|
해수는 다양한 종류의 무기질과 유기질염류가 녹아있는 수용액이며, 해수 중의 물질들은 태초에 지구가 생성될 때 태고의 대기와 지구의 암석, 가스 및 우주먼지에 의해 생성되었다고 한다.
해수 중에 용해되어 원소들은 약 60여종이 있으며, 이중 11개의 주요성분이 약 99.9%로 구성되고, 나머지는 기타 미량의 성분으로 되어있다.
3-1. 해수의 성분
1) 주요성분(主要成分; Major constituents)
주요성분은 대부분 이온상태로 존재하지만 일부는 황산염, 중탄산염, 바륨산염의 형태로 되어있다.
<해수의 주요성분>
이온 기호 자유이온 전체 주요성분에 대한 중량비 |
+이온 Cations 나트륨 Sodium Na+ 99 30.62 마그네슘 Magneshim Mg2+ 87 3.68 칼슘 Calcium Ca2+ 91 1.18 칼륨 Potassium K+ 99 1.10 스트론튬 Strontium Sr2+ 90 0.02 -이온 Anions 염소 Chloride Cl- 100 55.07 황산염 Sulfate SO42- 50 7.72 중탄산염 Bicarbonate HCO2- 67 0.40 부로마이드 Bromide Br- 100* 0.19 바륨산 Brate H2BO3- 10* 0.01 불소 Fluoride F- 100* 0.01 100.00 |
2) 미량성분(미량성분; Minor constituents or Trace elements)
해수 중에는 1ppm 이하의 적은 미량의 성분 들이 녹아있다. 자유이온, 쌍이온 상태로 있는것도 있지만 대부분이 유기화합물로 존재하며, 일부는 수산화물, 염화물 또는 불화복합물로 되어있다.
인공적인 해양수족관에 사용할 인공의 해수를 만들 때 주요성분과 영영염의 농도를 정확하게 맞출수는 있지만, 혼합물인 이 미량성분 이온농도를 정확하게 조절하기가 어려워 해양생물이 생존하기가 매우 어럽다. 이와같이 비록 미량이지만 미량성분들이 해양환경을 적절하게 유지하기 위해 매우 중요함을 알 수 있다.
<해수의 미량성분>
원소 기호 농도 |
원소 기호 농도 |
리튬 Lithium Li 170ppb* 루비듐 Rubidium Rb 120 옥소 Iodine I 60 바륨 Barium Ba 30 인듐 Indium In 20 아연 Zinc Zn 10 철 Iron Fe 10 알루미늄 Aluminum Al 10 몰리브덴 Molybdenum Mo 10 셀레늄 Selenium Se 0.4 주석 Tin Sn 0.4 동 Copper Cu 3 비소 Arsenic As 3 우라늄 Uranium U 3 니켈 Nickel Ni 2 반듐 Vandium V 2 망간 Manganese Mn 2 티타늄 Titanium Ti 1 안티몬 Antimony Sb 0.5 코발트 Coablt Co 0.1 세슘 Cesium Cs 0.5 |
세륨 Cerium Ce 0.005ppb* 이트륨 Yttrium Y 0.3 은 Silver Ag 0.04 란타늄 Lanthanum La 0.01 카드뮴 Cadmium Cd 0.1 텅스텐 Tungsten W 0.1 게르마늄 Germanium Ge 0.06 크롬 Chromium Cr 0.05 토륨 Thorium Th 0.05 스칸듐 Scandium Se 0.04 연 Lead Pb 0.03 수은 Mercury Hg 0.03 갈륨 Gallium Ga 0.03 비스무트 Bismuth Bi 0.02 니오븀 Niobium Nb 0.01 탈륨 Thallium Tl <0.01 금 Gold Au 0.004 프로토엑티늄 Protoactinium Pa 2x10-6 라듐 Radium Ra 1x10-7 지구 Rare Earth 0.003-0.0005 |
ppm (part per million: 백만분의 1)
*ppb (part per billion: 10억분의 1)
3) 영양염류(영양염류)와 유기화합물(유기화합물)
영양염류는 질산염(NO3--), 인산염(PO4--) 및 규산염(SiO3--)으로 존재한다. 이 영양염이온들은 바다의 비료로서 역할을 하게되며, 식물의 성장에 필요하다. 소량으로 존재하는 유기화합물은 용해된 분자 및 콜로이드 상태로 나타나며, 이 유기화합물은 탄수화물, 단백질, 분해생성물, 지방물질, 비타민, 식물성장호르몬 및 분해생성물 등 복잡한 반응에 의해 형성된 대사물질들이다.
