פורסם על ידי: danielwinkler1 | 24/07/2011

אוקינוגרפיה כימית:הפלגה באילת

הפלגה באילת: מבט על פרופיל אדן היבשה.

הפלגה באילת: מבט על פרופיל אדן היבשה.

איסוף דגימות מים.

איסוף דגימות מים.

מבוא:

בתאריך 23.11.2010 יצאנו להפלגה באילת, דרך המכון הבינאוניברסיטאי למדעי הים, לקחת דגימות מעומק מי מפרץ אילת ולבצע בהן מספר מדידות אשר בעזרתם נוכל ללמוד על הסביבה והתנאים הכימיים/הפיזיקליים של מפרץ אילת.

התחלקנו ל-2 קבוצות, כאשר הקבוצה הראשונה דגמה מים מעומק פני השטח עד לעומק 150מ' (שעה 10:12), ואילו הקבוצה השניה דגמה מים מעומק זה עד לעומק 600מ' (שעה 12:50).

בחיבור זה נציג פרופילים שונים של מי העומק כפי שנמדדו בשעה 10:12 לערך, ע"י הקבוצה הראשונה.

הורדנו מכשיר הנקרא "רוזטה", שהוא מעין כלוב שאליו מחוברים צינורות ארוכים (ניסקין) הדוגמים מים מעומקים שונים. אל המכשיר מוצמד מדד מוליכות-טמפ'-עומק (CTD), וכן חיישן המודד את הפלורסנציה, את עוצמת האור לפוטוסינטיזה ואת הצפיפות של המים.

רקע על מפרץ אילת:

מפרץ אילת הוא לשון ים צרה וארוכה הגובלת בדרום במיצרי טיראן ומסתיימת בצפון בחופי אילת-עקבה, ומפרידה בין חצי האי סיני לחצי האי ערב (אורך 170ק"מ ורוחב מקסימלי 26ק"מ). עומק המים במפרץ אילת מגיע ל2000 מ' אלא שבמיצרי טיראן בדרום, עומק המים רדוד והוא מגיע ל250מ' במעבר המערבי ו70מ' בלבד במעבר המזרחי (המעברים הם נתיבי שיט בין שוניות אלמוגים).

מים עניים בנוטריינטים (כיוון שנוצלו זה מכבר) חולפים מעל המחסום התת ימי ובדרכם צפונה מתאדים, נעשים חמים יותר ומלוחים יותר, ושם שוקעים חזרה לעומק. מפרץ אילת הוא השלוחה המזרחית של הים האדום, ומשרעת הטמפ' עומדת על 20-25 מעלות צלזיוס. הים האדום הוא ים אוליגוטרופי ומאפשר צמיחה של אלמוגים ואקוסיסטמה מגוונת. האקוסיסטמה במפרץ אילת מהווה דוגמא למערכת העולמית בזעיר אנפין.

מטרת הניסוי:

א.      להכיר את התכונות הפיזיקליות והכימיות (הערכים האופיניים)  של מי מפרץ אילת.

ב.       להתנסות בשיטות דיגום.

ג.        ללמוד את אופן העבודה של ניסוי במעבדה וכתיבת חיבור מדעי קצר על התוצאות ודרכי המדידה.

שיטות:

 א.      האלקליניות נבדקה במעבדה ע"י טיטרציה בעזרת תמיסת HCl בריכוז 0.01M, כאשר רמת הדיוק של המכשיר היא 0.03mM±. כיוון שעבור ערכי pH אופיינים למי ים, האלקליניות מורכבת מריכוז יון הביקרבונט (אשר מהווה בופר: בסיס של חומצה חלשה), הרי שטיטרציה שלו (סתירה עם חומצת HCl) תהווה את מדד האלקליניות במים.

ב.       ערך ההגבה והטמפ' של המים נמדד בעזרת  pH-Meter מסוג 785 DMP Titrino, כאשר דיוק ערך ה-pH עומד על ±0.03 (2± סביב נקודת הכיול), ואילו הדיוק בטמפ' היא 0.1±. ערך הטמפ' המדויק שהשתמשתי בו נלקח מה-CTD (מדידת in-situ).

