В чем измеряется соленость воды в океане: В чем измеряется соленость воды в океане?

Содержание

В чем измеряется соленость воды в океане?

Солёность

Стандартная морская вода производства OSIL

Солёность — содержание солей в воде. Измеряется в «‰» (промилле) или в ПЕС (практические единицы солёности), PSU (англ. Practical Salinity Units) практической шкалы солёности (англ. Practical Salinity Scale).

Содержание некоторых элементов в морской воде

Элемент
Хлор	19 500
Натрий	10 833
Магний	1 311
Сера	910
Кальций	412
Калий	390
Бром	65
Углерод	20
Стронций	13
Бор	4,5
Фтор	1,0
Кремний	0,5
Рубидий	0,2
Азот	0,1

Солёность в промилле — это количество твёрдых веществ в граммах, растворённое в 1 кг морской воды, при условии, что все галогены заменены эквивалентным количеством хлора, все карбонаты переведены в оксиды, органическое вещество сожжено.

В 1978 году введена и утверждена всеми международными океанографическими организациями шкала практической солёности (Practical Salinity Scale 1978, PSS-78), в которой измерение солёности основано на электропроводности (кондуктометрия), а не на выпаривании воды. В 1970-х годах широкое применение в морских исследованиях получили океанографические CTD-зонды, и с тех пор солёность воды измеряется в основном электрическим методом. Для поверки работы ячеек электропроводности, которые погружаются в воду, используют лабораторные солемеры. В свою очередь, для проверки солемеров используют стандартную морскую воду. Стандартная морская вода, рекомендованная международной организацией IAPSO для поверки солемеров, производится в Великобритании лабораторией Ocean Scientific International Limited (OSIL) из натуральной морской воды. При соблюдении всех стандартов измерения можно получить точность измерения солёности до 0,001 ПЕС.

Шкала практической солёности PSS-78 основана на сравнении электропроводности исследуемой пробы воды с электропроводностью раствора хлорида калия, содержащего 32,4356 грамма KCl в 1 кг раствора.{5/2},}(ПЕС)

K 15 {\displaystyle K_{15}} — относительная электропроводность (отношение электропроводности измеряемой морской воды к электропроводности 32,4356 ‰ раствора хлорида калия) при стандартных условиях.

Шкала PSS-78 даёт числовые результаты, близкие к измерениям массовых долей, и различия заметны либо когда необходимы измерения с точностью выше 0,01 ПЕС, либо когда солевой состав не соответствует стандартному составу океанской воды.

Средняя солёность Мирового океана — 35 ‰ или 35 ПЕС. Для калибровки приборов в Бискайском заливе добывается так называемая нормальная вода с солёностью, близкой к 35 ‰ или 35 ПЕС.

Показатель преломления воды зависит от солёности, на этом основан рефрактометрический метод её измерения. Преимущества этого метода в оперативности и возможности проводить измерения в небольших (несколько капель) пробах воды.

Соленость. Определение солености

Как уже отмечалось выше, отличительным свойством морской воды является ее соленость (обозначается символом S). Под истинной соленостью понимается отношение массы растворенного твердого вещества в морской воде к ее массе. Это определение солености было принято в начале прошлого века Международным советом по исследованию морей.

Из-за сложности состава морской воды невозможно прямым химическим анализом определить полное количество соли, растворенное в пробе морской воды. Сухой остаток, получаемый после выпаривания, очень хорошо впитывает влагу и для его получения требуется длительное нагревание, приводящее к разложению карбонатов и солей магния. Группа ученых, в которую входили М. Кнудсен, К. Соренсен и С. Форх, разработали метод обезвоживания в среде хлора, который давал высокоточные результаты. Но этот метод слишком сложен, и на практике соленость морской воды им никогда не измеряется.

В настоящее время соленость определяется либо по содержанию одного из компонентов солевого состава (метод Мора- Кнудсена), либо по электропроводности морской воды, либо по показателю преломления. В результате возникли различные шкалы солености, основанные на различных принципах. Единица измерения солености зависит от способа ее определения — г кг’1 или %о (промилле) в случае метода Кнудсена и в единицах практической солености при определении S по электропроводности.

Метод Мора-Кнудсена основан на постоянстве солевого состава морской воды. Вследствие возможных отклонений от закона Дитмара определение всей массы растворенных солей по содержанию одного из компонентов не совсем точно, но не столь существенно по сравнению с точностью самого определения солености. В этом методе соленость (96о) определяется по хлорно- сти (С1) морской воды, представляющей собой сумму ионов хлора, брома и йода и полученную стандартным аргентометрическим методом титрования на хлор. Соотношение между соленостью и хлорностью для океанских вод выражается эмпирической формулой:

Эта формула была получена в 1901 г. М. Кнудсеном. Она справедлива для диапазона солености морских вод от 2,69 до 40,18 %о. Отметим, что для замкнутых морей (Каспийское, Аральское), а также внутриматериковых морей (Балтийское, Черное, Азовское) соотношения между соленостью и хлорностью отличаются от (3.34) .

Наличие в (3.34) свободного члена приводит к тому, что соленость оказывается величиной неаддитивной. В то же время известно, что соленость — величина консервативная, подчиняющаяся линейному закону смешения. Для устранения этого противоречия в 1962 г. группой экспертов при ЮНЕСКО была предложена следующая формула (шкала Кокса):

? %о = 1,80655-0 %о . (3.35)

Для определения солености по электропроводности (см. раздел 8.1) была разработана Шкала практической солености, 1978 г. (ШПС-78) . Эта шкала основана на эмпирической зависимости от электропроводности не природных вод, а растворов стандартной морской воды. Первичным эталоном в этом методе служит водный раствор хлористого калия (KCI) при температуре 15° С и давлении в одну стандартную атмосферу (101325 Па).

Практическая соленость вычисляется по следующей эмпирической формуле:

В выражении (3.36) Rj обозначает относительную электропроводность, равную отношению электропроводности пробы воды к электропроводности воды с соленостью 35 при атмосферном давлении. Обе пробы должны иметь температуру 15° С.

Относительная электропроводность RT по данным измерений in situ рассчитывается следующим образом. Пусть у(S,T,p) — условная электропроводность морской воды in situ (см. раздел 8.1), у(35,15,0) — условная электропроводность морской воды при 7=15° С, практической солености 35 и атмосферном давлении (4,2914 См м’1). Величина

называется коэффициентом электропроводности.

Этот коэффициент можно разложить на три части:

Формула (3.36) справедлива в диапазонах температуры Т от -2° до 35° С по МПТШ-68, практической солености S от 2 до 42 и давлении от 0 до 1000 бар. Зависимость практической солености морской воды от электропроводности и температуры показана на рис. 3.1.

Соленость в Мировом океане главным образом заключена в пределах между 33 и 37%о. Исключение составляют приустьевые районы, бассейны опреснения (такие как Балтийское и Черное моря), где соленость значительно уменьшается, и бассейны осо- лонения (Средиземное и Красное моря), где соленость превышает 38 %о. Средняя соленость вод Мирового океана — 34,72%о.

Рис. 3.1. Зависимость практической солености морской воды от электропроводности и температуры по ШПС-78

С глубиной соленость воды в разных районах Мирового океана изменяется по-разному. В Черном море, например, увеличивается. В Атлантическом океане сначала растет (воды повышенной солености), затем понижается и снова повышается. В таблице 3.4 приведены средние значения солености воды в Мировом океане. Если бы удалось выделить из океана всю растворенную в нем соль, то она покрыла бы весь земной шар слоем соли толщиной более 40 м и весом 95 тонн на 1 м2!

Отметим, что при написании практической солености знак %о опускается. Некоторые отечественные исследователи для обозначения практической солености пользуются аббревиатурой епс (единицы практической солености), в англоязычной литературе эта аббревиатура выглядиттак: psu или PSS-78.

Что такое соленость морской воды, и в каких единицах она измеряется?

Концентрация растворенных в воде веществ характеризуется соленостью, которая измеряется в промилле (%о), т. е. в граммах вещества на 1 кг воды.

Линии на карте, соединяющие точки с одинаковой соленостью, называют изогалинами (изохалинами).

Соленость пресной воды в среднем равна 0,146 %о, а морской — в среднем 35 %о. Растворенные в воде соли придают ей горько-соленый вкус.

Около 27 из 35 граммов составляет хлористый натрий (поваренная соль), поэтому вода соленая. Соли магния придают ей горький вкус.

Поскольку вода в океанах образовалась из горячих соленых растворов земных недр и газов, соленость ее была изначальной. Есть основания предполагать, что на первых этапах формирования океана его воды по солевому составу мало отличались от речных. Различия наметились и стали усиливаться после преобразования горных пород в результате их выветривания, а также развития биосферы. Современный солевой состав океана, как показывают ископаемые остатки, сложился не позже протерозоя.

Помимо хлоридов, сульфитов и карбонатов в морской воде обнаружены почти все известные на Земле химические элементы, в том числе и благородные металлы. Однако содержание большинства элементов в морской воле ничтожно, например, золота в кубометре воды выявлено лишь 0,008 мг, а на наличие олова и кобальта указывает их присутствие в крови морских животных и в донных осадках.

Соленость океанских вод — величина не постоянная. Она зависит от климата (соотношения осадков и испарения с поверхности океана), образования или таяния льдов, морских течений, вблизи материков — от притока пресных речных вод.

В открытом океане соленость колеблется в пределах 32- 38%; в окраинных и средиземных морях колебания ее значительно больше.

Особенно сильно на соленость вод до глубины 200 м влияет количество выпадающих атмосферных осадков и испарение. Исходя из этого, можно говорить, что соленость морской воды подвержена закону зональности.

В экваториальных и субэкваториальных районах соленость составляет 34 %с, потому что количество выпадавших осадков больше воды, затраченной на испарение. В тропических и субтропических широтах — 37 так как осадков мало, а испарение велико. В умеренных широтах — 35 %о. Наименьшая соленость морской воды наблюдается в приполярных и полярных областях — всего 32 так как количество осадков превышает испарение.

Морские течения, сток речных вод и айсберги нарушают зональную закономерность солености. Например, в умеренных широтах Северного полушария соленость вод больше около западных берегов материков, куда с помощью течений приносятся более соленые субтропические воды, меньшая соленость воды — у восточных берегов, куда холодные течения приносят менее соленую воду.

Сезонное изменение солености воды происходит в приполярных широтах: осенью за счет образования льда и уменьшения силы речного стока соленость увеличивается, а весной-летом за счет таяния льда и усиления речного стока соленость уменьшается. Вокруг Гренландии и Антарктиды в летний период соленость становится меньше в результате таяния близлежащих айсбергов и ледников.

Самый соленый из всех океанов — Атлантический океан, наименьшую соленость имеют воды Северного Ледовитого океана (особенно у азиатского побережья, близ устьев сибирских рек — менее 10 %о).

Среди частей океана — морей и заливов — максимальная соленость наблюдается в областях, ограниченных пустынями, например, в Красном море — 42 %с, в Персидском заливе — 39 %с.

От солености воды зависят ее плотность, электропроводность, образование льда и многие другие свойства.

Что такое плотность морской воды?Как влияет изменение плотности морской воды (солености, температура) на осадку судна?

Плотность воды. Температура и соленость — главные факторы, обусловливающие плотность воды.

Для морской воды, чем ниже температура и выше соленость, тем больше плотность воды. Так, при солености 35 %о и температуре 0 °С плотность морской воды составляет 1,02813 г/см3 (масса каждого кубометра такой морской воды на 28,13 кг больше, чем соответствующего объема дистиллированной воды). Температура морской воды наибольшей плотности не +4 °С, как у пресной, а отрицательная (-2,47 °С при солености 30 %с и -3,52 °С при солености 35 %о.

Благодаря нарастанию солености плотность воды увеличивается от экватора к тропикам, а в результате понижения температуры — от умеренных широт к Полярным кругам. Зимой происходит опускание полярных вод и их движение в придонных слоях к экватору, поэтому глубинные воды Мирового океана в целом холодные, но обогащенные кислородом.

При переходе судна из одного водного бассейна в другой изменяется соленость (плотность) забортной воды. При плавании в воде плотностью ρ и ρ1водоизмещение судна соответешенно будет:

D = ρ×V и D = ρ1×V1,

где V — объемное водоизмещение судна до перехода в воду другой плотности;
V1 — объемное водоизмещение судна после перехода.
приравнивая правые части равенств, получим:

ρ×V = ρ1×V1или V/V1= ρ1/ρ

Объемное водоизмещение можно выразить через главныеразмерення L, В, Т и коэффициент общей полноты:

V = δ×L×B×T и V1 = δ1×L1×B1×T1

При малых изменениях объемного водоизмещения, например при изменении солености воды, длина, ширина и коэффициент общей полноты практически не изменяются. В этом случае изменение водоизмещения происходит за счет изменения осадки. Таким образом:

ρ×T = ρ1×T1или T/T1= ρ1/ρ

Следовательно, при переходе судна из воды одной солености в воду другой солености осадка его изменяется примерно обратно пропорционально плотности воды.
Изменение объемного водоизмещения определяется с помощью выражения:

ΔV = V1 — V = D/ ρ1 — D/ ρ = D(ρ — ρ1)/(ρ×ρ1) или ΔV = V×(ρ — ρ1)/ρ1

Изменение объемного водоизмещения ΔV можно также рассчитать как объем слоя с основанием, равным площади действующей ватерлинии S (практически неизменной в пределах малых изменений осадки), и высотой, равной изменению средней осадки ΔТ, т.е. V = S×ΔT. Тогда:

S×ΔТ = V×(ρ — ρ1)/ρ1

Отсюда:

ΔТ = V/S × (ρ — ρ1)/ρ1или ΔТ = D/(S×ρ) × (ρ — ρ1)/ρ1

При переходе судна из пресной воды (ρ = 1,0 т/м3 ) в морскую (ρ = 1,025 т/м3):

Недавно нас спросили про то, как определяют солёность воды. Рассказываем 🤓 От солёности воды зависит распределение и движение водных масс Мирового океана в горизонтальном и вертикальном направлении. Солей в океане так много, что, если их вычленить из водоёмов, то они покроют планету сорокаметровым слоем. Солёность воды – это не только содержание соли [NaCl], это количество всех твёрдых минеральных растворённых веществ [хлоридов, сульфатов, карбонатов и др.] в 1 кг воды в граммах. Она измеряется в ЕПС – единицах практической солёности [PSU, Practical Salinity Units] или в промилле [‰].
Средняя солёность морской воды в Мировом океане – 35‰, но она варьируется в зависимости от моря, сезона, глубины, течений, волн, осадков и многого другого. Есть прямые и косвенные методы измерения солёности воды. Прямыми методами измеряется непосредственно сама солёность воды. А косвенными – измеряют характеристики, зависящие от неё. 🔹 Прямые методы
Самый простой и ненадёжный способ – органолептический, то есть определение на вкус. Таким методом пользовались моряки, когда искали источники пресной воды во время длительных плаваний вдоль незнакомых берегов. Причём солёный вкус морской воде придают хлорид-ионы [входят в состав поваренной соли], а горький – сульфат-ионы, ионы кальция и магния [входят в состав английской соли].
Интересно, что за последние 200-300 млн лет солевой состав вод мирового океана не изменился. Самый очевидный и трудоёмкий способ – способ прямого химического анализа – выпаривание воды из пробы. Но в морской воде присутствуют все элементы из периодической системы Менделеева и невозможно определить точное количество соли. Кроме того, остаток хорошо впитывает влагу и для его получения требуется длительное нагревание, поэтому от этого способа отказались. 🔹 Косвенные методы
Ареометрический метод – измерение плотности [удельного веса] проб морской воды – чем вода солонее, тем она плотнее. Метод достаточно простой и точный: плотность измеряется с помощью ареометра [стеклянного цилиндра-поплавка со шкалой]. Его опускают в пробу: чем глубже он погрузился, тем меньше плотность воды. По шкале снимают значение плотности, и по специальным таблицам пересчитывают в солёность. Сейчас этот метод используется на прибрежных станциях и постах. А вы, наверное, часто замечали, что в солёных водоёмах, чтобы держаться на плаву, порой и усилий прилагать не надо. Это как раз действие солёной плотной воды. Самыми точными косвенными способами определения солёности воды считаются аргентометрический метод и метод, основанный на измерении электропроводности. Аргентометрический метод или метод Мора-Кнудсена основан на законе Дитмара. Дело в том, что соотношение между главными ионами морской воды постоянно, поэтому, узнав количество одного, можно рассчитать суммарную солёность. В этом методе солёность определяется по хлорности морской воды, представляющей собой сумму ионов хлора, брома и йода. Соотношение между солёностью и хлорностью для океанских вод высчитывается по формуле, которую в 1901 году разработал М. Кнудсен. Содержание хлора можно определить по нескольким последовательным химическим реакциям с помощью титровальной установки. Этот способ очень точный, но трудоёмкий. Самый распространённый и актуальный на сегодняшний день – метод измерения электропроводности – один из наиболее точных и быстрых методов определения солёности морской воды. Он строится на том, что электропроводность морской воды напрямую зависит от количества содержащихся в ней неорганических солей. Для измерения электропроводности создано огромное количество приборов [кондуктометров]: от маленьких переносных до стационарных лабораторных. На наших научно-экспедиционных судах «Академик Фёдоров» и «Академик Трёшников» установлены лабораторные солемеры AUTOSAL 8400В, позволяющие измерить солёность с точностью до 0,0001 ЕПС. А в одном из следующих постов мы расскажем, где в океане найти мёртвую воду и почему солёную воду не стоит пить [по крайней мере дольше недели]. Фото: Сергей Кашин. #академикфёдоров #академиктрёшников… — Арктический и антарктический научно-исследовательский институт. ААНИИ

Недавно нас спросили про то, как определяют солёность воды. Рассказываем 🤓

От солёности воды зависит распределение и движение водных масс Мирового океана в горизонтальном и вертикальном направлении. Солей в океане так много, что, если их вычленить из водоёмов, то они покроют планету сорокаметровым слоем.

