海水中的二氧化碳系統(tǒng)

　　水中溶解有大量的碳化合物，其中無(wú)機(jī)物的主要形式有HCO3-、CO32-、H2CO3和CO2。溶解CO2可以與大氣中的CO2進(jìn)行交換，這個(gè)過(guò)程起著調(diào)節(jié)大氣CO2濃度的作用。工業(yè)革命以來(lái)，由于大量使用礦物燃料，排放大量CO2，使大氣CO2濃度上升，形成所謂“溫室效應(yīng)”，影響了全球氣候變化(圖4—6)。因此近年來(lái)對(duì)大氣與海洋的CO2交換過(guò)程十分重視，開(kāi)展了廣泛的國(guó)際合作，進(jìn)行了大量研究工作。CO2海氣交換的研究是JGOFS(全球海洋通量研究計(jì)劃)的重要組成部分。

　　早期的化學(xué)海洋學(xué)研究就已經(jīng)知道海水的二氧化碳系統(tǒng)是維持海水有恒定酸度的重要原因，這是由于在海水中存在下列平衡：

　　這個(gè)平衡過(guò)程控制著海水的pH，使海水具有緩沖溶液的特性。增加大氣的CO2也增加了海水中的無(wú)機(jī)碳總量，同時(shí)增加海水的緩沖容量，引起海水酸度增加，不利于更多的CO2進(jìn)入海水。

　　海水的pH值

　　海水的pH值約為8.1，其值變化很小，因此有利于海洋生物的生長(zhǎng)；海水的弱堿性有利于海洋生物利用CaCO3組成介殼；海水的CO2含量足以滿足海洋生物光合作用的需要，因此海洋成為生命的搖籃。

　　一般氣體在海水中的溶解量與其在大氣中的分壓成正比，但CO2是個(gè)例外。CO2與水有反應(yīng)，因此提高了它在海水中的濃度。CO2在生物過(guò)程中起重要作用，藻類光合作用消耗CO2，產(chǎn)生有機(jī)物和氧氣。因此，大部分地區(qū)的海水表層CO2是不飽和的，深層水由于下沉有機(jī)物的分解含有較多的CO2。赤道海域環(huán)流和美洲大陸西岸上升流把CO2帶入表層水。

　　海水從大氣中吸收CO2的能力很大，而且最初它所能吸收的CO2是現(xiàn)今的幾倍。要準(zhǔn)確估計(jì)海水吸收CO2的能力是較為困難的，因?yàn)檎麄�(gè)體系處于動(dòng)態(tài)之中。CO2與水生成碳酸，碳酸離解得到碳酸氫根和碳酸根，這是海水中溶解碳的主要化學(xué)形式。CO2濃度隨深度增加，因?yàn)樵孱惞夂献饔孟�耗CO2而在呼吸中放出CO2，另一個(gè)原因是CO2的溶解度隨壓力增加而增加。

　　天然的碳有三種同位素：12C，13C和14C。其中14C是放射性同位素。大氣中的14C有兩種來(lái)源，一是宇宙射線與大氣中的N2發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的；另一種是由于核爆炸產(chǎn)生的。14C進(jìn)入海洋后，隨著海水的運(yùn)動(dòng)減低濃度，因此可以用來(lái)研究CO2的氣體交換速率和水團(tuán)的年齡等。

　　海水中的二氧化碳含量約為2.2mmol/kg。CO2的各種形式隨pH的變化

　　影響海水pH的因素

　　海水的pH一般在7.5～8.2的范圍變化，主要取決于二氧化碳的平衡。在溫度、壓力、鹽度一定的情況下，海水的pH主要取決于H2CO3各種離解形式的比值。反過(guò)來(lái)，當(dāng)海水pH值測(cè)定后也可以推算出碳酸的濃度。

　　溫度校正可用下式

　　pHt1(現(xiàn)場(chǎng))=pHt1(測(cè)定)＋0.0113(t2－t1)(4-14)

　　由于深度改變引起的壓力校正可以通過(guò)查表得到。

　　海水的緩沖容量

　　海水具有一定的緩沖能力，這種緩沖能力主要是受二氧化碳系統(tǒng)控制的。緩沖能力可以用數(shù)值表示，稱為緩沖容量。定義為使pH變化一個(gè)單位所需加入的酸或堿的量：

　　海水的pH在6～9之間時(shí)緩沖容量最大。大洋水的pH變化主要是由CO2的增加或減少引起的。海水的緩沖容量除與CO2有關(guān)外，還與H3BO3有關(guān)。由于離子對(duì)的影響，海水的緩沖容量比淡水和NaCl溶液都要大。