Морской гидрофизический журнал. 2024; 40: 371-385
Ошибки при расчете плотности по данным CTD-зонда в субкислородном слое Черного моря
Аннотация
Цель. Целью данной работы является исследование плотности воды субкислородного слоя Черного моря двумя способами, оценка ошибок при расчете плотности стандартным способом по данным гидрофизического оборудования, сопоставление полученных результатов с другими характеристиками вод моря и анализ причин этих ошибок.
Методы и результаты. Исследование вод субкислородного слоя Черного моря провели в мае 2021 г. и октябре 2022 г. Плотность воды измеряли прецизионным лабораторным плотномером и рассчитывали по данным CTD-зонда с помощью уравнения состояния EOS-80. При отборе проб измерили значение мутности с помощью турбидиметра. В лаборатории определили концентрации главных ионов основного ионно-солевого состава исследуемых образцов способом потенциометрического титрования и оценили отличие основного ионно-солевого состава образцов от ионно-солевого состава стандартной морской воды IAPSO. Эта оценка показала, что содержание SO42- и HCO3- в среднем было выше на 0,2 и 0,6 % соответственно, K+ и Ca2+ – выше на 0,2 %, а Сl ˉ и Na+ – ниже в среднем на 0,4 и 0,3 % соответственно, чем в стандартной морской воде. Содержание Mg2+ в составе вод было близко к его содержанию в стандартной морской воде. Установили, что вертикальное распределение главных ионов в диапазоне условной плотности (σt) 15,9−16,2 кг/м3 не линейно, особенно в отношении хлоридов и сульфатов.
Выводы. В результате определения плотности вод субкислородного слоя Черного моря двумя способами и сравнения полученных значений, было установлено, что ошибки при расчете плотности по данным CTD-зонда составляют 0,05–0,2 кг/м3 и обусловлены вариациями ионно-солевого состава и присутствием большой концентрации взвеси. Градиент плотности при измерении ее плотномером приблизительно в два раза больше, чем по данным CTD-зонда.
Список литературы
1. Culkin F., Smed J. The history of Standard Seawater // Oceanologica Acta. 1979. Vol. 2, no. 3. P. 355−364.
2. Pawlowicz R. Key Physical Variables in the Ocean: Temperature, Salinity, and Density // Nature Education Knowledge, 2013. Vol. 4, iss. 4. 13.
3. An Expanded Batch-to-Batch Correction for IAPSO Standard Seawater / H. Uchida [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2020. Vol. 37, iss. 8. P. 1507–1520. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-19-0184.1
4. Pawlowicz R., Wright D. G. and Millero F. J. The effects of biogeochemical processes on oceanic conductivity/salinity/density relationships and the characterization of real seawater // Ocean Science. 2011. Vol. 7, iss. 3. P. 363–387. https://doi.org/10.5194/os-7-363-2011
5. Brewer P. G., Bradshaw A. The effect of the non-ideal composition of sea water on salinity and density // Journal of Marine Research. 1975. Vol. 33, no. 2. P. 157–175.
6. Millero F. J. Chemical Oceanography. 4th Edition. Boca Raton : CRC Press, 2013. 591 p. https://doi.org/10.1201/b14753
7. Савенко А. В., Савенко В. С., Покровский О. С. Сорбционно-десорбционная трансформация стока растворенных микроэлементов на геохимическом барьере река-море (по данным лабораторного экспериментального моделирования) // Водные ресурсы. 2021. Т. 48, № 2. С. 207–212. EDN FYQRVF. https://doi.org/10.31857/S0321059621020152
8. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Cевастополь, 2011. 212 с. EDN XPERZR.
9. Hiscock W. T., Millero F. J. Alkalinity of the anoxic waters in the Western Black Sea // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2006. Vol. 53, iss. 17–19. Р. 1787–1801. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2006.05.020
10. Виноградов М. Е., Налбандов Ю. Р. Влияние изменений плотности воды на распределение физических, химических и биологических характеристик экосистемы пелагиали Черного моря // Океанология. 1990. Т. 30, № 5. С. 769–777.
