Trong quá trình tươ ng tác, v ật chấ t có th ể đ i vào và đi ra kh ỏi bi ển mộ t cách trực ti ếp (như trao đổi khí gi ữa bi ển và khí quyển, trao đổ i chấ t của sinh vật bi ển v ới m[r]
THÀNH PHẦN HOÁ HỌC NƯỚC BIỂN
ĐẶC ĐIỂM CHUNG THÀNH PHẦN HOÁ HỌC NƯỚC BIỂN
1.1.1 Các nguyên tố hoá học tồn tại trong nước biển
Một cốc nước biển trong veo có vẻ như không có gì, nhưng thực tế chứa đựng hàng triệu hạt vật chất nhỏ và vi sinh vật mà mắt thường không thể thấy Ngược lại, nước biển ở cửa sông thường có màu đục hoặc vàng nhạt, cho phép chúng ta nhận diện các phần tử phù sa và vật chất lơ lửng Dù ở bất kỳ vùng nào, nước biển luôn mang vị mặn đặc trưng do chứa các muối hòa tan như NaCl, CaCO3 và MgSO4.
Nước biển có tính kiềm yếu và là một dung dịch đệm pH nhờ vào sự hiện diện của các axit yếu và muối Nó sở hữu nhiều tính chất hóa lý quan trọng như khả năng truyền âm, ánh sáng, độ đục, độ dẫn điện, độ ôxy hóa, độ phóng xạ và tính ăn mòn.
Nước biển không phải là nước tinh khiết hay nước ngọt như ở các sông, hồ, mà chứa nhiều nguyên tố và hợp chất hóa học phức tạp Một mẫu nước biển điển hình nặng 1000 gam chứa khoảng 19 gam ion Clo, 11 gam ion Natri, 1,3 gam ion Magiê và 0,9 gam Lưu huỳnh chủ yếu ở dạng ion Sunfat Nước biển có thể được coi là dung dịch 0,5M NaCl và 0,05M MgSO4, cùng với khí hòa tan và nhiều chất khác Ngoài ra, nước biển còn chứa các phần tử lơ lửng như hạt keo, khoáng, bọt khí, mảnh vụn hữu cơ và vi sinh vật.
Cho đến nay, các phương pháp phân tích tiên tiến đã xác định được khoảng 60 nguyên tố hóa học có mặt trong nước biển, với nhiều nguyên tố tồn tại ở nồng độ lớn (nguyên tố đại lượng) và nhiều nguyên tố khác ở nồng độ nhỏ (nguyên tố vi lượng) Một số nguyên tố có nồng độ rất nhỏ đến mức khó xác định bằng thiết bị hiện đại, chỉ có thể phát hiện sự hiện diện của chúng (nguyên tố vết) Ngoài ra, một số nguyên tố chỉ được chứng minh sự tồn tại trong nước biển thông qua việc tích lũy trong sinh vật hoặc trầm tích biển.
Bảng 1.1: Các nguyên tố hoá học có trong nước biển (theo Gondberg)
STT Nguyên tố Nồng độ (mg/l) Dạng tồn tại chủ yếu
6 C 28 HCO3 -, H2CO3, CO3 -2, hợp chất hữu cơ
7 N 0,5 NO3 -, NO2 -, NH4 +, khí, hợp chất hữu cơ
8 O 857 H2O, khí, SO4 -2 và các anion khác
14 Si 3 Si(OH)4, Si(OH)3O -
STT Nguyên tố Nồng độ (mg/l) Dạng tồn tại chủ yếu
32 Ge 7.10 -5 Ge(OH)4, Ge(OH)3O -
33 As 0,003 HAsO4 -2, H2AsO4 -, H3AsO4, H3AsO3
47 Cd 11.10 -5 Cd +2 , CdSO4, CdCln -2n, Cd(OH)n -2n
51 Pb 3.10 -5 Pb +2 , PbSO4, PbCln -2n, Pb(OH)n -2n
Và dấu vết của nhiều nguyên tố khác
Mặc dù một số nguyên tố được phân loại là đại lượng, Clo lại là nguyên tố có mặt nhiều nhất trong nước biển, nhưng nồng độ trung bình của nó chỉ ở mức nhất định.
