Параметры состояния морской воды. 
Температура. 
Давление. 
Соленость

Морская вода, как всякая термодинамическая система, характеризуется некоторыми физическими величинами, определяющими макроскопические свойства системы. Эти величины называются параметрами состояния. Для морской воды основными параметрами состояния являются масса, объем, давление, температура и соленость.^[1] При этом только объем относится к внешним параметрам системы, остальные — ее внутренние параметры.

Температура. Температурой называется физическая величина, характеризующая интенсивность теплового движения молекул системы. Измерение температуры производится только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Применяемые для этого тела называются термодинамическими, а устанавливаемые с их помощью шкалы температуры — эмпирическими. Основной недостаток эмпирических шкал температуры состоит в их зависимости от особенностей применяемых термометрических веществ. В качестве исходных значений, служащих при построении шкалы температуры для установления начала отсчета температуры и единицы ее измерения — градуса, могут применяться температуры перехода химически чистых веществ из одного агрегатного состояния в другое, например, температуры плавления льда (То) и кипения воды (Т^) при нормальном атмосферном давлении.

Температура в океанологии измеряется в градусах стоградусной шкалы Цельсия (°С, Т_о=0°С, Т_к=100°С). При этом различают температуру in situ, обозначаемую буквой Т, и потенциальную температуру 0. Под температурой in situ (с латыни — «в данном месте») подразумевается температура, измеренная термометром в определенной точке моря.

Потенциальная температура — это температура частицы воды, адиабатически приведенная к нормальному атмосферному давлению (см. раздел 3.).

При некоторых расчетах применяется температура в единицах абсолютной (термодинамической) шкалы Кельвина (К). Градусы шкалы Кельвина равны градусам шкалы Цельсия (1°С=1К), но исчисляются они от абсолютного нуля, равного -273,15°С, т. е. абсолютная температура равна Т_к=Т"с+ 273,15.

Второе начало термодинамики устанавливает, что абсолютная писала температур не зависит ни от выбранного вещества, ни от любого термодинамического параметра.

В некоторых странах продолжает употребляться температурная шкала Фаренгейта (F, To=32 °F, Tjc=212F). Температура в единицах шкалы Фаренгейта связана с температурой стоградусной шкалы следующим образом:

При точных расчетах океанографических величин, зависящих от температуры, важно знать, какая шкала температуры использовалась. Большинство современных формул основано на Международной практической температурной шкале 1968 г. (МПТШ-68).

В настоящее время в практику океанологических измерений вводится новая Международная шкала температуры 1990 г. (МШТ-90). Формула перерасчета температуры из МШТ-90 в МПТШ-68 имеет следующий вид:

В заключении отметим, что, в принципе, температуру можно определить и не проводя ее непосредственных измерений. Для этого можно использовать соответствующие производные внутренней энергии и энтальпии морской воды:

Температура относится к интенсивным параметрам, т. е. к параметрам нс зависящим от массы.

Давление. Давлением называется физическая величина р, равная пределу отношения численного значения AF_n нормальной силы, действующей на участке поверхности тела площадью ДБ, к величине этой поверхности при ДБ, стремящейся к нулю:

В Международной системе единиц СИ за единицу давления принят паскаль (Па):

Однако в океанологии до сих пор применяется и другая единица давления — бар (децибар). Эго объясняется тем, что изменение давления на 1 дбар соответствует изменению глубины приблизительно на 1 м, что позволяет глубину в метрах иногда заменять давлением в дбарах. Чтобы показать это, рассмотрим давление столба воды плотностью р и единичной площадью. Определим, какой должна быть его высота Az, чтобы давление Ар на его нижнем основании была равна 1 дбар=10⁴ Па:

где g — ускорение силы тяжести, м с‘².

Приняв g=9,8 м-с'², р=1030 кгм'³ (средняя плотность морской воды), получаем.

Однако в ряде случаев требуется точная зависимость между давлением и глубиной. Процедура определения этой зависимости будет дана в разделе 3.4.

Соленость. Как уже отмечалось выше, отличительным свойством морской воды является ее соленость. Под истинной соленостью понимается отношение массы растворенного твердого вещества в морской воде к ее массе. Эго определение солености было принято в начале этого века Международным Советом по Исследованию Морей. Измеряется соленость в граммах этого вещества, растворенного в килограмме воды (%о). Из-за сложности состава морской воды невозможно прямым химическим анализом определить полное количество соли, растворенное в пробе морской воды. Поэтому под соленостью понимают величину, измеряемую либо по содержанию одного из компонентов солевого состава (метод Кнудсена), либо по электропроводимости морской воды. В результате возникли различные шкалы солености, основанные на различных принципах.

Метод Кнудсена основан на постоянстве солевого состава морской воды. В этом методе соленость (%о) определяется по хлорности морской воды, представляющей собой сумму ионов хлора, брома и йода и полученную стандартным аргенгометрическим методом титрования на хлор. Соотношение между соленостью и хлорностью для океанских вод выражается эмпирической формулой:

Эта формула была получена в 1901 г. Кнуд се ном. 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 (3.2.4) (МШего, Кгеtilling, 1976; Скороход Цыцарин, 1985).

Наличие в (3.2.4) 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:

Для определения солености по электропроводимости (электропроводности) была разработана Шкала практической солености, 1978 (ШПС) [Lewis, Perkin, 1981]. Эта писала основана на эмпирической зависимости нс природных вод, а растворов стандартной морской воды. Первичным эталоном в этом методе служит водный раствор хлористого калия (КС1) при температуре 15 °C и давлении в одну стандартную атмосферу (101 325 Па).

Практическая соленость вычисляется по следующей эмпирической формуле¹:

где ао = 0,0080, а, = -0,1692, а₂ = 25,3851, а₃ = 14,0941, гц = -7,0261, а₅ = 2,7081; Ьо = 0,0005, Ъ ,= -0,0056, 1ь = 41,0066, Ьз = -0,0375, Ь₄ = 0,0636, Ь₅ = -0,0144; К = 0,0162.

' Отметим, что при написании практической солености знак %о опускается. Некоторые отечественные исследователи для обозначения практической солености пользуются аббревиатурой спс (единицы практической солености), в англоязычной литературе эта аббревиатура выглядит так: psu или PSS-78 [Fofonoff, 1985].

В выражении (3.2.6) R_T обозначает относительную электропроводимость, приведенную соответствующим образом к атмосферному давлению. Пусть C (S, T, p) — электропроводимость морской воды in situ, С (35, 15, 0) — электропроводимость стандартной морской воды при Т = 15 °C, практической солености 35 и атмосферном давлении. Тогда величина.

называется коэффициентом электропроводимости. Этот коэффициент можно разложить на три части:

Формула (3.2.6) справедлива в диапазонах температуры Т от -2 до 35 °C по МПТШ-68, практической солености S от 2 до 42 и давлении р от 0 до 10 000 дбар.

• [1] Отметим, что, помимо названных параметров состояния, существуют и другие, например, внутренняя энергия, энтропия, вязкость и др. Однако вокеанологических исследованиях используются они значительно реже. Некоторые из них будут рассмотрены в последующих параграфах.