Солёность воды – это не только содержание соли [NaCl], это количество всех твёрдых минеральных растворённых веществ [хлоридов, сульфатов, карбонатов и др.] в 1 кг воды в граммах. Она измеряется в ЕПС – единицах практической солёности [PSU, Practical Salinity Units] или в промилле [‰].
Средняя солёность морской воды в Мировом океане – 35‰, но она варьируется в зависимости от моря, сезона, глубины, течений, волн, осадков и многого другого.

Есть прямые и косвенные методы измерения солёности воды. Прямыми методами измеряется непосредственно сама солёность воды. А косвенными – измеряют характеристики, зависящие от неё.

🔹 Прямые методы
Самый простой и ненадёжный способ – органолептический, то есть определение на вкус. Таким методом пользовались моряки, когда искали источники пресной воды во время длительных плаваний вдоль незнакомых берегов. Причём солёный вкус морской воде придают хлорид-ионы [входят в состав поваренной соли], а горький – сульфат-ионы, ионы кальция и магния [входят в состав английской соли].
Интересно, что за последние 200-300 млн лет солевой состав вод мирового океана не изменился.

Самый очевидный и трудоёмкий способ – способ прямого химического анализа – выпаривание воды из пробы. Но в морской воде присутствуют все элементы из периодической системы Менделеева и невозможно определить точное количество соли. Кроме того, остаток хорошо впитывает влагу и для его получения требуется длительное нагревание, поэтому от этого способа отказались.

🔹 Косвенные методы
Ареометрический метод – измерение плотности [удельного веса] проб морской воды – чем вода солонее, тем она плотнее. Метод достаточно простой и точный: плотность измеряется с помощью ареометра [стеклянного цилиндра-поплавка со шкалой]. Его опускают в пробу: чем глубже он погрузился, тем меньше плотность воды. По шкале снимают значение плотности, и по специальным таблицам пересчитывают в солёность. Сейчас этот метод используется на прибрежных станциях и постах. А вы, наверное, часто замечали, что в солёных водоёмах, чтобы держаться на плаву, порой и усилий прилагать не надо. Это как раз действие солёной плотной воды.

Самыми точными косвенными способами определения солёности воды считаются аргентометрический метод и метод, основанный на измерении электропроводности.

Аргентометрический метод или метод Мора-Кнудсена основан на законе Дитмара. Дело в том, что соотношение между главными ионами морской воды постоянно, поэтому, узнав количество одного, можно рассчитать суммарную солёность. В этом методе солёность определяется по хлорности морской воды, представляющей собой сумму ионов хлора, брома и йода. Соотношение между солёностью и хлорностью для океанских вод высчитывается по формуле, которую в 1901 году разработал М. Кнудсен. Содержание хлора можно определить по нескольким последовательным химическим реакциям с помощью титровальной установки. Этот способ очень точный, но трудоёмкий.

Самый распространённый и актуальный на сегодняшний день – метод измерения электропроводности – один из наиболее точных и быстрых методов определения солёности морской воды. Он строится на том, что электропроводность морской воды напрямую зависит от количества содержащихся в ней неорганических солей. Для измерения электропроводности создано огромное количество приборов [кондуктометров]: от маленьких переносных до стационарных лабораторных. На наших научно-экспедиционных судах «Академик Фёдоров» и «Академик Трёшников» установлены лабораторные солемеры AUTOSAL 8400В, позволяющие измерить солёность с точностью до 0,0001 ЕПС.

А в одном из следующих постов мы расскажем, где в океане найти мёртвую воду и почему солёную воду не стоит пить [по крайней мере дольше недели].

Фото: Сергей Кашин.

#академикфёдоров #академиктрёшников #исследования_аании

Рефрактометры для морской воды | ATAGO

Море. Морская вода. Морская аквариумистика. Измерение солености и удельного веса морской воды. Самый главный параметр, характеризующий химический состав морской воды — солёность. Солёность ничто иное, как общее количество сухого остатка вещества, выпаренного из 1 килограмма морской воды. Соленость морской воды выражается в промилле и обозначается как ‰. Средняя солёность вод на поверхности Мирового океана около 34,7‰. В тропической зоне солёность воды около 35,2‰. Наименьшая соленость наблюдается в высоких широтах, что объясняется малым испарением, значительным количеством осадков, большим речным стоком (в Северном полушарии), таянием льдов в летнее время. В прибрежных зонах, где пресная вода рек впадает в море или океан, существуют опресненные зоны, где соленость воды может достигать до 2‰, например, Финский залив. Самую высокую соленость в этих широтах имеет Атлантический океан (37,9‰), в Индийском и Тихом океанах она не превышает 36–36,5‰. В экваториальной полосе соленость несколько ниже (34-35‰), чем в тропиках, так как здесь большее количество осадков и меньше испарения. Зональное распределение солености на поверхности океана местами нарушается течениями. Такие течения как Гольфстрим и Северо-Атлантическое переносят теплые, более соленые воды из тропиков в северные широты.

Другими словами, Мировому океану свойственна зональность, по содержанию морской соли в водах. Рифовые аквариумы. В рифовом аквариуме солёность воды необходимо держать на уровне 33-35‰, удельный вес на уровне 1,024-1,025 S.G. Со временем часть воды в аквариуме испаряется, и солёность начинает повышаться. Взамен испарившейся воды в аквариум доливают пресную воду. Рекомендуется отметить первоначальный уровень воды в аквариуме и доливать каждый день пресную воду небольшими порциями. При использовании САМПа, чистую воду рекомендуется вводить в систему именно через САМП, во избежание сильных скачков. Скимер, он же — пеноотделитель, с пеной удаляет небольшое количество соли из воды в виде раствора. В этом случае поднять концентрацию соли можно путем долива соленой воды взамен испарившейся. Поэтому контроль солености воды в аквариуме — приоритетная задача любого аквариумиста. Контроль солёности воды в аквариуме следует делать не реже 1 раза в неделю, желательно чаще. Морских рыбы без труда переносят изменения солености воды, кораллы очень тяжело, даже в пределах 2-3 промилле особенно в сторону её понижения.

Контроль солености морской воды. Соленость и удельный вес в морском аквариуме лучше всего измерять рефрактометрическим способом. Измерение рефрактометром показателя преломления (ПП) является самым простым и надежным методом, так как в приборе есть температурная компенсация и его показания основаны на свойстве отношения скоростей света в граничащих средах и поэтому безошибочен. Ниже приведены описания рефрактометров PAL-06S (Измерение солености в ‰), PAL-07S (Измерение удельного веса S.G.), Master-S/Mill alpha (две шкалы) с функцией АТК, Master-S/Mill M (две шкалы) без АТК. Все эти прибры можно отнести к рефрактометрам для морского аквариума.

Солёность — это… Что такое Солёность?

Стандартная морская вода производства OSIL.

Солёность — содержание солей в воде.

Описание

Измеряется в «‰» («промилле») или единицах PSU (Practical Salinity Units) практической шкалы солености (Practical Salinity Scale).

Солёность в промилле это количество твёрдых веществ в граммах, растворённое в 1 кг морской воды, при условии, что все галогены заменены эквивалентным количеством хлора, все карбонаты переведены в окислы, органическое вещество сожжено.

В 1978 году введена и утверждена всем международными океанографическими организациями шкала практической солености (Practical Salinity Scale 1978, PSS-78)^[1] в которой измерение солёности основано на электропроводности (кондуктометрия), а не на выпаривании воды. В 1970-х годах широкое применение в морских исследованиях получили океанографические CTD зонды, и с тех пор солёность воды измеряется в основном электрическим методом. Для поверки работы ячеек электропроводности, которые погружаются в воду используют лабораторные солемеры, такие как Guildline Autosal 8400. В свою очередь, для проверки солемеров используют стандартную морскую воду. Стандартная морская вода, рекомендованная международной организацией IAPSO для поверки солемеров, производится в Великобритании лабораторией Ocean Scientific International Limited (OSIL) из стандартной морской воды. При соблюдении всех стандартов измерения можно получить точность измерения солёности до 0,001 единицы PSU.

Шкала PSS-78 даёт числовые результаты близкие к измерениям массовых долей, и различия заметны либо когда необходимы измерения с точностью выше 0,01 PSU, либо когда солевой состав не соответствует стандартному составу океанской воды.

Средняя солёность мирового океана — 35 ‰ или PSU. Для калибровки приборов в Бискайском заливе добывается так называемая нормальная вода с солёностью близкой к 35 ‰ или PSU.

Показатель преломления воды зависит от солености, на этом основан рефрактометрический метод её измерения. Преимущества этого метода в оперативности и возможности проводить измерения в небольших (несколько капель) пробах воды.

Содержание некоторых элементов в морской воде

Содержание некоторых элементов в морской воде
Элементы	Содержание, мг/л	Элементы	Содержание, мг/л
Хлор	19 500	Углерод	20
Сера	910	Стронций	13
Натрий	10 833	Бор	4.5
Калий	390	Кремний	0.5
Магний	1 311	Фтор	1.0
Кальций	412	Рубидий	0.2
Бром	65	Азот	0.1

Солёность по географическим объектам

Солёность океанов

Cредняя солёность Мирового океана — 35‰

Атлантический океан -35,4 ‰ Наибольшая солёность поверхностных вод в открытом океане наблюдается в субтропической зоне (до 37,25 ‰), а максимум в Средиземном море — 39 ‰. В экваториальной зоне, где отмечено максимальное количество осадков, солёность снижается до 34 ‰. Резкое опреснение воды происходит в приустьевых районах (например, в устье Ла-Платы 18—19 ‰)^[2].
Индийский океан -34,8 ‰. Максимальная солёность поверхностных вод наблюдается в Персидском заливе и Красном море, где она достигает 40—41 ‰. Высокая солёность (более 36 ‰) также наблюдается в южном тропическом поясе, особенно в восточных районах, а в северном полушарии также в Аравийском море. В соседнем Бенгальском заливе за счёт опресняющего влияния стока Ганга с Брахмапутрой и Иравади солёность снижается до 30—34 ‰. Повышенная солёность соотносится с зонами максимального испарения и наименьшего количества атмосферных осадков. Пониженная солёность (менее 34 ‰) характерна для приарктических вод, где сказывается сильное опресняющее действие талых ледниковых вод. Сезонное различие солёности значительно только в антарктической и экваториальной зонах. Зимой опресненные воды из северо-восточной части океана переносятся муссонным течением, образуя язык пониженной солёности вдоль 5° с. ш. Летом этот язык исчезает. В арктических водах в зимнее время солёность несколько повышается за счёт осолонения вод в процессе лёдообразования. От поверхности ко дну океана солёность убывает. Придонные воды от экватора до арктических широт имеют солёность 34,7—34,8 ‰^[2].
Тихий океан — 34,5 ‰. Максимальную солёность имеют тропические зоны (максимально до 35,5—35,6 ‰), где интенсивность испарений сочетается со сравнительно небольшим количеством осадков. К востоку под влиянием холодных течений солёность понижается. Большое количество осадков также понижает солёность, особенно на экваторе и в зонах западной циркуляции умеренных и субполярных широт^[2].
Северный Ледовитый океан — 35‰. В Северном Ледовитом океане выделяются несколько слоёв водных масс. Поверхностный слой имеет низкую температуру (ниже 0 °C) и пониженную солёность. Последняя объясняется распресняющим действием речного стока, талых вод и очень слабым испарением. Ниже выделяется подповерхностный слой, более холодный (до −1,8 °C) и более солёный (до 34,3 ‰), образующийся при перемешивании поверхностных вод с подстилающим промежуточным водным слоем. Промежуточный водный слой — это поступающая из Гренландского моря атлантическая вода с положительной температурой и повышенной солёностью (более 37 ‰), распространяющаяся до глубины 750—800 м. Глубже залегает глубинный водный слой, формирующийся в зимнее время также в Гренландском море, медленно ползущий единым потоком от пролива между Гренландией и Шпицбергеном. Температура глубинных вод около −0,9 °C, солёность близка к 35 ‰.^[2].

Солёность морей

Солёность озер

Примечания

↑ Шкала практической солёности PSS-78 основана на сравнении электропроводности исследуемой пробы воды с электропроводностью раствора хлорида калия, содержащего 32,4356 грамма KCl в 1 кг раствора. Измерения проводят при температуре растворов 15 °C и давлении 1 атм. Солёность рассчитывается из отношения электропроводности пробы и стандартного раствора по эмпирической формуле.
↑ ¹ ² ³ ⁴ Физическая география материков и океанов / Под общей ред. А.М.Рябчикова. — М.: Высшая школа, 1988. — С. 540—546.
↑ Средиземное море — статья из Большой советской энциклопедии
↑ Азовское море и его охрана // Мариуполь и его окрестности: взгляд из XXI века — Мариуполь: Рената, 2008. СС. 332
↑ Don Juan Pond and Lake Vanda Photo Gallery by Suze at pbase.com. Архивировано из первоисточника 16 декабря 2012.

Ссылки

Соленость морской воды и изменение климата

В пятницу 10 июня аэрокосмическое агентство НАСА вывело на околоземную орбиту спутник, который будет замерять содержание соли в мировом океане. Ученые надеются выяснить: как изменения в океанических потоках и солености морской воды влияют на процесс глобального изменения климата.

Большая часть круговорота воды в природе происходит над океанами. Десятилетиями проводя измерения с помощью устанавливаемых на воде датчиков, ученые отметили изменения в круговороте воды и океанических течениях, которые происходят одновременно с потеплением климата.

Изменения в круговороте привели к постепенному охлаждению поверхности воды в одних местах и ее потеплению – в других.

Чтобы получить общее представление о том, как круговорот воды влияет на климат, ученые будут замерять соленость морской воды с помощью спутника Aquarius («Водолей»).

Эта орбитальная обсерватория стоимостью 287 млн долларов сможет измерять содержание соли с точностью до одной восьмой чайной ложки на галлон воды (1 галлон – 3,8 литра).

Гари Лагерлофф из некоммерческого Института геологических и естественных наук (Earth and Science Research Institute) в Сиэтле – ведущий научный сотрудник миссии Aquarius.

«Одна из главных проблем климатологии – выяснить, меняется ли цикл круговорота воды, – говорит он. – Согласно многим климатическим прогнозам, такие изменения будут сопутствовать потеплению климата. Однако замерить эти изменения невероятно трудно».

Aquarius будет создавать ежемесячные карты океанских и морских течений. Содержание соли выше в тех районах, где ее испаряется больше, чем выпадает в осадках, и, наоборот, ниже там, где осадки доминируют над испарением.

Спутник Aquarius оборудован комплексом инструментов предоставленных Канадой, Францией и Италией, с помощью которых можно замерять соленость океана, в том числе – радиометров.

Йи Чао, сотрудник проекта Aquarius, работающий в лаборатории реактивных двигателей НАСА в Пасадене (Калифорния), говорит, что эти радиометры являются очень чувствительными приемниками радиоволн.

«Они улавливают волны, отражающиеся от поверхности океана. Дело в том, что при разных концентрациях соли в океане высвобождается разное количество энергии», – поясняет он.

Спутник Aquarius – продукт сотрудничества НАСА и Космического агентства Аргентины и станет дополнением к 13-ти другим американским спутникам, которые занимаются изучением Земли, в том числе замеряют уровни осадков, испарения воды, следят за уровнем мирового океана и ветрами.

Другие новости о событиях в мире читайте в рубрике «В мире»

Солёность воды в океане: что это, в чём измеряется, от чего зависит

От чего зависит соленость воды

В разные времена года в разных частях гидросферы соленость неодинакова. На ее изменение влияют несколько факторов:

образование льдов,
испарение,
осадки,
течения,
сток рек,
таяние льдов.

Это интересно: какие существуют страны зарубежной Азии?

В то время как вода с поверхности океана испаряется, соль не выветривается и остается. Ее концентрация увеличивается. Подобный эффект — у процесса замерзания. В ледниках содержится наибольший запас пресной воды на планете. Соленость Мирового океана во время их образования увеличивается.

Противоположным действием характеризуется таяние ледников, при котором содержание солей уменьшается. Источником соли также являются реки, впадающие в океан и атмосферные осадки. Чем ко дну ближе, тем меньше соленость. Холодные течения уменьшают соленость, теплые — увеличивают.

Расположение

Как утверждают специалисты, концентрация соли в морях зависит от их расположения. Ближе к северным районам концентрация увеличивается, к югу — понижается. Однако в океанах концентрат соли всегда больше, чем в морях, и расположение не оказывает на это никакого влияния. Этот факт ничем не объясняется.

Соленость обуславливается наличием в ней магния и натрия. Одним из вариантов объяснения различной концентрации считают наличие определенных участков суши обогащенных залежами таких компонентов. Однако, такое пояснение не сильно правдоподобно, если брать во внимание морские течения. Благодаря им со временем уровень соли должен по всему объему стабилизироваться.

Мировой океан

Соленость океана зависит от географической широты, близости рек, климатических особенностей объектов и т. д. Среднее ее значение согласно измерению равно 35 промилле.

Возле Антарктики и Арктики в холодных районах концентрация меньше, но зимой, во время образования льда, количество соли увеличивается. Поэтому вода в Северном Ледовитом океане наименее соленая, а в Индийском — концентрация соли самая большая.

В Атлантическом и Тихом океанах приблизительно одинаковая концентрация соли, которая понижается в экваториальной зоне и, наоборот, повышается в тропических и субтропических районах. Некоторые холодные и теплые течения друг друга уравновешивают. Например, соленое течение Лабрадор и несоленое Гольфстрим.

Интересно знать: Сколько существует океанов на Земле?

Почему океаны соленые

Есть разные точки зрения, раскрывающие суть наличия в океане соли. Ученые считают, что причиной является способность водных масс разрушать горную породу, выщелачивая из нее легкорастворимые элементы. Процесс этот протекает постоянно. Соль насыщает моря и придает горьковатый вкус.

Однако по этому вопросу имеются и диаметрально противоположное мнение:

Первое сводится к тому, что вся растворенная соль сносится реками в океан, насыщая его. Существует ошибочное мнение, что вода в реке абсолютно пресная. Это не так. В реках соли в семьдесят раз меньше, чем в морях, и определить ее без специального анализа очень сложно. Морские воды постоянно насыщаются солями, чему также способствует процесс испарения. В результате концентрат увеличивается. Этот процесс бесконечен. Морская вода имеет довольно сложный состав. Она содержит почти всю таблицу Менделеева. Соленой ее делает хлорид натрия, который содержится в наибольшем количестве. Кстати, закрытые озера тоже соленые. Однако есть одно но! В морской воде кислота соляная, в речной — угольная. Поэтому появилась альтернативная версия.
Морская вода изначально соленая, и реки здесь абсолютно ни при чем. Причиной является вулканическая деятельность, происходившая в момент формирования земной коры. Из вулканов в атмосферу было выброшено большое количество пара, насыщенного кислотами. Он конденсировался и в виде кислотных дождей выпадал на землю. Эти осадки насыщали кислотой морские воды. Она, в свою очередь, вступала в реакцию с базальтовыми твердыми породами. При этом выделялось огромное количество щелочи, в том числе калий, натрий, кальций. Таким образом, получаемая соль нейтрализовала в морской воде кислоту.

Это интересно: какое самое маленькое море в мире?

Вулканическая деятельность со временем уменьшилась, и атмосфера очистилась от паров. Кислотные дожди выпадали все меньше, и приблизительно 500 лет назад состав океанской водной поверхности стабилизировался и стал таким, каким мы его сегодня знаем. Карбонаты же, которые попадают с речной водой в океан, для морских организмов являются прекрасным строительным материалом.

Как определяется солёность воды

Под солёностью понимается содержание солей в воде. Чаще всего солёность измеряется в «промилле» (‰). Промилле – это одна тысячная числа. Приведём пример: солёность воды 27 ‰ будет означать, что в одном литре воды (это примерно 1000 граммам) содержится 27 грамм соли.

Пресной считается вода со средней солёностью 0,146 ‰.

Средняя солёность Мирового океана составляет 35 ‰. Непосредственно солёной воду делает хлористый натрий, известный также как поваренная соль. Среди других солей её доля в морской воде самая высокая.

Самое солёное море – Красное море. Его солёность – 41‰.

Откуда соль в морях и океанах

Учёные до сих пор расходятся во мнении о том, была ли морская вода солёной изначально или приобрела такие свойства со временем. В зависимости от версий рассматриваются и разные источники появления солей в Мировом океане.

Читайте также: На Марсе обнаружено огромное ледяное подземное море

Правдивы ли эти гипотезы?

Конечно, ни одна гипотеза не является полностью верной. Морская вода формировалась в течение очень долгого времени, поэтому у ученых нет достоверных доказательств о причинах ее солености. Почему все указанные гипотезы можно опровергнуть? Вода вымывает землю, где нет столь высокой концентрации соли. В геологические эпохи соленость воды изменялась. Содержание соли также зависит от конкретного моря.

Вода воде рознь – соленая вода имеет разные свойства. Морская – характеризуется соленостью около 3,5% (1 кг морской воды содержит 35 г соли). Соленая вода имеет разную плотность, варьируются и точки замерзания. Средняя плотность морской воды составляет 1,025 г/мл, замерзает она при температуре -2°С.

Вопрос может звучать иначе. Как мы знаем, что вода в море – соленая? Ответ простой – каждый может легко попробовать ее «на вкус». Поэтому всем известен факт солености, но точная причина такого явления остается загадкой.

Интересный факт! Если вы посетите Сан-Карлес-де-ла-Рапита и отправитесь в бухту, вы увидите белые горы, сформированные из соли, добытой из морской воды. Если добыча полезных ископаемых и торговля соленой водой будут успешными, то в будущем, гипотетически, море рискует стать «пресноводной лужей»…

Двойное лицо соли

На Земле существуют огромные запасы соли, которые могут быть извлечены из моря (морская соли) и из шахт (каменная соль).

Было научно доказано, что кухонная соль (хлорид натрия) является жизненно важным веществом. Даже без точных химических и медицинских анализов и исследований людям с самого начала было ясно, что соль является очень ценным, полезным и поддерживающим веществом, которое и им самим, и животные позволяет выживать в мире.

С другой стороны, чрезмерная соленость вызывает снижение плодородия почвы. Она не позволяет растениям получать минералы в корни. В результате чрезмерной солености почвы, например в Австралии, широко распространено опустынивание.

море почему соленое Предыдущая запись Почему появляются заусенцы на пальцах рук Следующая запись Почему нельзя смешивать алкогольные напитки?

Общие сведения

Случалось такое, что моряки кораблей, заблудившихся в морских водах или потерпевших крушение, погибали от жажды, хотя кругом много воды. Мало кто знает, что морская вода имеет состав, не подходящий для человеческого организма. У нее специфический горько-соленый вкус, который придают соли, растворенные в воде.

Реки, впадающие в моря, имеют пресную воду, в которой концентрация растворенных солей намного ниже, чем в морской. Но как такое возможно, почему вода в море соленая, а в реке пресная?

На протяжении 4 млрд лет материки поливаются водами дождей. Вода, проникая в скалы, находит путь в море. Несет она с собой в него растворенную соль. В процессе длительной геологической истории количество соли постепенно увеличивается. Это одна из простейших гипотез.

Немного о пользе и вреде соли

Прежде чем выясним, почему море соленое, а реки нет, определимся, полезна или вредна соль. Как выяснилось, на Земле есть огромные запасы соли, как в морях (морская), так и в недрах земных (каменная). Научно доказано, что хлорид натрия – жизненно важное вещество. Издавна людям стало известно, что соль является довольно полезным и ценным веществом, необходимым и людям, и животным.

Однако есть и отрицательная сторона: чрезмерное количество соли в почве приводит к уменьшению ее плодородия. В результате происходит опустынивание территорий (например, в Австралии).

Некоторые факторы, влияющие на концентрацию соли в воде

Отвечая на вопрос, почему вода в море соленая, следует выяснить и то, почему концентрация соли разных морей отличается. Варьируется соленость воды в зависимости от расположения природного водоема. Наименее соленые океаны и моря расположены ближе к северному и южному полюсам, где солнце не сильно сияет, в связи с чем и вода не испаряется. Помимо этого, вода разбавляется водами растаявших ледников.

Воды морей у экватора испаряются больше в связи с повышенными температурами. Данный фактор влияет и на повышенную плотность воды в этих местах. Такой процесс может происходить и на некоторых крупных озерах, которые тоже превращаются в соленые. Примером может служить Мертвое море, где плотность и соленость воды позволяет людям спокойно лежать на ее поверхности.

На концентрацию соли влияет и температура воды в море. В качестве примера можно привести и Балтийское море. В связи с низкими температурами воды, соли в нем содержится в 8 раз меньше, чем, например, в Персидском заливе.

Где самая соленая вода

Еще со школьного курса географии многие помнят почему в морях вода соленая и какое из них на первом месте. Речь идет о Мертвом море, однако это не совсем так. Мертвое море солонее в 10 раз среднего показателя по океану (около 340 грамм на 1 литр, для расчета удельного веса морской воды используется формула), причин тому несколько: сильное испарение, редкие дожди и втекание в него только одной реки Иордан. В такой жидкости никто не может выжить, кроме нескольких видов бактерий. Человеку безопасно купаться в Мертвом море или использовать грязи для лечения. Наверняка все знают об интересном факте: утонуть в нем невозможно из-за высокой концентрации солей. Морская вода будто выталкивает тело человека, как бы он не старался опуститься на дно.

Второе место по солености занимает Красное море — на один литр приходится 41 грамм соли. Образовалось оно приблизительно 25 млн лет назад из-за передвижения ледников. Морская вода всегда теплая (даже в зимнее время года), обладает богатым животным миром.

Завершает тройку соленых морей Средиземное. В нем на один литр жидкости приходится 39,5 грамм соли, морская вода имеет температуру кипения в 100 градусов. Оно одно из самых теплых морей Мирового океана: летом температура достигает 25 градусов, а зимой — 12. В отличие от Мертвого моря здесь достаточно обитателей: акулы, скаты, морские черепахи, мидии и более пятисот видов рыб. К морям с повышенной концентрацией соли относят Белое, Баренцево, Чукотское, Японское. В них морские воды содержат от 30 до 38% соли.

Самое соленое место на Земле — озеро Дон-Жуан, расположенное на северо-востоке Антарктики. Оно имеет небольшую глубину (до 15 см), иногда его сравнивают с лужицей. При этом в нем настолько высокая концентрация солей, что жидкость не замерзает даже при температуре воздуха -50 градусов. Вода в озере Дон-Жуан солонее в 2 раза Мертвого моря и в 18 раз океанских вод.

Дон-Жуан открыто случайно в 61 году прошлого века. Вертолетчики военно-морского флота Соединенных Штатов Америки совершили первую экспедицию для изучения озера с морской водой. Одного из пилотов звали Дональд Роу, другого — Джон Хик, в честь них было назван самый соленый водоем «Дон-Хуан» (по-испански).

Антарктические Сухие Долины отличаются суровыми холодами и ветрами. Вода появились из-под земли, а соль является результатом испарения верхних слоев. В ней практически нет живых организмом (за исключением грибов, дрожжей, водорослей), в такой морской воде микрофлора так и приспособилась. Считается, если на Марсе когда-то обнаружат воду, то она будет такой же, как в этом озере.

Что придает воде соленый вкус

Кристаллы соли

Соль имеет кристаллический вид. Океанические воды в своем составе имеют почти все элементы таблицы Менделеева. Водород и кислород объединяется в молекулы воды. Также в состав входят примеси фтора, йода, кальция, серы и брома. В минеральной основе морской воды преобладает хлор и натрий (обычная соль). Именно из-за этого в море вода соленая. Остается выяснить, как же соли попадают в эту воду.

Может ли возникнуть пресный океан

Чтобы ответить на вопрос «Может ли океан стать пресным?», необходимо понять, что на это влияет. Свойства морских вод зависят от множества факторов, лишь часть из них:

подводные течения;
испарения и их активность;
особенности движения морской воды;
наличие ледников, а также скорость таяния.

На глубине океана находятся залежи чистой пресной воды, но вот что в морской воде есть золото знает не каждый. Соленые воды не могут стать пресными даже через множество веков. Ученые уверены, выпаривание воды не изменяет соленость. Уровень соли всегда остается на одном уровне. Постоянство солевого состава открыл Дитмар, в честь которого и назван закон.

Если подобное все-таки случится (теоретически), то повлечет за собой необратимые последствия для всей планеты. В первую очередь — погибнут многие живые организмы, ведь даже люди применяют изотонические растворы морской воды. Надолго пресная жидкость не останется, так как из рек в океанские воды постоянно поступают соли. Однако последнее является лишь одной из нескольких теорий почему морская вода сильно соленая.

Может ли океан стать пресным? Почему морская вода соленая? Этими вопросами задаются не только любознательные дети, но и многие взрослые. Все знают, что в море и океане соленая вода, но почему так происходит не объясняют даже ученые. Есть несколько теорий, однако какая из них правильная до сих пор непонятно. Нет подтверждения и тому, могут ли испариться воды с морской солью.

Индийский океан

Многие ученые считают самым солёным океаном в мире Индийский, потому что на некоторых его участках концентрация соли превышает её значение в Атлантическом. Но в целом солёность Индийского составляет 34,8 %, что меньше, чем Атлантического. Поэтому в нашем рейтинге он занимает почетное второе место.

Самая высокая соленость вод наблюдается в местах с самым большим количеством испарений и с минимальным числом осадков за год. Меньше всего соли растворено там, где воду опресняют тающие ледники. Зимой муссонное течение приносит в океан с северо-востока пресную воду. Из-за этого около экватора образуется язык с меньшей солёностью. Летом он исчезает.

Атлантический океан

Большинство ученых сходятся во мнении, что самая высокая соленость у Атлантического океана, самого древнего на планете и второго по величине после Тихого. Даже несмотря на то, что большое количество рек несут в его акваторию немалые объемы пресной воды, солёность океана – 35,4 %. По всей территории этот показатель равномерный, что, например, у Индийского океана не наблюдается.

В Атлантическом были найдены подземные пресные источники, которые разбавляют воду. Но несмотря на это, концентрация соли в его водах самая высокая в мире. Объясняется это тем, что на его территории осадки практически не выпадают, а испарение достаточно большое. Равномерно распределяют соль по всей территории сильные течения.

Тихий океан

На третьем месте самый большой океан на Земле – Тихий. Средняя концентрация соли в составляет 34,5 %. Максимум ее растворено в тропических зонах – 35,6%. С удалением от экватора удельный вес солей в водах падает, что объясняется снижением показателя испаряемости воды с одновременным увеличением количества осадков. В высоких широтах из-за таяния ледников соленость падает до 32%.

Удивительная особенность

У каждого океана на Земле есть свои особенности. Какой-то самый большой, какой-то наиболее холодный. А какой же самый соленый океан? Этот вопрос заинтересовал ученых давно, и они провели серию исследований. Самым соленым оказался Атлантический океан. А еще его признают самым древним на Земле. Не зря корни названия этого океана уходят в античные мифы.

Северный Ледовитый океан

Самым пресным на Земле оказался Северный Ледовитый – 32 %. В нем есть некоторое количество водных слоёв. У верхнего – холодная вода и пониженная солёность. Здесь воду опресняют реки, талые воды и минимальное испарение. Следующий слой более холодный и соленый. Образуется смешиванием верхнего и промежуточного слоёв. Промежуточный – это тёплая и очень солёная вода, которая поступает из Гренландского моря. Дальше идёт глубинный слой. Температура и солёность здесь выше второго, но ниже третьего слоя.

Флора и фауна

Несмотря на то что это самый соленый океан, в Атлантике достаточно богат растительный и животный мир. Здесь живут многие виды бурых и красных водорослей, например саргассовые и латотамния. А в тропической зоне большое количество зеленых водорослей, например валония и каулерпа. На европейском берегу океана много зостеры — это вид особой морской травы.

Представители фауны Атлантического океана – различные виды тресковых и сельдевых рыб, нототения, морской окунь, палтус, пикша, тунец, макрель и сардины. Это далеко не полный перечень подводных обитателей. Все перечисленные виды имеют большое промысловое значение. Воды Атлантики бороздят многочисленные рыбные флотилии и маленькие рыбацкие суда. А на рынках прибрежных городов всегда можно купить свежую рыбу.

Маленькая географическая справка

Атлантический океан не самый большой на Земле. Он уступает по площади Тихому, но все равно занимает почти 20% поверхности планеты. Самый соленый океан в мире имеет площадь более 91 млн км2. Средняя глубина Атлантики — примерно 3500 м, а самое глубокое место – 8700 м.

На мировой карте очертания океана напоминают огромную букву S. Расположен водный объект между Европой и Африканским континентом, а его восточная часть омывает берега двух американских континентов. Со всех них в воды Атлантики попадает соль, концентрация которой продолжает увеличиваться.

Градация солености

Интересно, что соленость мирового океана разных регионов отличается. Там, где идет интенсивный сток крупных рек, а испарение ниже из-за условий климата, участки более пресные. В тропиках вода соленее, особенно, при отсутствии крупных потоков с суши и большом испарении из-за жары.

Таблица солености, включая внутренние моря, в промилле:

Океан	Средние показатели	Максимальные показатели	Минимальные показатели
Атлантический	35,4	39,0	11,0
Индийский	34,8	41,5	32,0
Тихий	34,5	36,0	32,0
Южный	33,0
Северный Ледовитый	32,0	35,0	20,0

Температура воды

Температура в подавляющей части Мирового океана постоянная и составляет от 0 до +2 °С (океаническая вода замерзает не при 0 °С, а при -2 °С из-за высокого содержания соли). Но на глубине выше 2 км от поверхности этот параметр может меняться.

Факторы, влияющие на изменение температуры:

нагрев от Солнца;
состояние атмосферы, влияющее на сохранение тепла;
впадающие реки;
течения;
ветра.

Температура воды повышается по мере приближения к экватору.

Проблемы Атлантики

К сожалению, сейчас ученых больше интересует не то, какой океан самый соленый, а то, как сохранить водные объекты. Деятельность человека наносит водам Атлантики огромный ущерб. С каждым годом уровень загрязнения возрастает, хоть мировое сообщество и принимает меры для снижения загрязнений.

В воды Атлантического океана попадают ядохимикаты с полей и фермерских угодий, сюда же сбрасываются промышленные отходы и стоки из канализаций. Кроме того, происходят аварии на нефтяных платформах и на танкерах, перевозящих нефть. Это приводит к серьезным разливам горючей жидкости, в которых гибнут флора и фауна океана. А ведь отсюда человечество получает почти 40% добычи рыбы. Как люди могут относиться с такой безответственностью к природным ресурсам, объяснить сложно.

Главное, что о проблемах уже перестали спорить и начали искать пути их решения. Это дает надежду, что воды самого соленого океана восстановят свою чистоту и сохранят своих обитателей для будущих поколений.

Так много таинственного и неизведанного таит в себе Атлантика! Возможно, когда-то люди больше узнают об этом океане и смогут разгадать его секреты, а пока мы только можем восхищаться его величием и красотой, довольствуясь лишь малой долей имеющихся знаний.

Источники

https://tvercult.ru/nauka/ot-chego-zavisit-solenost-okeanicheskih-vod
https://topor.info/why/more-solyonoe
https://pochemu24.ru/live/pochemu-more-solenoe/
https://gkd.ru/410212a-pochemu-voda-v-more-solenaya-otkuda-beretsya-sol
https://sci-hit.com/2021/04/vopros-na-zasolku-pochemu-voda-v-okeane-solenaya.html
https://kipmu.ru/pochemu-voda-v-more-solenaya/
https://megatopof.ru/priroda/kakoy-solenyy-okean.html
https://FB.ru/article/220660/samyiy-solenyiy-okean-udivitelnyie-osobennosti-atlantiki
https://greenway-schop.ru/problemy/tihij-okean-solenyj-ili-presnyj.html

Соленость океанов помогла оценить изменение круговорота воды в природе

Объем воды, участвующей в ее круговороте в природе, увеличивается на 2–4% при потеплении на один градус. Подсчитать это ученым из Китая, США и Швейцарии помогло измерение солености океанов. Исследование опубликовано в журнале Journal of Climate.

«Изменение солености океана можно использовать для оценки изменения круговорота воды, поскольку оно показывает изменение глобального обмена поверхностной пресной водой: испарение уносит пресную воду из океана в атмосферу и увеличивает соленость океана; осадки переносят больше пресной воды в океан и снижают соленость. Следовательно, изменения солености объединяют эффекты на обширных территориях и служат отличным индикатором изменения круговорота воды», — рассказывает один из исследователей, сотрудник Института атмосферы Китайской академии наук Лицзин Чэн.

Вода и ее движение в атмосфере, океане или на суше является центром всей климатической системы. Практически все погодные и климатические явления так или иначе связаны с круговоротом воды в природе. Но в результате изменения климата в нем самом происходят изменения. Моделирование показывало, что из-за потепления больше воды испаряется из океана и, соответственно, выпадает в виде дождей. Но практическое подтверждение этих моделей было затруднено из-за сложностей измерения испарения и осадков в глобальном масштабе.

Международный коллектив ученых смог преодолеть большинство препятствий и изучить круговорот воды. Для этого они изучили данные о солености воды на глубине до двух тысяч метров, имеющиеся с 1960 года. Ученые использовали так называемый индекс контрастности солености — среднее значение солености относительно высших и низших показателей. Они выяснили, что в среднем соленость в океане на глубине до 2000 метров с 1960-го года увеличилась на 1,6%, а на поверхности — на 7,5%. Из них увеличение примерно на 0,5% приходится на 1960–1990 годы и примерно на 1% на 1991–2017 годы, что свидетельствует о возрастании влияния человека. На основе этих данных исследователи провели моделирование и выяснили, что количество воды, участвующей в круговороте, увеличивается на 2–4% при потеплении на один градус Цельсия. А всего с 1960-го года ее объем увеличился на 2,1 ± 3,9%. Подобный разброс значений авторы исследования связали с неопределенностью модели. По словам ученых, при нагревании всего на несколько градусов в засушливых регионах на планете станет еще засушливее, из-за чего возрастает вероятность лесных пожаров и неурожая. В то же время в других регионах станет больше сильных дождей и наводнений.

Измерение солености воды — HORIBA

Измерение солености или содержания растворенной соли в воде важно, поскольку водные организмы, домашний скот и сельскохозяйственные культуры процветают при разных уровнях солености. Пресная вода имеет значение солености менее 0,5 ppt, в то время как морская вода имеет среднюю соленость 35 ppt.

Введение

Соленость — это мера количества растворенных солей в воде. Обычно он выражается в частях на тысячу (ppt) или процентах (%).Пресная вода из рек имеет значение солености 0,5ppt или меньше. В пределах эстуария уровни солености обозначаются как олигогалинные (0,5–5,0 млн. Долей), мезохалинные (5,0–18,0 млн. Долей) или полигалинные (18,0–30,0 млн. Долей). Вблизи соединения с открытым морем эстуарные воды могут быть эвхалинными, где уровень солености такой же, как и в океане, и составляет более 30,0 ppt. ¹

Соленость варьируется от места к месту в океанах, но относительные пропорции наиболее основных растворенных компонентов остаются практически постоянными.Несмотря на то, что в морской воде меньше других ионов (например, K ⁺, Mg ²⁺, SO ₄ ^2-), натрия (Na ⁺) и хлорида (Cl ^—) ионы составляют около 91% всех ионов морской воды. В пресной воде гораздо меньше солевых ионов. ²

Соленость часто определяется путем измерения электропроводности (ЕС). ЕС измеряется путем пропускания электрического тока между двумя металлическими пластинами или электродами в пробе воды и измерения скорости протекания тока между пластинами.Использование измерений ЕС для оценки ионного содержания морской воды привело к разработке Практической шкалы солености 1978 года (PSS-78). ³

PSS-78 был рассмотрен Объединенной группой экспертов по океанографическим таблицам и стандартам и рекомендован всеми океанографическими организациями в качестве шкалы для представления будущих данных о солености. Практическая соленость образца морской воды определяется как отношение электропроводности образца морской воды при температуре 15 ° C и давлении 1 стандартная атмосфера к раствору хлорида калия (KCl), содержащему массу 32.4356 г KCl в массе 1 кг раствора при той же температуре и давлении. Отношение, равное 1, соответствует практической солености 35 (стандартная морская вода). ⁴ Поскольку определение является соотношением, практическая соленость выражается безразмерным числом.

Карманный измеритель LAQUAtwin Salt 11 измеряет значение проводимости образца, а затем преобразует его в значение солености на основе выбранной стандартной кривой солености. Датчик имеет два титановых металла, покрытых платиновым черным покрытием, устойчивым к коррозии, и датчик температуры для точных измерений.Измеритель запрограммирован с использованием двух стандартных калибровочных кривых — морской воды и хлорида натрия (NaCl). Первый соответствует уравнению PSS-78, а второй — уравнению на Рисунке 2.

Метод

Откалибруйте карманный счетчик LAQUAtwin Salt 11 в соответствии с инструкциями производителя, используя 0,5% (5ppt) и 5,0% (50ppt). ) Стандартные растворы NaCl, входящие в комплект.

Перед калибровкой обязательно выберите стандартную калибровочную кривую (NaCl или морская вода) и единицы измерения (ppt или%) в зависимости от вашего приложения и требований к единицам отчетности.Если выбраны и кривая морской воды, и единица измерения ppt, откалибруйте измеритель с помощью стандарта NaCl 5ppt. Лучше всего использовать стандарты морской воды 5ppt и 50ppt, если таковые имеются. Обратите внимание, что если в качестве единицы измерения задано ppt, измеритель будет отображать только показания солености без единицы измерения (безразмерный).

Сбор и измерение образцов

Нанесите капли воды на датчик с помощью пипетки, входящей в комплект. Убедитесь, что ячейка для образца полностью заполнена образцом и не образуются пузырьки.Запишите показание солености, когда оно станет стабильным.

Перед тестированием другого образца промойте датчик деионизированной (дистиллированной или деионизированной) водой или следующим образцом, который будет протестирован, и промокните мягкую ткань, чтобы удалить оставшуюся воду, застрявшую внутри лунки для образца.

Подробную информацию о кондиционировании, очистке и хранении датчика соли см. В Техническом совете 3. Технический совет можно просмотреть и загрузить в разделе поддержки на нашем веб-сайте www.horiba-laqua.com.

Результаты и преимущества

Соленость — важное измерение в морской воде или в эстуариях, где пресная вода из рек или ручьев смешивается с соленой океанской водой, поскольку водные организмы обладают разными способностями к выживанию и процветанию при разных уровнях солености.Морские организмы выживают при уровне солености до 40 ppt, но многие пресноводные организмы не могут жить при уровне солености выше 1 ppt. ²

Соленость влияет на уровень растворенного кислорода в воде. Растворимость кислорода в воде уменьшается с увеличением солености. Растворимость кислорода в морской воде примерно на 20% меньше, чем в пресной воде при той же температуре. ⁵

В таблице ниже показаны значения солености для различных типов воды и их использования.

Ссылки и предлагаемая литература

Глава 14 Руководства добровольцев по мониторингу устья, Руководство по методам, второе издание, EPA-842-B-06-003. www.epa.gov/sites/production/files/2015-09/documents/2009_03_13_estuaries_monitor_chap14.pdf
Хлориды и соленость. www.ruf.rice.edu/~cbensa/Salinity/
Соленость. Википедия. en.wikipedia.org/wiki/Salinity
Практическая шкала солености — 1978.Салинометрия. salinometry.com/pss-78/
Соленость. Nooa Ocean Service Education. oceanservice.noaa.gov/education/kits/estuaries/media/supp_estuar10c_salinity.html
Общие сведения о солености. Департамент воды. Правительство Западной Австралии. wadow.clients.squiz.net/water-topics/water-quality/managing-water-quality/understanding-salinity

Версия 1.0, 28 октября 2016 г.

Измерение солености | manoa.hawaii.edu/ExploringOurFluidEarth

Соленость

Соленость — это количество граммов солей на килограмм морской воды, которое выражается в частях на тысячу. частей на тысячу можно определить как количество частей или граммов соли на тысячу частей или килограмм (1000 г) морской воды. Обозначение частей на тысячу — ‰. Символ доли на тысячу (‰) аналогичен символу процента (%), который представляет собой доли на сотню, но с дополнительным нулем в знаменателе. Частей на тысячу обычно сокращенно обозначают ppt.

Категории солености

Средняя соленость морской воды составляет около 35 граммов на килограмм (г / кг) морской воды, или 35 ppt.Морская вода обычно колеблется от 33 до 38 частей на миллион. Пресноводные озера, реки и ручьи содержат растворенное вещество — 1 ppt или меньше (рис. 2.12 A).

Вода не считается чистой, если она не была дистиллирована. Дистиллированная вода прошла процесс дистилляции, который включает в себя испарение и конденсацию воды несколько раз для удаления растворенных веществ. Когда вода испаряется, в воздух уходят только молекулы воды, оставляя позади более тяжелые минералы.Когда испарившаяся вода конденсируется, минералы не остаются, и вода чистая.

Солоноватая вода представляет собой смесь пресной и морской воды, содержание которой ниже примерно 33 ppt (рис. 2.12 B). Гиперсоленая вода или рассол — очень соленая морская вода, содержание которой превышает примерно 38 частей на миллион. Иногда встречается в водоемах (рис. 2.12 C). Во время отлива водоем, не связанный с океаном, может стать гиперсоленым, когда испаряющаяся вода оставляет соли.

Использование ареометра для определения плотности и солености

И температура, и соленость влияют на плотность.Чем больше растворенных солей в водоеме, тем больше плотность воды. Если плотность и температура пробы воды известны, соленость можно определить по графику (рис. 2.13).

В пробе воды с известной температурой плотность можно измерить ареометром. Ареометр может использоваться для определения плотности жидкости путем измерения уровня, на котором ареометр плавает в ней. Чем плотнее жидкость, тем большую выталкивающую силу она оказывает и тем выше ареометр будет плавать в жидкости.Линия ареометра на уровне поверхности жидкости соответствует ее плотности. Напомним, что плотность — это мера того, сколько массы (например, граммов) находится в данном объеме (например, миллилитрах). На рис. 2.14 показан ареометр, который можно использовать для определения солености растворов с плотностью от 1.000 граммов на миллилитр (г / мл) до 1.060 г / мл.

Деятельность

Постройте и стандартизируйте ареометр. Этот ареометр — инструмент, который можно использовать во многих сферах деятельности, и он должен быть прочным.

НАСА Соленость: Измерение солености

Яркость в зависимости от температуры поверхности моря на частоте прибора НАСА Водолей.

Мы измеряем естественную радиацию от поверхности океана. Все имеет энергию, потому что не при абсолютной нулевой температуре и, следовательно, испускает радиацию. Пример тому — ночное видение. Военные могут видеть людей ночью не потому, что они смотрят на свет, а потому, что они смотрят на инфракрасное излучение.Люди излучают энергию на многих частотах. Одна из этих частот (частоты) немного ниже оптической и называется «инфракрасной», и мы используем ночное видение, чтобы это увидеть.

Еще один пример естественного излучения — нагрев вашей электрической плиты. Вы включаете горелку, она нагревается, и она светится красным, потому что она получила больше энергии, и добавленная энергия изменяет ее частотное распределение. Теперь, поскольку он такой горячий, он фактически выделяет больше энергии на оптических частотах, к которым чувствительны наши глаза.Но он также отключает излучение на всех частотах. Так что, если бы мы посмотрели на него ночным зрением, он был бы невероятно ярким. И если вы посмотрите на него в микроволновом диапазоне частот (например, 1,41 гигагерца, ГГц, как измеряет прибор Водолей), он также будет выглядеть очень ярким. Так что это испускает энергию.

Мы говорим об этой энергии как об эквивалентной температуре. Таким образом, вы можете сказать, что чем выше температура, тем больше энергии, а если температура ниже, то меньше энергии.Шкала не так важна, потому что она зависит от частоты (например, одна и та же шкала температур не будет работать для шкалы ночного видения на инфракрасных частотах). Но у нас есть шкала под названием «Яркость температуры», которая измеряет количество энергии, выделяемой поверхностью океана при фиксированной температуре.

Итак, на графике вверху справа (щелкните изображение, чтобы увеличить) пройдите по горизонтальной оси и остановитесь на температуре поверхности моря (SST), равной 20 градусам Цельсия (см. Синюю рамку).Если вы подойдете к синей линии с надписью «12 PSU» (практические единицы солености, PSU), вы увидите фиолетовую стрелку. Если вы прочтете поперек вертикальной оси (т. Е. Проследите за фиолетовой пунктирной линией влево), вы увидите, что вода с более низкой соленостью выделяет более высокую энергию, потому что температура яркости составляет около 104. При том же SST 20 градусов Цельсия более высокая соленость вода (см. красную стрелку на 42 PSU) дает относительно более низкую энергию (т. е. следуйте красной пунктирной линии до температуры яркости на вертикальной оси около 88).

Водолей имеет очень точный инструмент, который сообщает нам, сколько энергии исходит от поверхности океана, и мы выражаем это как «яркую температуру». Если яркостная температура выше, значит, морская вода более свежая (т.е. менее соленая; см. Фиолетовую стрелку / пунктирную линию выше). Если яркостная температура ниже, значит, в морской воде больше соли (т.е. красная стрелка / пунктирная линия). График, показанный справа, был опубликован в 1977 году. Таким образом, важной новой областью исследований является разработка набора кривых, которые очень тщательно откалиброваны, чтобы мы точно знали, какая энергия соответствует какой солености.И инструмент, который мы используем, очень точен и выполняет эти измерения точно и последовательно.

Соленость — Coastal Wiki

Введение

Классификация солености (практическая шкала солености S) водных объектов.
Класс солености	S
Гиперхалин	> 65
метахалин	45-65
Эухалин	30-35
Полигалин	18-30
Мезохалин	5-18
Олигогалин	0.5-5

Соленость морской воды определяется как общее количество растворенных солей в одном килограмме морской воды по весу. Соленость выражается в единицах г / кг , которые часто записывают как ppt (части на тысячу) или ‰ (промилле). Соли, растворенные в морской воде, распадаются на ионы; преобладающие ионы — хлорид и натрий; другие важные ионы — магний, сульфат, кальций и калий. За прошедшие годы были разработаны различные методы определения солености.В настоящее время наиболее практичным методом является определение электропроводности. Поскольку это косвенный метод, была установлена точная зависимость между проводимостью и соленостью. Определенная таким образом соленость является безразмерной величиной, которая называется практической соленостью . В соответствии с практической шкалой солености типичная «стандартная» морская вода имеет соленость 35. Чтобы добиться большей согласованности с термодинамикой морской воды, в 2010 году была введена новая шкала солености, так называемая шкала абсолютной солености.Небольшая численная поправка к практической шкале солености, которую это влечет за собой, не имеет большого практического значения для прибрежных вод, где она затмевается сильной изменчивостью солености в пространстве и времени. Однако для океана необходима большая точность, потому что небольшие различия солености могут иметь большое значение для крупномасштабной циркуляции океана и характеристики водных масс.

Морская вода плотнее пресной из-за добавленного веса растворенных солей; соотношение между соленостью и плотностью рассматривается в статье Плотность морской воды).В этой статье дается обзор различных шкал солености. Датчики, используемые для измерения проводимости, обсуждаются в статье Датчики солености.

Измерения и определения солености на протяжении всей истории

Постоянный состав морской воды (Диттмар, 1884 г.)

