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Marine Chemistry Chemical oceanography

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Marine Chemistry Chemical oceanography Powered By Docstoc
					  Marine Chemistry
Chemical oceanography
                           Objectives
• Definitions.
• Properties of sea water
• Physical Properties of sea water
       • Temperature
       • Salinity
       • Density
       • Water circulations
       • Ocean 
• Temperature distribution in ocean
• Salinity distribution in ocean
• Sea water composition
       • Major Ions                  Conservative elements
       • Trace elements            Dissolved gases
       • Micronutrients            Organic matter
                        Definition
• Marine chemistry/ Chemical Oceanography is the study 
  of Sea/ocean water chemistry

• The ocean is unique (Why?) 
• It contains  nearly every element in the periodic table.
                          Behavior of 
                           Chemical 
                        elements within 
                            Ocean

        Marine Chemistry studies
Behavior of isotopes                        Describe cycles of 
  and their role as                             elements
tracers for past and                         Biogeochemical 
      present                                     Cycle


                            Cycle of 
                         Biologically 
                        active elements
                        C, N, P, & trace 
                               Fe
• Some Isotopes' applications

• 1-The incidence of 18O (the heavy isotope of oxygen) 
  can be used as an indicator of polar ice sheet extent. 
  and 

•  2- Boron isotopes are key indicators of the pH and 
  CO2 content of oceans in the geologic past.
         Properties Of Sea water

• Water is the universal solvent because of its ability to 
  dissolve at least a little of  every substance.



•  Water is a particularly good solvent for substances 
  held together by different bonds.
Density Decreased
• Activity #1
• What happened when we add salts to water?
• Think about the following items?

• 1- Density               2- Freezing point          
    3- Boiling point      4- Conductivity
Density is increased.


The freezing point is depressed


The boiling point is elevated


The conductivity is increased
• The density is increased:
•  Any substance dissolved in a liquid has the effect of 
  increasing the density of that liquid. 
• The greater the amount of solute, the greater the effect
•  As a result of the salt content in seawater, the density of 
  seawater increases continuously with decreasing 
  temperature.
• There is no density maximum like for freshwater.

• The colder the water temperature, the (heavier- lighter-
  moderate) the water density. (Choose between brackets)
•  
• The freezing point is            • The boiling point is 
  depressed:                         elevated: 
• Salts lower the temperature      • The salts have the effect of 
  at which water freezes             making the water molecules 
• (This is why salt is spread        cluster and become more 
  on frozen roads).                  “ordered” thus harder to pull 
• That is because dissolved          apart and evaporate.
  salts inhibit the tendency of 
  water molecules to form 
  direct bonds with other 
  water molecules.
• The freezing point of salty 
  water is (higher than- lower 
  than-equal to) that of pure 
  water. (Choose between 
  brackets
• Activity #2
• Ice melts and mixes with seawater of salinity 35 g/kg. 
  Will this have the effect of raising or lowering the 
  freezing point of seawater? 
• How would this effect the formation of more sea ice 
  when temperatures fell once more?
• This will add fresh water, dilute seawater, make it less 
  saline and raise the freezing point thus facilitate the 
  formation of further sea ice.
• The conductivity is increased: 
• The transport of electrons causing and electric current 
  to flow is enhanced by the strong electrolyte nature of 
  salts. 
• If an electromagnetic field is applied to a solution of 
  strong electrolytes, the ions will migrate, producing 
  an electric current (e.g. conductivity is increased).
 Temperature, Salinity, Density and Ocean Circulation


        Temperature                     Control Density
                                               That
                                           Governs
                                           Vertical 
                                          Movement
                                        Of Ocean water
          Salinity


Temperature and salinity are together  two of the most important 
characters of sea water because …..(Complete).
    by winds in the atmosphere and by currents in the ocean.
          Heat is transferred from low to high latitudes
There is a net input of heat to the earth's surface into the tropical 
           regions, where we find the warmest waters
                  Is more constant with latitude
               Infrared radiation heat loss to space
       Incoming energy from the sun at the earth's surface
         is about 4 times at the equator> than at the poles
  temperature is fixed due to exchange with atmospheric heat
                         At the sea surface
               Temperature Distribution in the Ocean
              The highest surface salinity
                     Red Sea has
                                                   n
   Rainfall
The highest S‰ are found in sub-tropical regions centered at 
                               >               Evaporatio
                20º to 3º North and South
     Precipitation                  Evaporation
         At the sea surface, salinity is controlled by
           Salinity Distribution in the Ocean
          Sea water 
         Composition

