Гидрохимия Байкала.

Основными особенностями химического состава байкальских вод являются постоянство содержания главных ионов, низкая концентрация биогенных элементов и органического вещества, а также высокое насыщение воды кислородом.

Главные ионы. К главным ионам, определяющим минерализацию и ионный состав воды, относятся гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды, ионы кальция, магния, натрия и калия.

Воды Байкала по классификации О.А. Алекина относятся к слабоминерализованным гидрокарбонатно-кальциевым водам первого типа. Суммарная концентрация раство ренных в воде солей составляет около 100 мг/л. Еще в середине прошлого столетия Вотинцев указывал на постоянство концентрации главных ионов по акватории, по глубине и по сезонам года. Это подтверждено и в настоящее время при исследовании Байкала с применением таких методов анализа, как ионная хроматография и плазменная атомноабсорбционная спектрофотометрия. Изменения содержания главных ионов по глубине и по котловинам озера современный химический анализ не выявляет. Средняя концентрация главных ионов в воде глубоководной части озера представлена в таблице 2.4.

Нарушения постоянства содержания главных ионов отмечается локально – вблизи наиболее крупных притоков озера, где концентрация главных ионов в водах рек может быть выше (р. Селенга, р. Баргузин и др.) или ниже их значений в открытом озере (реки северной оконечности, реки Хамар-Дабана).

В отличие от ионного состава содержание кислорода, биогенных элементов и органического вещества в воде Байкала имеет ярко выраженную вертикальную стратификацию и закономерную сезонную, а также суточную динамику. Временная изменчивость концентрации биогенных элементов и кислорода обусловлена биологическими процессами и динамикой водных масс озера.

Кислород. Кислород в воде находится в виде растворенных молекул. Обогащение воды кислородом происходит в результате поглощения его из атмосферы и выделением водной растительностью при фотосинтезе. Кислород потребляется на разложение органического вещества, расходуется на дыхание водных организмов, окисление минеральных соединений, а также выделяется в атмосферу в случае пересыщения воды кислородом. Соотношение между процессами потребления и обогащения определяет величину содержания кислорода в воде водоема.

Одна из уникальных особенностей озера Байкал – высокая концентрация кислорода в воде на всех глубинах. Содержание его изменяется в среднем от 9 до 14,5 мг О₂/л. Насыщение воды кислородом меняется от 85 до 100%, в периоды интенсивного развития фитопланктона достигает 105–115%, а в придонной области не опускается ниже 75%. Основными факторами, определяющими динамику содержания кислорода, являются жизнедеятельность фитопланктона, круговорот органического вещества и температурный режим. Величина О₂ максимальна у поверхности и снижается с глубиной (рис. 2.5.). В летний и ранний осенний периоды максимум концентрации может быть смещен в более глубокие слои (до 25–50 м), что связано как с угнетением водорослей солнечной радиацией, так и выделением его в атмосферу при прогреве поверхностной воды.

Сезонные изменения содержания кислорода отмечаются лишь в верхнем 100–200-метровом слое воды (рис. 2.5.). Для сезонной динамики кислорода характерны два максимума. Зимний (до 14,5 мг О₂/л) приурочен к периоду интенсивного подледного развития водорослей в марте–апреле. Летний максимум (август–начало сентября) обычно меньше по величине. В периоды осенней и весенней гомотермии концентрация кислорода однородна во всем 100-метровом слое.

В центральном ядре водной толщи озера ниже 200 м сезонные изменения концентрации кислорода отсутствуют, содержание его практически равномерно убывает с глубиной. В придонной зоне весной и осенью усиливаются механизмы водообмена, обеспечивающие поступление в придонные слои вод из верхних горизонтов, обогащенных кислородом.

Характер вертикального распределения кислорода во всех котловинах Байкала одинаков, что обусловлено общими для всего озера биологическими процессами и идентичностью основных механизмов водообмена. Влияние гидродинамических факторов (подъем глубинных вод в центре циклонических циркуляций, вдоль склоновое опускание вод верхнего слоя, вертикальные перемещения вод в районе термобара) может приводить к некоторой неоднородности пространственного распределения концентрации кислорода, но различия их невелики.

Величина рН. Величина рН, или водородный показатель, характеризует концентрацию ионов водорода. Для воды Байкала величина рН зависит от соотношения концентраций угольной кислоты и ее ионов. Так как содержание гидрокарбонатов в озере невысокое и практически постоянное, то величина рН определяется, в основном, концентрацией диоксида углерода в воде. Величина рН в воде Байкала изменяется от 8,2–8,3 ед. в поверхностном слое, в периоды активного развития водорослей может достигать 8,5 ед. С увеличением глубины ее значения снижаются, в придонной области не опускаются ниже 7,45 ед.

Рис.2.5. Вертикальное распределение концентрации кислорода (А – по всей глубине, Б – в слое 0–100 м) на центральной станции разреза Листвянка–Танхой в 2006–2007 гг.

Соответственно, содержание диоксида углерода в воде поверхностного слоя изменяется от 1 мг/л до аналитического нуля, а на максимальных глубинах составляет 4–5 мг/л.

Сезонные изменения величины рН в верхнем 100-метровом слое воды отражают сезонные изменения концентрации диоксида углерода. Минимальные величины рН отмечаются в позднеосенние и зимние месяцы, в мае ее значение повышается. Следующий минимум величины рН регистрируется в июле, а годовой максимум в августе–сентябре. Неоднородности пространственного распределения величины рН по акватории Байкала малы и определяются смещением наступления отдельных периодов сезонных изменений.

Рис. 2.6. Вертикальное распределение концентрации нитратов, фосфатов и кремния на центральной станции разреза Листвянка–Танхой в 2006–2007 гг. 

Азот и фосфор входят в состав тканей каждого живого организма. Без них не могут существовать водные растения и, в конечном счете, животные. Кремний необходим для развития диатомовых водорослей, строящих свой панцирь из аморфного кремнезема, губок, имеющих скелетные образования в виде кремнеземных игл. Биогенные элементы поступают в Байкал с водами притоков и атмосферными осадками.

Вертикальное распределение биогенных элементов в воде Байкала характеризуется постоянным ростом их содержания с глубиной (рис. 2.6.).