Еще со времен Древней Греции делались попытки измерить «соленость» морской воды. Однако эти ранние методы были не очень эффективными, а их чувствительность и повторяемость были очень ограничены.В ходе современной истории были разработаны более точные методики: взвешивание после выпаривания (Boyle, 1693 ^[1]; Birch, 1965 ^[2]), экстракция растворителем (Lavoisier, 1772 ^[3]) и осаждение (Bergman, 1784 ^[4]). В 1865 году Forchhammer ^[5] ввел термин «соленость» и посвятил себя измерению отдельных компонентов морской соли, а не общей солености. Он обнаружил, что соотношение основных солей в пробах морской воды из разных мест было постоянным.Это постоянное соотношение известно как принцип Форчхаммера или принцип постоянных пропорций. К концу девятнадцатого века Уильям Диттмар ^[6], следуя работе Форчхаммера, протестировал несколько методов анализа солености и химического состава морской воды. Методы химического анализа морской воды Диттмара были чрезвычайно точными. Диттмар проанализировал содержание хлора в морской воде, используя осаждение хлорида нитратом серебра, и сравнил его с синтетически приготовленными образцами морской воды, чтобы оценить точность метода.Позже он проанализировал 77 проб со всего мира, взятых во время экспедиции Челленджера, и заметил такое же постоянство состава, которое наблюдал Форчхаммер: «хотя концентрация воды сильно различается, процентный состав растворенного материала составляет , почти то же самое. в любом случае». ^[7].

Химический состав 1 кг стандартной морской воды по массе (г) растворенных ионов ^[8].
Ион	Na ⁺	мг ²⁺	Ca ²⁺	К ⁺	Sr ²⁺	Класс ^—	СО ₄ ^2-	HCO ₃ ^—	Br ^—	CO ₃ ^2-	В (ОН) ₄ ^—	Ф ^—	ОН ^—	В (ОН) ₃	CO ₂	СУММ
грамм	10.78145	1,28372	0,41208	0,39910	0,00795	19,35271	2,71235	0,10481	0,06728	0,01434	0,00795	0,00130	0,00014	0,01944	0,00042	35.16504

Определение солености 1902

Для более точных методов измерения солености требовалось одинаковое определение солености и методы измерения для всего научного сообщества.В 1889 году ICES назначил Мартина Кнудсена председателем комиссии по проблемам солености. Он сформулировал следующее определение:

«Соленость — это общее количество твердых веществ в граммах, растворенных в одном килограмме морской воды, когда весь карбонат преобразован в оксид, бром и йод заменены хлором, а все органические вещества полностью окислены. ^[9] .

Хотя это определение верное и служило океанографам в течение следующих 65 лет, эта методология непрактична и трудна для точного выполнения.Зная, что основные ионы остаются в постоянном соотношении друг к другу и хлор может быть точно измерен объемным титрованием серебра, комиссия определила «хлорность» как меру солености. Первоначально соленость рассчитывалась по содержанию Cl ^— (хлористость). Хлорность измеряется как масса в г галогенидов, которые могут быть осаждены из 1000 г морской воды с помощью Ag ⁺ с использованием стандартного раствора AgNO ₃.
Реакция такая:

AgNO ₃ (водн.) + NaCl (водн.) → AgCl (т.) + NaNO ₃ (водн.)

Проанализировав большое количество проб из девяти мест, Кнудсен и его коллеги разработали уравнение для расчета солености на основе содержания хлора:

[математика] S = 1.- + 0,03 \; г / кг, \ qquad (1) [/ math]

, где хлорность Cl ^— определяется как масса серебра, необходимая для полного осаждения галогенов в 0,3285234 кг пробы морской воды:

Cl ^— = 328,5234 Ag ⁺

Измерения солености иногда выражаются в шкале хлоринности (г Cl ^— / кг) или в шкале хлорсодержания (г Cl ^— / л).

Пересмотренное определение солености 1966 г.

Как видно из формулы (1), у этого метода есть свои ограничения и он не совсем верен: когда хлорность равна 0, соленость равна 0.03. Кроме того, Карритт и Карпентер (1959 ^[10]) подсчитали, что неопределенность вычисленного значения солености по измеренному значению хлорирования с использованием этого соотношения может достигать 0,04 г / кг. Это связано с вариациями химического состава в некоторых пробах морской воды (Балтийского моря) и тем фактом, что для определения хлорирования были отобраны пробы только в 9 различных точках.
В начале 60-х годов, с развитием мостиков проводимости, стало возможным измерять соленость с большой точностью (± 0.003 г / кг). Мосты дали отношения проводимости между образцом и стандартной морской водой, использованной для калибровки мостов. Однако стандартная морская вода была разработана для измерений хлорирования, а не для измерения проводимости, поэтому новый стандарт проводимости был заказан Объединенной группе экспертов по океанографическим таблицам и стандартам (JPOTS). На основе новых измерений солености, температуры и проводимости образцов по всему миру постоянная формула хлорирования была изменена на:

[математика] S = 1.-. \ qquad (2) [/ математика]

Практическая шкала солености-1978 / EOS-80

ЧТО ТАКОЕ БП? Фрэнк Дж. Миллеро в Oceanography Magazine, 1993

Получив последний выпуск Oceanography , меня раздражала реклама Sea-Bird на внутренней стороне обложки. На нем показана диаграмма TS, обозначенная термином PSU. Хотя мне не удалось убедить компанию прекратить использование этого термина, я подумал, что должен написать это письмо, чтобы выразить свою обеспокоенность по поводу его использования моими океанографами в опубликованных статьях.Этот термин, по-видимому, используется для обозначения использования Практической шкалы солености и является аббревиатурой от единицы практической солености.
Как член Объединенной группы экспертов по океанографическим таблицам и стандартам, которая сыграла важную роль в разработке международного уравнения состояния морской воды и практической солености по шкале , я удивлен, что практика, которая, кажется, была принята океанографами в с помощью БП. Практическая шкала солености была определена как коэффициент проводимости без единиц измерения.Проба морской воды с коэффициентом проводимости 1,0 при 15ºC с раствором KCl, содержащим 32,4356 г при общей массе 1 кг раствора, имеет соленость 35,000 (единицы измерения или ‰ не требуются). Зависимость этого отношения от солености и температуры для веса морской воды, испарившейся или разбавленной водой, привела к полному определению практической солености по шкале . Это определение было принято всеми национальными и международными океанографическими организациями. Он также был опубликован во всех журналах, публикующих океанографические исследования.В какой-то момент океанографы начали использовать термин PSU (практическая единица солености), чтобы указать, что практическая шкала солености использовалась для определения проводимости солености. Очевидно, это произошло из-за предыдущего использования ‰ для обозначения частей на тысячу, которое, по мнению некоторых океанографов, было единицей . Суть в том, что соленость всегда была соотношением и не имеет физических единиц. Использование термина PSU не должно быть разрешено в полевых условиях и, конечно, не должно использоваться в опубликованных статьях.Всякий раз, когда для определения солености используется практическая шкала солености, это должно быть указано где-нибудь в документе. Использование термина PSS может использоваться для обозначения того, что используется шкала практической солености . Конечно, не обязательно использовать термин PSU на всех рисунках, показывающих данные TS. Я должен также отметить, что ЮНЕСКО (1985) ^[11] опубликовала отчет SUN, в котором подробно описывается использование единиц в области океанографии. Этот отчет также был принят всеми международными океанографическими обществами, но обычно не используется океанографами и журналами, публикующими океанографические данные.Если океанография должна стать признанной наукой, она должна принять единицы, которые являются базовыми для областей химии и физики. Он также не должен принимать новые единицы для переменных, которые без единиц .

Весовое соотношение различных растворенных солей в морской воде почти одинаково во всем Мировом океане. Это также относится к прибрежным водам, хотя отклонения от стандартного состава становятся более значительными при низкой солености в переходной зоне соленой и пресной.Из-за приблизительно универсального состава растворенных солей в морской воде, соленость морской воды может быть определена по степени разбавления морской воды пресной водой. Удобнее всего это делать, измеряя проводимость [math] C [/ math]. Практическая шкала солености (PSS) была введена для установления однозначной взаимосвязи между соленостью и проводимостью. Это соотношение основано на соотношении [math] R [/ math] проводимости морской воды и проводимости [math] C (35,15) [/ math] стандартного раствора 1 кг, содержащего 32.4356 г KCl при температуре 15 ^o C, имеющей соленость [math] S = 35 [/ math].

Связь между соленостью [математика] S (T) [/ математика] и коэффициентом проводимости [математика] R = R (S, T) [/ математика] была основана на точных определениях хлоринности и коэффициента проводимости для различных температур [ math] T [/ math] на 135 пробах естественной морской воды, собранных в пределах 100 м от поверхности, включая пробы из всех океанов и Балтийского, Черного, Средиземного и Красного морей. После преобразования хлористости в соленость с использованием соотношения (2) по методу наименьших квадратов был вычислен следующий полином ^[12]:

[математика] S (T) = S (15) + \ Delta S (T), \ qquad R = \ Large \ frac {C (S, T)} {C (35,15)} \ normalsize, \ qquad (3) [/ математика]

[математика] S (15) = 0.{5/2}), \ qquad (5) [/ math]

для [math] 2 \, \ le S \ le \, 42 [/ math] и для атмосферного давления,

где [math] C (S, T) [/ math] — проводимость образца морской воды с практической соленостью [math] S [/ math] и температурой [math] T [/ math] (^o C). . Если R = 1, то S = 35. Если удельная электропроводность [math] C (S, T) [/ math] выражена в единицах мСм / см (миллисименс на см), то [math] C (35,15) [/ math] принимает значение 42,914. Используя это значение, соленость при [math] T = [/ math] 15 ^o C (уравнение.{1.0876} [/ math], где [math] C [/ math] выражается в мСм / см.

Однако, поскольку абсолютная проводимость не может быть измерена с такой точностью, как требуется для точных измерений солености, рекомендуется использовать проводимость, измеренную относительно проводимости стандартной морской воды, и применять соотношения соленость-проводимость (3-5).

Практическая шкала солености была принята в 1980 г. в качестве международного стандарта для океанографии Объединенной группой экспертов ЮНЕСКО / SCOR / ICES / IAPSO по океанографическим таблицам и стандартам и Рабочей группой 51 SCOR (JPOTS).Соответствующее уравнение состояния морской воды (EOS-80) на основе температурной шкалы IPTS-68 и практической шкалы солености 1978 г., PSS-78 (Lewis and Perkin, 1981 ^[13]) было опубликовано Millero et al. (1980 ^[8]).

ТЭОС-10

МОК ЮНЕСКО представила в 2010 году новое определение солености, так называемое абсолютное соленость [math] S_A [/ math]. Термодинамическое уравнение состояния (TEOS) было обновлено по нескольким причинам ^[14]:

В 1975 году Брюэр и Брэдшоу предположили, что изменения в составе глубоководной морской воды могут влиять на соотношение проводимость-плотность.За этим открытием последовали важные статьи, в которых обсуждались ограничения зависимости плотность-проводимость, которые подтвердили, что образцы из глубоководных источников имеют повышенную плотность из-за добавления Ca ²⁺ и HCO ₃ ^— при растворении CaCO. ₃ (s), кремниевая кислота (Si (OH) ₄) в результате растворения SiO ₂ (s), CO ₂, NO ₃ ^— и PO ₄ ^{3 —} от окисления растительного материала (как предсказано Брюером и Брэдшоу, 1975 ^[15]).

Некоторые из полиномиальных выражений Международного уравнения состояния морской воды (EOS-80) не полностью согласуются друг с другом, поскольку они не полностью подчиняются термодинамическим соотношениям кросс-дифференцирования Максвелла. Новый подход устраняет эту проблему.
С конца 1970-х годов появилось более точное термодинамическое описание чистой воды (IAPWS-95). Также было проведено больше и довольно точных измерений свойств морской воды (таких как (i) теплоемкость, (ii) скорость звука и (iii) температура максимальной плотности), которые могут быть включены в новое термодинамическое описание морской воды. .
Влияние на плотность морской воды изменения состава морской воды в различных океанских бассейнах стало более понятным.
Растущее внимание к океану как к неотъемлемой части глобальной тепловой машины указывает на необходимость точных выражений для энтальпии и внутренней энергии морской воды, чтобы можно было более точно определять тепловые потоки в океане (энтальпия и внутренняя энергия были недоступно в EOS-80).
Температурная шкала была изменена с ITS-68 на ITS-90, а атомные веса элементов были пересмотрены.

Абсолютная соленость [math] S_A [/ math] определяется как массовая доля растворенного вещества, отличного от H ₂ O, в пробе морской воды при ее температуре и давлении и выраженная в единицах г / кг. Поэтому его также называют Плотность Соленость . Таким образом, массовая доля H ₂ O в пробе морской воды определяется как [math] 1-0,001 S_A [/ math]. Это определение правильно рассматривает вопрос «что представляет собой вода и что представляет собой растворенный материал» (например, растворение данной массы CO ₂ в чистой воде по существу превращает часть воды в растворенный материал, поскольку при этом образуется смесь CO ₂, H ₂ CO ₃, HCO ₃ ^—, CO ₃ ^2-, H ⁺, OH ^— и H ₂ O, с относительными пропорциями в зависимости от констант диссоциации, которые зависят от температуры, давления и pH ^[16].).

Значения абсолютной солености [math] S_A [/ math] незначительно отличаются от соответствующих значений практической солености [math] S [/ math]. Для морской воды стандартного эталонного состава

[математика] S_A = \ Large \ frac {35.16504} {35} \ normalsize S \; г / кг \ qquad (6) [/ math].

Другими словами, для эталонной пробы морской воды с практической соленостью 35 абсолютная соленость составляет 35,16504 г / кг. Для нестандартной морской воды, собранной в произвольных местах в океане, средняя разница между абсолютной соленостью [math] S_A [/ math] и уравнением.(6) составляет около 0,0107 г / кг. Известно, что значение абсолютной солености [math] S_A [/ math], выраженное в г / кг, и соответствующее значение практической солености [math] S [/ math] различаются не более чем примерно на 0,5%. Преимущество использования практической солености состоит в том, что она (почти) напрямую определяется из измерений проводимости, температуры и давления, тогда как абсолютная соленость обычно получается из комбинации этих измерений плюс другие измерения и корреляции, которые часто недостаточно хорошо установлены.

Биологическое влияние засоления

Функционирование клеток живых организмов во многом определяется способностью поглощать или выводить определенные вещества. Осмос — это процесс, при котором вещества могут проходить через клеточную мембрану. Клеточная мембрана более проницаема для одних веществ, чем для других. Например, вода может проходить через мембрану легче, чем ионы соли.
Когда виды, адаптированные к среде с низкой соленостью, подвергаются воздействию высокой солености, соленость внеклеточной жидкости у этих видов также может увеличиваться.В этом случае осмос вызовет чистую потерю клеточной жидкости, что приведет к сокращению клеток. В противоположном случае, когда морские виды подвергаются воздействию режима низкой солености, клетки поглощают воду и расширяются. В любом случае вид может погибнуть. У некоторых видов есть приспособления, которые позволяют им переносить изменения солености окружающей среды. Чтобы предотвратить расширение или сокращение своих клеток, эти виды используют различные механизмы для поддержания баланса между водой и растворенными веществами в своем теле. Это называется гомеостазом.См. Статью Осмос для более подробной информации.

Статьи по теме

Датчики солености

Плотность морской воды

Проникновение и перемешивание морской воды в устьях рек

Эстуарная циркуляция

Соляноклиновые эстуарии

Обмен шельфа с океаном

Список литературы

↑ Boyle, R. 1693. Отчет о том, как благородный Роберт Бойль исследовал воду на свежесть и соленость. Фил. Пер.Рой. Soc. Лондон. 17: 627-641
↑ Берч, Т. (ред.) 1965. Работы Роберта Бойля. Георг Ольмс, Hildeschiem, 6 vol.
↑ Lavoisier, A. 1772. Memoire sur l’usage de esprit-de-vin dans l’analyse des eaux minerales, Mem. Акад. Рой. Sci. (Париж), 1772, 555-563
↑ Бергман, Т. 1784. Физико-химические очерки (перевод Эдмунда Каллена)
Мюррей, Лондон, 2 т.
↑ Forchhammer, G. 1865. О составе морской воды в разных частях океана.Филос. Пер. R. Soc. Лондон. 155: 203-262
↑ Dittmar, I.W. 1884. Dittmar, W., 1884. Отчет об исследованиях состава океанской воды, собранный Х.М.С. Челленджером в 1873–1876 гг. Физика и химия 76,1, 251с.
↑ Wallace, W.J. 1974. Развитие концепции хлоринности / солености в океанографии. Амстердам: Эльзевир. 239.
↑ ^8,0 ^8,1 Миллеро, Ф. Дж., Фейстель, Р., Райт, Д. и Макдугалл, Т.Дж. 2008 г.Состав стандартной морской воды и определение шкалы солености эталонного состава, Deep-Sea Res. Я, 55: 50-72
↑ KNUDSEN, M. 1901. Гидрографические таблицы. G.E.C. Гад, Копенгаген, 63п
↑ Карритт Д. Э. и Карпентер Дж. H. 1959. Состав морской воды и проблемы солености-хлорирования-плотности. В «Физические и химические свойства морской воды», стр. 67-86. Nat. Акад. Sci. Паб. 600; 202 стр.
↑ ЮНЕСКО (1985) Международная система единиц (СИ) в океанографии.Технические документы ЮНЕСКО № 45, IAPSO Pub. Sci. № 32, Париж, Франция.
↑ Fofonoff, N.P. и Миллард Р. 1983. Алгоритмы вычисления фундаментальных свойств морской воды. Технические документы ЮНЕСКО по морским наукам 44
↑ Льюис, Э. Л. и Перкин, Р. Г. 1981. Практическая шкала солености 1978: преобразование существующих данных. Deep-Sea Res. 28А: 307-328
↑ IOC, SCOR и IAPSO 2010. Международное уравнение термодинамики морской воды — 2010: Расчет и использование термодинамических свойств.Межправительственная океанографическая комиссия, Наставления и руководства № 56, ЮНЕСКО, 196 стр.
↑ Брюер П. Г. и Брэдшоу А. 1975. Влияние неидеального состава морской воды на соленость и плотность. J. Mar. Res. 33: 157-175
↑ Райт, Д.Г., Павлович, Р., Макдугалл, Т.Дж., Фейстел, Р. и Мэрион, Г.М. 2011. Абсолютная соленость, «Плотность солености» и шкала солености эталонного состава: настоящее и будущее использование в стандарте морской воды TEOS-10. Ocean Sci. 7: 1–26

Записок с мест — Измерение солености из космоса

Эрик Линдстрем

В последние годы для океанографов произошли значительные разработки в области спутников.Европейское космическое агентство запустило миссию по изучению влажности почвы и солености океана (SMOS), а НАСА запустило прибор «Водолей» в рамках аргентинской миссии SAC-D.

