Введение к работе
Акт^альность_пр_облемы. Калий, который является одним из главных компонентов солевого состава, до 70-х годов считался одним из малоизученных элементов. Это было связано как с аналитическими трудностями, так и невостребованностыэ его в океанологических исследованиях. И только в последние десятилетия, в связи с радиоактивным загрязнением вод океанов и морей и появлением проекта ДШАНД возрос интерес к калию. При изучении радиоактивного загрязнения и в проекте ДШАНД необходимо знание естественного радиоактивного фона, который обусловлен в основном изотопом К40. Концентрация К40 составляет 0,0119 % по весу от общей смеси калия в морской воде. Основные черты этого фона определяются уровнем и пространственно-временными особенностями поля калия в каждом конкретном районе. 3 связи с такими задачами становится очевидным, что для корректной оценки калиевого фона как при физических экспериментах (проект ДШАНД), так и при изучении радиоактивного загрязнения следует иметь прямые измерения концентрации калия в морской воде. С учетом этих обстоятельств примерно с этого периода измерения и изучение стабильного калия стало носить более интенсивный характер, что предоставило возможность более объективно и более детально подойти к изучению K/CI отношения в морской воде, которая является частью фундаментальной общеокеанологической проблемы приблизительного постоянства солевого состава.
На основе первично накопленных знаний по основному составу вод океана (натрия, калия, магния, кальция, хлора, брома, сульфатов) возникло представление о постоянстве ионных отношений в морской воде. Однако современные исследования показали, что при повышении класса точности определений наблюдаются существенные отклонения от принципа постоянства'солевого состава. Связано ли это с процессами неполного перемешивания всей массы океана или с хи-
мическим взаимодействием между различными соединениями главных компонентов раствора с учетом их активности или же состояние раствора определяется совместным действием собственно химических и- гидро-термодинамических взаимодействий, остается пока ещі не выявленными (Хорн, 1977; Баталии, 1975). Изучение ионного состава и их отношений является само по себе важной задачей в плане понимания химических процессов, происходящих в солевом составе морских и океанических вод. Актуальность такого рода исследований определяется также воэрастаацей необходимостью решения вопроса о пределах выполнимости закона постоянства солевого состава океана, являющегося одним из фундаментальных в современной химической океанологии. Вопросы эти периодически дис-скутируются в специальной литературе и все еще далеки от разрешения. Без объективных представлений об основных элементах солевого состава невозможны правильная постановка и решение фундаментальной проблемы "постоянства" солевого состава.
Работы различных авторов по изучению К/СІ отношений в основном отражали отдельные фрагменты изменчивости, обусловленные различными процессами: адсорбция калия на детритах, глинистых минералах, пузырьках воздуха, участием калия в биологическом цикле организмов и растений, атмосферные осадки и речной сток, таяние и образование льдов, вулканическая деятельность. Несмотря на чрезвычайно широкий фронт исследований, возникает при это актуальный вопрос: где и когда возможны вариации Н/СІ отношений в открытой части океанов, где многие выше перечисленные процессы незначительны по сравнению с их влиянием в прибрежных района: морей и океанов. Ответ на этот вопрос следует искать в основном свойстве океана - его динамике, движении вод. Исходя из основного свойства океана можно предположить, что именно циркуляция boj с ее сложными термогидродинамическими условиями может являться
связующим звеном вышеперечисленных процессов, влияющих на концентрацию калия в морской воде. Исследования ионных отношений в экстремальных океанических условиях (течениях, фронтальных и вихревых образованиях) заметно отставали. Все это стало дополнительным стимулом для выбора темы настоящей диссертации.
Цель .работы и основные задачи исследования.. Целью настоящей диссертации является изучение формирования структуры поля калия и отношения K/CI в условиях струйных течений на примере системы вод Куросио-Ойясио и Экваториальных течений Индийского океана.
Выбор районов системы вод Куросио-Ойясио" с ее сложной термо-халинной структурой, динамикой вод (меандрированием, фронтальными и вихревыми образованиями) наиболее подходит для выполнения поставленной цели. Район экваториальных течений Индийского океана, с его специфическими особенностями и с другой природой, и характером циркуляции, приводится в качестве сравнения с системой вод Куросио--Ойясио с целью выявления общих черт и особенностей структуры ПОЛЯ калия и изменчивости отношения K/CI. Осуществление намеченной цели достигалось решением следующих задач:
-
Модификация потенциометрического метода определения калия в морской воде.
-
Изучение структуры поля калия и отношения K/CI в условиях взаимодействия вод Куросио-Ойясио в Субарктическом фронте северо--западной части Тихого океана.
-
Изучение структуры поля калия и отношения K/CI при меанд-рировании и вихреобразовании системы вод Куросио.
-
Изучение структуры поля калия и отношения K/CI в водах системы экваториальных течений Индийского океана.
Для решения поставленных задач использовались экспериментальные данные по калию (3000 проб), содености, температуре, полученные ав-
тором в экспедициях на НИС "Академик А.Несмеянов" и "Академик А.Виноградов" за период 1983 - 1992 г.г. Значительная часть экс^ периментального материала,привлекавшегося в работе, не представ лена впрямую в связи с ограничением объема диссертации. Приведе: ный материал отражает лишь малую долю фактического материала, и пользовавшегося для анализа и выводов,полученных в данной работ
На защиту выносятся следующие положения:
-
Судовая экспресс-методика определения калия в морской е
-
Изменчивость структуры поля калия и отношения К/СІ в Cj арктическом фронте северо-западной части Тихого океана.