Концентрации биогенных элементов подвержены сезонным колебаниям в поверхностных и придонных слоях воды Байкала из-за потребления и регенерации их биотой в верхних слоях воды и уникального механизма обновления придонных вод озера. В центральном ядре водной толщи Байкала концентрации биогенных элементов мало меняются по сезонам, и в разных котловинах озера на одинаковых глубинах их содержание в среднем одинаково. Концентрация нитратов в придонных водах озера достигает 0,6 мг NO₃^–/л, фосфатов 0,06 мг PO₄^3–/л, кремния 1,6 мг Si/л мг/л. Следует отметить, что в Байкале азот в нитритной и аммонийной форме отсутствует или регистрируется в незначительном количестве в поверхностном слое воды в периоды отмирания водорослей.

Сезонные изменения содержания нитратов и фосфатов отмечаются в верхнем 100– метровом слое воды, иногда распространяясь на большие глубины. Динамика их концентрации в течение года имеет два максимума (в январе–феврале и во второй половине июня и июле) и два минимума (в мае и августе–сентябре). Летний минимум, глубокий и продолжительный, иногда приводит к полному исчезновению нитратов и снижению фосфатов до 0,002–0,005 мг/л. Весенний минимум концентрации нитратов и фосфатов ярко проявляется только в годы массового развития диатомовых водорослей. И только в эти же годы наблюдаются сезонные изменения концентрации кремния. В годы с низким развитием диатомовых водорослей, как в 2006 г. (рис. 2.6.), содержание кремния в верхнем слое воды обусловлено, в основном, гидродинамическими процессами.

Характер вертикального распределения биогенных элементов одинаков в разных котловинах, а пространственное распределение их вдоль озера неоднородно. Это связано со сдвигом времени наступления отдельных фаз сезонной динамики биогенных элементов в широтном направлении и влиянием механизмов водообмена.

Кроме пространственных и сезонных изменений, в верхнем слое воды существуют также суточные колебания растворенных газов и биогенных элементов (рис. 2.7., 2.8.).

Рис. 2.7. Суточные изменения концентрации кислорода и биомассы фитопланктона в поверхностном слое воды в литорали Южного Байкала, июнь 2004 г.

Рис. 2.8. Суточные изменения концентрации нитратов и биомассы фитопланктона в поверхностном слое воды в литорали Южного Байкала, июнь 2004 г.

Суточный ход этих компонентов химического состава воды наблюдается круглый год, глубина его проникновения летом достигает 50 м. Амплитуда суточных колебаний зависит от интенсивности развития фитопланктона и гидрометеорологической ситуации, а величина амплитуды уменьшается с глубиной.

В формировании суточного хода концентрации растворенных газов и биогенных элементов ведущая роль принадлежит биологическим процессам, протекающим в озере.

В дневные и вечерние часы с ростом биомассы фитопланктона концентрация кислорода возрастает, а биогенных элементов уменьшается. Ночным и утренним максимумам содержания биогенных элементов соответствуют минимальные значения концентрации кислорода.

Окисляемость. Органическое вещество всегда содержится в природных водах, состав его сложен и разнообразен. Оно может поступать с водосборной площади и образовываться в водоеме. Одним из методов количественной оценки органического вещества является окисляемость воды, величина которой измеряется количеством кислорода, расходуемого на окисление органического вещества.

В воде Байкала содержание органического вещества небольшое, и величины окисляемости невелики. Окисляемость воды (перманганатная окисляемость в кислой среде) поверхностного слоя изменяется в пределах 1–1,6 мг О/л. С глубиной ее величина снижается и в придонной зоне составляет 0,4–0,5 мг О/л. Сезонные изменения значений окисляемости аналогичны сезонным изменения концентрации биогенных элементов и согласуются с изменениями в развитии водорослей в течение года.

Источник: Байкал: природа и люди : энциклопедический справочник / Байкальский институт природопользования СО РАН ; [отв. ред. чл.-корр. А. К. Тулохонов] – Улан-Удэ : ЭКОС : Издательство БНЦ СО РАН, 2009. С. 70-74.

Как видно из табл. 3.6, наблюдается близость среднего химического состава воды Байкала и питающих его рек. Но она ограничивается только основными ионами, что же касается содержания соединений биогенных элементов, органических веществ и компонентов газов, то для них такого сходства не наблюдается¹.

В отличие от притоков в открытых частях озера практически не отмечаются сезонные изменения содержания основных компонентов ионного состава, и по глубине их распределение мало изменяется. Такая стабильность определяется незначительностью годового поступления вод в Байкал с речным, подземным стоком и осадками по сравнению с объемом озера, а также близостью среднего ионного состава притоков и озерных вод.

Следует отметить очень малое количество в водах озера кремния и кальция по сравнению с притоками. Кремний, поступающий с водами притоков, расходуется в озере диатомовыми водорослями и губками, а кальций идет на построение раковин моллюсков и хитиновый покров членистоногих.

Байкальские воды бедны также биогенными элементами и ор- ганическими веществами. Минимально содержание соединений железа, магния.

Растворенные газы (О₂ и СО₂) и органическое вещество распределены по акватории и глубине неравномерно. Содержание кислорода и органического вещества снижается с глубиной, а углекислого газа, наоборот, возрастает. Если на поверхности озера среднее содержание кислорода составляет 11,7–11,9 мг/дм³, на глубине 140 м – 9,9–10,6 мг/дм³, то на максимальных глубинах (около 1600 м) – только 9,5 мг/дм³. Величина СО₂ изменяется соответственно от 1,5–1,7 мг/дм³.²

В целом, газовый режим Байкала отличается высокой стабильностью и благоприятен для гидробионтов. Любопытно, что максимальные концентрации растворенного кислорода приурочены к зимнему подледному периоду и в верхнем 50–75-метровом слое обычно возрастают от января к марту, что объясняется ранним началом вегетации фитопланктона.

Насыщенность вод озера кислородом способствует развитию организмов на всех глубинах, включая максимальные, а также интенсифицирует процессы разрушения органического вещества и другие окислительные процессы. Это обстоятельство выгодно отличает Байкал от некоторых других озер и приводит к тому, что в его донных осадках не происходит в больших количествах накопление органического вещества. В то же время, воды, богатые растворенным кислородом, оказывают сильное коррозирующее воздействие на железо, а малое содержание СО₂ приводит к агрессивности воды Байкала к цементу и бетону. Эти обстоятельства необходимо учитывать при строительстве на Байкале различных инженерных и гидротехнических сооружений.

