его недостаток оказывает влияние на морскую жизнь, обитающую в его водах. В результате, этот океан не способен производить столько фитопланктона, что сдерживает начальный этап морской пищевой цепи. Одним из основных типов фитопланктона являются диатомовые водоросли, служащие основным источником пищи для антарктического криля. По мере развития цикла, различные крупные морские животные питаются антарктическим крилем, однако из-за дефицита железа в изначальном фитопланктоне/диатомовых водорослях, эти более крупные виды также испытывают его недостаток. К этим крупным морским животным относятся усатые киты, такие как синий кит и финвал. Экологически безопасным и более устойчивым подходом к добыче полезных ископаемых является извлечение этих металлов с морского дна. Добыча лития на морском дне в больших объемах может обеспечить существенное количество возобновляемых металлов, способствуя внедрению более экологичных практик в обществе для сокращения углеродного следа человечества. Добыча лития с морского дна может быть успешной, но ее успех будет зависеть от повышения эффективности переработки отходов на суше. Однако добыча с морского дна сопряжена с определенными рисками. Многие биоразнообразные виды имеют продолжительную жизнь на морском дне, что означает более длительный цикл их размножения. Подобно вылову рыбы с морского дна, извлечение минералов в больших количествах и слишком быстро, без соблюдения надлежащих протоколов, может привести к нарушению подводных экосистем. В противном случае, это окажет противоположный эффект и сделает добычу полезных ископаемых недолгосрочной и неустойчивой практикой, что приведет к дефициту необходимых металлов. Любая добыча минералов из морской воды также несет риск нарушения среды обитания подводных организмов, зависящих от неповрежденной экосистемы, поскольку любые нарушения могут оказать существенное воздействие на животные сообщества.