11. О природе короткопериодных колебаний основного черноморского пикноклина, субмезомасштабных вихрях и реакции морской среды на катастрофический ливень 2012 г. / А. Г. Зацепин [и др.] // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, № 6. С. 717–732. EDN RFWNHF. https://doi.org/10.7868/S0002351513060151
12. Коновалов С. К., Видничук А. В., Орехова Н. А. Пространственно-временные характеристики гидрохимической структуры вод глубоководной части Черного моря // Система Черного моря. М. : Научный мир, 2018. С. 106–119. https://doi.org/10.29006/978-5-91522-473-4.2018
13. Unexpected changes in the oxic/anoxic interface in the Black Sea / J. W. Murray [et al.] // Nature. 1989. Vol. 338. P. 411–413. https://doi.org/10.1038/338411a0
14. Concurrent activity of anammox and denitrifying bacteria in the Black Sea / J. B. Kirkpatrick [et al.] // Frontiers in Microbiology. 2012. Vol. 3. 256. https://doi.org/10.3389/fmicb.2012.00256
15. Вентиляция анаэробной зоны Черного моря по данным изотопного состава серы сульфата / А. В. Дубинин [и др.] // Доклады Академии наук. 2017. Т. 475, № 4. C. 428–434. EDN ZBEWPR. https://doi.org/10.7868/S0869565217220157
16. Верхняя граница сероводорода и природа нефелоидного редокс-слоя в водах кавказского склона Черного моря / И. И. Волков [и др.] // Геохимия. 1997. № 6. С. 618–629.
17. Surface and mid-water sources of organic carbon by photoautotrophic and chemoautotrophic production in the Black Sea / A. Yilmaz [et al.] // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2006. Vol. 53, iss. 17–19. P. 1988–2004. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2006.03.015
18. Kremling K. Relation between chlorinity and conductometric salinity in Black Sea water // The Black Sea – geology, chemistry, and biology / E. T. Degens, D. A. Ross. Tulsa, USA : American Association of Petroleum Geologists, 1974. P. 151–154.
19. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. IV : Черное море. Выпуск 2 : гидрохимические условия и океанологические основы формирования биологической продуктивности / под ред. А. И. Симонова, А. И. Рябинина, Д. Е. Гершановича ; отв. ред. Ф. С. Терзиев. СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. 219 с.
20. Pawlowicz R. A model for predicting changes in the electrical conductivity, practical salinity, and absolute salinity of seawater due to variations in relative chemical composition // Ocean Science. 2010. Vol. 6, iss. 1. P. 361–378. https://doi.org/10.5194/os-6-361-2010
21. Андрулионис Н. Ю., Завьялов П. О. Лабораторные исследования основного компонентного состава гипергалинных озер // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 1. С. 16–36. EDN PXDBFT. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-1-16-36
22. Millero F. J. History of the Equation of State of Seawater // Oceanography. 2010. Vol. 23, iss. 3. P. 18–33. https://doi.org/10.5670/oceanog.2010.21
23. Millero, F. J., Huang F. The density of seawater as a function of salinity (5 to 70 g kg−1) and temperature (273.15 to 363.15 K) // Ocean Science. 2009. Vol. 5, iss. 2. P. 91–100. https://doi.org/10.5194/os-5-91-2009
24. Kayukawa Y., Uchida H. Absolute density measurements for standard sea-water by hydrostatic weighing of silicon sinker // Measurement: Sensors. 2021. Vol. 18. 100200. https://doi.org/10.1016/j.measen.2021.100200
25. Хоружий Д. С., Овсяный Е. И., Коновалов С. К. Сопоставление результатов определения карбонатной системы и общей щелочности морской воды по данным различных аналитических методов // Морской гидрофизический журнал. 2011. № 3. С. 33–47. EDN TOESBD.
26. Kremling K. Determination of the major constituents // Methods of Seawater Analysis / Eds. K. Grasshoff, K. Kremling, M. Ehrhardt. Weinheim : WILEY-VCH, 1999. Chapter 11. P. 229–251. https://doi.org/10.1002/9783527613984.ch11
27. The composition of standard seawater and the definition of the reference-composition salinity scale / F. J. Millero [et al.] // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2008. Vol. 55, iss. 1. P. 50−72. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2007.10.001
28. An algorithm for estimating absolute salinity in the global ocean / T. J. McDougall [et al.] // Ocean Science. 2012. Vol. 8, iss. 6. P. 1123–1134. https://doi.org/10.5194/os-8-1123-2012
29. Sauerheber R., Heinz B. Temperature Effects on Conductivity of Seawater and Physiologic Saline, Mechanism and Significance // Chemical Sciences Journal. 2015. Vol. 6, iss. 4. 1000109. doi:10.4172/2150-3494.1000109
30. Стунжас П. А., Якушев Е. В. О тонкой гидрохимической структуре редокс-зоны в Черном море по результатам измерений открытым датчиком кислорода и по батометрическим данным // Океанология. 2006. Т. 46, № 5. С. 672–684. EDN HVSXTL.
31. Андрулионис Н. Ю., Завьялов И. Б., Рождественский С. А. Основной ионный состав вод Керченского пролива и прилегающих акваторий // Морской гидрофизический журнал. 2024. Т. 40, № 1. С. 87–107. EDN HEHNBE.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2024; 40: 371-385
Errors in Calculating Density Using the CTD probe data in Suboxic Layer of the Black Sea
Abstract
Purpose. The purpose of this work is to study the density of water in two ways in the suboxic layer of the Black Sea, to assess errors in calculating density using a standard method based on hydrophysical equipment data, to compare the results obtained with other characteristics of sea waters and to analyze the causes of these errors.