Nước biển chứa khoảng 19 g/l Magie, 10,5 g/l Natri và tổng các chất khoáng rắn hòa tan đạt khoảng 35 g/l Với thể tích 1,37 tỷ km³, đại dương sở hữu khối lượng vật chất khổng lồ, trong đó lượng muối khoáng ước tính khoảng 49 triệu tỷ tấn, chủ yếu là các muối Clorua, Sunfat, và Cacbonat của Natri, Magie, Canxi Nếu phân bố đều lượng muối này trên bề mặt lục địa, nó sẽ tạo thành một lớp dày khoảng 150m Hơn nữa, nếu chia đều lượng Vàng (có nồng độ trung bình 4.10 - 9 g/l) chiết xuất từ toàn bộ nước đại dương cho dân số Việt Nam, mỗi người sẽ nhận được gần 80kg.
1.1.2 Những nét đặc thù thành phần hoá học nước biển
Biển và đại dương sở hữu những đặc điểm độc đáo, gắn liền với lịch sử hình thành của hành tinh Chúng có kích thước lớn cả về chiều ngang lẫn chiều thẳng đứng, đồng thời thực hiện trao đổi nước rộng rãi với khí quyển và đất liền Các quá trình vật lý, động lực và sinh-hóa học diễn ra ở nhiều quy mô khác nhau, tạo nên sự đa dạng và phức tạp trong thành phần hóa học của nước biển.
Sự phong phú của thành phần hoá học nước biển
Nước biển chứa thành phần hoá học phong phú, tập trung từ nhiều nguồn nước khác nhau trên bề mặt trái đất và nước ngầm Với vai trò là vùng trũng nhất của hành tinh, biển có khả năng trao đổi khí với khí quyển nhờ vào sự xáo trộn từ sóng và gió Qua quá trình phát triển của lịch sử trái đất, đại dương đã tích lũy hầu hết các nguyên tố hoá học tự nhiên Tuy nhiên, hiện tại, con người chỉ xác định được khoảng 60 nguyên tố hoá học có mặt trong nước biển, được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau.
Dạng tồn tại của các nguyên tố trong nước biển
Trong nước biển, các nguyên tố có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như phân tử tự do, ion, và hợp chất, đồng thời có thể ở trạng thái hòa tan hoặc lơ lửng Ví dụ, Nitơ hiện diện ở dạng phân tử N2, ion NH4+, NO2-, NO3-, cũng như trong các chất hữu cơ và keo khoáng Tương tự, Phốt pho tồn tại dưới dạng P2O5, H3PO4, H2PO4- và các chất hữu cơ, keo khoáng Ôxy có mặt dưới dạng phân tử O2, các hợp chất khí CO2, cùng với các hợp chất vô cơ và hữu cơ khác.
Các nguyên tố trong nước biển tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, ảnh hưởng đến các tính chất hóa học, lý học và sinh học Chẳng hạn, Nitơ ở dạng khí hòa tan hầu như không tham gia vào phản ứng sinh hóa, được xem là khí trơ Tuy nhiên, khi tồn tại dưới dạng ion NH4+, NO2- và NO3-, Nitơ trở thành nguyên tố thiết yếu cho sự sống, tham gia vào quá trình quang hợp và chu trình chuyển hóa vật chất trong biển.
Tỷ lệ định lượng giữa các hợp phần
Trong môi trường biển, nồng độ các nguyên tố và hợp phần hóa học có thể biến đổi theo không gian và thời gian, nhưng tỷ lệ giữa các ion chính như [Na + ]/[Cl - ], [Ca + 2 ]/[SO4 - 2], và [Mg + 2 ]/[K + ] lại ổn định trên toàn cầu Ngược lại, tại các vùng biển ven bờ, cửa sông và vũng vịnh, tỷ lệ nồng độ giữa các ion chính thường thay đổi đáng kể Đối với các nguyên tố không thuộc nhóm ion chính, tỷ lệ nồng độ giữa chúng luôn biến động và khác nhau ở từng vùng biển.
