ILoveDiving.ru

Гидрохимия под водой

Океанологи в течение многих лет обсуждают проблему сохранения целостности пробы морской воды, взятой на глубине и доставленной на поверхность. Неоднократно высказывалось предположение, что в процессе подъема пробы на поверхность происходит изменение содержания газов, растворенных в морской воде. Эта гипотеза касалась и содержания растворенного кислорода, причем выдвигалось два объяснения причин его изменения: во-первых, возможная дегазация пробы, происходящая из-за снижения окружающего давления и изменения температуры воды в процессе подъема; во-вторых, продолжающаяся биологическая деятельность захваченных пробой организмов, ведущая к расходованию кислорода.

Для проверки этих гипотез акванавты, работавшие по программам «Тектайт-2» и «Гидролаб», поставили серию опытов.

Акванавты ставили перед собой две задачи: во-первых, оценить преимущества немедленной фиксации пробы в месте ее отбора и обработки ее под тем же давлением в условиях неподвижно стоящей на дне подводной лаборатории перед фиксацией ее на поверхности и, во-вторых, получить необходимые для биологов и геологов данные о рН морской воды, щелочности, солености, содержании в ней кислорода, фосфатов, кальция и магния.

Для отбора проб были выбраны три точки: в середине рифа, на песчаном дне, окружающем риф, и на границе рифа и песка. В течение суток отбирались четыре пробы, из них три — в 6.00, 12.00 и 18.00 — брали акванавты и в 24.00 пробы брал водолаз с поверхности. Всего было получено, около 800 проб, из них около 400 обрабатывались экипажем подводной лаборатории, а остальные — в базовом лагере на берегу.

Рис. 25. Кассета батометров для отбора проб воды и фиксации их in situ, надеваемая поверх водолазного снаряжения.

Акванавты «Тектайта» использовали для отбора проб воды комплект батометров ручного действия. Комплект представляет собой укрепленную на спине акванавта поверх баллонов дыхательного аппарата раму, в ячейки которой вложены 14 полихлорвиниловых батометров емкостью по 225 мл. Каждый батометр имеет форму цилиндра с герметично завинчивающимися крышками. В обечайке батометра закреплен отросток трубы с затянутым резиновой мембраной отверстием. Если нужно ввести во взятую пробу воды тот или иной реактив непосредственно после забора пробы, например для ее фиксации in situ, это делается с помощью шприца: игла прокалывает мембрану, а затем, после введения реактива, извлекается из мембраны. На каждой раме-кассете закреплены шприцы с реактивами-и запасные иглы.

Акванавты, работая в паре, могли взять пробы в 27 точках, регистрируя при этом температуру воды в точке отбора пробы. Затем пробы обрабатывались в лаборатории.

Соленость воды определялась салинометром-мостом фирмы «Хай-тек»; содержание кальция и магния получали путем титрования пробы; рН воды измерялось и в лаборатории, и на поверхности, в базовом лагере, прибором Бекмана; содержание кислорода определялось титрованием по методу Винклера. Данных о содержании фосфатов получить не удалось, так как реактивы оказались подмоченными.

Рис. 26. Акванавт с помощью шприца пропускает пробу воды через кювету с датчиком содержания растворенного в воде кислорода. Сам прибор расположен в подводной лаборатории.

Методика определения содержания кислорода в воде была следующей. Акванавты в каждой точке брали одновременно по четыре пробы. Первая проба фиксировалась непосредственно в воде и обрабатывалась в подводной лаборатории. Вторая проба и фиксировалась, и обрабатывалась в подводной лаборатории. Третья проба фиксировалась в подводной лаборатории, а обрабатывалась в базовом лагере на берегу. И, наконец, четвертая проба и фиксировалась, и обрабатывалась на берегу.

Результаты осреднения 24 серий обработанных проб, приведенные в табл. 2, дают возможность сделать однозначный вывод — изменение давления в процессе подъема пробы на поверхность приводит к дегазации пробы, причем содержание кислорода в пробе стремится к своему пределу насыщения для условий поверхности моря — 4,3 мл/л.

