Электропроводность морской воды

По способности проводить электрический ток во внешнем электрическом поле морскую воду можно отнести к слабо концентрированным электролитам (проводникам второго рода).

Удельной электропроводностью (электропроводимостью) у называют величину, обратную удельному сопротивлению

R s ,.

р =-, где R — сопротивление проводника (в данном случае ;

столба жидкости) длиной / и площадью поперечного сечения s:

Размерность у — Ом'^м-См-м* (сименс на метр)^[1].

Электропроводность морской воды слагается из проводимости растворов основных электролитов, входящих в состав морской воды, и определяется концентрацией свободных зарядов и их подвижностью:

где а - коэффициент активности раствора, с - концентрация раствора, п — валентность ионов, и₊ и — подвижность положительных и отрицательных заряженных ионов. Подвижностью иона называется его скорость под влиянием электрического тока при условии, что ион движется в поле с падением потенциала, равным одному вольту на один метр. Концентрация раствора с

связана с концентрацией ионов с следующей формулой: с = —,.

а

где, а — степень диссоциации. В числителе формулы стоит число молекул, распавшихся на ионы, в знаменателе — число молекул растворенного вещества.

Надо помнить, что вклад различных ионов в полную электропроводность морской воды изменяется в зависимости от наличия других ионов, поэтому всякое изменение относительного состава анионов и катионов влечет за собой изменение проводимости при постоянной солености.

Отметим, что ион К⁺ влияет на электропроводность сильнее, чем ион Na, а последний — сильнее, чем ионы Mg²⁺ и Са²⁺. Что касается анионов, то ион СГ влияет сильнее на электропроводимость, чем ион SO²*.

Подвижность ионов морской воды зависит от ее вязкости — чем она меньше, тем быстрее движутся ионы, т. е. увеличивается электропроводность. Вязкость уменьшается при увеличении температуры и, в меньшей степени, давления (рис. 7.4). Кроме того, сжимаемость морской воды приводит к росту концентрации ионов. Следовательно, электропроводность морской воды зависит как от солености (увеличивается концентрация), так и от температуры (повышается подвижность ионов) и давления (повышается подвижность ионов и увеличивается концентрация ионов) (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Зависимость удельной электропроводности морской воды (Смм¹) от солености и температуры (а), давления и температуры при солености S=35 епс (б).

Давление, дбар Давление влияет на удельную электропроводность в меньшей степени, чем соленость и температура — на глубине 10 000 м проводимость увеличивается лишь на 5−10% по сравнению со своим значением на поверхности (рис. 8.16). Как видно из рисунка 8.16, удельная электропроводность с увеличением давления растет медленнее, что связано с одновременным уменьшением сжимаемости морской воды.

Зависимость электропроводности от давления играет важную роль при измерениях электропроводимости in situ при помощи океанографических CTD-зондов^[2].

С повышением температуры электропроводимость увеличивается, причем эта зависимость наиболее ярко выражена при высоких соленостях (рис. 8.1а).

Электропроводность морской воды in situ можно вычислить по заданным значениям солености, температуры и давления, если сначала определить относительную электропроводность R_T, обратив для этого эмпирическое уравнение (3.36), а затем применить формулу (3.40).

Для сравнения удельной электропроводности различных веществ ниже приведена таблица 8.1., которая свидетельствует, что электропроводность морской воды относительно высокая.

Таблица 8.1.

Удельная электропроводность различных сред.

Значительные изменения электропроводности морской воды в зависимости от изменения ее солености позволяют применить электрометрические методы для определения последней, что в настоящее время широко используется в практике экспедиционных исследований с помощью солемеров и океанографических С2Т>-зондов. В океанографической аппаратуре применяется два метода для измерения удельной электропроводности: контактный — кондуктивный и бесконтактный — индуктивный. Первый основан на измерении электропроводности морской воды, протекающей в трубке между электродами. С помощью индуктивного метода проводимость определяется по измерению электродвижущей силы взаимоиндукции в обмотке одного из тороидальных трансформаторов, установленных коаксиально друг к другу в результате индуктивной связи между ними через морскую воду.

Еще одно применение удельной электропроводности — электромагнитный метод измерения скоростей течений. Еще М. Фарадей высказал мысль о том, что пересечение магнитных силовых линий земного поля потоком воды должно индуцировать в этой воде электрический ток, тем более сильный, чем больше электропроводность воды. Подобные условия существуют при наличии морских течений, воды которых непрерывно пересекают силовые линии геомагнитного поля Земли.

• [1] Сименс — единица электрической проводимости, обратной величиныэлектрического сопротивления. Размерность См^м^м'^кг'-с^А2.
• [2] Аббревиатура CTD обозначает электропроводность, температуру иглубину (в английском языке — conductivity, temperature, depth).