Quy luật biến đổi của các hợp phần
Thành phần hóa học của nước biển luôn thay đổi, ảnh hưởng đến các chỉ tiêu định lượng, định tính và dạng tồn tại của nguyên tố Độ muối, hợp phần ổn định nhất, cũng biến đổi tùy theo khu vực địa lý Ba quá trình cơ bản gây ra sự biến đổi nồng độ các hợp phần trong nước biển.
Những chất và hợp phần tham gia vào các quá trình sinh học thường trải qua sự biến đổi mạnh mẽ về lượng, và sự biến đổi này không đồng nhất giữa các vùng và trong các thời kỳ khác nhau Một ví dụ điển hình là các hợp chất vô cơ của Nitơ.
Phốtpho và silic là hai hợp phần quan trọng trong quang hợp của thực vật, với nồng độ biến đổi mạnh mẽ theo thời gian, thậm chí có thể thay đổi từng giờ Ở những vùng biển thuận lợi cho quang hợp, nồng độ các chất dinh dưỡng như Nitơ và Phốtpho có thể giảm đến mức 0 trong thời kỳ thực vật phát triển mạnh Sau giai đoạn này, khi nguồn dinh dưỡng cạn kiệt, thực vật sẽ chết và xác của chúng sẽ phân hủy, trả lại các nguyên tố vô cơ cho môi trường Sự biến động của các hợp phần này thường có chu kỳ sinh học, với chu kỳ ngày và mùa là hai yếu tố thể hiện rõ rệt nhất.
Tương tác hoá học giữa các hợp phần trong nước biển diễn ra chậm nhưng có khả năng làm biến đổi cả lượng và dạng tồn tại của chúng Chẳng hạn, quá trình đạm hoá (Nitrification) chuyển đổi phần lớn các ion Nitrit thành Nitrat, theo phản ứng 2NO2 - + O2 → 2NO3 - Tương tự, quá trình ôxy hoá khí Sunfuhydro cũng chuyển đổi Lưu huỳnh sang dạng tồn tại khác, từ H2S và 2O2 thành H2SO4 và cuối cùng là SO4 - 2.
CÁC NGUỒN ĐẦU TIÊN TẠO NÊN THÀNH PHẦN HOÁ HỌC NƯỚC BIỂN
Vấn đề nguồn gốc và thành phần hoá học của nước biển vẫn còn nhiều điều chưa được làm rõ, đặc biệt là về thành phần hoá học của thuỷ quyển sơ sinh và sự biến đổi của chúng đến trạng thái hiện tại Nhiều giả thuyết đã được đưa ra trong suốt những năm qua, với hai quan điểm trái ngược nhau, mỗi quan điểm đều có những lý lẽ thuyết phục riêng.
Quan điểm đầu tiên cho rằng thành phần hóa học của thủy quyển, đặc biệt là nước biển, lúc sơ sinh đã gần giống như hiện tại do nước là dung môi hòa tan nhiều chất Tuy nhiên, điểm yếu của quan điểm này là sinh quyển xuất hiện sau thạch quyển, dẫn đến việc các chất hữu cơ và một số hợp phần khác không thể tồn tại trong thủy quyển sơ khai.
Quan điểm thứ hai cho rằng thành phần hóa học của thủy quyển, đặc biệt là nước biển, trong giai đoạn đầu rất "nghèo nàn" và đã trải qua nhiều thời đại để phát triển như hiện nay Mặc dù quan điểm này khắc phục được một số thiếu sót của quan điểm thứ nhất, nhưng vẫn còn nhiều nghi vấn đặt ra, chẳng hạn như: Thủy quyển ban đầu "nghèo nàn" ra sao và khối lượng nước của thủy quyển ở các khu vực khác nhau trên hành tinh có giống như hiện tại không?
Ngày nay, các quá trình biến đổi của lớp vỏ đất đá và sự tiến hoá của khí quyển hành tinh đóng vai trò quan trọng trong việc tích luỹ và biến đổi thành phần hoá học của nước tự nhiên, bao gồm cả nước biển Điều này cung cấp cơ sở vững chắc cho giả thuyết thứ hai.