Помимо явно выраженной дегазации пробы при ее фиксации и обработке на берегу, акванавты обнаружили еще два интересных явления.

Оказалось, что содержание кислорода в воде изменяется в течение суток в значительных пределах (табл. 3) и, как правило, это изменение происходит довольно плавно. Однако иногда содержание кислорода в воде в данной точке изменяется в несколько раз буквально скачком. Впервые подобное скачкообразное изменение содержания кислорода акваИавты обнаружили совершенно случайно, во время ночного выхода за пробами. Когда батометр уже был открыт, легкое теплое течение вдруг резко сменилось холодной водой. Батометр был немедленно закрыт и проба холодной воды зафиксирована. Анализ этой ночной пробы в лаборатории показал концентрацию кислорода, более чем в три раза превышающую концентрацию его в дневной пробе.

Кроме того, акванавты установили, что в пробе, взятой в непрозрачный батометр и тем самым изолированной от света, содержание кислорода в течение трех часов не изменяется: не увеличивается — это говорит о том, что процессы фотосинтеза остановились, и не уменьшается — это показывает, что дыхание организмов в пробе также приостановилось. Затем, по истечении трех часов, начинается резкое снижение содержания кислорода в пробе.

После публикации полученных в экспериментах по программе «Тектайт-2» данных океацологи высказали предположение, что расхождение зафиксированных акванавтами данных о содержании кислорода в воде с величинами, полученными традиционными методами, могло быть вызвано двумя факторами. Во-первых, говорили они, современные технические средства взятия проб позволяют доставлять пробу на поверхность за такое короткое время, что дегазации пробы не успевает произойти. Во-вторых, не исключено влияние на пробу кислорода из выдыхаемого водолазом, берущим пробу, воздуха, который в процессе выдоха растворяется в воде. Для того чтобы проверить эти предположения, акванавты программы «Гидролаб» поставили серию контрольных опытов. В эксперименте были использованы прозрачный батометр и измеритель концентрации растворенного кислорода.

Акванавты поместили электроды измерителя в батометр с пробой воды, находящийся в 7,5 м от лаборатории, тогда как сам измеритель был в лаборатории. При температуре воды 27° С содержание кислорода в пробе составило 14 мл/л, что близко к насыщению. По сигналу из лаборатории акванавт начал всплывать вместе с батометром, делая остановки через каждые 3 м.

Падение содержания в пробе растворенного кислорода было очевидным уже на глубине 9 м (табл. 4), причем его зафиксировал не только прибор, но и акванавт: увидев образующиеся в пробе пузырьки газа, он сфотографировал их. При подходе к глубине 3 м содержание растворенного кислорода в пробе упало на 20%.

В следующем опыте акванавт с пробой, содержание кислорода в которой составляет 13,2 мл/л, всплыл с глубины 14 м до глубины 3,3 м и задержался на ней на 3 мин. По прошествии этого времени он выпустил выделившийся из пробы газ и тут же ее зафиксировал. Обработка пробы в подводной лаборатории титрованием по методу Винклера показала, что содержание кислорода в ней уменьшилось на 12 %.

Таким образом, по-видимому, Можно считать достаточно обоснованным предположение, что по мере уменьшения давления в процессе подъема незафиксированной пробы происходит ее дегазация.

Акванавты подводной лаборатории «Спрут», сотрудники ВНИРО, провели аналогичную серию измерений химических параметров морской воды, дополнив ее измерениями скорости диффузии кислорода в воде.

Для этого они установили на дне неподалеку от подводной лаборатории, на глубине 11м, два сосуда емкостью 40 л и высотой 80 см. Площадь открытого горлышка сосудов составляла 314 см2. В одном сосуде содержание растворенного кислорода было искусственно поднято до 13 мл/л, а в другом снижено до 4 мл/л. В первом сосуде содержание кислорода сравнялось с уровнем его содержания в окружающей воде за 6 ч, во втором — за 4

Всего было проведено пять серий подобных экспериментов. Изменение содержания кислорода в сосудах на разных уровнях определялось путем анализа в подводной лаборатории проб, взятых с помощью капиллярных трубок.