Наличие щелочных элементов (натрия, кальция, магния, калия) и низкое содержание свободной углекислоты создают слабощелочную реакцию байкальских вод. Концентрация водородных ионов (рН) находится в пределах 7,0–8,5, причем с глубиной рН снижается.

Таким образом, воды оз. Байкал по классификации О. А. Алекина относятся к слабоминерализованным мягким водам гидрокарбонатного класса, группе кальциевых; по гидрохимическим параметрам они соответствуют международным стандартам высококачественной питьевой воды и отвечают требованиям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Сопоставление химического состава байкальской воды с требованием проекта стандарта на питьевую воду, выполненное в работе Г. И. Галазия, Е. Н. Тарасовой и др. (1996), показало, что значения и естественные колебания гидрохимических параметров байкальской воды ниже требований проекта стандарта в десятки раз и более.

Источник: Байкаловедение : учеб. пособие / Н. С. Беркин, А. А. Макаров, О. Т. Русинек. – Иркутск : Изд-во Ирк. гос. ун-та, 2009. С. 134-137.

Гидрохимия в вопросах и ответах

370. Каков химический состав воды Байкала?

Средний ионный состав воды Байкала по Г. Ю. Верещагину, К. К. Вотинцеву составляет: гидрокарбонаты (НСО_3-) - 66,5; сульфаты (SО₄²_-) -5,2; хлор (Сl^-) -0,6; кальций (Са²⁺) — 15,2; магний (Mg²⁺) — 3,1; натрий (Na⁺) — 3,8; калий (К⁺) — 2,0; нитраты (NO_{3_}) —0,3-0,5; фосфаты (РО₄^3-) — 0,02-0,06; карбонаты (СО₃^2-) — 0,6-0,06; силикаты и кремниевая кислота (SiO₂) — 1,6-5,5; алюминий (А1³⁺) — следы; железо (Fe)—0,02-0,03; кислород (О₂) — 9,6—14,4; азот (N₂) — 16,8-22,4; свободная углекислота (СО₂) — 0,44-5,28; марганец (Мn) — 0,0012-0,0023; жесткость — 1,039 мг-экв.; сумма ионов — 96,7 мг/л.

371. Какова общая минерализация воды в Байкале?

Общая минерализация воды в Байкале составляет 120 мг/л, суммарное содержание ионов в воде озера 96,7 мг/л. Для сравнения заметим, что среднее содержание ионов по всем притокам Байкала 107,9, а общая минерализация 128,2 мг/л, то есть различия сравнительно невелики.

372. Какое количество веществ растворено в Байкале?

В 1 л воды содержится 120 мг различных веществ, или 120 г/м³. В Байкале 23000 млрд. м3 воды, следовательно, общее количество растворенных веществ составляет 2,76 млрд. т.

373. Каковы физико-химические свойства воды?

1. Вода — это прозрачная жидкость без запаха, вкуса, а в малом объеме без цвета. Молекулярная масса воды 18,0160, химическая формула — Н2О. Максимальная плотность дистиллированной воды 1,0000 г/см3 при температуре 3,982°С и нормальном давлении 1 атм.

2. Вода — единственное известное нам вещество, которое встречается в естественных условиях на поверхности Земли в твердом, жидком и газообразном состояния.

3. Вода — уникальный растворитель. Она растворяет больше солей и прочих веществ, чем любое другое вещество.

4. Воду очень трудно окислить, сжечь или разложить на составные части. Вода — химически стойкое вещество.

5. Вода окисляет почти все металлы и разрушает даже самые твердые горные породы.

6. Вода имеет редкую способность при замерзании расширяться, вследствие чего лед плавает на воде, остающейся в жидкой фазе. Только немногие вещества (висмут, галлий, германий и др.) имеют такую же аномалию, при которой твердая фаза легче жидкой.

7. Вода имеет большое сродство к самой себе, самое большое из всех жидкостей. Именно поэтому вода существует в форме сферических капель — ведь сфера имеет наименьшую поверхность при заданном объеме. Поверхностное натяжение (на границе с воздухом при 20°С равное 72,75 дин/см) является необходимым условием капиллярных процессов, столь важных для жизнедеятельности растений и животных.

8. Пресная вода замерзает не при температуре наибольшей плотности (+4°С), а при 0°С.

9. Вода обладает способностью поглощать большое количество теплоты и сравнительно мало при этом нагреваться. У воды очень высокая скрытая теплота плавления льда (79 кал/г) и испарения (539 кал/г при 100°С), то есть она поглощает значительное количество дополнительной теплоты при неизменности температуры в процессе замерзания и при кипении.

10. Дистиллированная вода очень плохо проводит электрический ток, но даже весьма малые добавки солей превращают ее в хороший проводник.

11. Удельная теплоемкость воды выше, чем у большинства веществ (кроме водорода и аммиака) при 100°С = 0,487 кал/г-град, а при 15°С = 1,000 кал/г -град. Плавление льда сопровождается увеличением его удельной теплоемкости почти вдвое. С повышением температуры теплоемкость воды уменьшается и только после 40°С начинает увеличиваться.

12. Температура замерзания воды понижается при увеличении давления примерно на 1°С на каждые 130 атм. и достигает минимума (—22°С) при давлении 2200 атм. При дальнейшем увеличении давления температура замерзания увеличивается и может стать выше 0° (при очень большом давлении).

13. Температура кипения воды равна +100°С при нормальном давлении 1 атм., но учитывая, что водород кипит при —253°С, а кислород при —180°С, вода должна кипеть в пределах от —100°С до —150°С.

14. Диэлектрическая проницаемость воды (Е в единицах СГСЭ) 81,0 при 20°С (это объясняет наличие у воды особых свойств, в частности способность растворять многие вещества). У большинства других тел она находится в пределах 2—3, за исключением ряда кислот (муравьиная — 58, ацетон — 21) и цианистого водорода, у которого диэлектрическая проницаемость 107.

15. Коэффициент преломления света в воде при 20°С = 1,3330, в то время как по волновой теории света (n = √Е) он должен быть равен 9.

16. Вода способна к полимеризации — соединению большого числа молекул обычной воды. Такая поливода имеет ряд совершенно новых физических свойств, в частности, она кипит при температуре в 4—5 раз более высокой, чем обычная.

17. Скорость звука в пресной воде около 1450 м/с, в морской при 25 — 1496 м/с.

18. Вязкость при 20°С= 1,005 саyтипуаз (спз), (1 спз = 1/100пуаза= 1/100*г/см.с). При 0°С вязкость чистой воды 1,789 спз, а при 100°С только 0,282, то есть в 6 раз меньше. Вязкость водяного пара при 15°С всего 0,006 спз, то есть значительно меньше, чем у воды при той же температуре.

19. рН дистиллированной воды при 20°С = 7. При нагревании рН уменьшается и при 100°С, например, рН = 6.

20. При давлении 1 атм и температуре 100°С из 1 л воды образуется 1600 л пара.

У воды есть и ряд других свойств, которые уже известны, и которые еще предстоит узнать.

374. Почему в Байкале вода пресная?

Байкал как водоем заполнялся поверхностными водами. Реки не успевают насытиться солями, так как кристаллические породы их лож труднорастворимы, поэтому они несут в Байкал воду слабой минерализации, которая соответствует стандартам па самую высококачественную питьевую воду. Благодаря тому, что водный баланс в Байкале нулевой, то есть приходная и расходная части одинаковы, минерализация воды в озере постоянная. Лишь в последние десятилетия из-за антропогенных влияний она получила тенденцию к повышению.

375. Как классифицируется вода в Байкале?

Вода в Байкале относится к слабоминерализованным мягким водам гидрокарбонатного класса, группы кальция первого типа (по классификации О. А. Алекина). В среднем па долю гидрокарбонатов кальция и магний приходится 84%, хлоридов и сульфатов — 7% и щелочных металлов — 9 % эквивалент ионов. Вода озера принадлежит к гидрокарбонатно-кальциево-сульфатной (НСО_з-—Са²⁺—So₄²⁺) гидрохимической фации, хотя вода большинства притоков (170 из 250 обследованных) относится к гидрофации гидрокарбонатно-кальциово-кремниевой (НСО_з-—Са²⁺—SiO₂). Изменение фации притоков в озере свидетельствует о специфике процессов формирования байкальских вод. Поступающие в озеро воды претерпевают при метаморфизации глубокие изменения в своем химическом составе, приводя к изменению гидрохимической фации. Одним из процессов, ведущих к этому, является процесс биогенного извлечения кремния диатомовыми водорослями.

376. Почему химический состав воды в Байкале сравнительно однороден?

Потому что вся водная толща интенсивно перемешивается как ветровыми течениями, так и постоянной циркуляцией.

377. Как изменяется химический состав воды в Байкале по сезонам?

Изменение химического состава воды происходит, главным образом, в содержании соединений фосфора, кремния и азота. Изменения содержания кремния в верхних слоях воды зависит от развития диатомовых водорослей. Максимальные его концентрации отмечаются зимой, в период депрессии в развитии водорослей, минимальные — весной, в период весеннего цветения. Минеральные и органические соединения азота и фосфора имеют два максимума концентрации (зимой — в январе—феврале и летом — в июле), а также два минимума (весной — в мае—июне и летом—в августе). Эти колебания целиком зависят от сезонного развития фитопланктона.

378. Как изменяется состав воды Байкала по акватории?

Средний химический состав вод в разных частях байкальской котловины различается незначительно.

Больше изменений на тех участках, которые примыкают к крупным притокам, а также на тех, где интенсивно развиваются водоросли. В этих районах может значительно изменяться количество растворенного кремния, вплоть до полной его утилизации, а также солей фосфора (фосфатов) и азота (нитратов). Вода притоков несколько отличается от байкальской. Однако в зависимости от объема стока происходит постепенное изменение химического состава воды притоков и превращение ее в воду байкальскую.

379. Как изменяется состав воды Байкала с глубиной?

Содержание минеральных соединений, биогенных элементов увеличивается, органических, напротив, снижается.

380. Сколько химических элементов содержится в воде Байкала?

Точного подсчета пока не проведено. С помощью нейтронно-активационного метода индентифицированно более 40 элементов. Однако это далеко не все. Вероятно, в байкальской воде присутствуют почти все элементы периодической системы Д. И. Менделеева, только многие из них в очень малых количествах.

381. Каких химических элементов больше всего в воде Байкала?

Кальция, углерода, кислорода, магния, натрия, калия, кремния, серы, хлора, азота, железа, фосфора.

382. Можно ли приготовить искусственно байкальскую воду?

До настоящего времени никто пока подобных экспериментов не проводил. По химическому набору элементов, может быть, и можно сделать раствор, похожий на байкальскую воду. Что же касается ее молекулярной структуры и изотопного состава, то, вероятно, невозможно.

383. Сколько содержится микроэлементов в воде Байкала?

Сотые и тысячные доли миллиграмма в 1 л. Роль микроэлементов в воде Байкала изучена недостаточно, хотя многие из них необходимы для нормальной жизнедеятельности водных организмов. Микроэлементы, например, влияют на обмен в растительных организмах, на синтез и действие витаминов, входят в состав ферментов, а также в состав элементов крови позвоночных и т. д.

384. Какое наименьшее количество растворенных твердых веществ в воде Байкала можно измерить обычными стандартными лабораторными методами?

Современные нейтронно-активационные приборы позволяют измерять чрезвычайно малые количества элементов, содержащихся в воде в растворенном виде — миллиардные доли процента. В Байкале были проведены такие исследования для оценки содержания в воде микроэлементов. Точность измерений позволила уловить их содержание в количестве 10-10—10-12. В зарубежных лабораториях с помощью анодной пленочной вольтометрии с использованием тонкопленочных ртутно-графитовых электродов проф. Дайтон Керрит из Массачузетского технологического института измерил методом прямого анализа проб морской воды миллиардные доли процента содержания в воде таких металлов, как цинк, медь, свинец и кадмий.

