海水中的二氧化碳系统

水中溶解有大量的碳化合物，其中无机物的主要形式有HCO3-、CO32-、H2CO3和CO2。溶解CO2可以与大气中的CO2进行交换，这个过程起着调节大气CO2浓度的作用。工业革命以来，由于大量使用矿物燃料，排放大量CO2，使大气CO2浓度上升，形成所谓“温室效应”，影响了全球气候变化(图4—6)。因此近年来对大气与海洋的CO2交换过程十分重视，开展了广泛的国际合作，进行了大量研究工作。CO2海气交换的研究是JGOFS(全球海洋通量研究计划)的重要组成部分。
　　
　　早期的化学海洋学研究就已经知道海水的二氧化碳系统是维持海水有恒定酸度的重要原因，这是由于在海水中存在下列平衡：
　　
　　这个平衡过程控制着海水的pH，使海水具有缓冲溶液的特性。增加大气的CO2也增加了海水中的无机碳总量，同时增加海水的缓冲容量，引起海水酸度增加，不利于更多的CO2进入海水。
　　
　　海水的pH值
　　
　　海水的pH值约为8.1，其值变化很小，因此有利于海洋生物的生长；海水的弱碱性有利于海洋生物利用CaCO3组成介壳；海水的CO2含量足以满足海洋生物光合作用的需要，因此海洋成为生命的摇篮。
　　
　　一般气体在海水中的溶解量与其在大气中的分压成正比，但CO2是个例外。CO2与水有反应，因此提高了它在海水中的浓度。CO2在生物过程中起重要作用，藻类光合作用消耗CO2，产生有机物和氧气。因此，大部分地区的海水表层CO2是不饱和的，深层水由于下沉有机物的分解含有较多的CO2。赤道海域环流和美洲大陆西岸上升流把CO2带入表层水。
　　
　　海水从大气中吸收CO2的能力很大，而且最初它所能吸收的CO2是现今的几倍。要准确估计海水吸收CO2的能力是较为困难的，因为整个体系处于动态之中。CO2与水生成碳酸，碳酸离解得到碳酸氢根和碳酸根，这是海水中溶解碳的主要化学形式。CO2浓度随深度增加，因为藻类光合作用消耗CO2而在呼吸中放出CO2，另一个原因是CO2的溶解度随压力增加而增加。
　　
　　天然的碳有三种同位素：12C，13C和14C。其中14C是放射性同位素。大气中的14C有两种来源，一是宇宙射线与大气中的N2发生核反应产生的；另一种是由于核爆炸产生的。14C进入海洋后，随着海水的运动减低浓度，因此可以用来研究CO2的气体交换速率和水团的年龄等。
　　
　　海水中的二氧化碳含量约为2.2mmol/kg。CO2的各种形式随pH的变化
　　
　　影响海水pH的因素
　　
　　海水的pH一般在7.5～8.2的范围变化，主要取决于二氧化碳的平衡。在温度、压力、盐度一定的情况下，海水的pH主要取决于H2CO3各种离解形式的比值。反过来，当海水pH值测定后也可以推算出碳酸的浓度。
　　
　　温度校正可用下式
　　
　　pHt1(现场)=pHt1(测定)＋0.0113(t2－t1) (4-14)
　　
　　由于深度改变引起的压力校正可以通过查表得到。
　　
　　海水的缓冲容量
　　
　　海水具有一定的缓冲能力，这种缓冲能力主要是受二氧化碳系统控制的。缓冲能力可以用数值表示，称为缓冲容量。定义为使pH变化一个单位所需加入的酸或碱的量：
　　
　　海水的pH在6～9之间时缓冲容量最大。大洋水的pH变化主要是由CO2的增加或减少引起的。海水的缓冲容量除与CO2有关外，还与H3BO3有关。由于离子对的影响，海水的缓冲容量比淡水和NaCl溶液都要大。