ג.        ריכוז החמצן המומס במים נמדד בעזרת אלקטרודה כאשר דיוק מכשיר המדידה הוא 0.5%± (כאשר המדידה נעשית בטווח טמפ' cº5-30). כמו כן בוצעה טיטרציית וינקלר אשר פירוט שלה מובא כאן:

  1. מילאנו בקבוק בנפח 50mL, במי הדגימה וסיננו אותם במסנן mμ 0.45וזאת על מנת למנוע מחלקיקים גדולים יותר (כגון חומרים אורגניים ומיקרואורגניזמים שונים) להכנס לדגימה ולהפריע, כיוון שפעילות ביולוגית עלולה להשפיע על תוצאות מדידת החמצן (פעילות פוטוסינטטית שבמהלכה נפלט חמצן מחד,  או פעילות נשימה שבמהלכה נצרך חמצן מאידך). לשם כך, הרעלנו את הדוגמא על מנת להרוג את כל המיקרואורגניזמים שבדוגמא. את בקבוק המדידה מילאנו עם צינור, אשר הוכנס עד לתחתית והרווינו את הבקבוק עד לקצה וסגרנו אותו מיד עם פקק זכוכית. הסיבה היא למנוע עד כמה שאפשר, כניסת חמצן נוסף לדגימה (בועות אוויר), עקב פעפוע (דיפוזיה). ידוע שכאשר שטח הפנים של המים עם האוויר הוא גבוה, יכול להכנס יותר חמצן ולכן דאגנו למלא את הבקבוק מהתחתית במלואו.
  2. בסיס חזק NaOH מגיב עם מנגן כלורי לתת משקע של מנגן הידרוכסיד כפי שמופיע במשוואה (1). החמצן המומס בתמיסה גורם להתחמצנות מנגן הידרוכסיד (Mn2+ לMn3+) כפי שמופיע במשוואה (2).
  3. הוספת חומצה לתמיסה גורמת להתמוססותו, ומשחררת יוני  Mn3+אשר מחמצנים יוני יודיד I ליוד I2 (3). נוצר לנו קומפלקס  I3 (יודין) אשר מתקיים בשיווי משקל עם היונים המרכיבים אותו (4).
  4. הקומפלקס של היודין I3 עובר טיטרציה עם טיוסולפט S2O32-: היודין מחוזר ליון יודיד I בעוד שהטיוסולפט מחומצן לתת S4O62- (משוואה 6). עמילן משמש אינדיקטור (בוחן) עבור נקודת סוף הטיטרציה. כיוון שהטיוסולפט S2O32- אינו יציב, משתמשים באשלגן יודאט KIO3 אשר מתפרק ומגיב עם יון היודיד I לתת יודין I3. כפי שניתן לראות ממשוואה (5) מול אחד של יודאט IO3 מפיק 3 מול של יודין I3 אשר מנוצלים ע"י 6 מולים של טיוסולפט (משוואה6). כמות החמצן מחושבת ע"י המטטר: מול אחד של חמצן O2 מגיב עם 4 מולים של טיוסולפט.

ד.       כדי למצוא מה היה צריך להיות ערך החמצן ברוויה, השתמשתי בפולינום כפונק' של הטמפ' והמליחות (אשר נדגמו מנתוני הCTD). כיוון שאין נתון בודד של הטמפ' והמליחות השייכים לעומק מסוים, עשיתי ערך ממוצע שלהם סביב העומק הרלוונטי, בטווח של 1± סביב העומק הרלוונטי.

הפולינום הבא משמש לצורך חישוב ערך החמצן ברויה (ביחידות molalμ שהם מול לק"ג תמיסה):

Ln(Oxy)=A1+A2*(100/T)+A3*Ln(T/100)+A4*(T/100)+S*[B1+B2*(T/100)+B3*(T/100)^2]

A1= -173.99           B1= -0.03736

A2= 255.591          B2= 0.016504

A3= 146.481          B3= -0.0020564

A4= -22.204

כאשר הטמפ' T והמליחות S נלקחו כאמור מהנתונים המדויקים של הCTD.

            כיוון הנתונים עבור החמצן כפי שנדגמו בפועל הם ביחידות mg/L הרי שצריך לחלק במשקל

המולרי של חמצן (32,000mg/mol) ולהכפיל ב106 כדי לקבל molalμ (אקוולנטי ל Mμ, כיוון שליטר מים שוקל 1ק"ג).

ה.      עומק המים נמדד בעזרת מד לחץ המותקן על גבי הרוזטה, ויחידותיו: דציבר deciBar, שהם שווה גודל להעמקה ב1.019716מ' (ויקיפדיה/bar), ולכן מדידתו נותנת בקירוב טוב את עומק המים שמהם דגמנו.

