Composició de l'Aigua - Oceans.cat

Les atmosferes al Sistema Solar
• Les atmosferes originals de la Terra, Venus i
Mart consistien en Hidrogen i Heli.
• Aquests elements lleugers van ser escalfats per
la radiació solar fins a arribar a la velocitat
d’escapament de l’atmosfera.
• Les atmosferes actuals d’aquests planetes son
secundàries i van evolucionar per altres
processos.

Origen de l’Aigua
• El vapor d’aigua va escapar de l’escorça i va ser alliberat
per volcans, junt amb d’altres gasos, però això no
explicaria tota l’aigua que hi ha sobre la Terra.
• Una bona part de l’aigua va arribar probablement per
col·lisions amb asteroides ejectats del cinturó d’asteroides
extern per influència gravitacional de Júpiter.
• La gran quantitat d’aigua sobre la Terra no s’hauria pogut
produir només per vulcanisme i desgasat de l’escorça
terrestre. Se suposa que una gran part de l’aigua deriva
dels asteroides que van impactar la Terra.
• Tot i que molts asteroides es troben en òrbites molt
llunyanes del Sol, simulacions demostren que, en altres
eres, es trobaven a la part interior del Sistema Solar.

A short History of sea water
Part de l’aigua i l’aire existents avui sobre la
superfície de la Terra van estar situats en l’interior de
la Terra i van ser alliberats progressivament seguint
un procés de desgasat que ha estat funcionant des que
la Terra es va formar fa uns 4.6 eons.
1 Eon = 10 9 anys

Origin of the Water on Earth
(Wikipedia)
• The question of the ''origin of water on Earth’', or the question of why
there is more water on the Earth than on the other planets of the Solar
System, has not been clarified. There are several acknowledged
theories as to how the world's oceans were formed over the past
History of Earth (4.6 billion years).

• A sizeable quantity of water would have been in the material which
formed the Earth. Water molecules would have escaped Earth's gravity
more easily when it was less massive during its formation. Hydrogen
and helium are expected to continually leak from the atmosphere, but
the lack of denser noble gases in the modern atmosphere suggests that
something disastrous happened to the early atmosphere.

Some of the most likely contributory factors to the origin of the Earth's
oceans are as follows:
• The cooling of the Hadean primordial Earth to the point where the outgassed
volatile components were held in an atmosphere of sufficient pressure for the
stabilization and retention of liquid water.
• Comets, trans-Neptunian objects or water-rich meteorites (protoplanets) from
the outer reaches of the main asteroid belt colliding with the Earth may have
brought water to the world's oceans.
• Measurements of the ratio of the hydrogen isotopes deuterium and protium
point to asteroids, since similar percentage impurities in carbon-rich chondrites
were found to oceanic water, whereas previous measurement of the isotopes'
concentrations in comets and trans-Neptunian objects correspond only slightly
to water on the earth.
• Biogeochemically through mineralization and photosynthesis.
• Gradual leakage of water stored in hydrous minerals of the Earth's rocks.
• Photolysis: radiation can break down chemical bonds on the surface.

• Part of the young planet is theorized to have been disrupted by the
giant impact hypothesis which created the Moon, which should have
caused melting of one or two large areas. Present composition does not
match complete melting and it is hard to completely melt and mix huge
rock masses.
• However, a fair fraction of material should have been vaporized by this
impact, creating a rock-vapor atmosphere around the young planet.
The rock-vapor would have condensed within two thousand years,
leaving behind hot volatiles which probably resulted in a heavy carbon
dioxide atmosphere with hydrogen and water vapor.
• Liquid water oceans existed despite the surface temperature of 230°C
because of the atmospheric pressure of the heavy CO 2 atmosphere. As
cooling continued, subduction and dissolving in ocean water removed
most CO 2 from the atmosphere but levels oscillated wildly as new
surface and mantle cycles appeared.