385. Изменяется ли химический состав воды в Байкале при замерзании?

С понижением температуры воды растворимость многих веществ снижается. При замерзании воды в морях и соленых озерах происходит ее опреснение - высаливание льда. То же происходит и при замерзании воды в Байкале. Но так как минерализация байкальской воды очень мала, то изменение ее химического состава незначительно. Более заметно изменение минерализации воды при замерзании в мелководных заливах. Может быть, интенсивное подледное развитие фитопланктона связано с обогащением биогенными элементами верхних слоев воды при замерзании озера.

336. Сколько солей уносит Ангара за год из Байкала?

В течение года в Ангару при среднем стоке около 60 км³ воды и минерализации 96,7 мг/л уносится 5,6 млн. т минеральных и 0,15 млн. т органических веществ.

387. Сколько солей откладывается в донных отложениях?

В донные отложения Байкала в течение года поступает 1,72 млн. т минеральных и 0,45 млн. т органических веществ, в том числе 29 тыс. т железа и др.

388. Увеличивается ли содержание солей в Байкале?

Соленость (минерализация) воды в Байкале возрастает из-за возросшего количества солей, приносимых притоками. В Байкале ежегодно остается только из основных ионов 545 тыс. т гидрокарбонатов (НСО_3-); 118 тыс. т сульфатов (SO₄^2-); 22,7 тыс. т хлора (С1^-); 10 тыс. т азота (NO_3-); 2,37 тыс. т фосфатов (РО₄^3-); 118 тыс. т кальция (Са₂₊); 60 тыс. т магния (Mg₂₊); 30 тыс. т натрия и калия (Na⁺+K⁺); 460 тыс. т органических веществ; 28,9 тыс. т железа (Fe — общ.); 495 тыс. ,т, кремния SiO₂). Общее количествj ионов, остающихся в Байкале, 1890 тыс. т, что составляет около 24% от общего количества солей, поступающих в озеро.

389. Какой диапазон изменения химического состава воды Байкала?

По основному ионному составу вода открытых частей Байкала довольно стабильна и почти не претерпевает изменений. По отдельным же компонентам, как, например, биогенные элементы, изменения довольно значительны. Так, в период интенсивного развития водорослей из воды в поверхностных слоях, где они обитают, могут почти полностью исчезать (до аналитического нуля) минеральные соединения кремния, фосфора, азота, уменьшается содержание углекислоты, железа и ряда микроэлементов. Однако содержание этих веществ после прекращения развития фитопланктона и усиленного ветрового перемешивания ежегодно восстанавливается. Соединений солей азота и фосфора, а также железа и марганца в Байкале почти всегда достаточно, и в следующем году круговорот этот повторяется снова. Изменение же минерализации, вызванное антропогенным влиянием, однозначно — она возрастает.

390. Как пополняется в Байкале запас питательных веществ?

Для поддержания жизни водных организмов необходимо постоянное снабжение их питательными веществами. Основным источником их пополнения в Байкале являются притоки озера. Значительную долю составляют вещества, поступающие в повторное использование за счет их регенерации из отмерших организмов, а также за счет выноса их к поверхности с глубинными водами при ветровом перемешивании воды. Заметную часть питательных веществ приносят промышленные и бытовые стоки.

391. Почему в воде Байкала мало силикатов?

Ежегодно реки, впадающие в Байкал, приносят более 600 тыс. т кремния, а содержание его в воде очень мало и не возрастает. Кремиекислоту потребляют для построения панциря (наружного скелета) самая многочисленная по видовому составу и самая большая по биомассе группа диатомовых водорослей, а также губки и некоторые моллюски. Кроме того, с водами Ангары выносится свыше 100 тыс. т кремния и около 500 тыс. т в год увлекается в донные отложения озера в виде панцирей отмирающих диатомовых водорослей, спикул губок и створок некоторых моллюсков.

392. Какие газы растворены в воде Байкала?

Практически все те газы, которые существуют в атмосфере, а также газы подземного происхождения, выделяющиеся со дна озера. Но пропорции газов значительно отличаются, потому что неодинакова их растворимость в воде и не все они участвуют в биологическом и биохимическом круговороте. Так, в воде озера больше всего растворено азота, в значительном количестве содержится кислород, углекислый газ. Аргон, гелий, неон, криптон присутствуют в весьма малых концентрациях.

393. Каков состав растворенных газов в воде на разных глубинах?

В водной толще Байкала из газов в растворенном состоянии содержатся кислород, двуокись, углерода, азот, а также аргон, гелий, неон, криптон и др. Количество газов зависит от температуры и давления, при которых они растворяются (за исключением кислорода, количество которого зависит от жизнедеятельности потребляющих его организмов, а также количества органического вещества, на окисление которого расходуется кислород). В какой форме инертные газы связаны с молекулой воды, пока нет достоверных сведений.

394. Каким образом кислород попадает в водную толщу?

В зоне проникновения света, необходимого для жизнедеятельности водорослей, вода насыщается кислородом, выделяемым растениями в процессе фотосинтеза. В самом поверхностном слое воды кислород частично поступает из воздуха. На большие глубины кислород попадает при перемешивании воды ветром, при турбулентных и циркуляционных течениях и т.д.

395. Сколько кислорода выделяют в воду Байкала водоросли в процессе фотосинтеза?

В процессе фотосинтеза водоросли на каждый грамм углерода в синтезированном органическом веществе выделяют в воду в 2,5—2,8 раза больше кислорода. За год в озере под 1 м² синтезируется до 127 г органического углерода, следовательно, при этом выделяется до 320— 330 г кислорода; для всего Байкала это составит около 10—10,2 млн. т.

396. Какое количество кислорода может быть растворено в воде Байкала?

Основным источником кислорода, обогащающим воды Байкала, является кислород, выделяемый в водную толщу водорослями фитопланктона в процессе фотосинтеза. На его долю приходится до 99,5% всего поступающего в воды Байкала кислорода. Роль донных макрофитов и, вероятно, микрофитов в общем кислородном балансе составляет около 0,5% от его количества. С повышением температуры воды количество растворенного кислорода уменьшается.