ו.        המליחות מחושבת ביחידות PSU (practical salinity units), או per mil.

ז.        מדד ה-PAR,מחושבת עבור אורכי הגל המתאימים לצורך ביצוע פוטוסינתיזה.

ח.      הפלורסנציה הראתה תנודתיות גבוהה במי העומק ולכן השתמשתי ב"ממוצע נע" על מנת להפטר מעודף נקודות על גבי הגרף, ובאותה עת להשאר גם מדויק.

ט.      כאשר עוצמת הקרינה לפוטוסינתיזה מגיעה ל1% מהערך שלה בפני השטח, זהו בהגדרה האזור הפוטי. ע"י חישוב הערך המקומי חלקי הערך בפני השטח  באחוזים ניתן לגלות את עומק האזור הפוטי.

י.        הצפיפות שהתקבלה ע"י החיישן שבספינה מציג את הסטיה (הפרש) בצפיפות בין מים מזוקקים למה שנמדד, ביחידות של ק"ג/מ' מעוקב. כיוון שמים מזוקקים הם בצפיפות של 1000ק"ג/מ^3, הרי שכדי למצוא את צפיפות המים האמיתית, הוספתי את הערך הנ"ל למה שנמדד. כדי לעבור מיחידות של ק"ג/מ^3 צריך להכפיל ב1000 (1000גר'=1ק"ג) ולחלק במיליון (1מ"ק=1,000,000סמ"ק), וכך קיבלתי את הערך שרצוי לי ביחידות של גר'/סמ"ק.

תוצאות ודיון: ניתוח הנתונים:

  1. טמפ': ניתן לראות שעד עומק 100מ' לערך, טמפ' המים עומדת על ערך של 25.6 מעלות צלזיוס לערך. בעומק זה חלה נפילה בטמפ' המים, והיא מגיעה לערך 22.7, בתוך פחות מ45 מ' (כלומר בעומק 145 מפני השטח).  החל מעומק זה ועד 300מ' יש שיפוע מתון של הטמפ' כתלות בעומק ומשם מטה הטמפ' קבועה ועומדת על 21 מעלות צלזיוס. מתוך כך ניתן ללמוד שיש שכבתיות בולטת: כאשר השכבה העליונה בעלת טמפ' גבוהה הרבה יותר מזו שמתחתיה. לעובדה זו יש השפעה על דיפוזיה, ומסיסות גזים אשר נדון בה בהמשך.
  1. מליחות:

מליחות המים בפני השטח היא 40.5פר מיל (4.05%), והוא נשאר קבוע עד עומק 40מ', שם חלה עליה במליחות שהולכת ומתייצבת על 40.6 פר מיל.

ניתן לראות שבעומק 120-140מ' חלה תנודתיות גבוהה בערך המליחות. מדובר בבעיה במכשיר שכן המליחות נקבעת כפונקציה של הטמפ' והמוליכות החשמלית. כיוון שיש פער (lag) במדידות המכשיר (in-situ), שנובעות מירידת הטמפ' באופן חריף בעומק זה, הרי שמתקבל לנו ערך שלא מייצג נאמנה את ערך המליחות בפועל.

מעומק 140מ' עד עומק 330מ' חלה עלייה במליחות אשר מתייצבת על ערך 40.7 פר מיל.

  1. עוצמת הקרינה לפוטוסינתיזה:

ניתן לראות שבעומק מי השטח חלה תנודתיות גבוהה בגרף, אשר מתייצבת החל מעומק 10מ', על ערך 287. משם מטה, חלה ירידה עקבית עם העומק, בעומק 20מ' הערך הוא כבר 140, ובעומק 40מ' 41.8 בלבד (E/m2*secμ =Biospherical/Licor).

עוצמת הקרינה תנודתית בעומק רדוד כתוצאה מהשתקפות האור משכבת פני המים. השפעה זו נעלמת בעומק, והחל משם מטה הקריאה של המכשיר אמינה.

עומק האזור הפוטי הוא 96מ' מתחת לפני השטח, לשם מגיעה כמות קרינת האור אשר מהווה 1% ממה שנמצא בעומק מי השטח.

