HÓA HỌC BIỂN - CHƯƠNG 3

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:20

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

CÁC KHÍ HOÀ TAN TRONG NƯỚC BIỂN Một phần không thể tách rời của thành phần hóa học nước biển là các khí hoà tan. Nước biển hoà tan được tất cả các chất khí, từ các khí có hoạt tính hoá học cao như Ôxy, Cácbonic đến các khí trơ như Argon, Hêli... Ngoài ra, do những nguyên nhân cục bộ nào đó, trong nước biển còn có cả những khí mà khí quyển không có hoặc có rất ít như Sunfuhydro, Metan... Trong số những khí hoà tan trong nước biển, khí Ôxy, Nitơ và Cácbonic có ý...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: HÓA HỌC BIỂN - CHƯƠNG 3

C h ươ ng 3 CÁC KHÍ HOÀ TAN TRONG NƯỚC BIỂN M ộ t ph ầ n không th ể t ách r ờ i c ủ a thành ph ầ n hóa h ọ c n ướ c bi ể n là các khí hoà tan. N ướ c bi ể n hoà tan đ ượ c t ấ t c ả c ác ch ấ t khí, t ừ c ác khí có ho ạ t tính hoá h ọ c cao nh ư Ô xy, Cácbonic đ ế n các khí tr ơ n h ư A rgon, Hêli... Ngoài ra, do nh ữ ng nguyên nhân c ụ c b ộ n ào đ ó, trong n ướ c bi ể n còn có c ả n h ữ ng khí mà khí quy ể n không có ho ặ c có r ấ t ít nh ư S unfuhydro, Metan... Trong s ố n h ữ ng khí hoà tan trong n ướ c bi ể n, khí Ôxy, Nit ơ v à Cácbonic có ý ngh ĩ a h ơ n c ả v à c ũ ng đ ượ c nghiên c ứ u nhi ề u nh ấ t. Thành ph ầ n đ ị nh tính và đ ị nh l ượ ng c ủ a h ợ p ph ầ n khí hoà tan trong n ướ c bi ể n có liên quan ch ặ t ch ẽ v ớ i các đ ố i t ượ ng mà n ướ c bi ể n ti ế p xúc ( đặ c bi ệ t là khí quy ể n) và các quá trình x ả y ra trong đ ó nh ư c ác ph ả n ứ ng hoá h ọ c, các quá trình sinh hoá, thoát khí t ừ M antri... 3.1 QUY LU Ậ T CHUNG HOÀ TAN CÁC KHÍ T Ừ K HÍ QUY Ể N VÀO N ƯỚ C BI Ể N Nh ư đ ã bi ế t, quá trình hoà tan m ộ t ch ấ t khí nào đ ó t ừ k hí quy ể n vào n ướ c bi ể n là quá trình thu ậ n ngh ị ch và h ướ ng c ủ a quá trình ph ụ t hu ộ c vào áp su ấ t c ủ a khí đ ó trên m ặ t bi ể n. N ế u áp su ấ t c ủ a ch ấ t khí trên m ặ t bi ể n l ớ n h ơ n áp su ấ t c ủ a chính khí đ ó trong n ướ c bi ể n thì các phân t ử k hí ti ế p t ụ c đ i t ừ k hí quy ể n vào n ướ c bi ể n, ng ượ c l ạ i, các phân t ử k hí s ẽ t ừ n ướ c bi ể n đ i ra khí quy ể n. Quá trình này luôn luôn có xu th ế đ ạ t t ớ i tr ạ ng thái cân b ằ ng, là tr ạ ng thái mà áp su ấ t c ủ a ch ấ t khí trong hai môi tr ườ ng b ằ ng nhau. T ạ i tr ạ ng thái cân b ằ ng, có bao nhiêu phân t ử k hí t ừ k hí quy ể n đ i vào n ướ c bi ể n thì c ũ ng có b ấ y nhiêu phân t ử k hí t ừ n ướ c bi ể n đ i ra khi quy ể n. Tr ạ ng thái cân b ằ ng nh ư v ậ y là cân b ằ ng đ ộ ng. Khi tr ạ ng thái cân b ằ ng đ ượ c thi ế t l ậ p, n ồ ng đ ộ c h ấ t khí trong n ướ c bi ể n đ ượ c g ọ i là n ồ ng đ ộ b ão hoà và đ ượ c xác đ ị nh b ằ ng bi ể u th ứ c c ủ a đ ị nh 56
lu ậ t Henri-Danton nh ư s au: C i = K i .P i t rong đ ó Ci là n ồ ng đ ộ b ão hoà c ủ a ch ấ t khí i trong n ướ c bi ể n, Pi-áp su ấ t c ủ a khí đ ó trên m ặ t n ướ c bi ể n, Ki-h ệ s ố t ỷ l ệ ( còn g ọ i là h ệ s ố h ấ p th ụ ) ph ụ t hu ộ c vào b ả n ch ấ t c ủ a ch ấ t khí, nhi ệ t đ ộ , đ ộ m u ố i và th ứ n guyên c ủ a các đ ạ i l ượ ng. Khi Pi=1 thì Ki chính b ằ ng n ồ ng đ ộ b ão hoà và g ọ i là đ ộ h oà tan c ủ a ch ấ t khí t ạ i nhi ệ t đ ộ v à đ ộ m u ố i cho tr ướ c. Đ ộ h oà tan c ủ a h ầ u h ế t các ch ấ t khí trong n ướ c (tr ừ A moniac) t ỷ l ệ n gh ị ch v ớ i nhi ệ t đ ộ v à đ ộ m u ố i. B ả ng 3.1 có đ ư a ra giá tr ị đ ộ h oà tan c ủ a khí Ôxy, Nit ơ t rong nh ữ ng đ i ề u ki ệ n nhi ệ t đ ộ , đ ộ m u ố i khác nhau. B ả ng 3.1: Đ ộ h oà tan c ủ a khí Ôxy, Nit ơ ( ml/l) ph ụ t hu ộ c nhi ệ t đ ộ , đ ộ m u ố i (theo Sverdrup và Jhonson) T0C S = 0 %o S = 16 %o S = 20 %o Khí 0 49,24 40,10 38,20 Ôxy 24 29,38 24,80 23,60 0 23,0 15,02 14,21 Nitơ 24 14,63 9,36 8,96 Đ ị nh lu ậ t Henri-Danton cho th ấ y n ế u có m ộ t h ỗ n h ợ p khí trên b ề m ặ t ch ấ t l ỏ ng thì n ồ ng đ ộ b ão c ủ a m ộ t ch ấ t khí nào đ ó ch ỉ p h ụ t hu ộ c vào áp su ấ t riêng c ủ a chính khí đ ó mà không ph ụ t hu ộ c vào s ự c ó m ặ t c ủ a các khí khác có trong h ỗ n h ợ p. Khí quy ể n hành tinh là m ộ t h ỗ n h ợ p c ủ a nhi ề u khí, áp su ấ t khí quy ể n chính là t ổ ng c ủ a áp su ấ t riêng c ủ a t ừ ng khí PKQ = PN 2 + PO2 + PCO2 + ... = 0,78 + 0, 21 + 0,0003 + ... = 1( atm ) có m ặ t trong đ ó: B ả ng 3.2: N ồ ng đ ộ b ão hoà c ủ a Ôxy và Nit ơ t rong n ướ c bi ể n ph ụ t hu ộ c vào nhi ệ t đ ộ v à đ ộ m u ố i ở đ i ề u ki ệ n áp su ấ t khí quy ể n bình th ườ ng (P=1atm) (theo Grin và Đ uglax) Nồng độ bão hoà của Ôxy (ml/l) Nồng độ bão hoà của Nitơ (ml/l) o ToC TC 0 10 20 30 0 10 20 30 Cl %o Cl %o 0 10,35 9,08 6,53 5,49 15 19,31 15,54 13,09 11,46 5 9,72 8,54 6,18 5,23 16 19,04 15,36 12,93 11,34 10 9,11 8,04 5,88 4,97 17 18,77 15,18 12,78 11,23 15 8,56 7,57 5,56 4,71 18 18,50 15,00 12,63 11,11 20 8,03 7,13 5,29 4,49 19 18,24 14,81 12,48 11,00 25 7,52 6,73 5,02 4,25 20 17,97 14,63 12,32 10,88 30 7,07 6,34 4,76 4,04 21 17,70 14,45 12,17 10,77 57
