海水中的二氧化碳系統

　　水中溶解有大量的碳化合物，其中無機物的主要形式有HCO3-、CO32-、H2CO3和CO2。溶解CO2可以與大氣中的CO2進行交換，這個過程起著調節大氣CO2濃度的作用。工業革命以來，由于大量使用礦物燃料，排放大量CO2，使大氣CO2濃度上升，形成所謂“溫室效應”，影響了全球氣候變化(圖4—6)。因此近年來對大氣與海洋的CO2交換過程十分重視，開展了廣泛的國際合作，進行了大量研究工作。CO2海氣交換的研究是JGOFS(全球海洋通量研究計劃)的重要組成部分。

　　早期的化學海洋學研究就已經知道海水的二氧化碳系統是維持海水有恒定酸度的重要原因，這是由于在海水中存在下列平衡：

　　這個平衡過程控制著海水的pH，使海水具有緩沖溶液的特性。增加大氣的CO2也增加了海水中的無機碳總量，同時增加海水的緩沖容量，引起海水酸度增加，不利于更多的CO2進入海水。

　　海水的pH值

　　海水的pH值約為8.1，其值變化很小，因此有利于海洋生物的生長；海水的弱堿性有利于海洋生物利用CaCO3組成介殼；海水的CO2含量足以滿足海洋生物光合作用的需要，因此海洋成為生命的搖籃。

　　一般氣體在海水中的溶解量與其在大氣中的分壓成正比，但CO2是個例外。CO2與水有反應，因此提高了它在海水中的濃度。CO2在生物過程中起重要作用，藻類光合作用消耗CO2，產生有機物和氧氣。因此，大部分地區的海水表層CO2是不飽和的，深層水由于下沉有機物的分解含有較多的CO2。赤道海域環流和美洲大陸西岸上升流把CO2帶入表層水。

　　海水從大氣中吸收CO2的能力很大，而且最初它所能吸收的CO2是現今的幾倍。要準確估計海水吸收CO2的能力是較為困難的，因為整個體系處于動態之中。CO2與水生成碳酸，碳酸離解得到碳酸氫根和碳酸根，這是海水中溶解碳的主要化學形式。CO2濃度隨深度增加，因為藻類光合作用消耗CO2而在呼吸中放出CO2，另一個原因是CO2的溶解度隨壓力增加而增加。

　　天然的碳有三種同位素：12C，13C和14C。其中14C是放射性同位素。大氣中的14C有兩種來源，一是宇宙射線與大氣中的N2發生核反應產生的；另一種是由于核爆炸產生的。14C進入海洋后，隨著海水的運動減低濃度，因此可以用來研究CO2的氣體交換速率和水團的年齡等。

　　海水中的二氧化碳含量約為2.2mmol/kg。CO2的各種形式隨pH的變化

　　影響海水pH的因素

　　海水的pH一般在7.5～8.2的范圍變化，主要取決于二氧化碳的平衡。在溫度、壓力、鹽度一定的情況下，海水的pH主要取決于H2CO3各種離解形式的比值。反過來，當海水pH值測定后也可以推算出碳酸的濃度。

　　溫度校正可用下式

　　pHt1(現場)=pHt1(測定)＋0.0113(t2－t1)(4-14)

　　由于深度改變引起的壓力校正可以通過查表得到。

　　海水的緩沖容量

　　海水具有一定的緩沖能力，這種緩沖能力主要是受二氧化碳系統控制的。緩沖能力可以用數值表示，稱為緩沖容量。定義為使pH變化一個單位所需加入的酸或堿的量：

　　海水的pH在6～9之間時緩沖容量最大。大洋水的pH變化主要是由CO2的增加或減少引起的。海水的緩沖容量除與CO2有關外，還與H3BO3有關。由于離子對的影響，海水的緩沖容量比淡水和NaCl溶液都要大。