ذائبيه الغازات والتبادل خالل الحد الفاصل الهواء-ماء

البحر

Gas solubility and exchange across the air-sea interface

للضغوط دالتون قانونالجزيئيه البيوجيوكيميائيه • الدورات في تدخل الغازات

عليه • يطلق الجوي الغالف في ضغطا الغاز يولدالجزيئي عن partial pressureالضغط مستقل وهو

بالرمز له ويرمز األخري للغازات الجزيئيه الضغوطPA (A ) الجزيئيه للضغوط يرمز بينما للغاز رمز هو

بالرمز الغازات دالتون PTلجميع بقانون مايعرف وهوالجزيئيه للضغوط

ثابت • يكون للغازات الكلي الضغط البحر سطح عندويبلغ )1نسبيا جوي لبعض( atm 1ضغط ويتغير

مثل الكيميائيه او العواصف مثل الفيزيائيه الظواهروالحيوانات النباتات نشاط في الموسميه التغيراتوثاني لألكسجين الجزيئيه الضغوط علي تؤثر والتي

الكربون أكسيد

الغازات ذوبانيه

gAaqA

Keq

)(aqAgA

والعكس البحر لماء الجوي الغالف من تدخل الغازاتاإلتزان لحاله نصل متساوي التبادل معدل يصبح وعندما

ثابت استخدام يمكن و النشط التركيز او النشاطيه تساوي التراكيز المخففه المحاليل في: بالشكل العالقه وتكون الحراري الديناميكي اإلتزان

عن التعبير الجزيئي [A(g)]يتم العالقه PAبالضغط وباستخدام ،PV=nRT للعالقه نصل

RT

P

V

ngA A)]([

1معادله

2معادله

3معادله

الغازات ذوبانيهقيمه عن معادله PA/RTبالتعويض المعادله 2في :3تصبح بالشكل

Aeq PRT

KaqA .)]([ 4معادله

معادله علي :4يطلق الشكل علي عاده ويكتب للغازات هنري قانون

AH PKaqA .)]([ معادله5

ويساوي KHحيث هنري قانون ثابت Keq/RTهي

المعادله في البحر ماء في الذائبه الغازات تركيز منها 5ويعطي جزء او الموالريه بوحدهالميكروموالر مثل

الغازات ذوبانيه / ليتر غاز مل بوحده ايضا التركيز عن التعبير ويمكن

(ml gas/L )،بالحجم عنه معبرا الغاز كميه وهوان يشغل 1وحيث الغاز من عند 22.400مول مل

تحويل فيمكن القياسيه والضغط الحراره درجه / عن ليتر مل وحده الي هنري قانون في الوحده

في المعادله طرفي ضرب 22.400طريقAH PK

L

ml

L

mol 400.22400.22

القيمه بنزن x 22.400 KHوتسمي ذوبانيه Bunsen solubility coefficient بمعامل

AA PaqA )([

/ Aحيث ليتر غاز مل بوحده القيم وتعطي بنزن معامل هو

6معادله

7معادله

منزلي واجب

أكسيد • ثاني لغاز الجزيئي الضغطيساوي الجوي الغالف في 348الكربون

ppm 348اوµatm قانون ثابت وقيمه ،مئويه KHهنري، صفر درجه عند

فماهو 0.065تساوي 35وملوحه ماء في الكربون أكسيد تركيزثاني

اإلتزان؟ لحاله الوصول باعتبار البحريعطي • للقانون المباشر التطبيق

لماذا؟ الميكروموالر؟ بوحده التركيزاتبوحده • التركيز ml CO2/Lماهو

الغازات ذوبانيه•KH وA مع عكسيا يتناسبان

ذائبيه فان ولذلك الحرارهدرجه بانخفاض تزداد الغاز

الحرارهللجزيئات • خطي غير التاثير

تكون والتي الوزن الكبيرهأكبر ذائبيتها

بزياده • تقل الغازات ذائبيهوالضغط الملوحه

المعادالت • من العديد هناكغاز لكل استخدمت التيبنزن معامل تربط والتيالحراره في بالتغيرات

والملوحه

الغازات ذوبانيهحاله • عند الغازات تركيزات

يمكن والتي اإلتزانمعامل باستخدام استنباطهاالتركيز عليها يطلق بنزنالغالف حاله عند المتزن