• Study of zircons has found that liquid water must have existed as long
ago as 4.4 a, very soon after the formation of the Earth. This requires
the presence of an atmosphere. The Cool Early Earth theory covers a
range from about G4.4 Ga to 4.0 Ga.
• In fact, recent studies of zircons (in the fall of 2008) found in
Australian Hadean rock, hold minerals that point to the existence of
plate techtonics as early as 4 billion years ago. If this holds true, the
previous beliefs about the Hadean period are far from correct. That is,
rather than a hot, molten surface and atmosphere full of carbon
dioxide, the Earth's surface would be very much like it is today. The
action of plate techtonics (subduction) traps vast amounts of carbon
dioxide, thereby eliminating the greenhouse effects and leading to a
much cooler surface temperature and the formation of solid rock, and
possibly even life.

How can plate techtonics remove CO 2 from the atmosphere?
• Sedimentary rock from the ocean floor can contain a lot of carbonate
minerals which were precipitated from CO 2 that entered the ocean
from the atmosphere. A lot of the carbon is incorporated into
microscopic shells of single celled organisms which precipitate to the
bottom of the ocean to be transformed into limestone.
When this oceanic crust is subducted, the net effect is moving carbon
dioxide from the atmosphere and putting it underground in limestone.
However, volcanoes which are associated with subduction zones put
carbon dioxide back into the atmosphere, but at a much later
geological time than when it entered the ocean in the first place.

Subduction

Extraterrestrial sources
• That the Earth's water originated purely from comets is implausible, as a result
of measurements of the isotope ratios of hydrogen in the three comets Halley,
Hyakutake and Hale-Bopp by researchers like David Jewitt, as according to
this research the ratio of deuterium to protium (D/H ratio) of the comets is
approximately double that of oceanic water.
• What is however unclear is whether these comets are representative of those
from the Kuiper Belt. According to A. Morbidelli the largest part of today's
water comes from protoplanets formed in the outer asteroid belt that plunged
towards the Earth, as indicated by the D/H proportions in carbon-rich
chondrites.
• The water in carbon-rich chondrites points to a similar D/H ratio as oceanic
water. Nevertheless, mechanisms have been proposed to suggest that the D/Hratio
of oceanic water may have increased significantly throughout Earth's
history. Such a proposal is consistent with the possibility that a significant
amount of the water on Earth was already present during the planet's early
evolution.

Kuiper belt

Oceans i atmosfera
• A mesura que el planeta es va refredar, es van
formar núvols que van donar lloc a intenses
precipitacions que formarien els oceans.
• Al començament de l’era Arcaica, la Terra ja era
coberta pels oceans i la nova atmosfera
probablement contenia aigua, amoníac, metà,
diòxid de carboni i nitrogen.
• L’oxigen era tot combinat i en absència d’ozó
estratosfèric, les radiacions ultraviolades devien
ser molt intenses impedint la vida a la superfície.

L’edat dels oceans
• No és fàcil determinar quina és l’edat dels oceans
però se sap que hi havia grans extensions d’aigua
sobre la Terra pocs centenars de milions d’anys
després de la seva consolidació. És a dir fa uns
4200 milions d’anys.
• Probablement d’aquesta mateixa època són els
primers indicis de vida sobre la Terra que prenen
la forma d’estromatòlits.

Estromatòlits
• Els estromatòlits litificats a les bores del llac Thetis
(Austràlia occidental) van ser formats per colònies
d’organismes unicel·lulars com els cianobacteris o els
cloròfits.
• Aquestes colònies d’algues retenen partícules de sediments
i formen capes sedimentàries anomenades estromatòlits.
• Els estromatòlits de l’època arcaica són les primeres traces
directes de vida sobre la Terra tot i que no s’hi han trobat
gaires restes de cèl·lules al seu interior.
• Els oceans arcaic i proterozoic pot ser van ser plens de
formacions algals com aquestes.

Composició dels oceans
• La composició dels oceans es va anar
formant poc a poc tot i que ja en els seus
primers moments devien de tenir una
composició química semblant a la d’ara.
• Els oceans són el gran reservori de sals
solubles quedant molt poca proporció
d’aquests compostos en la litosfera.