При повышении минерализации воды растворимость газа падает: например, при 0°С растворимость кислорода в 1 л воды с минерализацией менее 1 г/л (пресная вода) составляет 49 мл, а при минерализации 30 г/л (морская вода) — только 15, то есть снижается более чем в три раза. Биологи утверждают, что при повышении температуры воды на 10°С потребление кислорода рыбами удваивается и что обилие рыбы и других водных животных может привести к снижению кислорода в воде. Особенно это заметно в малых водоемах. Таким образом, максимальное содержание кислорода в открытой воде Байкала может достигать 14 мг/л.

В зимний и особенно весенний период, когда Байкал еще покрыт льдом и происходит, так называемое подледное цветение воды, то есть интенсивное развитие фитопланктона, который в процессе фотосинтеза выделяет кислород, его содержание повышается до 16—18 мг/л. В Забайкалье, в Ивано-Арахлейских озерах, в отдельные годы в малоснежные зимы, когда лед не покрыт снегом, в период подлёдного цветения фитопланктона и фитобентоса, содержание его повышается до 20—22 мг/л. Из воды в свежей проруби кислород иногда выделяется в атмосферу в виде пузырьков.

397. На что расходуется растворенный в воде кислород?

Основными потребителями кислорода являются фито- и зоопланктон, аэробные бактерии, зообентос, рыбы и др. водные организмы. Значительнее количество кислорода расходуется на окисление органических веществ как в водной толще, так и в донных отложениях. Насыщенность воды кислородом во всей толще способствует развитию жизни на всех глубинах.

398. Есть ли кислород в придонных слоях воды?

Есть, его содержание составляет от 70% до 80% нормального для данных условий насыщения. Так, если в поверхностных слоях воды (в ее деятельном слое) озера содержится кислорода в среднем 11,7—11,9 мг/л, то на глубине 1400 м — 9,9—10,6 мг/л, а на максимальной глубине около 1600 м — 9,5 мг/л. В слое, непосредственно прилежащем к донным отложениям, содержание кислорода заметно снижается. Толщина этого слоя воды, обедненного кислородом, до 1 м.

399. Какие особенности газового режима и химизма связаны с гомотермией в Байкале?

В период гомотермии в Байкале происходит выравнивание химического состава воды, обогащение глубинных ее слоев кислородом, а поверхностных — биогенными элементами за счет поступления к поверхности обогащенных ими глубинных вод при ветровом перемешивании. Такой механизм поступления кислорода в глубины озера обеспечивает существование животных в Байкале даже на самых больших глубинах. В водоемах, где такой механизм отсутствует (оз. Танганьика, Черное море), в глубинных слоях со 150—200 м сероводородная зона.

400. Что служит источником углекислого газа в воде?

Углекислый газ в воде, необходимый для фотосинтеза растений, образуется при дыхании водных животных, окислении органических веществ, при сдвиге карбонатного равновесия, а также поступает непосредственно из атмосферы.

401. Как растворяется в воде угарный газ?

Исследования содержания угарного газа в воде Байкала не проводились. По наблюдениям в морях выявлено, что этот газ выделяется некоторыми морскими растениями и животными. Эверест Дуглас из Скрипсовского океанографического института установил, что окись углерода растворяется в морской воде хуже, чем кислород, но лучше, чем водород или азот. На основании этого можно считать, что содержание угарного газа довольно значительно в тех местах, где его много поступает в воду. А это обычно бывает в поверхностных слоях, куда направлен выхлоп газов судов с двигателями внутреннего сгорания.

402. Почему на дне Байкала редко встречаются кости рыб и млекопитающих?

Вода в Байкале обладает агрессивностью и высокой растворяющей способностью, которая с глубиной возрастает. Поэтому все твердые остатки животных — млекопитающих, рыб, моллюсков и др. — долго на дне не сохраняются. Для инженерных бетонных конструкций применяются специальные марки бетона.

403. Почему на волнах образуется пена?

Пена состоит из пузырьков воздуха, разделенных пленкой воды. В пресной воде пузырьки, сближаясь друг с другом, сливаются, а в соленой воде отталкиваются. Большая их часть в морях и океанах образуется при ветре, но они могут возникать и при дожде и даже снеге. Пузырьки, образующиеся вблизи берега, очень мелкие, обычно менее 0,5 мм в диаметре. Поднимаясь на поверхность, они лопаются и выбрасывают в воздух брызги на высоту, в тысячу раз превосходящую их диаметр. Полагают, что этим объясняется наличие частиц соли в атмосфере морских и океанских побережий. Образованию пены на волнах в значительной степени способствует постоянно присутствующая на поверхности тончайшая пленка из органических веществ (белков и углеводородов).

404. Почему у дна глубоких водоемов скапливается сероводород?

Скопление сероводорода наблюдается в тех глубоких водоемах, где отсутствует или слабое вертикальное перемешивание воды. Поэтому кислород в глубинные придонные слои не поступает совсем, или его слишком мало. В таких условиях развиваются анаэробные (бескислородные), процессы, при которых серобактерии продуцируют сероводород за счет восстановления содержащихся в воде сульфатов. Такое явление происходит в Черном море, в оз. Танганьика и др. водоемах. При избыточном поступлении органических веществ, даже при наличии слабого перемешивания и, следовательно, поступлении некоторого, но недостаточного количества кислорода, на дне водоемов может накапливаться сероводород постоянно или периодически, как это происходит, например, в Балтийском море, в некоторых озерах Польской Народной Республики (Мазурские озера), в некоторых из Великих озер Северной Америки.

405. Какое воздействие на водные организмы оказывает сероводород?

Сероводород смертелен для большинства водных организмов. Появление большого количества сероводорода и чистой воде вредно еще и потому, что для его окисления потребляется кислород и тем самым создается его, дефицит для дыхания организмов. Между тем серобактерии очень живучи. Если однажды они поселяются в донных отложениях водоема, где много органических веществ, то свою способность интенсивно развиваться сохраняют даже при перемешивании воды и обогащения ее кислородом. Признаки сероводорода появились в Байкале в районе, где сбрасываются промстоки Байкальского целлюлозно-бумажного комбината и на дне накапливаются органические вещества от этого предприятия.

406. Какая реакция воды в Байкале (кислая или щелочная)?

