Солёность, удельный вес и электропроводность: единицы, температура и пересчёт

Как связаны ppt, практическая солёность, удельный вес и электропроводность, зачем SG нужны опорные температуры, как электропроводность приводят к 25 °C и каковы диапазоны солоноватой воды.

Что измеряет солёность

Солёность — это количество растворённой соли в воде. Обычно её выражают в граммах на литр (г/л) или граммах на килограмм (г/кг). Граммы на килограмм — безразмерная массовая доля, равная промилле (ppt, ‰). По соглашению «растворённым» считается вещество, проходящее через очень тонкий фильтр: исторически 0,45 мкм, теперь обычно 0,2 мкм. Типичная солёность морской воды — около 35 г/кг. Реки и озёра имеют солёность от менее 0,01 г/кг до нескольких г/кг, а Мёртвое море — более 200 г/кг. USGS выражает ту же величину в миллионных долях (ppm). Океанская вода содержит около 35 000 ppm соли, что равно 35 ppt, поскольку 1 ppt составляет 1000 ppm.

ppt, практическая и абсолютная солёность

Океанологи использовали три родственные шкалы. До 1980-х годов солёность определяли титрованием галогенидов нитратом серебра, получая хлорность, которую затем умножали на коэффициент. Полученная солёность по Кнудсену выражается в ppt. Практическая шкала солёности 1978 года (PSS-78) выводит солёность из электропроводности и не имеет единицы. Запись «PSU» (практическая единица солёности) после числа распространена, но названа формально неверной, и её настоятельно не рекомендуют. Стандарт TEOS-10 2010 года ввёл абсолютную солёность — массовую долю в г/кг.

Для типичной морской воды с хлорностью 19,37 ppt солёность по Кнудсену равна 35,00 ppt, практическая солёность — около 35,0, абсолютная — около 35,2 г/кг. Её электропроводность при 15 °C составляет 42,9 мС/см. При аквариумной точности три шкалы, таким образом, расходятся лишь на несколько десятых. Лимнологи обычно выражают солёность пресных вод как массу на объём (мг/л или г/л). Это подразумевает опорную температуру, потому что объём раствора меняется с температурой.

Удельный вес и его опорные температуры

Удельный вес (SG), который сейчас предпочтительно называть относительной плотностью, — это плотность образца, делённая на плотность эталона, обычно чистой воды. Он безразмерен, но имеет смысл только при указании обеих температур, что записывают как SG (Ts/Tr): температура образца и температура эталона. По умолчанию эталоном служит вода при 4 °C, когда она плотнее всего, но используют также 15 °C, 20 °C и 60 °F (15,56 °C). Стеклянные ареометры для солёности чаще всего откалиброваны на базе 60 °F/60 °F, и эта база напечатана на шкале внутри прибора. Процедура Совета по контролю водных ресурсов штата Калифорния предупреждает: если читать ареометр 60 °F/60 °F по таблицам для приборов 15 °C/4 °C, значение получается на 0,001 выше. Из-за этой ошибки рассчитанная солёность в среднем завышается примерно на 1,3 ppt.

Опорная температура заметно меняет число. Морская вода солёностью 35 г/кг имеет при 25 °C плотность 1023,6 кг/м3. Чистая вода имеет плотность 0,9970479 г/см3 при 25 °C и 0,9999720 г/см3 при 4 °C. Деление этих значений (расчёт выполнен для этой статьи по плотностям со страниц Википедии о морской воде и данных о воде) даёт для одной и той же воды SG (25 °C/25 °C) около 1,0266, но SG (25 °C/4 °C) около 1,0236. Разница 0,003 втрое больше описанной выше ошибки из-за несовпадения таблиц, поэтому целевое значение SG полезно только вместе с опорными температурами. Плотность поверхностной морской воды колеблется примерно от 1020 до 1029 кг/м3 в зависимости от температуры и солёности.

Ареометр работает за счёт плавучести и погружается глубже в менее плотную жидкость. Поскольку тёплая вода менее плотна, показание нужно поправлять по таблице, соответствующей базе калибровки прибора. Рефрактометр измеряет показатель преломления, и в морской аквариумистике им определяют солёность и SG. Показатель преломления тоже зависит от температуры и длины волны света, поэтому рефрактометры используют автоматическую температурную компенсацию или термостатирование.

Электропроводность как заменитель солёности

Электропроводность показывает, насколько хорошо раствор проводит ток за счёт растворённых ионов. Единица СИ — сименс на метр, но в работе с качеством воды обычно используют микросименсы на сантиметр (мкС/см). Электропроводность растёт на 0,5–3% на 1 °C в зависимости от состава ионов. Поэтому USGS сообщает удельную электропроводность, приведённую к 25 °C, по формуле κ25 = κ / (1 + α(t − 25)). Здесь t — температура воды в °C, α — коэффициент компенсации, в линейных приборах обычно 0,019–0,020 на 1 °C. Такая компенсация точна примерно до ±5% в диапазоне 5–35 °C при pH 4–11, но ниже pH 4 ошибки могут достигать 50%. Например, озёрная вода с примерно 70 мг/л солей обычно даёт 80–130 мкС/см при 25 °C, но только около 50–80 мкС/см при 5 °C.

Для пересчёта электропроводности в растворённые вещества нужно принять коэффициент. По USGS, отношение общего содержания растворённых веществ в мг/л к удельной электропроводности в мкС/см в природных водах ожидается в пределах 0,5–0,9. Википедия приводит 0,54–0,96, или около 0,64 мг соли на кг воды на каждый мкС/см, если принять соль за хлорид натрия. Для ориентира: лабораторно очищенная вода даёт около 0,05–1 мкС/см, типичная питьевая — 200–800 мкС/см, морская — около 50 мС/см (50 000 мкС/см). Приборы калибруют стандартами хлорида калия. Например, KCl 0,01 моль/кг даёт 1409,3 мкС/см при 25 °C, что близко к широко используемому стандарту 1413 мкС/см. Аппаратную часть описывает руководство по датчикам электропроводности и TDS.

Диапазоны солоноватой воды

Солоноватой считают воду, содержащую 0,5–30 г соли на литр (0,5–30 ‰). Википедия приводит это как SG 1,0004–1,0226, но не указывает опорные температуры. Вода выше 30 ‰ считается солёной. Венецианская система (1959) делит солоноватый диапазон на три зоны:

USGS использует схему для подземных вод в ppm. Пресная вода — ниже 1000 ppm. Слабосолёная вода — 1000–3000 ppm, умеренно солёная — 3000–10 000 ppm, сильносолёная — 10 000–35 000 ppm. Природные солоноватые воды, например эстуарии — крупнейшие солоноватые местообитания, — часто заметно меняют солёность в пространстве и во времени, так что солоноватые условия — это полоса, а не одно значение. Некоторым беспозвоночным из пресноводных аквариумов, в основном отдельным улиткам и креветкам, для размножения нужна солоноватая вода, хотя взрослые особи живут в пресной.