Nguồn gốc của phần lớn các anion trong nước biển được cho là liên quan đến khí thoát ra từ Mantri, sau đó thâm nhập vào nước biển thông qua quá trình ôxi hoá các khí hòa tan Trong khi đó, cation chủ yếu xuất phát từ quá trình phong hoá trên lục địa và được vận chuyển ra biển qua các con sông Theo A.P Vinogradov, khoảng 50% muối trong biển có nguồn gốc từ sự khử khí của Mantri, trong khi 50% còn lại là sản phẩm phong hoá đất đá trên lục địa.
1.2.1 Quá trình tiến triển của khí quyển hành tinh và nguồn gốc các anion trong nước biển
Trái đất của chúng ta hình thành khoảng 4,5 đến 5 tỷ năm trước, khi khí quyển sơ khai chủ yếu chứa Hydro, Hêli và bụi vũ trụ, mà không có hơi nước và Ôxy như hiện nay Các biến động của trái đất đã giải phóng nhiều loại khí từ Mantri, tương tự như khí thải từ hoạt động núi lửa hiện tại Do đó, Mantri đã góp phần bổ sung cho khí quyển nhiều khí quan trọng như HBr, HI, HCl, HF, NH3, S, SO2, H2S và CH4.
CO2, CO và cả hơi nước cùng với Hydro, Argon
Bầu khí quyển khử, đặc trưng bởi sự ổn định trong khoảng 3 tỷ năm, đã trải qua nhiều biến đổi do các quá trình quang hoá, quang hợp và ôxy hoá Những quá trình này đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự phát triển của bầu khí quyển từ khi hình thành cho đến nay.
Các phản ứng quang hoá phân huỷ các phân tử khí dưới tác động của tia bức xạ vũ trụ Ví dụ:
Thời kỳ đầu của Trái Đất, khí quyển đơn giản cho phép tia bức xạ xâm nhập dễ dàng, dẫn đến các phản ứng quang hóa phân hủy khí ở mọi độ cao Theo thời gian, thành phần khí quyển đã thay đổi, đặc biệt là sự xuất hiện của Ôzon (O3), giúp ngăn chặn tác động của tia vũ trụ Hiện nay, tác động này chủ yếu còn ý nghĩa ở các lớp khí quyển trên cao.
Sự quang hợp của thực vật, diễn ra khoảng 2-3 tỷ năm trước, đã tạo ra khí oxy tự do và chuyển đổi carbon từ CO2 thành các liên kết mới Phản ứng quang hợp có thể được mô tả đơn giản như quá trình oxy hóa các khí, đánh dấu sự xuất hiện của oxy trong khí quyển.
Do ảnh hưởng liên tục của 3 quá trình trên mà bắt đầu từ khoảng 2-
Khoảng 3 tỷ năm trước, khí quyển Trái Đất chuyển từ trạng thái khử sang trạng thái ôxy hóa, với sự hiện diện của các khí như N2, O2, CO2 và H2 Trong số này, Nitơ là khí ổn định nhất, không bị biến đổi nhiều trừ khi có hiện tượng phóng điện Ngược lại, CO2 giảm dần do quá trình quang hợp và phản ứng phong hóa, H2 mất dần vào không gian vì tính nhẹ, trong khi O2 bị tiêu thụ qua các phản ứng ôxy hóa và hoạt động hô hấp của sinh vật.
Khoảng 1 tỷ năm trước, lượng oxy trong khí quyển chỉ đạt 0,6%, sau đó tăng lên 8% trong 300 triệu năm tiếp theo và đạt 20,94% cách đây 400-600 triệu năm Kể từ thời điểm đó, lượng oxy trong khí quyển hầu như không thay đổi, đánh dấu một giai đoạn quan trọng trong lịch sử phát triển của khí quyển, khi nó chuyển từ trạng thái khử sang trạng thái ôxy hóa Thành phần khí quyển hiện tại tương tự như ngày nay, không có loại khí mới nào xuất hiện, mặc dù ba quá trình chính vẫn tiếp tục diễn ra, chỉ thay đổi tỷ lệ giữa các thành phần khí.
Các khí trong nước biển có thể xuất phát từ sự thoát khí của Mantri qua các con đường ngầm, nhưng chủ yếu là do quá trình trao đổi khí giữa CO2 và H2O, dẫn đến sự hình thành các hợp chất hữu cơ và O2.