Вода в Байкале имеет слабощелочную реакцию из-за наличия в ней щелочных элементов: натрия, кальция, магния и калия и низкого содержания свободной углекислоты. Концентрация водородных ионов (рН) находится в пределах 7,0—8,5 ед. С глубиной рН снижается. Понижается концентрация водородных ионов и зимой в подледный период.

407. Как изменяется реакция воды в Байкале по сезонам?

Реакция воды в Байкале в летнее время несколько изменяется в сторону щелочности и рН возрастает до 8 —8,5. В зимнее время происходит сдвиг в сторону нейтральной реакции и рН становится близким к 7.

408. Каковы величины Eh донных отложений Байкала?

В поверхностных слоях донных отложений Байкала до глубины- 5—20 см идут окислительные процессы, и Eh здесь колеблется от +50 до +300 милливольт. Глубже идут восстановительные процессы, и значения Eh имеют отрицательный знак. Их величины колеблются от 50 до 230 милливольт. Абсолютная величина показателя Eh может свидетельствовать об интенсивности окислительных или восстановительных процессов. В окислительном слое гидроокислы железа типа Fе(ОНз) и гидрогетит, в восстановительном — сульфаты железа (гидротроилит, пирротин, пирит, марказит), а также его силикаты (лептохлориты).

409. Какова величина рН денных отложений Байкала?

В донных отложениях величина рН зависит от того, какие процессы в них протекают: окислительные, восстановительные или нейтральные. В окислительной зоне меньше водородных ионов и его величина близка к нейтральной (рН≥7) или слабокислой (рН7. В песчаных донных отложениях, где отсутствуют органические вещества или их поступление ничтожно, величина рН обычно близка к тем его значениям, которые имеет вода Байкала, то есть к нейтральной или слабощелочной (рН = 7,2—7,5).

410. Сколько взвешенных веществ в Байкале?

В среднем около 1,5 мг/л, а во всем озере 34,5 млп. т. Но распределение взвешенных веществ крайне неравномерно как по акватории, так и по сезонам. Больше всего их в приустьевых участках крупных рек, меньше всего — в открытых районах Байкала. С глубиной их количество также снижается, особенно ниже зоны сезонного перемешивания воды.

411. Что понижается под соленостью воды?

Содержание всех растворенных веществ, а не только солей. Термин соленость применяется обычно к морской воде минеральных источников, а иногда и соленых высокоминерализованных вод озер.

Для характеристики количества растворенных веществ в пресных водах широко используется термин минерализации, и он, вероятно, предпочтительнее.

412. Как измеряют содержание солей в воде Байкала?

Обычно анализами отобранных проб воды. В последнее время относительные изменения минерализации оценивают по изменению электропроводности воды.

413. Какова электропроводность воды в Байкале?

Электропроводность воды Байкала, измеряемая микросименсами на сантиметр (единица, равная Ому-1), зависит от температуры воды и имеет следующие значения:

Температура, 0С	Электропроводность, мкСм/см	Температурный коэффициент
1,0	63	0,0228
5,0	73	0,0224
10,0	84	0,0231
15,0	96	0,0227
18,0	103	-
20,0	107,5	0,0219

414. Можно ли добывать йод из Байкала?

Йод относится к микроэлементам, потребности организмов в нем невелики, но оп, хотя и в малых количествах, совершенно необходим для нормальной жизнедеятельности любого животного организма. В воде Байкала дефицит йода. Для компенсации недостающего количества йода его добавляют к пищевой поваренной соли. Соль в Сибири йодируют.

415. Как изменяется химический состав воды его притоков?

В течение года изменение по основному ионному составу от максимальных до минимальных величин не превышает для разных притоков 1,5—2,5-кратной величины. Однако химический состав воды притоков меняется более значительно. В некоторых притоках вода в течение сезона может изменить свою принадлежность к той или иной классификационной категории: например, реки, принадлежащие к гидрокарбонатно-кремниево-кальциевой гидрофиции, в период повышения минерализации зимой или в межень могут перейти к гидрокарбонатно-кальциево-кремниевой гидрофации и т. п. За период открытой воды в Байкале в среднем поступает 88% годового количества ионов и 84% двуокиси кремния. Зимний сток составляет соответственно 12 и 16% от годовой величины.

Содержание главных ионов в озере близко в среднем их содержанию в водах питающих его притоков. Сумма ионов в воде Байкала 96,7 мг/л, а средний химическим состав воды притоков Байкала — 128,2 мг/л. В содержании соединений биогенных элементов, органического вещества и растворенных газов различий значительно больше.

416. Сколько солей приносят притоки Байкала за год?

Основные притоки Байкала в течение года приносят 6013 тыс. т в год. По основным ионам эти же 18 наиболее крупных притоков распределяются следующим образом (в тыс. т/год): карбонаты и гидрокарбонаты (СО₃^2-+НСО₃) — 3539; сульфаты (SO₄^2-) — 277; хлор (С1^-) — 42,2; нитраты (NO_3-) — 19,2; фосфаты (РО₄^3-) - 1,68; кальций (Са²⁺) - 859; магний (Mg²⁺) — 165; натрий +калий (Na⁺+K⁺) —204; органическое вещество — 412; железо общее (Fe общ.) — 27,7; кремнекислота (SiO₂) — 466.

417. Какое количество растворенных твердых веществ ежегодно приносят притоки Байкала?

В течение года все его притоки приносят 7809 тыс. т растворенных веществ. Кроме того, около 1200 тыс. различных веществ в год поступает в Байкал с атмосферными осадками и воздушным переносом.

По последним данным, суммарный ионный сток рек, впадающих в Байкал, составляет за год 6569 тыс. т, сток органического вещества— 292 тыс. т в пересчете на органический углерод.

418. Как классифицируют притоки Байкала?

По гидрохимическому режиму они подразделяются на пять типов.

Сибирский — характеризуется резким снижением минерализации воды при весеннем паводке, и в течение всего теплого времени года (pp. Сарма, Шагнапда, Утулик).

Казахстанский — у рек этого типа годовой минимум минерализации наблюдается весной, она повышается в период летней межени, понижается во время летне-осенних паводков и вновь плавно повышается в последующее осенне-зимнее время (pp. Селенга, Турка).