العادي normalالجويatmospheric equilibrium

concentration )NAEC(تم • الجدول في التركيزات

معامل بساتخدام ايجادهاالشكل في هو كما بنزن

معادله بواسطه و 7السابق

عن NAECالحيودعلي • تؤثر والتي العوامل من العديد لوجود نظرا

ال ربما الفعلي التركيز فان البحر ماء في الغاز تركيزمن المحسوب التركيز مع NAECيتساوي

التركيز • يتساوي عندما تشبع حاله في الغاز يكون ) ( التركيز مع المعمل في قياسه يتم الذي الفعلي

من NAECالمحسوبالتشبع • حد فوق الغاز Supersaturatedيكون

قيمه من اعلي الفعلي التركيز يكون ، NAECعندماالتشبع تحت حاله في يكون Undersaturatedأما

من أقل الفعلي NAECالتركيز

المعادله • من حسابها يمكن للغاز التشبع 100 درجه][

%

NAEC

Asatuartion situin

عن NAECالحيود

بنسبه • مشبع يكون البحر ماء اإلتزان حاله عندمن% 100 اكبر القيمه كانت حاله وفي يكون 100،

من اقل كان واذا مشبع التشبع 100فوق تحت يكونقيم • عن الغير NAECالحيود السلوك نتيجه هو

سبيل nonconservativeمحافظ وعلي للغازاتيكون السطحيه الطبقه في الذائب األكسجين المثال

الضوئي التمثيل عمليه نتيجه التشبع فوقالرادون • مثل الخامله األرجون Rnالغازات ،Ar ،

والنيتروجين Heالهيليوم ،N2 وعند محافظه تكونتتاثر تركيزاتهم الن البحر ماء في التشبع نسبه . االحيان بعض في هناك انه اال الفيزيائيه بالعوامل

عن ) NAECحيود ذكر سيتم العوامل هذه بسببذلك(

بعد فيما الحراره درجه في التغيراإلتزان

سطحيه • مياه كتله ان حاله فيالغالف مع التبادل عن انعزلتالحراره لدرجه تغير وحث الجويفوق حاله الي ذلك يؤدي ان يمكن

للغاز تشبعمائيتين • كتلتين خلط ذلك علي مثال

مختلفه حراره درجه لهمامائيه • كتله ظهور الي يؤدي الخلط

بين وسط حراره درجه لها جديدهالكتلتين

غاز • علي تحتوي الكتلتين كانت اذاالكتله فان النتيروجين مثل محافظوسط نيتروجين غاز تحتوي الجديده

قيم .NAECبين للكتلتين

بعد فيما الحراره درجه في التغيراإلتزان

الناتجه • الجديده الكتله المثال فيالنيتروجين تركيز الخلط من

يبلغ / 11.06المالحظ وحراره لتر ملقيم 15 وباستخدام NAECمئويه

(Appendix VIII كتاب Anمنintroduction to marine

biogeochemistry )القيم ان نجد/ 10.27النظريه فان وعليه لتر مل

نسبته تسبع فوق الي ادي الخلط114%

من • بالرغم الزائد الغاز اتي اين منللغاز جديد مصدر وجود عدم

بعد فيما الحراره درجه في التغيراإلتزان

من NAECقيمه aالشكل • اقل دائماعمليه من والناتج للغاز الحقيقه القيمالشكل في توضيحه يتم ما وهو الخلط

b ( مع مباشره يتناسب ال بنزن معاملالمنحني( في التقعر هذا نتيجه ، الحراره

. تشبع فوق حاله في غالبا الغاز يكونالخلط • نتيجه احيانا يحدث تشبع الفوق

في متجاورتين لكتلتين اإلضطرابيفي الفروق ان ونجد العميقه، المياهتكون ما اعلي تكون الحراره درجات

الساخنه مناطق Hydrothermalفيvents حراره درجه تصل والتي

الي المتدفق مئويه 350المحلولالعميقه للمياه مجاوره مياه في وتصب . مثل مئويه صفر حرارتها درجه التيويمكن تشبع فوق الي يؤدي الخلط هذه

الساخن التدفق لوجود كدليل استخدامه

الجوي الجزيئ الضغط في التغيرChanges of atmospheric partial pressure

يؤدي • ان يمكن الجوي الجزيئ الضغط في التغيرسريع التغير كان اذا التشبع حاله عن الحيود الياالتزان حاله الي للوصول كاف غير والوقت

) التشبع)• : في السريع التغير االتزان عدم حاله علي امثله

فوق الي يؤدي الرياح ضغط الحراره، درجهالهوائيه الفقاعات ودخول للدوامات كنتيجه تشبع