Major    Dissolved       Trace 
ions       gases       elements
Diagram showing concentrations of various salt ions in seawater: 
Cl− 55%, Na+30.6%, SO2−4 7.7%, Mg2+ 3.7%, Ca2+ 1.2%,K+ 1.1%,
Other 0.7%. Note that the diagram is only correct in units of wt/wt, 
not wt/vol or vol/vol.
                       Major Ions
•   Definition: 
•   Those elements whose concentration is greater than 1 ppm. 
•   Why 1ppm? 
•   Because Salinity is reported to ± 0.001 or 1 ppm. 
•   What are their effect? 
•   They contribute significantly to the salinity. 
•   How many?
•   Eleven (11) major ions.
•   What are names and ranking?
•   Sodium> Magnesium> Calcium> Potassium> Strontium> 
    chloride> Sulfate> Bicarbonate> Bromide> Borate> 
    Flouride
• Activity  #2: 



• There are 11 major ions contribute significantly 
  to salinity although of this Na+ and Cl- are the 
  most dominant. (Explain)
• The major ions are conservative. (why?)
The major ions are conservative. 
This means that they have 
constant ratios, to one another 
and to salinity, in almost all 
ocean water.

Sea salts have constant composition. 
They almost always consist of 55% 
sodium ion, 31% chloride, 8% sulfate, 
4% magnesium ion, 1% calcium ion, 
and 1% potassium ion.
 The main exception is where freshwater is mixing with seawater. 
 River water has a different composition than seawater, it contains 
 more calcium ion.
At a salinity of S = 35.000 seawater, The major ions concentration 
is >1mg/kg seawater.

Na+ and Cl- account for >86% of the salt content.

 The order of dominance of the other cations is
Mg2+ > Ca2+ > K+ > Sr2+. 

The anion Cl- is approximately equal to the sum of the cations.

 The other anions are barely significant in the charge balance of 
seawater.

What are the synonym of other elements that their 
concentration are < than 1mg/kg seawater?
          Sea water composition Via river water
Properties           Sea water                    River water


Amount/ Number       Huge number of dissolved     Low number of dissolved 
                     elements                     elements

                     Sea water has 300 times more elements than river water

Mixture              Heterogeneous                 nearly Homogenous 
                                                  Different from sea water.

Source               Terrestrial                  chemical weathering of 
                     Biogenic                     rocks.
                     Cosmogenic                   recycled sea salts via 
                     Hydrogenic                   rainfall
Contribution         Na+ and Cl- account for      A minute fraction of river 
                     >86% of the salt content     Cl- content (0.01%) from  
                                                  rock weathering.
                                                  Most from recycled salts.
     Gases and Gas Exchange
The ocean is a sink for anthropogenic 
CO2. 
The major transfer modes of CO2 to 
the ocean from the atmosphere is by 
gas exchange. 

Oxygen is a chemical tracer for 
photosynthesis. The gas exchange flux 
of O2 is an important parameter for 
calculating net biological production. 


Some gases can act as tracers for ocean 
circulation.
•   Trace Elements in Seawater:
•   Definition:
•   Those elements that do not contribute to the salinity. 
•   Concentrations:
•   All elements are present in concentrations less than 
    1mg kg-1. Many are present at very low 
    concentrations (>10-21 M). 
•   like 1 drop of ink in 100,000 liters of swimming pool.
•   Restrictions
•   This presents analytical challenges to measure and
•   avoid contamination.
                    Importance
Many are nutrients and required to sustain life (e.g. P, N, 
Fe)


Others are toxic (e.g. Cu, Hg)

Some are tracers for re-dox conditions (Cr, I, Mn,).
Some are tracers for pollution (Pb).

Some form economic deposits such as manganese 
nodules (e.g. Cu, Co, Ni, Cd)
• Macronutrients
• Definition:
• Macronutrients are those elements that are believed to be limiting
  to plant growth in the surface ocean.
• Concentration
•  They have concentrations in the range of micromoles kg-1. 
• Components
• Phosphate, nitrate and silicate are the important macronutrients. 
• Distribution
• Po4-4 and NO3-3 have maximum concentrations shallower than 
  silicate (Why?).

• 1- Because maximum degradation of organic debris happens 
  shallow in the thermocline. 

• 2- SiO2 increases with depth because of the dissolution of siliceous 
  tests of diatoms, which dissolve deeper in the water column and on 
  the sea floor.
            Dissolve Organic Matter (DOM)
• Any material with a carbon atoms joined to each other, and often to 
  H, O, N and P.
• We study organic matter in seawater because:
• 1. OM is the principle chemical form in which solar energy is made, 
  stored, and used on Earth (source of fossil fuels).

• 2. About 80% of the total particulate carbon flux through the 
  thermocline is in the form of organic matter.

• 3. About 20% of the total carbon buried in marine sediments is 
  organic.

• 4. Over geological time scales OM burial in marine sediments is a 
  major source of atmospheric O2.
Summary

				
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posted:5/6/2014
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