Diệp lục ánh sáng của khí quyển tương tác với nước biển, theo quy luật Henri-Danton, bất kỳ khí nào có mặt trong khí quyển cũng sẽ xuất hiện trong nước biển Trước đây, nước biển chứa hầu hết các khí khử từ khí quyển nguyên thủy, nhưng theo thời gian, chúng đã giảm dần do các phản ứng oxy hóa hoặc thoát trở lại khí quyển Hiện nay, nước biển chứa tất cả các khí của khí quyển hiện tại với tỷ lệ ổn định, nhưng vẫn có một số khí như H2S và CH4 không có hoặc rất ít trong khí quyển Chẳng hạn, ở các lớp nước sâu của Biển Đen, H2S xuất hiện với nồng độ cao, đây là khí thứ sinh được hình thành từ quá trình sinh hóa, chủ yếu là phân hủy tàn tích sinh vật Tuy nhiên, phần lớn các khí này sẽ dần mất đi qua các phản ứng oxy hóa.
Các anion trong nước biển xuất hiện muộn hơn, nhưng có thể từ đầu, khi nước biển chứa khí HCl, HF từ Mantri thoát vào qua các đường ngầm, các ion Cl- và F- đã được hình thành.
Khoảng 2-3 tỷ năm trước, khi khí quyển và nước biển bắt đầu giàu oxy, các phản ứng oxy hóa đã xuất hiện trong cả hai môi trường này Hầu hết các anion có trong nước biển đều được hình thành từ quá trình oxy hóa này.
NH3 + H2O = NH4(OH) = NH4 + + OH -
Hình 1.1 Những quá trình cơ bản thành tạo anion trong nước biển
TƯƠNG TÁC HOÁ HỌC CỦA BIỂN
Tương tác hoá học của biển là quá trình trao đổi chất và hợp phần hoá học giữa biển với các quyển khác của hành tinh như khí quyển, thạch quyển và sinh quyển Trong quá trình này, vật chất có thể đi vào và ra khỏi biển một cách trực tiếp qua các hoạt động như trao đổi khí giữa biển và khí quyển, cũng như sự tương tác của sinh vật biển với môi trường Ngoài ra, sự lắng đọng trầm tích và quá trình hoà tan đất đá ở đáy biển cũng đóng vai trò quan trọng Bên cạnh đó, các quá trình vận chuyển khác như bốc hơi, mưa, dòng chảy mặt cũng góp phần vào sự tương tác này.
QUÁ TRÌNH PHONG HOÁ ĐẤT ĐÁ
Phong hoá vật lý làm tăng diện tích tiếp xúc của đất đá với môi trường, tạo điều kiện tăng cường phong hoá hoá học
Phong hóa hóa học là quá trình làm biến đổi bản chất của đất đá Đối với đá magma, sản phẩm phong hóa bao gồm các khoáng chất mới hình thành và sự phân hủy của các khoáng vật ban đầu Trong khi đó, đối với đá trầm tích, sản phẩm phong hóa chủ yếu là sự thay đổi cấu trúc và thành phần hóa học của các lớp trầm tích, dẫn đến sự hình thành các loại đất mới.
Sản phẩm không hoà tan
(Cao lanh, Thạch anh ) Sản phẩm hoà tan (Hydro Silicat,
Phân ly thành các cation Tiếp tục biến đổi thành các chất dễ hoà tan hơn Phân ly thành các cation
Các cation và các sản phẩm khác
Quá trình trao đổi vật chất giữa lục địa và biển diễn ra thông qua các dòng chảy ngầm và sự vận chuyển của gió Vòng tuần hoàn nước của hành tinh đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa và duy trì cân bằng sinh thái.
1.3.1 Vai trò vòng tuần hoàn nước hành tinh đối với tương tác hoá học của biển
Nước trong tự nhiên được phân loại thành nhiều dạng, bao gồm nước biển từ các đại dương và biển, nước đóng băng tại hai cực và đỉnh núi cao, nước trong khí quyển như hơi nước, mây, tuyết và sương mù, cũng như nước trên mặt lục địa như hồ, ao, đầm, phá, sông và suối Ngoài ra, nước ngầm, bao gồm hơi nước và nước dưới mặt đất trong các tầng đất đá và hồ nước ngầm, cũng là một phần quan trọng Tuy nhiên, nước trong sinh quyển, tức là nước trong các cơ thể sống, không được đề cập trong giáo trình này Khối lượng nước của các đối tượng nước khác nhau được trình bày trong bảng 1.4.
