Физико-химическое моделирование поведения тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd) в природных водах: комплексы в растворе, адсорбция, ионный обмен, баланс потоков, транспортные явления, страница 4

В равновесии с воздухом (давление CO2 360 μАтм), речная вода     с    общим     содержанием карбонатов 0.00085 m имеет рН 8.16, причем на долю HCO3- приходится 98 %. При этом значении рН вода лишь немного не насыщена в отношении кальцита. Кальцит (произведение растворимости pLo = 8.43) из речной воды с концентрацией Ca2+ 0.00033 m начнет выпадать при рН 8.37. Буферность речной воды мала, поэтому значение рН может сильно меняться. При интенсивном разложении органического вещества речная вода может пересыщаться углекислым газом, в результате чего рН может снижаться до 7. Снижение рН происходит также во время паводка, когда содержание карбонатов в речной воде падает вследствие разбавления. Напротив, растворение твердых карбонатов приводит к обратному эффекту. 

В морской воде с общим содержанием карбоната 0.00233 m при том же давлении углекислоты (360 μАтм) равновесное значение рН составит 8.33. Однако при этом значении рН морская вода пересыщена в отношении кальцита в 5.1 раза. В отсутствие контакта с атмосферой равновесие кальцита с морской водой достигается при рН 7.58, причем давление углекислого газа возрастает в 6.2 раза. В результате рН поверхностных вод Океана варьирует около рН 7.98, при котором наблюдается одинаковое пересыщение (в 2.4 раза) в отношении кальцита и атмосферной углекислоты. Стационарная пересыщенность поверхностных вод Океана поддерживается за счет смешения с холодными глубинными водами. При 0оС растворимость углекислого газа и кальцита в воде в 2-2.2 раза выше. Поскольку средняя температура океанических вод близка к 3оС, Океан в целом находится в равновесии с атмосферой.

Возможно, наблюдаемое в последние десятилетия потепление является не следствием, а причиной увеличения атмосферного давления углекислого газа. Хотя карбонатные равновесия сами по себе не сказываются на соотношениях кислорода и углекислого газа в атмосфере, океан является огромной буферной емкостью для углекислоты: ее здесь более чем в 100 раз больше чем в атмосфере. Это означает, что вековые изменения структуры атмосферных и океанических течений (и, соответственно, теплового баланса Океана) могут приводить к сравнительно быстрым нестационарным изменениям давления углекислого газа в атмосфере. С середины 18-го века давление углекислого газа в атмосфере увеличилось на 29 % (с 280 до 360 μАтм). Полагая, что в 18-м веке атмосфера находилась в равновесии с Океаном, можно заключить, что сейчас поток углекислого газа из атмосферы в Океан должен на 29 % превышать обратный поток. Потоки обмена между Океаном и атмосферой оцениваются в 90 гигатонн углерода в год (Stumm and Morgan, 1970). Разница в 29 % соответствует поглощению углекислоты в Океане со скоростью 20-26 гигатонн углерода в год, что намного превышает антропогенную эмиссию углекислого газа (5-6 гигатонн углерода в год). Таким образом, если приводимые выше оценки верны хотя бы по порядку величины, наблюдаемое увеличение содержания углекислого газа в атмосфере происходит в силу естественных причин. Это – дыхание Океана.

1.2. Неорганическая химия растворов тяжелых металлов

Для того чтобы правильно описывать поведение тяжелых металлов, требуется знать, в каких формах тяжелые металлы находятся в растворе. Основные для природных вод равновесия меди, цинка и кадмия приводятся в Табл. 3.

Концентрации тяжелых металлов в природных водах очень низкие. Океанические воды содержат, в среднем, 4.9 nM цинка, 3.3 nM меди и 0.71 nM кадмия (Whitfield and Turner, 1987). Мутность океанической воды очень мала, поэтому в океане тяжелые металлы находятся, в основном, в растворенной форме. Несмотря на крайне малое количество взвешенных частиц, тяжелые металлы активно выводятся из самого верхнего слоя морской воды, поэтому у поверхности их содержания  существенно меньше. На глубинах порядка 500 м и ниже содержания тяжелых металлов относительно постоянны.