Художественный концепт космического корабля Aquarius / SAC-D. (Источник: НАСА)

Соленость всегда была сложной, но критически важной мерой для океанографов. Небольшие изменения солености, которые мы совершаем в океане, важны для определения плотности морской воды, а разница в плотности отчасти ответственна за циркуляцию океана (еще одним важным фактором является прямое воздействие ветра).Это сложное измерение, потому что мы оцениваем соленость, одновременно измеряя температуру и проводимость морской воды и используя хорошо зарекомендовавшую себя формулу для расчета концентрации соли. Соленость открытого океана колеблется от 33 до 38 частей на тысячу, а целевая точность спутников — измерить разницу в 0,2 части на тысячу. Это похоже на измерение изменения солености при добавлении щепотки соли в галлон воды. Я призываю вас почувствовать разницу!

Связь между проводимостью и соленостью позволяет дистанционно определять соленость из космоса.По мере изменения проводимости поверхностных вод океана (с увеличением солености) наблюдаются незначительные изменения «яркости» поверхности в микроволновом излучении. Итак, теоретически, если у нас будет достаточно чувствительный микроволновый радиометр, мы сможем обнаружить эти изменения с низкой околоземной орбиты и преобразовать их в соленость. На самом деле, научная и техническая сложность этой задачи огромна (и, к счастью, космические агентства лакомятся такими задачами!)

SMOS и Aquarius — два совершенно разных решения технической проблемы измерения слабого микроволнового сигнала с околоземной орбиты.Но перед ними обоими стоит непростая задача — внести поправки на температуру и шероховатость морской поверхности, промежуточную атмосферу и ионосферу, а также галактические сигналы, отраженные от поверхности моря (существуют сильные источники микроволн, которые астрономы наносили на карту в течение десятилетий: фактически, мы измерить соленость в полосе частот 1,4 ГГц, которая «защищена» для астрономических исследований.)

Что ж, вы можете просматривать веб-сайты, если хотите вникнуть во все подробности … но давайте вернемся к океану, раз уж я здесь! Появление SMOS и Aquarius возобновило интерес к деталям свойств солености поверхности океана.Никогда раньше у океанографов не было еженедельных карт глобального поля солености. Мы изучаем температурные карты десятилетиями, но соленость — это новость. Стоит целого поста о том, что значит знать карты температуры и солености поверхности океана круглый год, и я сделаю это в другой день.

Первая карта глобальной солености поверхности океана от Aquarius, выпущенная в сентябре 2011 г. (Источник: НАСА)

SMOS и Водолей заставляют ученых задаться вопросом, как именно изменения солености, наблюдаемые из космоса, становятся такими, какие они есть.Вот где так важно детальное изучение нескольких ключевых участков океана.

Тем временем мы продолжаем наслаждаться прекрасной погодой, несмотря на ураганы в Атлантике. Голубые воды Саргассова моря восхитительны!

Теги: Водолей, микроволновое излучение, радиоастрономия, соленость, SMOS, SPURS1

Эта запись была опубликована
во вторник, 11 сентября 2012 г., в 11:17
и находится в разделе «Процессы солености в региональном исследовании верхних слоев океана» (SPURS).Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через канал RSS 2.0.

И комментарии и запросы в настоящий момент закрыты.

К измерениям солености на основе микрочипов для малых подводных аппаратов и биологов

Соленость воды играет важную роль в окружающей среде.Его можно определить путем измерения проводимости, температуры и глубины (CTD). Соответствующие сенсорные системы обычно большие и громоздкие. Здесь был разработан чип 7,5 × 3,5 мм, содержащий микроструктурированные сенсорные элементы CTD. На нем используются золотые пальцевые электроды размером 1,5 мм ² для измерения импеданса и, следовательно, проводимости воды в диапазоне частот МГц. Работа на этих частотах привела к более высокой чувствительности, чем на частотах ниже МГц. Повторно получено до 14 кОм на части на тысячу соли для концентраций в пресной воде.Это было на три порядка больше, чем полученное для концентраций в солоноватоводном диапазоне и выше. Платиновый электрод используется для определения заданной температуры окружающей среды с точностью до 0,005 ° C. Мембраны с нихромовыми тензодатчиками реагировали на изменение давления на 1 бар с изменением сопротивления до 0,21. Линейная аппроксимация данных по 7 барам дала чувствительность 0,1185 / бар при 0,9964. Это указывает на то, что описанное устройство может быть использовано в приложениях ограниченного размера, таких как миниатюрные подводные аппараты, или в качестве биорегистратора на морских животных.

1. Введение

В области океанографии соленость является важным свойством воды. Проще говоря, он определяется как общее количество растворенных солей в одном килограмме воды. Степень солености может быть выражена в частях на тысячу, где океаны имеют среднюю соленость около 35 ‰, а пресная вода — ниже 0,5 ‰. Соленость постоянно меняется из-за таких явлений, как испарение, осадки, образование и таяние льда. Это важный экологический и экологический фактор, который имеет большое влияние на то, какой вид жизни может преобладать и какие растения могут расти.Он влияет на использование воды во всем мире, определяя, какие воды пригодны для питья, а какие можно использовать для орошения. Поэтому важно иметь возможность измерять и контролировать содержание соли в воде. Кроме того, соленость воды играет решающую роль в климате планеты, где плотность, которая обычно не измеряется напрямую, а рассчитывается на основе измерений солености, температуры и давления, является движущей силой циркуляции мирового океана посредством конвекции. подъем и опускание воды [1].Соленость и температура воды также влияют на другие явления, такие как растворимость кислорода (O ₂) и диоксида углерода (CO ₂), испарение и ионизация воды и растворение твердого карбоната кальция (CaCO _{). 3}) [2]. Поскольку CO ₂ из атмосферы растворяется в океанах [3], pH снижается, а океаны подкисляются [4], что влияет на коралловые рифы [5, 6], известковые планктоны [7] и другие организмы, содержащие карбонат кальция, в том числе глубоководная биота океана [8].

Поскольку вода является важным свойством, в действительности трудно измерить количество растворенных солей. По состоянию на 1978 год соленость измеряется с помощью Практической шкалы солености (PSS), выраженной как безразмерное соотношение между проводимостью воды и проводимости стандартного раствора хлорида калия (KCl) [9] и калиброванной по температуре и глубине. Зная проводимость, температуру и глубину, можно рассчитать дополнительные свойства воды, такие как аномалия удельного объема, аномалия плотности, температура точки замерзания, удельная теплоемкость, адиабатический градиент, потенциальная температура и скорость звука [10].

Соленость также может быть косвенно измерена по показателю преломления [11], скорости звука [12] и плотности воды [12]. Кроме того, спутник Aquarius / SAC-D, запущенный в 2011 году, будет проводить радиометрические наблюдения, на основе которых можно будет определить соленость поверхностных вод земного океана [13]. Однако, поскольку средняя глубина океанов составляет 3800 м, эти измерения необходимо будет соотнести с измерениями на глубинах, чтобы получить более полное представление об океанах планеты и их влиянии на мир, в котором мы живем.В этом контексте также стоит упомянуть аналог Европейского космического агентства: Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) [14], в котором используется другой, но дополняющий интерферометрический метод, используемый на их спутнике, запущенном в 2009 году.

Для измерения Сенсоры трех параметров воды: проводимости, температуры и глубины (CTD) широко используются с 1960-х годов, когда они стали важными инструментами в области океанографии [15]. Инструменты CTD сегодня можно найти на большинстве исследовательских судов.Часто в сочетании с бутылочной розеткой Нискина для одновременного отбора проб воды, они представляют собой большие и громоздкие устройства, которые спускаются в воду с судов с помощью кранов или подвешиваются под буями. Это, однако, требует использования корабля, достаточно большого для развертывания и восстановления этих инструментов, ограничивая диапазон и доступность для них. Кроме того, из-за ограниченного количества исследовательских судов эти измерения ограничены пространством и временем.

Что касается производительности, ученым могут потребоваться инструменты с разрешением порядка частей на миллион, с лучшими современными системами измерения солености с погрешностью ± 0.005 для проводимости, с измеренными температурами до ± 0,001 ° C и давлением до ± 0,65 дбар [15].

Для обеспечения лучшего пространственного и временного разрешения измерений была разработана система наблюдения Земли ARGO. Эти автоматизированные поплавки, которых сейчас насчитывается около 3000, имеют длину около двух метров и вес около 25 кг. Сообщается, что они имеют погрешность солености 0,01, при этом точность измерения температуры составляет 0,005 ° C, а давления — 5 дбар [16].

В качестве альтернативы, миниатюрные CTD-датчики, использующие такие технологии, как технология микроэлектромеханических систем (MEMS), хотя, возможно, за счет точности, могут быть установлены на даже меньших платформах [17] и объединены с такими устройствами, как миниатюрный пробоотборник. [18].Таким образом, можно получить доступ к областям, недоступным для более крупных систем. Потенциально эти датчики могут также использоваться в качестве биологов на морских животных [19, 20], выступать в качестве измерительных платформ или как автономный инструмент в ранее недоступных приложениях. Кроме того, избыточность может быть достигнута с помощью миниатюрных датчиков, поскольку несколько установок CTD могут быть размещены в приборе с незначительными потерями по массе и объему.

Элемент датчика солености 4 × 4 мм с погрешностью 0.Было представлено 5 БП [21]. Сообщалось об определении электропроводности с погрешностью ± 0,06 мСм. Сообщается, что датчик температуры имеет разрешение 0,01 ° C. Однако его погрешность составляла как ± 0,065 ° C, так и ± 0,13 ° C, и неясно, какое из этих значений является правильным. Было заявлено, что датчик давления имеет погрешность 0,1 бар. Однако подробностей об оценке деталей датчика температуры и давления было немного.

В более поздней публикации тех же авторов [22] сообщается о погрешности ± 0.1 БП для другой версии сенсорного чипа, размером 3,0 × 7,4 × 0,8 мм ³, вероятно, из-за большей площади электродов. Теперь сообщалось, что чувствительность датчика давления составляет 1,44 × 10 ⁻³ дбар ⁻¹. Сообщается, что датчик температуры имеет температурный коэффициент сопротивления (TCR) 0,0029 K ^-1.

Также сообщалось о миниатюрной недорогой CTD-системе для измерения прибрежной солености с использованием печатной платы (PCB) [23].Были оценены погрешности для электропроводности ± 1,47%, температуры ± 0,546 ° C и давления ± 0,02 бар. Однако в конструкцию входил коммерческий датчик, а общая конструкция CTD составляла приблизительно 10 см в диаметре и 10 см в длину.

Более современная разработка этой системы [24], все еще основанная на печатной плате, для использования в биологических приложениях, уменьшила размер до 90 × 28 мм. Однако в дополнение к серийному датчику давления с погрешностью 1% в нем использовался коммерческий термистор с погрешностью ± 0.01 ° С.

Еще одним последним устройством является датчик электропроводности и температуры Huang et al. [25], в котором используется семиэлектродная ячейка для измерения проводимости, обеспечивающая точность 0,03 мСм / см в диапазоне 25–55 мСм / см. Платиновые сенсорные элементы нанесены на стеклянный чип размером 35 × 20 мм.

Очевидно, что существует ряд приложений с различными требованиями, а также ряд подходов к вариантам осуществления, в частности, миниатюрных CTD-инструментов. Исходя из этих соображений, возникает соблазн найти корреляцию между потребностью в очень высоком качестве и, возможно, меньшим или большим количеством локализованных измерений, с одной стороны, и большим распределением измерений (в пространстве или времени) с низкими затратами и меньшими затратами. с другой — требования к качеству данных.Пока что миниатюрные инструменты, кажется, нацелены на последнюю потребность, нередко предлагая использование интегрируемых устройств. Эта работа, в которой описывается предварительный дизайн, изготовление и лабораторная оценка миниатюрного измерительного устройства, содержащего сенсорные элементы для проводимости, температуры и глубины, с потенциалом использования в приложениях, требующих небольших CTD-инструментов, не является исключением в этом отношении. уважать. Примером платформы, предназначенной для этого инструмента, является миниатюрный подводный аппарат DADU [26], размер которого имеет большое значение и для которого предлагаемые актуальные задачи носят исследовательский характер, стремясь собрать ранние, но многогранные данные, чтобы проложить путь. для большего количества научных миссий.

2. Справочная информация

2.1. Соленость воды

Классификация солености воды колеблется от менее 0,5 ‰ для пресной воды до более 50 ‰ для рассола, таблица 1. Океаны Земли имеют соленость от 34,60 до 34,80 ‰ [15], соленость Балтийского моря около 9. ‰ и соленость Средиземного моря около 38 ‰, тогда как вода в подледниковом озере Восток в Антарктиде была рассчитана как 0,03 ‰ [27].

907 907

907.7

Аналогично, состав океанов немного отличается от места к месту по всему земному шару, а в замкнутых водоемах и устьях разница может быть существенной [32, 33].

2.2. Расчет солености

Общее количество растворенных солей, содержащих, например, ионы хлорида, натрия, магния, сульфата, кальция и калия, в граммах на один килограмм воды, определяется как абсолютная соленость. Однако на практике эту величину нельзя измерить напрямую. Вместо этого используется практическая соленость, согласно Практической шкале солености от 1978 г. (PSS) [34]. Практическая соленость определяется как отношение измеренной электропроводности пробы воды к проводимости стандартизованного раствора хлорида калия (KCl) и имеет погрешность ± 0.003 [15]. Следовательно, это безразмерное число, а не величина в системе СИ. Через PSS можно рассчитать [35] в соответствии с

куда

где (, 15, 0) — проводимость пробы воды, имеющей соленость, при температуре 14,996 ° C (ITS-90 [36]) и стандартном атмосферном давлении 101,325 Па [15], и (KCl, 15, 0) — проводимость стандартного раствора, содержащего 32,4356 г KCl в 1,000000 кг раствора, при 15 ° C и стандартном атмосферном давлении [15].

Согласно приведенному выше определению PSS, вся вода с одинаковой проводимостью также имеет одинаковую проводимость, независимо от того, какая доля различных ионов растворена в воде.

Для измерений in situ при различных давлениях и температурах необходимы дополнительные уравнения [15, 35]. PSS, однако, применим только для температур от –2 до 35 ° C, а практическая соленость — только от 2 до 42 [36].

Практические единицы солености (PSU) иногда упоминаются как единица измерения и замена частей на тысячу.Однако PSS не имеет единиц измерения, и PSU не входит в его определение [15].

Абсолютная соленость отличается от практической примерно на 0,5% [15]. Новая мера солености, названная эталонной соленостью, была предложена для более точного представления в растворах искусственной морской воды [37]. Также предполагается, что он будет расширением.

Из-за определения PSS нельзя сказать, что, например, 35 точно равно 35 г вещества, растворенного в одном литре воды.Однако для простоты в этой работе для определения концентрации соли NaCl в солевых растворах используются доли на тысячу ().

2.3. Расчет проводимости

Два электрода, погруженные в воду, можно использовать для измерения ее электропроводности. Когда к электродам приложен электрический потенциал, между ними будет течь ионный ток, пропорциональный концентрации ионов. Обычно используется переменное напряжение, чтобы избежать поляризации поверхностей электродов.Проводимость, обратная сопротивлению, может быть получена из этого измерения в соответствии с законом Ома. В случае двух параллельных пластин, обращенных друг к другу, и когда краевые эффекты не учитываются, проводимость,, может быть рассчитана как

где постоянная ячейки,, — отношение расстояния между электродами к площади их поперечного сечения. Единицей измерения проводимости является Сименс на метр, См / м, где единица измерения проводимости, не следует путать с обозначением солености.

Для тонкопленочных электродов, расположенных бок о бок на плоской поверхности в виде гребня для пальцев, выражение для постоянной ячейки становится более сложным [38]:

куда

и — длина и ширина электродов, соответственно, — расстояние между ними, — количество пальцев, и интегрируется от 0 до 1. Зная постоянную ячейки, можно рассчитать проводимость с использованием (4).

2.4. Температура

Сопротивление проводника можно рассчитать с помощью

где — удельное сопротивление материала, — длина проводника и площадь его поперечного сечения, то есть произведение ширины, и высоты,.Сопротивление проводника зависит от температуры, согласно

где — сопротивление при температуре, — сопротивление при температуре, — TCR при [39].

Из-за более точных измерений абсолютной температуры Международная практическая температурная шкала 1968 года (ITPS-68), которая использовалась для PSS, была пересмотрена до текущей Международной температурной шкалы 1990 года (ITS-1990). Эти две температурные шкалы немного отличаются друг от друга.

Несмотря на то, что разрешение океанографических термометров может быть вплоть до миллиградуса, в самой температурной шкале есть погрешности порядка нескольких миллиградусов [15].

2.5. Давление

В океанографии давление обычно измеряется в децибарах (дбар), поскольку дбар почти эквивалентен глубине воды в метрах; то есть на глубине 1 м давление на 1 дбар выше атмосферного давления, а на глубине 1000 м давление на 1000 дбар выше атмосферного давления.Для преобразования в единицы СИ 1 дбар приблизительно равен 10 ⁴ Паскалей (Па).

Датчик давления, спроектированный с герметичной полостью, где одна сторона имеет тонкую мембрану, а другая — более жесткие стенки, может использоваться в качестве датчика глубины, поскольку увеличение внешнего давления приведет к увеличению отклонения мембраны. Используя меандровую структуру из чувствительного к деформации материала, прикрепленного к мембране, это отклонение и, следовательно, внешнее давление может быть связано с изменением сопротивления в меандре.

Взаимосвязь между деформацией, и сопротивлением в структуре выводов меандра может быть выражена как

где — изменение сопротивления от деформации, — эталонное сопротивление при отсутствии деформации, а GF — калибровочный коэффициент для материала [39].

3. Конструкция

Для предварительной и предварительной оценки конструкций были спроектированы, изготовлены и оценены 6 различных сенсорных элементов проводимости, 3 различных сенсорных элемента температуры и набор из 4 сенсорных элементов давления, предназначенных для различных областей давления. .Кроме того, в конструкцию были включены электроды для измерения pH и концентраций Cl ^—. Хлорность дополняет информацию о составе солей в воде и, как и в случае с PSS-78, считается свойством отдельно от солености морской воды [34]. Однако эти два датчика на данном этапе не получили дальнейшего развития и не будут исследоваться в данной работе. Кроме того, все, кроме одного, элементы датчика проводимости и один из элементов датчика температуры были исключены, так как они использовались только для проверки конструкции.

Пример расположения электродов микросхемы 7,5 × 3,5 мм для размещения различных сенсорных элементов приведен на рисунке 1.

Предполагается, что вся система CTD, включая сенсорную микросхему, электронику и батареи, подходит внутри объема обычного спичечного коробка.

Условия окружающей среды, в которых, в конечном итоге, будет работать CTD, — это соленость, охватывающая пресную и рассольную воду в диапазоне температур от –5 до 40 ° C на глубинах от 0 до 1000 м.

В следующих подразделах будет описан каждый чувствительный элемент.

3.1. Электропроводность

Датчик электропроводности, выбранный для дальнейшего исследования, содержит два золотых (Au) электрода с 8 пальцами. Каждый электродный палец имеет длину 1000 мкм м и ширину 50 мкм м. Межэлектродный зазор составляет 50 мкм м. Золотой вывод от каждого электрода доходит до контактных площадок на левой стороне микросхемы, рис. 1.

3.2. Температура

Датчик температуры был разработан как резистивное тепловое устройство (RTD).Платина (Pt) была выбрана в качестве материала сенсора, поскольку она имеет хорошую линейную зависимость сопротивления от температуры и имеет низкую реактивность с окружающей средой. Это также предпочтительный материал в ITS-90 [36]. Термочувствительный элемент был разработан длиной 11,9 мм и шириной 150 мкм м.

3.3. Глубина

Для проектирования датчиков давления использовались аналитические расчеты и программное обеспечение для моделирования. Использовались уравнения для отклонения плоской диафрагмы с жестким центром под давлением [40].Результаты этих расчетов были сопоставлены с результатами анализа методом конечных элементов (FEA) с использованием COMSOL Multiphysics (версия 4.1, COMSOL AB, Стокгольм, Швеция), где напряжения фон Мизеса были исследованы и сопоставлены с пределом текучести кремния [ 41].

Толщина мембраны обозначается как: радиус внешней мембраны, зазор между дном и жестким центром и радиус жесткого центра rc, рис. 2. Каналы, окружающие полость мембраны на рис. 2, включены в предотвратить попадание клея в полость, когда структурированный чип капиллярно приклеен к жесткому дну.Каналы вытравлены на ту же глубину, что и зазор g, и имеют ширину 50 мкм м. Внутренний канал расположен на расстоянии 75 мкм на м от края полости, и расстояние между двумя каналами также составляет 75 мкм м.

Были спроектированы четыре элемента датчика давления, обозначенные от P1 до P4, каждый из которых способен выдерживать часть указанного рабочего диапазона на глубине от 0 до 1000 м и, таким образом, предназначен для совместной работы в виде набора, Таблица 2 .


Окружающая среда	Примеры	Соленость (‰)

Пресная вода
	Озеро Восток [27]	0,03
	Питьевая вода	<0,5
Солоноватая вода		0,5–30	<2
	Балтийское море	9
Нормальная морская вода		30–40
	Средняя морская вода [15]
	Средиземное море	38
Морская вода		> 50
	Мертвое море [31]	276.2
276,2

907 907 907

907 26


Конструкция	( μ м)	( μ м)	( μ м)		μ давление (дбар)

P1	70	1000	40	475	390
P2	70 1000
P3	70	1000	40	625	910
P4	70	1000	40	675 1330

Выступающий жесткий центр предназначен для остановки дальнейшего вертикального движения мембраны относительно нижней пластины при достижении заданного максимального давления для предотвращения разрывов.Таким образом, каждая отдельная сенсорная мембрана предназначена для отклонения давления в соответствующем диапазоне, тогда как все сенсорные элементы спроектированы так, чтобы выдерживать давление на глубине 1000 м.

Жесткий центр также придает мембране некоторую стабильность и концентрирует отклонения, когда датчик деформации в форме меандра наверху измеряет отклонение мембраны в зависимости от внешнего давления. В качестве материала меандровых структур был выбран нихром (NiCr), сплав никеля (Ni) и хрома (Cr), который имеет высокую чувствительность к силам деформации.Однако, поскольку этот материал быстро покрывается оксидом хрома, что затрудняет электрическое соединение с выводами с помощью проволочного соединения, используются тонкопленочные соединители Au, перекрывающиеся с осажденными выводами NiCr. К жестким частям микросхемы были добавлены две дополнительные структуры из меандра NiCr, которые действуют как термокомпенсирующие резисторы.

Поскольку вертикальные размеры для всех конструкций датчиков глубины были одинаковыми, их можно было изготавливать одновременно, используя одинаковые этапы травления.

4. Производство

Обычные процессы и методы МЭМС использовались для производства различных компонентов датчика. В качестве материала подложки использовалась двухсторонняя полированная 4-дюймовая (100) пластина из кремния (Si) 280 мкм толщиной м (Topsil Semiconductor Materials A / S, Frederikssund, Дания). Стандартный этап очистки RCA выполнялся перед термическим выращиванием слоя оксида кремния SiO ₂ толщиной 1800 нм в вертикальной печи ( мкм TF-6, Koyo Lindbergh Co.Ltd., Тенри, Япония) при 1050 ° C в течение 17 часов. Толщина проверялась с помощью интерферометра (ELMES-SP, Leica Microsystems GmbH, Вецлар, Германия).

Пластина была очищена с использованием процесса RCA перед обработкой в печи с паровой грунтовкой (Star 2000, Imtec Accubath, Саннивейл, Калифорния). Слой положительного фоторезиста толщиной 1 мкм (Microposit S1813, Rohm and Haas Company, Филадельфия, Пенсильвания, США) был нанесен методом центрифугирования на верхнюю часть (BLE Delta 20) и подвергнут мягкому отжигу при 115 ° C в течение 60 с на плита (BM Delta 150).Таким же образом на нижнюю сторону наносился слой толщиной 1 мкм и мкм, и пластина обжигалась при 90 ° C в течение 20 мин в печи (Memmert GmbH, Швабах, Германия). Верхняя сторона пластины экспонировалась в течение 6 с (Karl Süss, SUSS MicroTec AG, Гархинг, Германия) через маску из хромированного стекла, содержащую рисунок меток для совмещения последующих масок с пластиной. Пластина была разработана в течение 5 с (Microposit 351, Rohm and Haas Company, Филадельфия, Пенсильвания) для разработки части конструкции, перенесенной на фоторезист верхней части.Выравнивание задней стороны использовалось для выравнивания маски, содержащей часть конструкции мембраны, с узорами, частично проявленными на верхней стороне пластины. Фоторезист экспонировался, и пластина проявлялась еще 45 с. Пластина упрочнялась в горизонтальном положении при 120 ° C в течение 20 мин в печи. Процесс удаления накипи выполняли в плазме O ₂ / N ₂ при 50 Вт в течение 60 с (Tepla 300, Technics Plasma GmbH, Мюнхен, Германия) для удаления остатков фоторезиста.

Узорчатый слой использовался в качестве маски для травления обнаженной части слоя SiO ₂ в буферной плавиковой кислоте в течение 30 мин.Этот структурированный слой SiO ₂ позже использовался на втором этапе травления Si. Пластина была очищена от фоторезиста в ацетоне и IPA, после чего был выполнен процесс удаления накипи.

Слой алюминия (Al) толщиной 150 нм, который будет использоваться в качестве первой маски для травления Si, был нанесен на нижнюю сторону пластины с помощью магнетронного распылителя (CS 730S, von Ardenne Anlagentechnik GmbH, Дрезден, Германия). Этап литографии, как описано выше, был выполнен для переноса второй части мембранного рисунка в слой S1813.Экспонированный Al подвергали влажному травлению в течение 2 минут при 40 ° C в H ₃ PO ₄: CH ₃ COOH: HNO ₃ (29: 5: 1), после чего с пластины удаляли резист.

Слой Al с рисунком использовался в качестве маски при последующем глубоком реактивном ионном травлении (DRIE) Si (110 S / DE, Tegal Corporation, Petaluma, CA). Основная полость была протравлена 170 мкм м, что подтверждено с помощью профилометра щупа (Veeco Dektak 150, Bruker Corporation, Биллерика, Массачусетс). Пластина была очищена от алюминия, обнажая структуры полости мембраны в слое SiO ₂, которые использовались в качестве маски для второго этапа DRIE дополнительных 40 мкм м, увеличивая глубину основной полости до 210 мкм. м и формируют каналы для упора клея и зазор для жесткого центра, рисунок 2.

Для создания рисунка на верхней стороне пластину очищали в RCA и покрывали 15 нм Cr, испаренным электронным пучком, а затем 200 нм резистивно испаренным Au (Edwards Auto 306 FL400, BOC Ltd., Кроули, Англия). Другой этап литографии был выполнен для создания маски травления из фоторезиста для электродов из Au, протравленных в течение примерно 4 минут в I ₂: KI: H ₂ O (1: 4: 40) при комнатной температуре. Пластина была очищена от резиста в ацетоне и IPA, и Cr был протравлен (Chromium etch, Sunchem AB, Partille, Швеция) в течение 5 с при комнатной температуре с использованием ранее протравленного слоя Au в качестве маски.

Для электродных слоев NiCr и Pt использовались процессы снятия изоляции вместо травления. Праймер был нанесен на верхнюю поверхность перед нанесением негативного фоторезиста 4 мкм толщиной м (ma-N 1440, Micro Resist Technology GmbH, Берлин, Германия) с использованием центрифуги для нанесения покрытий при 250 об / мин в течение 15 с, а затем 3000 об / мин для 30 с. Резист мягко запекали на горячей плите при 150 ° C в течение 4 минут, после чего его экспонировали в течение 2 × 21 с и затем проявляли в течение 4 минут (ma-D 533S, Micro Resist Technology GmbH, Берлин, Германия).Наконец, резист был сильно запечен в печи в течение 45 минут, начиная с 70 ° C, и настроен на постепенное повышение до 100 ° C. Пластина удалялась перед нанесением электродного слоя. Пленка NiCr толщиной 300 нм с использованием листа мишени NiCr (Ni: Cr: C: Fe: Si: Ti 72–76: 18–21: 0,08–0,13: <5: <1: 0,2–0,6 мас.%, Goodfellow Cambridge Limited, Хантингдон, Англия) депонировали в настольную распылительную установку (Emitech). Для Pt-электрода был нанесен адгезионный слой титана (Ti) толщиной 15 нм перед нанесением пленки Pt толщиной 150 нм в испарителе (PVD 75, Kurt J.Lesker Company, Клэртон, Пенсильвания). Отрыв осуществляли в ультразвуковой ванне, заполненной ацетоном, после чего пластину ополаскивали в IPA и сушили. Толщину электродов проверяли с помощью профилометра щупа.

Наконец, пластина была покрыта защитным слоем фоторезиста S1813 для последующего нарезания кубиками (Disco DAD 361, DISCO Corporation, Токио, Япония). (В будущем на чипы будет нанесен защитный слой, такой как SU-8, за исключением электродов проводимости, которые должны находиться в прямом контакте с жидкостью.)

Перед изготовлением тестовых устройств чип с тонкопленочными электродами был отожжен в печи при 300 ° C в течение примерно 5 дней. После этого стеклянный лист, нарезанный кубиками до тех же размеров, что и Si-чип, прижимался к его нижней стороне, и двухкомпонентная эпоксидная смола (EPO-TEK 301, Epoxy Technology, Inc., MA) была смешана и оставлена для перемешивания. затягивался капиллярным действием, после чего он выдерживался в печи при 65 ° C в течение 1 часа, создавая герметичные полости под мембранами, работающими под давлением.

Чип был приклеен (Crystalbond 509, Aremco Products, Inc., США) к интерфейсной плате с выламываемыми выводами. Соединения между контактными площадками на микросхеме и выводами на печатной плате были соединены перемычкой с использованием клинового соединителя (модель 4526, Kulicke & Soffa, Willow Grove, PA). Наконец, чип и проволочные соединения были закреплены двухкомпонентной эпоксидной смолой.

5. Измерения

5.1. Проводимость

Для приготовления солевых растворов для испытаний 30,169 г NaCl-соли (CAS 7647-14-5, Sigma-Aldrich Co, Сент-Луис, Миссури, США) добавляли в мерную колбу на 500 мл.Соль растворяли в небольшом количестве деионизированной воды при комнатной температуре, после чего добавляли дополнительную воду до достижения полного объема. Этот раствор разбавляли на семи последующих этапах, на каждой из которых был получен раствор с половиной концентрации по сравнению с предыдущим. Это привело к получению восьми солевых растворов с уменьшающейся концентрацией, в дальнейшем именуемых Sol. 1 к Sol. 8, в диапазоне солености от рассола, примерно 60,34 ‰, до пресной воды, примерно 0,47 ‰.

Примерно 0.На поверхность электродов проводимости наносили крупные капли объемом 05 мл из различных растворов, начиная с самой низкой концентрации. Синусоидальное напряжение 100 мВ (Vpp) подавалось в диапазоне частот от 50 Гц до 5 МГц с 30 логарифмическими шагами на электроды и шунтирующий резистор с использованием функционального генератора (33220A, Agilent Technologies, Санта-Клара, Калифорния, США) и операционный усилитель. Падение напряжения на шунтирующем резисторе усиливалось вторым операционным усилителем, и его среднеквадратичное значение измерялось с помощью осциллографа (DSO7104A, Agilent Technologies, Санта-Клара, Калифорния, США).Оба инструмента управлялись скриптом Matlab (MathWorks Inc., Натик, Массачусетс, США), который также записывал измерения и вычислял абсолютный импеданс. После каждого сканирования раствора, которое занимало около одной минуты, электроды тщательно промывали деионизированной водой перед нанесением следующего раствора.

Для измерения повторяемости датчика проводимости 7,5 г NaCl разбавляли 250 мл деионизованной воды с образованием 0,5 М раствора. На этот раз датчик проводимости был погружен в 100 мл этого раствора, после чего были выполнены 10 последовательных серий измерений с частотным сканированием, каждая из которых занимала около 1 минуты.

В этих начальных испытаниях проводимости не производилась температурная компенсация, все они проводились при комнатной температуре.

5.2. Температура

Температурные измерения проводились с использованием термостатируемой бани (RKP 20, MGW Lauda, Lauda-Königshofen, Германия) с жидким антифризом. Температурные характеристики измеряли с помощью цифрового мультиметра с четырехточечным датчиком (HP 34401A, Agilent Technologies Inc, Санта-Клара, Калифорния). Из-за электрических соединений, используемых в испытательной установке, чип был обернут пластиковой пленкой, чтобы предотвратить прямой контакт с водой и избежать перекрестных помех через контактные выводы.Как следствие, время отклика тестовой установки было довольно большим. Перед каждым измерением температуру поддерживали фиксированной в течение примерно одного часа, пока отслеживали показания датчика, чтобы гарантировать, что в ванне была достигнута устойчивая температура.

Температура повышалась и понижалась между –5, 15 и 40 ° C, для чего регистрировался отклик датчика. Также были выполнены измерения для меньших температурных шагов, 0,05 ° C, между 14,90 ° C и 15,10 ° C, при регистрации изменения сопротивления датчика.Из-за меньших температурных ступеней перед измерением было оставлено 15 минут стабилизации.

5.3. Глубина

Комплект датчиков был установлен в герметичном контейнере, оборудованном двумя электрическими вводами для считывания показаний датчиков. Трубное соединение обеспечивает сжатый воздух в диапазоне от 1 до 7 бар. Клапан с ручным управлением позволял регулировать давление с точностью до пары дбар. Элементы датчика давления характеризовались переключением давления назад и вперед между 1 и 2 барами, каждое в течение примерно 5 минут, а также пошаговым изменением диапазона от 1 до 7 бар с шагом примерно 1 бар и 30 с.

Температурная компенсация не выполнялась в этих начальных испытаниях под давлением, все они проводились при комнатной температуре.

6. Результаты

Микросхема размером 7,5 × 3,5 мм со встроенными датчиками проводимости, температуры и давления была изготовлена с использованием осаждения тонкопленочного электрода и мембранных структур из травленого кремния, рис. 3. Ниже приведены результаты для отдельных датчиков. под соответствующими подзаголовками.

6.1. Электропроводность

Измеренные импедансы для восьми различных физиологических растворов были нанесены на график в зависимости от частоты, рисунок 4.

Результаты измерений импеданса были также нанесены на график в зависимости от концентрации для исследования чувствительности, рисунок 5, а также против обратного квадратного корня из концентрации, после чего была исследована линейность результатов, рисунок 6. Чувствительность самого низкого диапазона концентраций (от 0,47 до 0,94) и самого высокого диапазона (от 15,09 до 60,34) были рассчитаны и перечислены в Таблице 3. Кроме того, значения линейных фитингов по всей длине каждого графика на Рисунке 6 также представлены в Таблица 3.

9013 9017 9013 9013 9017 9017 10 последовательных измерений солености для раствора с соленостью 30,02 ‰ показали повторяемость в соответствии с таблицей 4.


Freq. (Гц)	Низкая конц. Чувствительность (/ ‰)	Высокая конц. Чувствительность (/ ‰)	Общая

19280	1304	8	0,8763
42 660	1313	913	4	2572	2	0.9347
1 520 000	6785	4	0,9442
5 000 000	14409	13	0,9749


Freq.(Гц)	Сред. сиг. ()	Стд. разработчик ()	Стд. разработчик (‰)

19280	344,76	1,1290	3,274
42 660	182,89	0,8843
1520 000	229,41	0,0986	0,4298
5 000 000	706.65	0,7965	1,127

6.2. Температура

Результаты измерения температуры с шагом от -5, 15 и 40 ° C представлены в таблице 5, а для значений от 14,90 до 15,10 ° C с шагом 0,05 ° C в таблице 6.

6 15,00

9013 9013 9013

7 15765


Измерение	Температура ванны (° C)	Сопротивление датчика ()

1	40.00	80,233
2	15,00	77,744
3	−5,00	75,727
4
6	15.00	77.744
7	−5.00	75.727
8	15.00	77.744
Измерение	Температура ванны (° C)	Сопротивление датчика ()

1	15.00	77.744
2	14.95	77.739
3	14.90	77.734
4
4	4 15126
6	15,00	77,744

По крайней мере, до третьего знака после запятой эти измерения показали превосходную повторяемость и, фактически, неизмеримый гистерезис.Простой линейный регрессионный анализ с использованием метода наименьших квадратов данных в таблицах 5 и 6 в обоих случаях привел к чувствительности 0,100 Ом / ° C с чувствительностью 1,000.

Эти измерения проводились в течение дня, но дальнейшие измерения при 15,00 ° C в течение ночи также не показали гистерезиса. Кроме того, измерения в течение следующих трех дней показали гистерезис не более 0,001 Ом (соответствует <0,2 м ° C) от ранее полученных значений, что, однако, находилось в пределах указанного разрешения мультиметра, используемого для этого промежутка времени. .

6.3. Глубина

Средние мгновенные значения выходного сигнала от 20 переключателей между 1 и 2 полосами и стандартные отклонения представлены в таблице 7. Со временем был отмечен дрейф выходного сигнала датчика.

9065


Датчик давления	Средний сигнал ()	Станд. разработчик ()	Станд. разработчик (мбар)

P1	0.21	0,02	2,4
P2	0,18	0,01	1,2
P3	0,12	0,01	1,2

Средние значения из четырех серий измерений давления, увеличивающегося от 1 до 7 бар с шагом 1 бар, для датчика P4 представлены на рисунке 7.По сравнению с предыдущим испытанием при достижении более высоких давлений ступенчатые характеристики немного уменьшились, с размером шага 0,11 Ом для последних двух ступеней давления. Стандартное отклонение различных серий не превышало 0,01 Ом. Линейная аппроксимация графика дала чувствительность 0,1185 Ом / бар с.

7. Обсуждение

Изготовлен и оценен чип с сенсорными элементами проводимости, температуры и давления. Хотя точность не была определена, результаты измерений электропроводности и температуры являются многообещающими для предполагаемого применения в качестве миниатюрного CTD-прибора, например, для миниатюрных подводных аппаратов и биологов на морских животных.

Помимо интегрируемости и небольшого размера, важными проблемами в таких приложениях являются передача данных и энергопотребление. Расчетная потребляемая мощность для всего CTD-прибора составляет около 10 мВт, что является небольшой записью в бюджете мощности транспортного средства DADU [26], составляющей всего несколько ватт. Поскольку подводный аппарат привязан к оптическому волокну, скорость передачи данных в этом случае не ограничивается. Если не требуется непрерывная работа, питание также не должно быть проблемой при использовании в качестве устройства, переносимого животными.Однако, если данные должны не только сохраняться для окончательного извлечения, но вместо этого передаваться пакетами, когда животное всплывает на поверхность, может потребоваться умный алгоритм сжатия данных. Похоже, что аналогичные проблемы были решены [19].

Ниже приведены комментарии к характеристикам отдельных сенсорных элементов.

7.1. Электропроводность

Измерения импеданса на разных частотах показывают возрастающую стабильность (с точки зрения плавности кривой) и разрешение между различными концентрациями при увеличении частоты, Рисунок 4, где приборы и электроника устанавливают предел в 5 МГц.Для низких частот импеданс уменьшается с увеличением частоты, пока эта зависимость не изменится на противоположную, и импеданс не начнет увеличиваться с частотой: на 0,1 МГц для наиболее разбавленного раствора и на 0,5 МГц для наименее разбавленного.

Измерения импеданса показали гораздо более высокую чувствительность в более низком диапазоне измеряемых концентраций, от пресной воды до солоноватоводной области, чем в более высоком диапазоне, от солоноватой до соленой области, Рисунок 5 и Таблица 3.

Как видно на рисунке 6 импеданс в зависимости от обратного квадратного корня из концентрационных графиков обычно слегка искривлен, что, возможно, указывает на то, что закон Кольрауша [42] в данном случае напрямую не применим.Несмотря на то, что он плохо смоделирован и понят, результат достаточно хорош, чтобы можно было выполнить простую процедуру калибровки, которая, однако, выходит за рамки данной работы.

Наибольшее значение было получено для частоты 42 660 Гц. На более низких частотах значение было ниже из-за вариаций в измерениях. На более высоких частотах произошло падение значения, после которого значение снова увеличивалось с частотой, Таблица 3.

Для повторяемости в 10 последовательных измерениях стандартное отклонение было самым низким для частот 461 800 Гц и 1 520 000 Гц. Таблица 4.

Основываясь на характеристиках датчика проводимости и только в отношении чувствительности, предпочтительнее использовать только верхний предел (5 МГц) частотного диапазона. Здесь линейная аппроксимация также относительно хорошая, таблица 3. Однако повторяемость ниже (т. Е. Относительное стандартное отклонение, таблица 4, больше), чем у измерений на частоте 1 520 000 Гц. Таким образом, хороший компромисс для рабочей частоты может быть где-то между этими двумя частотами.

7.2. Температура

При нынешней конструкции контактных выводов датчика температуры, особенно соединительных проводов, возникло подозрение, что некоторые начальные отклонения в измерениях были вызваны двухкомпонентной эпоксидной смолой, впитывающей воду. Поэтому измерения проводились в закрытой сухой среде на термостате, что привело к улучшенным характеристикам.

Измерения датчика температуры показали отличный линейный отклик и повторяемость в диапазоне температур от –5 до 40 ° C.Было обнаружено, что точность датчика составляет не менее ± 0,005 ° C, что соответствует изменению сопротивления на 0,001 Ом, таблица 6, что соответствует разрешающей способности мультиметра, используемого в измерениях.

7.3. Глубина

Из-за имеющихся ресурсов для тестирования датчика давления его можно было оценить только для давления воздуха до 7 бар и с интервалом примерно в 1 бар (с точностью около ± 0,05 бар). Несмотря на это, датчики давления показали четкую повторяющуюся реакцию при неоднократном переключении давления между 1 и 2 барами.Для более высоких давлений размер шага несколько уменьшился. Однако уровни давления для этих испытаний были установлены лишь приблизительно с помощью игольчатого манометра и клапана с ручным управлением.

Несмотря на то, что датчик давления P4 спроектирован для ограниченного интервала давлений, он показал пониженный выходной сигнал всего на одну четверть по сравнению с таковым у P1 при изменении давления от 1 до 2 бар, что позволяет предположить, что эта единственная конструкция, P4, может использоваться для всего диапазона давлений, от атмосферного до 1000 м, и все еще имеет потенциал для суббарового разрешения на меньших глубинах.

Однако датчик давления показал длительный дрейф, источник которого не установлен. Температурная чувствительность примерно 1 Ом / ° C была обнаружена для меандровых структур NiCr, что является значительным по сравнению с низкими уровнями сигнала при увеличении давления на 1 бар (что соответствует примерно 0,1 ° C). Однако это соответствует TCR, очень близкому к его объемному значению. Влияние температуры на измерения давления следует уменьшить за счет использования элементов температурной компенсации.Из-за ограничений, связанных с установкой для испытания под давлением, они не были включены в эти испытания. Кроме того, предварительные исследования с использованием механического зонда показали гораздо более стабильные уровни сигнала, предполагая, что дрейф, наблюдаемый при испытаниях под давлением, в некоторой степени связан с этой испытательной установкой.

7.4. Соленость

На основании измерений электропроводности, температуры и глубины, показывающих погрешности ± 0,14%, ± 0,01% и ± 12,5% соответственно, становится ясно, что настоящее устройство подходит для миниатюрных измерений солености.Однако следует отметить, что этот тип измерений требует соответствующих процедур калибровки.

7,5. Будущие улучшения

Будущие усовершенствования этой концепции CTD будут заключаться в включении четырехзондовых выводов на всем пути к чувствительным элементам на микросхеме, чтобы уменьшить влияние выводов и контактного сопротивления на измерения. В текущей версии четырехконтактные измерения применимы только к датчику температуры и только к контактным площадкам микросхемы, а не полностью к чувствительным элементам.

Должна быть включена температурная компенсация измерений проводимости и давления, благодаря чему ожидается более высокая точность и лучшая долговременная стабильность.

Измерения также выиграют от использования метода водонепроницаемой герметизации, как было исследовано в [43].

Необходимо приобрести и использовать стандартизированные физиологические растворы, чтобы напрямую связать сигналы проводимости со стандартными растворами.

Следует использовать лучшую установку для испытания под давлением, чтобы облегчить измерения при более высоких давлениях и с более точной настройкой уровня давления.

Дальнейшая работа над этим CTD-чипом будет включать в себя корпус и интегрированную электронику, а также выполнение более глубоких эталонных измерений, а также полевых испытаний.

8. Выводы

Изготовлен и испытан чип с элементами датчиков проводимости, температуры и давления. Хотя точность не была определена, измерения электропроводности и температуры перспективны для предполагаемого применения в качестве миниатюрного CTD-прибора, например, для миниатюрных подводных аппаратов и биологических устройств на морских животных, особенно при малых размерах, что, например, позволяет проводить распределенные измерения. , имеет более высокий приоритет, чем точность сбора данных.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить MISTRA, Фонд стратегических исследований окружающей среды, Швеция, за финансовую поддержку, а также техническую поддержку со стороны Йохана Сундквиста, Центр космических технологий Ангстрем, Университет Упсалы.

Что мы можем измерить в океане?

На первом этапе наблюдения за этими процессами мы сначала должны понять, что мы действительно можем наблюдать, используя доступные нам инструменты. Двумя важнейшими характеристиками являются температура и соленость (соленость) воды.

Температура

Температура морской воды измеряется термисторами. Температуру морской воды можно измерить с большой точностью с помощью тщательно откалиброванных современных термисторов — с точностью до 0,0001 ^° C.
Размещение датчиков температуры: Техники, устанавливающие датчики температуры на причалы OSMOSIS в 2012 году

В проекте OSMOSIS мы измеряем температуру с нескольких различных платформ.Во-первых, к швартовной системе, развернутой в Северной Атлантике, было прикреплено более 300 термисторов, чтобы мы могли наблюдать трехмерную структуру температурного поля. Во-вторых, два планера, отслеживающие объект, также измеряют температуру. В-третьих, SeaSoar, буксируемый за Discovery в круизе 2012 года, измеряет температуру по дорожке позади корабля. В-четвертых, прибор CTD на корабле измеряет температуру от поверхности до морского дна. Этот инструмент считается наиболее точным, и другие инструменты калибруются по нему.Мы также используем спутниковые данные, с помощью которых можно измерить температуру поверхности океана из космоса.
Развертывание CTD на закате: CTD собирается начать свой путь к морскому дну на 5 км вниз

Соленость

Соленость — это мера солености океанской воды. Соленость возникает из-за ряда растворенных в воде веществ. Хлорид натрия (или поваренная соль) является основным его компонентом, придающим морской воде характерный соленый вкус. Однако растворяются и многие другие химические вещества.

Непосредственное наблюдение за соленостью нецелесообразно, так как для этого требуется специализированное лабораторное оборудование. Вместо этого мы измеряем проводимость воды, поскольку присутствие растворенного вещества меняет способ протекания электричества через воду по сравнению с пресной водой. Затем мы используем формулы, разработанные на основе лабораторных измерений, чтобы определить соленость, при которой проводимость и температура были точно измерены. Исторический процесс, который привел к такому развитию, описан здесь).
Мы разместили 61 прибор, способный измерять проводимость и температуру на массиве OSMOSIS.

Плотность

Причина, по которой мы так стараемся измерить температуру и соленость, заключается в том, что вместе они определяют плотность морской воды. В этом случае плотность играет важную роль в определении того, куда будет течь вода.
В повседневном смысле мы, вероятно, будем называть плотность «весом». Более плотная (более тяжелая) вода предпочитает лежать под менее плотной (более легкой) водой.Если более тяжелая вода находится над более легкой водой, то любое возмущение вызовет начало потока, который стремится найти более стабильное состояние, перемещая более тяжелую воду вниз, более легкую воду и смешивая более тяжелую и более легкую воду. Яркий пример такого течения в резервуаре (с более легкой водой на дне, окрашенным в зеленый цвет) проиллюстрирован на видео ниже исследователями Меган С. Дэвис Вайкс и Стюартом Б. Далзилом из DAMTP в Кембриджском университете.

Если более тяжелая и более легкая вода в конечном итоге окажется рядом, это также может вызвать начало потока — хотя могут вступить в игру и другие, более тонкие эффекты, такие как эффект вращения Земли.Это можно увидеть на демонстрациях «погода в резервуаре», которые демонстрируют тенденцию турбулентных движений организовываться во вращающиеся колонны, когда они возникают во вращающейся системе.

После измерения температуры и солености мы можем оценить плотность воды. Это делается с помощью уравнения, называемого уравнением состояния. Уравнение состояния — это сложное уравнение, которое связывает воедино физическую теорию и лабораторные эксперименты, чтобы понять, как плотность изменяется в зависимости от температуры и солености.Для наших целей достаточно знать, что морская вода становится плотнее, когда становится холоднее, и становится плотнее, когда становится более соленой.

В чем измеряется соленость воды в океане: В чем измеряется соленость воды в океане?

В чем измеряется соленость воды в океане: В чем измеряется соленость воды в океане?

В чем измеряется соленость воды в океане?

Солёность

Соленость. Определение солености

Что такое соленость морской воды, и в каких единицах она измеряется?

Популярные темы:

Рефрактометры для морской воды | ATAGO

Солёность — это… Что такое Солёность?

Описание

Содержание некоторых элементов в морской воде

Солёность по географическим объектам

Солёность океанов

Солёность морей

Солёность озер

Примечания

Ссылки

Соленость морской воды и изменение климата

Солёность воды в океане: что это, в чём измеряется, от чего зависит

От чего зависит соленость воды

Расположение

Мировой океан

Почему океаны соленые

Как определяется солёность воды

Откуда соль в морях и океанах

Правдивы ли эти гипотезы?

Двойное лицо соли

Общие сведения

Немного о пользе и вреде соли

Некоторые факторы, влияющие на концентрацию соли в воде

Где самая соленая вода

Что придает воде соленый вкус

Может ли возникнуть пресный океан

Индийский океан

Атлантический океан

Тихий океан

Удивительная особенность

Северный Ледовитый океан

Флора и фауна

Маленькая географическая справка

Градация солености

Температура воды

Проблемы Атлантики

Соленость океанов помогла оценить изменение круговорота воды в природе

Измерение солености воды — HORIBA

Введение

Метод

Сбор и измерение образцов

Результаты и преимущества

Ссылки и предлагаемая литература

Измерение солености | manoa.hawaii.edu/ExploringOurFluidEarth

Соленость

Категории солености

Использование ареометра для определения плотности и солености

НАСА Соленость: Измерение солености

Соленость — Coastal Wiki

Введение

Измерения и определения солености на протяжении всей истории

Определение солености 1902

Пересмотренное определение солености 1966 г.

Практическая шкала солености-1978 / EOS-80

ТЭОС-10

Биологическое влияние засоления

Статьи по теме

Список литературы

Записок с мест — Измерение солености из космоса

К измерениям солености на основе микрочипов для малых подводных аппаратов и биологов

1. Введение

2. Справочная информация

2.1. Соленость воды

2.2. Расчет солености

2.3. Расчет проводимости

2.4. Температура

2.5. Давление

3. Конструкция

3.1. Электропроводность

3.2. Температура

3.3. Глубина

4. Производство

5. Измерения