الي • الوصول تاخير الي تؤدي ايضا عوامل هناكمغطي البحر سطح يكون ان مثل االتزان حالهالغالف مع التبادل تمنع مخلفات اي او بالزيت

الجوي

للغاز التبادل Rates of gasمعدالتexchange

الرقيق الفيلم Thin-film modelنموذج

يمكن • االتزان عدم حاله عندالغاز تبادل معدالت علي االستدالع

الحركيه نماذج kineticبواسطهmodels

ان • يفترض الرقيق الفيلم نموذج فيالراكده المياه من رقيقه طبقه هناك

stagnant water حاجز تمثل وهيالبحر ماء بين التبادل لعمليه

الجوي والغالفالجوي • الغالف ان النموذج ويفترض

الراكده الطبقه تحت المياه وطبقه. كامل بشكل مختلطه

للطبقه • العلوي الجزء ان يفترض كماالغالف مع اتزان حاله في الراكدهللطبقه السفلي الجزء وايضا الجويطبقه مع اتزان حاله في الراكده

منها اسفل المخلطه المياه

للغاز التبادل Rates of gasمعدالتexchange

الرقيق الفيلم Thin-film modelنموذجالطبقه • في الغازات تنتقل

خاصيه طريقه عن الراكدهاختلف حال وفي الجزيئ االنتشارالعلوي الجزء في الغاز تركيزالجزء عن الراكده للطبقه

لجزيئات انتشار يحدث السفليتركيز األعلي منطقه من الغازتجانس يتم حتي تركيز االقل اليحاله الي نصل وهنا للمحلول

االتزانالجزيئات • عدد األتزان حاله وعند

عدد يساوي لماء الداخلهالجوي للغالف الخارجه الجزيئات

للغاز تدفق يوجد ال وهنا

للغاز التبادل Rates of gasمعدالتexchange

الرقيق الفيلم Thin-film modelنموذج

التدفق صافي االتزان عدم حاله net fluxفيالغاز ) االنحدار( FAلجزيئات مع مباشره يتناسب

العالقه حسب الراكده الطبقه في التركيز في

z

aqAaqAD

dz

AdDF bottomtop

AAA

)]([)]([][

و Zحيث الرقيقه الطبقه الجزيئ DAسمك االنتشار معامل هو molecular diffusivity coefficientبواسطه يقدر التركيز في ،top-]A(aq)[bottom[A(aq)]االنحدار

بواسطه عليه االستدالل يتم العلويه الجزء في الغاز تركيزتركيز ان حين في الجوي الغالف في للغاز الجزيئ الضغطفي الغاز لتركيز مساوي انه يفترض السفلي الجزء في الغاز

الراكده الطبقه اسفل المخلطه المياه طبقه

للغاز التبادل Rates of gasمعدالتexchange

الرقيق الفيلم Thin-film modelنموذجالتي • الموالت بعدد الغاز تدفق صافي عن التعبير يتم

فعلي السنه، في البحر سطح من مريع متر واحد تعبرماء من الخارج الهيليوم غاز تدفق صافي المثال سبيل

يساوي متر. 1.8X10-6البحر صفر 1-سنه.2-مول درجه عندمئويه

بين • التركيز في االنحدار حجم علي التدفق صافي يعتمدالفرق ) زاد كلما الراكده للطبقه والسفلي العلوي الجزء

) التدفق صافي زاد التركيز فيقل • كلما الرقيقه الراكده الطبقه سمك زاد كلما ايضا

- الجوي الغالف البحر ماء الفاصل الحد عبر التدفقالتركيزات • في واالنحدار الغازات تدفقات قياسات من

بين ) يتراوح الراكده الرقيقه الطبقه سمك تقدير -10تم60 ) ميكروميتر

الطبقه • بوجود يتعزز الراكده الرقيقه الطبقه عمقالمصغره والطبقه surface microlayerالسطحيه ،

المواد رقائق من العديد من تتكون المصغره السطحيهبين ما تتراوح ميكروميتر 100الي 50العضويه

للغاز التبادل Rates of gasمعدالتexchange

الرقيق الفيلم Thin-film modelنموذج

بين • ما يترواح الجزيئ االنتشار معامل1X10-5 4اليx10-52سم) الجدول/ ) ث

درجه • بزياده االنتشار معامل قيم تزدادوهذا الجزيئ الوزن ونقصان الحرارهزياده مع الغاز تدفق زياده الي يؤدي

