Khí Nitơ hoà tan trong nước biển tồn tại ở dạng phân tử tự do N2. Là một khí bền vững về mặt hoá học và rất khó bị sinh vật đồng hoá, Nitơ hoà tan trong nước biển là hợp phần hoá học khá ổn định. Nồng độ Nitơ ở lớp nước mặt thường đạt bão hoà, giá trị tuyệt đối thay đổi từ 14,1 mlN2/l ở các vùng
biển vĩ độ cao đến 8,2 mlN2/l ở các vùng biển nhiệt đới, xích đạo. Biến đổi này phụ thuộc chủ yếu vào biến đổi của nhiệt độ nước có liên quan đến hệ số hấp thụ Nitơ từ khí quyển vào nước biển.
Xác định nồng độ khí Nitơ hoà tan trong nước biển bằng các phương pháp phân tích hoá học là rất khó khăn do tính trơ của nó. Tuy nhiên, do quy luật hoà tan của Nitơ trong nước biển có liên quan đến biến đổi của nhiệt độ và độ muối cũng tương tự như quy luật hoà tan của Ôxy, nên thay cho các phương pháp phân tích hoá học người ta thường tính nồng độ Nitơ theo nồng độ Ôxy hoà tan qua công thức của Havey:
N2[ml/l] = 1,7331 O2[ml/l] + 0,3813
Do là thành phần bền vững về hoá học nên nồng độ Nitơ ở các lớp nước sâu cũng rất gần với nồng độ bão hoà, thường chỉ sai khác không quá 5%. Khi xáo trộn các khối nước bão hoà Nitơ nhưng có nhiệt độ khác nhau thì hỗn hợp sẽ trở nên quá bão hoà. Vì vậy khi nước lạnh dưới sâu (thường gần bão hoà Nitơ) trồi lên xáo trộn với nước ấm trên mặt (bão hoà Nitơ) ta sẽ thấy được hiện tƣợng quá bão hoà. Căn cứ vào mức độ quá bão hoà của Nitơ trong khối nước và độ lệch khỏi mối quan hệ Nitơ-Ôxy nêu trên, có thể biết được nguồn gốc và tuổi của khối nước.
Ngoài ra, trong các biển còn có thể có một số điều kiện cho phép vi sinh vật thực hiện một số quá trình làm thay đổi nồng độ Nitơ. Ví dụ, một số loài vi khuẩn (nhƣ Azotobacter và Clostridium) có khả năng chuyển Nitơ tự do thành hợp chất, ngƣợc lại cũng có một số loài khử đƣợc Nitơ của Nitrát thành Nitơ tự do:
5CH2O + 5H2O + 4NO3
- + 4H+ ⎯→ 5CO2 + 2N2 + 12H2O 4NO3
- + 5C ⎯→ 2CO3
-2 + 2N2 + 3CO2
Do tính trơ về mặt hoá học nên không có một phương pháp hoá học hữu hiệu nào để xác định nồng độ khí Nitơ hoà tan trong nước biển. Xác định nồng độ Nitơ bằng các phương pháp khác khá phức tạp về mặt kỹ thuật. Cùng
với điều đó, khí Nitơ hoà tan trong biển lại ít có ý nghĩa về mặt sinh hoá học nên cho đến nay các nghiên cứu về Nitơ hoà tan trong biển còn rất nghèo nàn.
3.5 KHÍ SUNFUHYDRO VÀ CÁC KHÍ KHÁC 3.5.1 Khí Sunfuhydro hoà tan
Khí Sunfuhydro hoà tan trong biển tồn tại ở dạng phân tử H2S. Là một chất có hoạt tính hoá học cao mang đặc trƣng khử nên Sunfuhydro dễ bị mất khi trong nước biển có khí Ôxy hoà tan và những chất ôxy hoá khác. Do vậy ở lớp nước gần mặt biển hầu như không có Sunfuhydro, nó chỉ xuất hiện ở một số khu vực có những điều kiện đặc biệt như: ở các lớp nước sâu nghèo Ôxy, kém trao đổi với lớp nước mặt, nhất là vùng Ôxy cực tiểu, hay ở đáy các vũng, vịnh, vực sâu không có trao đổi nước với các vùng kế cận.