Восточно-европейский — в этих реках минерализация сохраняется высокой и относительно стабильной и лишь кратковременно снижается в период весенних паводков (pp. Крестовка, Харгино).

Байкальский - для него характерно резкое снижение минерализации весной в период паводка с последующим постепенным возрастанием в течение всего летне-осеннего периода (pp. Голоустная, Снежная, Большая Половинная, Тыя, Томпуда, Баргузин).

Конденсационный — у этих рек значительное плавное снижение минерализации с начала весны до сентября, а затем ее постепенное повышение до весны.

Малые притоки Байкала могут менять свой гидрохимический тип в зависимости от водного режима.

419. Увеличивается ли содержание солей в притоках Байкала?

Современные исследования показывают, что ряд гидрохимических компонентов поступает в Байкал в значительно больших количествах, чем расходуется при выносе из озера. В Байкале ежегодно остается 32% сульфатов, 47% хлоридов, 30% магния, свыше 70% органических веществ и кремния, а также почти все железо, поступающее в озеро, с водами притоков. Новейшие данные по балансу минеральных и органических форм азота и фосфора в Байкале показали, что в течение года в озеро поступает 36,1 тыс. т азота и 5,5 тыс. т фосфора, выносится с водами Ангары 17,9 тыс. т азота и 2,3 тыс. т фосфора, остается в озере 18,2 тыс. т азота и 2,2 тыс. т фосфора. В целом за год в Байкале накапливается до 1890 тыс. т минеральных и органических веществ. Поэтому можно сказать, что соленость притоков (лучше минерализация) возрастает. Оценка избыточного количества поступающих в озеро компонентов показывает, что их концентрация в воде озера довольно быстро бы сравнялась с концентрацией их в питающих водах. Следовательно, нарушение баланса компонентов ионного состава воды Байкала не могло явиться результатом длительного их накопления в геологических масштабах времени. При анализе видно, что избыточное количество ионов поступает в озеро с бассейнов pp. Селенги и Баргузина. Заметим, что самая активная хозяйственная деятельность сосредоточена именно в бассейнах этих рек (вырубка лесов, развитие земледелия и скотоводства, горнорудной промышленности и пр.). А отсюда можно сделать вывод, что сформировавшийся за длительный период существования гидрохимический облик озера оказался нарушенным и нарушение вызвано усилением хозяйственной деятельности в бассейне Байкала.

420. Есть ли минеральные и органические вещества в дождевой воде?

В среднем в атмосферных осадках, выпадающих на Байкале, содержится 9,1 мг/л ионов различных солей и около 1 мг/л органических веществ: гидрокарбонатные ионы (НСО_3-) — 5,8 мг/л; сульфатные (SO₄^2-) — 0,9 мг/л; ионы хлора (С1^-) — 0,3 мг/л; кальция (Са²⁺) — 1,9 мг/л; магния (Mg²⁺)—0,1 мг/л; натрия + калия (Na⁺+K⁺) -0,1 мг/л.

421. Сколько твердых и растворенных веществ поступает в Байкал из атмосферы?

Из атмосферы с осадками, выпадающими над Байкалом, ежегодно поступает в озеро около 120 тыс. т различных веществ, в том числе: гидрокарбонатных ионов (НСО_3-) —53; сульфатных (SO₄^2-) — 9; ионов хлора (Сl^-) — 0,9; нитратного азота (NO_3-) — 5,5; фосфатного фосфора (РО₄^3-) - 0,40; кальция (Са²⁺) - 18,0; магния (Mg²⁺) — 1,0; натрия+калия (Na⁺+K⁺) — 4,0; органических веществ —24,0; окислов кремния (SiO₂) — 4,0, сумма ионов — 92,0; остальные около 28 тыс. т —пылеватые минеральные частицы. Доля веществ, приносимых с атмосферными осадками, в сравнении с веществами, поступающими с водами притоков, до недавнего времени составляла 1,5%. За последние годы она заметно возросла и составляет 2,5%.

422. Что такое закон относительной пропорциональности (закон Диттмара)?

Проанализировав 77 проб морской воды, собранных во время кругосветного плавания «Челленджера», В. Диттмар вывел закономерность о постоянстве соотношения между основными компонентами растворенных в воде веществ. Такое постоянство позволяет для определения солености морской воды измерять лишь одну основную компоненту раствора, а остальные рассчитывать. Этот закон был открыт в 1884 г. Пресная вода является таким же природным раствором, как и морская, поэтому правило Диттмара должно выполняться по ионному составу и в сформировавшихся водах крупных озер. Но этот вопрос еще требует изучения. На Байкале эти работы проводятся, и их решение во многом облегчит труд гидрохимиков, обеспечит более быстрое получение результатов исследований.

Источник: Изучение Байкала // Галазий Г. И. Байкал в вопросах и ответах — Иркутск: Восточно-Сибирское книжное издательство, 1987 г. С. 153-169.

Читайте в Иркипедии

Термины

1. Батиметрия и морфометрия озера Байкал
2. Подводный рельеф
3. Батиметрия и морфометрия озера Байкал
4. Температурный режим
5. Течения и водообмен
6. Биоразнообразие и биота
7. Микробный мир
8. Таксономическое и экологическое разнообразие микроорганизмов озера Байкал

Другие ресурсы

1. Байкал: жизнь в толще вод // Галазий Г. И. Байкал в вопросах и ответах
2. Байкал: волны, течения, водообмен // Галазий Г. И. Байкал в вопросах и ответах
3. Байкал: тайны подводного мира
4. Байкальская вода // Карнышев А.Д. Байкал таинственный, многоликий и разноязыкий
5. Библиография по теме "Озеро Байкал: среда обитания, биота и экосистема"

Литература

1. Монин А.С., Каменкович В.М., Корт В.Г. Изменчивость мирового океана. Л.: Гидрометеоиздат. 1974. 262с.
2. Одрова Т. В. Гидрофизика водоемов суши. Л., 1979.
3. Шулейкин В. В.. Физика моря. 4 изд., М., 1968.

Ссылки

1. Гидрохимия
2. Гидрохимия озер

Примечания

1. Байкал в цифрах : краткий справочник. – Иркутск, 2001. – 72 с.
2. Проблемы Байкала. – Новосибирск : Наука, 1978. – 295 с.