الجزيئئ الوزن ونقصان الحراره درجهاالنتشار • ثوابت ان نجد حين في

من تترواح 100الي 1الدوامياالضطراب/ 2سم وجود عند وعليه ث

الراسي الخلط verticalاوturbulence المياه طبقه في هو كما

االنتقال ان نجد الراكده الطبقه تحتعلي الغالب هو يكون الخلط نتيجهان القول ويمكن الجزيئ، االنتشارفي اهميه ذو يكون الجزيئ االنتشار

الهادئه او الراكده الظروف حاله

للغاز التبادل Rates of gasمعدالتexchange

الرقيق الفيلم Thin-film modelنموذج

الطبقه • سمك يتناقص القوي الراسي الخلط حاله فيتدفق يزيد الرياح سرعه وبزياده الراكده الرقيقه

ماء الفاصل للحد السطح مساحه زياده نتيجه الغازاتداخل- الهوائيه الفقاعات حقن و الجوي الغالف البحر

البحر ماءوالهواء • للماء الفاصل الحد عبر الغاز تبادل معدل

بنسبه عنه التعبير Zالي DAيمكن•DA سم و/ 2وحدته ميكروميتر Zث اميكروميتر) وحدته

=10-4/ ث( سم بوحده تكون النسبه فان ولذلك سممن • عمود الذي المعدل عن تعبير هي النسبه هذه

المياه عمود خالل دفعه يتم الغازلـ • قيم وقيم/ 2سم 2X10-5بمتوسط DAباستخدام Zث

الدفع 40بمتوسط سرعه فان pistonميكروميترvelocity الي / 5X10-3تصل يقارب ما اي ث سم

1600/ سنه م

للغاز التبادل Rates of gasمعدالتexchange

الرقيق الفيلم Thin-film modelنموذج

لمعرفه • استخدامها يمكن الدفع سرعهحاله الي ليصل للغاز الالزم الزمن

‘ سمك كان فاذا الجوي الغالف مع االتزانمن يتراوح المخلطه م 100-20الطبقه

خالل الغاز لدفع لدفع الالزم الزمن فانقسمه حاصل يساوي المنطقه 20هذه

/ 4علي 100الي حوالي من او يوم 5ميوم 20الي

للغاز التبادل Rates of gas exchangeمعدالت

السطح تجدد اعاده Surface-renewalنموذجmodel

شرائح • من يتكون المياه سطح ان افتراض slabsيتمالخلط طريق عن البحر سطح الي تنتقل والتي

اإلضطرابياتزان • حاله في يكون المياه شريحه من العلوي الجزء

بمميزات يحتفظ السفلي والجزء الجوي الغالف مع معهناك يكون وعليه المخلطه، السفليه المياه طبقه

المياه شريحه في الغاز تركيز في انحدار او تدرجالي • المياه شريحه يعيد النهايه في اإلضطرابي الخلط

وفي اخري مياه بشريحه احاللها ويتم المخلطه الطبقهالطبقه ان نجد عالي للشرائح التبادل عمليه ان حاله

الجوي الغالف مع اتزان حاله الي تصل المخلطه

للغاز التبادل Rates of gas exchangeمعدالت

السطح تجدد اعاده Surface-renewalنموذجmodel

والهواء • الماء بين الفاصل الحد خالل الغاز تدفق عليهالتردديه او التكراريه علي التي Frequencyيعتمد

وصافي المياه، شريحه تجدد او استبدال بها يتمالشريحه تجدد بتكراريه يرتبط التدفق

بالعالقه )Frequency of slab renewal )المائيه

العلوي top[)A)aq]حيث • الجزء في الغاز تركيز هوو البحر سطح علي تكون عندما للشريحه

[A)aq(]bottom السفلي الجزء في الغاز تركيز هوللشريحه

))]([)](([ bottomtopA aqAaqAD

Flux

للغاز التبادل Rates of gas exchangeمعدالت

السطح تجدد اعاده Surface-renewalنموذجmodel

• ( بين فرق التركيز في انحدار هناك ان حاله في ) قل كلما فانه للشريحه والسفلي العلوي الجزءكلما البحر سطح علي الشريحه تقضيه الذي الزمن

. الصافي التدفق معدل زادالطبقه • دوره في يكافي التجديد او التبديل زمن

الرقيقه الطيقه نموذج في الرقيقهتجدد • اعاده نموذج في الغاز تدفق ان من وبالرغم

مربع مع يتناسب لكال DAالسطح النتائج ان االقيم ان بسبب تتوافق منخفضه DAالنموذجين