Солоність, питома вага та електропровідність: одиниці, температура й перерахунок

Як пов'язані ppt, практична солоність, питома вага й електропровідність, навіщо SG опорні температури, як електропровідність приводять до 25 °C і які діапазони солонуватої води.

Що вимірює солоність

Солоність — це кількість розчиненої солі у воді. Зазвичай її виражають у грамах на літр (г/л) або грамах на кілограм (г/кг). Грами на кілограм — безрозмірна масова частка, що дорівнює проміле (ppt, ‰). За домовленістю «розчиненою» вважають речовину, що проходить крізь дуже тонкий фільтр: історично 0,45 мкм, тепер зазвичай 0,2 мкм. Типова солоність морської води — близько 35 г/кг. Річки й озера мають солоність від менш ніж 0,01 г/кг до кількох г/кг, а Мертве море — понад 200 г/кг. USGS виражає ту саму величину в мільйонних частках (ppm). Океанська вода містить близько 35 000 ppm солі, що дорівнює 35 ppt, бо 1 ppt становить 1000 ppm.

ppt, практична та абсолютна солоність

Океанологи використовували три споріднені шкали. До 1980-х років солоність визначали титруванням галогенідів нітратом срібла, отримуючи хлорність, яку потім множили на коефіцієнт. Отримана солоність за Кнудсеном виражається в ppt. Практична шкала солоності 1978 року (PSS-78) виводить солоність з електропровідності й не має одиниці. Запис «PSU» (практична одиниця солоності) після числа поширений, але його названо формально неправильним, і його наполегливо не рекомендують. Стандарт TEOS-10 2010 року запровадив абсолютну солоність — масову частку в г/кг.

Для типової морської води з хлорністю 19,37 ppt солоність за Кнудсеном дорівнює 35,00 ppt, практична солоність — близько 35,0, абсолютна — близько 35,2 г/кг. Її електропровідність за 15 °C становить 42,9 мСм/см. За акваріумної точності три шкали, отже, різняться лише на кілька десятих. Лімнологи зазвичай виражають солоність прісних вод як масу на об'єм (мг/л або г/л). Це передбачає опорну температуру, бо об'єм розчину змінюється з температурою.

Питома вага та її опорні температури

Питома вага (SG), яку нині бажано називати відносною густиною, — це густина зразка, поділена на густину еталона, зазвичай чистої води. Вона безрозмірна, але має сенс лише за зазначення обох температур, що записують як SG (Ts/Tr): температура зразка й температура еталона. Типовим еталоном є вода за 4 °C, коли вона найгустіша, але використовують також 15 °C, 20 °C і 60 °F (15,56 °C). Скляні ареометри для солоності здебільшого відкалібровано на базі 60 °F/60 °F, і цю базу надруковано на шкалі всередині приладу. Процедура Ради з контролю водних ресурсів штату Каліфорнія попереджає: якщо читати ареометр 60 °F/60 °F за таблицями для приладів 15 °C/4 °C, значення виходить на 0,001 вищим. Через цю помилку розрахована солоність у середньому завищується приблизно на 1,3 ppt.

Опорна температура помітно змінює число. Морська вода солоністю 35 г/кг має за 25 °C густину 1023,6 кг/м3. Чиста вода має густину 0,9970479 г/см3 за 25 °C і 0,9999720 г/см3 за 4 °C. Ділення цих значень (розрахунок виконано для цієї статті за густинами зі сторінок Вікіпедії про морську воду та дані про воду) дає для тієї самої води SG (25 °C/25 °C) близько 1,0266, але SG (25 °C/4 °C) близько 1,0236. Різниця 0,003 утричі більша за описану вище помилку через невідповідність таблиць, тож цільове значення SG корисне лише разом з опорними температурами. Густина поверхневої морської води коливається приблизно від 1020 до 1029 кг/м3 залежно від температури та солоності.

Ареометр працює завдяки плавучості й занурюється глибше в менш густу рідину. Оскільки тепла вода менш густа, показник потрібно виправляти за таблицею, що відповідає базі калібрування приладу. Рефрактометр вимірює показник заломлення, і в морській акваріумістиці ним визначають солоність і SG. Показник заломлення теж залежить від температури та довжини хвилі світла, тому рефрактометри використовують автоматичну температурну компенсацію або термостатування.

Електропровідність як замінник солоності

Електропровідність показує, наскільки добре розчин проводить струм завдяки розчиненим іонам. Одиниця СІ — сименс на метр, але в роботі з якістю води зазвичай використовують мікросименси на сантиметр (мкСм/см). Електропровідність зростає на 0,5–3% на 1 °C залежно від складу іонів. Тому USGS повідомляє питому електропровідність, приведену до 25 °C, за формулою κ25 = κ / (1 + α(t − 25)). Тут t — температура води в °C, α — коефіцієнт компенсації, у лінійних приладах зазвичай 0,019–0,020 на 1 °C. Така компенсація точна приблизно до ±5% у діапазоні 5–35 °C за pH 4–11, але нижче pH 4 похибки можуть сягати 50%. Наприклад, озерна вода з приблизно 70 мг/л солей зазвичай дає 80–130 мкСм/см за 25 °C, але лише близько 50–80 мкСм/см за 5 °C.

Для перерахунку електропровідності на розчинені речовини потрібно прийняти коефіцієнт. За USGS, відношення загального вмісту розчинених речовин у мг/л до питомої електропровідності в мкСм/см у природних водах очікується в межах 0,5–0,9. Вікіпедія наводить 0,54–0,96, або близько 0,64 мг солі на кг води на кожен мкСм/см, якщо прийняти сіль за хлорид натрію. Для орієнтиру: лабораторно очищена вода дає близько 0,05–1 мкСм/см, типова питна — 200–800 мкСм/см, морська — близько 50 мСм/см (50 000 мкСм/см). Прилади калібрують стандартами хлориду калію. Наприклад, KCl 0,01 моль/кг дає 1409,3 мкСм/см за 25 °C, що близько до поширеного стандарту 1413 мкСм/см. Апаратну частину описує посібник з датчиків електропровідності та TDS.

Діапазони солонуватої води

Солонуватою вважають воду, що містить 0,5–30 г солі на літр (0,5–30 ‰). Вікіпедія наводить це як SG 1,0004–1,0226, але не зазначає опорних температур. Вода понад 30 ‰ вважається солоною. Венеційська система (1959) ділить солонуватий діапазон на три зони:

USGS використовує схему для підземних вод у ppm. Прісна вода — нижче 1000 ppm. Слабосолона вода — 1000–3000 ppm, помірно солона — 3000–10 000 ppm, сильносолона — 10 000–35 000 ppm. Природні солонуваті води, наприклад естуарії — найбільші солонуваті оселища, — часто помітно змінюють солоність у просторі та часі, тож солонуваті умови — це смуга, а не одне значення. Деяким безхребетним із прісноводних акваріумів, переважно окремим равликам і креветкам, для розмноження потрібна солонувата вода, хоча дорослі особини живуть у прісній.