научная статья по теме ВОЗМОЖНОСТИ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА В РЕДОКС ЗОНЕ ЧЕРНОГО МОРЯ В СРАВНЕНИИ С ДРУГИМИ МЕТОДАМИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВОЗМОЖНОСТИ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА В РЕДОКС ЗОНЕ ЧЕРНОГО МОРЯ В СРАВНЕНИИ С ДРУГИМИ МЕТОДАМИ»

ОКЕАНОЛОГИЯ, 2013, том 53, № 4, с. 558-568

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ^^^^^^^^^^^^^^ ИССЛЕДОВЛНИЙ

УДК 551.465

ВОЗМОЖНОСТИ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА В РЕДОКС ЗОНЕ ЧЕРНОГО МОРЯ В СРАВНЕНИИ С ДРУГИМИ МЕТОДАМИ

© 2013 г. П. А. Стунжас1, В. Е. Мошаров2, В. Н. Радченко2

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: pastunzhas@mail.ru 2Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского, Жуковский Поступила в редакцию 05.06.2012 г., после доработки 25.10.2012 г.

В июле 2008 г. на Черном море сравнивались разные методы измерения низких концентраций кислорода: традиционный метод Винклера и датчики электрохимические (мембранный и безмембранный) и фотолюминесцентные 2-х модификаций. Наилучшие результаты: совпадение данных между собой, возможность разрешать тонкую структуру распределения кислорода и отсутствие слоя сосуществования кислорода и сероводорода, показали безмембранный датчик, использующийся на Черном море с 1999 г., и отечественный фотолюминесцентный датчик. Последний имеет хорошие технические характеристики: высокую чувствительность к кислороду и полную инертность к сероводороду, возможность калибровки в газовой среде, сравнительно малую постоянную времени (5—6 с). Для динамической коррекции его данных в режиме зондирования предложена формула, в значительной степени устраняющая гистерезис показаний на спуске и подъеме. Показано, что выше слоя сероводорода в субвосстановительной зоне Черного моря концентрация кислорода не превышает 0.02 мкМ.

DOI: 10.7868/S0030157413040151

ВВЕДЕНИЕ

Проблема измерения низких концентраций кислорода (О2) стала остро осознаваться после американо-турецкой экспедиции в Черное море (ЧМ) на НИС "Кнорр" в 1988 г., результаты которой [13] противоречили более ранним представлениям. До этого рейса почти все исследователи ЧМ принимали за истину результаты старых измерений О2 по методу Винклера (точность измерений 3 мкМ [4]), в которых было установлено, что вертикальные распределения О2 и H2S пересекаются, образуя так называемый слой сосуществования или С-слой, средняя толщина которого составляет примерно 30 м [3, 5]. Измерения же низких концентраций О2 в рейсе, проведенные по новой, так называемой микрошприцевой модификации метода Винклера, были интерпретированы таким образом: в ЧМ между оксиклином и началом сероводородной зоны лежит некий субкислородный слой (suboxic layer), в котором содержание О2 и H2S не превышает 1мкМ, причем одновременно было заявлено, что нижний предел реальной точности измерения О2 составляет 10 мкМ [13, 15].

После упомянутого рейса началась проверка полученных в нем результатов, особенно тщательно она проводилась в МГИ в 1990—1993 гг., итоги которой изложены в книге [1]. Вкратце они состоят в следующем. Применявшееся ранее

предохранение проб от атмосферного кислорода было не очень хорошим, что завышало низкие концентрации О2. Но более интересным было то, что даже при отборе и анализе проб в атмосфере аргона метод Винклера показывал существование растворенного в воде О2 во всем слое воды ниже оксиклина вплоть до и даже ниже границы появления H2S. Другими словами, эти измерения показывали наличие С-слоя, хотя и уменьшенной толщины до 0—10 м, но не его полное исчезновение. Позднее стало ясно, что эти результаты были ошибочными, так как в них не учитывалось присутствие в редокс зоне ЧМ окисленных соединений марганца, которые завышают определения О2 методом Винклера [10].