Sunfuhydro là một khí độc nên sự xuất hiện của nó trong biển sẽ là mối nguy hiểm cho đời sống của sinh vật, thậm chí có thể tiêu diệt sự sống của hầu hết các loài ở khu biển đó. Cũng sẽ là một bất lợi cho cảnh quan và môi trường (vì mùi thối) nếu Sunfuhydro xuất hiện cả ở các lớp nước mặt, nhất là gần các khu du lịch, nghỉ mát vùng biển, hải đảo. Bởi vậy, sự xuất hiện của Sunfuhydro trong biển là một dấu hiệu ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Khi xuất hiện và hoà tan trong nước biển, Sunfuhydro (H2S) bị phân ly theo 2 bậc:
H2S ⇔ H+ + HS- HS-⇔ H+ + S-2
Ở điều kiện áp suất khí quyển, hằng số phân ly bậc một là K1≈10-7, bậc hai K2≈10-12. Nhƣ vậy H2S là một chất phân ly yếu và hệ cân bằng Sunfuhydro trong biển luôn tồn tại 3 tiểu phần là H2S, HS- và S-2. Theo tính toán, trong hệ cân bằng này có 12,89% H2S, 87,10% HS- và 0,01% S-2. Do không thể tách rời H2S với các dẫn xuất phân ly của nó nên cần phải hiểu nồng độ H2S chính là tổng nồng độ của cả hệ Sunfuhydro:
ΣH2S = [H2S] + [HS-] + [S-2]
Độ hoà tan của Sunfuhydro lớn hơn rất nhiều so với các khí khác do phân tử H2S có cấu tạo nhƣ một lƣỡng cực. Khi áp suất riêng của H2S là 1 atmôtphe thì độ hoà tan của nó là 4630 ml/l. Tuy nhiên, do lƣợng H2S trong khí quyển không đáng kể nên sự có mặt của nó trong biển đương nhiên không phải do tương tác biển-khí quyển đem lại. Có 2 nguyên nhân xuất hiện H2S trong biển là:
Quá trình thối rữa, phân huỷ các hợp chất hữu cơ có lưu huỳnh. Các chất hữu cơ là xác sinh vật, cặn bã thải, mảnh vụn... khi bị vi khuẩn phân huỷ trong điều kiện yếm khí (thiếu Ôxy) sẽ giải phóng H2S, CH4...
Quá trình khử các sunphát do các loài vi khuẩn Microspirs thực hiện trong môi trường thiếu Ôxy và giầu có chất hữu cơ. Quá trình này theo Lêbêđinxep diễn tả là:
CaSO4 + 2C → CaS + 2CO2
CaS + 2H2O + 2CO2 → Ca(HCO3)2 + H2S Hoặc theo Alekin:
2SO4-2 + 4C + 3H2O → H2S + HS- + CO2 + 3HCO3-
Trong đại dương thế giới chỉ có một số ít khu vực có H2S thường xuyên nhƣ: Biển Đen, vực Kariako (biển Caribê), vực Orka (vịnh Mếch xích) hay một số phio ở Biển Bắc, Ban tích, Hồng Hải, biển Ảrập... Ở gần đáy của Biển Đen, nồng độ Sunfuhydro đạt trên 6 mgS/l. Hình 3.9 mô tả phân bố Sunfuhydro trong Biển Đen, thấy rõ chỉ có một lớp nước mỏng bề mặt (khoảng 200m) không có H2S.
Biểu đồ trang 74
Hình 3.9: Phân bố H2S (mgS/l) trên mặt cắt kinh tuyến 43o30'W trong tháng 10-1960 tại Biển Đen (theo Xkôpinsev và Xmirnôv)
3.5.2 Các khí khác
Ngoài O2, N2, CO2, H2S, các khí khác hoà tan trong nước biển được chia thành hai nhóm:
Nhóm các khí trơ, chủ yếu là He, Ne, Ar, Kr và Xe có nồng độ khá nhỏ (Ar có nồng độ bậc 10-2 ml/l, các khí khác 10-6 ml/l). Sự có mặt các khí trơ trong nước biển có liên quan đến quá trình tương tác biển-khí quyển. Nhóm các khí cacbua hydro chủ yếu là Metan, Etan, Propan... có nồng độ ở bậc 10-4
÷ 10-6 ml/l. Các khí này có nguồn gốc chủ yếu từ quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong biển.
Chương 4