B ả ng 3.2 có đ ư a ra n ồ ng đ ộ b ão hoà c ủ a Ôxy và Nit ơ t rong n ướ c bi ể n t ạ i các đ i ề u ki ệ n nhi ệ t mu ố i khác nhau khi áp su ấ t khí quy ể n b ằ ng 1 atm (ngh ĩ a là áp su ấ t riêng c ủ a Nit ơ l à 0,78 atm, c ủ a Ôxy là 0,21 atm). So sánh nh ữ ng giá tr ị ở b ả ng 3.1 và 3.2 th ấ y r ằ ng, ở c ùng m ộ t đ i ề u ki ệ n nhi ệ t mu ố i cho tr ướ c, m ặ c dù đ ộ h oà tan c ủ a Ôxy l ớ n h ơ n c ủ a Nit ơ ( ngh ĩ a là kh ả n ă ng hoà tan c ủ a Ôxy t ố t h ơ n) song n ồ ng đ ộ t h ự c t ế t rong n ướ c bi ể n c ủ a Nit ơ l ạ i l ớ n h ơ n Ôxy. Áp su ấ t riêng c ủ a Nit ơ t rong khí quy ể n (0,78 atm) l ớ n h ơ n c ủ a Ôxy (0,21 atm) chính là nguyên nhân c ủ a hi ệ n t ượ ng này. Đ ị nh lu ậ t Henri-Danton cho phép gi ả i thích nhi ề u hi ệ n t ượ ng trong quá trình hoà tan các khí t ừ k hí quy ể n vào n ướ c bi ể n. Là quá trình thu ậ n ngh ị ch, t ạ i nh ữ ng đ i ề u ki ệ n nhi ệ t đ ộ , đ ộ m u ố i cho tr ướ c, quá trình hoà tan các khí luôn có xu th ế đ ạ t đ ế n s ự c ân b ằ ng. N ế u n ồ ng đ ộ c ác khí trong n ướ c bi ể n v ượ t quá n ồ ng đ ộ b ão hoà, nó s ẽ t ự t r ở l ạ i khí quy ể n, ng ượ c l ạ i, khí quy ể n ti ế p t ụ c cung c ấ p khí cho n ướ c bi ể n. Tuy nhiên, trong nh ữ ng tr ườ ng h ợ p c ụ t h ể v ẫ n có th ể t ồ n t ạ i tr ạ ng thái quá bão hoà ho ặ c ch ư a bão hoà trong kho ả ng th ờ i gian dài. Ch ẳ ng h ạ n khi g ặ p nh ữ ng đ i ề u ki ệ n thu ậ n l ợ i (ánh sáng, nhi ệ t, mu ố i, dinh d ưỡ ng thích h ợ p) sinh v ậ t quang h ợ p phát tri ể n m ạ nh s ẽ l àm n ồ ng đ ộ k hí Ôxy hoà tan t ă ng cao trên m ứ c bão hoà. Do ch ư a k ị p thoát ra khí quy ể n ho ặ c t ố c đ ộ t hoát ra khí quy ể n nh ỏ h ơ n nhi ề u so v ớ i t ố c đ ộ g i ả i phóng Ôxy trong quang h ợ p nên khí Ôxy v ẫ n ti ế p t ụ c đ ượ c tích lu ỹ , s ẽ d ẫ n đ ế n hi ệ n t ượ ng tr ạ ng thái quá bão hoà đ ượ c duy trì. Đ ể b i ể u di ễ n n ồ ng đ ộ c ác khí hoà tan, ngoài d ạ ng tuy ệ t đ ố i (ml/l, mg/l...) ng ườ i ta còn s ử d ụ ng d ạ ng t ươ ng đ ố i (ph ầ n tr ă m đ ộ b ão hoà). 3.2 KHÍ ÔXY HOÀ TAN Trong n ướ c bi ể n khí Ôxy hoà tan t ồ n t ạ i ở d ạ ng phân t ử t ự d o O 2 , đ ó là m ộ t y ế u t ố t hu ỷ h oá quan tr ọ ng có liên quan đ ế n hàng lo ạ t quá trình sinh-hoá x ả y ra trong môi tr ườ ng n ướ c bi ể n. Ôxy là m ộ t s ả n ph ẩ m c ủ a quang h ợ p, đ ồ ng th ờ i l ạ i là "nguyên li ệ u" c ủ a quá trình hô h ấ p c ủ a sinh v ậ t nên n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan trong n ướ c bi ể n và nh ữ ng bi ế n đ ộ ng c ủ a nó có liên quan tr ự c ti ế p đ ế n s ự s ố ng trong bi ể n. V ớ i kh ả n ă ng ho ạ t đ ộ ng hoá h ọ c m ạ nh, Ôxy hoà tan trong n ướ c bi ể n tham gia vào h ầ u h ế t 58
các quá trình ôxy hoá các ch ấ t và h ợ p ch ấ t (nh ư ô xy hoá các ion kim lo ạ i, ôxy hoá khí đ ộ c Sunfuhydro, quá trình đ ạ m hoá...), trong đ ó đ áng k ể n h ấ t là quá trình ôxy hoá các ch ấ t h ữ u c ơ g i ữ c ho môi tr ườ ng n ướ c bi ể n trong s ạ ch. S ự p hân b ố t heo không gian và bi ế n đ ổ i theo th ờ i gian c ủ a Ôxy hoà tan trong bi ể n ch ị u tác đ ộ ng c ủ a hàng lo ạ t hi ệ n t ượ ng và quá trình, trong đ ó đ áng k ể n h ấ t là các quá trình t ươ ng tác bi ể n-khí quy ể n, ho ạ t đ ộ ng s ố ng c ủ a thu ỷ s inh v ậ t, ô nhi ễ m môi tr ườ ng, các quá trình đ ộ ng l ự c... Chính vì v ậ y, Ôxy hoà tan trong n ướ c bi ể n đ ượ c xem là m ộ t trong nh ữ ng y ế u t ố c h ỉ t h ị c ho kh ố i n ướ c, cho nhi ề u quá trình hoá-lý-sinh x ả y ra trong đ ó, đ ồ ng th ờ i còn đ ượ c s ử d ụ ng nh ư m ộ t ch ỉ t iêu c ơ b ả n đ ể đ ánh giá m ứ c đ ộ ô n hi ễ m môi tr ườ ng n ướ c bi ể n, nh ấ t là ô nhi ễ m ch ấ t h ữ u c ơ . 3 .2.1 Các ngu ồ n cung c ấ p và tiêu th ụ Ô xy hoà tan trong bi ể n S ự c ó m ặ t c ủ a khí Ôxy trong n ướ c bi ể n và nh ữ ng bi ế n đ ộ ng c ủ a nó ph ụ t hu ộ c vào t ươ ng quan c ủ a hai nhóm qúa trình làm t ă ng và làm gi ả m sau đ ây: Nhóm các quá trình làm t ă ng Ôxy trong n ướ c bi ể n bao g ồ m: Quá trình h ấ p th ụ Ô xy t ừ k hí quy ể n khi n ồ ng đ ộ c ủ a nó trong n ướ c bi ể n ch ư a đ ạ t bão hoà. Đ ị nh l ượ ng c ủ a quá trình này ph ụ t hu ộ c vào nhi ệ t đ ộ , đ ộ m u ố i n ướ c bi ể n, các quá trình đ ộ ng l ự c ở l ớ p biên bi ể n-khí nh ư s óng, gió... Hi ể n nhiên quá trình n ướ c bi ể n h ấ p th ụ Ô xy t ừ k hí quy ể n ch ỉ x ả y ra ở l ớ p n ướ c m ỏ ng sát m ặ t bi ể n, l ượ ng khí h ấ p th ụ n ày có th ể x âm nh ậ p xu ố ng sâu h ơ n nh ờ c ác quá trình xáo tr ộ n th ẳ ng đ ứ ng. Quá trình quang h ợ p c ủ a các d ạ ng th ự c v ậ t s ố ng trong bi ể n gi ả i phóng khí Ôxy t ự d o: Ánh sáng n CO 2 + nH 2 O C n H 2 n O n + nO 2 Diệp lục Các d ạ ng th ự c v ậ t s ố ng trong các t ầ ng n ướ c bao g ồ m các loài t ả o đ ơ n bào kích th ướ c r ấ t nh ỏ m à m ắ t th ườ ng không nhìn th ấ y đ ượ c, các l oài t ả o đ a bào, các th ự c v ậ t l ớ n (nh ư r ong, c ỏ b i ể n), các th ự c v ậ t đ áy (s ố ng bám ở đ áy, vách đ á...). Các sinh v ậ t quang h ợ p nêu trên ch ỉ s inh s ố ng ở n h ữ ng t ầ ng n ướ c 59
có ánh sáng, do v ậ y ngu ồ n cung c ấ p Ôxy cho bi ể n do quang h ợ p c ũ ng ch ỉ c ó ở l ớ p n ướ c bên trên và th ườ ng không v ượ t quá đ ộ s âu 200-300m. Ở n h ữ ng vùng bi ể n nông, ánh sáng có th ể t ruy ề n đ ượ c t ớ i đ áy bi ể n thì toàn b ộ c hi ề u dày l ớ p n ướ c đ ề u là vùng quang h ợ p. C ườ ng đ ộ c ủ a quá trình quang h ợ p ph ụ t hu ộ c r ấ t nhi ề u vào các đ i ề u ki ệ n sinh h ọ c, sinh thái và môi tr ườ ng. Trao đ ổ i Ôxy gi ữ a các kh ố i n ướ c do bình l ư u và khu ế ch tán. Các q uá trình này ch ỉ c ó ý ngh ĩ a trong vi ệ c v ậ n chuy ể n Ôxy hoà tan t ừ n ơ i này đ ế n n ơ i khác, nh ấ t là đ ố i v ớ i nh ữ ng t ầ ng n ướ c sâu không có ngu ồ n cung c ấ p Ôxy. Nhóm các quá trình làm gi ả m Ôxy trong n ướ c bi ể n bao g ồ m: Quá trình thoát khí Ôxy vào khí quy ể n khi n ồ ng đ ộ c ủ a nó trong n ướ c bi ể n quá bão hoà. Đ ây là quá trình ng ượ c v ớ i quá trình h ấ p th ụ Ô xy t ừ k hí quy ể n và hi ể n nhiên nó c ũ ng ch ỉ x ả y ra ở l ớ p n ướ c g ầ n m ặ t bi ể n. Quá trình hô h ấ p c ủ a các d ạ ng sinh v ậ t (ch ủ y ế u là đ ộ ng v ậ t) s ố ng trong các t ầ ng n ướ c. Trong quá trình này, ch ấ t h ữ u c ơ t rong c ơ t h ể b ị ô xy hoá và gi ả i phóng n ă ng l ượ ng cùng khí Cacbonic (sinh v ậ t s ử d ụ ng n ă ng l ượ ng này trong các ho ạ t đ ộ ng s ố ng): ⎯→ CnH2nOn + nO2 n CO 2 + n H 2 O Các d ạ ng đ ộ ng v ậ t th ườ ng sinh s ố ng trong các t ầ ng n ướ c bên trên n ơ i có các đ i ề u ki ệ n môi tr ườ ng thích h ợ p (nhi ệ t đ ộ , ánh sáng, áp su ấ t, l ượ ng th ứ c ă n...). B ở i v ậ y quá trình hô h ấ p tiêu th ụ Ô xy hoà tan trong n ướ c bi ể n c ũ ng ch ủ y ế u x ả y ra ở c ác l ớ p n ướ c phía trên. Quá trình ôxy hoá ch ấ t h ữ u c ơ t rong bi ể n, có th ể c ó s ự t ham gia c ủ a các vi khu ẩ n đ ã tiêu th ụ đ áng k ể l ượ ng Ôxy hoà tan. Quá trình này xu ấ t hi ệ n ở m ọ i t ầ ng n ướ c nh ư ng ch ủ y ế u là ở l ớ p n ướ c sâu và g ầ n đ áy, n ơ i có nhi ề u xác ch ế t sinh v ậ t và tàn tích, c ặ n bã th ả i ra trong các ho ạ t đ ộ ng s ố ng t ừ c ác l ớ p n ướ c bên trên chìm xu ố ng. Quá trình ôxy hoá các ch ấ t và h ợ p ch ấ t vô c ơ n h ư F e + 2 , Mn + 2 , NO 2 - , NH 3 , H 2 S... x ả y ra ở m ọ i t ầ ng n ướ c, ví d ụ : H 2 S + 2O 2 = H 2 SO 4 = 2 H + + S O 4 - 2 60
NH 3 + 2 O 2 = N O 3 - + H 2 O + H + N H 4 + + 2 O 2 = N O 3 - + H 2 O + 2H + 2 NO 2 - + O 2 = 2 NO 3 - 2 BH 3 + 3 O 2 = 2 H 3 BO 3 = 2 H + + 2 H 2 BO 3 - 3 .2.2 Phân b ố Ô xy hoà tan trong l ớ p n ướ c m ặ t đ ạ i d ươ ng D o trao đ ổ i th ườ ng xuyên và tr ự c ti ế p v ớ i khí quy ể n, n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan trong l ớ p n ướ c bi ể n t ầ ng m ặ t th ườ ng đ ạ t g ầ n bão hoà. N ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i c ủ a Ôxy th ườ ng đ ạ t 8-9 mlO 2 /l ở v ùng bi ể n c ự c, c ậ n c ự c và gi ả m d ầ n còn 4-5 mlO 2 /l ở v ùng bi ể n nhi ệ t đ ớ i, xích đ ạ o. Bi ế n đ ổ i này ch ủ y ế u ph ụ t hu ộ c vào nhi ệ t đ ộ v à đ ộ m u ố i n ướ c bi ể n ở c ác vùng bi ể n nói trên, có liên quan đ ế n h ệ s ố h ấ p th ụ Ô xy t ừ k hí quy ể n vào n ướ c bi ể n. V ấ n đ ề n ày đ ã đ ượ c m ộ t s ố t ác gi ả x ây d ự ng thành các công th ứ c th ự c nghi ệ m, ví d ụ c ông th ứ c tính n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan trong n ướ c bi ể n ph ụ t hu ộ c nhi ệ t đ ộ ( T o C) và đ ộ C lo (Cl % o ) do Focx xây d ự ng nh ư s au: O 2 ( ml/l)= 10,249-0,2809T+0,006009T 2 -0,0000632T 3 - Cl(0,1161-0,003922T+0,000063T 2 ) Trên hình 3.1 bi ể u di ễ n phân b ố n ồ ng đ ộ k hí Ôxy hoà tan trong l ớ p n ướ c m ặ t đ ạ i d ươ ng vào th ờ i gian mùa đ ông c ủ a b ắ c bán c ầ u. Th ấ y rõ n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan gi ả m d ầ n t ừ 2 c ự c v ề p hía xích đ ạ o. H ình 3.1: Phân b ố Ô xy hoà tan (mg-AT/l) trong l ớ p m ặ t đ ạ i d ươ ng vào th ờ i gian mùa đ ông ở b ắ c bán c ầ u (theo Bor ơđ ôpxki) 61
3 .2.3 Phân b ố Ô xy theo đ ộ s âu P hân b ố Ô xy theo đ ộ k há ph ứ c t ạ p vì ngu ồ n cung c ấ p Ôxy cho bi ể n (khí quy ể n và quang h ợ p) hoàn toàn n ằ m ở l ớ p n ướ c bên trên trong khi ngu ồ n tiêu th ụ n ó phân b ố ở m ọ i t ầ ng n ướ c. M ặ t khác, các quá trình đ ộ ng l ự c h ả i d ươ ng, nh ấ t là xáo tr ộ n th ẳ ng đ ứ ng và dòng bình l ư u t ầ ng sâu l ạ i có ả nh h ưở ng tr ự c ti ế p và đ áng k ể t ớ i phân b ố Ô xy hoà tan. Trên hình 3.2 là profil th ẳ ng đ ứ ng c ủ a Ôxy trong các đ ạ i d ươ ng. Theo d ạ ng phân b ố n ày có th ể c hia đ ạ i d ươ ng thành ba l ớ p: l ớ p bên trên v ớ i đ ặ c đ i ể m n ồ ng đ ộ Ô xy đ ạ t c ự c đ ạ i, l ớ p gi ữ a (trung gian) có n ồ ng đ ộ Ô xy c ự c ti ể u và l ớ p sâu có n ồ ng đ ộ Ô xy t ươ ng đ ố i cao. mgO2/l 0 2 6 4 1000 3 Hình 3.2: Phân bố Ôxy hoà tan theo độ sâu trong các đại dương 2000 2 (theo Wattenberg) 1 1- Thái Bình Dương 3000 2- Ấn Độ Dương 3- Đại Tây Dương mét Lớp bên trên L ớ p bên trên có chi ề u dày kho ả ng 150-200m, có th ể t ớ i 250m k ể t ừ m ặ t bi ể n, là l ớ p có các đ i ề u ki ệ n thu ậ n l ợ i cho quang h ợ p c ủ a th ự c v ậ t, l ạ i có b ề m ặ t ti ế p giáp v ớ i khí quy ể n nên n ồ ng đ ộ Ô xy th ườ ng đ ạ t giá tr ị c ự c đ ạ i và x ấ p x ỉ n ồ ng đ ộ b ão hoà. B ở i v ậ y l ớ p bên trên còn đ ượ c g ọ i là l ớ p Ôxy c ự c đ ạ i ho ặ c l ớ p quang h ợ p. Chi ti ế t h ơ n có th ể c hia l ớ p này thành 3 l ớ p ph ụ v ớ i các đ ặ c đ i ể m phân b ố Ô xy hoà tan nh ư s au: L ớ p ph ụ b ề m ặ t (còn g ọ i là l ớ p bão hoà Ôxy) có chi ề u dày kho ả ng 10-20m k ể t ừ m ặ t bi ể n. Do đ ượ c trao đ ổ i tr ự c ti ế p và th ườ ng xuyên v ớ i khí quy ể n nên Ôxy hoà tan trong l ớ p này th ườ ng đ ạ t bão hoà, n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i có th ể t ừ 4 -5 mlO 2 /l ở c ác vùng bi ể n nhi ệ t đ ớ i, xích đ ạ o đ ế n 8- 62
9 mlO 2 /l ở c ác vùng bi ể n v ĩ đ ộ c ao. Đ ộ s âu biên phía d ướ i c ủ a l ớ p này có th ể t hay đ ổ i tu ỳ t hu ộ c vào c ườ ng đ ộ c ủ a quá trình xáo tr ộ n theo ph ươ ng th ẳ ng đ ứ ng. Tr ườ ng h ợ p nhi ệ t đ ộ n ướ c ở l ớ p này t ă ng nhanh, Ôxy ch ư a k ị p thoát ra ngoài khí quy ể n s ẽ d ẫ n t ớ i hi ệ n t ượ ng quá bão hoà. L ớ p ph ụ t i ế p theo là l ớ p quang h ợ p c ự c đ ạ i, b ắ t đ ầ u t ừ b iên d ướ i c ủ a l ớ p bão hoà đ ế n đ ộ s âu kho ả ng 50-75m, có th ể t ớ i 100m. Đ ây là l ớ p n ướ c có nhi ệ t đ ộ m ôi tr ườ ng và c ườ ng đ ộ c hi ế u sáng ở m ứ c thu ậ n l ợ i cho quang h ợ p c ủ a th ự c v ậ t phù du (Phytoplankton), nh ấ t là ở c ác vùng bi ể n nhi ệ t đ ớ i nên c ườ ng đ ộ q uá trình s ả n sinh Ôxy luôn l ớ n h ơ n c ườ ng đ ộ c ác quá trình tiêu th ụ n ó. B ở i v ậ y Ôxy th ườ ng đ ượ c tích lu ỹ v à n ồ ng đ ộ t h ườ ng đ ạ t bão hoà và quá bão hoà, đ ặ c bi ệ t là vào th ờ i k ỳ s inh v ậ t phát tri ể n. Ng ườ i ta đ ã quan tr ắ c th ấ y n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan ở b i ể n Baren đ ạ t 120% đ ộ b ão hoà, ở b i ể n Azôp - 200% đ ộ b ão hoà. Tuy nhiên, theo đ ộ s âu c ườ ng đ ộ q uang h ợ p gi ả m d ầ n (do c ườ ng đ ộ c hi ế u sáng suy gi ả m) đ ồ ng th ờ i các quá trình tiêu th ụ Ô xy (hô h ấ p c ủ a đ ộ ng v ậ t, ôxy hoá ch ấ t h ữ u c ơ ...) t ă ng d ầ n đ ã làm cho t ươ ng quan c ủ a 2 quá trình s ả n sinh và tiêu th ụ Ô xy thay đ ổ i. S ẽ c ó m ộ t đ ộ s âu mà ở đ ó 2 quá trình này cân b ằ ng, đ ó là đ ộ s âu "bù tr ừ " và c ũ ng chính là biên d ướ i c ủ a l ớ p quang h ợ p c ự c đ ạ i. V ị t rí c ủ a đ ộ s âu bù tr ừ p h ụ t hu ộ c vào sinh v ậ t l ượ ng c ủ a th ự c v ậ t phù du, đ ặ c đ i ể m thành ph ầ n loài, đ ộ t rong su ố t c ủ a n ướ c bi ể n, c ườ ng đ ộ c hi ế u sáng, nhi ệ t đ ộ m ôi tr ườ ng... L ớ p ph ụ d ướ i là ph ầ n còn l ạ i c ủ a l ớ p bên trên, m ặ c dù v ẫ n là l ớ p quang h ợ p song do n ằ m d ướ i đ ộ s âu bù tr ừ n ên c ườ ng đ ộ t iêu th ụ Ô xy l ớ n h ơ n c ườ ng đ ộ s ả n sinh nó. N ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan trong l ớ p này không đ ạ t bão hoà và gi ả m d ầ n t ớ i gi ả m nhanh theo đ ộ s âu. Lớp trung gian L ớ p trung gian có chi ề u dày t ừ đ ộ s âu kho ả ng 200m (biên d ướ i c ủ a l ớ p bên trên) đ ế n 1400-1600m. Đ ây là l ớ p có nh ữ ng đ ộ t bi ế n c ủ a các đ ặ c tr ư ng v ậ t lý h ả i d ươ ng và hình thành thermoclin, t ỷ t r ọ ng n ướ c bi ể n t ă ng đ ộ t ng ộ t (l ớ p v ọ t). Do v ậ y, t ố c đ ộ c hìm l ắ ng c ủ a v ậ t ch ấ t (ch ủ y ế u là các m ả nh v ụ n ch ấ t h ữ u c ơ , xác sinh v ậ t...) khi r ơ i vào l ớ p trung gian r ấ t ch ậ m, đ ã bi ế n l ớ p này thành "kho ch ứ a" v ậ t ch ấ t h ữ u c ơ . C ũ ng ở l ớ p này, nhi ệ t đ ộ m ôi tr ườ ng còn t ươ ng đ ố i cao (kho ả ng 5-12 o C) mà không l ạ nh giá nh ư c ác l ớ p n ướ c sâu và g ầ n đ áy đ ã t ạ o đ i ề u ki ệ n cho các quá trình 63
ôxy hoá và phân hu ỷ , khoáng hoá ch ấ t h ữ u c ơ x ả y ra m ạ nh m ẽ l àm tiêu hao h ầ u h ế t d ự t r ữ Ô xy hoà tan trong l ớ p này. Th ườ ng ch ỉ t h ấ y n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan không quá 1 mlO 2 /l (ch ư a đ ế n 30% đ ộ b ão hoà) và có khi v ắ ng m ặ t hoàn toàn Ôxy ở m ộ t s ố đ ộ s âu nào đ ó, ví d ụ ở đ ộ s âu 500- 1000m thu ộ c ph ầ n tây b ắ c Ấ n Đ ộ D ươ ng, hay ở v ự c Carisco thu ộ c bi ể n Caribê, ho ặ c m ộ t s ố v ự c sâu trong bi ể n Ban Tích, H ắ c H ả i... H ình 3.3: Phân b ố đ ộ s âu (mét) có c ự c ti ể u n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan trong đ ạ i d ươ ng ( theo B or ơđ ôpxki) H ình 3.4: Giá tr ị c ự c ti ể u n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan (mg-AT/l) trong đ ạ i d ươ ng ( theo B or ơđ ôpxki) 64
Khi Ôxy b ị v ắ ng m ặ t hoàn toàn, quá trình phân hu ỷ c h ấ t h ữ u c ơ s ẽ x ả y ra trong đ i ề u ki ệ n y ế m khí và t ạ o thành CH 4 , H 2 S. Tuy nhiên, các quá trình đ ộ ng l ự c nh ư b ình l ư u và khu ế ch tán là nh ữ ng nhân t ố q uan tr ọ ng trong vi ệ c trao đ ổ i n ướ c gi ữ a các l ớ p, đ ặ c bi ệ t là v ớ i các l ớ p n ướ c d ướ i sâu gi ầ u có Ôxy h ơ n, làm cho l ớ p trung gian ít khi v ắ ng m ặ t hoàn toàn Ôxy. L ớ p Ôxy c ự c ti ể u là hi ệ n t ượ ng ph ổ b i ế n trong đ ạ i d ươ ng th ế g i ớ i, rõ nh ấ t là ở c ác vùng v ĩ đ ộ t h ấ p và trung bình nh ư đ ã th ấ y trên các hình 3.3 và 3.4. Lớp dưới sâu L ớ p d ướ i sâu b ắ t đ ầ u t ừ đ ộ s âu kho ả ng 1400-1600m đ ế n đ áy. Nhìn chung, n ướ c ở l ớ p này đ ượ c hình thành t ừ c ác kh ố i n ướ c ở m i ề n c ự c và c ậ n c ự c có nhi ệ t đ ộ t h ấ p, gi ầ u có Ôxy hoà tan chìm xu ố ng và lan ra kh ắ p t ầ ng sâu và đ áy các đ ạ i d ươ ng. B ở i v ậ y, l ớ p này th ườ ng có n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan t ươ ng đ ố i cao, có th ể đ ạ t 4-5 mlO 2 /l t ươ ng ứ ng 50-70% đ ộ b ão hoà. Trên hình 3.5 th ấ y rõ kh ố i n ướ c m ặ t ở c ác vùng c ậ n c ự c b ắ c và nam bán c ầ u có n ồ ng đ ộ Ô xy cao trên 0,5 mg-AT/l chìm xu ố ng và lan r ộ ng ra các l ớ p sâu và đ áy c ả ở v ùng nhi ệ t đ ớ i xích đ ạ o. Trong tr ườ ng h ợ p này, các quá trình đ ộ ng l ự c có vai trò nh ư n gu ồ n cung c ấ p Ôxy cho l ớ p sâu và đ áy các đ ạ i d ươ ng. S N H ình 3.5: Phân b ố Ô xy hoà tan ( mg-AT/l) d ọ c m ặ t c ắ t kinh tuy ế n 30 o W ( theo B or ơđ ôpxki) 65