-
Изменчивость структуры поля калия и отношения K/CI при меандрировании начала Куросио и вихреобразовании к 'востоку от Тайваня.
-
Изменчивость структуры поля калия и отношения К/СІ в сі теме экваториальных течений Индийского океана.
-
Общие закономерности и некоторые особенности изменчиво' структуры поля калия и отношения К/СІ в системе течений вод Куросио-Ойясио и экваториальных течениях Индийского океана.
Методы исследования. Калий в морской воде определялся с мощью судовой экспресс-методики, основанной на принципах потен циометрического метода анализа воды (Мидгли, 1980), модифииирс ванного автором диссертации совместно с А.А.Исаевой. Соленості измерялась методом электропроводности с помощью солемера ГМ-6Ї пробы отбирались батометрами БМ-48 и батометрами Нискина. Для выделения течений использовался опубликованный материал по те чениям (атласы, статьи, справочники), а также качественные пр наки, которые широко используются в океанологических исследованиях (термохалинные индексы, T,S - кривые), для качественно
анализа вертикальных движений использовалась впроксимация Иванова и Неймана (1964). Также при анализе полученных экспериментальных данных использовался метод Т,$-анализа совместно с K,S-кризыми, позволяющий более точно выделять границы различных вод.
На^чная_новизна. Была усовершенствована методика потенцио-метрического определения калия в морской воде, позволяющая производить измерения калия непосредственно после отбора. Усовершенствование было достигнуто следующим образом: использованием прецизионного потенциометра P-363-I, класса точности 0,001, который на порядок выше используемых в настоящее время в других методиках; системой термостатирования измеряемой пробы в пределах і 0,05С проточной измерительной ячейки; рядом новшеств методического характера, позволяющих уменьшить погрешность измерений до 0,1 %.
Впервые были получены детальные вертикальные разрезы распределения калия и отношения К/СІ в динамически активных районах, какими являются системы вод Куросио-Ойясио и Экваториальные течения Индийского океана. На основании полученных новых данных о распределении калиевых характеристик по глубине были получены общие закономерности изменчивости калиевых характеристик в различных друг от друга районах. Они заключаются в следующем: наибольшие вариации отношения К/СІ приурочены к поверхностям раздела различных вод; скачкообразное изменение отношения К/СІ (нарушение симбатной зависимости концентрации калия в поле солености) обнаружено при взаимодействии вод различного происхождения; при взаимодействии вод, близких по происхождению, отмечается плавный переход изменчивости отношения К/СІ (сохранение симбатной зависимости концентрации калия от солености). Выявлена основополагающая роль динамических процессов в изменчивости калиевых характеристик.
- б -
Практическая_значимость_2аботаі Результаты работы и сделанные в ней выводы, обобщения будут весьма полезны для уточнения структуры вод в океанологических исследованиях. Приведенные в работе общие закономерности и некоторые особенности изменчивости калиевых характеристик могут'служить основой для выявления механизма вариаций К/СІ в частности и ионных отношений в целом. Изучение изменчивости отношения К/СІ с учетом гидродинамической концепции может являться необходимым звеном при ПОСТрО' ении теории изменчивости ионных отношений в будущем. ИСПОЛЬЗОВЭ' ние калиевых характеристик в океанологических исследованиях могут представлять не только теоретический интерес в плане разработки концепции модели водного раствора с вариациями ионных отношений, но и практический интерес, например для изучения естественного радиоактивного фона, который необходим при изучении радиоактивного загрязнения вод морей и океанов. Изменчивость от' ношения К/СІ приводит к дифференциации водной среды на активные периферийные зоны взаимодействия и сравнительно инертные внутренние области водных масс. Учитывание таких зон, по-видимому, мо гут представлять интерес для нужд практического рыболовства, по скольку в активных периферийных зонах активизируются биологичес кие процессы.
Личный_вклад_автора. Весь экспериментальный материал, на к тором основана диссертация, получен автором в экспедициях на судах ДВО РАН. Большая часть экспериментального материала была получена совместно с Исаевой А.А. Автором была сконструирована карданная подвеска для использования прецизионного потенциометр в судовых условиях, также система термостатирования пробы, что позволяет проводить измерения калия в пробах морской воды непосредственно сразу после отбора. Кроме того, автор участвовал в
отборе проб морской воды, измерениях калия, солености, обработке результатов измерений, оформлении графического материала. Подбор материалов, расчет и анализ изменчивости калиевых характеристик, течений в исследуемых районах, написание большей части статей и тезисов выполнены по инициативе автора и им лично.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на ІУ Всесоюзной конференции "Мировой океан" (1983), на 3-м съезде Советских океанологов (1987), на Российско-Тайваньской конференции (Владивосток, 1993г.), а также на семинарах в научно-исследовательских экспедициях.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей и 3 тезисов. Из них две статьи в Докладах академии наук, одна в ВИНИТИ и две статьи в зарубежных журналах, 2 тезисов на Всесоюзных конференциях и одни тезисы доклада на 3-м съезде океанологов. Результаты исследований по калию и изменчивости K/CI в Субарктическом фронте и Экваториальном районе Индийского океана вошли в результаты "Достижений года" за 1988 год по Академии наук от ДВО АН СССР.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, включает 23 рисунка, 2 таблицы и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы, представленного 131 названием работ отечественных и зарубежных авторов.
Похожие диссертации на Экспериментальные исследования структуры поля калия и изменчивости отношения K/Cl в толще вод некоторых динамически активных районов Тихого и Индийского океанов