Gestació de l’aigua de mar
Les aigües naturals adquireixen les seves característiques
químiques per dissolució i per reacció química amb sòlids, líquids
i gasos amb els que han tingut contacte durant les diverses parts
del cicle hidrològic.
La matèria mineral dissolta s’origina en els materials de l’escorça
terrestre. Les roques minerals es desintegren i dissolen en l’aigua
en el procés de meteorització (weathering). Els gasos i substàncies
volàtils participen en aquest procés.
Com a primera aproximació, la formació de l’aigua de mar pot ser
considerada com una gegantina titulació àcid-base (àcid de les
emanacions volcàniques en front a les bases de les roques
primigènies).

Secció esquemàtica mostrant el paper
de l’oceà en el cicle global dels
elements

L’aigua com a dissolvent
• L’aigua és un dels millors dissolvents d’ions i molècules de
tots els coneguts.
• La major part dels elements químics es troben en l’aigua de
mar en forma dissolta o com constituents de partícules.
• El rang de concentracions dels diversos elements va des
dels 20.000 mg/dm 3 per al clor fins als 0.6 mg/km 3 per al
radó, és a dir, una relació de 10 16 .
• Entre mig s’hi troben la gran majoria d’elements coneguts
que mostren concentracions clarament per sota del que
permetria una explotació rentable.
• Tot i això, l’explotació de la sal en llacunes costaneres i
altres aiguamolls és el mètode tradicional encara emprat.

Fases en l’evaporació de l’aigua
de mar

Reciclat de substàncies entre el mar
i la terra

Formació d’aerosol marí amb
la ruptura de bombolles

Variació en la influència de l’aerosol
marí (clorur) en la precipitació

Composició de
l’aigua de pluja,
riu i mar
Composició química mitjana dels
vuit constituents dissolts, més
importants:
a) Aigua de pluja,
b) Aigua de riu
c) Aigua de mar
TDS = total dissolved salts

Composició química de l’aigua
de riu corregida per les sals
cícliques

Rosette sampler

Reversing Nansen Bottle

Reversing thermometers

Self recording CTD

T/S for the various ocean basins below 200 m

Onboard clean laboratory

Composició Química de
l’aigua de Mar
• En el seu conjunt, els oceans contenen 25.700 bilions de tones
mètriques de clor i 14.200 bilions de tm de sodi, els elements més
abundants i que constitueixen majoritàriament la sal marina
• Aquesta sal marina mostra una concentració mitjana d’uns 35,5 g/l
tot i que es troba repartida de forma no uniforme en les diverses
parts dels oceans i mars.
• Així, mentre que en parts de la mar Mediterrània, la salinitat supera
els 39 g/l, en parts de la mar Bàltica a penes arriba als 5 g/l
• Aquestes sals foren produïdes per les emanacions gasoses
(àcides) sobre les roques primigènies d’origen magmàtic.
• A l’actualitat, una part de les sals oceàniques són reciclades, en
forma d’aerosol marí, transportades per l’atmosfera, es dipositen
sobre la terra i retornen a l’oceà per la via fluvial.

Composició de l’aigua de mar
Les aigües naturals adquireixen les seves característiques
químiques per dissolució i reacció química amb sòlids, líquids i
gasos amb els quals són en contacte en les diverses fases del
cicle hidrològic.
La matèria mineral dissolta s’origina en els materials de
l’escorça terrestre. Les roques són desintegrades i dissoltes per
l’aigua en el procés de meteorització. Els gasos i substàncies
volàtils participen en aquest procés.
Com a primera aproximació, l’aigua de mar es pot considerar
com una titulació àcid-base gegantina (àcids dels volcans en
front de les bases de les roques).

Intensa Tempesta de Pols
sobre l’Atlàntic NE

Components majors en l’aigua de
mar

Components Majors (mol dm -3 )

Temps de residència
• Els processos d’aportació d’elements i els de
remoció tenen igual taxa en un oceà estacionari
(invariant) a l’escala que es vulgui establir.
• La massa total d’un element o substància dividida
per la taxa d’aportació té les unitats de temps i
se’n diu temps de residència:
t = M/[dM/dT] kg/[kg s -1 ]

Composició
química de
l’aigua de
mar
Correlació entre la
concentració (mol/l)
i el temps de
residència per a
diversos elements
en l’aigua de mar.