T ạ i m ộ t s ố v ự c th ẳ m c ủ a đ ạ i d ươ ng, n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan v ẫ n đ ạ t khá cao do không có ngu ồ n tiêu th ụ n ó và có th ể c ó s ự t rao đ ổ i n ướ c t ươ ng đ ố i t ố t. Ví d ụ , quan tr ắ c c ủ a tàu nghiên c ứ u Vitiaz ơ t ạ i các đ ộ s âu trên 8000m ở T hái Bình D ươ ng cho th ấ y n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan t ạ i v ự c th ẳ m Tongo và Kermadec là 4,25-4,65 mlO 2 /l, t ạ i v ự c th ẳ m Philippin là 3,70-3,75 mlO 2 /l, t ạ i v ự c th ẳ m Marian là 3,7-4,0 mlO 2 /l. Phân b ố Ô xy hoà tan theo đ ộ s âu thành 3 l ớ p nh ư t rên là quy lu ậ t ph ổ b i ế n trong các đ ạ i d ươ ng. T ạ i các bi ể n riêng bi ệ t và vùng bi ể n ven b ờ , do đ ộ s âu không l ớ n nên toàn b ộ l ớ p n ướ c t ừ m ặ t đ ế n đ áy đ ề u thu ộ c l ớ p quang h ợ p. B ở i th ế , quy lu ậ t phân b ố Ô xy thành 3 l ớ p có th ể k hông đ ầ y đ ủ d o m ấ t đ i l ớ p d ướ i sâu ho ặ c m ấ t c ả l ớ p trung gian, nh ư đ ã th ấ y trên hình 3.6. 02 4 6 8 4 6 8 0mlO2/l 8 mgO2/l 28 5 53 Tháng 8 Tháng 2 78 103 10 152 203 15 303 A B 403 20 603 mét mét Hình 3.6: Phân bố thẳng đứng Ôxy hoà tan trong Biển Đông A) Tại điểm 13o20'68''N, 116o54'29''E (theo VN-RP JOMSRE-SCS 1996) B) Tại vùng biển Cát Bà (theo Lưu Văn Diệu) 3 .2.4 Nh ữ ng bi ế n đ ổ i Ôxy hoà tan theo th ờ i gian B i ế n đ ổ i n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan theo th ờ i gian có nguyên nhân do s ự t hay đ ổ i m ố i t ươ ng quan c ườ ng đ ộ c ủ a các ngu ồ n s ả n sinh và tiêu th ụ n ó. Nh ư đ ã nêu ở m ụ c 3.2.1, các ngu ồ n s ả n sinh và tiêu th ụ Ô xy trong n ướ c bi ể n phân b ố c h ủ y ế u ở c ác t ầ ng n ướ c phía trên, do v ậ y nh ữ ng bi ế n đ ổ i c ủ a n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan c ũ ng ch ỉ x ả y ra ở c ác t ầ ng n ướ c này. Ở c ác t ầ ng n ướ c sâu và đ áy (tr ừ c ác vùng bi ể n nông và ven b ờ ) n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan h ầ u nh ư k hông thay đ ổ i. 66
Nh ữ ng bi ế n đ ổ i có chu k ỳ c ủ a Ôxy hoà tan bao g ồ m: bi ế n trình n ă m và bi ế n trình ngày. Bi ế n trình n ă m có liên quan đ ế n h ệ s ố h ấ p th ụ Ô xy t ừ k hí quy ể n là bi ế n trình ph ụ t hu ộ c vào s ự t hay đ ổ i nhi ệ t đ ộ n ướ c trong n ă m. Bi ế n trình n ă m theo nguyên nhân này di ễ n ra ch ủ y ế u ở c ác vùng bi ể n v ĩ đ ộ c ao và trung bình, vì t ạ i đ ó biên đ ộ n ă m c ủ a nhi ệ t đ ộ n ướ c bi ể n t ươ ng đ ố i l ớ n, có th ể l àm thay đ ổ i đ áng k ể g iá tr ị c ủ a h ệ s ố h ấ p th ụ Ô xy. Đ ặ c tr ư ng c ủ a bi ế n trình ki ể u này là mùa đ ông n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i c ủ a Ôxy cao, mùa hè- th ấ p. Ở c ác vùng bi ể n nhi ệ t đ ớ i, bi ế n trình ki ể u này th ể h i ệ n không rõ ràng. Bi ế n trình n ă m có liên quan đ ế n quang h ợ p là bi ế n trình ph ụ t hu ộ c vào chu k ỳ p hát tri ể n c ủ a th ự c v ậ t, đ ặ c bi ệ t là th ự c v ậ t phù du. Lo ạ i bi ế n trình này x ả y ra ở m ọ i vùng bi ể n, trong đ ó ở v ùng bi ể n v ĩ đ ộ c ao và trung bình th ể h i ệ n rõ h ơ n do đ i ề u ki ệ n môi tr ườ ng s ố ng (nhi ệ t đ ộ , c ườ ng đ ộ c hi ế u sáng...) có s ự t hay đ ổ i rõ r ệ t trong n ă m. T ạ i các vùng bi ể n này, vào mùa xuân-hè do các đ i ề u ki ệ n môi tr ườ ng s ố ng n ằ m ở p ha thu ậ n nên quang h ợ p phát tri ể n m ạ nh, làm t ă ng cao n ồ ng đ ộ Ô xy và có th ể g ặ p hi ệ n t ượ ng quá bão hoà, vào mùa đ ông - ng ượ c l ạ i. Ở c ác vùng bi ể n nhi ệ t đ ớ i, quanh n ă m d ồ i dào ánh sáng, nhi ệ t đ ộ m ôi tr ườ ng bi ế n đ ổ i ôn hoà nên chu k ỳ c ủ a quang h ợ p liên quan đ ế n đ i ề u ki ệ n s ố ng th ể h i ệ n không rõ ràng. Tuy nhiên, do đ ặ c tính đ a thành ph ầ n loài c ủ a sinh v ậ t (trong đ ó có th ự c v ậ t phù du) ở c ác vùng bi ể n nhi ệ t đ ớ i nên đ ã xu ấ t hi ệ n nhi ề u chu k ỳ s inh h ọ c, do đ ó có th ể c ó nhi ề u c ự c đ ạ i c ủ a Ôxy hoà t an trong n ă m (hình 3.7). mlO2/l 5.5 5.0 4.5 Tháng I IV VIII XII H ình 3.7: Bi ế n trình n ă m c ủ a Ôxy hoà tan vùng bi ể n H ả i Phòng n ă m 1974-1975 (theo Đ oàn B ộ ) 67
Bi ế n trình ngày c ủ a Ôxy ph ụ t hu ộ c tr ự c ti ế p vào bi ế n trình ngày c ủ a quang h ợ p và do v ậ y nó ph ụ t hu ộ c vào bi ế n trình ngày c ủ a b ứ c x ạ m ặ t tr ờ i. Đ ặ c đ i ể m c ủ a bi ế n trình này là Ôxy đ ượ c tích lu ỹ t rong th ờ i gian ban ngày, đ ạ t c ự c đ ạ i sau bu ổ i tr ư a, gi ả m d ầ n trong th ờ i gian ban đ êm và đ ạ t c ự c ti ể u lúc g ầ n sáng (hình 3.8). Quy lu ậ t này có th ể b ị b i ế n d ạ ng do nhi ề u quá trình tác đ ộ ng nh ư s ự t hay đ ổ i b ấ t th ườ ng c ủ a th ờ i ti ế t, tác đ ộ ng c ủ a dòng t ừ l ụ c đ ị a, ô nhi ễ m môi tr ườ ng bi ể n... mgO2/l 7.2 7.1 7.0 6.9 6.8 10 Giờ 10 14 18 22 2 6 H ình 3.8: Bi ế n trình ngày đ êm c ủ a Ôxy hoà tan t ạ i v ị nh H ạ L ong trong nh ữ ng ngày n ướ c kém tháng 7-1994 (theo L ư u V ă n Di ệ u) 3 .3 KHÍ CACBONÍC HOÀ TAN Khí Cacboníc hoà tan trong n ướ c bi ể n có ý ngh ĩ a r ấ t quan tr ọ ng đ ố i v ớ i các quá trình sinh h ọ c, sinh hoá, đ ị a hoá. Là "nguyên li ệ u" c ủ a quá trình quang h ợ p, đ ồ ng th ờ i l ạ i là s ả n ph ẩ m c ủ a quá trình hô h ấ p và phân hu ỷ c h ấ t h ữ u c ơ , khí Cacbonic hoà tan trong n ướ c bi ể n đ ượ c coi là ch ỉ t h ị c ho các quá trình này. Có th ể n ói, không có Cacbonic hoà tan thì c ũ ng không có s ự s ố ng trong bi ể n. Tuy nhiên, s ự d ư t h ừ a Cacbonic trong bi ể n l ạ i là đ i ề u b ấ t l ợ i cho s ự s ố ng c ủ a các đ ộ ng v ậ t. Trong chu trình Cacbon c ủ a t ự n hiên, khí Cacbonic là m ộ t m ắ t xích quan tr ọ ng trong vi ệ c chuy ể n Cacbon t ừ k hí quy ể n vào thành ph ầ n các khoáng v ậ t và sinh v ậ t. Các mu ố i cacbonat trong bi ể n có k ế t t ủ a đ ể t ạ o nên tr ầ m tích hay không ph ụ t hu ộ c r ấ t nhi ề u vào s ự c ó m ặ t c ủ a khí Cacbonic hoà tan. Th ự c ch ấ t, s ự c ó m ặ t c ủ a khí Cacbonic ở c ác l ớ p n ướ c t ầ ng sâu và đ áy đ ã gi ữ c ho mu ố i cacbonát ở đ ó không r ơ i vào tr ạ ng thái k ế t t ủ a mà th ườ ng n ằ m ở t r ạ ng thái hoà tan, m ặ c dù n ồ ng đ ộ c ác mu ố i 68
này có th ể đ ạ t quá bão hoà. Đ ặ c bi ệ t, t ươ ng quan n ồ ng đ ộ C O 2 t rong n ướ c bi ể n và trong khí quy ể n r ấ t có ý ngh ĩ a đ ố i v ớ i khí h ậ u c ủ a hành tinh. N ế u không có bi ể n h ấ p th ụ l ượ ng CO 2 d ư t h ừ a trong khí quy ể n thì hi ệ u ứ ng nhà kính trên trái đ ấ t ch ắ c ch ắ n s ẽ g ay g ắ t h ơ n nhi ề u so v ớ i hi ệ n t ạ i. Nh ư v ậ y, Cácbonic hoà tan trong n ướ c bi ể n là m ộ t h ợ p ph ầ n hoá h ọ c tham gia vào c ả 3 m ố i t ươ ng tác: bi ể n-khí quy ể n, bi ể n-th ạ ch quy ể n và bi ể n-sinh quy ể n. Vi ệ c nghiên c ứ u Cacbonic hoà tan trong n ướ c bi ể n có ý ngh ĩ a vô cùng quan tr ọ ng. Khí Cacbonic hoà tan trong n ướ c bi ể n t ồ n t ạ i ở d ạ ng phân t ử t ự d o CO 2 . Khi hoà tan vào n ướ c bi ể n, Cácbonic t ự d o có th ể k ế t h ợ p v ớ i n ướ c đ ể t ạ o thành axít Cacboníc: CO 2 ( tan) + H 2 O ⇐ ⇒ H 2 CO 3 M ặ c dù theo tính toán ch ỉ c ó kho ả ng 1% l ượ ng CO 2 n ằ m trong liên k ế t v ớ i H 2 CO 3 , nh ư ng do cân b ằ ng này không rõ ràng nên khó có th ể t ách bi ệ t đ ượ c CO 2 v ớ i H 2 CO 3 . B ở i v ậ y, nói t ớ i Cacboníc hoà tan th ự c ch ấ t là nói t ớ i t ổ ng [CO 2 + H 2 CO 3 ]. N ồ ng đ ộ C acbonic trong n ướ c bi ể n không l ớ n (ch ỉ v ào kho ả ng 1mgCO 2 /l) do áp su ấ t riêng c ủ a CO 2 t rong khí quy ể n khá nh ỏ ( áp su ấ t trung bình c ủ a CO 2 t rên m ặ t đ ạ i d ươ ng là 330.10 - 6 a tm). Có th ể t h ấ y rõ đ i ề u này qua tính toán đ ơ n gi ả n sau: t ạ i đ i ề u ki ệ n S = 35% o , T = 0 0 C, đ ộ h oà tan c ủ a CO 2 l à K = 1442 mlCO 2 /l, theo đ ị nh lu ậ t Henri-Danton thì khi cân b ằ ng v ớ i CO 2 t rong khí quy ể n, n ồ ng đ ộ C O 2 t rong l ớ p n ướ c m ặ t bi ể n là [CO 2 ] = 1442.330.10 - 6 = 0 ,476 mlCO 2 /l ( ≈ 0,93mgCO 2 /l). Các ngu ồ n quan tr ọ ng và ch ủ y ế u nh ấ t cung c ấ p Cacbonic cho n ướ c bi ể n bao g ồ m: h ấ p th ụ C O 2 t ừ k hí quy ể n khi n ồ ng đ ộ c h ư a d ạ t bão hoà, phân hu ỷ t àn tích h ữ u c ơ t rong n ướ c và trong tr ầ m tích đ áy, quá trình lên men, hô h ấ p c ủ a sinh v ậ t s ố ng trong bi ể n. Ngoài ra, CO 2 đ i vào bi ể n có th ể q ua các con đ ườ ng th ứ y ế u khác nh ư t ừ c ác m ạ ch n ướ c ng ầ m ch ả y vào bi ể n, t ừ c ác dòng sông t ả i ra ho ặ c t ừ l òng đ ấ t qua các núi l ử a, khe n ứ t ng ầ m d ướ i đ áy bi ể n. Các ngu ồ n tiêu th ụ v à làm gi ả m CO 2 t rong n ướ c bi ể n g ồ m: thoát ra 69
ngoài khí quy ể n khi n ồ ng đ ộ q uá bão hoà, ho ạ t đ ộ ng quang h ợ p c ủ a th ự c v ậ t, hoà tan các mu ố i Cacbonat ở đ áy và b ờ . Do áp su ấ t riêng c ủ a CO 2 t rong khí quy ể n và trong n ướ c khá nh ỏ , l ạ i ph ả i đ ạ t t ớ i tr ạ ng thái cân b ằ ng nên v ề m ặ t đ ị nh l ượ ng, t ươ ng tác bi ể n-khí quy ể n không ph ả i là ngu ồ n chính cung c ấ p CO 2 c ho bi ể n. Nh ư ng quá trình này l ạ i r ấ t có ý ngh ĩ a trong vi ệ c đ i ề u ch ỉ nh l ượ ng CO 2 d ư t h ừ a c ủ a bi ể n c ũ ng nh ư c ủ a khí quy ể n. Vì h ướ ng c ủ a quá trình này ph ụ t hu ộ c vào t ươ ng quan gi ữ a áp su ấ t riêng c ủ a CO 2 t rong khí quy ể n và trong n ướ c bi ể n, nên ngoài các d ạ ng bi ể u di ễ n n ồ ng đ ộ t hông th ườ ng ng ườ i ta còn s ử d ụ ng đ ạ i l ượ ng P C O 2 ( áp su ấ t c ủ a khí CO 2 ). N ế u P C O 2 t rong khí quy ể n l ớ n h ơ n trong n ướ c bi ể n thì bi ể n h ấ p th ụ C O 2 t ừ k hí quy ể n, ng ượ c l ạ i bi ể n s ẽ g i ả i phóng CO 2 v ào khí quy ể n. Trong l ớ p n ướ c m ặ t bi ể n, P C O 2 t h ườ ng ở t r ạ ng thái cân b ằ ng v ớ i PCO2 t rong khí quy ể n. N ướ c t ầ ng m ặ t Đ ạ i Tây D ươ ng có P C O 2 b ằ ng 330.10 - 6 a tm (theo Wattenberg), ở b i ể n Baren 230 ÷ 280.10 - 6 a tm (theo Bruevích), B ắ c B ă ng D ươ ng 150 ÷ 200.10 - 6 a tm (theo Bukh ơ ). C ũ ng trong l ớ p n ướ c m ặ t bi ể n, P C O 2 c ó th ể b ị b i ế n đ ổ i do các nguyên nhân sau: Các nhân tố làm tăng PCO2 trong lớp nước mặt K hi nhi ệ t đ ộ , đ ộ m u ố i n ướ c bi ể n t ă ng lên nhanh chóng do m ộ t nguyên nhân nào đ ó (ví d ụ d o b ứ c x ạ m ặ t tr ờ i) thì giá tr ị n ồ ng đ ộ b ão hoà c ủ a CO 2 t rong l ớ p n ướ c m ặ t ứ ng v ớ i đ i ề u ki ệ n nhi ệ t đ ộ , đ ộ m u ố i m ớ i s ẽ g i ả m đ i. Hi ệ n t ượ ng này làm cho n ồ ng đ ộ C O 2 đ ang có trong n ướ c bi ể n s ẽ t i ế n t ớ i và có th ể v ượ t quá n ồ ng đ ộ b ão hoà ở đ i ề u ki ệ n m ớ i, d ẫ n đ ế n P C O 2 t rong n ướ c t ă ng cao. Khi quá trình hô h ấ p c ủ a sinh v ậ t di ễ n ra m ạ nh m ẽ s ẽ g i ả i phóng nhi ề u CO 2 t ự d o. Các kh ố i n ướ c t ừ c ác l ớ p n ướ c t ầ ng sâu gi ầ u có CO 2 t r ồ i lên t ầ ng m ặ t. Các nhân tố làm giảm PCO2 trong lớp nước mặt K hi nhi ệ t đ ộ , đ ộ m u ố i n ướ c bi ể n gi ả m đ i nhanh chóng s ẽ l àm cho n ồ ng đ ộ b ão hoà CO 2 t rong n ướ c ứ ng v ớ i đ i ề u ki ệ n nhi ệ t mu ố i m ớ i t ă ng cao. Do v ậ y l ượ ng CO 2 h i ệ n có s ẽ c àng xa d ầ n n ồ ng đ ộ b ão hoà ở đ i ề u ki ệ n m ớ i, d ẫ n đ ế n P C O 2 t rong n ướ c gi ả m th ấ p. 70
Quang h ợ p phát tri ể n m ạ nh là nguyên nhân c ơ b ả n làm gi ả m CO 2 t rong n ướ c bi ể n, d ẫ n đ ế n s ự g i ả m đ áng k ể P C O 2 . Theo đ ộ s âu, P C O 2 t ă ng d ầ n do CO 2 đ ượ c gi ả i phóng trong quá trình ôxy hoá và phân hu ỷ c h ấ t h ữ u c ơ , đ ồ ng th ờ i quá trình quang h ợ p tiêu th ụ C O 2 g i ả m d ầ n và ti ế n t ớ i ch ấ m d ứ t ở c ác t ầ ng n ướ c sâu không có ánh sáng. P C O 2 c ó th ể đ ạ t giá tr ị r ấ t l ớ n ở n h ữ ng l ớ p n ướ c sâu ít có s ự t rao đ ổ i n ướ c, ch ứ a nhi ề u tàn tích h ữ u c ơ ( nh ư l ớ p ôxy c ự c ti ể u). Ví d ụ đ ã th ấ y đ ượ c P C O 2 b ằ ng 1200.10 - 6 a tm ở l ớ p n ướ c sâu 400-500 m có nhi ệ t đ ộ 8 o C thu ộ c ph ầ n phía đ ông vùng nhi ệ t đ ớ i xích đ ạ o Thái Bình D ươ ng. T ươ ng t ự n h ư Ô xy hoà tan, n ồ ng đ ộ C O 2 ( và do đ ó P C O 2 ) trong bi ể n c ũ ng có s ự t hay đ ổ i theo th ờ i gian v ớ i hai chu k ỳ c hính: chu k ỳ n gày đ êm và chu k ỳ m ùa. C ả h ai bi ế n đ ổ i này đ ề u có liên quan t ớ i quang h ợ p, trong đ ó bi ế n đ ổ i ngày đ êm ph ụ t hu ộ c vào bi ế n trình c ủ a b ứ c x ạ m ặ t tr ờ i, còn bi ế n đ ổ i n ă m ph ụ t hu ộ c vào bi ế n đ ổ i c ủ a các đ i ề u ki ệ n quang h ợ p. Nh ư v ậ y, bi ế n đ ổ i theo th ờ i gian c ủ a CO 2 h oàn toàn ng ượ c pha v ớ i bi ế n đổi của O2. Ngoài hai bi ế n đ ổ i có chu k ỳ n h ư t rên, CO 2 h oà tan trong n ướ c bi ể n còn có nh ữ ng bi ế n đ ổ i khác liên quan t ớ i nhi ề u quá trình và đ i ề u ki ệ n nh ư k hí t ượ ng thu ỷ v ă n, đ ộ ng l ự c, bi ế n đ ộ ng b ấ t th ườ ng c ủ a th ờ i ti ế t, ô nhi ễ m môi tr ườ ng, đ ặ c tính đ a thành ph ầ n loài c ủ a sinh v ậ t... Các quá trình này th ườ ng làm bi ế n d ạ ng ho ặ c bi ế n đ ổ i hoàn toàn hai ki ể u bi ế n đ ổ i có chu k ỳ n h ư đ ã nêu. 3.4. KHÍ NIT Ơ H OÀ TAN Khí Nit ơ h oà tan trong n ướ c bi ể n t ồ n t ạ i ở d ạ ng phân t ử t ự d o N 2 . Là m ộ t khí b ề n v ữ ng v ề m ặ t hoá h ọ c và r ấ t khó b ị s inh v ậ t đ ồ ng hoá, Nit ơ h oà tan trong n ướ c bi ể n là h ợ p ph ầ n hoá h ọ c khá ổ n đ ị nh. N ồ ng đ ộ N it ơ ở l ớ p n ướ c m ặ t th ườ ng đ ạ t bão hoà, giá tr ị t uy ệ t đ ố i thay đ ổ i t ừ 1 4,1 mlN 2 /l ở c ác vùng bi ể n v ĩ đ ộ c ao đ ế n 8,2 mlN 2 /l ở c ác vùng bi ể n nhi ệ t đ ớ i, xích đ ạ o. Bi ế n đ ổ i này ph ụ t hu ộ c ch ủ y ế u vào bi ế n đ ổ i c ủ a nhi ệ t đ ộ n ướ c có liên quan đ ế n h ệ s ố h ấ p th ụ N it ơ t ừ k hí quy ể n vào n ướ c bi ể n. Xác đ ị nh n ồ ng đ ộ k hí Nit ơ h oà tan trong n ướ c bi ể n b ằ ng các 71
ph ươ ng pháp phân tích hoá h ọ c là r ấ t khó kh ă n do tính tr ơ c ủ a nó. Tuy nhiên, do quy lu ậ t hoà tan c ủ a Nit ơ t rong n ướ c bi ể n có liên quan đ ế n bi ế n đ ổ i c ủ a nhi ệ t đ ộ v à đ ộ m u ố i c ũ ng t ươ ng t ự n h ư q uy lu ậ t hoà tan c ủ a Ôxy, nên thay cho các ph ươ ng pháp phân tích hoá h ọ c ng ườ i ta th ườ ng tính n ồ ng đ ộ N it ơ t heo n ồ ng đ ộ Ô xy hoà tan qua công th ứ c c ủ a Havey: N 2 [ml/l] = 1,7331 O 2 [ml/l] + 0,3813 Do là thành ph ầ n b ề n v ữ ng v ề h oá h ọ c nên n ồ ng đ ộ N it ơ ở c ác l ớ p n ướ c sâu c ũ ng r ấ t g ầ n v ớ i n ồ ng đ ộ b ão hoà, th ườ ng ch ỉ s ai khác không quá 5%. Khi xáo tr ộ n các kh ố i n ướ c bão hoà Nit ơ n h ư ng có nhi ệ t đ ộ k hác nhau thì h ỗ n h ợ p s ẽ t r ở n ên quá bão hoà. Vì v ậ y khi n ướ c l ạ nh d ướ i sâu (th ườ ng g ầ n bão hoà Nit ơ ) tr ồ i lên xáo tr ộ n v ớ i n ướ c ấ m trên m ặ t (bão hoà Nit ơ ) ta s ẽ t h ấ y đ ượ c hi ệ n t ượ ng quá bão hoà. C ă n c ứ v ào m ứ c đ ộ q uá bão hoà c ủ a Nit ơ t rong kh ố i n ướ c và đ ộ l ệ ch kh ỏ i m ố i quan h ệ N it ơ -Ôxy nêu trên, có th ể b i ế t đ ượ c ngu ồ n g ố c và tu ổ i c ủ a kh ố i n ướ c. Ngoài ra, trong các bi ể n còn có th ể c ó m ộ t s ố đ i ề u ki ệ n cho