Bảng 1.4: Phân bố nước trong tự nhiên (theo Kalinin và Bykov)
TT Đối tượng nước Thể tích (10 3 km 3 ) % so với tổng số
2 Băng ở 2 cực và các đỉnh núi 29000 2,08
4 Nước các hồ nước ngọt 125 0,009
5 Nước các hồ nước mặn 104 0,008
Nước ngầm trao đổi nằm ở độ sâu từ 0 đến 5000m, trong đó lượng nước nằm sâu hơn chiếm khối lượng lớn và được coi là nước nguyên sinh, chưa tham gia vào chu trình nước.
Chu trình nước trong tự nhiên có mối liên hệ chặt chẽ giữa các yếu tố như khí quyển, thạch quyển và sinh quyển Trong quá trình vận chuyển, nước không chỉ di chuyển lượng nước mà còn mang theo các vật chất và nguyên tố hóa học, tương tác trực tiếp với môi trường xung quanh Điều này cho thấy chu trình nước đóng vai trò như một "chiếc cầu" trong các tương tác hóa học giữa biển và các đối tượng khác, đặc biệt là thạch quyển và khí quyển.
Có hai quy mô chính trong chu trình nước của hành tinh: chu trình nhỏ và chu trình lớn Chu trình nhỏ diễn ra khi nước bốc hơi từ biển hoặc các nguồn nước trên lục địa và sau đó rơi xuống dưới dạng mưa.
Vòng tuần hoàn nước của hành tinh diễn ra khi nước bốc hơi từ biển, tạo ra mưa trên lục địa và sau đó chảy trở lại biển qua các dòng chảy mặt và ngầm Hướng vận chuyển và trao đổi vật chất chủ yếu diễn ra từ lục địa ra biển, do sự tương tác hóa học mạnh mẽ giữa biển và lớp vỏ phong hóa Mặc dù có sự vận chuyển vật chất từ biển vào lục địa qua bốc hơi và gió, nhưng lượng nước bốc hơi rất nhỏ và chủ yếu mưa lại ngay tại biển, khiến cho lượng vật chất mất đi không đáng kể so với lượng vật chất được đưa vào Điều này đã dẫn đến việc biển tích lũy một khối lượng vật chất khổng lồ trong suốt lịch sử hình thành và phát triển của thủy quyển.
1.3.2 Tương tác hoá học biển-khí quyển
Tương tác hoá học biển-khí quyển diễn ra qua bề mặt ngăn cách biển và khí quyển Mối tương tác này có ảnh hưởng trực tiếp đến thành
Băng ở các cực và chế độ hoá học của lớp nước biển sát mặt, đặc biệt là hợp phần khí hoà tan, ảnh hưởng đến môi trường biển Sự tác động này có thể xuống sâu hơn nhưng thường không vượt quá độ sâu 200-300m, phụ thuộc vào các quá trình động lực và xáo trộn thẳng đứng Biển và khí quyển trao đổi vật chất chủ yếu qua hai quá trình: trao đổi trực tiếp các khí và trao đổi gián tiếp qua dòng bốc hơi và mưa.
Trao đổi khí giữa biển và khí quyển, đặc biệt là các khí N2, O2, và CO2, đóng vai trò quan trọng trong tương tác hóa học giữa hai môi trường này Quá trình hòa tan khí từ khí quyển vào nước biển là một quá trình thuận nghịch.