Classificació dels elements
segons els perfils de
concentració.
A) Elements Conservatius
b) Elements Reciclats
c) Elements Arrossegats

Constància de la composició
Els ions majors dissolts en aigua de mar tenen una concentració
relativa notablement constant. Els elements traça no mostren
aquesta mateixa constància especialment els elements
biolimitadors en la capa eufòtica.
L’evaporació de l’aigua de riu promig no dona la composició de
l’aigua de mar. Més encara, el material dissolt en l’aigua de mar
només és una petita part del que els rius han abocat a la mar al
llarg dels temps geològics.
Es clar que els ions han de ser eliminats de l’oceà a la mateixa
velocitat que són descarregats pels rios. Els processos d’eliminació
son els que controlen la composició de l’aigua de mar.

Aplicacions del Principi de
Constància en la Composició
Aquest principi que constitueix una veritable
permet l’ús d’un dels components majors com a
indicador del conjunt.
En aquest principi es basen els conceptes de
Clorinitat i de Salinitat: la concentració de l’ió
Clorur es emprada per a determinar el contingut
total de sals i d’aquí es deriva la densitat de
l’aigua de mar.

Pont de Wheatstone per a la mesura
de la conductivitat

Precisió en la mesura de la
Salinitat
(segons Millero & Sohn, 1991)
• Índex de refracció 0.05
• Velocitat del sò 0.03
• Anàlisi química 0.01
• Evaporació a sequedat 0.01
• Densitat 0.004
• Clorinitat 0.002
• Conductivitat 0.001

Distribució de salinitat a través de l’oceà
Atlàntic a 24º30’ N

θ
Diagrama θ/S de la Mediterrània NO

Fites en la història de la Salinitat
• http://www.hydro-international.com/issues/
articles/id10-
The_Laboratory_Measurement.html
• http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/
vsc/en/ch/16/uc/vlus/drivingforces.vlu.html
• http://www.mar.dfo-mpo.gc.ca/science/
ocean/vcoss/e/history.html

Densitat de l’aigua pura a
diferents temperatures
(segons Open University)
Temperatura
ºC
Estat
Físic
Densitat
(kg/m 3 )
-2 Sòlid 917.2
0 Sòlid 917.0
0 Líquid 999.8
4 Líquid 1000.0
10 Líquid 999.7
25 Líquid 997.1

Anomalia de Densitat
σ t = 1000 * (ρ - 1)

The global surface current system. Cool currents are shown by dashed arrows; warm currents are shown
by solid arrows. The map shows average conditions for winter months in the Northern Hemisphere; there are
local differences in the summer, particularly in regions affected by monsoonal circulation (From Oc. Circ. O.U.)

Meridional cross-section of the Atlantic Ocean, showing movement of the major water sources. NADW has salinity
greater than34.8. AAIW extending northward from the Antarctic Polar Frontal Zone overlies the more saline NADW.
M indicate Mediterranean water. Water warmer than 10°C is shown in the upper part of the picture. AAIW is cooler
than 0°C. Note maxima and minima of oxygen. Maxima correspond to the core regions of cold waters while the minima
correspond roughly to boundaries between water masses. (From Ocean Circulation, 1989. Open University)

Stommel´s simplified model of the deep circulation of the world ocean
with source regions of Deep and Bottom Water in the North Atlantic and the
Weddell Sea (From Ocean Circulation, Open Univ., 1989)

La Cadena de transmissió planetària

Escalfament adiabàtic: temperatura
potencial i temperatura in situ (Fossa de
Mindanao)

Distribució de temperatura potencial a
través de l’oceà Atlàntic a 24º30’ N

Oceanography
Units, constants and conversions
The chemical composition of seawater
Important internet links

Estequiometria de Redfield
Els organismes aquàtics influencien la concentració de moltes
substàncies directament per assimilació metabòlica,
transformació, emmagatzematge i alliberament.
Es produeixen lligams rics en energia com a resultat de la
fotosíntesi distorsionant l’equilibri termodinàmic.
Els bacteris i altres organismes que respiren catalitzen els
processos redox que condueixen a restaurar l’equilibri químic.
- 2-
106 CO2 + 16 NO3 + HPO4 + 122 H2O + 18 H +
P R
[(CH 2 O) 106 (NH 3 ) 16 H 3 PO 4 ] + 138 O 2