Methods and Results. The waters of the Black Sea suboxic layer were studied in May 2021 and October 2022. Water density was measured with a high-precision laboratory density meter and calculated from the CTD probe data using electrical conductivity by the EOS-80 equation of state. The turbidity values were measured by a turbidimeter while sampling. The concentrations of major ions of the major ion-salt composition in the studied samples were determined by a potentiometric titration, and their difference from the standard sea water IAPSO was assessed in the laboratory. The assessing procedure showed that, as compared to the standard sea water, the contents of SO42- and HCO3- were higher on average by 0.2 and 0.6%, respectively, both K+ and Ca2+ – by 0.2% , and the contents of Clˉ and Na+ were lower on average by 0.4 and 0.3%, respectively. The content of Mg2+ was close to its content in standard sea water. It was found that within the range of conditional density (σt) 15.9−16.2 kg/m3, the vertical distribution of major ions was not linear, especially in relation to chlorides and sulfates.
Conclusions. As a result of determining the density of the waters of the suboxic layer of the Black Sea in two ways and comparing the obtained values, it was found that the errors in calculating the density according to the CTD probe data amount to 0.05–0.2 kg/m3 and are due to variations in the ion-salt composition and the presence of a large suspension concentrations. The density gradient measured by a density meter is approximately twice as large as that measured by a CTD probe.
References
1. Culkin F., Smed J. The history of Standard Seawater // Oceanologica Acta. 1979. Vol. 2, no. 3. P. 355−364.
2. Pawlowicz R. Key Physical Variables in the Ocean: Temperature, Salinity, and Density // Nature Education Knowledge, 2013. Vol. 4, iss. 4. 13.
3. An Expanded Batch-to-Batch Correction for IAPSO Standard Seawater / H. Uchida [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2020. Vol. 37, iss. 8. P. 1507–1520. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-19-0184.1
4. Pawlowicz R., Wright D. G. and Millero F. J. The effects of biogeochemical processes on oceanic conductivity/salinity/density relationships and the characterization of real seawater // Ocean Science. 2011. Vol. 7, iss. 3. P. 363–387. https://doi.org/10.5194/os-7-363-2011
5. Brewer P. G., Bradshaw A. The effect of the non-ideal composition of sea water on salinity and density // Journal of Marine Research. 1975. Vol. 33, no. 2. P. 157–175.
6. Millero F. J. Chemical Oceanography. 4th Edition. Boca Raton : CRC Press, 2013. 591 p. https://doi.org/10.1201/b14753
7. Savenko A. V., Savenko V. S., Pokrovskii O. S. Sorbtsionno-desorbtsionnaya transformatsiya stoka rastvorennykh mikroelementov na geokhimicheskom bar'ere reka-more (po dannym laboratornogo eksperimental'nogo modelirovaniya) // Vodnye resursy. 2021. T. 48, № 2. S. 207–212. EDN FYQRVF. https://doi.org/10.31857/S0321059621020152
8. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Cevastopol', 2011. 212 s. EDN XPERZR.
9. Hiscock W. T., Millero F. J. Alkalinity of the anoxic waters in the Western Black Sea // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2006. Vol. 53, iss. 17–19. R. 1787–1801. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2006.05.020
10. Vinogradov M. E., Nalbandov Yu. R. Vliyanie izmenenii plotnosti vody na raspredelenie fizicheskikh, khimicheskikh i biologicheskikh kharakteristik ekosistemy pelagiali Chernogo morya // Okeanologiya. 1990. T. 30, № 5. S. 769–777.
11. O prirode korotkoperiodnykh kolebanii osnovnogo chernomorskogo piknoklina, submezomasshtabnykh vikhryakh i reaktsii morskoi sredy na katastroficheskii liven' 2012 g. / A. G. Zatsepin [i dr.] // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2013. T. 49, № 6. S. 717–732. EDN RFWNHF. https://doi.org/10.7868/S0002351513060151
12. Konovalov S. K., Vidnichuk A. V., Orekhova N. A. Prostranstvenno-vremennye kharakteristiki gidrokhimicheskoi struktury vod glubokovodnoi chasti Chernogo morya // Sistema Chernogo morya. M. : Nauchnyi mir, 2018. S. 106–119. https://doi.org/10.29006/978-5-91522-473-4.2018
13. Unexpected changes in the oxic/anoxic interface in the Black Sea / J. W. Murray [et al.] // Nature. 1989. Vol. 338. P. 411–413. https://doi.org/10.1038/338411a0
14. Concurrent activity of anammox and denitrifying bacteria in the Black Sea / J. B. Kirkpatrick [et al.] // Frontiers in Microbiology. 2012. Vol. 3. 256. https://doi.org/10.3389/fmicb.2012.00256
15. Ventilyatsiya anaerobnoi zony Chernogo morya po dannym izotopnogo sostava sery sul'fata / A. V. Dubinin [i dr.] // Doklady Akademii nauk. 2017. T. 475, № 4. C. 428–434. EDN ZBEWPR. https://doi.org/10.7868/S0869565217220157
16. Verkhnyaya granitsa serovodoroda i priroda nefeloidnogo redoks-sloya v vodakh kavkazskogo sklona Chernogo morya / I. I. Volkov [i dr.] // Geokhimiya. 1997. № 6. S. 618–629.
17. Surface and mid-water sources of organic carbon by photoautotrophic and chemoautotrophic production in the Black Sea / A. Yilmaz [et al.] // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2006. Vol. 53, iss. 17–19. P. 1988–2004. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2006.03.015
18. Kremling K. Relation between chlorinity and conductometric salinity in Black Sea water // The Black Sea – geology, chemistry, and biology / E. T. Degens, D. A. Ross. Tulsa, USA : American Association of Petroleum Geologists, 1974. P. 151–154.
19. Gidrometeorologiya i gidrokhimiya morei SSSR. T. IV : Chernoe more. Vypusk 2 : gidrokhimicheskie usloviya i okeanologicheskie osnovy formirovaniya biologicheskoi produktivnosti / pod red. A. I. Simonova, A. I. Ryabinina, D. E. Gershanovicha ; otv. red. F. S. Terziev. SPb. : Gidrometeoizdat, 1992. 219 s.
20. Pawlowicz R. A model for predicting changes in the electrical conductivity, practical salinity, and absolute salinity of seawater due to variations in relative chemical composition // Ocean Science. 2010. Vol. 6, iss. 1. P. 361–378. https://doi.org/10.5194/os-6-361-2010
21. Andrulionis N. Yu., Zav'yalov P. O. Laboratornye issledovaniya osnovnogo komponentnogo sostava gipergalinnykh ozer // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2019. T. 35, № 1. S. 16–36. EDN PXDBFT. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-1-16-36
22. Millero F. J. History of the Equation of State of Seawater // Oceanography. 2010. Vol. 23, iss. 3. P. 18–33. https://doi.org/10.5670/oceanog.2010.21
23. Millero, F. J., Huang F. The density of seawater as a function of salinity (5 to 70 g kg−1) and temperature (273.15 to 363.15 K) // Ocean Science. 2009. Vol. 5, iss. 2. P. 91–100. https://doi.org/10.5194/os-5-91-2009
24. Kayukawa Y., Uchida H. Absolute density measurements for standard sea-water by hydrostatic weighing of silicon sinker // Measurement: Sensors. 2021. Vol. 18. 100200. https://doi.org/10.1016/j.measen.2021.100200
25. Khoruzhii D. S., Ovsyanyi E. I., Konovalov S. K. Sopostavlenie rezul'tatov opredeleniya karbonatnoi sistemy i obshchei shchelochnosti morskoi vody po dannym razlichnykh analiticheskikh metodov // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2011. № 3. S. 33–47. EDN TOESBD.
26. Kremling K. Determination of the major constituents // Methods of Seawater Analysis / Eds. K. Grasshoff, K. Kremling, M. Ehrhardt. Weinheim : WILEY-VCH, 1999. Chapter 11. P. 229–251. https://doi.org/10.1002/9783527613984.ch11
27. The composition of standard seawater and the definition of the reference-composition salinity scale / F. J. Millero [et al.] // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2008. Vol. 55, iss. 1. P. 50−72. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2007.10.001
28. An algorithm for estimating absolute salinity in the global ocean / T. J. McDougall [et al.] // Ocean Science. 2012. Vol. 8, iss. 6. P. 1123–1134. https://doi.org/10.5194/os-8-1123-2012
29. Sauerheber R., Heinz B. Temperature Effects on Conductivity of Seawater and Physiologic Saline, Mechanism and Significance // Chemical Sciences Journal. 2015. Vol. 6, iss. 4. 1000109. doi:10.4172/2150-3494.1000109
30. Stunzhas P. A., Yakushev E. V. O tonkoi gidrokhimicheskoi strukture redoks-zony v Chernom more po rezul'tatam izmerenii otkrytym datchikom kisloroda i po batometricheskim dannym // Okeanologiya. 2006. T. 46, № 5. S. 672–684. EDN HVSXTL.
31. Andrulionis N. Yu., Zav'yalov I. B., Rozhdestvenskii S. A. Osnovnoi ionnyi sostav vod Kerchenskogo proliva i prilegayushchikh akvatorii // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2024. T. 40, № 1. S. 87–107. EDN HEHNBE.