KhíK H Í Q U YỂ N ⇔ KhíN Ư ỚC B I ỂN
Quá trình chuyển giao khí giữa khí quyển và nước biển phụ thuộc vào áp suất của khí đó trên mặt nước biển Khi áp suất của khí trong khí quyển lớn hơn trong nước biển, các phân tử khí sẽ di chuyển từ khí quyển vào nước biển Ngược lại, nếu áp suất trong nước biển cao hơn, các phân tử khí sẽ thoát ra khí quyển Quá trình này hướng tới trạng thái cân bằng, nơi áp suất của khí trong khí quyển và trong nước biển bằng nhau Tại trạng thái cân bằng, số lượng phân tử khí đi vào và ra khỏi nước biển sẽ tương đương Nếu có sự gia tăng nồng độ khí (như CO2 từ hoạt động công nghiệp) trong khí quyển, biển sẽ hấp thụ cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng một lần nữa.
Trao đổi khí giữa biển và khí quyển là quá trình diễn ra liên tục
Biển đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh áp lực khí quyển và duy trì khí hậu ôn hòa nhờ khối lượng nước khổng lồ Mặc dù có nhiều nguồn thải khí CO2 từ núi lửa, cháy rừng, và hoạt động công nghiệp, nhưng nhờ biển, lượng khí này không tăng cao đáng kể, giúp hạn chế hiệu ứng nhà kính Tuy nhiên, khả năng điều chỉnh của biển không phải là vô hạn Nếu con người không kiểm soát lượng khí thải vào khí quyển, chúng ta sẽ phải đối mặt với hậu quả nghiêm trọng của hiệu ứng nhà kính, điều này đã xảy ra trong 50 năm qua.
Quá trình tương tác hóa học giữa biển và khí quyển thông qua bốc hơi và mưa diễn ra một chiều, với hơi nước bốc lên thường có độ khoáng thấp, gần như nước tinh khiết Ngược lại, nước mưa và tuyết rơi xuống biển chứa một lượng vật chất nhất định do đã tồn tại trong khí quyển Khi hơi nước hấp thụ các sol khí lơ lửng trong không khí và hòa tan chúng, nước mưa và tuyết mới có lượng chất tan Độ khoáng của nước mưa rất nhỏ, thường không vượt quá 0,03‰ (30mg/l).
Bảng 1.5: Thành phần hoá học chủ yếu của nước mưa rơi trên mặt các đại dương (theo Bruevích)
Năm Cl - (mg/l) SO4 -2 (mg/l) HCO3 - (meq/l) Na + (mg/l) K + (mg/l)
Sol khí biển được hình thành từ sóng và gió, mang theo hạt muối lên không khí và thường trở về biển qua mưa hoặc tuyết Một phần tồn tại trong không khí và có thể được gió đưa vào lục địa, tạo ra tương tác hóa học giữa biển và khí quyển Không khí ven biển có khả năng ăn mòn kim loại tốt hơn so với không khí ở sâu trong lục địa, điều này liên quan đến độ ẩm và thành phần hóa học của không khí Nghiên cứu cho thấy nồng độ Cl- trong nước mưa ven biển ở Mỹ đạt 2-8 mg/l, trong khi ở sâu trong lục địa chỉ đạt 0,1-0,2 mg/l Tương tự, ở châu Âu, nồng độ Cl- gần biển là 3 mg/l, còn sâu trong lục địa dưới 1 mg/l Các ion Ca2+, Mg2+, HCO3- có xu hướng giảm dần khi gần biển Hoạt động khí quyển và con người có thể làm thay đổi quy luật này, như gió từ biển vào lục địa làm tăng nồng độ Na+, Cl- trong nước mưa, trong khi nước mưa trên biển có nồng độ Ca2+, Mg2+, HCO3- cao hơn Ngoài ra, khí thải từ con người có thể làm tăng nồng độ SO4-2 trong nước mưa, và hiện tượng phóng điện trong khí quyển chuyển đổi Nitơ thành các dạng đạm hòa tan trong nước mưa, bổ sung cho biển.
Hàng năm có khoảng 450 nghìn km 3 nước biển bốc hơi và khoảng
Mỗi năm, khoảng 411 nghìn km³ nước mưa và tuyết rơi trực tiếp xuống biển, dẫn đến việc trao đổi khoảng 1-1,3 tỷ tấn muối giữa biển và khí quyển Hơi nước bốc lên từ biển có độ khoáng khoảng 3-4 mg/l, nhấn mạnh sự tương tác quan trọng giữa các yếu tố này trong hệ sinh thái biển.