ذائبيه الغازات والتبادل خلال الحد الفاصل الهواء-ماء البحر

1. ذائبيه الغازات والتبادل خلال الحد الفاصل الهواء-ماء البحر Gas solubility and exchange across the air-sea interface

2. قانون دالتون للضغوط الجزيئيه • الغازات تدخل في الدورات البيوجيوكيميائيه • يولد الغاز ضغطا في الغلاف الجوي يطلق عليه الضغط الجزيئي partial pressure وهو مستقل عن الضغوط الجزيئيه للغازات الأخري ويرمز له بالرمز PA(A هو رمز للغاز) بينما يرمز للضغوط الجزيئيه لجميع الغازات بالرمز PTوهو مايعرف بقانون دالتون للضغوط الجزيئيه • عند سطح البحر الضغط الكلي للغازات يكون ثابت نسبيا ويبلغ 1 ضغط جوي (1 atm) ويتغير لبعض الظواهر الفيزيائيه مثل العواصف او الكيميائيه مثل التغيرات الموسميه في نشاط النباتات والحيوانات والتي تؤثر علي الضغوط الجزيئيه للأكسجين وثاني أكسيد الكربون

3. ذوبانيه الغازات الغازات تدخل من الغلاف الجوي لماء البحر والعكس وعندما يصبح معدل التبادل متساوي نصل لحاله الإتزان معادله 1 في المحاليل المخففه التراكيز تساوي النشاطيه او التركيز النشط و يمكن استخدام ثابت الإتزان الديناميكي الحراري وتكون العلاقه بالشكل: معادله 2 يتم التعبير عن [A(g)] بالضغط الجزيئي PA، وباستخدام العلاقه PV=nRTنصل للعلاقه معادله 3

4. ذوبانيه الغازات بالتعويض عن قيمه PA/RTفي معادله 2 تصبح المعادله 3 بالشكل: معادله 4 يطلق علي معادله 4 قانون هنري للغازات ويكتب عاده علي الشكل: معادله 5 حيث KHهي ثابت قانون هنري ويساوي Keq/RT ويعطي تركيز الغازات الذائبه في ماء البحر في المعادله 5 بوحده المولاريه او جزء منها مثل الميكرومولار

5. ذوبانيه الغازات ويمكن التعبير عن التركيز ايضا بوحده مل غاز/ليتر (ml gas/L) وهو كميه الغاز معبرا عنه بالحجم، وحيث ان 1 مول من الغاز يشغل 22.400 مل عند درجه الحراره والضغط القياسيه فيمكن تحويل الوحده في قانون هنري الي وحده مل/ليتر عن طريق ضرب طرفي المعادله في 22.400 معادله 6 وتسمي القيمهx 22.400 KHبمعامل ذوبانيه بنزن Bunsen solubility coefficient معادله 7 حيث A هو معامل بنزن وتعطي القيم بوحده مل غاز/ليتر

6. واجب منزلي • الضغط الجزيئي لغاز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يساوي 348 ppm او 348µatm، وقيمه ثابت قانون هنري، KHعند درجه صفر مئويه وملوحه 35 تساوي 0.065 فماهو تركيزثاني أكسيد الكربون في ماء البحر باعتبار الوصول لحاله الإتزان؟ • التطبيق المباشر للقانون يعطي التركيزات بوحده الميكرومولار؟ لماذا؟ • ماهو التركيز بوحده ml CO2/L

7. ذوبانيه الغازات • KHوA يتناسبان عكسيا مع الحراره ولذلك فان ذائبيه الغاز تزداد بانخفاض درجه الحراره • التاثير غير خطي للجزيئات الكبيره الوزن والتي تكون ذائبيتها أكبر • ذائبيه الغازات تقل بزياده الملوحه والضغط • هناك العديد من المعادلات التي استخدمت لكل غاز والتي تربط معامل بنزن بالتغيرات في الحراره والملوحه

8. ذوبانيه الغازات • تركيزات الغازات عند حاله الإتزان والتي يمكن استنباطها باستخدام معامل بنزن يطلق عليها التركيز المتزن عند حاله الغلاف الجوي العادي normal atmospheric equilibrium concentration (NAEC) • التركيزات في الجدول تم ايجادها بساتخدام معامل بنزن كما هو في الشكل السابق و بواسطه معادله 7

9. الحيود عن NAEC • نظرا لوجود العديد من العوامل والتي تؤثر علي تركيز الغاز في ماء البحر فان التركيز الفعلي ربما لا يتساوي مع التركيز المحسوب من NAEC • يكون الغاز في حاله تشبع عندما يتساوي التركيز الفعلي (الذي يتم قياسه في المعمل) مع التركيز المحسوب من NAEC • يكون الغاز فوق حد التشبع Supersaturated عندما يكون التركيز الفعلي اعلي من قيمه NAEC، أما في حاله تحت التشبع Undersaturated يكون التركيز الفعلي أقل من NAEC • درجه التشبع للغاز يمكن حسابها من المعادله

10. الحيود عن NAEC • عند حاله الإتزان ماء البحر يكون مشبع بنسبه 100%، وفي حاله كانت القيمه اكبر من 100 يكون فوق مشبع واذا كان اقل من 100 يكون تحت التشبع • الحيود عن قيم NAEC هو نتيجه السلوك الغير محافظ nonconservative للغازات وعلي سبيل المثال الأكسجين الذائب في الطبقه السطحيه يكون فوق التشبع نتيجه عمليه التمثيل الضوئي • الغازات الخامله مثل الرادون Rn، الأرجون Ar، الهيليوم He، والنيتروجين N2 تكون محافظه وعند نسبه التشبع في ماء البحر لان تركيزاتهم تتاثر بالعوامل الفيزيائيه. الا انه هناك في بعض الاحيان حيود عن NAEC بسبب هذه العوامل (سيتم ذكر ذلك)

11. التغير في درجه الحراره فيما بعد الإتزان • في حاله ان كتله مياه سطحيه انعزلت عن التبادل مع الغلاف الجوي وحث تغير لدرجه الحراره يمكن ان يؤدي ذلك الي حاله فوق تشبع للغاز • مثال علي ذلك خلط كتلتين مائيتين لهما درجه حراره مختلفه • الخلط يؤدي الي ظهور كتله مائيه جديده لها درجه حراره وسط بين الكتلتين • اذا كانت الكتلتين تحتوي علي غاز محافظ مثل النتيروجين فان الكتله الجديده تحتوي غاز نيتروجين وسط بين قيم NAEC للكتلتين.

12. التغير في درجه الحراره فيما بعد الإتزان • في المثال الكتله الجديده الناتجه من الخلط تركيز النيتروجين الملاحظ يبلغ 11.06 مل/لتر وحراره 15 مئويه وباستخدام قيم NAEC (Appendix VIII من كتاب An introduction to marine biogeochemistry) نجد ان القيم النظريه 10.27 مل/لتر وعليه فان الخلط ادي الي فوق تسبع نسبته 114% • من اين اتي الغاز الزائد بالرغم من عدم وجود مصدر جديد للغاز

13. التغير في درجه الحراره فيما بعد الإتزان • الشكل a قيمه NAEC دائما اقل من القيم الحقيقه للغاز والناتج من عمليه الخلط وهو ما يتم توضيحه في الشكل b (معامل بنزن لا يتناسب مباشره مع الحراره)، نتيجه هذا التقعر في المنحني يكون الغاز غالبا في حاله فوق تشبع. • الفوق تشبع يحدث احيانا نتيجه الخلط الإضطرابي لكتلتين متجاورتين في المياه العميقه، ونجد ان الفروق في درجات الحراره تكون اعلي ما تكون في مناطق الساخنه Hydrothermal vents والتي تصل درجه حراره المحلول المتدفق الي 350 مئويه وتصب في مياه مجاوره للمياه العميقه التي درجه حرارتها صفر مئويه. مثل هذه الخلط يؤدي الي فوق تشبع ويمكن استخدامه كدليل لوجود التدفق الساخن

14. التغير في الضغط الجزيئ الجويChanges of atmospheric partial pressure • التغير في الضغط الجزيئ الجوي يمكن ان يؤدي الي الحيود عن حاله التشبع اذا كان التغير سريع والوقت غير كاف للوصول الي حاله الاتزان (التشبع) • امثله علي حاله عدم الاتزان: التغير السريع في درجه الحراره، ضغط الرياح يؤدي الي فوق تشبع كنتيجه للدوامات ودخول الفقاعات الهوائيه • هناك عوامل ايضا تؤدي الي تاخير الوصول الي حاله الاتزان مثل ان يكون سطح البحر مغطي بالزيت او اي مخلفات تمنع التبادل مع الغلاف الجوي

15. معدلات التبادل للغاز Rates of gas exchangeنموذج الفيلم الرقيق Thin-film model • عند حاله عدم الاتزان يمكن الاستدلاع علي معدلات تبادل الغاز بواسطه نماذج الحركيه kinetic models • في نموذج الفيلم الرقيق يفترض ان هناك طبقه رقيقه من المياه الراكده stagnant water وهي تمثل حاجز لعمليه التبادل بين ماء البحر والغلاف الجوي • ويفترض النموذج ان الغلاف الجوي وطبقه المياه تحت الطبقه الراكده مختلطه بشكل كامل. • كما يفترض ان الجزء العلوي للطبقه الراكده في حاله اتزان مع الغلاف الجوي وايضا الجزء السفلي للطبقه الراكده في حاله اتزان مع طبقه المياه المخلطه اسفل منها

16. معدلات التبادل للغاز Rates of gas exchangeنموذج الفيلم الرقيق Thin-film model • تنتقل الغازات في الطبقه الراكده عن طريقه خاصيه الانتشار الجزيئ وفي حال اختلف تركيز الغاز في الجزء العلوي للطبقه الراكده عن الجزء السفلي يحدث انتشار لجزيئات الغاز من منطقه الأعلي تركيز الي الاقل تركيز حتي يتم تجانس للمحلول وهنا نصل الي حاله الاتزان • وعند حاله الأتزان عدد الجزيئات الداخله لماء يساوي عدد الجزيئات الخارجه للغلاف الجوي وهنا لا يوجد تدفق للغاز

17. معدلات التبادل للغاز Rates of gas exchangeنموذج الفيلم الرقيق Thin-film model في حاله عدم الاتزان صافي التدفق net flux لجزيئات الغاز (FA) يتناسب مباشره مع الانحدار في التركيز في الطبقه الراكده حسب العلاقه حيث Zسمك الطبقه الرقيقه و DAهو معامل الانتشار الجزيئ molecular diffusivity coefficient الانحدار في التركيز يقدر بواسطه [A(aq)]top-[A(aq)]bottom، تركيز الغاز في الجزء العلويه يتم الاستدلال عليه بواسطه الضغط الجزيئ للغاز في الغلاف الجوي في حين ان تركيز الغاز في الجزء السفلي يفترض انه مساوي لتركيز الغاز في طبقه المياه المخلطه اسفل الطبقه الراكده

18. معدلات التبادل للغاز Rates of gas exchangeنموذج الفيلم الرقيق Thin-film model • يتم التعبير عن صافي تدفق الغاز بعدد المولات التي تعبر واحد متر مريع من سطح البحر في السنه، فعلي سبيل المثال صافي تدفق غاز الهيليوم الخارج من ماء البحر يساوي 1.8X10-6مول.متر-2.سنه-1 عند درجه صفر مئويه • يعتمد صافي التدفق علي حجم الانحدار في التركيز بين الجزء العلوي والسفلي للطبقه الراكده (كلما زاد الفرق في التركيز زاد صافي التدفق) • ايضا كلما زاد سمك الطبقه الراكده الرقيقه كلما قل التدفق عبر الحد الفاصل ماء البحر-الغلاف الجوي • من قياسات تدفقات الغازات والانحدار في التركيزات تم تقدير سمك الطبقه الرقيقه الراكده (يتراوح بين 10-60 ميكروميتر) • عمق الطبقه الرقيقه الراكده يتعزز بوجود الطبقه السطحيه المصغره surface microlayer، والطبقه السطحيه المصغره تتكون من العديد من رقائق المواد العضويه تتراوح ما بين 50 الي 100 ميكروميتر

19. معدلات التبادل للغاز Rates of gas exchangeنموذج الفيلم الرقيق Thin-film model • معامل الانتشار الجزيئ يترواح ما بين 1X10-5 الي 4x10-5سم2/ث (الجدول) • تزداد قيم معامل الانتشار بزياده درجه الحراره ونقصان الوزن الجزيئ وهذا يؤدي الي زياده تدفق الغاز مع زياده درجه الحراره ونقصان الوزن الجزيئئ • في حين نجد ان ثوابت الانتشار الدوامي تترواح من 1الي 100 سم2/ث وعليه عند وجود الاضطراب او الخلط الراسيvertical turbulence كما هو في طبقه المياه تحت الطبقه الراكده نجد ان الانتقال نتيجه الخلط يكون هو الغالب علي الانتشار الجزيئ، ويمكن القول ان الانتشار الجزيئ يكون ذو اهميه في حاله الظروف الراكده او الهادئه

20. معدلات التبادل للغاز Rates of gas exchangeنموذج الفيلم الرقيق Thin-film model • في حاله الخلط الراسي القوي يتناقص سمك الطبقه الرقيقه الراكده وبزياده سرعه الرياح يزيد تدفق الغازات نتيجه زياده مساحه السطح للحد الفاصل ماء البحر-الغلاف الجوي و حقن الفقاعات الهوائيه داخل ماء البحر • معدل تبادل الغاز عبر الحد الفاصل للماء والهواء يمكن التعبير عنه بنسبه DAالي Z • DAوحدته سم2/ث و Zوحدته ميكروميتر(اميكروميتر = 10-4سم) ولذلك فان النسبه تكون بوحده سم/ث • هذه النسبه هي تعبير عن المعدل الذي عمود من الغاز يتم دفعه خلال عمود المياه • باستخدام قيم لـ DAبمتوسط 2X10-5 سم2/ث وقيم Zبمتوسط 40 ميكروميتر فان سرعه الدفع piston velocity تصل الي 5X10-3 سم/ث اي ما يقارب 1600 م/سنه

21. معدلات التبادل للغاز Rates of gas exchangeنموذج الفيلم الرقيق Thin-film model • سرعه الدفع يمكن استخدامها لمعرفه الزمن اللازم للغاز ليصل الي حاله الاتزان مع الغلاف الجوي‘ فاذا كان سمك الطبقه المخلطه يتراوح من 20-100 م فان الزمن اللازم لدفع لدفع الغاز خلال هذه المنطقه يساوي حاصل قسمه 20 الي 100 علي 4 م/يوم او من حوالي 5 الي 20 يوم

22. معدلات التبادل للغاز Rates of gas exchangeنموذج اعاده تجدد السطح Surface-renewal model • يتم افتراض ان سطح المياه يتكون من شرائح slabs والتي تنتقل الي سطح البحر عن طريق الخلط الإضطرابي • الجزء العلوي من شريحه المياه يكون في حاله اتزان مع مع الغلاف الجوي والجزء السفلي يحتفظ بمميزات طبقه المياه السفليه المخلطه، وعليه يكون هناك تدرج او انحدار في تركيز الغاز في شريحه المياه • الخلط الإضطرابي في النهايه يعيد شريحه المياه الي الطبقه المخلطه ويتم احلالها بشريحه مياه اخري وفي حاله ان عمليه التبادل للشرائح عالي نجد ان الطبقه المخلطه تصل الي حاله اتزان مع الغلاف الجوي

23. معدلات التبادل للغاز Rates of gas exchangeنموذج اعاده تجدد السطح Surface-renewal model • عليه تدفق الغاز خلال الحد الفاصل بين الماء والهواء يعتمد علي التكراريه او التردديه Frequency التي يتم بها استبدال او تجدد شريحه المياه، وصافي التدفق يرتبط بتكراريه تجدد الشريحه المائيهFrequency of slab renewal () بالعلاقه • حيث [A(aq)]top هو تركيز الغاز في الجزء العلوي للشريحه عندما تكون علي سطح البحر و [A(aq)]bottom هو تركيز الغاز في الجزء السفلي للشريحه

24. معدلات التبادل للغاز Rates of gas exchangeنموذج اعاده تجدد السطح Surface-renewal model • في حاله ان هناك انحدار في التركيز (فرق بين الجزء العلوي والسفلي للشريحه) فانه كلما قل الزمن الذي تقضيه الشريحه علي سطح البحر كلما زاد معدل التدفق الصافي. • زمن التبديل او التجديد يكافي في دوره الطبقه الرقيقه في نموذج الطيقه الرقيقه • وبالرغم من ان تدفق الغاز في نموذج اعاده تجدد السطح يتناسب مع مربع DAالا ان النتائج لكلا النموذجين تتوافق بسبب ان قيم DA منخفضه