  1. פלורסנציה:

הפלורוסנציה (עוצמת האור באורך הגל המתאים לקליטה הכלורופיל) בפני השטח עומדת ערך של 0.36, והיא עולה עד ל0.45 בעומק 25מ' שם נמצאת נקודת השיא.  ניתן לראות שעד לעומק 50מ' חלה ירידה בעלת שיפוע חריף עד לאותו ערך שנמדד בפני השטח (0.36) ומשם חלה ירידה בעלת שיפוע מתון, עד להתייצבות על ערך 0.22. היינו מצפים שהפלורסנציה תלך ותרד עם העומד ותעמוד על המקסימום בפני השטח. אלא שבפני השטח יש קרינה גבוהה מידי של השמש וזה גורם לכך שיהיה שם מעט כלורופיל (הפלרסנציה הוא מדד לכלורופיל). בעומק 25מ' יש את התנאים האופטימליים מבחינת היחס בין קרינת השמש לנוטריינטים ולכן שם נמצאת נקודת המקסימום.

כמו כן, ניתן לראות התאמה טובה בין גרף עוצמת הקרינה לפוטוסינתיזה (PAR) ובין גרף הפלורוסנציה. מלבד האנומליה שהוסברה (נק' השיא בעומק 25מ') ניתן לראות ששניהם דועכים באותו אופן: ככל שיש פחות עוצמת אור כך יש פחות כלורופיל אשר מנצל את האור לצורך תהליך הפוטוסינתיזה.

  1. צפיפות:

ניתן לראות שחלה עליה בצפיפות עם העומק וזה הגיוני כמובן בהתחשב בכך שהלחץ עולה גם כן, (הלחץ מחושב מצפיפות המים, העומק וקבוע הכובד) ומתאר סביבה שהיא יציבה מבחינה זו. צפיפות המים בפני השטח עומד על ערך 1.027ג'/סמ"ק, והוא נשאר קבוע פחות או יותר עד לעומק 120-140מ', שם הוא עולה לערך 1.028 ג'/סמ"ק (קפיצה בעומק זהה למה שהוצג בסעיף א' אודות הטמפ'). בעומק 330מ' לערך, הצפיפות מתייצבת ונשארת קבועה על ערך של 1.0288ג'/סמ"ק.

  1. אלקליניות:

האלקליניות בעומק של עד 50מ' עומד עד ערך ממוצע של 2.5 (ביחידות Mμ) וניתן לראות שאין הפרש גדול בין 2 המדידות שבוצעו. בעומק 100מ' הערך עומד על ערך שיא של 2.7 אלא שיש סטיה גדולה בין 2 המדידות ולכן לא ניתן לייחס אמינות רבה לתוצאה זו.  אף על פי שבעומק רב יותר אין הפרש גדול בין תוצאות המדידה, ניתן לומר שהערך עומד עלM μ 2.55 והוא קבוע פחות או יותר על ערך זה.

האלקליניות היא מדד המחושב כדלקמן:

Alk=HCO3 +2CO32- + OH + H+

 מתוך העדות שאין הבדל באלקליניות ניתן ללמוד כי אין באזור המדידה המסה של קרבונט, כלומר אנחנו מעל אזור הCCD.

כאשר שלדים של יצורים הבונים של שלדם מקלציום קרבונט מתמוססים, משתחרר למים קרבונט ויוני סידן (הקרבונט יכול להקשר למימן וליצור ביקרבונט) ולכן במצב זה האלקליניות אמורה לעלות.

יש לזכור שאין לגז הפחמן הדו חמצני שום השפעה על האלקליניות. כידוע, עליה של הפחמן הדו חמצני במים גוררת אחריה עליה בריכוז הביקרבונט והמימן (כיוון שהם נקשרים ליצירת חומצה פחמתית שמתפרקת מיד אח"כ), אלא שמשום שהם נוצרים ביחס של 1:1, הרי שסה"כ נטו אין שינוי באלקליניות.

  1. חמצן

ה-AOU הוא מדד המתאר את כמות החמצן שנצרכה בתהליכים ביולוגיים מאז שהמים היו בפני השטח ומחושבת על פי ההפרש של ערך החמצן ברוויה פחות ערך החמצן שנמדד בפועל. כמו כן בטבלה 1 מוצג ה% מתוך הרוויה של החמצן הנמדד והוא מהווה מדד אחד לכמות שנצרכה.

ניתן לראות שעד לעומק 100מ' ערך החמצן שנמדד בפועל זהה לערך החמצן ברוויה, סימן לכך שקצב הדיפוזיה של המים מהאטמוספירה מהיר יותר מקצב הניצול שלו על ידי אורגניזמים שונים בתהליך הנשימה (=פירוק של חומר אורגני ושחרור פחמן דו חמצני). כמו כן, ניתן לראות שבאזור שבו מתרחש מקסימום הפוטוסינתיזה (נק' השיא בגרף הפלורוסנציה) ייתכן והיינו מקבלים ערך שיא של חמצן מעל ערך הרויה, אלא שאין שיא כזה בגרף. מכאן אנו למדים שקצב היצירה של חמצן בתהליך הפוטוסינטי נמוך מקצב הדיפוזיה או הניצול.

החל מעומק 100מ' (התרמוקלינה, כפי שנוכחנו לראות בסעיף א') חלה הפרדות בין 2 הגרפים אשר גדלה עם העומק (עדות לכך ששכבת המים התחתונה "לא רואה" את החמצן שעובר בדיפוזיה מהאטמוספירה). ערך החמצן ברויה עולה כיוון שדרגת המסיסות שלו עולה (המסיסות עולה כאשר הטמפ' יורדת ו/או המליחות עולה כפי שניתן להיוכח מהפולינום שהוצג). זאת בניגוד לערך החמצן המדוד אשר דועך, כיוון שהוא מנוצל ע"י אורגניזמים הטרוטרופיים בתהליך הנשימה.

ניתן לראות שגרף הכיול של אלטרודת החמצן איננו אמין כלל (גרף 8): טיב ההתאמה של קו המגמה הישר עומד על R2=0.04 ולכן אין על מה להסתמך עליו. בדר"כ טיטרציית וינקלר היא אמינה ועומדת על דיוק של 0.05mg/L±, בעוד שאלקטרודת ממברנה היא בעלת דיוק של  0.1mg/L±.

 (מקור:Aalborg University, Copenhagen  מסמך אודות טיטרציית וינקלר). כאשר יש ריכוז גבוה של מוצקים מרחפים אשר לא מאפשרים לעשות טיטרציה על פי צבע (קולורימטרית) או בשל ריכוז גבוה של חומר אורגני, אלא שבמקרה שלנו לא הייתה בעיה כמו זו הרשומה לעיל (ים אוליגוטרופי), אלא חוסר הדיוק נבע מטיטרצייה לא מדויקת שביצענו על הספינה.

תוצאות מדידת טיטרציית וינקלר שלי:

ניתן לראות בטבלה מס'2 שריכוז החמצן בניסיון הראשון של הטיטרציה של עומק 75מ' אשר ביצעתי יצא 5.4 מ"ג/ליטר בעוד שבפעם השניה התוצאה עמדה על 4.5 מ"ג/ליטר. פער זה נבע מקריאה לא נכונה שלי של נפח המטטר על גבי הספינה/קו המיניסקוס (קו המדידה) ובשל לחץ הזמן שהיינו בו לא התאפשרה לי מדידה שלישית כדי לבדוק את הנפח המדויק.

התוצאה שלי איננה חריגה מהתוצאות שנמדדו לכולם: בגרף 7 ניתן לראות שערך החמצן בשיטת וינקלר מראה קפיצות ואיננו עקבי כלל. לכן אין סיבה להשתמש כאמור בשיטה זו והגרף המתאים יותר הוא זה שנמדד בעזרת האלטרודת זכוכית.

ניתן לראות שגרף ה-pH איינו עקבי אך בסה"כ חלה ירידה בו (מעבר לתנאים יותר חומציים). עדות זו קורלטיבית לעובדה שערך הפחמן הדו חמצני במים אמור לעלות (כיוון שהוא נפלט בתהליך הנשימה) והוא מאפשר יצירת חומצה פחמתית במים, אשר מתפרקת לביקרבונט ומימן ובעקבות זאת מורידה את ערך הpH.

גרף 1+2+3

גרף 1+2+3

גרף 4+5+6

גרף 4+5+6

גרף 7

גרף 7

גרף 8

גרף 8

גרף 9

גרף 9

 ההפלגה התבצעה במסגרת הקורס: "אוקינוגרפיה כימית", בהנחיית ד"ר אורית סיון.

מודעות פרסומת

יש לך משהו חכם להגיד? קדימה!

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

קטגוריות