phép vi sinh v ậ t th ự c hi ệ n m ộ t s ố q uá trình làm thay đ ổ i n ồ ng đ ộ N it ơ . Ví d ụ , m ộ t s ố l oài vi khu ẩ n (nh ư A zotobacter và Clostridium) có kh ả n ă ng chuy ể n Nit ơ t ự d o thành h ợ p ch ấ t, ng ượ c l ạ i c ũ ng có m ộ t s ố l oài kh ử đ ượ c Nit ơ c ủ a Nitrát thành Nit ơ t ự d o: 5CH2O + 5H2O + 4NO3- + 4H+ ⎯→ 5CO2 + 2N2 + 12H2O 4NO3- + 5C ⎯→ 2CO3-2 + 2N2 + 3CO2 D o tính tr ơ v ề m ặ t hoá h ọ c nên không có m ộ t ph ươ ng pháp hoá h ọ c h ữ u hi ệ u nào đ ể x ác đ ị nh n ồ ng đ ộ k hí Nit ơ h oà tan trong n ướ c bi ể n. Xác đ ị nh n ồ ng đ ộ N it ơ b ằ ng các ph ươ ng pháp khác khá ph ứ c t ạ p v ề m ặ t k ỹ t hu ậ t. Cùng v ớ i đ i ề u đ ó, khí Nit ơ h oà tan trong bi ể n l ạ i ít có ý ngh ĩ a v ề m ặ t sinh hoá h ọ c nên cho đ ế n nay các nghiên c ứ u v ề N it ơ h oà tan trong bi ể n còn r ấ t nghèo nàn. 3.5 KHÍ SUNFUHYDRO VÀ CÁC KHÍ KHÁC 3 .5.1 Khí Sunfuhydro hoà tan K hí Sunfuhydro hoà tan trong bi ể n t ồ n t ạ i ở d ạ ng phân t ử H 2 S. Là m ộ t ch ấ t có ho ạ t tính hoá h ọ c cao mang đ ặ c tr ư ng kh ử n ên Sunfuhydro 72
d ễ b ị m ấ t khi trong n ướ c bi ể n có khí Ôxy hoà tan và nh ữ ng ch ấ t ôxy hoá khác. Do v ậ y ở l ớ p n ướ c g ầ n m ặ t bi ể n h ầ u nh ư k hông có Sunfuhydro, nó ch ỉ x u ấ t hi ệ n ở m ộ t s ố k hu v ự c có nh ữ ng đ i ề u ki ệ n đ ặ c bi ệ t nh ư : ở c ác l ớ p n ướ c sâu nghèo Ôxy, kém trao đ ổ i v ớ i l ớ p n ướ c m ặ t, nh ấ t là vùng Ôxy c ự c ti ể u, hay ở đ áy các v ũ ng, v ị nh, v ự c sâu không có trao đ ổ i n ướ c v ớ i các vùng k ế c ậ n. Sunfuhydro là m ộ t khí đ ộ c nên s ự x u ấ t hi ệ n c ủ a nó trong bi ể n s ẽ l à m ố i nguy hi ể m cho đ ờ i s ố ng c ủ a sinh v ậ t, th ậ m chí có th ể t iêu di ệ t s ự s ố ng c ủ a h ầ u h ế t các loài ở k hu bi ể n đ ó. C ũ ng s ẽ l à m ộ t b ấ t l ợ i cho c ả nh quan và môi tr ườ ng (vì mùi th ố i) n ế u Sunfuhydro xu ấ t hi ệ n c ả ở c ác l ớ p n ướ c m ặ t, nh ấ t là g ầ n các khu du l ị ch, ngh ỉ m át vùng bi ể n, h ả i đ ả o. B ở i v ậ y, s ự x u ấ t hi ệ n c ủ a Sunfuhydro trong bi ể n là m ộ t d ấ u hi ệ u ô nhi ễ m môi tr ườ ng nghiêm tr ọ ng. Khi xu ấ t hi ệ n và hoà tan trong n ướ c bi ể n, Sunfuhydro (H 2 S) b ị p hân ly theo 2 b ậ c: H2S ⇔ H+ + HS- HS- ⇔ H+ + S-2 Ở đ i ề u ki ệ n áp su ấ t khí quy ể n, h ằ ng s ố p hân ly b ậ c m ộ t là K 1 ≈ 10 - 7 , b ậ c hai K 2 ≈ 10 - 1 2 . Nh ư v ậ y H 2 S là m ộ t ch ấ t phân ly y ế u và h ệ c ân b ằ ng Sunfuhydro trong bi ể n luôn t ồ n t ạ i 3 ti ể u ph ầ n là H 2 S, HS - v à S - 2 . Theo tính toán, trong h ệ c ân b ằ ng này có 12,89% H 2 S, 87,10% HS - v à 0,01% S - 2 . Do không th ể t ách r ờ i H 2 S v ớ i các d ẫ n xu ấ t phân ly c ủ a nó nên c ầ n ph ả i hi ể u n ồ ng đ ộ H 2 S chính là t ổ ng n ồ ng đ ộ c ủ a c ả h ệ S unfuhydro: Σ H 2 S = [H 2 S] + [HS - ] + [S - 2 ] Đ ộ h oà tan c ủ a Sunfuhydro l ớ n h ơ n r ấ t nhi ề u so v ớ i các khí khác do phân t ử H 2 S có c ấ u t ạ o nh ư m ộ t l ưỡ ng c ự c. Khi áp su ấ t riêng c ủ a H 2 S là 1 atmôtphe thì đ ộ h oà tan c ủ a nó là 4630 ml/l. Tuy nhiên, do l ượ ng H 2 S trong khí quy ể n không đ áng k ể n ên s ự c ó m ặ t c ủ a nó trong bi ể n đ ươ ng nhiên không ph ả i do t ươ ng tác bi ể n-khí quy ể n đ em l ạ i. Có 2 nguyên nhân xu ấ t hi ệ n H 2 S trong bi ể n là: Quá trình th ố i r ữ a, phân hu ỷ c ác h ợ p ch ấ t h ữ u c ơ c ó l ư u hu ỳ nh. Các ch ấ t h ữ u c ơ l à xác sinh v ậ t, c ặ n bã th ả i, m ả nh v ụ n... khi b ị v i khu ẩ n 73
phân hu ỷ t rong đ i ề u ki ệ n y ế m khí (thi ế u Ôxy) s ẽ g i ả i phóng H 2 S, CH 4 ... Quá trình kh ử c ác sunphát do các loài vi khu ẩ n Microspirs th ự c hi ệ n trong môi tr ườ ng thi ế u Ôxy và gi ầ u có ch ấ t h ữ u c ơ . Quá trình này theo Lêbê đ inxep di ễ n t ả l à: CaSO 4 + 2 C → C aS + 2CO 2 C aS + 2H 2 O + 2CO 2 → C a(HCO 3 ) 2 + H 2 S Ho ặ c theo Alekin: 2SO 4 - 2 + 4 C + 3H 2 O → H 2 S + HS - + C O 2 + 3 HCO 3 - T rong đ ạ i d ươ ng th ế g i ớ i ch ỉ c ó m ộ t s ố í t khu v ự c có H 2 S th ườ ng xuyên nh ư : Bi ể n Đ en, v ự c Kariako (bi ể n Caribê), v ự c Orka (v ị nh M ế ch xích) hay m ộ t s ố p hio ở B i ể n B ắ c, Ban tích, H ồ ng H ả i, bi ể n Ả r ậ p... Ở g ầ n đ áy c ủ a Bi ể n Đ en, n ồ ng đ ộ S unfuhydro đ ạ t trên 6 mgS/l. Hình 3.9 mô t ả p hân b ố S unfuhydro trong Bi ể n Đ en, th ấ y rõ ch ỉ c ó m ộ t l ớ p n ướ c m ỏ ng b ề m ặ t (kho ả ng 200m) không có H 2 S. H ình 3.9: Phân b ố H 2 S (mgS/l) trên m ặ t c ắ t kinh tuy ế n 43 o 30'W trong tháng 10-1960 t ạ i Bi ể n Đ en (theo Xkôpinsev và Xmirnôv) 3 .5.2 Các khí khác N goài O 2 , N 2 , CO 2 , H 2 S, các khí khác hoà tan trong n ướ c bi ể n đ ượ c chia thành hai nhóm: Nhóm các khí tr ơ , ch ủ y ế u là He, Ne, Ar, Kr và Xe có n ồ ng đ ộ k há 74
nh ỏ ( Ar có n ồ ng đ ộ b ậ c 10 - 2 m l/l, các khí khác 10 - 6 m l/l). S ự c ó m ặ t các khí tr ơ t rong n ướ c bi ể n có liên quan đ ế n quá trình t ươ ng tác bi ể n-khí quy ể n. Nhóm các khí cacbua hydro ch ủ y ế u là Metan, Etan, Propan... có n ồ ng đ ộ ở b ậ c 10 - 4 ÷ 1 0 - 6 m l/l. Các khí này có ngu ồ n g ố c ch ủ y ế u t ừ q uá trình phân hu ỷ c h ấ t h ữ u c ơ t rong bi ể n. 75