1、海水二氧化碳系統-海水二氧化碳系統海水二氧化碳系統-正文包括溶解在海水中的二氧化碳、碳酸、碳酸氫根離子和碳酸根離子的平衡物系。這些成 分z間的化學反應和平衡關系，二氧化碳在大氣和海洋z間的交換，懸浮顆粒中的碳酸鹽與海 水二氧化碳系統之間的化學平衡，海洋生物的生長繁殖與二氧化碳的循環，海水屮二氧化碳 含量的分布及其變化，都是這方面的主要研究內容。海水二氧化碳系統的研究工作，雖然在18世紀就已經開始,但直到1915年,k.布赫才首 次研究海水二氧化碳系統中各種成分z間的平衡理論。20世紀30年代初，根據國際海洋考 察理事會(ices)的建議，由k.布赫、h.w.哈維、h.瓦滕貝格和s.格里彭貝格組

2、成的專業小 纟h.,測定了不同溫度和不同鹽度下碳酸的第一級和第二級表觀解離常數。50年代以示，各 國學者分別測定此解離常數。由于測定的方法和所依據的標準不同，所得的結果就不一致。 為此，j.m.吉斯克于1978年在“海洋表和標準”聯合專家小組(jpots)的會議上,建議對測定標 準和有關常數進行統一。總二氧化碳二氧化碳在海水中有如卜的化學反應和平衡關系：c02(溶解態)+出0 fej h2co3h2co：劍 iii 1c0 媼hco 躺 h*+co%在溶解態的二氧化碳與碳酸的平衡屮，后者的量與前者相比其小。通常把這兩者的濃度之和表示為【co2】t,【cod t= coj + h2co：j表示海

3、水中二氧化碳系統各成分的總濃度,稱為總二氧化碳。考慮碳酸在海水屮的一級解離和二級解離時，通常以氫離了的活度a汁代替濃度【h j , 二氧化碳各分量用濃度，并稱所得解離常數為表觀解離常數斤。因此，碳酸的一級和二級表 觀解離常數為/<4 心44它們是海水的溫度、鹽度和圧力的函數。海水中二氧化碳的含量，與海洋生物的分布、大陸徑流、海氣交換、固體懸浮物質和 海洋沉積物等冇密切的關系，因而冇明顯的區域分布和垂直分布。二氧化碳的海一氣交換海洋表層水和大氣之間的二氧化碳交換，處于動態平衡。c（）2（大氣）卿c02由于工業和交通的發展，燃料燃燒后排放到人氣屮的二氧化碳不斷增加。例如夏威夷的 冒納羅亞觀測

4、站的觀測結果說明：空氣中二氧化碳平均含量，每年大約以0.68ppm的速度增 長。當表層海水中二氧化碳的分壓大于大氣中二氧化碳的分壓吋，海水向大氣放出二氧化 碳，反之亦然。通常高緯度海域的海水吸收大氣的二氧化碳，低緯度海域相反。總的結果是海洋吸收大 氣的二氧化碳。二氧化碳的海氣交換主要在海洋表層進行，其速率除與風力、海洋環流和垂直對流等物 理過程有關外，與溫度、二氧化碳的分壓等化學過程和牛:物過程，都有密切的關系。碳酸鈣的沉淀和溶解與二氧化碳系統的關系海水中的鈣離了和碳酸根離了，可以形 成碳酸鈣沉淀；反之，固體碳酸鈣也可以溶解并解離成鈣離子和碳酸根離子：ca2+c0 召卩窮 cos i碳酸鈣的表

5、觀溶度積為海水呈飽和狀態時其屮cf和co召卩的濃度的乘積:k尸ca2+【co召卩】隨溫度的升高而降低，隨鹽度和壓力的增加而變大。若海水小的鈣離子濃度與碳酸根 離子濃度的乘積小于碳酸鈣的溶度積，則稱此海水呈不飽和狀態，其飽和度為它代表飽和 的程度。在不飽和狀態卜：固體屮的碳酸鈣將逐漸溶入海水屮，使海水的二氧化碳總量增加。 當飽和度超過1時，說明此海水處于過飽和狀態，通常有碳酸鈣逐漸從海水屮析岀，使海水 二氧化碳的總量減少。對碳酸鈣而言，所有大洋的表層水都處r飽和或過飽和狀態，其原因是碳酸鈣的沉淀速 度除與飽和度有關外，還與海水中的有機物，磷化合物和鎂離子等的存在有關，而深層水則 處于不飽和狀態，

6、因此在表層之卜;存在著飽和度等于1的深度，稱為飽和深度。碳酸鈣有 兩種晶體：文石，或稱霰石；方解石，它們的溶度積不同，故有不同的飽和深度。例如 北大西洋，文石和方解石的飽和深度分別為3200米和4600米；又如在北太平洋，它們分別 為600米和800米。海洋牛物對海水二氧化碳含量的影響 在真光層內，海洋植物進行光合作用時吸收二 氧化碳、合成有機物：有的動物和植物，還利川海水中的二氧化碳和鈣，牛成嫗體的碳酸鈣 質的組織。因此，在真光層海水屮，二氧化碳的含量較低。另一方面，這些含有機碳和碳酸 鈣的生物殘骸下沉至中層和深層z后,一部分冇機碳被氧化，分解出的二氧化碳溶入海水中, 使ph降低，有利丁碳酸

7、鈣的溶解；由于深層海水的溫度低，壓力大，使碳酸鈣的溶解度增 大。因此碳酸鈣的飽和度小于1,即處于不飽和狀態，生物殘骸中的一部分碳酸鈣就逐漸溶 解于海水之屮。然而上升流乂把這部分二氧化碳帶到上層,形成了二氧化碳在海洋中的循壞。總二氧化碳的分布 海水總二氧化碳的含蜃，除了上述原因形成的垂肓分布之外，還 因海流的搬運作用和大陸徑流的影響，而冇區域性的分布。大陸徑流不斷向海洋輸送含冇機 碳和碳酸鈣等物質，使河口和近海海水的總二氧化碳的氯度比值（見海水主要溶解成分）常 常比大洋高。二氧化碳系統與海水的酸堿性從碳酸的兩級解離來看,海水二氧化碳系統各種成分 的含最之間的比例，和紅離子的濃度有密切的關系，即與

8、海水的ph啟很人的關系。海水的 ph 般為&1,英變化范圍為7.88.4,即略帶堿性。在這種ph條件下，海水中的二氧化碳 主要以碳酸氫根的形態存在，約占90%；其次是碳酸根；溶解態二氧化碳的含量很低（圖l）o 研究海水二氧化碳系統時，常引用總堿度aik.具定義為：“每千克（或每升）海水中所含 的弱酸根離子，全部轉化成游離酸所需的氫離子的毫克當量數（或微克當量數，以ficq表 示）。”通常可表示為：ak=【hc0媼】+2 co+【出b0媼】實際上，海水中除這三種弱酸根離子z外，通常還含有hpo綴等弱酸根離子，后者的含量 很低,在海水的總堿度中可不計算在內。不過在特殊情況下，例如在缺氧海水中，硫化物、 氨和磷酸鹽也必須考慮在內。就西太平洋海水總堿度的斷而分布（圖2）而言，表層較低，深層 較高，其