Однако в 1993 г. наличие С-слоя небольшой толщины получалось и при измерениях кислорода in situ при помощи электрохимических мембранных датчиков О2 (в [1] они показаны на рис. 31 и 34). В этом случае, по нашему мнению, также имело место завышение результатов измерения из-за не учета инерционности и других особенностей таких датчиков, как это будет показано ниже.

Совсем другие результаты по распределению О2 в редокс зоне ЧМ были получены при использовании электрохимического безмембранного датчика (БД) О2, которое началось в 1999 г. [7]. В таком датчике электролитом является сама мор-

100

110

120

5 130 я

t 140 £

150 160 170 180

1

(а)

f

_ х"2

□ Я

V * ¥

1

*

t -t 'К *

т %

н

10

20

O2, мкМ

30

8 12 H2S, мкМ

16

40

90

100

110

120 м

£3 130 Я

t 140 £

150 160 170 180

(б)

0.4

0.8

O2, мл/л _i_1_

1.2

20

10

15

20

_I

1.6

_I

25

H2S, мкМ

0

0

5

Рис. 1. Распределение кислорода и сероводорода: (а) — полученное 8.07.2008 г. при шланговом отборе проб, начиная с горизонта 174 м, (б) — полученное 16.07.2008 г.

1 — О2 по методу Винклера, 2 — О2 по данным оптода Ааш!егаа (а) или по данным ФЛД (б), 3 — Н^.

ская вода [11], и благодаря отсутствию изолирующей пленки, он не адсорбирует в себе кислород и является практически безынерционным по быстродействию, хотя приобретает и некоторые недостатки (см. Методы). Этот метод показал, что, в отличие от данных [15], О2 присутствует ниже окончания оксиклина, но пропадает на 10—15 м выше границы сероводорода, так как там сигнал датчика падает до нулевых значений и глубже уже не меняется. Более того, так найденная нижняя граница распространения О2 совпала с началом глубинного максимума мутности воды, что говорило о расходовании О2 на окисление восстановленного марганца. Позже это положение было доказано количественно [9]. Таким образом, использование БД в [7] позволило впервые при измерениях in situ доказать не только отсутствие С-слоя, но и наличие слоя воды, в котором отсутствует как О2, так и H2S. Стало ясно, что сделанный ранее в [15] вывод, что во всем suboxic layer, располагающемся между оксиклином и зоной H2S, содержание О2 не превышает 1 мкМ, мог быть сделан только из-за того, что примененный в рейсе НИС "Кнорр" метод измерения О2 имел пониженную чувствительность, т.е. без достаточного обоснования. Теперь, особенно после работы [10], стало очевидным, что при использовании метода Винклера получить отсутствие С-слоя практически невозможно.

Позже найденные в [7] особенности распределения О2 в редокс зоне ЧМ — отсутствие С-слоя,

наличие слоя воды, в котором не регистрируются ни О2, ни H2S, а также близость нижней границы О2 и верхней — восстановленного марганца, были подтверждены при измерениях in situ вольтампе-рометрическим методом в рейсе НИС "Кнорр" в 2001 г. Они были доложены на конференции в 2003 г. [14], и опубликованы в 2006 г. [12] и теперь широко цитируются в западной литературе, хотя работа этим методом в зондирующем режиме технически сложна (см. Методы), а объем, и качество полученных данных были сравнительно малы.