특히 지방산은 해저의 저질(뻘)과 상호작용에 의해 신속하게 Kerogen을 형성하며, 이 Kerogen은 비교적 비활성적인 복합물로서 서서히 원유를 내포하는 화합물을 생산한다.
다음의 표는 해수에 용해된 영양염이온의 평균농도를 나타낸다. 해수에 녹아있는 영양염 중 실리콘과 탄소의 농도가 매우 높다. 그리고 생물체중, 침전물, 유기물에서의 영양염성분비를 보면 오래된 침전물에 탄소와 질소의 성분비가 높다.
따라서 저질에 영양염류가 많이 있으므로 연안양식에서 저질이 매우 중요한 작용을 할 수 있다.
<해수 중 용해된 영양염이온의 평균농도>
용해물질 농도 |
질소 Nitrogen 500ppb 인 Phosphorus 70 실리콘 Silicon 3,000 탄소 Carbon 1,000-10,000 |
<영양염성분의 비(원자단위)>
원 소 산소 탄소 질소 |
생물체중의 이론비 276 106 16 최근에 퇴적된 유기물 침전물중의 비 96 16 오랜 침전물중의 비 192 16 해수중에 용해된 유기물 에서 측정된 비 32 16 |
3-2. 해수의 염분(Salinity of Sea Water)
1) 해수의 염분(鹽分; Salinity)의 정의:
해수 1Kg 중에 녹아있는 총염류의 양을 g수로 나타낸 것(0/00: Permilli(퍼밀리); 천분율)을 말한다.
즉 해수 중의 모든 탄산염(Carbonate)을 산화물(Oxide)로 바뀌고, 취소(Bromine)와 옥소(Iodine)가 염소(Chlorine)으로 취환되거나 또 모든 유기물(Organic matter)이 완전히 산화(Oxidize)될려고 할 때 해수 1kg 속에 녹아있는 고체물질들의 총량을 말한다.
<해수 중에 들어있는 주요한 염류들의 양>
염(鹽) 화학식 염분 (1,000에 대한) |
염화나트륨 Nacl 27.21 염화마그네슘 MgCl2 3.81 황산마그네슘 MgSO4 1.66 황산칼슘 CaSO4 1.26 황산칼륨 K2SO4 0.86 탄산칼슘 CaCO3 0.12 브롬마그네슘 MgBr2 0.08 ------------------------------------------ 합계 35.00 |
2) 해수의 염분도(Salibity) 표시
해수의 34.698g/kg를 34.6980/00로 표시한다.
홍해의 염분은 400/00, 북해 330/00 이고 전 해수의 평균염분은 350/00정도 이다. 해양의 75% 범위에서 염분도 범위가 34.500/00 - 35.000/00에 있다. 태평양에서는 해수의 반이 34.60/00 - 34.70/00에 있고, 깊은 태평양에서는 300S에서 34.700/00, 400N에서 34.670/00`인 0.030/00 정도 차이로 작지만, 수괴(Water mass)가 고염에서 저염해역인 북쪽으로 이동하여 해수순환을 일으킨다.
따라서 강하구가 있는 연안에서 해수의 염분도의 차이에 의한 해수순환이 생기므로, 염분도의 정확한 측정이 매우 중요하다.
3) 해수 성분 상대비의 일정법칙
외양수의 화학적 조성은 일정하기 때문에 해수의 주요염류는 항시 일정한 비를 갖는다.
따라서 해수의 염분을 알기 위해서는 주요성분 중 하나의 농도만을 측정하면 된다(질산은측정법에 의한 염소량측정). 염소량(Cl; Chlorinity)은 취소, 옥소 등 할로겐 원소를 염소로 바꾸었을 때 해수 1kg 중에 존재하는 염소의 전량을 gr수로 표시한 것이다.
(참고: 영국군함 Challenger호(1872-1876)가 전대양의 77곳에서 채집한 해수표본을 분석한 결과 해수 중의 각 염류의 조성비율이 해양 어디에서나 일정함을 발견)
4) 염분공식
염분(S)과 염소량(Cl)과의 관계식(Knudsen, Forch, Sprensen; 1901, 1902 이후):
S0/00 = 0.03 x 1.805 Cl0/00 |
정밀전기전도도측정법에 의한 실험식(1955년 이후):
S0/00 = 1.80655 Cl0/00 |
(참고: CTD와 같은 최신의 측정기에 의한 측정오차범위는 0.0030/00 정도로 매우 정확하게 측정된다.)
5) 염소도(鹽素度; Chlorosity; Cl0)
해수의 온도가 200C일 때 해수 1리터 중에 포함되어 있는 총염소를 gr수로 표시한 것을 말한다.
Cl0(gr/l) = Cl(0/00) x 200C의 해수의 밀도 |
<해수와 하천수의 염류량의 비율>
염 류 해수 하천수 |
염화물 88.64% 5.2% 황화물 10.80% 9.9% 탄산염 0.34% 60.1% 기타 0.22% 24.8% |
3-3. 해수 중의 용존기체
해양은 대기와 직접 접촉하고 있으므로 대기 중의 기체가 자유롭게 해양으로 용해되어 들어갈 수 있고, 해수에 녹아있는 용존기체들이 해수의 증발에 의해 대기로 들어 갈 수 있다. 이때 수압의 증가, 염분의 감소, 수온의 하강은 해면에 들어온 기체의 용해를 증가시킨다. 또한 해수 중에 있는 식물, 플랑크톤과 박테리아에 의해 용존기체 들의 농도가 크게 좌우된다.
대기의 주요구성원소는 질소(78%), 산소(21%), 아르곤(0.9%), 이산화탄소(0.03%), 수증기와 소량의 기체(Neon, Kryton, Helium, Radon, Xenon) 들이다.
해수 중에 녹아 있는 기체는 산소(O2), 질소(N2), 이산화탄소(CO2) 등이며, 대기 이외에서 기인한 용존기체량는 매우 적은 양인데, 해저로부터 용존질소이온에 박테리아가 작용하여 약간의 질소가 형성되고, 아르곤, 칼륨, 라듐, 우라늄 등의 원소들은 방사능감쇄의 생성물이다.
1) 산소(酸素; Oxygen; O2)
해면에서 대기와의 접촉에 의한 산소의 진입과 식물의 광합성작용을 통한 산소의 방출에 의해 용존산소량(DO; Dissolved Oxygen)이 포화상태가 되며, 광합성작용이 최대일 때 해수 중의 산소가 과포화상태가 된다. 해수면에서는 표준기압(1000mb; 1기압)하에서 해수 중의 용존산소량의 포화치는 염소량과 수온에 따라 달라진다.
해수면에서의 용존산소량은 표면수와 기포의 혼합, 광합성생성물 (예, 식물성플랑크톤 수의 증가)에 의해 유지되며, 수심이 깊을수록 동물(고기, 동물성플랑크톤 등)의 호흡, 유기물의 분해가 산소를 소모시켜 용존산소량이 감소한다. 용존산소는 수심에 따라 감소하며, 약 700m 수심에서는 최소치를 나타낸다.
그러나 800m 이하 수심의 저층수의 용존산소량이 중층수 보다 약간 증가하는데 이것은 최근까지의 표층수가 저층으로 이동하여 저층수를 형성하게 되었기 때문이다.
해수 중의 유기물질의 분해작용은 산소의 농도에 좌우되므로, 용존산소량이 많으면 해수의 청정도가 높다(예; 7ml(약 7ppm)상태는 매우 청청한 해수이며, 1ml(약 1ppm)은 매우 부패된 해수다).
(참고)
COD(Chemical Oxygen Demand; 화학적 산소요구량) 은 오염된 물을 화학적으로 분해하는데 필요한 산소량을 나타낸다. 따라서 DO와 반대로 나타낸다. 즉 DO 값이 7ppm이상의 청정수이면, COD는 1ppm이하로 나타난다.
2) 질소(窒素; Nitrogen; N2)
해수 중의 용존질소의 분포는 온도, 염분, 해류의 혼합에 의해 좌우된다. 질소는 비교적 불활성 기체로서 해수 중의 농도는 8ml/l - 15ml/l 정도 인데, 해수가 대기 중의 질소에 의해 포화된 상태에서 있을 수 있는 농도이다. 해수의 질소순환은 유기체와도 관련이 있는데 특히 해조가 대기 중의 질소를 결합하는 능력이 있기 때문이다.
3) 이산화탄소(二酸化炭素; Carbon Dioxide; CO2)
식물과 동물은 호흡시에 이산화탄소를 방출하고, 식물은 광합성작용시에 이를 흡수한다. 해수 중에 용해된 이산화탄소는 이산화탄소, 수소이온, 탄산염이온, 중탄산염이온, 퇴적물 중의 고체탄산칼슘 사이에 평형상태가 성립한다.
생물학작용은 해수 중의 이산화탄소 양을 변화시키지 못한다. 과잉이 생기면 탄산칼슘이 용해되고, 부족하면 탄산칼슘이 침전하는 반응(탄산원형계통)을 하며, 해수에 용해된 이탄화탄소의 양을 일정하게 45 - 54ml/l을 유지하게 한다.
대기 중의 이산화탄소는 대양수(大洋水; Ocean)에 용해된다. 이것은 수온과 염분에 의해 용해력에 차이가 있다. 해수에는 막대한 양의 용해CO2, 탄산염이온, 원형질, 고형의 탄산염을 내포하고 있어, 대기중의 이산화탄소 양이 이로 인해 조절된다.
대기 중의 이산화탄소는 태양의 복사에너지를 통과시키고, 지구로부터 나오는 장파복사에너지를 흡수하여 지구의 지표 부근의 기온을 일정하게 높혀주는 온실효과를 유발하는 중요한 기체이므로 기온의 상승에 매우 중요하다. 대기의 이산화탄소에 흡수된 열이 대부분은 대양에 저장된다. 따라서 대기와 해수 중의 이산화탄소량의 균형이 이루워지게 되고, 평균온도도 년중 어느 정도 일정하게 유지된다. 이 균형은 대기의 온도를 조절하게 되고, 대기 중의 수증기의 양을 조절되므로, 결국 해수의 증발량과 대기로 부터의 강수량를 조절하게 된다.
이산화탄소는 대류와 확산에 의해 분포되며, 또한 해수표면과 해저를 통한 교환 및 생화학적 반응에 좌우된다.
<용존이산화탄소의 수직분포>
4) 산소동위원소(酸素同位元素; Oxygen Isotopes)
산소의 안정상동위원소 O16은 일반동위원소 O16보다 큰 질량을 갖이며, 보다 불활성이다. 이것은 생화학반응시에 분리되어 유기체는 해수 중에서보다 적은 O18/O16의 비를 갖는다. 온도가 높고 무거운 동위원소는 더 불활성이므로 O18/O16 비는 온도에 따라 증가한다. 고대 해양유기체에서 O18/O16 비는를 시험하여 해수의 고대온도를 탐지하는데 이용하기도 한다.
5) 귀중한 기체(Noble gases)
귀중한 기체는 비활성인 기체들이며, He, Ne, Ar, Krypton, Xenon, Ra는 대기로부터 해수로 용해된다. 한번 용해되면 해면으로부터 혼합되어 멀리 이동하게 된다. 이 기체들은 확산과 대류에 의해서만 분포하는데 비교적 비활성이므로 생화학적 반응에 개입하지 않기 때문이다.
< 잠수정에 의한 수중탐사>
<예제 1> 해수 중에 녹아 있는 주요성분 중 가장 많은 양을 나타내는 것 2개를 설명하 시오.
<예제 2> 해수 중 용해된 영양염이온의 평균농도를 나타내고, 이들의 중요성과 주로 어디에
분포되어 있는가를 설명하시오.
<예제 3> 해수 중의 용존기체 중 산소와 탄산가스의 순환에 대해 설명하시오.