Xem mẫu
- 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
nguon tai.lieu . vn