И акванавты «Тектайта», и акванавты «Спрута» установили, что уменьшение содержания кислорода в воде ведет к уменьшению рН воды, увеличению ее щелочности и содержания фосфатов в ней.

Первые гидрохимические исследования на базе подводной лаборатории проводились в течение двух недель летнего сезона, что помогло дать с достаточной достоверностью лишь суточные изменения исследуемых характеристик для лета. Однако гораздо больший интерес могли бы представить данные о сезонном ходе изучаемых характеристик воды в данной точке моря. Подводная лаборатория, расположенная в одном месте и работающая круглый год, была бы весьма удобным местом для изучения сезонных изменений параметров морской воды.

Рис. 27. При проведении исследований экипажи лабораторий широко использовали химико-аналитическую аппаратуру

Исходя из этих соображений в сезонах 1972—1973 гг. в программу работ стационарной, постоянно действующей подводной лаборатории «Гидролаб» была включена повторяющаяся регулярно серия гидрохимических наблюдений. Целью ее было определение сезонных вариаций и связи между содержанием в воде растворенного кислорода, рН воды и содержанием компонентов карбонатной системы. Параллельно с этими измерениями акванавты снимали фоновые данные — температуру и соленость воды, а также накопление изотопа углерода С14.

Серии измерений повторялись пять раз в год: с 1 по 7 августа 1972 г., с 1 по 7 октября 1972 г., с 1 по 7 декабря 1972 г., с 1 по 7 марта 1973 г. и с 1 по 7 мая 1973 г.

В качестве базовых точек отбора проб были выбраны участки рифа в 100 м от лаборатории. Девять точек забора проб располагались в три яруса; нижний ярус находился на глубине 19 м, верхний — 13,2 м. В каждой из девяти точек отбиралось одновременно по три пробы через каждые четыре часа в течение 5—6 суток.

Учитывая опыт акванавтов «Тектайта-2», акванавты лаборатории «Гидролаб» фиксировали пробы на растворенный кислород in situ и обрабатывали их в подводной лаборатории. Пробы воды на соленость переливали в транспортировочные контейнеры и отправляли для анализа на поверхность. Взятые одновременно пробы воды для расчета первичной продуктивности фиксировались формалином и тоже отправлялись для обработки на поверхность.

Исследования показали, что при слабом и среднем волнении на поверхности столб воды по химизму может быть разделен на два участка — выше и ниже горизонта 15 м. Нижний участок распространяется от глубины 15 м до реального дна, которое в данном случае лежало на глубине 21 м, верхний —от 15-метровой глубины до поверхности. Следует упомянуть, что вершины рифов в исследовавшемся районе находились ниже горизонта 15 м.

По-видимому, разница в химизме верхнего и нижнего слоев вызвана тем, что в верхнем слое процессы определяются процессами, происходящими на поверхности раздела «вода — воздух», тогда как в нижнем — «вода — дно» — еще и жизнедеятельностью рифовой флоры и фауны. При высоте волнения на поверхности 1,5—1,8 м граница между этими слоями начинает смазываться, а при волнении свыше 2,4 м она исчезает совсем, хотя и сохраняются повышенные значения химических характеристик в придонной зоне и пониженные — в поверхностных слоях. Влияния приливов на исследуемые величины обнаружено не было.

Пока море было спокойным, наблюдалось хорошее соответствие между содержанием в воде растворенного кислорода, ее рН и общей щелочностью. При высоких концентрациях кислорода рН и общая щелочность воды резко падали.

Весьма интересно и неожиданно оказалось то, что в суточном ходе концентрации растворенного кислорода в воде имеются два явно выраженных максимума: один — дневной, в 14—15 ч, и второй — ночной. Возможно, ночной пик объясняется тем, что вдольбе-реговые течения приносят ночью воду с повышенным содержанием кислорода с соседнего рифа, находящегося в 4—5 милях в стороне.

Опубликовано:
27.07.12

Категория - Подводные лаборатории