Уже при получении первых результатов в [7] стало очевидным, что сам термин субкислородный слой, введенный по измерениям с пониженной чувствительностью, является малоинформативным, так как может обозначать только слой воды, в котором концентрация О2 ниже 10 мкМ. Поэтому автором [7] в соответствии с химическими, точнее микробиологическими процессами, которые могли бы образовать найденное распределение О2 ниже оксиклина, было предположено существование в ЧМ субокислительной и субвосстановительной зон: в первой кислород присутствует, но не расходуется на окисление органики, а во второй с точностью имевшихся на тот момент измерений он отсутствует. В последующих работах с использованием БД [8, 9] эти особенности распределения О2 были подтверждены и показано, что они хорошо коррелируют с распределением как физических, так и химических (рН, Мп2+, аммиак и др.) параметров. Правда, отсутствие не-

св Я

и

ю ^

ч

1-ч

40

80

120

160

200

(а)

а

я

и

ю ^

4 6 8 Кислород, мл/л

40

80

120

160

200

(б)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Кислород, мл/л

14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 Плотность, кг/м3

16.5

4 6 Кислород, мл/л

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Кислород, мл/л

_|_I_1_

7.6 7.8 8.0 8.2

Температура, °С

8.4

8.6

Рис. 2. Распределение кислорода по ФЛД и по мембранному датчику 8ВЕ-43 при спуске и подъеме. (а) — без коррекции, (б) — с динамической коррекцией. 1 — данные ФЛД в слое 0—200 м, 2 — то же для 8ВЕ-43, 3 — нижняя часть профиля ФЛД при увеличении масштаба в 20 раз, 4 — то же для 8ВЕ-43, 5 — показатель воспроизводимости гидрофизических данных: на рис. (а) — профиль плотности, на рис. (б) — профиль температуры на спуске и подъеме.

0

0

0

0

а н и

б у

20

40

60

80

100

120

140

160

(а)

13.5 14.0

14.5 15.0 15.5 Плотность, кг/м3

20

40

60

80

^ 100

120

140

16.0 16.5

160

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Кислород (БД), отн. ед.

1_I_I_I_I_I_I

20 40 60 80 100 Кислород (ФЛД), % насыщения

120

(б)

13.5 14.0

14.5 15.0 15.5 Плотность, кг/м3

16.0 16.5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Кислород (БД), отн. ед.

1_I_I_I_I_I_I

20 40 60 80 100 Кислород (ФЛД), % насыщения

120

Рис. 3. Сравнение данных БД и ФЛД: (а) — ст. 16.1, (б) — ст. 16.2.

1 — распределение плотности, 2 — сигнал БД на спуске, 3 — сигнал ФЛД (сенсор №2, данные на спуске после введения динамической коррекции).

0

0

(а)

0 1000 2000 3000 4000 5000 Парциальное давление кислорода по БД, отн. ед.

1_I_I_I_I_I_I_I

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Степень насыщения воды кислородом по ФЛД

0

V 1

40

а

s 80

ю

120

160 L

14.0 14.5 15.0 15.5

Плотность, кг/м3

16.0

(б) _I_

0 1000 2000 3000 4000 5000 Парциальное давление кислорода по БД, отн. ед.

1_I_I_I_I_I_I_I

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Степень насыщения воды кислородом по ФЛД 0

40

а н

s

б

£

80

16.5

120

160

0 100 200 300 400

Парциальное давление кислорода по БД, отн. ед.

I_I_I_I_I

0 0.02 0.04 0.06 0.08

Степень насыщения воды кислородом по ФЛД

Рис. 4. Сравнение профиля О2 на ст. 19.1 по данным БД (они коррекции не требуют) и данным ФЛД. (а) — первичные данные ФЛД, т.е. без коррекции на влияние температуры и запаздывание, (б) — с коррекцией. 1 — профиль О2 по БД на спуске, (2', 2", 2) — по ФЛД на спуске, на подъеме и совмещение этих профилей после коррекции по 21 точке, соответственно, (шкалы вверху), 3 — нижняя часть профиля О2 по БД при увеличении масштаба в 17.5 раза, 4 — то же по ФЛД при подъеме, коррекция по 2-м точкам (шкалы снизу). На рис. (а): 5 — профиль плотности, как и на рис. 2 (а).

1

посредственно

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком